Разделение в хроматографии основано на различной сорбируемости анализируемых соединений при движении их по слою сорбента в колонке. Если соединение не сорбируется, то оно не удерживается сорбентом в колонке и будет выходить из колонки со скоростью потока газа-носителя. Если же вещества сорбируются, то они удержатся в колонке, это будет определяться их сорбционной способностью: чем сильнее сорбция соединения, тем дольше оно будет удерживаться в колонке.

Параметры удерживания, по существу, характеризуют сорбционную способность анализируемых соединений. Различие в сорбируемости в конечном итоге определяется различием межмолекулярных взаимодействий вещество – сорбент.

Удерживаемый объем — это объем газа-носителя, который необходимо пропустить через хроматографическую колонку, чтобы элюировать данное анализируемое соединение.

Приведенный удерживаемый объем соответственно равен:

где V_d — объем пустот в колонке (мертвый объем).

В хроматографе V_d реально складывается из объемов всех пустот в газовом тракте (дозатора, переходных соединений, колонок, детектора).

где p₁ — входное давление, p₀ — давление на выходе колонки.

Приведенный удерживаемый объем с поправкой на среднее давление называется чистым удерживаемым объемом:

Чистый удерживаемый объем можно считать физико-химической константой, так как он не зависит от скорости газа-носителя при постоянной температуре и доли пустот в колонке.

Чистый удерживаемый объем зависит от количества сорбента в колонке, поэтому для точных физико-химических измерений используют понятие удельного удерживаемого объема . Величина — это чистый удерживаемый объем, отнесенный к массе сорбента g в колонке или к площади поверхности адсорбента S_К при усредненном давлении в хроматографической колонке и температуре T колонки:

Для особо точных физико-химических измерений вводят поправку на давление пара воды вследствие того, что измерения обычно проводят мыльно-пенным измерителем, а также на разность температур на выходе из колонки и в колонке.

Все рассматриваемые выше параметры удерживания зависят от случайных небольших колебаний параметров опыта, в частности расхода газа-носителя и температуры термостата колонки.

Для исключения этих влияний используют относительные параметры удерживания.

В качестве стандартных соединений используют н-алканы, с параметрами удерживания, близкими к параметрам удерживания исследуемого вещества. В этом случае при случайных колебаниях расхода или температуры абсолютные параметры удерживания будут изменяться, а их отношения — практически нет.

В качестве относительного параметра широко используют индекс Ковача:

,

где t_n, t_n+1 — приведенные времена удерживания н-алканов, с числом атомов углерода в молекуле n и n+1, — приведенное время удерживания исследуемого соединения.

Индекс Ковача — безразмерная величина и может быть подсчитана с большой точностью, например в капиллярных колонках — до сотых долей процента. Индексы Ковача в первую очередь применяют для идентификации неизвестных веществ (проведение качественного анализа).

Изменения индексов Ковача для соединений, отличающихся природой функциональной группы, используют для оценки межмолекулярных взаимодействий. Индексами удерживания определенного набора стандартных веществ характеризуют полярность неподвижных жидких фаз и адсорбентов (см. Приложение).

Выходной сигнал анализируемого соединения имеет форму треугольника или пика, обычно это участок нулевой линии, на котором возникает сигнал при выходе анализируемого соединения из хроматографической колонки. Нулевая или базовая линия соответствует участку нулевой концентрации анализируемого соединения. Запись пика исследуемого соединения вместе с участками нулевой линии до и после пика называется хроматограммой. Высота пика — это расстояние от максимума пика до его основания, измеренное параллельно оси отклика детектора. Ширина пика у основания — отрезок основания пика, отсекаемый двумя касательными, проведенными в точках перегибов восходящей и нисходящей ветвей хроматографического пика. Ширина пика на полувысоте — отсекаемый пиком отрезок линии, проведенной параллельно основанию пика на середине его высоты. Площадь пика — это площадь части хроматограммы, заключенной между пиком и его основанием.

Важным параметром пика является коэффициент асимметрии, который применяется для сравнения различных твердых носителей, адсорбентов и всей газовой системы хроматографа в целом. В идеальных условиях пик по форме близок к кривой Гаусса, то есть симметричен. На практике пики по разным причинам в основном несимметричны.

Асимметрия пиков ухудшает разделение и затрудняет количественную обработку.

Обычно выделяют три вида размывания полос [1–3].

• Размывание, связанное с различной скоростью движения по слою сорбента зон с разной концентрацией (зависит от формы изотермы сорбции).

• Диффузионные размывания (молекулярная диффузия, вихревая диффузия, динамическое размывание, стеночный эффект).

• Кинетическое размывание, связанное со скоростью внешнего и внутреннего массообмена.

Первый вид размывания наблюдается в том случае, когда концентрация вещества соответствует нелинейному участку изотермы сорбции. На рис. 4.1.3 показано размывание полос для различных типов изотерм.

В случае нелинейности изотермы сорбции линейная скорость перемещения зоны вещества по слою сорбента (U_с) равна:

,

где U — линейная скорость газа-носителя.

При линейной изотерме сорбции (изотерма Генри) отношение а/с постоянно во всем диапазоне концентраций, поэтому искажение формы зон не происходит, следовательно, зарегистрированный пик будет симметричным.

В случае нелинейной изотермы сорбции отношение а к с изменяется с концентрацией. Для выпуклой изотермы (изотермы Лэнгмюра) с повышением концентрации величина а/с уменьшается, а скорость продвижения участков зон с большими концентрациями возрастает. В случае вогнутой изотермы (рис. 4.1.3в), наоборот, скорость продвижения участков зон с меньшими концентрациями будет больше. Это единственный вид размывания, который можно полностью исключить. Для этого нужно выбрать адсорбент с однородной поверхностью с линейной изотермой для анализируемых концентраций.

Молекулярная диффузия. В хроматографических колонках это размывание рассматривают вдоль колонки, размывание в других направлениях ограничено стенками колонки, поэтому в этом случае часто используют термин «продольная диффузия». Ширина полосы на слое W_C связана с коэффициентом молекулярной диффузии D уравнением:

,

где K — коэффициент распределения; S_к — сечение колонки; Х — доля свободного сечения; L — длина колонки.

Вихревая диффузия имеет место только в насадочных колонках и определяется неоднородностью набивки, разным сопротивлением потоку в разных частях сечения колонки. Общий поток газа-носителя при попадании в колонку распадается на отдельные микропотоки между зернами. Если сопротивление по сечению неоднородно, то там, где сопротивление меньше, микропоток будет продвигаться быстрее; наоборот, там, где сопротивление больше, микропоток будет двигаться медленнее. Это приведет к дополнительному размыванию. Уравнение для вихревой диффузии (D_вихр) имеет следующий вид:

Чтобы уменьшить вклад вихревой диффузии, нужно уменьшать размер зерен, использовать более узкий фракционный состав зерен, исключать пыль и заполнять колонку с максимальной плотностью.

Динамическое размывание наблюдается в пустых незаполненных (т.е. капиллярных) колонках, оно связано с профилем скоростей по сечению в пустых трубках. В центре скорость потока больше, чем у стенок, в результате происходит искажение формы полосы и имеет место дополнительное размывание.

где r — радиус капилляра; D — коэффициент молекулярной диффузии.

Стеночный эффект. Плотность набивки на единицу объема около стенок всегда меньше, а доля пустот больше, чем в центре колонки, особенно при использовании зерен крупного размера. Это приводит к тому, что скорость газа-носителя около стенок больше, чем в центре колонки. В результате возникает дополнительное размывание, т.н. стеночный эффект, определяемый соотношением:

где b — постоянная, равная отношению доли пустоты около стенки к доле пустоты в центре; d_з— диаметр зерен;
U — линейная скорость; D — коэффициент молекулярной диффузии. По данным Гелэя, величина b может колебаться от 3 до 6. Стеночный эффект может вносить большой вклад, когда диаметр колонок значительно больше высоты, эквивалентной теоретической тарелке (ВЭТТ), т.е. в препаративной хроматографии. В аналитических колонках небольшого диаметра (внутренний диаметр 2–4 мм) размывание за счет стеночного эффекта мало и им пренебрегают.

Кинетическое размывание. Задержка массообмена с поверхностью адсорбента вследствие медленности процессов адсорбции и десорбции также приводит к размыванию полосы. Задержка при адсорбции приводит к продвижению компонента в газовой фазе вперед, т.е. к размыванию переднего фронта полос, а задержка при десорбции приводит к размыванию заднего фронта. В том случае, когда скорости адсорбции и десорбции неодинаковы, такое размывание может быть несимметричным. Кинетическое размывание равно:

Для внешнего массообмена

.

Внутренняя массопередача в жидкой пленке

,

где D_ж — коэффициент диффузии в жидкой фазе; d_ж — толщина пленки жидкой фазы на носителе.

С учетом этих зависимостей

.

Общее размывание, оцениваемое эффективным коэффициентом диффузии для аналитической колонки, равно:

.

Общее уравнение зависимости Н от скорости газа-носителя:

В более простом виде

.

В первоначальном уравнении Ван-Деемтера:

.

На графике зависимости Н от U (рис. 4.1.4) можно в общем виде оценить величины А, В и с.

Рис. 4.1.4. График зависимости H от U (уравнение Ван-Деемтера)

Фазовое отношение — это отношение объемов подвижной и неподвижной фаз в колонке:

Фактор разделения — величина, характеризующая селективность разделительной системы, равная отношению факторов удерживания или приведенных времен удерживания двух соседних пиков на хроматограмме:

где W_0,5 — ширина пика на половине высоты.

где L — длина колонки; N — безразмерная величина; Н имеет размерность длины обычно в мм.

при k > 10 это уравнение можно упростить:

.

Определение различий свободных энергий сорбции двух соседних компонентов:

.

Связь удерживаемого объема с температурой колонки

.

График зависимости lgV_R от обратной температуры (1/Т) — прямая линия, тангенс угла наклона которой равен:

;

т.о., из наклона прямой температурной зависимости удерживаемого объема можно определить теплоту сорбции.

Влияние природы сорбента. Природа сорбента играет решающую роль в разделении компонентов. Разделение происходит за счет различий межмолекулярных взаимодействий разделяемых молекул с сорбентом. Селективность разделения определяется природой сорбента. В большинстве случаев селективность разделения (величина a ) уменьшается с повышением температуры.

Длина колонки. Степень разделения пропорциональна квадратному корню от длины колонки. Эффективность прямо пропорциональна длине колонки.

Сечение колонки. С уменьшением сечения колонки (диаметра) возрастает эффективность и степень разрешения колонки.

Размер зерен сорбента. Размывание хроматографических полос, эффективность в значительной степени зависят от размера зерен сорбента. Вихревая диффузия и внешний массообмен сильно зависят от диаметра зерен сорбента.

Толщина жидкой пленки на носителе. С увеличением толщины пленки жидкой фазы (в случае газо-жидкостной хроматографии) увеличиваются времена удерживания, затрудняется внутренний массообмен и уменьшается эффективность

,

где V_d — мертвый объем, K — коэффициент распределения, V_ж — объем жидкой фазы.

Природа газа-носителя. В газовой хроматографии при небольших давлениях инертные газы-носители практически не адсорбируются, особенно в газо-жидкостной хроматографии. Поэтому природа газа-носителя практически не влияет на селективность разделения, за исключением некоторых случаев в газо-адсорбционной хроматографии при разделении газов на активных тонкопористых адсорбентах.

Природа газа-носителя влияет на эффективность колонок особенно при высоких скоростях. Сопротивление колонки, перепад давления в ней определяется вязкостью газа-носителя.

Давление газа-носителя. В большинстве случаев на входе в колонку используют избыточное давление в пределах от 0,1 до 2 атм (в очень редких случаях выше). Изменение давления в этих пределах практически не влияет ни на селективность, ни на эффективность разделения. В ряде работ применялись пониженные давления на выходе из колонки, т.е. вакуумная хроматография для разделения малолетучих высококипящих соединений. Описаны варианты газовой хроматографии при повышенных давлениях. При повышении давления возрастает сорбция газа-носителя и уменьшается сорбция разделяемых соединений, особенно если в качестве подвижной фазы используются пары жидкостей, в частности воды. Парофазная хроматография расширяет аналитические возможности газовой хроматографии.

Размер пробы. Размер введенной пробы анализируемой смеси должен быть таким, чтобы не вызывать перегрузку колонки. При введении пробы больше максимально допустимой изменяются времена удерживания. Особенно важно не перегружать капиллярную колонку, так как ее эффективность сильно падает с перегрузкой.

Способ дозирования. Пробу можно ввести быстро, в виде узкой полосы или медленно, в виде разбавленной полосы. Первый способ введения — «метод поршня» — идеальный, второй — «способ экспоненциального разбавления» может приводить к дополнительному размыванию полосы. Способ дозирования в реальных случаях занимает промежуточное состояние между этими крайними случаями. В общем случае ширина дозируемой пробы должна быть значительно меньше ширины полосы вещества, получаемого на выходе из колонки.

Чувствительность, линейность, инерционность и стабильность детектора. Назначение детектора — регистрация выходных кривых в виде сигналов (пиков) достаточной амплитуды, необходимых для количественных измерений. Для точных количественных измерений необходимо, чтобы

В аналитических хроматографах используют проявительный вариант хроматографии, в этом случае газ-носитель непрерывно продувается через хроматографическую колонку. Расход газа-носителя создается за счет перепада давления на входе и выходе колонки.

Схема современного газового хроматографа изображена на рис. 4.1.5. Для создания перепада давления через колонку хроматограф подсоединяют к источнику со сжатым газом 1 (баллонная или лабораторная линия со сжатым газом). Через колонку поток газа-носителя должен проходить с постоянной и определенной скоростью, поэтому на входе в колонку на линии газа-носителя устанавливают регулятор и стабилизатор расхода газа-носителя 2 и измеритель расхода газа 3. Если газ-носитель загрязнен нежелательными примесями, то в этом случае устанавливается еще фильтр 4. Таким образом, на входе в колонку подключается ряд устройств, часто объединяемых в один блок (блок подготовки газа), назначение которого — установка, стабилизация, измерение и очистка потока газа-носителя. Перед входом в колонку устанавливается устройство для ввода анализируемой пробы в колонку — дозатор-испаритель 5. Обычно анализируемую пробу вводят микрошприцем 8 через самозатекающее термостойкое резиновое уплотнение в дозаторе, газовые пробы вводят дозирующим шестиходовым краном.

Анализируемая проба, введенная в дозатор, захватывается потоком газа-носителя (если анализируемая проба — жидкость, то она предварительно переходит в дозаторе-испарителе в парообразное состояние) и направляется в хроматографическую колонку 6. За счет различной сорбируемости компоненты смеси будут с разной скоростью продвигаться по колонке. Вещества, которые сорбируются слабо, будут продвигаться по колонке с большей скоростью и выходить первыми. Сильносорбируемые вещества будут продвигаться по колонке медленнее.

Если выбран достаточно селективный сорбент и подобраны оптимальные условия, то на выходе колонки компоненты смеси будут полностью разделены. Детектор 11 зарегистрирует присутствие разделенных компонентов в газе-носителе. Эти сигналы в случае необходимости усиливаются (усилитель 13) и регистрируются на шкале вторичного самопишущего прибора 14 или дисплея ПЭВМ в виде выходных кривых (или пиков). Для обеспечения стабильного режима работы детектора используется блок питания детектора 12.

Сорбируемость веществ зависит от температуры. Для исключения влияния колебания температуры на результаты разделения, колонку помещают в специальную камеру-термостат, температура которой устанавливается и поддерживается терморегулятором 9. В случае необходимости температура колонки в процессе разделения может изменяться по определенной программе с помощью блока программирования температуры 10.

Высота или площадь пика пропорциональны количеству или концентрации компонента в смеси. Площадь пика может быть измерена с помощью электронного интегратора 15 или ПЭВМ. Значения площадей пиков могут быть отпечатаны на бумажном носителе.

Таким образом, перед хроматографическим анализом необходимо провести следующие операции на приборе:

• открыть вентиль баллона со сжатым газом и установить по манометру или специальному измерителю определенный расход газа-носителя;

• включить питание детектора;

• установить необходимую температуру в термостате колонок;

• включить самопишущий прибор, интегратор или ПЭВМ, после выхода прибора на устойчивый режим (через 30–60 мин.) микрошприцем отобрать и ввести в дозатор-испаритель анализируемую пробу.

Все дальнейшие операции проходят без участия оператора: компоненты пробы разделяются на колонке, регистрируются в детекторе, записываются на диаграммной ленте вторичного прибора, интегратор или ПЭВМ определяет площадь пика, а в случае применения ПЭВМ с принтером можно сразу получить полный протокол — хроматограмму с распечатанной рядом таблицей концентраций разделенных компонентов.

Как было указано выше, назначение блока подготовки газов (БПГ) или системы подготовки газов — очистка, установка, регулировка стабилизация и измерение газовых потоков: газа-носителя, воздуха, водорода и других дополнительных газовых потоков. Поддержание стабильного потока газа-носителя важно для получения воспроизводимых значений параметров удерживания и параметров пиков. Колебания расходов газа-носителя влияют на шумы (флуктуации) детектирующих систем.

Основные элементы БПГ: дроссель, регулятор давления и регулятор расхода.

Дроссель изменяет расход газа путем изменения сопротивления канала, по которому проходит газ.

Регулятор давления стабилизирует давление на входе в колонку при возможных внешних колебаниях давления газа. Специальная мембрана в регуляторе давления воспринимает изменение давления газа и передает соответствующее смещение исполнительному механизму.

В режиме программирования температуры термостата сопротивление колонки повышается, а расход падает. В этом случае для сохранения постоянного расхода в колонке используется регулятор расхода. При падении расхода в связи с увеличением сопротивления в колонке регулятор расхода повышает входное давление настолько, чтобы восстановился первоначальный расход газа-носителя. Расход газов измеряют мыльно-пенным измерителем, реометром, ротаметром или специальным электронным измерителем расхода на принципе теплового расходомера. Фильтры для очистки газа-носителя заполняют адсорбентами (активированный уголь, силикагель, цеолит).

В современных хроматографах используются БПГ с электронным заданием и управлением расходов газов.

Дозаторы предназначены для ввода в хроматографическую колонку точно выбранного количества анализируемой пробы. Общие требования к дозаторам: воспроизводимость ввода пробы (желательно ниже 1–2%), сохранение состава исходной анализируемой пробы. Кроме того, ввод пробы должен происходить быстро, без сильного размывания исходной смеси. Различают дозаторы для ввода газообразных, жидких и твердых проб. Для быстрого ввода газообразных проб используют микрошприцы, мембранные краны (чаще всего в автоматических промышленных хроматографах), золотниковые, поршневые и вращающиеся поворотные краны. В современных лабораторных хроматографах чаще всего применяются поворотные краны. Такой кран состоит из неподвижного корпуса со штуцерами для подвода газа-носителя и анализируемого газа и сверху движущейся поворотной втулки с каналами, соединяющими линии газа-носителя и анализируемого газа. На корпусе устанавливается трубка-доза для точного ввода пробы. Корпус и вращающаяся втулка сильно прижаты друг к другу, их контактирующие поверхности тщательно отполированы и при повороте должны плавно скользить относительно друг друга. Такие краны могут быть 6, 8, 10 и даже 14-ходовые (или портовые). Чаще всего для дозирования применяются 6-ходовые краны. Схема ввода газовой пробы таким краном показана на рис. 4.1.6. Поворот крана может проводиться вручную или автоматически, электрическим или пневматическим приводом. При изготовлении крана используются следующие материалы: нержавеющая сталь, хостеллой, тефлон, наполненный тефлон, веспел и др.

Рис. 4.1.6. Ввод краном :
а — заполнение пробоотборной петли крана пробой S;
б — ввод пробы в потоке газа-носителя G

Жидкие пробы вводятся в газовые хроматографы микрошприцами на 1, 5, 10, 50 мкл через термостойкое резиновое уплотнение испарителя. Величина дозируемой пробы легко регулируется в широких диапазонах. Общий вид таких микрошприцев изображен на рис. 4.1.7. Эти шприцы сравнительно недороги и удобны для очистки.

Для автоматического ввода жидких проб применяют специальные поршневые, вращающиеся и золотниковые дозирующие краны. В поршневом кране движущийся поршень имеет сбоку кольцевую канавку, глубина которой определяет объем введенной пробы. Поршень двигается между полостью, промываемой непрерывным потоком анализируемого вещества, и нагретым испарителем.

Твердые пробы в основном вводят в пиролизных устройствах через специальные шлюзы.

Всего для газовой хроматографии предложено более 60 типов детектирующих систем. По общепринятой классификации детекторы подразделяются на дифференциальные и интегральные по форме зарегистрированного сигнала. Дифференциальные детекторы измеряют мгновенное различие в концентрации вещества в потоке газа-носителя. Хроматограмма, зарегистрированная таким детектором, представляет собой ряд пиков, площадь которых пропорциональна количеству разделенных соединений. Интегральные детекторы измеряют суммарные количества соединений, выходящих из колонки. Хроматограмма в этом случае ступенчатая, высота ступеней пропорциональна количеству соответствующих соединений.

В зависимости от однократной или многократной регистрации молекул анализируемых соединений выделяют концентрационные и потоковые детекторы. В концентрационных детекторах сигнал пропорционален концентрации соединения в подвижной фазе (элюенте). Здесь имеет место многократная регистрация молекул анализируемых соединений. В потоковых (или массовых) детекторах сигнал пропорционален количеству пробы компонента, достигаемому ячейки детектора в единицу времени. В этом случае происходит только однократная регистрация.

По селективности детекторы классифицируются на универсальные, селективные и специфические. В универсальных детекторах регистрируются все компоненты смеси, выходящие из колонки, за исключением подвижной фазы. Селективные детекторы регистрируют определенные группы соединений на выходе из колонки. Специфические детекторы регистрируют только один компонент или ограниченное число компонентов с подобными химическими характеристиками.

Основные технические характеристики детекторов:

• чувствительность или предел детектирования;

• линейность (динамический диапазон);

• инерционность (постоянная времени, быстродействие);

• стабильность (уровень шума и дрейфа);

• величина эффективного объема чувствительной ячейки.

Чувствительность концентрационных детекторов А_к определяется следующим выражением:

Размерность чувствительности в этом случае мВ · мг × мл ^–1.

Чувствительность потоковых детекторов (мВ · мг × с^-1) равна:

Величина с_min — предел детектирования — определяет предельные возможности прибора.

Под инерционностью (быстродействием, постоянной времени) подразумевается скорость реагирования детектора на быстрое изменение концентрации на выходе из колонки. Детектор должен иметь такое быстродействие, чтобы при регистрации не искажать формы полосы соединения, выходящего из колонки. В современных, особенно ионизационных детекторах постоянная времени — менее 0,1–0,01 с. В некоторых катарометрах, чаще всего устаревших конструкций, постоянная времени может составлять около 1 с и даже выше.

Быстродействие сильно зависит от величины эффективного объема ячейки.

Уровень шума нулевого сигнала детектора определяется кратковременными флуктуациями. Дрейф — это монотонное смещение нулевой линии. Величину смещения оценивают в течение 1 часа. Обычно требования к этим показателям таковы: шум 0,5% рабочей шкалы и дрейф не более 3% в час.

В табл. 4.1.1 приведены технические характеристики детекторов, применяемых в современных газовых хроматографах.

Пламенноионизационный детектор (ПИД) основан на ионизации органических соединений в пламени водорода. Точный механизм ионизации не выяснен. С использованием масс-спектрометрометрии проведено исследование и обнаружено, что механизм ионообразования связан с термодеструкцией и последующей хемоионизацией.

В ПИД одним из электродов служит горелка, второй электрод — коллектор — располагается над горелкой. Малые токи (1 · 10^–9–10^–12А) усиливаются, т.к. шумы самого детектора малы. Из-за высокой чувствительности, большого диапазона линейности ПИД стал наиболее распространенным детектором. В табл. 4.1.2 приведены атомные инкременты для показаний ПИД к соединениям разных классов.

Чувствительными элементами в ДТП являются нагретые нити (филаменты) из ряда металлов (платина, вольфрам, сплав вольфрам-рений и др.), помещенные в специальные камеры, продуваемые газом-носителем. Филаменты включены в плечи моста Уинстона. Через сравнительную камеру проходит поток чистого газа-носителя, через рабочую камеру — газ-носитель с примесями разделяемых соединений. Сопротивление нитей зависит от температуры. При изменении состава газа в рабочей камере теплопроводность его изменяется, изменяется теплопередача от нити к стенкам камеры, температура нити и, следовательно, сопротивление нити по сравнению с сопротивлением нити в сравнительной камере. Происходит разбаланс моста, возникает сигнал на нулевой линии. В табл. 4.1.3 приведены значения теплопроводности газов-носителей и некоторых органических веществ.

ЭЗД предназначен для анализа веществ, обладающих электронным сродством, в частности галогенно-органических соединений. Полезный сигнал детектора — это уменьшение начального тока, однозначно связанного с количеством анализируемого соединения.

В ионизационной камере ЭЗД помещается радиоактивный источник (например, ⁶³Ni). Под воздействием радиации молекулы газа-носителя (азот, аргон, гелий) ионизируются с высвобождением электрона:

В камере между электродами приложено напряжение, фоновый ток создается в основном электронами, т.к. их подвижность на три порядка выше, чем подвижность ионов. Кроме того, большая часть ионов рекомбинирует, не доходя до электродов. При попадании в ячейку детектора соединений, обладающих сродством по отношению к электрону, происходит захват ими свободных электронов:

что приводит к снижению начального фонового тока.

ЭЗД обладает высокой ионизационной эффективностью. В газе-носителе недопустимо присутствие кислорода, влаги и др. соединений, снижающих количество электронов или их подвижность.

Предел детектирования ЭЗД на два-три порядка ниже ПИД, он сильно зависит от числа и положения атомов галогенов в молекулах. В табл. 4.1.4 приведены данные по относительной чувствительности (относительно хлорметана) ЭЗД к некоторым соединениям.

ТИД селективен к N- и P-содержащим соединениям за счет введения в пламя водорода паров солей щелочных металлов (К, Na, Rb и Cs). Скорость введения паров щелочных металлов должна быть стабилизирована. ТИД чувствителен к стабильности поддержания скорости водорода, воздуха и газа-носителя. Селективность ТИД к N- и P- органическим соединениям по сравнению с ПИД — порядка 10²–10³.

ПДФ селективен к S- и P-содержащим соединениям, при сжигании которых в пламени, обогащенном водородом, по сравнению с ПИДом, излучаемый свет от этих элементов направляется в фотоумножитель через специальные фильтры (394 нм для S и 526 нм для Р).

Особенности детектора:

• чувствительность ПФД к S-и Р-содержащим соединениям тем больше, чем выше содержание этих элементов в соединениях;

• сигнал к Р-содержащим соединениям пропорционален концентрации этого вещества в газе-носителе;

• сигнал к S-содержащим соединениям пропорционален логарифму потока вещества.

В ФИДе ионизация анализируемых соединений происходит за счет УФ-излучения в специальной камере с двумя электродами. При фотоионизации молекулы анализируемых соединений диссоциируются на ион и электрон:

Образуемые ионы собираются электродами. Ионизируются только те соединения, потенциал которых ниже энергии фотонов. В зависимости от лампы энергия фотонов может быть 9,5; 10,2 и 11,7 эВ.

ФИД как и ПИД обладает высокой чувствительностью ко всем органическим соединениям. К ароматическим соединениям ФИД имеет в 10–50 раз большую чувствительность, чем ПИД.

В отличие от ПИД, ФИД может регистрировать H₂S, PH₃, NH₃, AsH₃ и др.

В табл. 4.1.5 приведены потенциалы ионизации некоторых веществ, в табл. 4.1.6 — относительная чувствительность ФИД (относительно бензола) к соединениям разных классов.

В последние годы достигнут прогресс в создании небольших настольных МСД для газовых хроматографов. В настоящее время этот высокочувствительный детектор — самый совершенный прибор для идентификации неизвестных веществ. Имеется библиотека масс для более 250 тыс. соединений. МСД обычно включает вакуумный насос, ионный источник и систему обработки. Для газовых хроматографов используются в основном два вида ионизации: электронный удар и химическая ионизация.

В качестве анализатора ионов могут применяться магнитные, квадрупольные и ионные ловушки, анализаторы ионно-циклотронного резонанса, с двойной фокусировкой (магнитные и электростатические), времяпролетные.

В качестве детектора, регистрирующего пучки ионов, используются электронный и фотоэлектронный умножитель, коллектор Фарадея, плоская электронная матрица.

МСД — ионизационный деструктивный потоковый детектор, универсальный и одновременно селективный, т.к. всегда можно найти массу, типичную только для данного соединения. При исследовании МСД в режиме детектирования отдельных ионов чувствительность его очень высока (в 1000 раз больше, чем в режиме сканирования) около
10^–13 г (100 фемтограмм). Международный стандарт ионизации 70 эВ (1,1 · 10^–17 Дж) общепризнан, на многих современных хромато-масс-спектрометрах предусмотрен только такой фиксированный режим ионизации. Создана библиотека масс с этим источником ионизации.

Колонки в газовой хроматографии подразделяются на насадочные (НК): препаративные, аналитические, микронасадочные и капиллярные (КК). В табл. 4.1.7 приведены характеристики этих колонок.

В насадочных, микронасадочных колонках сорбент находится внутри трубки и имеет форму цилиндра. Набивка должна быть плотной и однородной, без пустот. Чем плотнее и однороднее набивка, тем меньше размывание полос и больше эффективность колонки.

В КК слой сорбентов наносится на внутреннюю поверхность капилляра в виде слоя жидкой неподвижной фазы или в виде слоя адсорбента.

На рис. 4.1.8 изображены разные типы колонок.

По форме НК бывают прямые, U-образные, W-образные и спиральные с разным радиусом кривизны.

Прямые и U-образные НК легко и наиболее плотно заполняются сорбентом без специальных приспособлений. W-образные и спиральные колонки заполняют под давлением на входе, либо с вакуумом на выходе из колонки.

На спиральных колонках при большом радиусе кривизны витков появляется дополнительное размывание, связанное с неоднородностью скоростей по сечению. Сопротивление потоку у ближней (к центру окружности) стенки трубки меньше, чем у дальней, так как пути прохождения газовых потоков у ближней стенки меньше.

Колонки изготавливаются из металла (нержавеющая сталь, никель, медь), стекла, тефлона и других материалов. Чаще всего в аналитической практике применяются колонки из нержавеющей стали (для особо агрессивных смесей — колонки из никеля). Для разделения неустойчивых соединений (каталитически разлагающихся при контакте с металлической поверхностью) используют стеклянные и тефлоновые колонки; в частности, стеклянные колонки широко применяются при анализе пестицидов.

КК изготавливались из нержавеющей стали, меди и латуни, затем начали использовать стекло (была предложена специальная лабораторная установка для вытягивания капилляров из толстостенной стеклянной трубки с внешним диаметром 6–10 мм). Позднее (с 1980 г.) начали применять кварцевые КК, которые имеют наиболее инертную поверхность. Кварцевые капилляры для придания гибкости и прочности с внешней поверхности покрываются тонким слоем высокотемпературного полиамидного лака (до 350 °С) или слоем алюминия. Кварцевые КК со слоем лака допускают изгиб до 8–10 мм. В последние годы вновь появился интерес к металлическим КК, но с инертной (пассивированной) внутренней поверхностью.

В табл. 4.1.8 приведены основные типы газовых хроматографов, выпускаемых серийно.

Среди хроматографов разных типов отметим газовые хроматографы с масс-спектрометрическим и инфракрасными детекторами, а также газовые анализаторы, под которыми обычно понимаются газовые хроматографы, укомплектованные для решения конкретных аналитических задач «под ключ», т.е. оснащенные специальными колонками, аттестованной методикой и стандартами для градуировки. Иногда приборы такого типа называют газохроматографическими комплексами [4].

В табл. 4.1.9 приведен перечень лабораторных газовых хроматографов, выпускаемых в нашей стране, характеристики основных лабораторных газовых хроматографов зарубежных фирм рассмотрены в [3].

В табл. 4.1.10 приведен перечень портативных отечественных газовых хроматографов, в табл. 4.1.11 — зарубежных портативных хроматографов.

В табл. 4.1.12 перечислены портативные хромато-масс-спектрометры, а в табл. 4.1.13 — портативные хроматографы для космических исследований.

Криогенное устройство — система термостатирования колонок (диапазон температур: от комнатных до –100 °С) для разделения трудно разделяемых газовых смесей. Для этих целей используется жидкий азот из сосуда Дьюара.

Система обратной продувки: шестиходовый кран-дозатор и четырехходовый кран, — включает обратную продувку колонки для быстрого элюирования суммы тяжелых компонентов, в частности, при определении природного газа С₁ – С₅ и S С₆.

Обогатительные устройства для концентрирования тяжелых примесей из газовых потоков с последующей десорбцией и дозирования в аналитическую колонку. Концентрирование примесей происходит в охлаждаемой небольшой обогатительной колонке. После обогащения десорбция производится специальной разогретой печкой.

Криофокусирующее устройство позволяет концентрировать примеси в начале охлажденной капиллярной колонки. Сильносорбируемые высококипящие соединения удерживаются на начальном участке колонки, а газ-носитель и легкие соединения проходят через колонку, не сорбируясь. После окончания процесса концентрирования происходит быстрый нагрев (тепловой удар) для того, чтобы при десорбции проба не размывалась, но вводилась в колонку в виде узкой полосы с десорбированными сконцентрированными компонентами.

Устройство для концентрирования методом выдувания и накопления (purge and trap) предназначено для выдувания из загрязненных вод летучих и малолетучих примесей и накопления их на специальной адсорбционной ловушке с последующей тепловой десорбцией и переводом в хроматографическую колонку.

Устройство парофазного концентрирования (head-space) позволяет повысить чувствительность определения легкокипящих соединений, растворенных в воде, имеющих коэффициенты распределения менее 10. Эти устройства позволяют также извлекать и дозировать легкие анализируемые соединения из биологических проб, из твердых материалов (пород, почв, полимерных материалов и др.).

Устройство пиролизное. Пиролизная газовая хроматография применяется для анализа нелетучих высокотемпературных соединений (полимеров, каучуков, смол, олигомеров, биополимеров и др.) по продуктам их разложения в инертной среде (пиролиз).

Пиролиз проводят с помощью обычного термического нагрева, высокочастотного нагрева (до точки Кюри), лазерного разогрева и разряда. Устройство для пиролиза изготавливается в виде приставки к стандартным газовым хроматографам, которые включают вместо узла ввода пробы или параллельно ему. Пиролизные устройства бывают трех типов: филаментного, печного и высокочастотного с ферромагнитными держателями. Различают мягкий пиролиз до 500 °С, в основном для биологических объектов (бактерий, белков, крахмала и др); средний пиролиз при 500–800 °С для исследования полимеров; жесткий пиролиз при 800–1100 °С, полимеры разрушаются на небольшие фрагменты, образуется много продуктов разложения.

Автоматические дозирующие устройства (автосамплеры). Автосамплер включает от 8 до 120 стеклянных пробирок с пробами, которые подаются к месту отбора и дозирования по специальной программе. Кроме пробирок с пробами, имеются пробирки с промывочными растворителями для промывки дозирующего узла после ввода анализируемой пробы. Последовательность операций задается и контролируется микропроцессорным блоком управления и может быть откорректирована под конкретные задачи.

Метанатор. В некоторых аналитических задачах чувствительность детектора по теплопроводности недостаточна для определения СО и СО₂. В этих случаях проводят конверсию СО и СО₂ до метана в специальной трубке с Ni-катализатором в потоке водорода после разделения СО и СО₂ на хроматографической колонке. Получаемые пики метана регистрируют ионизационно-пламенным детектором на уровне < 10^–4 %.

Прочие устройства. В составе газовых хроматографов применяют иногда измерители потоков, разные интерфейсы (ГХ-МС, ГХ-ИКС, ЖХ-ГХ и др.), генераторы водорода, азота, сверхчистого воздуха, фильтры-очистители газов.

1. Программное обеспечение (ПО) должно быть рассчитано на обслуживание до четырех (в редких случаях до восьми) хроматографов одновременно.

2. В программе должно быть обеспечено выполнение следующих функций:

• задание режимов работы хроматографа;

• индикация текущих режимов;

• отслеживание аварийных ситуаций;

• прием и фильтрация хроматографических сигналов;

• обработка хроматограмм;

• идентификация компонентов смеси по абсолютному времени удерживания;

• создание паспорта хроматограммы;

• создание методики проведения анализа;

• расчет параметров хроматографических колонок;

• расчет статистических параметров;

• распечатка хроматограммы и протокола анализа;

• осуществление тестирования устройств хроматографа;

• осуществление тестирования самого ПО;

• наличие оперативной подсказки.

3. ПО должно иметь возможность подстройки под уровень сложности задач потребителя (исследовательский вариант, рутинный, специальной задачи).

4. ПО должно работать в операционной среде Windows 95, 98 и выше.

5. Размер хроматограмм — неограниченный.

6. Число обрабатываемых пиков — до 1000.

7. Должна быть предусмотрена ручная коррекция — разметка хроматограмм, начало и конец счета, введены функции оптимизации, настройки системы.

8. Расчет индексов удерживания (линейных, логарифмических).

9. Должна быть предусмотрена возможность работы одной и той же копии программы на разных компьютерах.

10. Должна быть предусмотрена возможность расчета концентрации компонентов по группам пиков.

11. Должна быть предусмотрена возможность оценки погрешности расчетов высоты и площади пиков.

12. Должна быть предусмотрена возможность проверки с помощью внешнего устройства «Генератор хроматограмм» и возможность внутреннего тестирования.

13. Результаты обработки должны быть распечатаны в виде стандартного протокола: хроматограмма (с расшифровкой) и таблица с результатами анализа.

14. В памяти ПЭВМ результаты должны храниться в течение года (в частности, для анализов при сертификации пищевых продуктов).

15. Программа должна проводить калибровку как по одной точке, так и многоточечную калибровку с использованием как линейных, так и нелинейных калибровочных зависимостей.