1.5.1. Газові хроматографи
Газову хроматографію проводять у газовому хроматографі, принципову схему роботи якого наведено на рис. 1.5.
Принцип дії газового хроматографа. Потік газу-носія з балона 1 через регулятори витрат і тиску 2 безупинно й у регульованій кількості подається через випарник у хроматографічну колонку з термостатом 4 у детектор 5. Пробу для аналізу за допомогою спеціального обладнання (шприців-дозаторів, пробовідбірних кранів) подають у систему введення 3, звідки вона переноситься потоком газу-носія безпосередньо в колонку. При проходженні отриманої газової суміші уздовж сорбенту в колонці відбувається розділення суміші на компоненти. З колонки газ-носій несе в певній послідовності розділені компоненти до детектора. Електричний сигнал від детектора через перетворювач сигналів 6 реєструється в записуючому обладнанні 7 у вигляді хроматограми.
Рис. 1.5. Принципова схема газового хроматографа:
1 – джерело газу-носія (рухома фаза); 2 – регулятор витрати газу-носія; 3 – пристрій для введення проби; 4 – хроматографічна колонка в термостаті; 5 – детектор; 6 – електронний підсилювач; 7 – реєструючий пристрій (самописець, комп'ютер); 8 – пристрій для вимірювання витрати газу.
Таким чином, основними системами будь-якого газового хроматографа є колонка і детектор. Хроматографічна колонка розділяє, а детектор кількісно визначає компоненти газової суміші, що проходять через неї.
Детектори поділяють на диференційні й інтегральні. Диференційні детектори реєструють зміни теплопровідності газу, інтегральні – підсумовують зміни за певний час.
Термокондуктометричні детектори, які вимірюють теплопровідність називаються катарометрами. У катарометрі чутливим елементом є вольфрамова нитка, що нагрівається постійним струмом. Газ-носій, безперервно протікаючи над нею, відводить тепло з постійною швидкістю. Якщо в газовій суміші над нагрітою ниткою з'являються молекули аналізованої речовини, то швидкість відводу тепла, температура та електричний опір нитки змінюються. Зміна електричного опору нитки пропорційна концентрації компонента в газовій суміші. Різниця в показах до і після проходження якого-небудь компонента реєструється електричною схемою. Цей детектор практично універсальний та дозволяє визначити концентрацію речовини в межах 0,1 – 0,01 %. Принцип роботи детектора по теплопровідності або катарометра оснований на процесі передачі тепла від нагрітого чутливого елемента до більш холодного корпусу детектора за рахунок теплопровідності газового потоку. Зі зміною складу газового потоку змінюється його теплопровідність, тобто кількість тепла, що поступає на чутливий елемент. Це, у свою чергу, призводить до зміни температури, а, отже, і електричного опору чутливого елемента.
Головною частиною іонізаційних детекторів є іонізаційна камера, де відбувається іонізація молекул, що потрапляють у неї з потоком газу-носія із хроматографічної колонки. Іонізацію досліджуваних речовин здійснюють у полум'ї водню, атомами аргону або гелію, повільними електронами. Іони під впливом напруги переміщуються в іонізаційній камері, що призводить до виникнення електричного струму.
Детектор електронного захоплення є селективним детектором, що найчастіше використовується в газовій хроматографії та з метою визначення сполук, які володіють більшою спорідненістю до електронів.
В основі полум'яно-іонізаційних детекторів лежить залежність електричної провідності іонізованого газу від його складу. Сигналом детектора є зміна іонного потоку, спричинена введенням у детектор аналізованої речовини. Газ-носій у суміші з аналізованими компонентами та воднем подається у форсунку пальника, де відбувається іонізація. Детектор являє собою камеру, у якій підтримується полум'я, що є джерелом іонізації. У камеру вводяться необхідні для підтримки полум'я водень і повітря.
Інфрачервоні детектори. Інфрачервона спектроскопія широко застосовується в хімічному аналізі у комбінації з газовою хроматографією. Отриманий інфрачервоний спектр поглинання можна розглядати як індивідуальну характеристику тої чи іншої сполуки й використовувати для її ідентифікації.
Мас-селективний детектор. Мас-спектрометр розглядається як відмінний детектор для газової хроматографії. Отримані з його допомогою спектри надають інформацію про якісний склад проби. При бомбардуванні електронами молекул речовини у газоподібному стані зв'язки в молекулах розриваються й утворюються іони. Вид і кількість фрагментів, що утворюються, характерні для даної молекули. При накладанні магнітного поля рух позитивно заряджених часток прискорюється й відбувається по вигнутих траєкторіях, радіус кривизни яких пропорційний кореню квадратному маси іона. В магнітному полі з постійною напругою потік іонів, що містить іони з ідентичним співвідношенням маса/заряд, потрапляє на колектор. Тут при розряді іонів виникає струм, пропорційний відносній кількості іонів з відповідною масою. Зміни магнітного поля поступово переводять на колектор потоки іонів з іншим співвідношенням маса/заряд.
Детектор по щільності. Робота цього детектора основана на вимірюванні тиску у вертикальній трубці, заповненій газом, що виходить із хроматографічної колонки, при потраплянні в неї разом з газом-носієм аналізованого компоненту. Зміна тиску в цьому каналі пропорційна зміні щільності газового потоку.
Точність і швидкість при аналізі суміші в хроматографі в значній мірі залежать від правильного вибору робочого режиму детектора та умов експерименту (тип сорбенту, температура, швидкість газу-носія, довжина хроматографічної колонки).
Джерело газу-носія – це балон із стислим або зрідженим газом, що перебуває під тиском до 120 атм. Найчастіше при хроматографії використовують гелій, азот, водень та інші гази.
Балони прийнято маркувати певним кольором залежно від газу, яким вони наповнені (табл. 1.1).
Таблиця 1.1
Маркування балонів із газом
Газ |
Колір балона |
Колір напису газу |
Азот |
Чорний |
Жовтий |
Водень |
Темно-зелений |
Червоний |
Гелій |
Коричневий |
Білий |
Аргон (техн.) |
Чорний |
Синій |
Аргон (чистий) |
Сірий |
Зелений |
Кисень |
Блакитний |
Чорний |
Горючі гази |
Червоний |
Білий |