3.1. Характеристика основных конструктивных узлов (блоков) хроматографа

Блок-схема хроматографа представлена на рис. 21.

Рис. 21. Блок-схема хроматографа: блок 1 – регулирование и распределение газов; блок 2 – камера впрыскивания, хроматографические колонны, детекторы; блок 3 – термостат; блок 4 – электрометрический усилитель; блок 5 – управление детектором; блок 6 – программирующее устройство температуры; блок 7 – регулятор температуры. Дополнительные обрабатывающие приборы: блок 8 – самописец TZ 4221; блок 9,10 – интерфейсное устройство с компьютером.

Блок подготовки газов

Для работы хроматографа с ионизационными детекторами необходимы: газ-носитель, водород и воздух. В качестве газа-носителя используют азот или наиболее устойчивый к ионизации инертный газ - гелий. Водород получают с помощью водородного генератора.

Источником воздуха может быть как компрессор, так и баллон со сжатым газом. В блоке подготовки газов находятся ловушки с силикагелем, предназначенные для осушки газов. Требуемая для работы скорость газов устанавливается на каждой линии раздельно игольчатыми вентилями точной регулировки и измеряется на выходе из блока расходомером. Соотношение количества инертного газа, водорода и воздуха для пламенно-ионизационного детектора составляет 1:1:10.

Скорости подачи водорода и воздуха должны быть соответственно (25-30) и (400-500) см³/мин., а инертного газа - около 30 см³/мин. В случае работы с набивными колонками необходимое количество инертного газа поступает в детектор из газохроматографической колонки.

Использование капиллярных колонок, работающих при объемной скорости (0,3-3,0) см³/мин. (в зависимости от диаметра и температуры газохроматографической колонки, давления газа носителя на входе), требует введения в поток газа, поступающего в горелку детектора дополнительного количества инертного газа выше для соблюдения указанного соотношения.

Для этой цели используют дополнительную линию, через тройник в линию подается около 30 см³/мин. инертного газа.

Испаритель

Испаритель (рис. 22) представляет собой металлическую емкость диаметром 14 мм. Внутри находится металлическая трубка с внешним диаметром 10 мм и внутренним – 6 мм.

Рис. 22. Схема строения испарителя

По внутреннему пространству проходит газ-носитель. Сверху камера закручивается фасонной гайкой с прокладкой из термостойкой силиконовой резины, сквозь которую проходит микрошприц с пробой.

Необходимо следить за герметичностью камеры впрыскивания во избежание утечки газа. Разгерметизация может происходить вследствие изнашиваемости прокладки.

Колонки

В хроматографии для разделения смесей в основном применяются следующие колонки: насадочные и микронасадочные (капиллярные).

Насадочные колонки имеют длину (1,5-3,0) метра (внутренний диаметр составляет (4-6) мм). В качестве неподвижной фазы могут применяться такие вещества, как диатомит.

Микронасадочные (капиллярные) колонки имеют длину до 100 метров с внутренним диаметром -(0,2-0,5) мм.

В зависимости от поставленной задачи по разделению компонентов смеси подбирают соответствующую неподвижную фазу. Так, для разделения нефтепродуктов используют специальные фазы ОV-101, SЕ30 и другие.

Для оптимальной работы колонки необходимо соблюдение определенных условий анализа, которые включают следующие параметры: выбор газа-носителя и его скорость, давление, температура и длина колонки.

Детектор

Детектор представляет собой устройство, входящее в состав газохроматографической системы и измеряющее такие параметры, по которым можно получить основные результаты анализа – относительное количество анализируемого компонента в смеси. Для хроматографа детектор является датчиком сигнала включения и выключения сборников пробы.

Детекторы характеризуются такими параметрами, как:

• чувствительность, определяемая отношением сигнала детектора к количеству вещества, и ПрО;

• линейность сигнала детектора;

• воспроизводимость, характеризуемая стандартным отклонением сигнала детектора при вводе одних и тех же проб;

• стабильность работы, характеризуемая низкой зависимостью от колебаний температуры и скорости потока носителя.

Принцип действия этого прибора основан на измерении и регистрации свойств, изменяющихся в момент появления в газе носителе компонентов пробы. Пока через детектор протекает газ-носитель, детектор выдает, как правило, постоянный сигнал, который регистрируется самописцем в виде нулевой линии газового хроматографа. Изменения сигнала детектора, вызванные прохождением через него компонентов пробы, фиксируются самописцем в виде серии пиков.

Современный газовый хроматограф имеет в комплекте 4-6 детекторов. Выбор детектора определяется числом определяемых соединений, их концентрацией в смеси и требуемым временем анализа.

Универсальным детектором является детектор по теплопроводности или катарометр.

Пламенно-ионизационный детектор (ПИД) реагирует на все соедине­ния, имеющие связи С - С и С - Н, которые ионизируются в пламени. Он имеет широкую область линейного отклика (6-7 порядков), часто используется для определения следов. Нечувствителен к неорганическим газам Н₂, О₂, N₂, инертным газам, оксидам серы, углерода, азота, к воде.

Детектор электронного захвата дает отклик на соединения, содержащие галогены, фосфор, серу, нитраты, свинец, кислород. На большинство углеводородов он не реагирует.

Имеются два параметра, характеризующие количество вещества, - высота пика и площадь пика.

Высота пика – это максимальное отклонение сигнала детектора от нулевой линии во время элюирования соответствующего вещества. Для этого требуется идентификация, присущая данному веществу. Определение высоты пика возможно, если отсутствует значительный дрейф нулевой линии, который зависит от давления воздуха и газаносителя.

Площадь пика – площадь под кривой записи сигнала, которая прямо пропорциональна концентрации вещества при условии, что оно не разлагается, не реагирует с другими веществами и не обладает необратимой адсорбцией.

Площадь пика является интегралом сигнала детектора по времени, тогда как масса вещества является суммой его концентрации по всему объему газа-носителя. Поэтому необходима стабилизация скорости потока и давления подвижной фазы в детекторе.

Применение детектора основано на предельной чувствительности (предел обнаружения) интересующего компонента анализируемой пробы, предельной концентрации, до которой сохраняется линейность градуируемой характеристики, и селективной чувствительности к различным компонентам анализируемой пробы.

Пламенно-ионизационный детектор (ПИД)

Основной элемент пламенно-ионизационного детектора - это горелка, через сопло которой подается смесь водорода, воздуха и газаносителя. Горение водорода приводит к образованию низкотемпературной плазмы (ионов), в которой и происходит пиролиз (рис. 23).

Рис. 23. Схема пламенно-ионизационного детектора

Воздух поступает в горелку концентрически через металлокерамический диск, который обеспечивает ламинарный поток вокруг пламени. В ПИД используется диффузионное пламя, при котором возникающий ток определяется переносом большого количества ионов.

В пламени, образующемся при горении смеси водорода в воздухе, присутствует чрезвычайно малое число ионов.

Однако, если внести в такое пламя органическое вещество, то при напряженности электрического поля около 300 В/см первоначальный ток, составляющий всего (10 -12) мА резко возрастает, что объясняется появлением в плазме большого количества ионов.

Естественно, что внесенные в пламя органические компоненты подвергаются высокотемпературному разложению (пиролизу). В горячей зоне пламени, образуются в основном радикалы (СН^•). Эти радикалы (остатки органических молекул) реагируют далее в окислительной зоне пламени по следующей схеме:

СН^• + О₂ → СНО⁺ + ē

с образованием молекулярных ионов и электронов, обеспечивающих протекание тока, т. е. появление сигнала детектора.