Характеристика и основы практического применения метода газовой хроматографии

Характеристика и основы практического применения метода газовой хроматографии

Содержание:

Введение

1. История открытия метода  и его теоретические основы

2. Приборы для реализации  данного метода: устройства и  технические характеристики

3. Алгоритм проведения  исследований с помощью метода  газовой хроматографии на примере

4. Интерпретация результатов  и обобщение полученных данных

Заключение

Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Хроматография – это обширная область физико-химических методов анализа, которая занимается разработкой методов разделения сложных по составу многокомпонентных смесей.

Характерными особенностями любых хроматографических методов являются следующие:

1. Высокая разрешающая  способность процесса разделения, обусловленная высокой эффективностью  процесса, дающая возможность разделения  даже близких по природе, структуре  и свойствам веществ.  Сюда  относятся, например, разделение смесей  аминокислот на индивидуальные  компоненты, разделение смесей углеводородов  на индивидуальные вещества, разделение  смесей редкоземельных элементов  на отдельные элементы, выделение  ферментов в чистом виде и  многие другие разделения.

2. Мягкие условия разделения. Хроматографические разделения осуществляются, как правило, в очень мягких условиях (при атмосферном давлении, при обычных температурах).

Перечислим основные задачи, которые могут быть решены с помощью хроматографических методов:

1. Разделение многокомпонентных  по составу смесей на индивидуальные  компоненты, т.е. по существу это  качественный и количественный  анализ сложных смесей веществ.

2. Концентрирование веществ  из их очень разбавленных растворов.

3. Очистка технических  продуктов, доведение этих продуктов  до заданной степени химической  чистоты, получение чистых химических  реактивов.

4. Проверка вещества на  однородность, на чистоту, т.е. идентификация  вещества, доказательство того, что  оно соответствует данной химической  формуле.

5.  Контроль различных  производств методами хроматографии.

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

История открытия хроматографии. Теоретические основы метода газовой хроматографии.

В 1903 г. молодой русский ботаник Михаил Цвет изучал входящее в состав растений органическое вещество – хлорофилл. Цвет предполагал, что хлорофилл - смесь нескольких неизвестных структурнородственных соединений. Для их разделения Цвет не мог использовать высокотемпературные методы (например, дистилляцию), так как хлорофилл разрушался. Разделение не удавалось осуществить и с помощью уже известных в то время методов осаждения или экстракции:  компоненты хлорофилла слишком сходны по своим свойствам. Поэтому Цвет решил пропустить при комнатной температуре раствор хлорофилла через стеклянную трубку (колонку), заполненную порошком мела. Вначале в верхнюю часть колонки вносили небольшое количество хлорофилла, а затем пропускали через колонку  чистый органический растворитель – петролейный эфир. Компоненты хлорофилла проходили через колонку  медленнее, чем эфир, причем скорость движения разных компонентов была различной. Через некоторое время внутри колонки можно было наблюдать узкие зоны с разной окраской. Постепенно окрашенные зоны перемещались вниз по колонке и разделялись участками, где окрашенные вещества отсутствовали (рис.1).  Распределение окрашенных зон по длине колонки Цвет назвал хроматограммой.

Вытолкнув столбик мела из колонки, Цвет вырезал из него окрашенные зоны и экстрагировал из каждой соответствующий компонент хлорофилла для дальнейших исследований. Таким образом, задача быстрого и полного разделения смеси структурно-родственных веществ без применения высоких температур и химических реагентов была успешно решена.

 

 
Рис. 1  Схема опыта Цвета по хроматографическому разделению хлорофилла. 

А – начальный момент, Б – неполное разделение, В – полное разделение, Г - после разделения.

Разделение компонентов смесей при их движении через твердую фазу ранее наблюдали и другие исследователи, но только М.С.Цвет понял значимость этого явления для аналитической химии. В своих докладах и статьях Цвет указывал, что речь идет о принципиально новом методе разделения любых смесей, а не только о частной проблеме анализа хлорофилла. М.С.Цвет назвал этот метод хроматографией (от греческих слов хроматос – цвет и графо - писать) и  предсказал, что хроматографию можно будет использовать для быстрого разделения не только окрашенных, но и бесцветных веществ; в том числе компонентов газовых смесей. Для полного разделения смеси достаточно будет даже небольшого различия в адсорбционных свойствах компонентов. К сожалению, при жизни Цвета, умершего в 1919 г., новый метод не получил признания.

  В 30-е годы ХХ века  исследователи из разных стран  вновь обратились  к  проблеме  разделения смесей, особенно смесей  органических веществ. Были созданы  новые варианты хроматографии. В  частности, было предложено вместо  экстракционного извлечения компонентов  из соответствующих зон внутренней  хроматограммы  - полностью вымывать компоненты элюентом. Так как они выходят из колонки по очереди, в разное время, их можно собирать в отдельные приемники. Было показано также, что делить компоненты смесей можно не только в колонке, но и в тонком плоском слое сорбента (тонкослойная хроматография).

Как развивались события в научном мире после работ М. С. Цвета? Хроматографию сначала использовали очень редко, она появилась слишком рано и в то время еще не могла быть понята и принята по достоинству. Из истории развития науки хорошо известно, что значение выдающихся открытий далеко не всегда осознается сразу. Во многих случаях дальнейшее развитие начинается только после значительного промежутка времени. Протяженность такого скрытого периода является как бы мерой того, насколько человек, сделавший открытие, опередил своих современников. Скрытый период развития хроматографии окончился в 1931 году, после того, как Э. Ледерер, прочитав сделанный Г. Вильштетером рукописный перевод книги М. С. Цвета на немецкий язык, провел хроматографическое разделение каротинов.

С этого времени хроматография и стала широко использоваться в ботанических и биохимических лабораториях:

1. В 1938 году в Харьковском  химико-фармацевтическом институте  Н. А. Измайлов и М. С. Шрайбер разработали основы метода хроматографии в тонких слоях.

2. В 1940 году А. Мартин и  Д. Синг открыли вариант жидкостной распределительной хроматографии на примере разделения ацетильных производных аминокислот на колонке, заполненной силикагелем, насыщенным водой, с использованием хлороформа в качестве подвижного растворителя. Тогда же было отмечено, что в качестве подвижной фазы может 9 быть использована не только жидкость, но и газ. Эти же ученые предложили осуществлять разделение производных аминокислот на смоченной водой бумаге с бутанолом в качестве подвижной фазы. Было установлено, что в основе разделения веществ методом распределительной хроматографии лежит закон распределения, а не адсорбционные явления, как в случае Цветовой хроматографии. Действительно, если имеем две жидкие, не смешивающиеся друг с другом фазы (например, вода-толуол, вода-бензол), и в одну из фаз ввести исследуемое соединение и тщательно перемешать фазы, то через некоторое время устанавливается равновесие распределения исследуемого соединения между фазами, которое описывается законом распределения. Теперь, если одну из фаз этой системы сделать неподвижной (например, закрепить на твердом носителе), заполнить этой фазой колонку и пропускать через колонку другую, не смешивающуюся с первой фазу, то при вводе в колонку смеси веществ они будут распределяться между фазами в соответствии с величинами коэффициентов распределения исследуемых соединений в данной системе фаз. Тогда при многократном повторении по высоте колонки процесса перехода исследуемых соединений из одной фазы в другую, те вещества, которые лучше растворяются в подвижной фазе, будут перемещаться по колонке с большей скоростью, чем вещества, лучше растворяющиеся в неподвижной фазе, в результате чего и осуществляется процесс разделения. За открытие распределительного варианта хроматографии А.Мартин и Д.Синг в 1952 году получили Нобелевскую премию.

3. В этот же период  времени были синтезированы синтетические  ионообменные смолы, с использованием  которых выполнены исследования, ставшие основой ионообменной  хроматографии. В отличие от хроматографии  М. С. Цвета и распределительной  хроматографии ионообменная хроматография основана на химической реакции, реакции ионного обмена. Разделение смеси ионов осуществляется вследствие различной величины химического сродства каждого из ионов к неподвижной фазе – ионообменнику.

4. В 1952−1953 годах А. Мартин  и Д. Синг осуществили вариант газовой распределительной хроматографии.

5. Исключительное значение  для развития хроматографии имело  создание в 1956 году М. Голеем варианта высокоэффективной капиллярной газовой хроматографии.

6. В 1962 году М. Порат и Д. Флодин создали вариант ситовой хроматографии и применили его для разделения высокомолекулярных соединений.

7. С середины 70-х годов  начинается период интенсивного  раз- вития высокоэффективной жидкостной хроматографии. 8. С середины 80-х годов получили развитие практическое 10 использование флюидной хроматографии и полная компьютеризация всего хроматографического процесса.

Многообразие вариантов хроматографического метода, возникшее в связи с широким его развитием, вызывает необходимость их классификации. К основным признакам классификации относятся:

1) агрегатное состояние  фаз;

2) природа элементарного  акта;

3) способ относительного  перемещения фаз;

4) способ аппаратурного  оформления процесса;

5) цель осуществления  процесса.

Классификация по агрегатному состоянию фаз относится к хроматографии в целом. Газовой хроматографией называется хроматографический метод, в котором в качестве подвижной фазы применяется газ или пар. В свою очередь газовая хроматография может быть разделена на газо-адсорбционную (газо-твердую) и газо-жидкостную. В первом случае неподвижной фазой служит твердое вещество - адсорбент, во втором -жидкость, распределенная тонким слоем по поверхности какого-либо твердого носителя (зерненого материала, стенок колонки).

Несмотря на то, что метод газовой хроматографии был открыт только в 1952 году, теория процесса разделения смесей веществ этим методом на настоящее время разработана гораздо глубже, чем для других методов. Это объясняется прежде всего тем, что методы газовой хроматографии использовались в практике гораздо интенсивнее других. Отличительной особенностью газовой хроматографии от других методов хроматографических разделений является то, что используемая подвижная фаза должна обязательно находится в газообразном состоянии и выполнять роль газа-носителя, перемещающего разделяемые соединения по колонке. В качестве газов-носителей могут быть использованы индивидуальные газы, газообразные соединения или смеси газов и газообразных соединений. Характерными особенностями газовой хроматографии являются:

• Высокая разделительная способность: по своим возможностям анализа многокомпонентных смесей газовая хроматография не имеет конкурентов. Ни один другой метод не позволяет анализировать фракции нефти, состоящие из сотен компонентов, в течение одного часа.
• Универсальность: разделение и анализ самых различных смесей – от низкокипящих газов до смесей жидких и твердых веществ с температурой кипения до 500 о С и выше – характеризует универсальность метода. В нефтехимической и газовой промышленности 90−100 % всех анализов можно выполнять методом газовой хроматографии.
• Высокая чувствительность: высокая чувствительность метода обусловлена тем, что применяемые детектирующие системы позволяют надежно определять концентрации 10-8 – 10-9 мг/мл. Используя методы концентрирования и селективные детекторы, можно определять микропримеси с концентрациями до 10-10 %.
• Экспрессность: экспрессность газовой хроматографии подчеркивается тем, что продолжительность разделения в большинстве случаев составляет 10−15 минут, иногда при разделении многокомпонентных смесей 1−1.5 часа. Однако за это время анализируется несколько десятков или сотен компонентов. В некоторых специальных случаях время разделения может быть меньше одной минуты.
• Легкость аппаратурного оформления: газовые хроматографы относительно дешевы, достаточно надежны, имеется возможность полной автоматизации процесса анализа.
• Малый размер пробы: газовая хроматография по существу метод микроанализа, поскольку для анализа достаточно пробы в десятые доли мг.
• Высокая точность анализа: погрешность измерений ± 5 % относительных легко достигается практически на любой газохроматографической аппаратуре. В специальных условиях достигается погрешность ± 0.001−0.002 % относительных.

 Следует отметить и  существующие ограничения метода  газовой хроматографии:

• невозможность разделения и анализа смесей нелетучих соединений;

• осложнения при разделении и анализе термически нестабильных соединений;

• невозможность разделения и анализа соединений, способных к диссоциации в анализируемых растворах (разделение ионов).

 

 

Приборы для реализации данного метода: устройства и технические характеристики 
Газовый хроматограф представляет собой прибор, использующий принцип хроматографии в системах газ-адсорбент или газ-жидкость. В аппаратурном оформлении это совокупность нескольких самостоятельных, параллельно функционирующих систем: источник газа-носителя и блок подготовки газов, испаритель, термостат колонок и сами хроматографические колонки, детектор, система регистрации и обработки данных. Типичная блок-схема газового хроматографа изображена на рисунке 2.  
Рисунок 2 − Принципиальная схема газового хроматографа:  
1 - система подготовки газов; 2 - система дозирования; 3 - колонка; 4 – система термостатирования; 5 - система детектирования; 6 - блок питания детектора; 7 - усилитель сигнала детектора; 8 - регистратор (самописец, компьютер); 9 - измерители режима хроматографа (расход газов, стабилизация температур и электрического питания детекторов) 
Газовые функциональные связи показаны стрелками, электрические – одинарной линией, термостатируемые элементы заключены в пунктирный контур. 

Система подготовки газов служит для установки, стабилизации и очистки потоков газа-носителя и дополнительных газов. Она включает блок регулировки расходов газов, обеспечивающий очистку, подачу и стабилизацию скорости и расхода газа-носителя в колонку, а также других газов, необходимых для работы детектора, например, воздуха и водорода для пламенно- ионизационнго детектора. Система дозирования позволяет вводить в поток газа-носителя определенное количество анализируемой смеси в газообразном или жидком состоянии. Представляет собой устройство с самоуплотняющейся резиновой мембраной или кран-дозатор. Устройство ввода пробы необходимо термостатировать при температуре, равной температуре колонки или выше на 20 − 30°С. Система детектирования преобразует соответствующие изменения физических или физико-химических свойств бинарных смесей (компонент - газ-носитель по сравнению с чистым газом носителем) в электрический сигнал. Величина сигнала зависит как от природы компонента, так и от содержания его в анализируемой смеси. Система термостатирования служит для установки и поддерживания рабочих температур термостатов колонок (до 350°С), испарите- ля, детектора и других узлов хроматографа. Система регистрации преобразует изменения физико- химических параметров в электрический сигнал, величина и форма которого регистрируются на ленте самописца или в современном варианте - на мониторе компьютера. Прибор должен быть снабжен соответствующим электрометрическим усилителем, обеспечивающим получение на выходе электрического сигнала, пропорционального концентрации определяемого компонента в газе-носителе, выходящем из колонки. Система инструментальной обработки данных позволяет вести управление экспериментом и обработку результатов в диалоговом режиме. С помощью компьютерных программ, имеющих алгоритм распознавания и сформированных банков данных, можно решать задачи расшифровки сложных хроматограмм и количественного определения компонентов. Рассмотренная схема типична для обычного газового хроматографа, используемого в количественном анализе, однако газовый хроматограф может иметь гораздо более сложную схему, содержащую несколько колонок и детекторов, включающий автоматические устройства для подготовки и дозирования пробы. Помимо этих общих основных элементов дополнительное оснащение газового хроматографа определяется его назначением: он может служить в качестве универсального аналитического прибора, для изучения физико-химических величин, в качестве универсального аналитического анализатора для контроля за составом смесей и для регулирования производственного процесса или в качестве анализатора элементного состава органических соединений. Во всех случаях для надежного функционирования прибора необходимо подбирать соответствующие газы, параметры электрической схемы, насадочные или капиллярные колонки, приспособления для закрепления колонок в термостате и устройства для отбора и внесения проб в дозатор.  
 
В качестве примера современного газового хроматографа приведем газовый хроматограф "Кристаллюкс-4000М". 
Хроматограф полностью автоматизирован, начиная от ввода пробы и заканчивая обработкой хроматографической информации, в т.ч. реализованы функции автоматического регулирования температуры термостатов, расходов газа-носителя и вспомогательных газов, автоматического поджига детекторов и контроля горения пламени в процессе работы; измерения сигналов детекторов с помощью 24-разрядного АЦП. Состоит из аналитического блока и станции управления, контроля и обработки хроматографической информации, в качестве которой используется персональный компьютер и программа "Netchrom", работающая в среде "Windows". Обмен информацией между компьютером, аналитическими блоками и хроматографами осуществляется по стандартному интерфейсу типа RS-232C, USB. Аналитический блок имеет 2 независимых канала разделения и обработки информации и состоит из термостата колонок, сменного аналитического модуля и блока электронного управления потоками газов (ЭУПГ). Термостат колонок имеет объем около 7л и позволяет разместить в нем до четырех насадочных (металлических или стеклянных) или не менее двух капиллярных колонок. Возможен одновременный анализ на двух капиллярных колонках с независимым управлением потоками газа-носителя. Возможно деление потока после колонки на два детектора. ЭУПГ управляет в зависимости от модели хроматографа от 2 до 7 потоками, в т.ч. водородом и воздухом, с помощью электронных регуляторов расхода газа и давления, предусмотрен режим программирования расхода и давления газа-носителя. Для управления потоком в регуляторах применен новый надежный электромагнитный клапан. Расход газа-носителя через капиллярную колонку задается при помощи электронного регулятора давления. Сброс пробы из капиллярного инжектора (режимы split, split-splitless) осуществляется с помощью электронного регулятора расхода газа, и ловушки, которая служит также буфером давления для испаренной пробы. Входное давление газов стабилизируется электронными регуляторами давления. 
Рис. 3 Газовый хроматограф   "Кристаллюкс-4000М".