КонюховХроматография

В. Ю. КОНЮХОВ. ХРОМАТОГРАФИЯ

каналам. При этом анализи* руемый газ проходит через дозированную петлю опреде* ленного объема (в комплек* те хроматографа дается не* сколько петель разного объ* ема). Переключение крана направляет газ*носитель че* рез дозированную петлю, на* полненную смесью, увлекая ее в колонку. Анализируемый газ при этом идет другим пу* тем. Обратный поворот крана возвращает потоки в прежние каналы.

При работе с капиллярны* ми колонками требуемый рас* ход газа*носителя во много раз меньше, чем при использова* нии насадочных колонок. Для того чтобы сделать хромато*

граф универсальным, т. е. пригодным для работы как с на* садочными, так и с капиллярными колонками, в конструк* цию испарителя добавили делитель потока (рис. 11).

Капиллярная колонка вводится в делитель, который «вырезает» и направляет в колонку часть потока, а осталь* ная его часть сбрасывается в атмосферу.

Игольчатый вентиль позволяет регулировать сброс газа и тем самым долю потока, поступающего в капилляр* ную колонку.

Иногда пробу вводят без делителя. В этом случае вен* тиль делителя потока закрыт. Введенная проба мгновенно испаряется и потоком газа*носителя переносится в колон* ку. Перенос пробы длится несколько сотен миллисекунд, поэтому исходные зоны получаются довольно широкими. Однако размывание полосы можно подавить, используя эффекты фокусирования: эффект растворителя, термиче* ское фокусирование и фокусирование неподвижной жид* кой фазой.

Основным преимуществом ввода пробы без делителя потока является то, что вся введенная проба попадает в колонку и в результате этого чувствительность детектора существенно выше, чем при использовании делителя.

Микрошприцы используют для ввода жидких проб. Обычные шприцы и микрошприцы объемом свыше 5 мкл представляют собой цилиндрические трубки из стекла или пластмассы, внутри которых находится поршень, соеди* ненный с толкателем. Поршень и цилиндр взаимно при* терты и не требуют смазки. Герметичность шприца дости* гается за счет смачивания сопряженных поверхностей цилиндра и плунжера дозируемой жидкостью.

При использовании микрошприцев объемом менее 5 мкл жидкая проба набирается только в иглу, в которой в качестве плунжера используется вольфрамовая или стальная проволочка.

Для дозирования порошкообразных проб используют* ся специальные шприцы, внутри которых имеется твер* дый металлический плунжер, выдавливающий пробу в ин* жектор. Для анализа полимеров используют специальные пиролитические приставки.

2.1.3.ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ

КОЛОНКИ

Хроматографическая колонка представляет собой труб* ку из нержавеющей стали, стекла или фторопласта с поме* щенной в нее неподвижной фазой. Через колонку проте* кает поток газа*носителя (подвижной фазы). Колонки бы* вают насадочными (набивными), микронасадочными и капиллярными. Разновидностью капиллярных колонок являются поликапиллярные колонки (ПКК), состоящие из большего числа тонких параллельных капилляров. ПКК сочетают в себе достоинства капиллярных и наса* дочных колонок и практически лишены их недостатков. Для увеличения эффективности ПКК закручивают вокруг продольной оси на целое число оборотов. Характеристи* ки хроматографических колонок приведены в табл. 3.

В препаративной хроматографии для увеличения про* изводительности применяют колонки диаметром 10–50 мм.

Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

1

Использование столь толстых колонок приводит к трудно* стям с теплообменом: температура центральной части сор* бента в них может сильно отличаться от радиальной. Это снижает эффективность работы колонки (см. разд. 2.2.3).

Так как колонки длиннее трех метров достаточно слож* но равномерно заполнять сорбентом, обычно серийные хроматографы комплектуются колонками длиной 1 м и 3 м. Более длинные колонки получают, последовательно соединяя указанные короткие.

Насадочные (набивные) колонки. Насадочные колон* ки наполняют либо адсорбентом (для газо*адсорбционной хроматографии), либо инертным твердым носителем с на* несенной на него нелетучей жидкостью (для газо*жидко* стной хроматографии).

Колонки из нержавеющей стали отличаются прочно* стью и легко термостатируются (быстро прогреваются).

Колонки из фторопласта (тефлона) используют для анализа коррозионно*активных веществ и при выполне* нии анализов на содержание примесей высокополярных соединений (воды, аммиака и т. п.).

Достоинством стеклянных колонок (из пирекса) явля* ется возможность визуального наблюдения за состоянием неподвижной фазы как в процессе набивки колонки, так и при проведении анализа. Недостатком их является хруп* кость.

Микронасадочные колонки отличаются от насадочных только длиной и внутренним диаметром (табл. 3).

Капиллярные колонки. Неподвижную фазу, твердую или жидкую, в капиллярных колонках наносят в виде тон* кого слоя (толщиной в несколько мкм) на внутреннюю стенку колонки, остальное пространство остается полым.

Гидравлическое сопротивление такого капилляра невели* ко, поэтому поток газа*носителя движется по колонке с достаточно большой линейной скоростью. Несмотря на значительную длину (десятки и сотни метров), для обес* печения необходимого расхода газа*носителя через капил* лярную колонку оказывается достаточным примерно та* кое же входное давление газа, что и при работе с насадоч* ными колонками.

Капиллярные колонки изготавливают из нержавеющей стали, меди, стекла и кварца. Широкое распространение получили колонки из стекла, позволяющие анализировать термически и каталитически неустойчивые соединения, а также — ВМС. Колонки из натрий*кальциевых и бороси* ликатных стекол дешевы и доступны, они каталитически инертнее, чем металлические. К их недостаткам следует отнести высокую остаточную адсорбционную активность (особенно по отношению к полярным соединениям) и низ* кую механическую прочность. Поэтому капиллярную хро* матографию, в которой применяются хрупкие стеклянные открытые колонки и достаточно сложное оборудование, нельзя считать «практичным» методом. Отношение к вы* сокоэффективной хроматографии резко изменилось после 1979 г., когда компания Hewlett*Packard выпустила гиб* кие колонки из плавленого кварца. Присущие этому ма* териалу прочность и гибкость делают капиллярные колон* ки более удобными в применении, чем стеклянные. Кро* ме того, поверхность плавленого кварца более инертна, что уменьшает адсорбцию компонентов на стенках и улуч* шает функционирование колонок.

Кварцевые капиллярные колонки подвержены дейст* вию влаги воздуха: молекулы воды реагируют со связями Si–O с образованием силанольных групп. Это приводит к появлению трещинок, которые разрастаются и выводят из строя капилляр. По этой причине внешнюю поверхность капиллярной колонки следует защищать от царапин и дей* ствия влаги, для этого колонки покрывают защитным сло* ем полиимидного, алюминиевого или золотого лака. Одна* ко эта операция ограничивает рабочую температуру хро* матографирования 300 С.

Капиллярные колонки делят на:

открытые (незаполненные, ООК, WCOT*колонки);

классические;

открытые с пористым слоем (ОКК*ПС, PLOT*колонки);

открытые с твердым носителем (ОКК*ТН, SCOT*ко* лонки).

Наибольшее распространение получили капиллярные WCOT/колонки. Они имеют внутренний диаметр от 0,05 до 0,53 мм. Слой неподвижной фазы толщиной от 0,1 до 0,8 мкм равномерно покрывает внутреннюю поверхность колонки. В качестве неподвижной фазы обычно использу* ют полимерные жидкости с невысокой вязкостью (OV*225), каучуки (OV*1, SB*30) или твердые вещества (карбовакс 20 М, суперокс).

WCOT*колонки обладают высокой эффективностью по отношению к различным трудноразделяемым смесям, со* стоящим из большого числа компонентов. Однако стан* дартная толщина пленки НФ в них не позволяет прово* дить анализ концентрированных растворов. На этих ко* лонках также нельзя проводить эффективное разделение соединений с низкой молярной массой и инертных газов при обычных температурах. Для преодоления этих огра* ничений были предложены WCOT*колонки с очень тол* стым слоем НФ.

PLOT/колонки — это кварцевые капиллярные колон* ки, на их внутренние стенки нанесен слой адсорбента, в качестве которого обычно используют Аl2О3/KСl, молеку* лярные сита или пористые полимеры (близкие по составу к порапаку Q). Их недостатком является меньшая по срав* нению с WCOT*колонками эффективность, инертность и постоянное снижение во времени стабильности и воспро* изводимости результатов анализов.

В SCOT/колонках НФ наносится на твердый носитель, прикрепленный к стенке колонки. Такие колонки реже используются в хроматографии из*за высокой адсорбци* онной активности носителя. Основным же их достоинст* вом является возможность применения широкого ассор* тимента НФ. Однако, по мнению многих специалистов, для достижения высокой эффективности не обязательно

иметь большое число различных фаз, а можно обойтись ограниченным их набором. Поэтому для внедрения SCOT* колонок в хроматографическую практику необходимо до* казывать их перспективность.

В хроматографе колонки устанавливаются между до* затором (испарителем) и детектором. Концы колонок кре* пятся так, чтобы свести к минимуму «мертвое простран* ство», непродуваемое газом*носителем. В случае насадоч* ной колонки игла микрошприца при закалывании пробы должна касаться насадки, а начало капиллярной колон* ки при введении пробы должно находиться на расстоянии 10–15 мм от конца иглы.

Выходной конец капиллярной колонки выводят непо* средственно под форсунку горелки пламенно*ионизаци* онного детектора, а в случае детектора электронного за* хвата — в пространство излучения.

Чтобы не допустить утечку газа, колонки крепят на* кидными гайками и уплотняют специальными проклад* ками (даются в комплекте хроматографа). Обычно в со* временных хроматографах применяют прокладки из гра* фита. Стеклянные и кварцевые капиллярные колонки уплотняют силиконовой резиной, кальрезом, веспелем и прессованной смесью графита с фторопластом (графлок).

Современные газовые хроматографы позволяют при* менять одновременно две и более колонки. Колонки мож* но устанавливать либо параллельно, либо последователь* но — в зависимости от целей хроматографирования.

2.1.4.СИСТЕМА

ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ

Система термостатирования необходима для поддержи* вания оптимального температурного режима хроматогра* фических колонок, детекторов и дозирующих устройств.

Температура детекторов и дозирующих устройств долж* на быть, как правило, на 30–50 С выше температуры ко* лонок.

В настоящее время большинство отечественных и за* рубежных хроматографов снабжено воздушными термо/ статами колонок (позиция 7 на рис. 6). Они представляют

собой камеру с двойными стенками, пространство между которыми заполнено теплоизоляционным материалом. Вентилятор создает интенсивный поток воздуха, прохо* дящий через секции с электрическими нагревателями и нагревающий внутреннюю камеру термостата и термоста* тируемые элементы до необходимой температуры с точ* ностью 0,5 С.

В термостате колонок либо поддерживается заданная температура — изотермический режим работы хромато* графа, либо ее изменяют по определенной программе, за* давая скорость нагрева или скорость охлаждения — режим программирования температуры.

Программирование температуры — контролируемое (с определенной скоростью) изменение температуры ко* лонки во время анализа. Оно применяется для улучше* ния, упрощения и ускорения разделения компонентов пробы. Необходимость режима программирования темпе* ратуры возникла в связи с ограниченными возможностя* ми изотермической хроматографии при анализе сложных смесей, состоящих из компонентов с широким диапазо* ном температур кипения (более 100 С). Это иллюстрирует хроматограмма на рис. 12: при выбранной температуре низкокипящие компоненты выходят очень быстро в виде перекрывающихся пиков (1 и 2), в то время как высоко* кипящим компонентам соответствуют плоские широкие пики (5 и 6), площади которых не могут быть измерены

Рис. 12

Хроматограмма многокомпонентной смеси с сильно различающимися температурами кипения в изотермическом режиме:

1 — С3; 2 — С4; 3 — С6; 4 — С8; 5 — С12; 6 — С14.

Рис. 13

Хроматограмма многокомпонентной смеси с сильно различающимися температурами кипения в режиме программирования температуры:

1— С3; 2 — С4; 3 — С6; 4 — С8; 5 — С12; 6 — С14.

стребуемой точностью. В некоторых случаях высококи* пящие компоненты не элюируются из колонки вовсе и мо* гут проявляться при последующих анализах в виде шума нулевой линии на хроматограмме или многократно повто* ряющихся пиков неизвестного происхождения.

Хроматографирование с программированием темпера* туры начинают с низкой температуры, при которой пер* вые пики хорошо разделяются (рис. 13). Повышение тем* пературы в ходе анализа способствует более раннему выхо* ду каждого последующего высококипящего компонента. При этом образуются узкие пики. Общее время анализа сокращается, и расширяется диапазон анализируемых

веществ: при изотермическом режиме пик 6 (C14) уже не определялся, при программировании же температуры стал

возможным анализ всех веществ смеси (до C14 и далее). Для каждого компонента пробы происходит как бы ав*

томатический выбор температуры, при которой происхо* дит его передвижение и отделение от других компонентов внутри колонки. Прежде чем эта температура достигает* ся, каждый компонент «вымораживается» в начале ко* лонки, ожидая своей очереди выхода из нее.

Программирование температуры применяют также в препаративной хроматографии и в газо*адсорбционной хроматографии.

Рис. 14

Различные режимы программирования температуры:

а — с постоянной скоростью нагрева; б — с температурными остановками.

Режимы программирования. На рис. 14 показаны не* которые из возможных режимов программирования тем* пературы. В первом случае (а) температура термостата ко* лонок непрерывно повышается от 373 до 493 К со скоро* стью 6 град/мин (все параметры программы задаются на блоке хроматографа). Во втором случае (б) при анализе не* обходима температурная остановка для выхода пиков ве* ществ с близкими температурами кипения, далее идет на* грев с другой скоростью и т. д.

Определение микропримесей. Определение следовых количеств высококипящих компонентов можно упростить, используя хроматографию с программированием темпе* ратуры. Для этого осуществляют многократный ввод ана* лизируемой смеси при низкой температуре колонки, рас* творитель быстро элюируется, и происходит концентриро* вание высококипящих примесей в начале колонки. После ввода в колонку достаточного количества пробы произво* дится программирование температуры, в результате чего «замороженные» примеси выходят из колонки, давая на хроматограмме острые пики.

2.1.5.ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ

ДЕТЕКТОРЫ

Пройдя хроматографическую колонку, анализируе* мая смесь разделяется на последовательность бинарных растворов каждого из компонентов смеси в газе*носите* ле. Хроматографический детектор — это устройство, по* зволяющее обнаруживать выходящие из колонки компо* ненты смеси, измеряя какое*либо их физико*химическое свойство. Такими физико*химическими свойствами, за* висящими от состава бинарной смеси, являются теплопро* водность, плотность, способность к ионизации и т. п.

Кроме того, для успешного проведения количествен* ного хроматографического анализа сигнал детектора дол* жен быть пропорционален концентрации или массовому потоку компонентов в газе*носителе.

Основные требования к детектору:

1)детектор должен быть достаточно чувствителен, т. е. он должен фиксировать малые концентрации или коли* чества веществ в газе*носителе;

2)должен обладать малой инерционностью (постоян* ной времени), т. е. малым временем от момента поступле* ния компонента в детектор до появления сигнала детек* тора Z;

3)должен иметь линейную зависимость сигнала от концентрации (количества) анализируемого вещества;

4)должен иметь слабую зависимость интенсивности сигнала от условий хроматографирования: температуры колонки, давления газа, расхода газа*носителя и т. п. В про* тивном случае воспроизводимость результатов анализа бу* дет очень низкой.

2.1.5.1.КЛАССИФИКАЦИИ ДЕТЕКТОРОВ

1. Интегральные и дифференциальные детекторы. Интегральный детектор регистрирует общее количество анализируемого вещества, вышедшее к данному моменту времени из колонки. Вид получаемой в этом случае хро* матограммы схематически изображен на рис. 15. Высота каждой ступени пропорциональна количеству анализи* руемого компонента. В одном из первых интегральных