Бёккер_Хроматография [2009]
.pdf
110
Глава 3. Газовая хроматография
сутствии этого ионно&термического источника N& и P&содержащие органические молекулы ионизируются с высоким выходом. Ионы собираются, и возникающий ток измеряется. АФД очень ценен в клинической химии и анализе пестицидов, так как, благодаря его селективности, отпадают дорогие и требующие много вре& мени этапы экстракции и концентрирования. Он применяется специально для обнаружения и определения наркотиков [3.35].
Детектор может использоваться в двух разных режимах работы, которые от& личаются в соответствии с температурой пламени.
NP-РЕЖИМ
Контрольное вещество сжигается в водородном пламени лишь частично. Чтобы минимизировать ионизацию нормальных углеводородов, пламя поддерживают при меньшем расходе воздуха и водорода, чем при ПИД. При этом возникают электрофильные промежуточные продукты, которые захватывают свободные элек& троны из электронагреваемой стекловидной соли рубидия. Образующиеся в ре& зультате ионы устремляются к электроду&коллектору и там поглощаются. Базо& вый ток на электроде возрастет, усиливается электронным усилителем и записы& вается как измеряемый сигнал. Дополнительно ионы щелочного металла могут вводиться в пламя, чтобы увеличивать ионизацию N& и P&содержащих веществ. Тем самым, АФД является селективным детектором к органическим соединени& ям, содержащим азот и/или фосфор. Неорганический азот как N2 или аммиак де& тектироваться не будут. В этом режиме работы детектор обладает одинаковой чув& ствительностью к азоту и фосфору.
P-РЕЖИМ
В очень горячем водородном пламени анализируемое вещество сгорает полнос& тью. Продукты сгорания фосфора реагируют со щелочным металлом стекловид& ной соли. При этом образуются ионы, которые соответствующим образом опре& деляются. В этом режиме работы детектор обнаруживает специфическую чувстви& тельность только к фосфору.
ВЫВОДЫ
АФД очень похож на ПИД с той разницей, что в центре пламени расположена частица соли щелочного металла. Он является чувствительным и селективным детектором для P& и N&содержащих соединений. Так как АФД детектирует следо& вые количества, нужно обращать серьезное внимание на то, чтобы не было заг& рязнения аналитической системы, например, фосфатсодержащими чистящими средствами. Даже сигаретный дым записывается уже на расстоянии 30 м! АФД очень хорошо подходит для актуальной темы анализа азотсодержащих гербици& дов и пестицидов в воде [3.36].
3.7.6. Пламенно(фотометрический детектор
Пламенно&фотометрический детектор (ПФД) позволяет чувствительное и селек& тивное обнаружение сера& и/или фосфорсодержащих контрольных веществ. По& этому он очень актуален в области биохимии, химии пищевых продуктов и окру&
3.7. Газохроматографические детекторы 111
Фильтр
Фото>
умножитель
Пламя
Форсунка
Изоляция
Воздух
Газ>носитель
Водород
Рис. 3.24. Пламенно&фотометрический детектор
жающей среды. Необходимость в трудоемкой пробоподготовке отпадает. Это де& лает ПФД очень популярными [3.37].
УПФД используется тот факт, что сера& и фосфорсодержащие углеводороды
входе реакции сгорания, т.е. в пламени, подобном ПИД, образуют хемилюми& несцирующие частицы. Возбужденные молекулы испускают свет определенной длины волны, которая является характерной для элементов в пробе. Оптический фильтр пропускает только свет с определенной длиной волны к приемнику (фо& тоумножителю), и присоединенная электроника выдает сигнал (рис. 3.24).
Химические реакции внутри и около пламени очень сложны и тесно связаны с потоком газа и температурой. При этом образуются возбужденные молекулы S=S* из соединений серы и возбужденные частицы HPO* из соединений фосфо& ра [3.38]. Эти метастабильные промежуточные продукты теряют при разрушении энергию в форме фотонов со специфической длиной волны, которая лежит для серы при 394 нм и для фосфора при 526 нм. Излучение выделяется оптическим фильтром и регистрируется фотоумножителем и записывается после электрон& ного усиления как измеряемый сигнал. В старых приборах каждый раз должен был применяться соответствующий фильтр. Более новые конструкции обладают двумя фильтрами и умножителями и делают возможным, таким образом, одно& временное детектирование серы и фосфора.
Из&за реакции серы в пламени (образование S=S*) количество испущенно& го света не линейно связано с концентрацией атомов серы, а приблизительно пропорционально квадрату концентрации атомов серы. Осложнением для ко& личественного определения, как правило, является высокая полярность анали& зируемых веществ. Многие серасодержащие газы легко адсорбируются в хрома& тографических колонках или в соединительных деталях. Это ведет к сильно не& симметричным пикам, которые затрудняют правильное количественное опре& деление [3.39].
Следующая проблема – это так называемое тушение. Если в детектор вместе с оксидом серы попадает, например, не серасодержащее органическое соединение, то могут иногда наблюдаться сильные помехи, например, потеря чувствительно& сти или обращение пиков.
112
Глава 3. Газовая хроматография
ВЫВОДЫ
ПФД обладает хорошей чувствительностью и прост в использовании. Область применения, однако, ограничена вследствие неоднородного нелинейного откли& ка детектора.
3.7.7. Детектор по электролитической проводимости
Детектор по электролитической проводимости (ДЭП) – это детектор, который был разработан не так давно и очень полезен в области экологического анализа благодаря его чувствительности к галогенированным соединениям [3.40].
С ДЭП можно избирательно обнаруживать галоген&, сера& или азотсодержа& щие соединения. Этого достигают, смешивая в реакционной ячейке (обычно из никеля) разделенные компоненты с реакционным газом, который, в зависимос& ти от проводимого анализа, действует как окислитель или восстановитель. Ко& нечный продукт смешивается с деионизированным растворителем, при этом по& лучают проводящий раствор. Проводимость измеряется и записывается (рис. 3.25).
В случае анализа галогенсодержащих соединений компоненты, выходящие из колонки, восстанавливаются в никелевой ампуле водородом при 850 °C, причем образуется сильная кислота (например, HCl из хлорсодержащих соединений). Этот газообразный продукт растворяется затем в н&пропаноле, и измеряется измене& ние проводимости растворителя.
Другие продукты реакции являются не такими ионными и поэтому в слабо& кислом растворителе н&пропаноле не ведут к увеличению проводимости.
Для трудновосстанавливаемых соединений, как, например, ПХБ, необходи& мы более высокие температуры реактора (950 °C). Газ&носитель и газ&восстанови& тель водород должны быть очень чистыми, чтобы гарантировать свободное от
Соединительная трубка
Ввод растворителя
Ячейка для измерения
проводимости
Реакционная трубка
Реактор
Выход
Реакционный газ
Элюат
Рис. 3.25. Принцип детектора электролитической проводимости
3.7. Газохроматографические детекторы 113
шума, чувствительное проведение анализа. Растворитель должен быть очищен на ионообменной смоле, чтобы гарантировать постоянную проводимость.
С помощью разных растворителей и газов ДЭП может детектировать также другие гетероатомы. Хотя самая употребительная версия – это обнаружение га& логенов, хороших результатов [3.41] можно достичь также с детекторами, чувстви& тельными к сере и к азоту.
3.7.8.Фотоионизационный детектор
С1976 года коммерчески доступны детекторы фотоионизации (ФИД). Они очень популярны из&за их чувствительности к ароматическим углеводородам и неорга& ническим соединениям, а также из&за их недеструктивного действия [3.42].
Принцип действия ФИД основывается на том, что молекулы пробы ионизи& руются путем поглощения ультрафиолетового света. Образующиеся заряженные частицы улавливаются между двумя электродами, к которым приложено напря& жение от 50 до 200 В (рис. 3.26). Измеряемый ионный ток пропорционален кон& центрации анализируемых компонентов в диапазоне более семи порядков, при& чем граница обнаружения у ФИД иногда лежит ниже, чем у ПИД.
Чем выше энергия возбуждения, тем более универсально происходит иониза& ция, т.е. селективность детектора может задаваться источниками излучения. Де& тектор подобен ПИД с тем дополнительным преимуществом, что обладает боль& шей селективностью. Используемая лампа задает энергию фотонов и, тем самым, определяет также соединения, которые можно детектировать, так как каждое со& единение обладает своим собственным потенциалом ионизации.
Доступны лампы с 8,3, 9,5, 10,2 и 11,7 эВ. Это соответствует области длин волн от 147 нм (8,3 эВ) до 104 нм (11,7 эВ). В табл. 3.5 указано несколько примеров по& тенциалов ионизации. Если используют лампу со средней энергией (10,2 эВ), то соединения с высокими потенциалами ионизации возбуждаются незначительно.
ФИД состоит из ультрафиолетовой лампы и ионизационной камеры. Лампа наполнена газом (обычно аргоном или водородом), который производит харак& терную линию эмиссии в возбужденном состоянии. Излучение проходит через
Ультра>
фиолетовая
лампа
Элюат
Камера ионизации (зона детекции)
Рис. 3.26. Фотоионизационный детектор
114
Глава 3. Газовая хроматография
Таблица 3.5. Потенциалы ионизации различных соединений
Àçîò |
15,6 ýÂ |
Монооксид углерода |
14,0 ýÂ |
|
|
Метан |
13,0 ýÂ |
|
|
Диоксид углерода |
12,8 ýÂ |
Âîäà |
12,6 ýÂ |
|
|
Кислород |
12,1 ýÂ |
Õëîð |
11,5 ýÂ |
|
|
Ýòàí |
11,5 ýÂ |
|
|
1,2-дихлорэтан |
11,1 ýÂ |
Аммиак |
10,3 ýÂ |
|
|
Гексан |
10,2 ýÂ |
Бензол |
9,3 ýÂ |
|
|
Толуол |
8,8 ýÂ |
|
|
окно из фторида металла в ионизационную камеру или ячейку. Ионы улавлива& ются электродом, и измеряемый ток пропорционален концентрации пробы.
Лампа и окно выбирают соответственно потенциалу ионизации измеряемого соединения. От этого зависят селективность и чувствительность.
ВЫВОДЫ
ФИД обладает очень высокой чувствительностью, стабильностью, большой ли& нейной областью измерения и прост в использовании. Однако применим исклю& чительно для органических соединений ввиду их относительно невысоких потен& циалов ионизации.
3.7.9. Детектор дальнего УФ диапазона
Поглощение энергии, которое ведет к фотоионизации, можно использовать как метод измерения также в оптическом детекторе, для чего предлагается детектор дальнего УФ диапазона. Детекторы поглощения ультрафиолета в спектральном диапазоне от 160 нм были известны уже в 70&е годы, но без значительного ком& мерческого интереса из&за незначительных возможностей приложения в этом спектральном диапазоне. Сегодняшние детекторы в дальней УФ области рабо& тают в спектральном диапазоне от 120 нм (10,2 эВ облучателя), что делает их практически универсальными, за исключением детектирования благородных газов, так что гелий может использоваться как газ&носитель. Также никому боль& ше не нужен спектрофотометр. Вместо него используется ультрафиолетовый фотодиод, который делает возможным детектирование в узком диапазоне длин волн при низком темновом токе. Это обеспечивает высокую чувствительность детектора.
Чувствительность определяется коэффициентами поглощения вещества, зна& ние которых, в свою очередь, позволяет определить величину отклика детектора и границы обнаружения соединения. Таким образом, например, для углеводоро& дов граница обнаружения близка к таковой для ДТП, однако в десять раз хуже, чем у ПИД.
3.7.Газохроматографические детекторы 115
3.7.10.Гелиевый ионизационный детектор
Высокопроизводительный ионизационный гелиевый детектор (ИГД) разрабаты& вался в 50&ые годы для определения следовых примесей в постоянных газах. Он является ионизирующим детектором и работает подобно детектору фотоиониза& ции [3.43]. Вместо ультрафиолетового излучения ионизация веществ происходит с помощью β&облучателя. Комбинация β&облучателя и большого градиента элек& трического поля (4000 В/см) переводит газ&носитель гелий в метастабильное со& стояние с потенциалом ионизации 19,8 эВ. Все анализируемые вещества с мень& шим потенциалом ионизации при этом ионизируются и увеличивают тем самым ток анода. Потенциалы ионизации нескольких соединений указаны в табл. 3.5. ИГД, таким образом, использует то обстоятельство, что ионизация усиливается, если посторонний газ примешивается к благородному газу, находящемуся под постоянным облучением [3.44]. Однако точный механизм еще полностью не ясен, хотя в прошлом на этом пути были достигнуты определенные успехи [3.45].
Механизм, вероятно, основан на переносе энергии от метастабильного гелия на другие атомы или молекулы. Гелий протекает через детектор как газ&носитель. β&лучи ионизируют часть атомов гелия. При этом вторичные электроны ускоря& ются до определенной энергии с помощью приложенного напряжения, чтобы в свою очередь перевести неионизированный гелий в метастабильное, но не иони& зированное состояние. Так как энергия возбуждения метастабильного гелия боль& ше, чем потенциал ионизации всех других соединениий (за исключением неона), он может ионизировать при соударении почти все компоненты. Возникающие при этом ионы улавливаются электродом коллектора, что и определяет ток иони& зации. Поэтому ИГД является универсальным детектором.
He + e → He* + e
He* + M→ He + M+ + e.
М символизирует здесь все атомы или молекулы, кроме гелия. Хотя согласно этим уравнениям должен был бы возникать только положительный сигнал, отри& цательные и даже биполярные сигналы также регистрируются в зависимости от типа соединения и его концентрации.
Для ИГД необходим исключительно чистый гелий (99,9999%), так как детек& тор очень чувствителен ко всем чужеродным атомам. На самом деле ИГД для того и разрабатывали, чтобы контролировать процессы очистки гелия. Очистку гелия можно провести, в простейшем случае, с помощью колонки, наполненной моле& кулярными ситами и охлаждаемой жидким азотом. Сегодня ИГД применяется для анализа следов постоянных газов как неспецифический детектор с высокой вос& производимостью и чувствительностью. ИГД, таким образом, похож универсаль& ностью применения на ДТП, но только, разумеется, для области следовых и уль& траследовых количеств.
3.7.11. Редокс(хемилюминесцентный детектор
Редокс&хемилюминесцентный детектор (РХД) разрабатывался в конце 70&х годов для количественного определения соединений азота, водорода или серы в воде
116
Глава 3. Газовая хроматография
Нагреваемая зона |
Хемилюминисцентная |
катализатора |
реакционная камера |
|
Фотоумножитель |
Элюат |
|
|
Окно |
Вакуумный
насос
Рис. 3.27. Схема редокс&хемилюминесцентного детектора
или воздухе. Как правило, для анализа используется реакция озона с моноокси& дом азота [3.46].
Элюат из колонки смешивается в РХД с реагентами, чтобы образовалось со& единение, которое лучше детектируется, чем аналит. В данном случае это соеди& нение, излучающее свет, а именно: возбужденная NO2.
M + NO2 → NO + MO
NO + O3 → NO2* + O2
NO2* → NO2 + h v.
Разделенные вещества смешиваются с двуоксисью азота и восстанавливают его до монооксида азота. В качестве катализатора применяют золото. Затем NO смешивается в реакционной камере при пониженном давлении с озоном, чтобы получить электронновозбужденную двуокись азота NO2*. Испускаемые при пе& реходе в невозбужденное состояние кванты света регистрируются (рис. 3.27). Эмиссия пропорциональна полученному NO и регистирируется с помощью фо& тоумножителя.
К соединениям, которые можно определять с помощью РХД, принадлежат спирты, альдегиды, кетоны, кислоты, фенолы, олефины, ароматические углево& дороды, амины, тиолы, сульфиды и фосфонаты [3.47]. РХД дополняет ПИД, так как много соединений, которые не дают сигнал ПИД, действуют как восстанови& тели и могут быть таким образом обнаружены.
3.8.Комбинированные методы газовой хроматографии
Все чаще хроматографические методы и спектроскопические методы детектирова& ния сочетают друг с другом для идентификации неизвестных пиков [3.48]. ГХ&МС (газовая хроматография&масс&спектрометрия) и ГХ/ИК Фурье (газовый хрома& тограф/инфракрасная Фурье спектроскопия) очень полезны для идентифика& ции компонентов в пробе. В течение последних двух десятилетий для качествен&
3.8. Комбинированные методы газовой хроматографии 117
ного анализа время удерживания в ГХ все больше и больше заменяют данными по ГХ/МС. Ранее этот вид качественного анализа был даже дополнен инфра& красными спектрами поглощения. Более того, значительные успехи в развитии аналитических приборов позволили очень просто получать одновременно дан& ные ГХ&МС и ГХ/ИК&Фурье после одного ввода пробы.
Методом, чаще всего применяемым для характеристики хроматографических пиков, является масс&спектрометрия. Этот метод служит не только для установ& ления структуры неизвестных веществ, но и для идентификации и количествен& ного анализа известных соединений в сложных матрицах в области фемтограмм. Учитывая эти уникальные возможности, сочетание ГХ&МС нашло широкое рас& пространение в ГХ. Тем не менее, есть некоторые задачи, в которых данных по масс&спектрам недостаточно. Некоторые из этих проблем можно решить с помо& щью ИК&спектров.
При сравнении масс&спектрометрии и инфракрасной спектроскопии важно указывать, что они взаимно дополняют друг друга. Сила ИК&спектроскопии – в ее способности давать качественную информацию по расположению и интенсив& ности полос, которые обусловлены пространственными колебаниями, а именно: вибрационными и деформационными колебаниями молекул. С помощью ИК&спек& троскопии можно определять различия молекулярной геометрии и пространствен& ного расположения и, таким образом, отличать изомеры. Слабости масс&спектро& метрии проявляются при непосредственном распознавании изомеров. С другой стороны, молекулярный вес нельзя определить непосредственно из ИК&спект& ра, но очень часто можно определить из масс&спектра. Так как масс&спектрометр проявляет селективность к массам, то это дает очень полезные сведения для проб, которые содержат, например, компоненты ряда гомологов. Для таких задач дан& ных ИК&спектрометрии иногда недостаточно, особенно для проб высокой моле& кулярной массы.
Комбинация газовой хроматографии с атомно&эмиссионной спектроскопией представляет собой очень селективный многоэлементный детектор. Колоночный элюат в индуцированной микроволнами плазме полностью разлагается на атомы и ионизируется, причем каждый элемент испускает свет в форме характеристи& ческих линий, которые регистрируются спектрометром. При этом для каждого элемента получается собственная хроматограмма, что позволяет определять эле& ментный состав индивидуальных веществ.
3.8.1.Масс(спектрометр
Вто время как на хроматограмме, полученной с пламенно&ионизационным де& тектором (ПИД), интенсивность пиков пропорциональна количеству ионов, мо& лекула в масс&спектрометрическом (MС) детекторе разлагается на фрагменты, которые характерны для данной молекулы и поэтому позволяют сделать выводы о ее структуре. При сочетании МС с ГХ элюат нужно направлять непосредственно или через интерфейс в МС&источник ионов, который находится под высоким ва& куумом. Чтобы необходимый для получения безупречных масс&спектров вакуум не падал, в МС нужно направлять только небольшой поток газа. Оба типа ГХ коло&
118
Глава 3. Газовая хроматография
нок, наполненные и капиллярные, совместимы с МС. При применении напол& ненных колонок для сокращения количества газа&носителя, попадающего в МС, на сочленении ГХ и МС требуется установить сепаратор. Наполненные колонки, однако, редко применяются для техники ГХ/МС.
В масс&спектрометре молекулы «бомбардируются» в газовой фазе электрона& ми, как правило, с энергией ионизации 70 эВ. При этом говорят об ионизации электронным ударом (ЭУ). Вначале из молекулы выбивается электрон, возникает положительно заряженный молекулярный ион. Избыточная энергия молекулы ведет к распаду химических соединений на молекулярные ионы. Расщеплением и процессами перегруппировки получают характерный для соответствующего ве& щества масс&спектр. Многие вещества фрагментируются незначительно и, таким образом, дают очень интенсивный молекулярный ион. Отсюда легко определить молекулярную массу.
Альтернатива этого процесса, а именно захват электрона молекулой газа с об& разованием отрицательно заряженного ион&радикала, в 100 раз менее вероятна. Поэтому преимущественно наблюдаются масс&спектры положительных ионов.
Если положительно заряженные фрагменты ускоряют в магнитном поле, то они перемещаются по искривленнным траекториям, радиусы которых пропор& циональны квадратным корням из массы ионов (сила Лоренца):
m / e = H 2 r 2 , 2 V
где H – сила магнитного поля; r – радиус круговой траектории, по которой дви& жется ион; V – ускоряющее напряжение.
При постоянном магнитном поле каждый ионный пучок содержит ионы с оди& наковым отношением массы к заряду, которые затем направляются на коллектор. Заряженные ионы вызывают появление электрического тока, величина которого пропорциональна относительному количеству ионов соответствующей массы.
Путем изменения магнитного поля все соотношения массы к заряду последо& вательно направляются на коллектор. Возникающий ток последовательно регис& трируется и дает масс&спектр. На рис. 3.28 представлен принцип масс&спектро&
Коллекторная Из камеры пластина ионизации
Рис. 3.28. Принцип масс&спектрометрии в магнитном поле
3.8. Комбинированные методы газовой хроматографии 119
метра с магнитным полем, при котором магнитное поле направляет пучки ионов по различным траекториям в соответствии с отношением массы к заряду. Масс& спектрометры с постоянным магнитным полем обладают отличным разрешени& ем по массам, однако они имеют значительные размеры и очень дороги. Для мно& гих аналитических задач в газовой хроматографии экстремальное разрешение по массам вовсе не требуется. В этом случае предпочтение отдают другим, более про& стым и, вместе с тем, существенно менее дорогим масс&детекторам.
Масс&спектрометры как детекторы ГХ стали вообще более доступными при последовательном развитии квадрупольной МС и систем обработки данных. В на& стоящее время есть две системы, которые предлагаются как детекторы для ГХ:
•масс&селективный детектор (МСD) и
•ионная ловушка (ITD).
По их цене они доступны также для средних лабораторий. Масс&спектромет& ры могут регистрировать по полному ионному току или ионному току для выб& ранной массы обычную хроматограмму и являются практически универсальны& ми ионизационными детекторами, так как при энергии активации 70 эВ в уст& ройстве с электронным ударом (electron impact) все представляющие интерес со& единения ионизируются. Высокая степень ионизации у этих детекторов означает высокую чувствительность, а возможность разделения по массам – уникальную селективность.
Масс%спектрометр принципиально может заменить все обычные детекторы.
Собственная масс&спектрометрическая информация, масса молекул или их фрагментов – это важный параметр для качественного анализа, который может выполняться на рутинном уровне путем сравнения масс&спектра, полученного при анализе со стандартными спектрами. Такую возможность дают системы обработ& ки данных – базы данных с соответствующим программным обеспечением и на& борами спектров для сравнения.
У квадрупольных приборов разделение ионов по соотношению массы к заря& ду происходит в переменном электрическом поле между стержнями квадруполя. Первый шаг в ГХ/МС анализе – это сканирование всей области масс. Так как капиллярная колоночная хроматография дает ГХ пики с очень маленькой полу& шириной, требуется очень высокая скорость сканирования, обычно 2 скана/с. Способность квадрупольных приборов осуществлять быстрое сканирование по массам способствовало их внедрению в практику ГХ анализа.
Все полученные во время хроматографического разделения масс&спектры за& поминаются в памяти блока обработки данных. В режиме реального времени мож& но получать хроматограмму общего ионного тока или ионного тока частиц опре& деленной массы, иногда параллельно со стандартным ГХ детектором. При после& дующей обработке данных логическая взаимосвязь отдельных масс с пиками мо& жет выводиться в виде хроматограммы или в виде числовых значений. Но самой важной задачей обработки данных является сравнение спектров. В результате в библиотеке будут найдены спектры, больше всего похожие на только что полу& ченные полученные, то есть практически предложена структура вещества.