Газовые хроматографы. Конспект лекций

Отношение концентраций в неподвижной фазе (сорбенте) Сн и подвижной фазе Сп называется коэффициентом распределения K

К Сн Сп

Коэффициент распределения характеризует сорбируемость вещества в данном сорбенте. Для процессов адсорбции это отношение получило название коэффициента Генри.

При линейной изотерме сорбции значение коэффициента распределения зависит только от свойств сорбата и сорбента и температуры. При постоянной температуре значение K = const и не зависит от концентрации сорбата в подвижной фазе.

С ростом температуры значение коэффициента распределения уменьшается.

Процесс разделения смеси на компоненты происходит в хроматографической колонке. Колонка – это трубка, заполненная сорбентом, через которую непрерывно проходит элюент. Вместе с элюентом в колонку периодически поступает проба анализируемой смеси. При поступлении анализируемой смеси в колонку происходит поглощение части молекул компонента сорбентом. Другая часть остается в подвижной фазе.

В процессе движения компонентов смеси по колонке непрерывно проходят процессы их сорбции и десорбции (поглощения и выделения). Каждая молекула компонента смеси периодически находится то в подвижной фазе, то в неподвижной (сорбенте).

На рис. 4 схематично приведен элемент хроматографической колонки. Часть этого элемента заполнена неподвижной фазой Н (сорбентом), имеющим объем Vн, другая часть объемом Vп заполнена подвижной фазой П.

Рис. 4. Элемент хроматографической колонки:

Н – неподвижная фаза объемом Vн; П – неподвижная фаза объемом Vп.

11

Отношение числа молекул nн и массы компонента, находящейся

внеподвижной фазе mн, к числу молекул nп и массе, находящейся

вподвижной mп фазе,

С другой стороны:

масса компонента в неподвижной фазе

mн = СнVн;

масса компонента в подвижной фазе

mп = СпVп,

где Сн и Сп – массовая концентрация компонента в неподвижной Н и подвижной П фазе;

Vн и Vп – объем неподвижной и неподвижной фазы, соответственно.

Учитывая, что отношение концентраций компонента в неподвижной и подвижной фазах – это коэффициент распределения

Сн К , Сп

получим

Молекулы компонента движутся только ту часть времени, когда они находятся в подвижной фазе. Причем скорость их движения в подвижной фазе равна скорости элюента. Поэтому средняя скорость движения молекул компонента по хроматографической колонке будет равна

где ωэ – скорость газа носителя (элюента).

Таким образом, за счет поглощения части молекул компонента средняя скорость его движения ниже, чем скорость элюента. Скорость движения компонента по колонке зависит от значения коэффициента распределения, т.е. от его способности поглощаться сорбентом, находящимся в колонке. Чем больше коэффициент распределения, тем ниже скорость движения компонента. Скорость движения компонентов анализируемой смеси, имеющих разные значения коэффициентов распределения, будет различна. За счет этого происходит разделение компонентов.

Качественная картина разделения двухкомпонентной смеси в колонке представлена на рис. 5. Приведено распределение концентраций компонентов в сорбенте и газовой фазе по длине колонки в последовательные моменты времени 1, 2 и 3.

Рис. 5 иллюстрирует случай разделения смеси, в которой:

–исходные концентрации компонентов А и В равны;

–коэффициенты распределения КА = 1,0; КВ = 1,5.

Рис. 5. Разделение двухкомпонентной смеси в хроматографической колонке:

А и В – компоненты смеси КА < КВ; 1, 2, 3 – последовательные моменты времени

13

Разность между временем удерживания и временем удерживания несорбируемого компонента Т'У называется

приведенным (чистым) временем удерживания

Т у Т у Тн L K Vн . ωэ Vп

В течение этого времени молекулы (или ионы) компонентов анализируемой смеси находятся в неподвижной фазе.

Рис. 6. Хроматограмма: 1, 2, 3, 4 – пики компонентов газовой смеси, имеющих коэффициенты распределения К1< К2 < К3 < К4.

ТН – время удерживания несорбируемого компонента (воздуха)

Времена удерживания для данной разделительной колонки и определенных условий проведения анализа являются важными, характеризующими пробу величинами. Если колонка не перегружена слишком большим количеством пробы и взаимное влияние ее компонентов при движении по колонке отсутствует, время удерживания одного компонента не зависит от сопутствующих ему компонентов.

В теоретических работах используются помимо времен удерживания такие понятия как удерживаемый объем и приведенный удерживаемый объем. Эти величины представляют собой произведения соответствующего времени на расход элюента.

15

Неразделимых смесей для хроматографии не существует. Для разделения двух или нескольких веществ можно всегда подобрать неподвижную фазу – сорбент.

В реальных условиях может быть сложно или нецелесообразно обеспечивать идеальное (полное) разделение компонентов анализируемой смеси.

3. ЭЛЕМЕНТЫ ХРОМАТОГРАФА

3.1. Элюент

Элюент (газ-носитель) обеспечивает движение компонентов анализируемой смеси по колонке в процессе их разделения от дозатора до детектора.

Элюент в газовом хроматографе должен быть инертным к материалу колонки и разделяемой газовой смеси и обеспечить высокую чувствительность детектора.

С точки зрения течения в колонке благодаря своей очень низкой вязкости лучше всего подходит в качестве газа-носителя водород. Но определяющим фактором при выборе газа-носителя является тип применяемого детектора. Для детектора по теплопроводности желательно использовать газ-носитель с высокой теплопроводностью

– водород или гелий, для ионизационных детекторов – азот или аргон. Расход газа-носителя в разных хроматографах в пределах от 15 до 60 мл/мин.

Кроме газа-носителя для работы некоторых детекторов необходимы вспомогательные газы. В пламенно-ионизационном и термоионном детекторах необходимо поддерживать водородное пламя. В детектор подается помимо газа-носителя газообразный водород и воздух.

3.2. Дозатор

Дозатор вводит в поток элюента строго определенный объем пробы анализируемой смеси (газа или жидкости).

Объем пробы определяется опытным путем. Обычно для газа он составляет несколько миллилитров и менее, для жидкости – до нескольких микролитров. Основное требование к дозатору – постоянство объема и условий ввода пробы.

16

Для ввода жидкой пробы используются шприцы, поршневые

изолотниковые краны. Воспроизводимость дозирования жидкой пробы хуже, чем газообразной. Воспроизводимость объема жидкой пробы при ее вводе шприцем во многом зависит от емкости шприца

иот доли емкости шприца, занимаемой пробой.

Воспроизводимость дозирования жидкой пробы объемом 1 мкл шприцем 5 мкл – около 5 %, пробы 0,1 мкл шприцем 1мкл – около 10 %. При вводе пробы золотниковыми или поршневыми кранами воспроизводимость дозирования находится в пределах 1…5 %, при использовании наиболее точных дозаторов с объемом пробы 1 мкл –

0,3…0,5 %.

По причине низкой воспроизводимости ввод проб шприцами может использоваться при качественном анализе и количественном анализе низкой точности. При точном количественном анализе необходимо применять автоматические дозаторы.

Для ввода газообразной пробы используются газовые шприцы, мембранные вращающиеся золотниковые и поршневые краны. Воспроизводимость дозирования газообразных проб в зависимости от типа дозатора и объема пробы находится в пределах 0,5…2 %. При использовании наиболее точных дозаторов с объемом пробы более 1 мл 0,2…0,3 %, с объемом пробы менее 100 мкл 0,3…0,6 %.

Принцип действия поворотного крана-дозатора иллюстрируется на рис. 11. В положении I происходит заполнение объема дозатора анализируемой смесью, в положении II – ввод пробы.

Рис. 7. Принцип действия крана-дозатора: 1 – элюент; 2 – анализируемый продукт; I – заполнение дозатора; I I – ввод пробы

17

В газовом хроматографе при подаче жидкой пробы необходимо обеспечить ее испарение. Испаритель представляет собой нагреваемый до определенной температуры металлический блок. Температура испарителя влияет на начальную ширину полосы пробы в колонке и эффективность разделения. Обычно температура испарителя равна или на 30...50 °С выше температуры кипения наиболее высококипящего компонента смеси, чтобы обеспечить быстрое испарение.

Примечание. В литературе по хроматографии для характеристики работы дозатора часто используется термин «воспроизводимость». Исходя из принятой в метрологии терминологии, будет более точным применение термина «повторяемость».

3.3. Хроматографическая колонка

Хроматографическая колонка является основным элементом хроматографа. В колонке происходит разделение анализируемой смеси.

Колонка представляет собой трубку, заполненную сорбентом. Материал колонок должен быть пассивен к сорбенту и компонентам разделяемых смесей. Колонки изготавливаются из нержавеющей стали, меди, алюминия, стекла, полимерных материалов и т. д.

В газовой хроматографии используются насадочные колонки (заполненные адсорбентом или твердым носителем), микронасадочные колонки и полые капиллярные колонки.

Внутренний диаметр насадочных колонок для газоадсорбционной и газожидкостной хроматографии составляет 2…5 мм, их длина в пределах 0,5...3 м. Внутренний диаметр микронасадочных колонок 0,8…1,5 мм, длина до 2 м. Полые капиллярные колонки выполняются с внутренним диаметром 0,1…0,8

мм и длиной от 10...20 до 100...200 м.

Вид сорбента и длина колонки определяются аналитическими задачами. Чем длиннее колонка и меньше ее диаметр, тем выше эффективность разделения. Но при увеличении длины растут времена удерживания и продолжительность анализа, с уменьшением диаметра снижается способность воспринимать без перегрузки анализируемое вещество.

18

Вкачестве сорбента в насадочных колонках применяется мелкозернистый пористый материал с большой поверхностью. Сорбент должен быть термически стабильным, химически устойчивым по отношению к анализируемым веществам. Размеры зерен от 0,1 до 0,5 мм. Сорбент не должен быть набит слишком плотно, чтобы не создавать чрезмерно высокое сопротивление газуносителю, однако в набивке не должно быть пустот.

Вгазо-адсорбционных колонках используются твердые адсорбенты: активированный уголь, селикагель, алюмогель, цеолиты, пористые стекла и минеральные пористые материалы. Они применяются прежде всего для разделения низкомолекулярных газов: водорода, кислорода, азота, диоксида углерода, углеводородов до С4 включительно. Высокая активность адсорбентов часто вызывает сильное искажение пиков и образование «хвостов» на хроматограммах.

Вгазо-жидкостных колонках в качестве твердого носителя, на

который наносится слой абсорбента, используются минеральные и полимерные материалы с развитой поверхностью. Материал носителя по возможности не должен обладать собственной адсорбционной активностью. Носитель покрывают сорбирующей жидкостью, наносимой в количестве 5…25 % от массы носителя. Чем тоньше толщина пленки жидкости, тем выше эффективность разделения колонки, но тем ниже ее способность работать без перегрузки.

Вполых капиллярных колонках сорбент покрывает только внутреннюю поверхность капилляра. Центральная часть остается незаполненной сорбентом и свободной для прохода газа-носителя. Применяются капиллярные колонки: с покрытием внутренней поверхности жидким сорбентом; с пористым слоем адсорбента на стенках; с пористым слоем твердого носителя на стенках, покрытым жидким абсорбентом.

Вкачестве абсорбентов в капиллярных и газожидкостных колонках используются простые и сложные эфиры, парафиновые углеводороды, различные масла (вазелиновые, силиконовые, высококипящие авиационные), полиэтиленгликоли и многие другие органические жидкости с высокой температурой кипения.

19

Давление паров жидкого сорбента при выбранной рабочей температуре должно быть минимально (не должно превышать 50 Па), чтобы не было существенного уноса сорбента потоком газа-носителя.

В противном случае не только уменьшается срок службы колонки, но и снижается чувствительность детектора. При анализе следовых концентраций с помощью пламенно-ионизационного детектора максимально допустимое давление паров сорбента еще значительно ниже.

Максимальная рабочая температура колонки с жидким абсорбентом должна быть примерно на 200 °С ниже температуры его кипения. Нижний предел рабочей температуры ограничен температурой затвердевания абсорбента.

Чтобы обеспечить постоянство времени выхода компонента из колонки и линейность зависимости выходного сигнала от концентрации компонента в смеси, изотерма сорбции должна быть линейной. Для этого исходные сорбенты модифицируют химическими или физическими методами.

Селективность характеризуется отношением коэффициентов распределения компонентов анализируемой смеси. Селективность колонки по отношению к разделяемым компонентам смеси может быть оценена фактором разделения.

Фактор разделения представляет собой отношение приведенных времен удерживания

Ту2 K2 ,

Ту1 K1

где К1 и К2 – коэффициенты распределения для компонентов разделяемой смеси.

Фактор разделения учитывает только селективность, но не учитывает эффективность (ширину пика).

Эффективность разделения определяется не только отношением времен удерживания, но и степенью расширения (размыванием) хроматографического пика.

Размывание связанное с нелинейной сорбцией. При выпуклой изотермой сорбции скорость продвижения зон с большой концентрацией возрастает. На выходе из колонки полоса регистрируется с резким отвесным фронтом. При вогнутой изотермы сорбции передний фронт пика будет растянут.

20