Классификация хроматографических методов

Введение

Хроматография является одним из основных методов определения количественного и качественного состава веществ, при проведении экологического мониторинга, а также при выполнении исследований в различных областях науки и техники. Это определяет актуальность разработки аппаратных и программных средств автоматизации промышленной хроматографии.

Метод хроматографии впервые был использован русским учёным М.С. Цветом в 1903 г. для разделения компонентов, входящих в состав растительных пигментов. Однако как метод анализа хроматография стала известна только после 1950 г., когда было показано, что она является не только методом разделения, но и позволяет проводить качественный и количественный анализ разделяемых веществ на основе их различного поведения в хроматографической колонке – трубке с определённым сорбентом. Процесс разделения основан на различии в равновесном распределении определяемого вещества (веществ) между двумя несмешивающимися фазами, одна из которых неподвижна, а другая подвижна. Неподвижная, ли стационарная фаза представляет собой высокодисперсное твердое вещество с большой поверхностью или жидкость, нанесенную на твердый носитель.

Рассмотрим общий принцип хроматографического разделения на примере колоночной хроматографии. Хроматографическое разделение основано на том, что отдельные компоненты образца перемещаются по колонке со стационарной фазой с разной скоростью, а следовательно за одинаковое время проходят разные отрезки пути. Если подвижная фаза представляет собой жидкость, то она называется элюентом, а процесс перемещения вещества вместе с элюентом – элюированием. Элюирование производят до тех пор, пока компоненты образца не выйдут один за другим из колонки. На выходе из колонки устанавливают детектор, который фиксирует последовательно выходящие вещества. При этом на регистрирующем устройстве получают кривую, называемую хроматограммой. Каждый пик соответствует определенному веществу. Высота пика соответствует максимальной скорости выхода вещества из колонки. Площадь пика характеризует относительное содержание компонента.

Рис.1. Хроматограмма четырехкомпонентной смеси.

Основы хроматографического анализа

Принципиальным отличием хроматографических методов от других физико-химических методов анализа является возможность разделения близких по свойствам веществ. После разделения компоненты анализируемой смеси можно идентифицировать (установить природу) и количественно определять (массу, концентрацию) любыми химическими, физическими и физико-химическими методами.

Основные достоинства хроматографического анализа:

· экспрессность; высокая эффективность; возможность автоматизации и получение объективной информации;

· сочетание с другими физико-химическими методами;

· широкий интервал концентраций соединений;

· возможность изучения физико-химических свойств соединений;

· осуществление проведения качественного и количественного анализа;

· применение для контроля и автоматического регулирования технологических процессов.

Газовая хроматография

Колоночная газовая хроматография является методом разделения летучих веществ: газов (при нормальной температуре) или паров (при повышенной температуре). В качестве неподвижной фазы в газовой хроматографии используются твердые материалы (насадочные или набивные ко­лонки), твердые материалы, покрытые слоем жидкости, или же капил­ляры с нанесенным на внутреннюю поверхность слоем жидкости (ка­пиллярные колонки). В качестве подвижной фазы используют газ-носитель, перено­сящий разделяемые вещества через колонку. Разделение анализируе­мой смеси осуществляется за счет различного времени удерживания компонентов пробы в неподвижной фазе.

Основные группы органических веществ, которые могут быть оп­ределены методом газовой хроматографии, включают газы, летучие жидкие соединения, твердые частицы, жидкие аэрозоли и главным требованием для ве­ществ, разделяемых газовой хроматографией, является их достаточная устойчивость при температурах, которые необходимы для поддержания биопробы в газо­образном состоянии.

Между жидкостной и газовой хроматографией не существует принципиальной разницы. Газовая хроматография отличается лишь свойствами подвиж­ной фазы: высокой скоростью диффузии газа-носителя и его способно­стью сжиматься. Достоинствами газовой хроматографии являются:

· возможность идентификации и количественного определения индивидуальных компонентов сложных смесей;

· возможность анализа широкого круга объектов — от легких га­зов до органических соединений и некоторых металлов;

· высокая четкость разделения и быстрота процесса, обусловлен­ная низкой вязкостью подвижной фазы;

· возможность исследования микропроб и автоматизация записи
получаемых результатов, обусловленная наличием чувствительных и
малоинерционных детекторов;

· возможность выделения чистых веществ в промышленных мас­штабах;

· пригодность для исследования малых объемов жидких биопроб (0,01...50 мкл).

Максимальная разделяющая способность колонки в ГХ зависит от:

· количества НФ, качества упаковки, толщины слоя;

· размера (диапазона размеров) частиц материала-носителя;

· размеров колонки;

· вязкости газа-носителя (следовательно, и температуры в ко­лонке).

В газоад­сорбционной в качестве неподвижной фазы используется ад­сорбент, а в основе разделения лежит механизм адсорбции; в газожидкостной неподвижной фазой является жидкость, нанесенная на инертный мате­риал-носитель, а в основе разделения лежит распределительный меха­низм. Растворимость анализируемых веществ в неподвижной фазе определяется зави­симостью давления паров растворенного вещества от его концентра­ции в жидкой фазе.

Вид хроматограммы, полученной в изотермических условиях, представлен на рис.7. Время удерживания конкретного компонента в колонке зависит от вероятности попадания молекул вещества в подвижной фазе. При этом компоненты с высоким давлением паров и соответственно низкой растворимостью в неподвижной фазе удерживаются слабее и, наоборот, веще­ства с низким давлением пара и высокой растворимостью элюируются позже.

Рис.7. Хроматограмма, полученная в изотермических условиях.

В газовом хроматографе (рис. 8) газ-носитель из баллона 1 через регуляторы расхода и давления непрерывно с постоянной или переменной скоростью подается в хроматографическую трубку-колонку 3, заполненную сорбентом и помещённую в термостат 4, позволяющий поддерживать заданную температуру [1]. Ввод газообразной или жидкой пробы осуществляется дозаторами 2, регулирующими объём пробы с помощью электромагнитных клапанов (ЭМК).

Рис. 8. Структурная схема газового хроматографа

1 – баллон с газом-носителем; 2 – дозатор пробы; 3 – хроматографическая трубка-колонка; 4 – термостат; 5 – детектор; 6 – электрический сигнал; 7 – хроматограмма

В газовой хроматографии применяют три типа колонок:

Рис.9. Типы колонок для газовой хроматографии: а – насадочная колонка; б – тонкослойная капиллярная колонка (SCOT - колонка); в – классическая капиллярная колонка.

1. Насадочные колонки. Такие колонки изготовливаются из стек­лянных или металлических трубок (нержавеющая сталь) U-образной или спиралевидной формы. Они характеризуются большой поверхно­стью и высокой разделяющей способностью, однако обладают боль­шим сопротивлением, что ведет к неравномерности потока газа-носителя. Хотя теоретически разделяющая способность растет с увеличе­нием длины колонки, на практике преимущество длинных колонок сводится на нет из-за увеличения сопротивления. Оптимальной дли­ной насадочной колонки является 0,5...10 м при внутреннем диаметре 1...5 мм.

2. Тонкослойные капиллярные колонки. Этот тип колонок занимает промежуточное место между насадочными и классическими ка­пиллярными колонками. Их внутренняя поверхность покрыта тонким слоем мелкодисперсного сорбента, пропитанного жидкой фазой. По разделяющей способности они превосходят насадочные, так как обла­дают меньшим сопротивлением.

3. Капиллярные колонки из стекла или нержавеющей стали.При равной длине с насадочными колонками такие колонки обладают существенно меньшим сопротивлением, имеют длину до 200 м при внутреннем диаметре 0,3...0,5 мм. Эффективность капиллярных коло­нок в 100 раз выше, чем насадочных. Преимуществом их является возможность изготовления из кварцевого стекла, что придает им свойство гибкости — их можно даже завязывать в узел или придавать любую форму. Однако такие колонки предъявляют жесткие требования к уст­ройствам ввода пробы и к выбору детектора.

Основные характеристики колонок для газовой хроматографии представлены в табл.2.

Таблица 2. Характеристики колонок для газовой хроматографии.

Параметр	Тип колонки
насадочные	Капиллярные
Длина, м	1...6	10... 100
Внутренний диаметр, мм	2...4	0,25...0,3555
Емкость	10мкг/пик	50 нг/пик
Толщина пленки НФ, мкл	1...10	0,05...0,5
Скорость газа-носителя, мл/мин	10...60	0,5…10
Перепад давления по колонке, атм	0,6...2,4	0,18...2,4

Устройства ввода пробы. Способ ввода биопробы зависит от ее вида (жидкая или газообразная) и типа колонки. При разделении жидкостей в насадочных колонках биопробу вводят шприцем, прока­лывая иглой мембрану (пробку из силиконовой резины), при этом биопроба потоком газа-носителя уносится в колонку. При введении газовых и невязких жидких биопроб область ввода иглы нагревают, чтобы она сразу испарилась. Твердую биопробу предварительно пе­реводят в раствор.

При работе на капиллярных колонках биопробу вводят при помо­щи делителя потока, в котором она попадает сначала в канал испаре­ния, после чего разбавляется газом-носителем. Большая часть газовой смеси уходит на сброс, меньшая - в колонку. При автоматизирован­ном анализе газовых смесей биопробу вводят при помощи дозирую­щей петли.

Материалы-носители. Газоадсорбционную хроматографию применяют с целью разделения га­зов или низкокипящих веществ и обнаружения газообразных примесей в воздухе. В качестве адсорбентов применяют:

· активированные угли или графитированные сажи;

· пористые синтетические полимеры;

· пористые неорганические материалы (молекулярные сита).

Нанесенная жидкая фаза в колонках для газоадсорбционной хроматографии не применяется.

В газожидкостной хроматографии сорбенты выполняют функцию носителей жидкой неподвижной фазы и не оказывают влияния на процесс разделения.

Технологическая процедура подготовки пробы может осуществ­ляться различными способами. Для анализа паров над жидкой или твердой фазой (например, при определении спирта в пробе крови) разработана специальная методика Неаd-Sрасе-Аnаlуsе (из объема над жидкостью). Необходимое количе­ство пробы газа отбирают с помощью пробоотборника непосредствен­но из емкости для хранения. По другой методике биопробу потоком воздуха направляют в охлаждаемую ловушку и замораживают. Третий вариант заключается в том, что газ при пониженной температуре ад­сорбируют на короткой колонке, затем при повышении температуры десорбируют и направляют в рабочую колонку. При анализе влажных биопроб не допускается конденсация воды в колонке, для этого биопробу осушают. Твердые частицы в аэрозолях отделяют с помощью бумажных салфеток или фильтрующих патронов. При анализе жидких биопроб, содержащих компоненты с различной температурой кипения, исключают возможность конденсации компо­нентов в дозирующем шприце, для этого шприц нагревают, не допус­кая разложения биопробы.

Основные стадии технологической процедуры анализав газовой хроматографии несколько отличаются от рассмотренных ранее.

1. Подготовка колонки. Колонку промывают специальным рас­твором, а затем высушивают в потоке воздуха, очищенного от пыли и капель масла.

Разделение пробы.

Оценка результатов анализа.

Областями применения газовой хроматографии являются:

· анализ всех классов веществ, термически стабильных и способ­ных испаряться, не разлагаясь (в большинстве случаев нелетучие вещества могут быть получены в виде летучих производных);

· разделение и идентификация неорганических и органических веществ;

· исследование продуктов пиролиза высокомолекулярных веществ.

Ионообменная хроматография.

В отличие от адсорбционной, в основе ионообменной хроматогра­фии лежат электростатические взаимодействия. Она осно­вана на различной способности разделяемых ионов к ионному обмену с ионитом — специальным веществом, которое вводится в неподвижной фазе, пре­вращая ее тем самым в ионообменник.

Ионит представляет собой нерастворимую полимерную основу (матрицу), несущую химически связанные ионогенные группы (группы ионов, способных взаимодействовать за счет электростатических сил с ионами противоположного знака). Противоположно заряженные ионы удерживаются на матрице за счет сил электростатического взаимодей­ствия и могут обмениваться на другие ионы (компоненты пробы), при­сутствующие в подвижной фазе.

Многие вещества биологического происхождения содержат так на­зываемые ионогенные группы, которые являются остатками сильных или слабых кислот и оснований. Вещества, участвующие в ионообменной хроматогра­фии, всегда являются либо цвиттер-ионами (в целом нейтральные молеку­лы, несущие равное число положительных и отрицательных зарядов), либо амфолитами (крупные молекулы, на поверхности которых распо­лагается несколько ионогенных групп, способных заряжаться). Амино­кислоты, пептиды и белки — типичные амфолиты, при этом в зависи­мости от рН среды и ее химического состава они могут быть либо за­ряжены, либо быть нейтральными.

Таким образом, в ионообменной хроматогра­фии для разделения веществ используются различия в их электрических свойствах. В качестве примера ионооб­менного процесса можно привести операцию смягчения воды, при ко­торой ионы кальция и магния обмениваются на ионы натрия. Помимо обычного обмена ионов на ионитах можно проводить разделение заря­женных частиц, прежде всего биополимеров (белки, нуклеиновые ки­слоты), некоторые из которых обладают амфотерными свойствами.

В качестве подвижной фазы для ионообменной хроматогра­фии выступает вода, а в качестве сорбентов используются твердые или гелевые матрицы, к которым ковалентно пришиты ионогенные группы. Сорбент в целом электронейтрален, од­нако в водной среде часть ионов диссоциирует, и в любой момент ка­кое-то количество фиксированных зарядов оказывается свободным. Если в подвижной фазе имеются вещества в ионизированной форме и их заряд противоположен, то они за счет электростатических взаимодействий удерживаются на свободных фиксированных зарядах ионообменника, и в результате при движении элюента по колонке происходит разделе­ние компонентов биопробы за счет ионного обмена.

По своему химическому строению матрицы ионообменника под­разделяются на несколько групп:

· синтетические смолы на основе полистирола или полиакриламида;

· сефадексы на основе сшитого декстрана;

· сефарозы (на основе агарозы);

· целлюлозные ионообменники на основе микрокристаллической или сшитой микросферической целлюлозы;

· неорганические иониты на основе поверхностно-модифицированных силикагелей.

В отличие от других видов хроматографии, при ионообменной хроматогра­фии всегда ис­пользуют элюент переменного состава. При этом ионную силу раство­ра изменяют при помощи градиентного смесителя следующим обра­зом. В начале процесса на колонку из смесителя подают элюент с низ­кой ионной силой. По мере изменения объема раствора в смеситель из отдельного резервуара начинает поступать буфер с высокой ионной силой, при этом содержимое смесителя непрерывно перемешивается при помощи магнитной мешалки. В результате ионная сила элюента, подаваемого на колонку, постепенно возрастает, и формируется линей­ный градиент концентрации буферного раствора. Процесс разделения завершается при концентрации буфера, находящегося в резервуаре.

Рассмотрим основные стадии технологической процедуры анализа при проведении ионообменной хроматогра­фии.

1. Подготовка биопробы. Содержание солей в биопробе должно быть минимальным, поэтому при необходимости проводится ее обессоливание с помощью гель-хроматографии или диализа, либо ее раз­бавление.

2. Подготовка ионита. Необходимое количество ионита рассчитывают по его емкости, но не более 10 % объема сорбента, так как в ос­тальном объеме осуществляется собственно процесс разделения. Перед каждым циклом разделения ионит обязательно подвергается полной регенерации (переводится в активную форму).

3. Заполнение колонки производится так же, как в адсорбционной хроматографии.

4. Внесение биопробы. Небольшие объемы вносят при помощи шприца. Если объем биопробы составляет несколько литров, то рас­твор подается на колонку с помощью насоса.

5. Разделение. Проводят градиентное элюирование, причем формируют подвижную фазу с градиентом ионной силы (с помощью градиентного сме­сителя). При этом суммарный объем элюента должен быть равен при­ мерно пяти объемам колонки.

Известно несколько областей применения ионообменной хроматогра­фии в зависимости от вида ионитов.

1. При помощи синтетических ионитов решаются следующие пре­паративные задачи:

· деионизация воды (деминерализованную воду часто ошибочно называют дистиллированной);

· удаление ионогенных примесей, присутствующих в органиче­ских растворителях;

· очистка биополимеров, например, отделение детергентов и амфолитов, присутствующих в растворах белковых препаратов;

· получение препаратов радиоактивных изотопов;

· ускорение процессов за счет использования в качестве катализаторов многих технологических процессов — омыления, дегидратации, гидратации, полимеризации, перегруппировки, образования ацетатов, нитрования, эпоксидирования и др.

Возможно решение ряда важных аналитических задач, таких как:

· определение общего содержания солей в растворе (путем ионообмена и последующего определения концентрации ионов водорода);

· удаление посторонних ионов при неорганическом анализе (на­пример, железа, алюминия, никеля, фтора и др.);

· анализ гидролизатов белков, олигонуклеотидов, полисахаридов;

· определение уровня загрязнения окружающей среды;

2. При помощи ионитов на основе сефадекса и целлюлозы решают­ся следующие задачи:

· препаративное выделение белков, пептидов, олигонуклеотидов;

· выделение полисахаридов и липидов, несущих заряженные группы;

· иммобилизации ферментов.

3. Иониты на основе агарозы применяются в тех же целях, что и сефадексы; кроме того, на них можно фракционировать вещества с молекулярной массой до 10^-6 г/моль.

4. Модифицированные силикагели используются в режиме высокого давления для разделения всех классов заряженных веществ в аналити­ческом и препаративном масштабе.

Гель-хроматография.

Гель-хроматография (молекулярно-ситовая хроматография) — метод, основанный на различной способности молекул раз­ного размера проникать в поры нейтрального геля, который служит неподвижной фазой.

Схематично принцип работы молекулярных сит представлен на рис.3, где последовательно показаны стадии прохождения молекул разного размера через колонку. В качестве неподвижной фазы используется гель, имеющий поры определенного диаметра, поэтому более крупные мо­лекулы не диффундируют в поры гранул и элюируются (вымываются) быстрее, в то время как молекулы небольшого размера удерживаются в порах и элюируются позже.

Хроматографические свойства геля определяются природой матри­цы и, прежде всего, пористостью ее структуры. В зависимости от спо­собности набухать в воде или в органических растворителях материа­лы для гель-хроматографии подразделяются на гидрофильные и органофильные (гидрофобные). К ним предъявляются определенные требования: они должны быть пористыми со средними размерами пор, не должны обладать сорбционной способностью и иметь высокую механическую прочность.

Рис.3. Принцип работы молекулярных сит

Самыми распространенными носителями являются сефадексы с различными размерами пор, а также полиакриламида, агарозные гели, сефакрил, гидрогель и некоторые другие. Для гель-хроматографии при высоком давлении применяют носители на основе пористого силикагеля и по­ристого стекла. Эффективность разделения слабо зависит от типа элюента.

Отметим основные стадии технологической процедуры анализа при гель-хроматографии.

1.Заполнение колонок.

2.Нанесение биопробы при помощи шприца.

3.Элюирование. Скорость подачи элюэнта регулируют посредст­
вом изменения перепада гидростатического давления или задают при
помощи насоса.

Область применения гель-хроматографии достаточно широка и включает:

· фракционирование и выделение в водной среде и органических растворителях белков, липидов, стероидов, нуклеиновых кислот и по­лимеров;

· разделение различных веществ в препаративном масштабе (на­пример, биотехнологическое производство);

· определение мольных масс биополимеров, в том числе в соста­ве сложных смесей;

· определение степени полимеризации синтетических полимеров;

· фракционирование субклеточных частиц, вирусов;

· отделение радиоактивных низкомолекулярных веществ при вве­дении изотопной метки в биополимеры.

Тонкослойная хроматография.

В зависимости от аппаратурного оформления процесса разделения различают хроматографию в колонках различных типов и в тонком слое сорбента (тонкослойная хроматография). Данный вариант приобрел большое распространение в медико-биологических лаборато­риях благодаря ряду преимуществ. В частности, это объясняется тем, что хроматографию на пластинках проводят в очень мягких условиях, что позволяет анализировать нестойкие вещества, которые не могут переносить продолжительные по времени операции преобразований.

Тонкослойная хроматография основана на различии скоростей перемещения компонентов анализируемой пробы в плоском тонком слое сорбента при движении по нему растворителя (элюента) под действием капиллярных или гра­витационных сил. Разделение в этом методе осуществляется посредст­вом многократного пересечения молекулами вещества границы фаз, т. е. вследствие многократного повторения акта распределения вещест­ва между подвижной и неподвижной фазами. Неподвижной фазой служит либо сухой сорбент (адсорбционная хроматография), либо сорбент, покрытый жидкой фа­зой, например, слоем воды (распределительная хроматография). Рас­творители подбирают в соответствии со свойствами разделяемых ве­ществ.

Можно выделить несколько вариантов тонкослойная хроматография в зависимости от принципа движения элюента:

1.движение элюента под действием капиллярных сил (бумажная,
тонкослойная и высокоэффективная тонкослойная хроматография);

2.движение элюента под действием внешних сил:

· давления;

· центробежной силы (ротационная хроматография);

· высокого давления (круговая тонкослойная хроматография под высоким давлением).

Принцип проведения тонкослойная хроматография показан на рис.4. Исследуемая биопроба вносится на стартовую линию «а-а». По мере продвижения вдоль слоя сорбента проба разделяется на компоненты, образующие на его поверхности характерные пятна (зоны). В различных системах рас­творители (подвижной фазы) обладают разной подвижностью. Количественно подвижность выражается величиной фактора удерживания R_f , определяе­мого выражением R_f = -X_i / X_эл ,где X_i — расстояния от стартовой линии до середины соответствующе­го пятна i-го компонента после окончания разделения; Х_эя - длина пути элюента — расстояние от стартовой линии до итоговой линии фронта растворителя («в-в»).

Рис.4. Схема проведения тонкослойной хроматографии.

Тонкослойная хроматография используют как препаративный и аналитический методы, которые обеспечивают разделение и исследование биопроб с массой в пределах 10^-3...10^-12. Количественная тонкослойная хроматография включает в себя два оди­наково важных этапа: разделение смеси веществ и их качественное или количественное определение, которые удачным образом совмеща­ются в едином процессе. Препаративная тонкослойная хроматография используется для выде­ления всех классов веществ (от 1 мг до 10 г) из сложных смесей. Раз­деленные компоненты в виде пятен на пластинке можно затем иденти­фицировать другими аналитическими методами: спектрофотометрией в УФ, видимой и ИК-областях спектра, ЯМР-спектроскопией, масс-спектрометрией и др.

Преимущества тонкослойная хроматография перед колоночной хроматографией заключаются в следующем:

· простота и легкость исследования;

· исключение предварительной подготовки биопробы, поэтому анализу могут подвергаться смеси природных или синтетических ее единений;

· дешевый универсальный сорбент — силикагель и пластинки од­норазового использования;

· возможность нанесения одновременно нескольких биопроб;

· быстрота анализа;

· возможность непосредственного наблюдения за процессом элюирования и простота интерпретации результатов;

· возможность создания отчетных документов, например, путем фотографирования пластинок;

· низкая стоимость оборудования.

Можно выделить следующие стадии технологи­ческой процедуры исследования для тонкослойной хроматографии:

Подготовка биопробы в соответствии с методикой анализа.

2. Подготовка пластинки. В зависимости от назначения тонкослойной хроматографии (анализ или препаративное разделение) применяют пластинки со слоя­ ми сорбента различной толщины: пленки для количественного определения обычно имеют слой толщиной 0,1 или 1,3 мм, для препаративных целей — 0,5 и 2 мм. При необходимости сорбенты закрепляют на пластинках при помощи органических связующих материалов.

3. Подготовка хроматографической камеры. Обычно разделение проводят в среде, насыщенной парами элюента, поэтому в камеру, выложенную по стенкам фильтровальной бумагой, помещают элюент (высота слоя 1 см) и, покачивая камеру, смачивают листы бумаги.

4. Нанесение биопробы. Для отбора необходимого объема (1...5 мкл) капилляр погружают в раствор биопробы, избыток раствора уда­ляют с помощью фильтровальной бумаги. Затем капилляром осторож­но касаются слоя сорбента на стартовой линии, при контакте образуется круглое пятно (диаметр пятна не должен превышать 2 мм, так как при проявлении пластинки пятна размываются вследствие броуновско­го движения молекул вещества). Для отбора проб используют тонкие капилляры (с внутренним диаметром 0,5 мм), микрошприцы объемом 5...10 мкл, дозирующие шприцы с фиксированным объемом или специальные аппликаторы.

5. Проявление хроматограммы.В камеру помещают пластинку, причем стартовая линия не должна быть погружена в растворитель. По достижении фронтом растворителя высоты 10—15 см пластинку извлекают и отмечают положение фронта.

Детекторы.

Хроматографические детекторы обеспечивают:

· фиксацию разделённых на хроматографической колонке веществ

· количественную оценку в целях расчёта состава разделяемой смеси

· возможность идентификации компонентов по показаниям детектора

Для газовой хроматографии предложено большое число детекторов— около 50. Однако широкое распространение получили только некоторые из них. Полный комплект современного универсального хроматографа включает не более 4—6 детекторов. Наибольшее распространение в силу своей универсальности, превосходных характеристик и высоких эксплуатационных качеств получили ионизационно-пламенный детектор и катарометр, входящие в состав почти всех хроматографов. Кроме того, в последнее время всё больше проявляется тенденция использования высокоселективных детекторов, позволяющих определять в сложных смесях только интересующие соединения. К ним в первую очередь относятся детекторы электронного захвата, термоионный и пламенно-фотометрический, использование которых упрощает отделение интересующих веществ от сопутствующих, повышает чувствительность, значительно сокращает время анализа и объем пробы исследуемой смеси. Такие достоинства селективных детекторов являются основной причиной их широкого применения при анализе сложных смесей биологического или природного происхождения и загрязнения окружающей среды.

Хроматографический детектор представляет собой устройство, предназначенное для обнаружения и количественного определения выходящих из колонки в потоке газа-носителя компонентов анализируемой смеси. Регистрация вещества осуществляется за счет преобразования в электрический сигнал изменений химических, физических или физико-химических свойств газового потока, выходящего из хроматографической колонки. Детекторы подразделяются на интегральные и дифференциальные.

Интегральный детектор.

Регистрирует изменение во времени суммарного количества выходящих из колонки компонентов, например их общий объем или количество титрующего раствора, израсходованного на нейтрализацию анализируемых веществ. Хроматограмма (рис. 10, а) представляет собой ряд ступеней, высота h каждой из которых пропорциональна количеству данного компонента разделенной смеси, прошедшего через детектор за время (t₂ — t₁). Из-за низкой чувствительности, большой инерционности и недостаточной универсальности эти детекторы имеют весьма ограниченное применение и в дальнейшем не рассматриваются.

Рис.10. Интегральная (а) и дифференциальная (б) хроматограммы: h – высота ступени и S – площадь пика, пропорциональные количеству компонента элюированного из колонки за интервал времени (t₂ — t₁).

Катарометр.

Наиболее часто в промышленной газовой хроматографии используются термокондуктометрические детекторы (детекторы по теплопроводности – катарометры). В мостовую цепь катарометра включены две ячейки для измерения теплопроводности; через них протекают потоки чистого газа-носителя и бинарная смесь. Теплопроводность последней отличается от теплопроводности чистого газа-носителя; поэтому при прохождении бинарной смеси через чувствительный элемент детектора – нагретую спираль с сопротивлением 10…80 Ом – меняются температура и сопротивление спирали в зависимости от концентрации компонента.

Катарометры просты в обращении, имеют стабильные характеристики, обладают удовлетворительной чувствительностью, относительно безопасны и реагируют практически на все химические соединения. Хроматографы с четырёхплечевыми детекторами по теплопроводности можно использовать для определения концентрации до 2,5^.10^-2% сжиженного нефтяного газа. Критическим параметром измерений зачастую является не величина концентрации вещества, а скорость потока углеводорода в детекторе.

Рис. 12. Параметры выходного сигнала детектора-катарометра.

Отклонение сигнала детектора от нулевой линии может быть вызвано смещением, дрейфом, флуктуацией или шумами (рис. 13). Минимальная детектируемая высота пика должна по меньшей мере вдвое превышать шум, таким образом, шум должен быть не более 0,1 % диапазона измерения. Начальный нулевой уровень сигнала устанавливается вручную, но в процессе работы должен поддерживаться автоматически. Важнейшие моменты процесса анализа, требующие установки нуля, следующие:

· после взятия пробы;

· после переключения колонок;

· перед появлением важного пика в процессе длительного анализа.

Рис.13. Искажения нулевой линии

Нулевой уровень может устанавливаться только в те моменты времени, о которых заведомо известно, что через детектор не проходят компоненты анализируемой смеси. Желательно предусмотреть сигнализацию неполадок в системе ввода пробы и в системе газа-носителя для обеспечения безотказной и корректной работы детектора.

Примеры хроматографов.

13.1. ХРОМАТОГРАФ "ГАЗОХРОМ-2000-01"

Прибор предназначен для получения и обработки информации о концентрации неорганических газов, газообразных углеводородов в научных исследованиях и для технологического контроля в теплоэнергетике и машиностроении. Измеряемая среда – водород, метан, кислород, азот, окись углерода, двуокись углерода.

Хроматографы «Газохром-2000» снабжены детектором по теплопроводности (ДТП) и термохимическим детектором (ДТХ). Благодаря современной технологии изготовления чувствительных элементов ДТХ обладает повышенной чувствительностью. Предел детектирования ДТХ по метану на уровне 2·10^-4 %об. и по водороду на уровне 5.6·10^-5 %.об. Прибор снабжен двумя последовательно соединенными колонками и двумя кранами-дозаторами, которые позволяют в зависимости от заданной потребителем процедуры анализа подавать анализируемую пробу в первую или вторую колонку. Хроматограф «Газохром-2000» может быть подключен через стандартный интерфейс RS – 232C к персональному компьютеру. Поставляемое программное обеспечение позволяет автоматизировать сбор данных и их последующую обработку в режиме анализа. К одному компьютеру одновременно могут быть подключены до 8 ми хроматографов “Газохром-2000”, причем возможно одновременное подключение хроматографов других типов.
Кроме того, каждый из детекторов имеет автономный аналоговый выход на автоматический потенциометр, например ПС-1. Достоинства:

• портативность и мобильность
• точность и стабильность результатов анализов
• высокая надежность, достигнутая применением современной импортной электронной комплектации
• обработка хроматографической информации с помощью ПЭВМ

13.2.ПРОМЫШЛЕННЫЙ ХРОМАТОГРАФ ИНТЕРХРОМ-2003.

Хроматографы промышленные "ИНТЕРХРОМ-2003" предназначены для количественного и качественного определения состава смесей органических и неорганических веществ, находящихся в газовой или жидкой фазах, в технологических потоках. Хроматограф модели "ИНТЕРХРОМ-2003-3" предназначен для анализа содержания воды и метанола в природном газе. В хроматографе "ИНТЕРХРОМ-2003" функционально можно выделить две структурные части: управляющую информационно-вычислительную и хроматографическую.

Управляющая информационно-вычислительная часть объединяет блок управления промышленным хроматографом (БУПХ) "Z-Prom" и рабочую станцию (ПК), с установленным на нее ПО "Z-Prom" и обеспечивает подачу электропитания, автоматическое управление ходом хроматографического анализа, измерение, обработку и хранение аналитической информации, диагностику неисправностей, отображение и запись результатов анализа на мониторе ПК или принтере, а также передачу информации по интерфейсам RS 432 или RS 485 на компьютер высшего уровня.

Хрома