Газовая хроматография

ГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ, метод разделения, идентификации, количественного определения и физико-химического исследования веществ; вид хроматографии, в которой подвижной фазой является газ (пар). По агрегатному состоянию подвижной и неподвижной фаз выделяют газо-жидкостную хроматографию (ГЖХ), в которой неподвижной фазой является нелетучая (малолетучая) жидкость, нанесённая тонким слоем на твёрдый носитель (т. е. система жидкость - твёрдое тело), и газо-твердофазную (ГТХ), или газо-адсорбционную (ГАХ), хроматографию, в которой неподвижная фаза - твёрдое тело. Разделение компонентов в газовой хроматографии основано на различии скоростей движения концентрационных зон исследуемых веществ, перемещающихся в потоке газовой фазы относительно неподвижной фазы, которая характеризуется сорбционными или ситовыми свойствами, причём разделяемые вещества распределены между обеими фазами. ГЖХ была предложена А. Мартином и Р. Сингом в 1941, реализована в 1952 году А. Мартином и американским биохимиком А. Джеймсом.

Проведение эксперимента. Газохроматографическое разделение и определение разделённых компонентов анализируемой смеси проводят в специальном приборе - газовом хроматографе (смотри в статье Хроматографы). Газ-носитель (Не, Н₂, N₂, СО₂, воздух или другие газы) под давлением непрерывно поступает в блок подготовки, где обычно дополнительно проводят его очистку. Устройство для ввода пробы представляет собой проточную независимо термостатируемую микрокамеру. Анализируемая проба (1-10 мкл) вводится в поток газа при повышенной температуре дозатором (например, шприцем) через резиновую термостойкую мембрану в устройство для ввода пробы. Существуют также автоматические системы ввода проб (самплеры). Жидкая проба в устройстве для ввода пробы быстро испаряется и потоком газа-носителя в парообразной форме переносится в хроматографическую колонку, находящуюся в термостате. Разделение проводят при 20-450 °С, иногда (например, при разделении изотопов низкокипящих газов) при значительно более низких температурах (вплоть до температуры кипения жидкого азота). Для аналитических разделений обычно используют насадочные колонки длиной 0,5-6 м и внутренним диаметром 0,1-1,0 см, капиллярные полые колонки длиной 0,5-100 м и внутренним диаметром 0,01-0,75 мм, а также капиллярные насадочные колонки длиной 0,5-20 м. Насадкой служит твёрдый адсорбент с развитой поверхностью (50-500 м²/г) или твёрдый макропористый носитель с удельной поверхностью 0,2-2,0 м²/г (например, хромосорб Р, хромосорб W, хромосорб G и другие диатомитовые носители), на который нанесена нелетучая жидкость - неподвижная жидкая фаза (НЖФ). НЖФ оказывает основное влияние на селективность разделения. Большое преимущество ГЖХ - возможность использования колонок с НЖФ, резко различающимися по составу и селективности. Как правило, полуэмпирическим путём подбирают НЖФ, на которой будут хорошо разделяться все целевые компоненты анализируемой смеси. Наиболее распространённые НЖФ, применяемые, например, в капиллярной хроматографии: диметилсилоксан , фенилметилдиметилсилоксан, трифторпропилметилсилоксан, цианпропилфенилсилоксан, сквалан, карбовакс 20М (полиэтиленгликоль), а также карбовакс 20М, модифицированный 2-нитротерефталевой кислотой, и др. Содержание НЖФ 0,5-10% от массы носителя. Средний диаметр частиц сорбента 0,1-0,4 мм (колонку заполняют близкими по размеру частицами). Применяют также (обычно в капиллярных насадочных колонках) микронасадки с диаметром частиц сорбента 10-50 мкм. В капиллярных колонках для обеспечения стабильной работы чаще всего в качестве НЖФ используют сшитые полимеры (например, различные полисилоксаны), привитые к внутренней поверхности капилляра. Газ-носитель оказывает влияние на удерживание и разделение анализируемых соединений.

После разделения в хроматографической колонке компоненты анализируемой смеси в потоке газа поступают в детектор. В газовой хроматографии используются в основном дифференциальные детекторы (пламенно-ионизационный, фото-ионизационный, термоионный, электронно-захватный, пламенно-фотометрический, детектор по теплопроводности - катарометр). Изменение сигнала детектора во времени регистрируется в виде диаграммы, называемой хроматограммой.

Российские учёные в конце 20 века предложили новый тип капиллярных колонок - поликапиллярные колонки. Такие колонки представляют собой многоканальные трубки, содержащие до 1000 параллельно расположенных капилляров диаметром 10-100 мкм, каждый из которых работает как независимая капиллярная колонка. Продолжительность разделения на поликапиллярных колонках 20-120 с; используются для проведения анализа летучих органических соединений в воздухе, ВВ и пр.

Для качественного и количественного определения состава хроматографических зон, содержащих два и более соединений, используют одновременно несколько различных по селективности детекторов. Использование в качестве высокоселективного детектора масс-спектрометра привело к созданию высокоэффективного комбинированного аналитического метода - хромато-масс-спектрометрии. Для управления хроматографом и обработки полученных данных применяют компьютеры, снабжённые специальными программами.

Хроматографические параметры. В газовой хроматографии используют три группы определяемых по хроматограммам величин: параметры удерживания хроматографических зон, позволяющие проводить качественный анализ компонентов анализируемой смеси; параметры размывания хроматографических зон, характеризующие эффективность используемой колонки; величины содержания в анализируемой смеси отдельных компонентов, пропорциональные площади концентрационных зон анализируемых компонентов. Используют абсолютные (время удерживания, объём удерживания) и относительные (фактор удерживания, относительное удерживание, индекс удерживания) параметры удерживания.

Время удерживания t_Ri - время пребывания соединения i в хроматографической колонке - определяют как время, прошедшее от момента ввода анализируемой пробы в хроматограф до момента регистрации максимума зоны этого соединения. Объём удерживания V_Ri - объём газа-носителя, прошедший через хроматографическую колонку за время удерживания t_Ri; V_Ri = t_RiF_c, где F_c - объёмная скорость газа-носителя на выходе из колонки. Приведённый (исправленный) объём удерживания V’_Ri = (t_Ri- t_M)F_c =  (V_Ri-V_M), где V_M - так называемый мёртвый объём колонки, t_M - время между вводом пробы в колонку и выходом из колонки несорбирующегося компонента. Поскольку по мере продвижения газа-носителя по колонке происходит его расширение и увеличение линейной скорости потока, рассчитывают так называемый чистый объём удерживания V_N, который не зависит от скорости газа-носителя и перепада давления по колонке: V_Ni = jV’_Ri, где j - коэффициент Джеймса-Мартина, учитывающий сжимаемость газа-носителя и давление на входе в колонку и на выходе из неё. Абсолютные величины параметров удерживания используются главным образом при определении различных физико-химических величин.

Более широко в газовой хроматографии используются относительные величины удерживания (например, при проведении качественной идентификации хроматографических зон), мало зависящие от условий эксперимента. Фактор удерживания k_i рассчитывают по уравнению: k_i = (V_Ri — V_M)/V_M = (t_Ri - t_M)t_M. Для идентификации веществ в газовой хроматографии используется величина относительного удерживания (исследуемого вещества i и соединения сравнения q): r_iq = (t_Ri - t_M)/(t_Rq - t_M), или (чаще) индекс удерживания Ковача I_i (в качестве стандарта используют два соседних члена выбранного гомологического ряда органических соединений); I_i = 100z+100[t’_Ri/t’_Rz)]/[lg(/t’_Rz+1/t’_Rz)], где t’_Rz, t’_Rz+1 и t’_Ri - исправленные времена удерживания, например н-алканов с числом углеродных атомов z, z+1 и соединения i; t’_Ri = t_Ri — t_Μ. Надёжность идентификации по относительным величинам возрастает при использовании колонок с разными сорбентами.

Эффективность разделения характеризуется относительным размыванием (расширением) хроматографической зоны вещества при движении его вдоль колонки и количественно определяется числом теоретических тарелок N; N = 5,54(t_Ri/w_Ri)², где w_Ri - ширина хроматографического пика на высоте, соответствующей половине максимальной концентрации. Для характеристики колонки широко используют также величину удельной эффективности N_L = N/L (число теоретических тарелок на 1 м длины колонки) и высоту, эквивалентную одной теоретической тарелке (ВЭТТ), Н = L/N, где L - длина колонки. В зависимости от условий эксперимента на 1 м хроматографической колонки приходится около 1000-20000 теоретических тарелок. Зависимость ВЭТТ в насадочной колонке от линейной скорости газа-носителя u приближённо описывается уравнением Ван-Деемтера: Н=А + В/u + Сu, где А и В - коэффициент вихревой и продольной диффузии соответственно, С - коэффициент сопротивления массопередаче.

Для капиллярных колонок зависимость ВЭТТ от линейной скорости газа-носителя описывается обычно уравнением Голея: Н = В/u+ (С_m + C_s)u, где C_m - коэффициент сопротивления массопередаче в газовой фазе, C_s - коэффициент сопротивления массопередаче в неподвижной фазе. Величина ВЭТТ для капиллярных колонок с тонким слоем жидкой фазы существенно зависит от природы газа-носителя. Применение лёгких газов-носителей (например, Н₂), в которых коэффициенты диффузии анализируемых соединений достаточно большие, позволяет использовать более высокие скорости газа-носителя (проводить экспрессанализ) без существенной потери эффективности.

Разделение смеси на отдельные компоненты является основной целью аналитической газовой хроматографии. Количественной характеристикой разделения двух компонентов i и q служит величина разрешения пиков R_iq = (t_q - t_i)/(w_i + w_q), где w_i и w_q - ширина соответствующего пика на половине его высоты. Зависимость разрешения (степени разделения) от параметров хроматографического разделения описывает уравнение Пернелла: R_iq = SEC, в котором S = (r_iq- 1)/r_iq - характеристика селек­тивности используемого сорбента, Е =  (√N)/4 = (√L)/(4√H) - характеристи­ка эффективности колонки, C = k/(1 + k) - ёмкостная характеристика колонки. Следовательно, степень разделения R_iq - функция селективности, эффективности и ёмкости колонки.

Для характеристики разделительной способности хроматографических колонок используют также величину, которую называют числом разделений SN. Эта величина показывает, сколько разделённых хроматографических зон (пиков) можно получить на данной колонке между двумя пиками двух соседних членов выбранного гомологического ряда.

Для разделения смеси соединений, характеризующихся широким интервалом температур кипения, применяют газовую хроматографию с программированием температуры (в процессе разделения по определённой программе во времени повышают температуру колонки со скоростью от нескольких градусов/мин до нескольких десятков градусов/мин), а также с программированием скорости газового потока. В сверхкритической хроматографии в качестве подвижной фазы используется вещество в сверхкритическом состоянии.

Применение. Газовая  хроматография - наиболее широко используемый вид хроматографии. С помощью газовой хроматографии проводят качественный и количественный анализ термически стабильных органических и неорганических соединений, давление пара которых при температуре колонки обычно превышает 0,13 Па. Метод позволяет определить соединения, находящиеся в анализируемых пробах в очень малых концентрациях - 10^-8-10^-4%. Газовая  хроматография применяется в медицине, пищевой, химической, нефтехимической, газовой, фармацевтической и других отраслях промышленности, для контроля содержания вредных веществ в различных объектах окружающей среды, при проведении космических исследований (например, при изучении атмосферы планет) и пр. Широко используется газовая хроматография также для определения физико-химических характеристик: констант межфазного распределения, коэффициентов активности, констант скорости и равновесия химических реакций, коэффициентов диффузии и др.

Лит.: Martin А. J. Р., Synge R. L. А new form of chromatogram employing two liquid phases // Biochemical Journal. 1941. Vol. 35. № 12; James А.Т., Martin А. J .Р. Gas-liquid partition chromatography: the separation and microestimation of volatile fatty acids from formic acid to dodecanoic acid // Ibid. 1952. Vol. 50. № 5; Жуховицкий А. А., Туркельтауб Н. М. Газовая хроматография. М., 1962; Киселев А. В., Яшин Я. И. Адсорбционная газовая и жидкостная хроматография. М., 1979; Giddings J. С. Unified separation science. Wiley. N. Y., 1991; Berezkin V.G. Gas-liquid-solid chromatography. N.Y., 1991; Малахов В. В., Сидельников В. Н., Уткин В. А. О возможности использования пакета капилляров в качестве хроматографической колонки // Доклады АН. 1993. Т. 329. № 6; Berezkin V. G., de Zeeuw J. Capillary gas adsorption chromatography. Heidelberg, 1996; Poole С. F. The Essence of chromatography. Amst., 2003; Руденко Б. А., Руденко Г. И. Высокоэффективные хроматографические процессы: В 2 т. М., 2003; 100 лет хроматографии / Под редакцией Б. А. Руденко. М., 2003; Березкин В. Г. Что такое хроматография? М., 2005.