Основная задача хроматографической колонки состоит в том, чтобы разделить многокомпонентную анализируемую смесь на серию последовательно выходящих из колонки бинарных смесей, индивидуальный компонент-газ-носитель, которые затем используются в соответствии с назначением хроматографической колонки.
Хроматографические колонки в соответствии с их назначением подразделяются на колонки аналитические, колонки препаративные и так называемые предколонки.
Главное назначение аналитической хроматографической колонки состоит в том, чтобы разделить многокомпонентную смесь на серию бинарных смесей компонент-газ-носитель, для которых уже может быть применен прибор, регистрирующий состав этой смеси и позволяющий установить качественный состав анализируемой смеси и количественное содержание каждого из компонентов.
Препаративныехроматографические колонки предназначены для получения методами газовой хроматографии в чистом виде необходимых количеств тех или иных компонентов, присутствующих во вводимой в колонку пробе. Предколонки позволяют решить задачу предварительного концентрирования компонентов пробы из достаточно больших объемов для последующего их разделения или решить задачу извлечения из объема анализируемой пробы мешающих разделению компонентов.[7]
На данном этапе изучения программного материала наибольший интерес для нас представляют хроматографические колонки аналитического назначения.
Аналитические колонки в зависимости от величины внутреннего диаметра, способа размещения неподвижной фазы и соответственно организации внутреннего пространства подразделяются следующим образом:
* насадочные колонки, характеризующиеся величиной внутреннего диаметра 2 ? 5 мм;
* микронасадочные колонки с величиной внутреннего диаметра 1.0 ?2.0 мм;
* макрокапиллярные колонки с величиной внутреннего диаметра 0.3 ? 0.5 мм;
* микрокапиллярные колонки с величиной внутреннего диаметра 0.10 ? 0.25 мм.
Для капиллярных колонок существует дополнительная классификация:
* колонки, содержащие неподвижную жидкую фазу непосредственно на гладких внутренних стенках колонки;
* колонки, содержащие на гладких внутренних стенках слой пористого сорбента;
* колонки, содержащие на внутренних стенках твердый носитель, пропитанный неподвижной жидкой фазой;
* колонки с химически привитой неподвижной жидкой фазой, в которых неподвижная жидкая фаза химически связана с внутренней поверхностью капилляра.
Основные требования, предъявляемые к материалу колонки следующие:
* материал колонки не должен быть химически активным или действовать каталитически по отношению к неподвижной фазе и разделяемым компонентам;
* должен обеспечивать возможность изготовления колонок необходимой формы;
* должен выдерживать нагревание до нужной температуры.[8]
Из насадочных колонок наиболее удобны в изготовлении и эксплуатации металлические колонки из нержавеющей стали, меди, алюминия. В этом плане следует, однако, обязательно учитывать, что медь реагирует с ацетиленовыми углеводородами, катализирует разложение спиртов. Алюминиевые колонки, в свою очередь, непригодны для заполнения молекулярными ситами. Разделение хелатов металлов следует производить в основном на колонках из боросиликатного стекла.
Длина насадочных колонок обычно от 1 до 3 м, реже до 10 м. Форма колонок - прямая, U-образная, W-образная, спиральная. Длина и форма насадочных колонок определяется, как правило, размерами термостата колонок.
При изготовлении спиральных колонок следует учитывать, что диаметр витка спирали не должен быть чрезмерно маленьким, так как длина пути газа по внешней и внутренней поверхности трубки будет существенно различаться, и это вызывает дополнительное размывание зоны. Обычно отношение радиуса спирали к радиусу колонки составляет величину порядка 80.
Промежуточное положение между насадочными и капиллярными колонками занимают микронасадочные колонки. Они появились в 1962 году в результате попытки сочетать достоинства насадочных и капиллярных колонок.
Капиллярные колонки изготавливают преимущественно из стекла, так как стекло обладает наименьшей адсорбционной и каталитической активностью. Колонки, изготовленные из меди, нержавеющей стали, применяют в основном для анализа углеводородов.[9]
С 1977 года широко применяются капиллярные колонки из кварца. Их преимущество заключается в низком содержании оксидов металлов: щелочных, алюминия, железа, бора. Оксиды способны легко взаимодействовать с молекулами?донорами электронов, сильные основания (например, амины) могут хемосорбироваться и вообще не выходить из колонки. Для придания капиллярным колонкам дополнительной прочности их внешняя поверхность покрывается лаком специального состава.
Второй класс хроматографических колонок составляют препаративные колонки. Вследствие своего назначения ? получения достаточно больших количеств особо чистых веществ ? хроматографические колонки этого класса характеризуются величиной внутреннего диаметра от 10 мм и более, длиной от одного до нескольких десятков метров. Основной материал для их изготовления - нержавеющая сталь.
Хроматографические колонки третьей группы (предколонки) изготавливаются из материалов и имеют характеристики, отвечающие их назначению в каждом конкретном случае.[10]
Дозирование пробы
Правильный ввод пробы предполагает обязательное выполнение трех основных требований:
* обеспечение минимального размывания пробы в системе ввода пробы;
* обеспечение максимальной точности и воспроизводимости дозируемого количества образца;
* обеспечение неизменности количественного и качественного состава смеси до и после дозирования.
Первое требование исходит из того, что в упрощенной теории линейной хроматографии идеальная модель исключает какое-либо размывание пробы в системе ввода, поскольку предполагается, что образец в начале хроматографической колонки занимает объем неподвижной фазы, эквивалентный одной теоретической тарелке.
Теоретическая тарелка характеризует такую часть колонки по высоте, на протяжении которой однократно реализуется процесс перехода исследуемого соединения из подвижной фазы в неподвижную и обратно.
На практике конечный объем пробы и конечное время дозирования препятствуют этому. Тем не менее при стремлении к идеальной модели следует вводить минимально возможные по объему пробы за минимально короткий промежуток времени.
Для практической нелинейной хроматографии мгновенный ввод пробы не всегда приводит к оптимальным результатам, поскольку чем выше концентрация компонента на слое сорбента, тем сильнее размывание полосы, когда изотерма адсорбции исследуемого соединения в этой области его концентраций нелинейна.
Таким образом, при мгновенном вводе пробы разбавление образца газомносителем будет гораздо меньшим, чем при медленном дозировании, и, следовательно, в первом случае в колонку войдет узкая полоса с высокой концентрацией, а во втором - более широкая полоса с меньшей концентрацией.
Оптимальное соотношение этих двух противоположно действующих факторов - ширины полосы и концентрации, обусловленное степенью влияния каждого из них на размывание полосы, определяет время дозирования.
Следует учитывать, что существенное влияние на размывание пробы в системе ввода пробы оказывает конструкция дозатора. В соответствии с этим основными требованиями, предъявляемыми к конструкции дозатора, являются следующие:
* минимальный внутренний объем дозатора;
* отсутствие непродуваемых газом-носителем полостей во внутреннем объеме дозатора;
* хорошо сформированный поток газа-носителя должен быстро переносить весь анализируемый образец непосредственно в колонку.
Второе требование к вводу пробы предполагает дозирование образца с высокой точностью и воспроизводимостью, поскольку хроматография является сравнительным методом анализа. Это требование усугубляется стремлением к вводу минимального количества образца, что на современном уровне составляет примерно 1 мкл газовой пробы и 0.05 мкл жидкой пробы.
Третье требование к вводу пробы предусматривает исключение изменения качественного состава пробы и количественного соотношения анализируемых компонентов в системе ввода, например, за счет разложения при контакте с нагретыми металлическими стенками испарителя, каталитических превращений, полимеризации, селективной сорбции. В целях устранения этих помех следует:
* использовать полностью стеклянные (еще лучше кварцевые) системы ввода пробы;
* ввод пробы целесообразно осуществлять непосредственно в хроматографическую колонку;
* температура зоны испарения обязательно должна быть выше температуры кипения самого высококипящего компонента.
Следует обязательно учитывать, что при недостаточно высокой температуре в зоне испарения образца может происходить процесс фракционирования пробы. При этом тяжелые компоненты пробы не могут испариться мгновенно, и поступающий в первый момент в колонку пар будет обеднен ими. В особых случаях температура испарителя может программироваться, если стоит задача фракционирования сложной по составу анализируемой смеси уже в испарителе.
Кроме отмеченных общих требований имеются и специфические требования к дозирующим устройствам для каждого из агрегатных состояний проб: газообразных, жидких, твердых.
В зависимости от агрегатного состояния анализируемой пробы используются различные способы их ввода.
Ввод газообразных проб можно осуществить либо с помощью обычного медицинского шприца, либо используя специальные дозирующие устройства. хроматография газовый шток адсорбционный
Использование шприца приводит к существенным ошибкам вводимых объемов пробы (± 10 %) вследствие того, что конец иглы шприца открыт и давление в шприце равно атмосферному, в то время как давление в устройстве для ввода пробы выше атмосферного, и поэтому выше, чем во внутреннем объеме шприца. Следовательно, для ввода пробы необходимо создать поршнем давление большее, чем на входе в хроматограф. Поэтому остаточный объем газа в игле шприца всегда находится при повышенном давлении, его количество отличается от значения при нормальных условиях и не является постоянным.
Специальные дозирующие устройства подразделяются: газовый кран, газовый шток, газовая петля.
При использовании этих дозирующих устройств анализируемая проба становится частью объема газа-носителя и вместе с ним поступает в колонку. Устройство газового крана приведено на рис. 3.
Сначала анализируемая газообразная смесь, подаваемая из газометра или газопровода под постоянным давлением, заполняет внутренний объем канала 1-2 газового крана. Затем поворотом крана канал с анализируемой газовой смесью помещается в поток газа-носителя и поступает в колонку.
Рис. 3. Схема устройства газового крана
На рис. 4 приведена схема дозирующего устройства с движущимся штоком.
Рис. 4. Схема устройства газового штока
Основным недостатком обеих конструкций является невозможность изменения величины дозирующего объема.
Этого недостатка лишен кран-дозатор со сменными дозирующими газовыми петлями. Схема крана-дозатора приведена на рис. 5.
Рис. 5. Устройство газовой петли
Ввод жидких проб. В первых газохроматографических приборах жидкая проба вводилась в колонку с помощью микропипетки. При этом поток газаносителя прерывался. В 1954 году Рэй предложил метод ввода пробы в непрерывно движущийся поток газа-носителя с помощью шприца через самоуплотняющуюся резиновую мембрану.
Устройство для ввода жидких проб должно быть обязательно снабжено испарителем, в котором образец мгновенно испаряется, смешивается с газомносителем и поступает в хроматографическую колонку.[11]
К испарителям проб предъявляются следующие требования:
* обеспечение равномерного обогрева в интервале температур 50?500оС с точностью ± 5оС;
* минимальный объем зоны испарения;
* отсутствие непродуваемых газом-носителем полостей;
* самоуплотняющаяся прокладка из специального материала должна поддерживаться при более низкой температуре, чем испаритель, за счет постоянного обдува;
* проба должна вводиться в горячую зону испарителя достаточно длинной иглой;
* поток газа-носителя должен формироваться таким образом, чтобы свести к минимуму обратную диффузию паров образца в холодную зону возле прокладки и в подводящие линии;
* газ-носитель до контакта с парами вещества должен нагреваться до температуры испарителя;
* внутренняя поверхность испарителя должна быть доступна для чистки;
* химические превращения разделяемых соединений в испарителе проб должны отсутствовать.[12]
Ввод жидких проб чаще всего осуществляется с помощью микрошприца. Микрошприц состоит из стеклянного цилиндра с калиброванным внутренним каналом, металлического поршня и иглы (рис. 6).