4.4. Газовая хроматография

Газовая хроматография – метод разделения летучих соединений, где подвижной фазой служит инертный газ (газ-носитель), протекающий через неподвижную фазу, имеющую большую поверхность. В качестве подвижной фазы можно использовать водород, гелий, азот, аргон и углекислый газ. Наиболее часто используют азот, как более доступный и дешевый. Газ-носитель обеспечивает перенос разделяемых компонентов по хроматографической колонке и не взаимодействует ни с разделяемыми веществами, ни с неподвижной фазой.

Одним из вариантов газовой хроматографии является газо-адсорбционная хроматография – это метод, в котором неподвижной фазой является твердый адсорбент. Разделение основано на различии в адсорбции на поверхности твердого носителя. Адсорбция может быть обусловлена неспецифическими (индукционными и дисперсионными) и специфическими взаимодействиями (комплексообразованием, либо образованием водородной связи) и зависит от природы адсорбента и сорбата. В качестве адсорбентов используют пористые носители, которые обладают химической, физической и термической стабильностью; однородной поверхностью, равномерным распределением по размеру пор и известной асорбционной активностью.. Достоинствами адсорбентов в качестве неподвижных фаз являются способность выдерживать высокие температуры, отсутствие фонового сигнала при работе с ионизационными детекторами и высокая селективность. Адсорбенты делятся на неорганические, полимерные (органические) и модифицированные. Среди неорганических адсорбентов особо важны сорбенты на основе углеродных материалов. Это неполярные сорбенты. Широко используются полярные неорганические сорбенты на основе двуокиси кремния. Особый интерес для газо-адсорбционной хроматографии представляет использование цеолитовых молекулярных

сит (M2/nO•Al2O3•xSiO2•yH2O). Наиболее многообразны полимерные сорбенты на основе пористых полимеров стирола и дивинилбензола. Основная область применения полимерных сорбентов – разделение полярных газов и высоко полярных органических соединений; определение воды в органических растворителях и летучих органических примесей в воде.

Классификация адсорбентов по их геометрической структуре:

Газоадсорбционная хроматография является удобным методом определения в воздухе низких (до 0,03 мкг/л) таких токсичных газов, как фосфин и арсин. Возможно определение в воздухе таких токсичных и реакционно способных соединений, как Н2S, SO2, COS и меркаптанов. Газовая хроматография позволяет получать ценную и уникальную информацию о составе запахов пищевых продуктов, таких, как сыр, кофе, икра, коньяк и др. Газовая хроматография находит широкое применение в медицине для определения содержания многочисленных лекарственных препаратов, определения уровня жирных кислот, холестерина, стероидов и т.д. в организме больного. Успешно используется для определения содержания полициклических ароматических соединений, опасных для здоровья человека, в воде и в воздухе, уровня бензина в воздухе помещений автозаправочных станций, состава выхлопных газов автомобилей в воздухе и т.д.

Газо-жидкостная хроматография. В газо-жидкостной хроматографии разделение компонентов пробы достигается за счет многократного повторения процессов распределения между движущейся газовой и неподвижной жидкой фазами. Скорость миграции компонентов

зависит от их летучести и способности растворяться в стационарной жидкой фазе. Компоненты с низкой растворимостью в жидкой фазе и наибольшей летучестью при данной температуре продвигаются по колонке быстрее, и, наоборот, компоненты с низкой летучестью и высокой

растворимостью в стационарной фазе обладают малой подвижностью. Чем больше подвижность, тем меньше время удерживания. Этот вид хроматографии используется для разделения газов и паров жидкостей. В качестве адсорбентов используют стеклянные шарики,

силикагель и политетрафторэтилен.

Основное различие газо-жидкостной от газо-адсорбционной хроматографии заключается в том, что в первом случае метод основан на использовании процесса растворения и последующего испарения газа из жидкой пленки, удерживаемой твердым инертным носителем; во втором случае процесс разделения основан на адсорбции и последующей десорбции газа или пара на поверхности твердого вещества – адсорбента. В газо-жидкостной хроматографии применяется ряд детекторов, специфически реагирующих на любые органические вещества. К их числу относятся ионизационные детекторы, детекторы электронного захвата, термоионные, спектрофотометрические и некоторые другие детекторы.

Метод применяется для определения широкого круга соединений в атмосферном воздухе и воздухе жилых и производственных помещений, различных водах и почве. Наиболее важными классами определяемых соединений являются нефтепродукты, диоксины, полихлоринованные бифенилы, амины, полициклические ароматические углеводороды и пестициды.

Прибор. Принципиальная схема газового хроматографа:

1- баллон с газом-носителем; 2- блок подготовки газов; 3- дозирующая петля; 4- испаритель; 5- колонка; 6-термостат; 7- детектор; 8 – блок питания; 9- усилитель сигнала детектора; 10- регистрирующее устройство.

В данном приборе имеется система подачи потока газа-носителя, система подготовки и ввода исследуемой смеси, хроматографическая колонка с системой регулирования ее температуры, анализирующая система (детектор) и система регистрации результатов разделения и анализа (регистратор).

Разделение в хроматографической колонке является важнейшей операцией всего процесса газохроматографического анализа. Вышедшие из колонки бинарные смеси (газ-носитель – компонент) попадают в детектирующее устройство, где происходит преобразование изменений концентраций компонентов во времени в электрический сигнал, регистрируемый при помощи специальной системы в виде кривой, называемой хроматограммой. Результаты всего опыта в значительной степени зависят от правильного выбора типа детектора, его конструкции. Существует несколько классификаций детекторов. Различают дифференциальные и интегральные детекторы. Дифференциальные детекторы регистрируют мгновенное значение одной из характеристик (концентрации или потока) во времени. Интегральные детекторы суммируют количество вещества за определенный промежуток времени. Также применяют разнообразные по принципу действия, чувствительности и назначению детекторы: термокондуктометрические, ионизационные, спектроскопические, масс-спектрометрические, кулонометрические и многие другие.

Универсальным является катарометр – детектор по теплопроводности, принцип работы которого основан на изменении температуры нагретых нитей (чувствительных элементов) в зависимости от теплопроводности окружающего газа, которая определяется его составом. Детектор измеряет различие в теплопроводности чистого газа-носителя и смеси газа-носителя с определяемым веществом. Наиболее широко используются ионизационные детекторы,

принцип работы которых основан на изменении ионного тока, вызванного введением в детектор анализируемого вещества. Ионный ток возникает под действием источника ионизации и электрического поля между электродами детектора. В качестве источников ионизации используют: – пламена (пламенно-ионизационный детектор), – электронную и ионную эмиссию (термоионный детектор), – радиоактивные изотопы (детектор электронного захвата)

– электрический разряд, – фотоионизацию (фотоионизационный детектор).