Хроматографические методы анализа

Хроматография была открыта в 1903 году, автор ее – Цвет М.С.

До 1952 года хроматография применялась в неприборном варианте. Существовали хроматографические колонки, использовались сорбенты или различные хроматографические материалы. Выходящий продукт реакции определяли визуально.

В 1952 году был открыт метод газовой хроматографии.

С 60-х годов этот метод вытеснил многие другие методы, а в настоящее время газовая хроматогрвфия используется чаще всех других вместе взятых методов, особенно при анализе органических веществ.

В отличие от жидкостной хроматографии, о которой мы поговорим позже, в газовой хроматографии вместо жидкой подвижной фазы используется газовая. В хроматографическую колонку вносят анализируемую смесь. Далее колонка промывается газом носителем. Определяемые вещества, внесенные в хроматографическую колонку, могут распределяться между газовой и неподвижной фазами. Поскольку газовая фаза непрерывно движется, то вместе с ней движутся и определяемые вещества. Причем, чем больше времени молекулы данного вещества находятся в газовой фазе, тем быстрее это вещество выйдет из хроматографической колонки. И наоборот, чем меньше времени определяемое вещество находится в газовой фазе и больше в неподвижной фазе, тем медленнее это вещество будет выходить из колонки.

Время нахождения определяемого вещества в той или иной фазе зависит от коэффициента распределения его между газовой фазой и неподвижной фазой, который в свою очередь зависит от природы вещества.

При этом вещества подразделяются на:

1) легко сорбируемые,

2) хорошо сорбируемые,

3) очень хорошо сорбируемые.

Аналитическое значение имеют случаи, когда вещества не очень плохо и не очень хорошо сорбируются. Почему? Вещества, которые очень хорошо поглощаются сорбентом, никогда не выйдут из хроматографической колонки, застрянут в ней, и на выходе мы не сможем их увидеть. Вещества, которые сорбируются слабее, чем газ-носитель, или на уровне газа-носителя, выйдут не разделившись, и это тоже не будет иметь аналитического смысла. А те вещества, которые умеренно сорбируются, будут выходить из хроматографической колонки, разделившись на отдельные зоны.

Выходящие из колонки определяемые вещества анализируются, или, как принято говорить в газовой хроматографии, детектируются, а результаты детектирования регистрируются самопишущим прибором. Прибор измеряет зависимость концентрации выходящих веществ от времени выхода или от объема выходящей газовой фазы. Информация по результатам анализа, которую рисует самописец, называется хроматограммой. Хроматограмма имеет следующий вид (рис.1).

А–аналитический сигнал (V, I), пропорциональный концентрации вещества;

t.V - время, объем газа

1) число веществ равно или больше числа пиков;

2) вид вещества определяется временем удерживания;

3) концентрация пропорциональна площади пика, коэффициент пропорциональности можно установить заранее. Эти величины можно определить экспериментально. Рассмотрим схему газового

хроматографа:

Рис.2

1 - баллон с газом-носителем, чаще с азотом, гелием или аргоном,

2 - система ввода пробы и испаритель,

3 - термостат (в него помещена колонка), поддерживающий определенную температуру, выбранную для выполнения хроматографического процесса,

4 – газовая хроматографическая колонка,

5 – детектор - важнейший узел, обычно совмещен с системой ввода пробы и помещен в термостат для поддержания постоянной температуры (для испарения пробы, или для того, чтобы она не сконденсировалась, выходя из хроматографической колонки на детектор),

6 – делитель напряжения,

7 - регистрирующая система, чаще всего это самопишущий прибор, который выдает готовую хроматограмму на специальной хроматографической бумаге.

Важнейшим узлом газового хроматографа является детектор. Наиболее распространенным детектором, применяющимся в газовой хроматографии, является детектор по теплопроводности. Иногда его еще называют катарометр. Рассмотрим его устройство:

Детектор по теплопроводности представляет собой две платиновые спирали, помещенные в стеклянные трубки. Платиновые спирали соединены кабелем в верхней точке. Последовательно к каждой спирали подсоединены резисторы, имеющие строго одинаковое сопротивление - около 1 ком. Примерно такое же сопротивление имеют и платиновые спирали. Вся эта равноплечная система подсоединена к батарее, которая обеспечивает поступление электрического тока по двум плечам: резистор – спираль. К центральным точкам присоединения резисторов к спирали А и В подключен самопишущий прибор. По одной стеклянной трубке проходит чистый газ-носитель, по другой – элюат. Если же в хроматографическую колонку не были введены разделяемые вещества, то по обеим трубкам будет идти лишь газ-носитель. В этом случае сопротивление платиновых спиралей будет абсолютно одинаково. Поскольку резисторы имеют одно и тоже сопротивление, то между точками А и В разница потенциалов будет равна нулю. На хроматограмме мы будем видеть кривую фоновую линию. Если в колонку были введены разделяемые вещества, то они по-другому будет охлаждать платиновую спираль, чем исходная газовая смесь. Сопротивление платиновой спирали при этом либо уменьшится, либо увеличится, и между точками А и В появится разность потенциалов. Обычно подбирается газ-носитель с небольшой молекулярной массой – гелий, водород. Эти газы лучше охлаждают спираль, чем аргон, азот. Существует закон: чем меньше молекулярная масса газа, тем большей способностью к охлаждению он обладает. Разделяемые вещества обычно имеют большую молекулярную массу. Например, углеводороды метан, этан, пропан, бутан имеют значительно большую молекулярную массу, чем гелий. Поэтому в момент прохождения этих газов спираль будет нагреваться до большей температуры, сопротивление ее будет увеличиваться. А если бы были растворы, то сопротивление уменьшилось бы, т.к. растворы имеют прямо противоположную температурную зависимость. В результате получается следующая картина: вещество прошло, зона кончилась, идет зона чистого газа-носителя, мы видим нулевую линию, опять сопротивления уравнялись, затем идет новый пик и т.д.

Детектор по теплопроводности обладает одним очень важным достоинством – универсальностью и близкими коэффициентами чувствительности ко всем веществам, т.е. зависимость концентрации вещества от аналитического сигнала имеет близкий коэффициент связи для всех веществ. Это обусловлено тем, что удельная теплопроводность определяемых веществ значительно ниже, чем теплопроводность газа-носителя, в особенности, если это водород или даже гелий. Недостаток катарометра – недостаточно низкие пределы обнаружения. Обычно с катарометром работают на уровне концентраций 10^-3 – 10^-4 %.

Кроме катарометра разработано много других детекторов, основанных на целом ряде приемов и свойств. Среди них второй по значимости - детектор по ионизации пламени (ДИП), третий - детектор по электронному захвату (ДЭЗ). Кроме этого применяют масс-спектрометрическое детектирование, оптическое детектирование для поглощающих газов и некоторые другие, но значительно реже.

Детектор по ионизации пламени работает по принципу сжигания анализируемой пробы и измерении проводимости (или электропроводимости) образующейся плазмы и имеет следующее устройство:

Рис. 4.

1- камера, в которую непрерывно подается воздух,

2-металлическая трубка с тонким отверстием, в которую подается смесь горючего газа и элюата,

3 - сетка, которая помещается вокруг пламени, чаще ее делают из платины и из других устойчивых к окислению материалов,

4 - проводники, подключенные к основанию горелки и к сетке, на них подается напряжение,

5 – реостат чувствительности, которым замкнута электрическая сеть.

Горючий газ и элюат поджигаются, они горят в воздушной среде, и продукты горения выходят в верхнюю часть камеры. При отсутствии в элюате углеродосодержащих веществ образуется пламя, содержащее воду и инертные газы-носители азот или гелий. Пламя практически не проводит электрического тока. При появлении в пламени органических веществ там появляется ионы углерода, проводящие электрический ток. В этом случае в цепи появляется электрический ток, а на реостате в точке контакта с самопишущей системой появляется электрическое напряжение. Электрическое напряжение с реостата далее подается на самопишущую систему и регистрируется. Когда идет органическое вещество, появляется сигнал в виде пика. Кончилось вещество – идет фоновая электропроводность за счет аномалий. Далее появляется новое вещество в элюате, и появляется проводимость, и так в целом появляется аналитический сигнал в виде хроматограммы.

ДИП-детектор обладает повышенной чувствительностью и позволяет анализировать органические вещества при их содержании в пробе 10^-5 - 10^-6 %. Этот детектор более сложен, необходим генератор водорода. Поэтому в основу комплектующих хроматографической аппаратуры обязательно входит катарометр, а ДИП-детектор по желанию.

Поиск по сайту: