Бёккер_Хроматография [2009]

80 Глава 3. Газовая хроматография

более однородное распределение температуры внутри термостата. Электронное ре& гулирование позволяет устанавливать температуру с точностью лучшей 0,1 °C в ди& апазоне от 50 до 450 °C. При работе в режиме программирования температуры ее можно повышать со скоростью от 0,1 °C/мин до 50 °C/мин. Для того чтобы в тер& мостате можно было установить сразу несколько колонок и иметь возможность их переключения, существуют термостаты с объемом до 20 л.

Поскольку характеристики удерживания зависят от температуры, то их вос& производимое измерение возможно только в том случае, если сама температура может быть точно установлена, отрегулирована и измерена. Воспроизводимые величины удерживания важны не только для качественного, но и для рутинного количественного анализа и для хроматографического анализа производственных процессов. Колебания температуры термостата сказываются на правильности из& меряемых величин удерживания. Колоночные термостаты должны отвечать сле& дующими требованиям:

•постоянство температуры,

•низкий температурный градиент в термостате,

•точное и правильное измерение температуры термостата,

•хорошая доступность пространства термостата для соединения с другими приборами,

•быстрое и, по возможности, автоматическое охлаждение,

•регулируемая скорость нагрева.

Для того чтобы разделить сложные смеси, необходимы различные скорости нагрева, откуда вытекает необходимость, по меньшей мере, двухступенчатого тем& пературного программирования. В коммерческих приборах применяются исклю& чительно воздушные термостаты. Рис. 3.8 показывает распределение потока воз& духа в термостате. Управляемый микропроцессором регулятор температуры по& зволяет устанавливать температуру колонки с высокой точностью. Только такие приборы гарантируют хорошую воспроизводимость времени удерживания в слу& чае программ с быстрым программированием температуры.

Рис. 3.8. Колоночный термостат

3.5. Систематическое развитие метода ГХ

Если газохроматографическое разделение удается провести за более короткое вре& мя, то достигаются две важные цели:

•выигрыш по времени и финансовым затратам,

•выигрыш в пределе обнаружения, так как пики будут более высокие и уз& кие и, тем самым, улучшается соотношение сигнал–шум.

Особенно в том случае, когда разрабатываются методы, которые позднее дол& жны использоваться в рутинном анализе, есть смысл заняться их оптимизирова& нием, так как хорошего разрешения можно достичь только для узких пиков и при большой разнице их времени удерживания. Несмотря на иногда значительную трудоемкость процесса оптимизации, в дальнейшем это позволит сэкономить деньги и время. Каждый аналитик должен быть заинтересован в том, чтобы при минимуме затрат достичь оптимальной точности и воспроизводимости исполь& зуемого аналитического метода.

При этом временные затраты и затраты на приборы должны быть соразмерны задаче и, с другой стороны, по&возможности гибко соответствовать поставлен& ным требованиям. Однажды разработанные протоколы анализа должны быть легко доступны в рутинной работе, а новые протоколы должны быть наглядными и по& нятными. Если рассматривают эти требования как обязательные для аналитичес& кого прибора, то выдвинутые здесь условия в полной мере могут быть реализова& ны только в системе, управляемой компьютером.

При оптимизации метода капиллярной газовой хроматографии должны учи& тываться следующие параметры:

•селективность стационарной фазы,

•температурная программа,

•тип газа&носителя,

•скорость газа&носителя и

•геометрия разделительной колонки (длина и внутренний диаметр).

Множество оптимизируемых параметров сначала приводит в замешательство, однако большинство из них все же очень легко контролировать и оптимизиро& вать. Так, влияние приведенных выше параметров длины и внутреннего диаметра колонки, скорости и типа газа&носителя можно оценить на основе очень простых рассуждений, представленных ранее. С помощью компьютерных программ стало также возможным моделирование условий разделения. Это позволяет значитель& но сократить время оптимизации по сравнению с традиционным методом «проб и ошибок» [3.12].

Наиболее трудно оптимизировать селективность и температурную програм& му, которые должны оптимизироваться на основании экспериментов. Особое зна& чение для оптимального использования селективности фазы имеет температур& ная программа. Сейчас существуют новые специальные компьютерные програм& мы, которые позволяют разработать оптимальную температурную программу за короткое время. Для этого проводят два анализа с различными скоростями нагре& ва в широком диапазоне температур, идентифицируют пики в каждом из разделе&

82 Глава 3. Газовая хроматография

ний и запоминают в программе время удерживания компонентов при обеих ско& ростях нагрева (рис. 3.9). Программа позволяет затем рассчитать время удержи& вания и разрешения для любой температурной программы и распечатать соответ& ствующие хроматограммы [3.13].

Предсказание основывается на приблизительной линейной зависимости ве& личины log k ′ от температуры. Как правило, рассчитанное время удерживания

I режим 35–330 °C 5 °C/мин

Критическая пара пиков

мин

II режим 35–330 °C 25 °C/мин

Критическая пара пиков

мин

Рис. 3.9. Газовые хроматограммы, полученные в двух разных режимах программи& рования температуры

оказывается правильным в пределах нескольких процентов, а найденные разре& шения – в пределах ± 10–15%. Когда оптимальное разделение найдено, предска& зание можно подтвердить третьим экспериментом.

3.6. Ввод пробы

Ввод пробы не следует путать с подготовкой пробы. Здесь в основном речь долж& на идти о том, как обращаться с пробой, уже готовой для анализа. Правильные результаты анализа заранее предполагают безупречное хранение и обработку про& бы. Таким образом, должны учитываться такие специфические свойства пробы, как чувствительность к свету или температуре, лабильность или ее гетерогенность. Кроме того есть ряд проб, которые не могут обрабатываться «нормальным» обра& зом. Сюда относятся, например, пробы, которые регистрируют в оперативном (on& line) режиме, или пробы, анализируемые прямыми аналитическими методами, при изучении кинетики реакций.

Введение пробы в хроматографическую систему должно происходить так, что& бы обеспечить максимальную эффективность колонки и чтобы представитель& ная проба попадала в колонку без изменения ее исходного состава. Этого можно добиться только с помощью выбора соответствующих данному типу пробы мето& дов ввода пробы и тщательной оптимизации параметров ввода пробы. Различные агрегатные состояния вещества, как и различные физико&химические свойства проб, требуют, соответственно, различных подходов.

3.6.1. Газообразные пробы

Для правильного отбора проб и работы с газами необходимо учитывать их специ& фические физико&химические свойства. Так как газы в большинстве случаев не& видимы и неуловимы, источником ошибок часто является отбор проб, их обра& ботка и дозирование. Когда начинают заниматься анализом газов, то часто воз& никают значительные трудности.

Газообразные пробы можно собирать в так называемых «газовых ловушках». Они заполняются интенсивным потоком при избыточном давлении или под ва& куумом, или забором газообразной пробы в предварительно вакуумированную «газовую ловушку». Последняя техника рекомендуется при количественных ана& лизах, так как нужна надежная защита от проникновения воздуха.

Наибольшие трудности возникают при следовом анализе агрессивных и/или вызывающих коррозию газов (например, диоксид серы, оксид азота) или гигрос& копичных соединений. Здесь следует особо указать три источника ошибок. Ком& понент не определяется, если имеет место:

•гидролиз –

он может сделать невозможным определение, например, фосгена во влаж& ных газах. В присутствии водяного пара отбор пробы следует проводить с помощью осушающей трубки с осушающими материалами (молекулярны& ми ситами, оксид фосфора (V)), охлаждающей ловушки или защитного газа;

84 Глава 3. Газовая хроматография

•конденсация –

конденсация составных частей пробы часто наблюдается при повышенных температурах отбора проб. Здесь следует обратить внимание на то, что оп& ределяемые газообразные компоненты растворяются в жидкой фазе и, та& ким образом, «ускользают» из анализа;

•адсорбция на стенках сосуда –

полярные соединения склонны легко адсорбироваться на поверхности из стекла или металла. Этот эффект можно уменьшить, применив газосбор& ник, покрытый тефлоном.

Этими эффектами можно пренебречь, если определяемые компоненты при& сутствуют с высоким содержанием. Большинство ошибок появляется при опре& делении следовых количеств. Часто их можно избежать, проводя возможно более быстрый анализ. Ввод газообразных проб проводят либо с помощью газонепро& ницаемого шприца, либо с помощью дозирующей петли.

3.6.1.1. Газонепроницаемые шприцы

Все газовые хроматографы оснащены устройством ввода жидких проб шприцами через резиновые прокладки в нагреваемый инжектор. Этот вид ввода пробы мож& но, конечно, использовать также и для газов, используя газонепроницаемые шпри& цы. Тем не менее, рекомендовать этот прием нельзя. Он является источником боль& шого количества ошибок и не подходит для количественного анализа, так как нужно преодолевать давление газа&носителя и проба при сжатии может частично конденсироваться. Подача пробы при этом является неполной и невоспроизво& димой.

3.6.1.2. Газодозирующие петли и многоходовые краны

Есть различные модели кранов&инжекторов для ввода газообразных проб, снаб& женные дозирующими петлями разных объемов. Наиболее часто и в зависимости от применения краны устанавливают или в ГХ, или в термостат. Этот метод обес& печивает аналитику не только самую высокую воспроизводимость дозирования пробы, но и во многих случаях единственно возможный способ ввода пробы.

Во всех методах, тем не менее, действует одинаковый принцип: определен& ный объем газовой пробы при постоянной температуре вводится в систему и пе& реносится потоком газа&носителя на аналитическую делительную колонку. Вели& чина объема варьируется от 0,1 до 10 мл. Тем не менее, в нескольких случаях пред& лагаются также меньшие объемы до 0,5 мкл.

Многоходовые краны для ввода газовых проб применяются во многих лабо& раториях. Они производятся из разнообразных материалов и могут снабжаться электрическим или пневматическим приводом. Их применяют в основном при комнатной температуре, и они стабильны при давлениях до 10 бар. Реже устанав& ливают обогреваемые краны с индивидуальным нагревом или в ГХ&термостате. Максимальная рабочая температура устанавливается в первую очередь с учетом материалов уплотнений. Кроме того, в особых случаях есть специальные модели для более высоких давлений или агрессивных газов.

3.6.2. Жидкие пробы

Жидкие пробы могут быть как индивидуальными жидкими веществами, так и смесями жидких соединений или растворами твердых веществ. Процедура в це& лом относительно проста. Следует обратить внимание на специфические свой& ства проб, как, например, склонность к разложению, светочувствительность или нестатистическое распределение составных частей пробы. Принципиально про& бы должны храниться в плотно закрытых емкостях из стекла или пластмассы с инертными пробками. При этом идеальным являются уплотнения, покрытые теф& лоном. Пространство, не занятое жидкой пробой, должно быть небольшим, что& бы избежать окисления и накопления легкокипящих компонентов в парах. При более длительном промежутке времени между получением пробы и анализом ре& комендуется хранение при низких температурах. С особой осторожностью следу& ет работать с пробами, содержащими легколетучие компоненты.

Жидкие пробы вводятся в систему, в основном, микролитровыми шприцами. Острие иглы имеет скошенный конец (угол наклона от 17 до 22°), чтобы добиться хорошего прохождения иглы через прокладки. Иглы с плоско сточенным концом не подходят для введения пробы через прокладку, так как этот тип игл оставляет в ней дырки. Объем шприцев, которые используют сегодня, лежит между 0,5 и 10 мкл. При этом различают два типа шприцов:

•шприцы, дозирующие из иглы;

•шприцы, дозирующие из стеклянного поршня.

Шприцы с дозирующей иглой делают возможным подачу малых объемов про& бы. Соответствующие шприцы имеют объем 0,5 и 1,0 мкл и делают возможным вос& производимую подачу пробы объемом 0,05 или 0, 25 мкл, соответственно. У этого типа шприцев мениск жидкости не виден. Отбираемый объем показывает специальная гильза, связанная с поршнем. Настоящий дозирующий поршень, ко& торый при подаче пробы доходит до конца иглы, находится внутри гильзы. Вслед& ствие конструктивных особенностей иглы некоторых шприцов оказываются тол& ще, чем обычно, что приводит к быстрому разрушению прокладок. Следует обра& щать внимание на то, чтобы при работе поршень не извлекался полностью из шпри& ца, так как иначе его очень легко повредить. У этих шприцов нет мертвого объема. Они хорошо подходят для введения проб с высокой вязкостью, так как имеют по& стоянное сечение, которое не меняется от иглы к стеклянному цилиндру.

Стеклянные шприцы, которые подают пробу из стеклянного цилиндра, обла& дают, как правило, более тонкими иглами. Типичные объемы этих шприцев – 5 или 10 мкл – позволяют воспроизводимую подачу 0,1 или 0,2 мкл. Производители предлагают шприцы с несъемными и сменными иглами. Поршни сделаны из тон& кой стали и могут легко деформироваться при прокалывании прокладки. Если иглу или стеклянный цилиндр берут в руки, то вследствие нагрева это может привести к испарению легкокипящих компонентов. Для предотвращения этой ошибки шприц следует брать рукой только в верхней его части. В зависимости от попе& речного сечения иглы мертвый объем этих шприцов составляет 0,5 или 1,0 мкл для шприцов объемом 5 или 10 мкл, соответственно [3.14].

86 Глава 3. Газовая хроматография

Для заполненных колонок оптимальные количества вводимых проб лежат между 0,1 и 1 мкл для каждого компонента и, соответственно, выше для всей сме& си в зависимости от количества компонентов. Для капиллярных колонок, с уче& том размера пробы еще приемлемого для достижения эффективного разделения, эта величина от 200 до 1000 раз меньше. Дозировку и ввод проб в заполненные колонки проводят микрошприцами объемом от 1 до 10 мкл, которые позволяют воспроизводимо вводить до 0,1 мкл пробы. Тем не менее, пробу лучше разбавить не мешающим хроматографическому анализу растворителем, чем вводить в ми& нимальном объеме. Низкокипящий растворитель покидает колонку первым, а наблюдаемый на хроматограмме исключительно большой пик, конечно, не об& рабатывается. Самоуплотняющаяся прокладка, через которую микрошприцем вводят пробу, сделана из силиконовой резины и время от времени должна заме& няться.

Принципиально должна быть разница между подачей пробы с испарением и без. Универсального метода подачи пробы все же не существует, и, таким обра& зом, нужно подстраивать технику соответственно каждой аналитической задаче.

Общие требования к подаче пробы:

•для количественного анализа – слишком быстрая или медленная подача проб может привести к значитель&

ным ошибкам вследствие дискриминации или химических реакций в ин& жекторе;

•для качественного анализа – выбор неправильной системы подачи проб может привести, в крайнем слу&

чае, к полному исчезновению отдельных компонентов.

Рис. 3.10. Возможные варианты ввода проб в ГХ

При многообразии предлагаемых производителями систем ввода проб неко& торые утвердились на практике в качестве стандартных приемов. Рис. 3.10 пока& зывает различные способы подачи пробы.

3.6.2.1. Ввод пробы с помощью испарения

Основным условием газохроматографического анализа жидких или твердых проб является возможность перевода их в паровую фазу.

Этого добиваются полным или фракционированным испарением пробы в инжекторе или подачей проб непосредственно на колонку (on column). Самым простым методом является испарение пробы в нагреваемом инжекторе.

В общем случае, температура компонентов вводимой пробы должна быть не ниже температуры колонки. При вводе жидких проб инжектор нагревается элек& трически и термостатируется при заданной температуре. Температура инжектора регулируется независимо от температуры колонки. Быстрым испарением жидкой пробы в инжекторе достигают более полного соответствия состава пара составу пробы и предотвращают конденсацию или адсорбцию труднолетучих или поляр& ных компонентов.

3.6.3. Подача пробы на капиллярные колонки

Ваналитической газовой хроматографии высокие требования к разрешению, гра& нице обнаружения следовых количеств и щадящему обращению с неустойчивы& ми компонентами проб могут быть выполнены только с помощью капиллярных колонок. Они представляют собой тип колонок, которые имеют уменьшенные геометрические размеры (внутренний диаметр от 0,2 до 0,5 мм), но одновременно и более низкую предельную нагрузку по разделяемой пробе. Ввод пробы объемом 1 мкл уже полностью перегружает капиллярную колонку, однако дозирующие ус& тройства (шприцы) допускают объемы только от 0,2 до 1 мкл. Нагрузка капилляр& ных колонок может быть в пределах только нанограмм по каждому компоненту. Оптимальные количества пробы могут подаваться на капиллярные колонки только с помощью специальных методов, причем должны быть выполнены следующие условия:

•при вводе пробы следует предотвращать какие&либо изменения количе& ственного состава исходной пробы и термическое и/или каталитическое разложение неустойчивых компонентов пробы;

•особые проблемы, относящиеся к подаче пробы, возникают в капиллярной ГХ из&за того, что элюируемые пробы очень сильно разбавлены и, кроме того, содержат компоненты в широком диапазоне летучести и/или поляр& ности, а также, из&за того, что с очень малыми количествами пробы нельзя работать традиционными методами;

•манипуляции и перенос очень маленьких количеств проб в ГХ&систему мо& жет происходить только в разбавленной матрице подходящего растворителя (используются микролитровые шприцы с общим объемом от 5 до 10 мкл). При этом вспомогательная матрица растворителя в определенных условиях может оказывать сильное влияние на разделение и детектирование пробы.

88 Глава 3. Газовая хроматография

Для газовой хроматографии с капиллярными колонками есть много различ& ных методов ввода проб [3.15]. С начала 80&х годов часто используюемые приемы ввода пробы – это непосредственный ввод пробы на колонку (оn&column) и метод замораживания пробы, при которых жидкая проба вводится непосредственно на головную часть колонки.

3.6.3.1. Классические методы ввода пробы

Для выбора подходящей техники подачи пробы нужно различать концентриро& ванные пробы и пробы, сильно разбавленные, с широким диапазоном летучес& тей, полярностей и концентраций значимых компонентов. Для менее разбавлен& ных проб лучше всего подходит система ввода пробы с делением потока, так как она позволяет изменять деление потока и получать правильную нагрузку колон& ки для значимых (основных) компонентов.

ВВОД ПРОБЫ С ДЕЛЕНИЕМ ПОТОКА

Этот метод был разрабатан специально для капиллярных колонок, так как они обладают очень ограниченной нагрузочной емкостью. В соответствии с принци& пом деления потока газа только часть испаренной пробы подается на колонку. Пробу вводят шприцем в связанное с колонкой нагреваемое устройство (испари& тель), испаряют и подают в колонку с делением потока в соотношении примерно от 5 : 1 до 500 : 1. Это означает, что поток газа&носителя (Ig) в методе разделения потока так распределяется в выбранном соотношении, что меньшая часть пробы попадает в колонку (Is), а остаток отводится в другом направлении (Id). На рис. 3.11 показано, что в направлении потока находится переменный дроссель, сопротивле& ние (Rd) которого устанавливается в соответствии с сопротивлением параллельно присоединенной колонки, и таким образом получают правильное соотношение между потоком, идущим через колонку, и потоком, идущим через дроссель.

Впрыскивание пробы происходит в сменную испарительную цилиндричес& кую трубку (так называемый лайнер). Для тщательного перемешивания испарен&

Цилиндрическая камера испарения (лайнер)

Хроматографическая

колонка

Шприц

Газ>носитель

Сброс

Рис. 3.11. Разделение потока при вводе пробы (ввод пробы с делением потока)

ной пробы и газа&носителя предлагаются лайнеры различной конфигурации. Чаще всего используются конструкции, представляющие собой прямую стеклянную трубку, которые могут иметь различные диаметры.

Диаметр лайнера определяет объем вводимой пробы, и его следует выбирать соответственно объему испарения. Для лучшей гомогенизации лайнеры могут полностью или частично заполняться стекловолокном или стеклянными шари& ками. Часть испаренной пробы, направляемая на сброс, улавливается в запол& ненной активированным углем поглощающей трубке и, таким образом, не попа& дает в атмосферу лаборатории.

Значительные проблемы вследствие эффектов дискриминации возникают при введении проб с широким диапазоном температур кипения. Под дискриминаци& ей подразумевается неодинаковое деление в потоке легко& и труднокипящих ком& понентов. Другой причиной дискриминации является повышение вязкости газа за счет испаренной пробы, когда газовая смесь проходит мимо системы деления потока (сплиттера). Дискриминации в делителе потока несмотря на все прини& маемые меры полностью избежать не удается. Поэтому имеет смысл добиться правильного количественного определения, используя соответствующие внутрен& ние стандарты.

Преимуществом ввода пробы с делением потока является легкое варьирова& ние величины нагрузки колонки в зависимости от разбавления пробы как изме& нением объема используемого шприца, так и изменением соотношения деления потока и скорости переноса испаренной пробы по колонке.

Недостатки подачи пробы с делением потока – это высокая температура в ис& парителе, которая препятствует воспроизводимому введению определенного объе& ма пробы и которая вместе с проблемами, возникающими при делении потока, приводит к изменению относительного состава пробы. Это особенно касается проб с большим диапазоном летучестей и высоким содержанием растворителей.

ВВОД ПРОБ БЕЗ ДЕЛЕНИЯ ПОТОКА

При такой технике дозирования проба после испарения полностью переносится на колонку. Чтобы не перегрузить колонку, проба разбавляется подходящим ра& створителем. Растворитель должен при этом быть самым низкокипящим компо& нентом. Он обладает наименьшим временем удерживания и покидает колонку первым. Используемая капиллярная колонка сильно перегружена растворителем, что ведет к большим пикам с заметными «хвостами», тем не менее, это совсем не сказывается или незначительно влияет на элюирование и разделение следовых компонентов.

Подачу пробы без делителя целесообразно применять тогда, когда по составу пробы можно ожидать эффекты дискриминации при вводе пробы. Любой инжек& тор с делением потока в принципе можно применять в этом методе, если пере& крыть выход делителя.

Преимущества подачи пробы без делителя: вся проба достигает колонки, на& грузка колонки из&за деления потока не будет слишком маленькой.

Недостатки подачи пробы без делителя: метод применим только для много& компонентных проб или для таких, которые вследствие разбавления находятся во