Бёккер_Хроматография [2009]

140 Глава 3. Газовая хроматография

•Двуокись углерода или углеводороды

–удаление из потоков рабочего газа,

–помехи при определенных разделениях или детекторах.

Более того, существуют различные комбинированные фильтры или конструк& ции, составленные из отдельных фильтров, которые могут настраиваться на каж& дый газ или под каждую аналитическую задачу.

3.11. Многомерная ГХ

Техника переключения хроматографических колонок была предложена вскоре после создания ГХ для решения проблем разделения, если, например, разделяю& щая способность отдельной колонки была слишком мала. Для этого проба рас& пределяется с помощью переключающего устройства между различными колон& ками. Наряду с этим были разработаны различные дополнительные способы из& менения направления потока газа для сокращения времени анализа и вымыва& ния нежелательных компонентов пробы. Мультимерная хроматография использует применение серий колонок с разной селективностью или емкостью, которые применяются в сочетании с техникой переключения колонок и исполь& зовании нескольких газовых хроматографов с разными рабочими температурами. При технике вырезания пиков, например, короткие отрезки элюата из первой колонки переносятся на вторую хроматографическую колонку, где происходит прекрасное разделение, к примеру, хиральных компонентов, углеводородов ми& нерального масла или средств защиты растений [3.67].

Простая на первый взгляд задача газохроматографического разделения инер& тных газов и низших углеводородов, для которого необходимы адсорбционные и распределительные колонки, является известным примером разделений с пере& ключением колонок. Чтобы получить окончательный результат при одном вводе пробы, фирма&производитель Perkin Elmer уже в начале шестидесятых годов со& здала устройство с тремя колонками и переключающими кранами. Примерно в то же время фирма Siemens предложила «прецизионный хроматограф» с пятью ко& лонками.

Тогда основной областью применения был производственный анализ. При& чиной тому были в то время инструментальные ограничения, так как устройства могли работать только в изотермическом режиме. В то же время исследуемые про& изводственные потоки содержат большей частью компоненты с широким диапа& зоном температур кипения. Высококипящие компоненты могли в этом случае анализироваться только с помощью обратной промывки или сокращения длины колонок.

Переключение колонок хорошо известно и в лабораторных исследованиях. С внедрением капиллярных колонок, программирования температуры и селектив& ных детекторов использование переключения колонок сначала несколько замед& лилось. Однако с дальнейшим распространением ГХ и появлением новых задач, таких как анализ природных соединений или анализ окружающей среды, переклю& чение колонок вновь приобрело значение. Поскольку системы детектирования

3.11. Многомерная ГХ 141

становятся все более чувствительными, то быстро растет и число определяемых компонентов, так что даже капиллярные колонки высокого разрешения быстро достигают предела своей разделяющей способности [3.68]. Многомерная газовая хроматография делает возможным значительное повышение эффективности хро& матографических систем, чего нельзя обычно добиться с одной колонкой [3.69]. Поэтому переключение колонок снова интенсивно применяется сегодня, так как оно предлагает универсальное вспомогательное средство, расширяющее возмож& ности хроматографического анализа [3.70].

Вдополнение к переключению колонок часто имеет смысл анализировать одну

иту же пробу одновременно при различных температурах. Таким образом, можно точно настраивать температуру анализа как на проблему разделения, так и на оп& тимальные условия работы отдельных колонок. Применение различных коло& нок при разных температурах в системе с двухкамерной печью – часто использу& емый метод [3.71].

Принципиально возможно несколько колонок соединять узлами переключе& ния таким образом, что для каждой области хроматограммы желаемая селектив& ность будет достигнута выбором соответствующей колонки. При этом многомер& ная газовая хроматография может от очень простых систем из двух колонок дохо& дить до высококомплексных систем [3.72]. Наиболее часто используемые схемы переключения хроматографических колонок:

•обратная продувка –

для сокращения времени анализа и для обеспечения гарантированного уда& ления из колонки всех компонентов применяется обратная продувка ко& лонки;

•вырезание пиков –

для лучшего разделения неразделенной группы пиков или разделения сле& довых компонентов, которые сидят на «хвосте» другого компонента, при& сутствующего в большой концентрации, часть элюата вырезается и пере& носится на другую колонку.

Обратная промывка обеспечивает надежное завершение анализа, если обрат& ная промывка предколонки проводится также долго, как она проводилась при проведении анализа в прямом направлении. При этом все высококипящие ком& поненты не будут больше элюироваться в основную колонку. Разделительная си& стема однозначно очищается, и время анализа может быть сильно сокращено. При этом высококипящие компоненты не анализируются и не детектируются.

При количественном определении следовых компонентов существует опас& ность перекрывания пиков компонентов с компонентом, присуствующим в вы& сокой концентрации. Следовые компоненты, находящиеся на «хвосте» основно& го компонента, могут плохо определяться количественно. Техника вырезания пика дает при этом возможность вырезать зону не полностью разделенных компонен& тов вместе с находящимся в ней основным компонентом и без каких&либо про& блем достигнуть их разделения на второй колонке. Основная колонка при этом больше не перегружена, и ее разделяющая способность используется полностью. Для многокомпонентных смесей с широким диапазоном температур техника вы&

142 Глава 3. Газовая хроматография

резания пика предлагает возможность производить предварительное разделение, например, на неполярной колонке: из хроматограммы вырезается часть пика и переносится на вторую, например, полярную, колонку.

Для того чтобы можно было использовать эти методы, необходимо, для на& блюдения за результатом разделения на первой колонке и определения времени переключения колонок, поместить детектор между двумя колонками на Т&образ& ном переходнике. Для эффективного переключения колонок переходники и кра& ны не должны иметь мертвого объема. Согласно аналитическим требованиям и дальнейшему развитию технических возможностей улучшалась и техника пере& ключения колонок. Прорывом явилось развитие техники переключения без кра& нов, предложенной Динсом (Deans) [3.73], которая была описана еще в 1967 г., и без всяких изменений с 1984 г. в улучшенной форме коммерчески доступна под названием UNIVAP. В этом методе, который свободен от мертвых объемов, ком& поненты пробы распределяются по колонкам не с помощью кранов, а наложени& ем на переходник соответствующим образом направленного перепада давлений [3.74]. Технически название «бескрановый» ошибочно, так как для управления потоками газа для создания перепада давлений также применяются краны.

Дальнейшее после Динса улучшение бескранового метода было предложено в 1976 г. Мюллером в форме так называемого естественного переключения. Оно основывается на применении запатентованных переходников для колонок.

Принципиально к системе переключения предъявляются следующие требо& вания:

•высокая плотность,

•высокая скорость переключения,

•возможность термостатирования,

•применяемость при высоких температурах,

•возможно меньший мертвый объем,

•химически и хроматографически инертное поведение,

•незначительная тепловая масса.

К сожалению, ни одна из систем не выполняет все требования. Основные об& ласти применения переключающих кранов в системе переключения колонок:

•выбор колонки,

•обратная промывка,

•отсоединение колонки,

•многофункциональность упомянутых выше приложений.

Большинство переключений колонок разработано специально для конкрет& ных проблем и поставленных задач. При этом они, тем не менее, должны быть такими гибкими, чтобы их можно было применять также при возможных откло& нениях во временах удерживания или больших изменениях концентраций. В этом случае говорят о надежности системы переключения, которая является одной из

еехарактеристик. Для решения специфических задач разделения обязательным является ведение рабочего журнала. Там точно должны описываться проблема и

ееособенности. К ним принадлежат:

3.12. Высокотемпературная газовая хроматографии 143

•описание всех компонентов,

•предельные концентрации всех компонентов,

•определяемые компоненты,

•максимальное время анализа и

•область применения (например, лаборатория, производственный контроль, взрывоопасное производство).

3.11.1. Коллектор фракций в ГХ

Сбор интересующих фракций в аналитических целях, для быстрого выделения и идентификации чистых веществ, часто применяется в жидкостной хроматогра& фии, так как жидкие фракции проще собрать в коллекторе фракций. Для газовой хроматографии при этом, во&первых, должен применяться недеструктивный де& тектор, для чего подходит универсальный детектор по теплопроводности. На выхо& де ДТП помещают карусель с низкотемпературной вакуумной ловушкой для сбо& ра отдельных фракций. Для того чтобы набрать достаточное количество вещества, одно и то же разделение проводится многократно и соответствующие фракции собираются в соответствующие ловушки. Эти фракции могут затем подвергаться в дальнейшем более точным исследованиям или структурному анализу спектро& скопическими методами.

3.12. Высокотемпературная газовая хроматография

Название «Высокотемпературная газовая хроматография» (ВTГХ) точно опреде& ляет суть этого метода. В общем о ВTГХ говорят, начиная с рабочих температур примерно от 330–350 °C, верхняя граница температуры лежит для некоторых ста& ционарных фаз при 450 °C. Формально ВТГХ – лишь расширение газовой хрома& тографии до более высоких рабочих температур. Поэтому одно время оспарива& лась правомерность выделения ее в отдельный вид ГХ. Так как для газовой хрома& тографии при рабочих температурах больше 350 °C все же необходимы специаль& но разработанные хроматографы, детекторы и колонки, целесообразно и, между тем, общепринято это выделение в отдельный вид ГХ [3.75].

Небольшое различие между так называемой обычной ГХ (<330 °C) и ВTГХ означает, выражаясь в терминах молекулярных масс анализируемых веществ, рас& ширение области применения от максимально ~ 600 г/моль до ~ 1000 г/моль. На практике это значит очень много. Вследствие этого неожиданно попадают про& блемы разделения, которые, казалось бы, должны были решаться смежными ме& тодами, такими как сверхкритическая флюидная хроматография (СКФХ) или ВЭЖХ, в потенциальную область приложения газовой хроматографии.

Вне зависимости от того, что другими капиллярными или некапиллярными хроматографическими методами не так просто превзойти эффективность газовой хроматографии, ВTГХ обладает неоспоримыми преимуществами перед другими методами разделения. Во&первых, она располагает очень эффективными система& ми прямого ввода пробы, которые могут работать с минимальными количествами образца, с другой стороны, она может легко комбинироваться с рядом более чув&

144 Глава 3. Газовая хроматография

ствительных, как универсальных, так и специфических, детекторов. Уже возмож& ность использовать пламенно&ионизационный детектор (ПИД) вместо УФ детек& тора может быть решающим аргументом для использования ВTГХ. Используя ПИД, к примеру, лучше проводить быстрое и надежное количественное определение со& путствующих компонентов. Если дополнительно требуется структурный анализ, то сравнительно просто подсоединить масс&спектрометр.

Таким образом, высокотемпературная газовая хроматография, если она мо& жет быть применена, это метод для количественного и качественного следового анализа в сложных смесях. Следует оговориться, что газовая хроматография – это, прежде всего, метод разделения для более или менее аполярных соединений. Если полярные вещества исследуются газохроматографически, предварительно нужно провести их дериватизацию, т.е. перевести в аполярные, термостабильные произ& водные.

Примечательно и то, что из хорошо дезактивированных капилляров очень часто элюируются еще и те соединения, от которых из общих соображений этого нельзя было бы ожидать. Во&первых, это, объясняется удивительно высокой тер& мостабильностью многих классов соединений на очень инертной капиллярной колонке; с другой стороны, полярные функциональные группы, которые делают молекулу термически лабильной, часто достаточно защищены против нуклеофиль& ных атак при высоких температурах.

3.12.1. Колонки для ВTГХ

Для высокотемпературной газовой хроматографии применяются, прежде всего, колонки из боросиликатного стекла, плавленого кварца и, в последнее время, так& же металлические капилляры. Из всех материалов самое широкое применение находят стеклянные капилляры. Ситуация, когда стеклянные капилляры пред& почитают капиллярам из плавленого кремния, находится в полном противоре& чии с сегодняшней практикой ГХ, где в качестве материала колонок используют, прежде всего, плавленый кварц. В то время как оба материала с нанесенным по& лисилоксаном до рабочих температур ~ 330 °C можно рассматривать как равно& ценные, то при более высоких температурах предпочтение, однозначно, отдается стеклу.

Если в качестве газа&носителя используется водород, что, в основном, следует рекомендовать для ВTГХ, капилляры из плавленого кварца могут быть потенци& альной угрозой безопасности – независимо от того, покрыты ли они полиимидом или, как часто рекомендуют для ВTГХ, алюминием. Капилляры плавленого квар& ца, если они работают в области температур ВTГХ, вскоре теряют большую часть своей первоначальной гибкости и становятся хрупкими. К тому же капилляры с алюминиевым покрытием не переносят быстрого охлаждения, так как коэффици& енты расширения плавленого кремния и алюминия находятся далеко друг от друга. Спонтанное разрушение или даже взрыв колонки вследствие усталости материа& ла – не редкость. Для стекла подобное непредсказуемое поведение неизвестно.

Хотя рабочие температуры лежат между 330 и 460 °C, выбор пригодных стаци& онарных фаз ограничен, так, к примеру, большой класс полиоксирановых фаз не

3.12. Высокотемпературная газовая хроматографии 145

может применяться в ВTГХ; в то же время имеется широкий круг полиосилокса& новых фаз с высокой температурной стабильностью. Технология ВTГХ колонок основывается на химических фактах, которые определяют, при каких условиях возможна капиллярная газовая хроматография при высоких температурах, но од& новременно они же определяют, где находятся границы метода.

3.12.2. Инструментальные условия

СВТГХ для многих газовых хроматографов настает момент истины. Теперь ока& зывается, что лишь немногие приборы отвечают связанным с этим методом тре& бованиям. Особые требования предъявляются к:

•системе ввода пробы,

•термостату колонок,

•регулировке газа&носителя и

•детекторам и их обогреву.

Основные требования к системе ввода пробы в ВТГХ:

•проба должна наноситься на колонку без потери высококипящих компо& нентов;

•термический нагрев пробы в системе ввода не должен превышать последу& ющую максимальную температуру колонки, чтобы минимизировать разло& жение и изомеризацию веществ;

•должна быть возможность простого ввода пробы – как вручную с помощью шприца, так и автодозатором.

Из распространенных сегодня систем ввода пробы с делением потока или без деления потока, испарением с программированием температуры или прямым вво& дом на холодную колонку безоговорочно рекомендован может быть только после& дний метод. Все другие системы ввода пробы, в которых проба предварительно на& гревается в инжекторе и подается в колонку в виде пара, сохраняют опасность пи& ролиза компонентов пробы и являются, прежде всего в анализе следовых количеств, источниками потенциальных ошибок. Для сильно нагруженных проб рекоменду& ется защитить систему путем включения, например, предварительного разделения методом ВЭЖХ или сверхкритической флюидной экстракцией (СКФЭ).

Применяемые в основном в ГХ в качестве газов&носителей гелий и водород лишь незначительно отличаются по своим молекулярным массам. Поэтому диф& фузия молекул пробы в обеих подвижных фазах одинакова. Вязкость обоих газов, однако, очевидно различается: она у водорода примерно вдвое меньше, чем у ге& лия, вследствие чего Н2 существенно более гибко реагирует на неоптимальные потоки газа&носителя.

Повышение температуры колонки всегда ведет к расширению объема газа и, вместе с тем, к уменьшению потока газа&носителя, если только (как обычно) дав& ление газа поддерживается постоянным. При этом поток газа автоматически сни& жается до величины, при которой достигается оптимальная высота тарелки. Обыч& ная используемая мера разделяющей способности колонки – высота теоретичес& кой тарелки оказывается для ВTГХ действительно неудачной величиной. Она ука&

3.13. Анализ паровой фазы (Headspace анализ) 147

находилась при высоких температурах. Обогрев детекторов должен быть настро& ен на оптимальную передачу тепла и должен быть в состоянии давать нагрев до 500 °C. «Холодные места» в конце разделительной системы могут приводить к ре& конденсации уже разделенных пиков и свести на нет все разделение.

Наряду с ПИД самым важным детектором в капиллярной хроматографии яв& ляется масс&спектрометр. Он может применяться как для качественного анализа с записью полных масс&спектров или, при регистрации конкретной массы, как масс&селективный детектор для количественного определения отдельных компо& нентов в сложных смесях. У многих коммерчески доступных приборов возника& ют трудности с подключением ВТГХ колонки к МС. Температура переходника должна соответствовать максимальной рабочей температуре колонки и поддер& живаться постоянной на всей его длине. Обычная сегодня практика, когда ка& пиллярная колонка из плавленого кварца вводится непосредственно в источник ионов спектрометра, приводила бы при высоких рабочих температурах к пробле& мам стабильности и контаминации.

Интерфейс ВТГХ/МС с коаксиальным введением реакционного газа и газа& носителя и дополнительный обогрев стенок источника ионов полностью соот& ветствует вышеупомянутым критериям.

Стеклянный капилляр без труда переносит высокие рабочие температуры, и система позволяет использовать как водород в качестве газа&носителя, так и при& менять все обычных в ГХ/МС виды ионизации (ЭУ и ХИ с вариациями реакци& онного газа). На рис. 3.42 в качестве примера показана высокотемпературная га& зовая хроматограмма побочных продуктов деревообработки.

3.13. Анализ паровой фазы (Headspace анализ)

Для газовой хроматографии пробы должны быть либо летучими, либо газообраз& ными и не должны содержать слишком много нелетучих компонентов. Пробы, содержащие соль или взвешенные вещества, не могут непосредственно вводить& ся на колонку ГХ. В таких случаях часто должна проводиться предварительная очистка проб, при которой, конечно, состав летучих компонентов не должен ме& няться. Простой и элегантный метод – это анализ паровой фазы (Headspace analysis), в котором анализируется состав газовой фазы над пробой, так что прин& ципиально определяются только летучие компоненты [3.76].

Этот метод, таким образом, особый вид газовой экстракции, которая для ле& тучих веществ всегда является более предпочтительной, чем также возможная жидкостная экстракция. Вследствие того, что вся обработка пробы происходит в закрытом сосуде и кроме термостатирования не нужны никакие другие манипу& ляции (как это имеет место при жидкостной экстракции), этот метод имеет все предпосылки для простой автоматизации [3.77]. Наряду с многочисленными при& менениями в технической, фармацевтической и косметической промышленнос& ти этот метод находит также широкое приложение в экологическом анализе, ме& дицине и исследовании пищевых продуктов.

Если нужно выбрать подходящий метод анализа для данной задачи, то наряду с такими традиционными требованиями, как чувствительность, точность и пра&

148 Глава 3. Газовая хроматография

вильность, решающую роль играет сегодня также возможность автоматизации. При рутинном анализе окружающей среды, с одной стороны, увеличивается число проб, а с другой стороны, необходимо более высокое качество анализа следовых количеств. Для этого особенно успешно может применяться анализ паровой фазы, который уже давно применяется для определения спирта в крови. Чтобы добиться хороших результатов, нужны, тем не менее, интенсивные предварительные иссле& дования для выявления скрытых источников методических ошибок [3.78].

3.13.1. Практика проведения анализа паровой фазы

При анализе паровой фазы речь идет с методической точки зрения о газовом ана& лизе. Соответственно применяются те же самые дозирующие устройства, как га& зовые шприцы или петли. При этом в противоположность обычной газовой ана& литике речь идет о косвенном методе, который делает возможным высокочув& ствительный анализ летучих компонентов со средним до высокого давлением пара

вжидких или твердых пробах. Также возможно определение растворенных газов

вжидких или твердых пробах. В зависимости от числа стадий газофазной экст& ракции при этом различают два метода: статический и динамический анализ.

3.13.1.1. Статический анализ паровой фазы

Статический метод основывается на анализе паровой фазы над твердой или жид& кой пробой в закрытой системе. Газовая проба однократно забирается из паровой фазы, находящейся в специальном для этого анализа сосуде. В момент забора про& бы в паровой фазе в системе должно установиться термодинамическое равнове& сия между конденсатом и газообразной фазой [3.79]. Для повышения давления пара и, вместе с тем, для повышения концентрации компонентов пробы в паро& вом пространстве пробу принято нагревать до необходимой температуры.

Жидкая или твердая проба помещается в сосуд для анализа паровой фазы, который герметично закрывается резиновой крышкой. Пробы выдерживаются в термостате при постоянной температуре до тех пор, пока для летучих веществ не установится равновесие между пробой и газовым пространством. Затем может отбираться проба газовой фазы [3.80]. Чаще и проще всего это осуществляется газонепроницаемыми шприцами, у которых, однако, даже в том случае, если шприц и был подогрет, может происходить фракционирование пробы из&за раз& ной силы адсорбции разных по полярности веществ. Более того, при высоких кон& центрациях компонентов из&за разницы температур между сосудом с пробой и шприцем может происходить конденсация компонентов паровой фазы, которая проявляется в плохой воспроизводимости анализа.

Эти недостатки удается устранить, используя электропневматическую дози& рующую систему [3.81]. При этом дозирующая игла прокалывает резиновую про& кладку сосуда с пробой. Поскольку дозирующая игла непосредственно связана с входным устройством для газа&носителя, то она находится, таким образом, под тем же давлением, что и газ&носитель. Вследствие этого газ&носитель течет снача& ла через дозирующую иглу в сосуд с пробой, пока она также не наполнится газом& носителем до того давления. Когда этот период увеличения давления закончен,

3.13. Анализ паровой фазы (Headspace анализ) 149

Шприц с обогревом

Нагревательный блок для сосуда с пробой

Сосуд с пробой

Карусель

Колонка

Воздушный

цилиндр

Рис. 3.43. Принцип работы статического автодозатора паровой фазы

магнитный клапан перекрывает подачу газа&носителя, и газ&носитель из сосуда с пробой поступает через иглу в колонку, т.е. газ вместе с летучими компонентами течет в колонке. Ввод пробы прерывается магнитным клапаном, открывающим подачу газа&носителя. Дозирующая игла обогревается, как и все другие линии, чтобы предотвращать адсорбцию и конденсацию.

Автоматизация устройства возможна с помощью автодозатора, который рас& пределяет сосуды с пробой и друг за другом обрабатывает (рис. 3.43). За счет вра& щения карусели с пробами под нагревательный блок одновременно всегда посту& пают две пробы. Сосуд с пробой, находящийся в самой внешней позиции, от& правляется с помощью пневматики сначала в нагревательный блок. Теперь проба кондиционируется заданное время до установления равновесия. По окончании кондиционирования заданная масса пара забирается газонепроницаемым шпри& цом из паровой фазы. Шприц нагревают, чтобы предотвратить конденсацию. Наконец проба вводится на колонку и анализируется газохроматографически. Для очистки шприц промывают газом&носителем перед следующим циклом.

Один из самых важных параметров в статическом анализе паровой фазы – это длительность кондиционирования пробы. Эта величина дает период, за который устанавливается равновесие между твердой или жидкой пробой и паровой фазой. Время кондиционирования сильно зависит от матрицы и исследуемых компонен& тов. Следующий пункт – это температура кондиционирования. Этот параметр зависит от матрицы и определяется ею. Далее нужно обращать внимание, что для проб, которые содержат воду, температура кондиционирования должна быть ниже точки кипения воды. Слишком большое количество воды в газовой фазе может вести к эффекту «хвостов» и, в худшем случае, тушению пламени в ПИД.