12.3. Застосування методів газової хроматографії

Методами газової хроматографії аналізують переважно органічні забруднення довкілля. Леткі речовини разом з газом-носієм, тобто рухомою фазою, переміщаються довгою колонкою, скрученою у спіраль, через стаціонарну фазу і в ній утримуються.

Залежно від властивостей стаціонарної фази є два різновиди хроматографії: газо-адсорбційна – розподіл здійснюється на твердому сорбенті внаслідок різної здатності речовин сорбуватися; газорідинна – розподіл здійснюється на твердому носії, покритому плівкою рідини.

У газо-адсорбційній хроматографії стаціонарною фазою може бути силікагель, активоване вугілля, молекулярні сита, полімери з нейтральними групами, причому пориста поверхня повинна бути однорідною.

Стаціонарною фазою у методі газорідинної хроматографії є твердий носій, на який нанесена тонка плівка рідини. Як твердий носій використовують тефлон, алюмогель і речовини на основі діатомітів, такі, щоб на них не впливало підвищення температури і щоб вони добре утримували рідину. У капілярній колонці рідину наносять на стінки капіляру. Рідина стаціонарної фази не повинна взаємодіяти з носієм, бути нелеткою, малов’язкою, термічно стійкою. В колонці летка речовина з газуватої суміші переходить у рідку стаціонарну фазу внаслідок розчинення або й взаємодії з нею. Відомо декілька сотень нерухомих рідких фаз для газорідинної хроматографії. Серед поширених рідких фаз є вазелінове масло, апієзони (змішані вуглеводні), верзамід (поліамідний каучук), карбовакси (поліетиленгліколі), силікони, поліфенілові етери та ін. Вибір рідини стаціонарної фази залежить від складу аналізованої суміші. Рідка фаза повинна бути подібною за властивостями до речовин, які розділяють (спирти розділяють у полярному розчиннику).

Ефективним є застосування колонок, сполучених послідовно, які містять різні рідкі фази.

Рухомою фазою є газ-носій – хімічно інертна речовина, наприклад N₂, He, H₂, іноді СО₂. Його подають у колонку з балона під певним сталим тиском (через регулятор тиску) з постіною швидкістю потоку. Швидкість газу-носія повинна бути тим більшою, чим довша колонка і чим більший внутрішній діаметр колонки. Оптимальну швидкість визначають експериментально.

Підвищення температури веде до прискорення процесу розділення, однак, при відносно низькій температурі зростає ефективність розділення речовин з газової суміші. Тому вибирають оптимальну температуру, яка є вищою від температури кипіння проби – вищою за середню температуру кипіння суміші.

У методах газової хроматографії використовують колонки довжиною до 20 м і з внутрішнім діаметром 1-10 см (препаративні) та 3-6 мм (аналітичні). Колонки можуть бути зі скла, кварцу, нержавіючої сталі, міді, алюмінію, полімерних матеріалів. Капілярні колонки довжиною 20-150 м та внутрішнім діаметром 0,25-0,50 мм скручені у спіраль, так щоб їх можна було помістити в термостат. Колонки наповнюють твердим адсорбентом або носієм, насиченим рідкою нерухомою фазою. Чим довша колонка, тим ефективнішим є розділення.

Об’єм проби летких рідин становить 0,5-100 мкл; газів–0,5-20 мл.

Для хроматографічного визначення суміш газів чи летких рідин вводять у дозатор. Для випаровування летких рідин вхідний отвір нагрівають до температури, яка перевищує температуру кипіння усіх речовин в суміші. Звідси речовина потрапляє у колонку, нагріту до оптимальної температури. Одночасно подають газ-носій, завдяки якому речовини переміщаються колонкою і захоплюються стаціонарною фазою, а потім послідовно видаляються з неї у детектор. Блок-схема газового хроматографа показана на рис. 12.5.

Рис.12.5. Блок-схема газового хроматографа

Вміст речовини визначають детекторами неперервної дії. Детектори бувають універсальні, якими реєструють усі речовини, та селективні – вимірюють властивість, притаманну певному інгредієнту. У потокових детекторах речовина перетворюється на іони, які подають певним чином сигнал за одиницю часу (г/с). У концентраційних детекторах сигнал пропорційний до кількості речовини, яка пройшла через нього без руйнування (г/см³).

Застосовують різні детектори, усього більше як 50 типів.

• Катарометрами реєструють зменшення теплопровідності суміші, яка виходить з колонки, порівняно з теплопровідністю газу-носія. У цьому випадку найкраще як газ-носій застосовувати Н₂ або Не, бо їхні теплопровідності у 6-10 разів вищі за теплопровідність більшості органічних летких речовин.

• Реєстратори зміни густини газів у порівнянні з густиною газу-носія.

• Полуменево-іонізаційний детектор універсальний і дуже чутливий.

У цьому детекторі суміш газів згоряє у водневому полум’ї (Н₂+О₂), проходить термічна дисоціація речовин, при якій утворюються іони. Органічні сполуки іонізуються по зв’язках С-С та С-Н. Поява іонів викликає зміну електропровідності полум’я. Якщо ж згоряє Н₂, то іони не утворюються (рис.12.6).

Рис.12.6.Схема полуменево-іонізаційного детектора

Величина іонного струму залежить від кількості іонів. Фактично, відклик детектора пропорційний до кількості атомів С у молекулі речовини і є різним для сполук різних класів. Цей спосіб детектування застосовується для виявлення вуглеводнів, але не годиться для аналізу СО₂, О₂, CCl₄. Недоліком є значний вплив матриці природного об’єкта і слабий відклик тоді, коли в речовині мало атомів С та коли речовина містить гетероатоми.

• Термоіонний (нітрогено-фосфорний) детектор є різновидом полуменево-іонного, в якому рубідієве скло у полум’ї селективно підвищує іонізацію органічних сполук з атомами N i P (гербіциди, фунгіциди, інсектициди).

• Детектор з -випромінювачем містить радіоактивні ізотопи (⁹⁰Sr), під дією яких збуджуються атоми Ar як газу-носія, а останні, у свою чергу, спричинюють іонізацію молекул інших газів – виникає іонний струм.

• Фотоіонізаційний детектор з реєстрацією електропровідності застосовують для аналізу летких ароматичних та галогеновмісних сполук. На речовини в детекторі діють УФ-випромінюванням, утворюються заряджені частинки – виникає електричний струм. Якщо в детектор потрапляє галогеновмісна сполука, то вона відновлюється воднем до галогенідів Hal^-, розчинних у пропанолі (розчиннику) – виникає зміна провідності розчину в порівнянні з розчинником.

• Речовину можна опромінити рентгенівським випромінюванням, в результаті чого виникає іонний струм, силу якого реєструють.

• Детектор електронного захоплення використовують для визначення галогеновмісних сполук (чутливість до 10^-13 г). Ним можна визначати також сполуки, що містять фосфор, плюмбум, силіцій, нітросполуки та деякі кетони і речовини зі спряженими зв’язками. Він нечутливий до вуглеводнів (крім ароматичних поліядерних), спиртів, амінів. В детекторі під дією радіоактивного випромінювання ізотопу (⁶³Ni) газ-носій іонізується – виникає іонний струм. Коли в камеру потрапляють молекули галогеновмісних сполук, то теплові електрони захоплюються атомами галогену, в результаті провідність суміші зменшується. При визначенні хлоровмісних пестицидів із збільшенням числа атомів хлору в молекулі підвищується чутливість і селективність. Детектор зручний при аналізі питних та підземних вод.

Під час вибору детектора необхідно врахувати природу визначуваних речовин, ГДК, склад матриці. Найчастіше використовують детектори електронного захоплення, полуменево-іонізаційний, за зміною теплопровідності, мас-спектрометричний. Найвища чутливість детектора електронного захоплення, а полуменево-іонізаційного та мас-спектрометричного на 2-3 порядки нижча. Проте газохроматографічне визначення з мас-спектрометричним детектором надзвичайно селективне. Детектор по теплопровідності не характеризується високою чутливістю, він зручний під час визначень мікрограмових кількостей органічних речовин.

Якісний аналіз проводять за параметрами утримування – величиною часу утримання, чи утримуваного об’єму. Використовують також порівняння хроматограм суміші з хроматограмами еталонних речовин або за табличними даними для речовин при точно відомих певних умовах хроматографування.

Кількісне визначення проводять за площею піків або за висотою симетричних піків окремих речовин на хроматограмі, порівнюючи ці величини з величинами на хроматограмі для окремо знятих стандартів. Визначення можна проводити методом нормування, при якому сума висот (площ) всіх піків хроматограми приймається за 100%, а окремого – за Х%. Кількість інгредієнта можна знайти і за параметром внутрішнього стандарту. За величинами параметрів піка речовини на хроматограмі стандартної суміші будують градуйований графік.

Визначення деяких речовин методами газової хроматографії

Хлороформ визначають, використовуючи полуменево-іонізаційний детектор. Визначенню не заважають метиленхлорид, карбон тетрахлорид та інші леткі хлорорганічні вуглеводні. Нижня межа виявлення становить 0,01 мкг, діапазон визначуваних концентрацій – 0,01-1,0 мг/л. Під час визначень слідових кількостей хлороформу необхідно використати детектор електронного захоплення, оскільки він значно чутливіший.

Тетрахлоретилен, 1,1,1-трихлоретан, 1,1,2,2-тетрахлоретан визначають з детектором електронного захоплення. Для тетрахлоретилену нижня межа визначення становить 510^-5 мкг, решти – 10 мкг; визначувані концентрації: тетрахлоретилену – 0,01-25 мг/м³, 1,1,1-трихлоретану – 0,02-25 мг/м³, 1,1,2,2-тетрахлоретану – 0,03-5,0 мг/м³.

Визначають велику кількість ароматичних вуглеводнів.

Визначення бензолу в ґрунті полягає у відборі проби за методом рівноважної пари та газохроматографічному аналізі парової фази з використанням полуменево-іонізаційного детектора. Нижня межа виявлення – 0,1 мкг. Визначувані вмісти – 0,01-1,0 мг/кг ґрунту. Визначенню не заважають ацетон, ізопропілбензол, стирол, толуол.

Толуол визначають з полуменево-іонізаційним детектором. Проби аналізують у день відбору, допустиме зберігання впродовж доби при 2-3°С. Нижня межа визначення – 0,0001 мкг. Діапазон визначуваних концентрацій складає 2-3 порядки.

Нафталін вилучають зі стічної води хлороформом. Визначення проводять з полуменево-іонізаційним детектором. Інші ароматичні сполуки не заважають визначенню. Нижня межа виявлення нафталіну – 0,001 мг/л. Визначувані концентрації – 0,01-0,1 мг/л.

Визначення летких фенолів. Промисловими токсикантами, що часто зустрічаються у стічних водах, є фенол, ксиленол, крезол, етилфенол, гваякол, тимол, вміст яких нормується ДЕСТ-ом. ГДК фенолу – 1 мкг/л, тому феноли необхідно концентрувати. Це відбувається при сорбції-десорбції у колонці.

Воду пропускають через колонку, заповнену полімерним сорбентом, модифікованим пентилацетатом, у якій поглинаються феноли, потім їх вимивають водним розчином NаOH i NaCl, одержуючи феноляти натрію. Розчин підкислюють HCl. При цьому одержані феноляти знову перетворюються у феноли. Феноли екстрагують етилацетатом, ще раз підвищуючи концентрацію, а загалом – у 100 разів.

Порцію одержаної рідини вводять у газорідинний хроматограф.

Визначення летких фенолів у копчених продуктах. При коптінні м’ясних продуктів дим містить консерванти: альдегіди, феноли (фенол, крезол, метилфенол, о-метоксифенол – гваякол), які вбивають мікрофлору та захищають поверхню виробу від окиснення білків і жирів. Однак феноли є токсичними.

Наважку копченого продукту розтирають з водою (1:3), переносять у колбу зі зворотним холодильником і в присутності H₂SO₄ відганяють 1 год леткі речовини. Дистилят підлужнюють до рН 8-8,5 і екстрагують органічні речовини етилацетатом. Органічний шар висушують дією Na₂SO₄, додають н-бутиловий спирт та вводять у концентратор. Пробу сконцентровують випарюванням до 0,1 мл.

Вводять у хроматограф по черзі по 1 мкл стандартних речовин і 1-10 мкл концентрату. Ідентифікують компоненти за часом утримання кожної сполуки, використовуючи полуменево-іонізаційний детектор.

Визначення ефірів у спиртах. При бродінні і тепловій обробці браги під час взаємодії спирту з карбоновими кислотами утворюються прості та складні ефіри. При ректифікації спирту їх вміст зростає. Ефіри шкідливі, а в медичному спирті недопустимі. Тому контролюють вміст ефірів у спирті.

Безпосередньо без підготовки вводять порцію (1 мкл) спирту в хроматограф. Визначення проводять методом газорідинної хроматографії з розділенням у поліетиленгліколі з використанням полуменево-іонізаційного детектора.

Визначення летких кислот. Леткі кислоти (ацетатна, пропіонова, масляна) з’являються у молочних продуктах при порушенні технологічного процесу і при зміні мікрофлори. Вони надають продукту кислого смаку і неприємного запаху, особливо масляна кислота.

Пробу продукту (20 мл) підкислюють дією HCl до рН 4,6, перемішують і відділяють осаджений казеїн центрифугуванням.

До центрифугату додають 1,5 мл HCOOH. Одержану пробу вводять у газорідинний хроматограф у потоці гелію або азоту і розділяють кислоти в поліетиленглікольадипінаті, використовуючи полуменево-іонізаційний детектор. Ідентифікують кислоти за часом утримування. Вміст кислот знаходять співставлянням площі піку речовини з площею піку внутрішнього стандарту.