7.7. Газовая хроматография

В жидкостной хроматографии с поверхностью неподвижной фазы (НФ) взаимодействуют не только компоненты разделяемой пробы, но и растворитель, что мешает разделению. В этом отношении существенные преимущества имеет газовая хроматография: газ-носитель, пропускаемый через колонку и переносящий компоненты пробы в виде их паров, практически не взаимодействует с НФ. Есть два основных варианта газовой хроматографии, различающиеся по природе неподвижной фазы и по механизму разделения компонентов пробы:

• газотвердофазная, или, как ее чаще называют, газоадсорбционная, хроматография (ГАХ);

• газожидкостная хроматография (ГЖХ).

Для проведения анализа методами ГАХ или ГЖХ используют одни и те же приборы – лабораторные газовые хроматографы. С практической точки зрения отличия связаны лишь с заполнением колонок тем или другим сорбентом. Но возможности этих методов, их области применения весьма различны.

Практическое применение методов газовой хроматографии. В газоадсорбционной хроматографии колонку заполняют твердым сорбентом, на поверхности которого будут обратимо адсорбироваться компоненты пробы. Неодинаковые значения коэффициента Генри у разных компонентов приводят, как и в жидкостной хроматографии, к разной скорости движения компонентов через колонку и, соответственно, к разделению пробы.

ГАХ – лучший метод разделения и анализа легких неорганических газов, в частности, компонентов воздуха, инертных газов, оксидов азота и серы. При комнатной температуре хорошо определяются СО, СО₂ и легкие углеводородные газы. Хорошо разделяются неполярные вещества. При достаточно длинных колонках, активных адсорбентах и правильно подобранной температуре колонки методом ГАХ удается разделять даже изотопы (например, получают раздельные пики протия и дейтерия). При определении полярных веществ метод ГАХ часто дает неудовлетворительные результаты, так как такие вещества слишком прочно адсорбируются на поверхности многих сорбентов. Изотермы адсорбции для них нелинейны и плохо воспроизводимы. Тем не менее на некоторых полимерных сорбентах методом ГАХ можно определять даже такие полярные соединения, как вода. Газоадсорбционная хроматография позволяет определять и следы металлов, но их надо заранее переводить в летучие гидриды или прочные летучие хелатные комплексы с соответствующими органическими реагентами, например β-дикетонами. Этот прием называют реакционной хроматографией.

В газожидкостной хроматографии колонка содержит неподвижную жидкую фазу (НЖФ), нанесенную на поверхность твердого инертного сорбента или на внутреннюю поверхность самой колонки (капиллярной). По механизму разделения ГЖХ является распределительной хроматографией, т. е. имеет много общего с процессом экстракции. Компоненты пробы двигаются медленнее, чем газ-носитель, поскольку растворяются в НЖФ, а затем вновь извлекаются из нее новыми порциями газа-носителя. Если коэффициенты распределения компонентов пробы между газом-носителем и НЖФ неодинаковы, они движутся через колонку с разной скоростью, разделяются и выходят из колонки поочередно.

Метод ГЖХ – более широко используемый вариант хроматографического анализа, чем ГАХ. В отличие от ГАХ, он применяется в основном для разделения и определения органических веществ (как полярных, так и неполярных). Преимуществом ГАХ является лишь возможность проводить разделения веществ при более высоких температурах колонки (300 °С и выше). При таких температурах метод ГЖХ может давать неудовлетворительные результаты из-за испарения неподвижной жидкой фазы.

ГЖХ – незаменимый метод анализа жидких нефтепродуктов. Но температура кипения всех компонентов пробы не должна превышать 350 °С, а при испарении не должны идти химические реакции. На хроматограмме бензина можно увидеть десятки пиков разных индивидуальных углеводородов; на хроматограмме керосина или дизельного топлива – несколько сотен пиков. Но метод ГЖХ нельзя применить для анализа асфальта или тяжелого мазута, поскольку испарение этих нефтепродуктов потребует настолько высоких температур, что компоненты пробы начнут окисляться и разрушаться (пиролиз).

Другая важная область применения ГЖХ – анализ объектов окружающей среды. Например, так определяют пестициды в почвах и биообъектах, ароматические углеводороды (бензол, толуол и т. п.) в воздухе и т. п.

Значительно реже метод ГЖХ применяют в клиническом анализе и в анализе лекарственных препаратов. В этих случаях в пробах часто присутствуют химически неустойчивые вещества (ферменты, гормоны, антибиотики и т. п.), которые не удается испарять без химических превращений. Здесь предпочтительнее метод жидкостной хроматографии, в котором испарение пробы заменяется намного более щадящим процессом ее растворения. Другая возможность – метод реакционной хроматографии, т. е. разделяемые вещества заранее превращают в более устойчивые и хорошо летучие продукты. Например, для газохроматографического разделения аминокислот проще всего предварительно перевести все аминокислоты в однотипные эфиры, а затем ввести смесь полученных эфиров в хроматограф. А для анализа полимеров сначала специально проводят полный пиролиз исследуемого материала (например, каучука), затем анализируют продукты пиролиза по методу ГЖХ, а уже по результатам этого анализа судят о составе и свойствах исходного полимера. Такой вариант анализа называют пиролитической хроматографией.

Сорбенты и неподвижные жидкие фазы. В газоадсорбционной хроматографии используют твердые адсорбенты двух типов: минеральные и полимерные. Примерно те же вещества используют в методе ГЖХ в качестве носителей неподвижной жидкой фазы, поэтому они должны смачиваться НЖФ. В любом случае сорбенты должны обладать химической инертностью, механической прочностью и стабильностью при высоких температурах. Удельная поверхность сорбента для ГЖХ может быть меньшей (5–20 м²/г), чем у сорбентов для газоадсорбционной или жидкостной адсорбционной хроматографии (50–100 м²/г). Частицы сорбента, загружаемые в колонку, должны быть приблизительно одинаковы по размеру и иметь поры одного и того же диаметра.

Если в жидкостной хроматографии в качестве сорбентов чаще всего применялись оксид алюминия и целлюлоза, то сорбенты для газожидкостной хроматографии обычно представляют собой переработанные диатомиты (ископаемые продукты минерализации древних одноклеточных организмов). Наибольшее распространение получили диатомитовые сорбенты, выпускаемые под условными названиями: сферохром, хроматон, карбохром, целит, кизельгур и др. Иногда в качестве сорбентов в методе ГАХ применяют силикагели, природные цеолиты, активные угли, графитированные сажи. Носителями НЖФ в методе газожидкостной хроматографии могут быть даже мелкие стеклянные шарики или битый кирпич. Очень инертны, но несколько менее устойчивы к высоким температурам полимерные сорбенты на основе фторсодержащих органических веществ или сополимеров стирола и дивинилбензола. Условные названия этих сорбентов: полихромы, полисорбы, хромосорбы, порапаки и др. Их преимущественно применяют в методе ГЖХ в качестве носителей НЖФ.

Чтобы нанести НЖФ на поверхность носителя, его обрабатывают раствором НЖФ в легколетучем органическом растворителе (например, в эфире). Затем носитель отфильтровывают и дожидаются испарения эфира. НЖФ остается на поверхности каждой частицы носителя (или на внутренних стенках капиллярной колонки) в виде тончайшей, но прочно удерживаемой пленки. В качестве НЖФ используют многочисленные высококипящие вещества, относящиеся практически ко всем классам органических соединений. Особенно часто применяют высшие углеводороды (например, сквалан, апиезон и др.), эфиры (полиэтиленгликоль, карбовакс и др.), кремнийорганические соединения (силиконовые эластомеры).

НЖФ должна отвечать следующим требованиям:

• низкое давление при высокой температуре (нелетучесть);

• химическая устойчивость при нагревании;

• отсутствие химических реакций с разделяемыми веществами, материалом колонки, сорбентом и газом-носителем. Иногда НЖФ специально химически связывают с поверхностью носителя, но такие сорбенты применяют довольно редко.

Каждая НЖФ имеет свою максимальную температуру использования. Например, колонки со скваланом выдерживают нагрев до 125 °С, с полиэтиленгликолем (ПЭГ) – до 200°, а с силиконовыми НЖФ – до 300 °С. Подготовленную колонку перед началом эксплуатации долго выдерживают при максимально возможной температуре для полного удаления растворителя и летучих примесей из НЖФ. Если колонку эксплуатировать при еще более высокой температуре, будет испаряться сама НЖФ, пары или продукты ее термического разложения попадут в детектор. В этом случае он зафиксирует сильный фон, что не позволит записать хроматограмму. Естественно, в методе ГАХ, не связанном с применением НЖФ, можно применять намного более высокие температуры, чем в методе ГЖХ.

Так как в методе ГЖХ компоненты пробы делятся из-за их различной растворимости в НЖФ, надо подбирать фазы, учитывая растворимость предполагаемых компонентов пробы. Если растворимость будет слишком мала, компоненты пробы пройдут через колонку почти с такой же скоростью, что и газ-носитель, и не разделятся. При слишком высокой растворимости скорость движения компонентов пробы через колонку будет настолько низкой, что анализ потребует недопустимо большого времени. Оптимальным вариантом считают среднюю скорость движения компонентов, которая в 2–4 раза ниже скорости движения газа-носителя. Этому варианту соответствует определенный диапазон значений растворимости.

Устройство и принципы работы газового хроматографа. В схему любого газового хроматографа (рис. 7.8) входят: 1 – баллон с газом-носителем (азотом или гелием); 2 – блок подготовки газа-носителя; 3 – дозатор (испаритель); 4 – колонка; 5 – термостаты испарителя и колонки; 6 – детектор; 7 – регистрирующая аппаратура (самописец, интерфейс и т. п.). Подготовка газа-носителя подразумевает его очистку от микропримесей. Одновременно устанавливают необходимые значения давления газа и скорости его движения через колонку. Точно измеренный объем жидкой (или реже газообразной) пробы быстро вводят в поток газа с помощью шприца, прокалывая им резиновую прокладку и отмечая момент ввода пробы в испаритель. Другой способ ввода – использование специальных кранов-дозаторов. Обычно объем жидкой пробы – от 0,5 до 10 мкл.

Рис. 7.8. Схема газового хроматографа.

Сплошными линиями показано движение газа, пунктиром – передача электрического сигнала

В испарителе создается температура, намного более высокая, чем температура кипения наименее летучего компонента пробы. После испарения компоненты пробы попадают в хроматографическую колонку. Колонки изготавливают из инертных материалов (медь, сталь, стекло, кварц). Колонки могут быть насадочными или капиллярными. Насадочные колонки изогнуты в виде U‑образной трубки или спирали, они сравнительно короткие (до 6 м) и широкие (внутренний диаметр – менее 1 см). Внутри насадочной колонки находится мелкодисперсный сорбент (носитель с нанесенной на его поверхность НЖФ). Капиллярные колонки имеют гораздо большую длину (до 500 м, обычно 50–100 м) и меньший диаметр (1–2 мм), чем насадочные. Такие колонки являются гибкими, и их наматывают на специальные катушки. НЖФ наносят на внутренние стенки капиллярной колонки.

В ходе разделения компонентов пробы температура колонки может быть постоянной (изотермический режим) или постепенно повышаться (режим программирования). Если число компонентов исследуемой смеси невелико, и они относительно близки по температуре кипения и другим свойствам, программирование температуры не требуется. Однако смеси, компоненты которых сильно различаются по молекулярной массе и температуре кипения, в изотермическом режиме разделить не удается. При сравнительно низкой температуре колонки анализ идет слишком долго, а пики малолетучих компонентов размываются и накладываются друг на друга. А при высокой температуре колонки наиболее легкие (летучие) компоненты пробы моментально проскакивают через колонку и выходят одним пиком (рис. 7.9). Поэтому разделение смесей сложного состава проводят не в изотермическом режиме, а в режиме программирования, т. е. постепенно увеличивают температуру колонки. Разумеется, температура колонки должна оставаться более низкой, чем температуры разложения и испарения НЖФ.

Например, после ввода пробы температуру колонки повышают от начального значения 80 °С до конечного значения 200 °С со скоростью 5 градусов в минуту (линейное програмирование). Вначале, пока колонка относительно холодная, в ней эффективно делятся легкие компоненты, а в конце анализа в очень горячей колонке эффективно делятся наиболее тяжелые компоненты. Заданный температурный режим обеспечивается с помощью специального термостата, управляемого заранее заданной программой.

Рис. 7.9. Вид хроматограммы смеси спиртов, полученной на одной и той же НЖФ в изотермическом режиме (А) и при программировании температуры колонки (Б)

Выходящий из колонки газ-носитель с компонентами пробы проходит через детектор. Как правило, для сравнения через другой канал детектора в это же время подается газ-носитель, не содержащий компонентов пробы (на рис. 7.8 это не показано). Отклик детектора, вызванный различием какого-либо физического свойства газа в обоих каналах, усиливается и подается на самописец, вычерчивающий хроматограмму, или преобразуется в цифровую форму для компьютерной обработки с последующей выдачей готовой хроматограммы на экран или на печать. В ходе обработки практически мгновенно определяется точное положение, высота и площадь каждого пика, по заранее заданным формулам производится расчет концентраций компонентов. Некоторые современные хроматографы оснащены базами данных по свойствам всех предполагаемых компонентов пробы и программным обеспечением для автоматического отнесения пиков (так называемые системы компьютерной идентификации). Пользователь системы получает не только хроматограмму пробы, но и таблицу, в которой перечислены названия опознанных компонентов и указана концентрация каждого.

Детекторы в газовой хроматографии. Чаще всего хроматограммы регистрируют с использованием катарометра (детектора по теплопроводности). Сигнал, формируемый катарометром (отклик), определяется разностью между теплопроводностью газа, выходящего из колонки в данный момент времени, и теплопроводностью чистого газа-носителя. Отклик появляется, когда в выходящем из колонки газе появляется примесь одного из компонентов пробы, а после окончания выхода этого компонента отклик падает до нуля. Катарометр является универсальным детектором, т. е. он реагирует на любые компоненты пробы, за исключением тех, у которых теплопроводность паров не отличается от теплопроводности чистого газа-носителя. При прочих равных условиях отклик катарометра зависит от природы детектируемого вещества. Коэффициенты чувствительности катарометра к разным веществам можно найти в справочной литературе или установить опытным путем.

Намного более чувствителен пламенно-ионизационный детектор (ДИП). Внутри такого детектора между двумя металлическими электродами горит водородное пламя, в которое попадает газ, выходящий из хроматографической колонки. Чистый газ-носитель не вызывает появления в пламени ионов, и электропроводность пламени практически равна нулю. Не вызывает отклика и выход из колонки неорганических примесей. Однако появление любых органических веществ (компонентов пробы) и их горение в пламени ведет к образованию ионов, к резкому увеличению электропроводности пламени. Сила соответствующего тока и будет откликом детектора, прямо пропорциональным содержанию органического вещества в выходящем из колонки газе. Природа органического вещества не имеет существенного значения, коэффициенты чувствительности ДИП к разным органическим веществам практически одинаковы.

Существуют и еще более чувствительные детекторы, в которых отклик формируется другими способами (детектор электронного захвата, фотоионизационный детектор, термоионный детектор и т. п.). Эти детекторы не универсальны, а селективны, т. е. их отклик формируется лишь некоторыми веществами, выходящими из хроматографической колонки. Так, детекторы электронного захвата реагируют на соединения, в состав которых входят галогены, но не реагируют на углеводороды.

Все вышеперечисленные детекторы являются дифференциальными, т. е. они измеряют концентрацию примеси в газе-носителе, выходящем из колонки в данный момент времени. Существуют и интегральные детекторы, измеряющие суммарное количество прошедших через них веществ-примесей¹. Хроматограмма смеси органических веществ, записанная с применением интегрального детектора, имеет ступенчатую форму, она похожа на полярограмму смеси ионов. По таким хроматограммам тоже можно проводить качественный и количественный анализ смеси, но интегральные детекторы на практике используют реже, чем дифференциальные. В дальнейшем предполагается, что хроматограммы смесей записаны с применением дифференциальных детекторов, т. е. содержат ряд пиков.

Вид хроматограммы и параметры пиков. Если компоненты пробы хорошо разделены, а детектор является универсальным, число пиков на хроматограмме соответствует числу компонентов. Если коэффициенты распределения компонентов между ПФ и НФ не зависят от концентрации (изотермы сорбции линейны), форма пиков соответствует кривой нормального распределения, т. е. пики симметричны (рис. 7.10).

Рис. 7.10. Параметры хроматографического пика

Каждый пик имеет ряд численных характеристик (параметров), которые измеряют на хроматограмме или рассчитывают по непосредственно измеренным величинам. Первая группа параметров (характеристики удерживания) характеризует положение пика, они зависят не от концентрации компонентов, а от их природы:

• t_R – время от момента ввода пробы до прохождения компонента через детектор. Эту величину называют измеренным временем удерживания. На хроматограмме ему соответствует расстояние l_R (в миллиметрах или сантиметрах) – от начала записи данной хроматограммы до абсциссы максимума пика. Величина t_R складывается из двух составляющих: времени пребывания компонента в подвижной фазе (t₀) и времени пребывания в неподвижной фазе ( ). Значение t₀ невелико, его определяют по времени прохождения через колонку несорбируемого компонента пробы или чистого газа-носителя;

• – исправленное время удерживания, его находят по разности:

; (7.14)

• – относительное время удерживания. Эта безразмерная величина вычисляется как отношение исправленных времен удерживания данного пика и некоторого другого вещества, условно принятого в качестве стандарта.

. (7.15)

Исправленные времена удерживания лучше воспроизводимы, чем t_R, и точнее характеризуют компоненты пробы. Преимущество относительных времен удерживания – то, что они практически не зависят от скорости движения газа-носителя, а потому позволяют более надежно идентифицировать компоненты. Еще лучше применять для этой цели логарифмические индексы удерживания (индексы Ковача). Этот способ используется в качественном анализе объектов окружающей среды и в анализе нефтепродуктов (обычно при изотермических разделениях). Индекс I_x характеризует удерживание вещества Х в данной колонке при некоторой постоянной температуре. Положение пика Х на полученной хроматограмме сравнивают с положением пиков двух предельных углеводородов нормального строения (н-алканов). Имеются в виду специально добавляемые в пробу в качестве стандартных веществ н-алканы, между пиками которых находится пик Х. Индексы удерживания н-алканов считают равными числу углеродных атомов в их молекулах, умноженному на 100, т. е. индекс удерживания метана равен 100, этана – 200, пропана – 300, н‑бутана – 400 и т. д. Положение пиков всех остальных соединений определяют именно в этой шкале. Значение индекса Ковача рассчитывают методом линейной интерполяции по логарифмам исправленных времен удерживания. При этом используют формулу:

, (7.16)

где и – исправленные времена удерживания н-алканов, молекулы которых содержат n и n+1 атомов углерода, а – исправленное время удерживания Х. Отметим, что при повторном вводе пробы (даже на другом хроматографе) значения индексов воспроизводятся с точностью до десятых долей единицы. Индексы Ковача почти не меняются с изменением температуры и скорости газа-носителя, но сильно меняются при переходе к другим неподвижным фазам.

Другая группа параметров описывает форму и площадь единичного хроматографического пика (рис. 7.10). Это высота пика (h), ширина пика у основания (μ), ширина на половине высоты (полуширина, μ_0,5 ), площадь (S). Площади пиков обычно измеряют электронным интегратором. Если пик симметричен, можно приближенно оценить его площадь и без интегратора, вручную, – как произведение высоты пика на его полуширину.

Третья группа параметров описывает степень наложения двух соседних пиков на хроматограмме. Наиболее важный параметр – разрешение R_S. Тот же параметр иногда называют критерием разделения. Его вычисляют по формуле:

. (7.17)

Разрешение пиков считается допустимым, если R_S > 1, и достаточно полным, если R_S > 1,5. Разрешение тем выше, чем длиннее колонка (см. раздел 7.9).