* разделение смеси веществ достигается в результате многократного повторения по высоте колонки одного и того же элементарного акта: для адсорбционной хроматографии - повторение акта адсорбции-десорбции, для ионообменной хроматографии - повторение реакции ионного обмена.
Можно назвать процессы, которые протекают в динамических условиях и с повторением элементарного акта. Это, например процесс ректификации, где повторяется акт испарения-конденсации. Однако имеется громадная разница в работе ректификационной и хроматографической колонок. Если в ректификационной колонне элементарный акт испарения-конденсации реализуется, в лучшем случае, на расстоянии 1 см, т.е. расстояние между соседними тарелками колонки составляет 1 см, то в хроматографической колонке на расстоянии в 1 см элементарный акт процесса, приводящего к разделению смеси, может повторяться сотни раз. Это подчеркивает интенсивность хроматографических методов, т.е. их эффективность во много раз выше эффективности метода ректификации.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДА
Подвижной фазой в газовой хроматографии является газ или пар. В зависимости от состояния неподвижной фазы газовая хроматография подразделяется на газо-адсорбционную, когда неподвижной фазой является твердый адсорбент, и газо-жидкостную, когда неподвижной фазой является жидкость, а точнее пленка жидкости на поверхности частиц твердого сорбента. Принцип разделения - неодинаковое сродство органических веществ к летучей подвижной фазе и стационарной фазе в колонке.
В первом случае происходит непрерывное распределение компонентов смеси между движущейся газовой фазой, называемой газом носителем, и твердым адсорбентом, обусловленное чередованием процессов сорбции и десорбции. Чем хуже вещество сорбируется, тем раньше оно выходит из колонки.[1]
Неподвижная фаза
НФ определяет селективность.
Типы НФ
1. Твердые адсорбенты
2. Жидкости на твердом носителе
3. Химически связанные жидкие фазы
Особые требования к адсорбентам в ГАХ
o высокая удельная поверхность
o отсутствие каталитической активности
o химическая инертность
o малая летучесть
o термическая устойчивость
o физическая сорбция хроматографируемых соединений
o однородность структуры
Применение газо-адсорбционной хроматографии
o анализ газов
o анализ низкомолекулярных веществ (не должные содержать активных функциональных групп)
o определение воды в неорганических и органических материалах, анализ
o анализ летучих гидридов металлов
Преимущества и недостатки газо-адсорбционной хроматографии
Преимущества:
o большое время жизни колонок
o возможность разделения стереоизомеров, неорганических газов и других смесей соединений, которые проблематично хроматографировать другими методами
Недостатки:
o сильное удерживание полярных и высококипящих веществ ? большое время анализа, низкие, широкие пики
o возможность протекания каталитических процессов на поверхности сорбента
o сложность получения однородных сорбентов ? плохая воспроизводимость времен удерживания, асимметричность хроматографических пиков
Во втором случае происходит чередование растворения компонента
В пленке жидкой фазы, нанесенной на твердый носитель, с обратным выделением в газовую фазу, т.е. в поток газа-носителя.[2]
Твердый носитель, применяемый в газовой хроматографии, должен иметь большую площадь поверхности и однородный размер частиц. Обычно используются частицы размером 0,25 - 0,35 мм.
В то время, как в газо-адсорбционной хроматографии сорбентами служат активные адсорбенты (активированный уголь, силикагель, молекулярные сита), в газо-жидкостной хроматографии применяются твердые инертные носители типа диатомита, используется также фарфор, стекло, пластмассы. Имеются различные типы твердых носителей промышленного изготовления.
Количество твердых фаз все же ограничено, поэтому поверхность твердого носителя часто покрывают тонким слоем жидкости (неподвижная фаза). Обычно применяются жидкости с низкой упругостью паров, химически инертные по отношению ко всем компонентам смеси.[3]
Числожидких фаз, пригодных для хроматографии, во много раз превышает число адсорбентов, что позволяет в каждом отдельном случае подобрать наиболее эффективную жидкость. Последняя может быть твердой при низкой температуре, но обязательно должна быть жидкой и практически нелетучей при температурах, обеспечивающих разделение компонентов смеси.
Основной характеристикой жидкой фазы является степень ее полярности. При прочих одинаковых условиях более полярные фазы дают лучшее разделение. Неполярные фазы, как правило, имеют больший молекулярный вес и устойчивы при высоких температурах. Полярные фазы обладают высокой избирательностью, однако они менее устойчивы при повышенных температурах, разлагаясь, могут нарушать процесс разделения. Количество жидкой фазы в процентах к твердому носителю варьирует в широких пределах от 1 до 30 - 50%, что зачастую позволяет влиять на быстроту и качество разделения смесей. Примером неполярной жидкой фазы служит, например, вазелиновое масло. К полярным жидким фазам относятся полигликоли, полиэфиры. Обычно для анализа биологических объектов используют силиконовые производные.
При выборе жидкой фазы полезным оказалось старое правило - “подобное растворяется в подобном”. В соответствии с этим правилом для разделения смеси двух веществ выбирают жидкую фазу, близкую по химической природе одному из компонентов. Ограниченность такого подхода для веществ с близкими свойствами или смесями сложного состава очевидна. Эффективным оказалось применение колонок, содержащих несколько неподвижных фаз или сложные сорбенты.
Компоненты смеси селективно удерживаются неподвижной фазой, а затем выходят из колонки и регистрируются детектором. Сигналы детектора записываются в виде хроматограммы автоматическим потенциометром (самописцем) или же регистрируются на экране компьютера.[3]
Неподвижная фаза
Основная характеристика - температурные пределы применения (минимум и максимум).
Требования к жидкой фазе
1. должна хорошо растворять компоненты смеси
2. инертность
3. малая летучесть (чтобы не испарялась при рабочей температуре колонки)
4. термическая устойчивость
5. высокая селективность
6. небольшая вязкость (иначе замедляется процесс диффузии)
7. способность образовывать при нанесении на носитель равномерную пленку, прочно с ним связанную
Вещества, используемые в качестве жидкой фазы:
o Неполярные парафины (сквалан)
o вазелиновое масло, апиезоны
o кремнийорганические полимеры
o карборансиликоновые жидкие фазы (самые термостабильные)
o умеренно полярные жидкости, полярные (гидроксиламины, полиэтиленгликоли (карбоваксы))
Носители НЖФ
Применяются те же сорбенты, используемые в других видах хроматографии.
Главное назначение -- удержание пленки НЖФ.
Требования к НЖФ:
o умеренная удельная поверхность
o прочность
o изопористость
o низкая пористость, неглубокие поры - избежать застойных явлений, чтобы вещество не задерживалось
o химическая инертность (минимизировать адсорбцию на границе газ-носитель)
o термическая устойчивость
Химически связанные НФ
Получают химической модификацией поверхности твердого носителя (обычно силикагеля) для обеспечения более хорошей связи, для предотвращения испарения жидкости при высокой температуре, повышения термостойкости.
Преимущества:
o возможность нанести более тонкий и равномерный слой на носитель (по сравнению с жидкой фазой)
o высокая эффективность
o высокая термическая устойчивость
o высокая устойчивость к растворителям (предотвращается смыв НФ с носителя, возможность регенерации)
Подвижная фаза
Газы-носители: Ar, He, H2, N2
Параметры, на которые влияет газ-носитель:
o эффективность системы - низкомолекулярные газы (He, H2) имеют большие коэффициенты диффузии, поэтому обеспечивают эффективное и быстрое разделение
o устойчивость ПФ и НФ - не инертные газы (H2, O2) способны взаимодействовать с веществами и материалами деталей хроматографа
o сигнал детектора - некоторые детекторы требуют использования специальных газов
Газ-носитель не оказывает влияния на селективность (удерживание).
Основная характеристика - линейная скорость потока газа-носителя. Измеряется на выходе из колонки (мл/мин).[4]
3. ГАЗОВЫЙ ХРОМАТОГРАФ. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА
Любая газохроматографическая установка обязательно должна содержать следующий перечень узлов:
* источник газа-носителя;
* вентиль тонкой регулировки скорости потока газа-носителя;
* устройство для ввода пробы;
* хроматографическая колонка;
* детектор;
* термостат колонки и термостат детектора;
* регистратор;
* измеритель скорости потока газа-носителя.
Принципиальная схема установки для газовой хроматографии приведена на рис. 2.
Рассмотрим назначение и устройство основных узлов газохроматографической установки.
Рис.2. Принципиальная схема газового хроматографа
(1 ? источник газа-носителя; 2 ? вентиль тонкой регулировки скорости потока газа-носителя; 3 ? устройство для ввода пробы; 4 ? хроматографическая колонка; 5 ? детектор; 6 ? термостат колонки и термостат детектора; 7 ? регистратор; 8 ? измеритель скорости потока газа-носителя)
Подвижная фаза. Характеристика основных представителей
При выборе газа-носителя следует учитывать, что природа газа-носителя оказывает влияние как на характеристики разделения компонентов анализируемой смеси в хроматографической колонке, так и на параметры работы детектора. В этой связи не всегда оптимальный для данного детектора газ-носитель является наилучшим с точки зрения обеспечения высокоэффективного разделения веществ анализируемой смеси, и наоборот.
Исходя из этого, и определены следующие основные требования, предъявляемые к газу-носителю:
* газ-носитель должен способствовать обеспечению оптимального разделения компонентов смеси;
* газ-носитель должен обеспечить максимально высокую чувствительность детектора;
* газ-носитель должен характеризоваться химической инертностью по отношению к компонентам разделяемой смеси, наполнителю хроматографической колонки, материалу, из которого изготовлена колонка и подводящие газ магистрали;
* газ-носитель должен иметь достаточно высокую степень чистоты (99,9 - 99,99 % основного компонента);
* газ-носитель должен существенно хуже удерживаться неподвижной фазой по сравнению с любым из разделяемых компонентов, поскольку только в этом случае выполняются условия элюентного анализа;
* газ-носитель должен иметь небольшую вязкость для поддержания минимального перепада давления в колонке, минимального значения разности давлений газа-носителя на входе в колонку и на выходе из нее;
* газ-носитель должен обеспечивать оптимальное значение коэффициентов диффузии разделяемых компонентов, способствующее минимальному размыванию полос;
* газ-носитель должен быть взрывобезопасен;
* газ-носитель должен быть достаточно дешев. В практике газовой хроматографии в качестве газа-носителя чаще всего используются индивидуальные газы, газообразные соединения и смеси газообразных соединений: азот, водород, гелий, аргон, углекислый газ, воздух.[5]
Основными примесями, мешающими выполнению газохроматографических разделений, являются вода, кислород, органические соединения.
Обычным способом очистки газа-носителя от названных примесей является пропускание его через осушительную колонку, заполненную силикагелем, и колонки, заполненные молекулярными ситами и активированным углем.
Для очистки гелия используют молекулярные сепараторы, мембраны или низкотемпературную очистку.
Для удаления кислорода из газа-носителя чаще всего используют катализаторы, содержащие, например, медно-магниевый силикат. Активирование катализатора проводится в токе водорода в течение нескольких часов при температуре 100?200оС.
Некоторые газы-носители используются в качестве вспомогательных газов в целях обеспечения функционирования некоторых типов детекторов. Например, водород и воздух - для работы детектора пламенно-ионизационного, кислород - для пламенно-фотометрического детектора, добавки кислорода к газуносителю - для детектора электронного захвата, получение озона из кислорода - при использовании хемилюминесцентного детектора.
Иногда для подавления повышенной адсорбционной активности носителя используют добавки паров воды к газу-носителю.[6]
Хроматографические колонки