6.3. Газова хроматографія

За природою нерухомої фази розрізняють два види газової хроматографії (ГХ): газотверду і газорідинну. При газотвердій хроматографії нерухомою фазою слугує твердий матеріал (гранульований силікагель, вугілля, оксид алюмінію). Цей вид хроматографії ще має назву газоадсобційної, оскільки розділення досягають за рахунок поглинання поверхнею нерухомої фази. При газорідинній хроматографії нерухомою фазою є нелетка рідина у вигляді тонкої плівки на твердому носії (найчастіше діатоміт–кізельгур). Газорідинна хроматографія має ширше застосування, ніж газоабсорбційна.

Рухомою фазою у ГХ є газ-носій. Зазвичай використовують такі гази: гелій, водень, азот.

Аналіз методом ГХ виконують на газовому хроматографі, який складається із джерела газу-носія (балон), регулятора потоку газу (редуктор), лічильника витрат газу (ротаметр), пристрою для кількісного вводу проби (дозатор), термостатованої хроматографічної колонки, детектора, реєстратора та обчислювального інтегратора (рис. 4).

Дозатори, за допомогою яких готують пробу необхідної міри, – це бюретки або спеціальні шприци.

Колонка – сталева, мідна або скляна трубка з внутрішнім діаметром 3-6-15 мм, довжиною 1-3-20 м у вигляді спіралі або U-подібна.

Детектор реагує на зміну складу газу при виході і передає ці дані реєстратору. Існують диференціальні та інтегральні детектори. Сигнал інтегродетектора пропорційний загальній масі речовини у потоці газу. Реалізується цей процес так. Під час проходження через детектор чистого газу-носія на стрічці реєстратора записується горизонтальна лінія, а під час проходження носія з сумішшю хроматограма складається зі сходинок, висота яких пропорційна масі компонента, що відповідає даній сходинці.

Диференціальні детектори фіксують різницевий сигнал: різницю теплопровідності компонентів і газу-носія (катарометри), різницю електричної провідності опромінених і неопромінених компонентів проби (йонізаційні детектори), різницю густини газу і проби (денситометричні детектори), різницю поглинання у монохроматичному світлі газу і проби (спектрофотометричні детектори). Іноді роль детектора виконує мас-спектрометр.

Оскільки різні детектори володіють різною чутливістю до різних речовин, корисно використовувати разом 2 детектори, з’єднані послідовно або паралельно (подвійне детектування).

Для замірювання і запису сигналів з детектора застосовують чутливі мілівольтметри і потенціометри.

Хроматографічний процес суттєво залежить від температури: при низьких температурах (до 200–250C) розділяють леткі речовини, а при вищих (250–400C) – більшість органічних сполук. Отож температуру програмують відповідно до властивостей речовин, що підлягають розділенню та аналізу.

Розглянемо принципи дії основних типів детекторів, які використовують у газових хроматографах.

Принцип дії детектора за теплопровідністю ґрунтується на зміні температури чутливих елементів і, відповідно, їхнього опору. Зміна температури відбувається завдяки відмінності у теплопровідності газу-носія і досліджуваної проби. Детектором слугує металевий блок, в який умонтовано міст електричних опорів Уітстона. Принципову схему детектора подано на рис. 5.

Газ-носій безперервно обтікає опори 1 і 2. У вихідному положенні міст зрівноважений за допомогою реостата 3. Оскільки теплопровідність газу-носія є більшою, ніж теплопровідність компонента у досліджуваній пробі, при появі останнього опір 2 підвищується і у детекторі виникає розбалансування моста. Отже, поява досліджуваного компонента у детекторі викликає сигнал, пропорційний до концентрації компонента у пробі. Сигнал після підсилення реєструється самописцем у вигляді піка. Чутливість такого детектора приблизно 10^-12 г/мл. При роботі з катарометрами газом-носієм завжди слугує водень.

Принцип дії детекторів електронного захоплення ґрунтується на зменшенні сили фонового йонного струму газу-носія у присутності речовин, здатних поглинати електрони.

Детектор – йонізаційна камера, у якій розташовано радіоактивний елемент, що є джерелом -променів (радіоактивний нікель або титанова фольга). Під впливом сталого потоку -променів газ-носій, що надходить з хроматографічної колонки, йонізується, утворюючи вільні електрони. Газом-носієм у цьому детекторі слугує азот. Унаслідок йонізації азоту у камері виникає йонний струм певної величини. Унаслідок потрапляння у камеру речовин, здатних поглинати електрони, фоновий йонний струм газу-носія зменшується. Виникає сигнал, який реєструється самописцем у вигляді піка. Чим більша висота піка, тим більша концентрація речовини, що захоплює електрони. Чутливість таких детекторів 10^-14 г/мл; вони чутливіші, ніж катарометри.

Принцип дії полуменево-йонізаційних детекторів ґрунтується на здатності органічних речовин йонізуватися унаслідок згорання у воднево-повітряному полум’ї.

Детектором (рис. 6) слугує камера, яка має штуцер для подання повітря і форсунку, куди надходить газ із хроматографічної колонки і водень. Співвідношення водень – газ-носій – повітря підтримується у пропорції 1 : 1 : 10. Над форсункою є сітка, виготовлена з інертного матеріалу. Сітка і форсунка перебувають під постійною напругою. Форсунка є негативним електродом, а сітка – позитивним. Елюент згорає у воднево-повітряному полум’ї, і якщо він містить органічні речовини, то у полум’ї вони розпадаються на йони. Напруга, прикладена до форсунки і сітки, надає цим йонам спрямованого руху, внаслідок чого виникає йонний струм, силу якого заміряє гальванометр. Величина сили струму пропорційна до маси органічної речовини, яка йонізується. Під час появи йонного струму виникає сигнал детектора, що фіксується самописцем у вигляді хроматограми. Чутливість таких детекторів тим більша, чим більша кількість вуглецевих атомів у молекулі органічної сполуки, яка йонізується. При рівному числі вуглецевих атомів чутливість полуменево-йонізаційних детекторів вища у 1200 разів за чутливість катарометрів. Детектор не реагує на формальдегід, мурашину кислоту, сірковуглець.

Принцип дії полуменево-фотометричних детекторів ґрунтується на вимірюванні інтенсивності випромінювання атомів, збуджених у воднево-повітряному полум’ї.

Детектор складається з пальника, який має штуцер для подачі повітря, та трубки для подачі із хроматографічної колонки елюенту і водню, оптичного волокна, фотоелектроперетворювача, самописця, підсилювача. Відповідні атоми елюенту у воднево-повітряному полум’ї збуджуються і при переході у незбуджений стан випромінюють кванти світла. Це випромінювання оптико-волоконним хвилеводом передається на фотоелектронний перетворювач. Після підсилення самописець фіксує цей сигнал у вигляді хроматограми. Інтенсивність випромінювання пропорційна до маси компоненти досліджуваної проби.

Такі детектори застосовують для визначення сірковмісних і фосфоровмісних сполук.

За умови використання подвійного детектування з послідовним під’єднанням детекторів, останні повинні бути різних типів. Важливо, щоб перший детектор не зруйнував пробу. При паралельному під’єднанні детекторів на виході з хроматографічної колонки ставлять подільник газового потоку, який розділяє потік на дві частини. Кожна з частин надходить у відповідний детектор. Подвійне детектування дає змогу одержати додаткову інформацію щодо цього зразка, оскільки детектори різних типів володіють різною чутливістю до сполук різних класів.

У хроматографічній системі можуть утворюватись мертві зони (мертві об’єми), тобто трапляється застоювання компонентів проби. Такі застоювання у детекторі спричинюють утворення розширених піків, що ускладнює розшифрування хроматограм. Отож після закінчення аналізу детектор продувають газом-носієм. При використанні насадочних колонок об’ємна швидкість газу-носія є великою і продування можна здійснити через цю колонку.

Хроматографічне розділення компонентів за однієї температури може спричинити до того, що піки низькокиплячих компонентів розташуються надзвичайно близько один до одного, а піки висококиплячих стануть низькими і широкими. Розшифрувати таку хроматограму надто складно: ймовірно чимало помилок. Щоб уникнути цього, поступово зі сталою швидкістю підвищують температуру колонки (програмування температури хроматографічної колонки). Програмування температури забезпечує зміну коефіцієнтів розподілу сполук, унаслідок чого і піки на хроматограмі розподіляться рівномірніше, чіткіше і будуть меншими за шириною.

Існує варіант ГХ із суттєво ефективнішим розділенням – капілярна газова хроматографія. У цьому випадку хроматографічною колонкою є капіляр діаметром 0,05  1 мм, на внутрішню поверхню якого нанесено шар нерухомої фази. У капілярну колонку вводять пробу приблизно у 5000 разів меншу, ніж у звичайну. Цим методом досягають розділення різних органічних сполук, що складаються з понад 500 компонентів, ізотопів з різницею маси навіть в одиницю.