Характеристика и основы практического применения метода газовой хроматографии

 

Технические характеристики:

Габариты (ШхВхГ), мм	495 х 368 х 318
Масса(в зависимости от комплектации), кг	18…32
Потребляемая мощность	в режиме разогрева - 600 Вт; в изотерме 300°С - 200 Вт
ТЕРМОСТАТ КОЛОНОК
Размеры для установки хроматографических колонок (ШхВхГ), мм	198х190х76
Рабочая температура, °С	T окр. среды … +400
Дискретность задания, °С	0,01
Точность, °С	0,01
Скорость программирования от температуры окружающей среды до 200°С, С/мин	30
Скорость программирования от 200°С до 400°С, С/мин	10
дискретность задания, С/мин	0,1
Количество изотерм	не ограничено
Время охлаждения от 300°С до 60°С, мин.	5
Время охлаждения от 60°С до 20°С, мин	3
ЭЛЕКТРОННЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ РАСХОДА И ДАВЛЕНИЯ:
Входное давление, МПа	0,1 … 0,5
Расход газаносителя, мл/мин	500
Расход водорода, мл/мин	500
Расход воздуха, мл/мин	800
ДЕТЕКТОРЫ И ИСПАРИТЕЛИ:
Количество детекторов работающих одновременно	четырех
Количество испарителей работающих одновременно	двух
Количество термостатируемых зон для испарителей	две
Количество термостатируемых зон для детекторов	две
Краны	Поворотные управляемые электроприводом; мембранные с пневмоуправлением

 

 

 

 

 

 

 

Алгоритм проведения исследований с помощью метода газовой хроматографии на примере метода адсорбционной газовой хроматографии 
Основными этапами хроматографического эксперимента являются введение анализируемой смеси в разделительную колонку, разделение смеси при прохождении через колонку и детектирование компонентов на выходе из колонки. 
Выполнение работы:

1. Подготовка хроматографа к работе. Открыть вентиль на баллоне с газом-носителем (гелий), установить на редукторе давление 4 атм.
2. Включить кнопку «Сеть» блока подготовки газов, задать расход газа-носителя 30 мл/мин в используемой второй линии (ГН 2) и убедиться по цифровому индикатору, что фактический расход соответствует заданному. При необходимости подстройки текущего расхода использовать регулятор давления «Газ-носитель», переключенный в режим «Гелий». Убедиться, что горит индикатор питания клапанов ГН 2.
3. Включить компьютер, запустить программу «Цвет-Аналитик». Используя закладку «ПРИБОР», установить температуры колонок «ТК», испарителей «ТИ1» и «ТИ2», детектора «ТД» и промежуточной камеры «ТПК» в градусах Цельсия, а также длительность анализа в секундах. Температуры испарителя и детектора должны быть выше температуры колонки на 30 0 С.
4. Включить питание аналитического блока (термостат колонок, испарители, детектор).
5. Включить блок питания детектора, установить ток накала нити 100 мА.
6. Дождаться установления заданных температур всех узлов (зеленый немигающий цвет индикаторов на экране).
7. Переключить систему регистрации на второй канал, связанный с ДТП. Запустить анализ кнопкой «+» на панели инструментов и визуально контролировать дрейф нулевой линии. Выделить участок кривой двумя курсорами и с помощью кнопки на панели инструментов измерить величины дрейфа и шума. Результаты измерений выводятся на закладке «СПЕЦИАЛЬНЫЕ». Хроматограммы удовлетворительного качества получаются, если дрейф не превышает 2 мВ/час, а среднее квадратическое отклонение шума ≤5⋅10-3 мВ.
8. С помощью системы парофазного ввода и крана дозатора ввести анализируемую пробу в колонку. В промежутках между вводами проб система парофазного напуска должна непрерывно продуваться воздухом от микрокомпрессора.
9. По окончании заданного времени анализа система автоматически определяет параметры пиков. Эту операцию целесообразно проводить вручную, используя для удаления и выделения пиков панель инструментов и курсоры. Параметры выделенных пиков приводятся на закладке «ПИКИ». Занести полученные данные в лабораторный журнал.
10. По окончании анализа образцов, измерить величину шума и дрейф нулевой линии на выбранном участке хроматографической кривой. Занести данные в журнал. 
    

Выключение установки.

1. Выключить блок питания детектора.
2. Отключить питание аналитического блока .
3. Выйти из программы «Цвет-Аналитик» и выключить компьютер. 
4. Выключить блок подготовки газов.
5. Закрыть вентиль на баллоне с газом-носителем. 
    
   

Интерпретация результатов и обобщение полученных данных 
Качественный анализ

Качественный состав вещества может быть установлен с помощью хроматографической методики по характеристикам полученной хроматограммы или по результатам анализа компонентов смеси после прохождения хроматографической колонки подходящим химическим или физико-химическим методом. Типичная хроматограмма приведена на рисунке. Как видно, хроматографическое разделение смеси компонентов проведено вполне успешно. Каждому компоненту смеси отвечает свой пик и последовательность появления пиков на хроматограмме.  
Собственно хроматографический качественный анализ основан на использовании характеристик удерживания - времени удерживания или пропорционального ему удерживаемого объема и индексов удержания. Идентификация исследуемых веществ по его хроматограмме может быть выполнена также методом тестеров, когда сравнивают объем или время удержания компонента анализируемой смеси и эталона, найденные в одних и тех же условиях опыта. Например, в газожидкостной хроматографии для качественного анализа используют индексы удерживания Ковача I.  
Рис.3 Хроматограмма смеси углеводородов

1-гексен-1; 2-четыреххлористый  углерод; 3-2-этилгексен; 4-хлороформ; 5-бензол; 6, 7, 9, 10 - не идентифицированы; 8-толуол; 11-этилбензол; 12-мезитилен 
 
Количественный анализ

Количественный хроматографический анализ основан на измерении различных параметров пика, зависящих от концентрации хроматографируемых веществ – высоты, ширины, площади и удерживаемого обьема – или произведения удерживаемого обьема на высоту пика. При достаточной стабильности условий хроматографирования и детектирования определяющим параметром пика можно считать его высоту. Расчет по площади пика позволяет несколько снизить требования к стабильности условий хроматографирования по сравнению с расчетом по высоте пика, однако само изменение площади вызывает появление новых источников ошибок. В случае узких пиков некоторые преимущества имеет измерение произведение удерживаемого объема на высоту пика. При неполном разделении пиков ошибки возрастают из-за наложения и искажения контуров пика. При работе с такими хроматограммами используют специальные приемы, опирающиеся, главным образом, на измерение высоты пиков.

Основными в количественной хроматографии являются методы: простой нормировки, нормировки с калибровочными коэффициентами, внутренней стандартизации и абсолютной калибровки. 
 
Хроматографические параметры 

 

tM - время удерживания несорбируемого соединения; tR1 и tR2 - абсолютные времена удерживания компонентов 1 и 2.

Нулевая (базовая) линия хроматограммы - линия, соответствующая нулевой концентрации анализируемых веществ в элюате.

Шум - помехи, статистические флуктуации нулевой линии хроматограммы. Уровень шума складывается из статистических флуктуаций всех параметров, принимающих участие в образовании сигнала детектора.

Дрейф нулевой линии - постепенное смещение, регистрируемое на хроматограмме.

Хроматографический пик - участок хроматотраммы, соответствующий площади, ограниченной функцией хроматограммы в момент выхода определяемого вещества из колонки и базовой линией.

Основание пика - продолжение нулевой линии, соединяющее начало и конец хроматографического пика.

Площадь пика, S - площадь хроматограммы, заключенная между пиком и его основанием. В первом приближении S = hW1/2

Высота пика, h - расстояние от максимума пика до его основания, измеренное вдоль оси отклика детектора.

Ширина пика у основания, W - отрезок основания пика, отсекаемый двумя касательными, проведенными в точках перегибов восходящей и нисходящей ветвей хроматографического пика.

Ширина пика на полувысоте, W1/2- отсекаемый пиком отрезок линии, проведенной параллельно основанию пика на середине его высоты.

Геометрический объем колонки, Vc - внутреннее пространство пустой колонки.

Свободный объем, Vo - часть объема колонки, не занятая сорбентом.

Объем удерживания вещества, VR - объем подвижной фазы, затрачиваемой на элюирование пробы вещества. Объем удерживания определяют между точкой ввода пробы и точкой, при которой регистрируется максимум сигнала детектора.

Мертвый объем, VM - объем подвижной фазы между точкой ввода пробы и точкой ее обнаружения (кюветой детектора). Мертвый объем включает в себя свободный объем

Приведенный объем удерживания, VR’ - объем удерживания вещества за вычетом мертвого объема:

VR' = VR - VM

Абсолютное время удерживания вещества, tR - время пребывания исследуемого вещества в хроматографе. Практически время удерживания определяют от момента ввода пробы вещества в хроматограф до момента регистрации максимума соответствующего хроматографического пика.

Мертвое время, tM - время пребывания несорбируемого вещества в хроматографе. На практике мертвое время определяют от момента ввода пробы несорбируемого вещества в хроматограф до момента регистрации максимума сигнала детектора.

Приведенное время удерживания, tR’ - абсолютное время удерживания за вычетом мертвого времени:

tR'= tR- tM.

Эффективность хроматографической системы - количество ступеней установления равновесия между подвижной и неподвижной фазой в выбранных условиях для данного сорбата, способность к образованию узкой концентрационной зоны индивидуального компонента разделяемой смеси. Эффективность в численном выражении определяется значениями числа теоретических тарелок и высотой, эквивалентной теоретической тарелке.

Число теоретических тарелок, N - величина, характеризующая качество колонки и рассчитываемая по параметрам удерживания выбранного вещества по формуле

N = 16(tR/W1/2)2 = 5,545(tR/W)2,

где tR - время удерживания пика, W1/2 - ширина пика на его полувысоте, W - ширина пика у основания.

Высота, эквивалентная теоретической тарелке, H - величина, характеризующая качество колонки и рассчитываемая как отношение длины колонки L к числу теоретических тарелок

H = L/N

Приведенное число теоретических тарелок N’ - отношение числа реально полученных теоретических тарелок на колонке данной длины к условной колонке длиной 1 м.

N=100N/L,

где L - длина колонки в см.

Приведенная высота, эквивалентная теоретической тарелке

H’=H/d,

где d - средний (эффективный) диаметр частиц сорбента (мкм), она также является характеристикой эффективности колонки. Вполне удовлетворительным принято считать колонки со значением H равным 3-3,5d. Очень хорошими считаются колонки с Н равным 2d.

Фактор удерживания (коэффициент емкости), k' - один из основополагающих параметров удерживания в жидкостной хроматографии, безразмерная величина, характеризующая удерживание вещества и равная отношению абсолютного объема удерживания к свободному объему колонки

k’ = VN/VO,

a также отношению приведенного  времени удерживания к мертвому  времени k’=tR/tM.

Селективность (относительное удерживание, αR/cm, фактор разделения, α) хроматографической системы - избирательность, способность к специфическим взаимодействиям подвижной и неподвижной фазы с молекулами сорбата, обладающими определенными структурными признаками, приводящая к разной скорости перемещения

концентрационных зон индивидуальных компонентов. Количественно селективность выражается как:

безразмерная величина, равная отношению приведенного объема (времени) удерживания определенного вещества, взятого для сравнения (стандарта) и хроматографируемого в идентичных условиях

αR/cm = kR/kcm = tR'/tcm' = VR'/Vcm'

величина, которая пропорциональна отношению приведенных времен удерживания двух пиков

α ~ (tR2- tM) / (tR1- tM)

безразмерная величина, характеризующая разделительную способность колонки по отношению к веществам А и Б и численно равная отношению факторов удерживания или приведенных времен (объемов) удерживания

αA/Б = kА’/kБ’ = tА’/tБ’ = VА’/VБ’.

Селективность колонки зависит от многих факторов, варьируя которые можно подобрать оптимальные условия хроматографии интересующей экспериментатора смеси компонентов. Исходя из химической природы разделяемых компонентов, хроматографист должен выбрать подходящий состав растворителя (подвижную фазу) и соответствующий по химической природе сорбент. Определенное влияние на селективность имеют и такие термодинамические факторы, как температура и давление в колонке, изменяющие коэффициенты распределения веществ между подвижной и неподвижной фазами.

Коэффициент асимметрии АS - отношение двух отрезков, образуемых на горизонтальной линии, проведенной на высоте 10 % от основания пика, при ее пересечении с вертикалью, опущенной из вершины пика. При этом берется отношение "тыльного" отрезка к "фронтальному"

АS = А/В

Разрешение пиков, RS - расстояние между максимумами выбранных соседних пиков, деленное на полусумму их ширин у основания (выраженных в одних и тех же единицах измерения)

RS = 2(tR2- tR1) / (Wb1+Wb2)

Разрешение как параметр, характеризующий разделение пиков, увеличивается по мере возрастания селективности, отражаемой ростом числителя, и роста эффективности, отражаемой снижением значения знаменателя из-за уменьшения ширины пиков.

Экстраколоночное расширение пика (ЭКР) - размывание хроматографической зоны, происходящее в инжекторе, соединительных капиллярах, в ячейке детектора.

Эффективность колонки - характеристика качества колонки, определяемая числом теоретических тарелок и высотой теоретической тарелки. Эффективность колонки тем выше, чем уже ширина пика при том же времени удерживания. Эффективность колонки измеряется числом теоретических тарелок N. Чем выше эффективность, тем больше величина N, тем меньше расширение первоначально узкой концентрационной зоны по мере прохождения ее через колонку, а значит, уже пик на выходе из колонки. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение 
Газовая хроматография - разновидность хроматографии, метод разделения летучих компонентов, при котором подвижной фазой служит инертный газ (газ-носитель), протекающий через неподвижную фазу с большой поверхностью. В качестве подвижной фазы используют водород, гелий, азот, аргон, углекислый газ. Газ-носитель не реагирует с неподвижной фазой и разделяемыми веществами. 

Преимущества метода:

1. Высокая разделительная способность
2. Универсальность
3. Высокая чувствительность
4. Экспрессность
5. Легкость аппаратурного оформления:
6. Малый размер пробы
7. Высокая точность анализа