1. Газовая хроматография (гх и гжх)

Газовая хроматография – хроматография, в которой подвижная фаза является газом (газ-носитель); чаще всего используется инертный газ – гелий. Неподвижной фазой (стационарной фазой, НЖФ) является низколетучая жидкость, нанесенная на пористый носитель или на стенки длинной капиллярной трубки.

Газовая хроматография является универсальным методом разделения смесей веществ, испаряющихся без разложения. При этом компоненты разделяемой смеси перемещаются по хроматографической колонке с потоком газа-носителя. По мере движения разделяемая смесь многократно распределяется между газом-носителем (подвижной фазой) и нелетучей неподвижной жидкой фазой. Принцип разделения – неодинаковое сродство веществ к летучей подвижной фазе и стационарной фазе в колонке. Компоненты смеси по-разному задерживаются последней, поскольку растворимость их в этой фазе различна, и таким образом разделяются – компонентам с большей растворимостью и/или меньшей летучестью (температурой кипения) требуется большее время для выхода из жидкой фазы. Затем вещества “выходят” из колонки и регистрируются детектором. Сигнал детектора записывается в виде хроматограммы (кривой зависимости сигнала детектора от времени) автоматическим потенциометром (самописцем) или же регистрируется компьютером.

1. Формальные аспекты газовой хроматографии

Кривую зависимости сигнала детектора от объема газа-носителя или от времени называют хроматограммой (рис. 2 .1). На хроматограмме различают следующие составные части: нулевую линию (1) – участок хроматограммы, полученной при регистрации сигнала детектора во время выхода из колонки чистого газа-носителя; пик (2) – участок хроматограммы, полученной при регистрации сигнала детектора во время выхода из колонки одного из определяемых компонентов (или смеси нескольких неразделенных компонентов). Пик ограничивается фронтом, соответствующим возрастанию концентрации компонента до максимальной, и тылом, отвечающим убыванию концентрации компонента в газе-носителе.

	Рисунок	2.1	– Пример хроматограммы (1 – нулевая линия; 2 – пик определяемого

компонента

Деление пробы на индивидуальные компоненты достигается в соответствии с удерживанием каждого компонента хроматографической колонкой. Время, необходимое для элюирования компонента анализируемой смеси из колонки, называется (абсолютным) временем удерживания (t_R) этого компонента и определяется по времени выхода максимума его хроматографического пика. В процессе хроматографического разделения происходит распределение компонента пробы между подвижной и неподвижной фазами. Время нахождения компонента в подвижной фазе (t_M) постоянно для всех составляющих аиализируемой смеси. Величинуt_Mобычно называют “мертвым временем” колонки или временем удерживания несорбирующегося вещества. Эту величину можно легко определить по времени удерживания сорбирующегося в колонке вещества, например метана.

Истинное время нахождения компонента в НФ рассчитывается как разность абсолютного времени удерживания и мертвого времени. Эта величина называется приведенным (исправленным) временем удерживания t'_Rи определяется уравнением 2 .1:

.

(

2.1

)

Связь между величинами t_R,t_M иt_R'иллюстрируется рис. 2 .2.

Рисунок

2.2

– Связь между основными характеристиками хроматограммы

Распределение анализируемого вещества между двумя фазами хроматографической колонке можно описать с помощью коэффициента распределения по уравнению 2 .2:

,

(

2.2

)

где , — концентрация веществаiв неподвижной и подвижной фазах соответственно.

Коэффициент распределения – термодинамическая величина; при определенной температуре колонки каждое вещество характеризуется постоянным коэффициентом распределения.

Для представления величин удерживания в газовой хроматографии используется система индексов удерживания Ковача. Индексы удерживания Ковача не зависят от ряда инструментальных переменных, например от объемной скорости потока. Это позволяет проводить сравнение величин удерживания, полученных в различных хроматографических системах. Индекс удерживания Ковача I, характеризующий удерживание веществаXв колонке неподвижной фазой при температуреt(°С) относительно двух н-алканов с числом углеродных атомовnиn+ 1, рассчитывается по уравнению 2 .3:

,

(

2.3

)

где:

– расчитываемая величина индекса Ковача веществXпри температуреt,^оС на указываемой неподвижной фазе;

,,– логарифмы исправленных времен удерживания анализируемого веществаXи двух н-алканов с числом углеродных атомовnиn+ 1, соответственно, при соблюдении условия 2 .4:

.

(

2.4

)

Поскольку численное значение индексов Ковача определяется лишь физико-химическими свойствами анализируемого вещества, природой неподвижной фазы и температурным режимом колонки, индекс удерживания вещества той или иной неподвижной фазой, отнесенный к определенной температуре, можно поставить в ряд с такими известными константами, как температура кипения (плавления), плотность или показатель преломления.

Эффективность разделения — это мера расширения зоны вещества при его прохождении через колонку. Эффективность колонки тем выше, чем уже пик получается при том же времени удерживания, и измеряется числом теоретических тарелок. Число теоретических тарелокNхарактеризует число ступеней установления равновесия распределения вещества между подвижной и неподвижной фазами, и описывается уравнением 2 .5:

,

(

2.5

)

где l_r− расстояние удерживания, мм;b₀− ширина пика у основания, мм.

Число теоретических тарелок N, соответствующее данной колонке,не является достаточной характеристикой хроматографического разделения, поскольку это число не зависит от размеров разделительной системы (длины колонки). В связи с этим высоту, эквивалентную теоретической тарелке (ВЭТТ), можно определить как толщину сорбционного слоя, необходимую для того, чтобы раствор, поступивший из предыдущего слоя, пришел в равновесие со средней концентрацией растворенного вещества в подвижной фазе этого слоя. Такая характеристика лучше определяет эффект хроматографического разделения. Таким образом, эффективность хроматографической системы с использованием набивных хроматографических колонок описывается величиной H (уравнение 2 .6):

,

(

2.6

)

где

Н− высота, эквивалентная теоретической тарелке (ВЭТТ), мм;

L– длина системы в направлении перемещения подвижной фазы (длина хроматографической колонки), мм;

N− число теоретических тарелок.

Чем больше N, тем выше эффективность, тем меньше размывание полосы по мере прохождения ее через колонку и соответственно уже пик на выходе из колонки. Система считается эффективной, если 1 м колонки имеет 1000 теоретических тарелок, т.е. приН= 1 мм.

В хроматографии под селективностью понимают селективные физико-химические взаимодействия между анализируемыми веществами и хроматографической системой. В газовой хроматографии селективность определяется природой неподвижной фазы. Обычно селективность неподвижной фазы выражают через относительное удерживание критической пары компонентов пробы (т. е. два наиболее трудно разделяемых соединения) по уравнению 2 .7:

,

(

2.7

)

где иисправленные времена удерживания (рассчитанные по формуле 2 .1) дляi-го иj-ого компонентов пробы, соответственно.

Значение фактора селективности (при ) выше 1 указывает на то, что может быть достигнуто разделение.

Решающим моментом при разработке методики газохроматографического анализа является определение величины степени газо-хроматографического разделения, необходимой для достижения цели. Степень разделения в хроматографии определяется следующим образом

,

(

2.8

)

где:

t_R— время удерживания соединенийi иj;

W_b — ширина пиков соединенийiиjу основания.

Способность хроматографической системы разделять критическую пару веществ зависит не только от их абсолютных времен удерживания, но и от формы пиков этих соединений, т. е. от эффективности разделительной колонки. Одинаковых величин разрешения (степени разделения) можно достичь при использовании как высокоэффективных хроматографических систем, так и систем с низкой эффективностью (рис. 3).

Степень разделения является сложной функцией (уравнение 2 .9) ряда хроматографических параметров:

,

(

2.9

)

где

N—число теоретических тарелок колонки (см. ур-ие 2 .5);

а — фактор селективности (см. ур-ие 2 .7);

k — коэффициент извлечения, или коэффициент емкости колонки.

Для насадочных колонок, с низкой эффективностью, наибольший вклад в величину разрешения вносит селективность (рис. 2 .3), а для капиллярных колонок с низко селективностью – их высокая эффективность.

Этим объясняется необходимость широкого ассортимента неподвижных фаз (НФ) в газовой хроматографии с насадочными колонками.

Рисунок

2.3

– Способы достижения высокого разрешения хроматографических

колонок