Хроматографы

Хроматография


Одна из важных задач современной химии – надежный и точный анализ органических веществ, часто близких по строению и свойствам. Без этого невозможно проведение химических, биохимических и медицинских исследований, на этом в значительной степени базируются экологические методы анализа окружающей среды, криминалистическая экспертиза, а также химическая, нефтяная, газовая, пищевая, медицинская отрасли промышленности и многие другие отрасли народного хозяйства.

 

Один из наиболее чувствительных методов – хроматографический анализ, впервые предложенный российским ученым М.С.Цветом в начале XX в. и к концу века превратившийся в мощнейший инструмент, без которого уже не могут обходиться как синтетики, так и химики, работающие в других областях.
 

ГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ 

Разделение в хроматографии основано на различной сорбируемости анализируемых соединений при движении их по слою сорбента в колонке. Если соединение не сорбируется, то оно не удерживается сорбентом, и будет выходить из колонки со скоростью потока газа-носителя. Чем сильнее сорбция соединения, тем дольше оно будет удерживаться в колонке.
Выходной сигнал анализируемого соединения имеет форму треугольника или пика, обычно это участок нулевой линии, на котором возникает сигнал при выходе анализируемого соединения из хроматографической колонки. Нулевая или базовая линия соответствует нулевой концентрации анализируемого соединения.
Важным параметром пика является коэффициент ассиметрии, который применяется для сравнения различных твердых носителей, адсорбентов и всей газовой системы хроматографа в целом. В идеальных условиях пик по форме близок к кривой Гаусса, то есть, симметричен, но практически, по разным причинам, пики в основном несимметричны.


Хроматографическое разделение зависит от многих экспериментальных параметров.
Влияние природы сорбента. Играет решающую роль в разделении компонентов. Разделение происходит за счет различий межмолекулярных взаимодействий разделяемых молекул с сорбентом. Селективность разделения определяется природой сорбента. В большинстве случаев селективность разделения уменьшается с повышением температуры.
Длина колонки. Степень разделения пропорциональна квадратному корню от длины колонки. Эффективность прямо пропорциональна длине колонки.
Сечение колонки. С уменьшением сечения колонки (диаметра) возрастает эффективность и степень разрешения колонки.
Природа газа-носителя. В газовой хроматографии при небольших давлениях инертные газы-носители практически не адсорбируются, особенно в газо-жидкостной хроматографии. Поэтому природа газа носителя практически не влияет на селективность разделения, за исключением некоторых случаев в газо-адсорбционной хроматографии при разделении газов на активных тонкопористых адсорбентах. Природа газа-носителя влияет на эффективность колонок, особенно при высоких скоростях. Сопротивление колонки, перепад давления в ней определяется вязкостью газа-носителя.
Давление газа-носителя. В большинстве случаев на входе в колонку используют избыточное давление в пределах от 0.1 до 2 атм. Изменение давления в этих пределах практически не влияет ни на селективность, ни на эффективность разделения.
Размер пробы. Размер введенной пробы анализируемой смеси должен быть таким, чтобы не вызывать перегрузку колонки. При введении пробы больше максимально допустимой изменяются времена удерживания. Особенно важно не перегружать капиллярную колонку, так как ее эффективность сильно падает с перегрузкой.
Чувствительность, линейность, инерционность и стабильность детектора. Назначение детектора – регистрация выходных кривых в виде сигналов (пиков) достаточной амплитуды, необходимых для количественных измерений. Для точных количественных измерений необходимо, чтобы: детектор не искажал истинную форму полосы, образующейся на слое сорбента, то есть должен быть малоинерционен; показания детектора должны быть пропорциональны концентрации или количеству дозируемых веществ, то есть детектор должен обладать широкой областью линейности; запись сигнала должна быть устойчивой, не должно быть флуктуаций нулевой линии или же монотонного смещения нулевой линии в течение длительного времени.

 

Детекторы для газовой хроматографии.


Всего для газовой хроматографии предложено более 60 типов детектирующих систем. По общепринятой классификации детекторы подразделяются на дифференциальные и интегральные по форме зарегистрированного сигнала. Дифференциальные детекторы измеряют мгновенное различие в концентрации вещества в потоке газа носителя. Хроматограмма, зарегистрированная таким детектором, представляет собой ряд пиков, площадь которых пропорциональна количеству разделенных соединений. Интегральные детекторы измеряют суммарные количества соединений, выходящих из колонки. Хроматограмма в этом случае ступенчатая, высота ступеней пропорциональна количеству соответствующих соединений.
По селективности детекторы классифицируются на универсальные, селективные и специфические. В универсальные регистрируются все компоненты смеси, выходящие из колонки, за исключением подвижной фазы. Селективные детекторы регистрируют определенные группы соединений на выходе из колонки. Специфические детекторы регистрируют только один компонент или ограниченное число компонентов с подобными химическими характеристиками.

 

Технические характеристики наиболее часто применяемых детекторов для газовой хроматографии:

 

Детектор

Предел детектирования (S/N=2)

Линейный динамический диапазон

Тип

Анализируемые соединения

ПИД пламенно-ионизационный детектор 5·10 -12гс/с 107 Селективный Регистрирует органические соединения, ионизируемые из пламени водорода.
ДТП детектор по теплопроводности (катарометр) 4·10 -1г/мл 105 Универсальный Регистрирует все соединения, отличающиеся по теплопроводности от газа –носителя.
ЭЗД детектор электронного захвата 1·10 -14г/с 103-104 Селективный Регистрирует в основном галогенорганические соединения.
ФИД фото ионизационный детектор 2·10 -12г/с 107 Селективный Регистрирует все соединения за счет УФ-излучений с потенциалом ионизации менее 10.7 эВ или 11.7 эВ.
ТИД термоионный детектор 4·10 -13г(N)/мл 2·10 -13г(P)/c 104 Селективный Селективно определяет гетеросоединения, имеющие атомы N и P в молекуле.
ПФД пламенно-фотометрический детектор 2·10 -11г(S)/    9·10 -13г(P)/c 103

104

Специфический Специфичен к S- и Р- содержащим соединениям.
АЭД атомно-эмиссионный детектор 1·10 -13 - 2·10 -11 г/с 104 Универсальный Регистрирует все соединения, имеющие в своем  составе 12 основных элементов (HCS,NP и др.)
МСД масс-спектрометрический детектор 1·10 -11 - 1·10 -9 г/с 105 Универсальный Регистрирует все соединения и может идентифицировать их по масс-спектрам.
 

 

Колонки для газовой хроматографии.


Колонки для газовой хроматографии подразделяются на насадочные, препаративные, аналитические, микронасадочные и капиллярные. В насадочных и микронасадочных колонках сорбент находится внутри трубки и имеет форму цилиндра. Набивка должна быть плотной и однородной, без пустот. Чем плотнее и однороднее набивка, тем меньше размывание полос и больше эффективность колонки. В капиллярной колонке слой сорбентов наносится на внутреннюю поверхность капилляра в виде слоя жидкости неподвижной фазы или в виде слоя адсорбента.

 

Отечественные лабораторные газовые хроматографы:

 

Название модели

Производитель

Детекторы

Термостаты

Отличительные особенности

Кристалл 2000М

ЗАО СКБ «Хроматэк», Йошкар-Ола

ПИД, ЭЗД, ПФД, ДТП, ФИД, ТИД

40 – 4000С, изотермические, программируемые

Блочное исполнение детекторов; термостат 6 л для многоколоночных систем недостаточен

Кристалл 5000

ЗАО СКБ «Хроматэк», Йошкар-Ола

ПИД, ЭЗД, ПФД, ДТП, ФИД, ТИД

40 – 4000С, изотермические, программируемые

Термостат увеличен до 9 литров

Цвет - 800

ОАО «Цвет», Дзержинск

ПИД, ЭЗД, ПФД, ДТП, ФИД, ТИД

50 – 4000С

Большой объем термостата – 22 л

Кристалл – люкс – 4000

НПФ «Мета-Хром»,

Йошкар-Ола

ПИД, ЭЗД, ПФД, ДТП, ФИД, ТИД

50 – 4000С

Блочное исполнение детекторов

ЛХМ-2000

«Милаб», Москва

ПИД, ДТП, ЭЗД, ТИД

50-4000С

Разработан на базе старой модели 3700

Кристалл 2000

ФГУП «Купол», Ижевск

ПИД, ДТП, ПФД, ЭЗД, ТИД, ФИД

40-4000С

Устаревшая конструкция по сравнению с Кристалл-2000М

Хромос ГХ-1000

ЗАО «Химаналитсервис», Дзержинск

ПИД, ЭЗД, ТИД, ДТП

50-4500С

На базе Цвет 500, снятого с производства. Все узлы и блоки заимствованы

ГАЛС-311

НПФ АП «Люмэкс», Санкт-Петербург

ПИД, ЭЗД, ДТП, ПФД, ТИД

50-4000С

Прибор на базе модели 4890 Hewlett Packard

Цвет Яуза Т

НПО «Химавтоматика», Москва

ПИД, ДТП, ФИД

50-4000С, изотермические

Надежный специализированный хроматограф для технологического контроля

Цвет Яуза, модель 100

НПО «Химавтоматика», Москва

ПИД, ДТП, ДЭЗ, ТИД, ПФД, ФИД

50-4000С, изотермические, программируемые

Универсальный хроматограф

 

 

ГАЗОЖИДКОСТНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ


В газожидкостной хроматографии разделение происходит за счет различной растворимости компонентов смеси в ленке жидкой фазы (ЖФ), нанесенной на поверхность макропористого твердого тела, т.н. твердого носителя. В настоящее время для многих аналитических задач газо-жидкостная хроматография – наиболее эффективный метод.


Применение жидкофазной хроматографии  дает ряд преимуществ:

  1. НА ЖФ изотерма сорбции линейна при обычных условиях в широком диапазоне концентраций.
  2. Не вызывает затруднений выбор достаточно селективной жидких фаз ввиду их большого многообразия.
  3. Количество жидкой фазы в колонке можно легко менять, изменяя удерживаемые объемы и селективность разделения. Используя одну и ту же ЖФ можно приготовить как препаративные, так и высокоэффективные аналитические колонки (насадочные или капиллярные).
  4. Жидкие фазы доступны, имеют достаточно высокую степень чистоты и стабильные свойства, параметры удерживания на них легко воспроизводимы.

Однако применение ЖФ имеет и свои недостатки, например, летучесть и нестабильность ЖФ, что затрудняет применение этого метода для разделения и анализа ряда важных смесей.


Основные требования к жидким фазам:

  • малая летучесть при рабочих температурах,
  • химическая инертность и термическая стабильность,
  • низкая вязкость при рабочих температурах,
  • растворимость в наиболее доступных растворителях.

Возможности газо-жидкостной хроматографии могут быть реализованы только при наличии подходящего твердого носителя. Идеальный носитель химически неактивен, с однородными макропорами, на поверхности которых равномерно распределена пленка неподвижной жидкой фазы. Носитель должен обладать высокой термостойкостью, механической прочностью и хорошей смачиваемостью.
Чаще всего в качестве твердых носителей используют материалы на основе природных диатомитов. Реже применяются синтетические кремнеземные носители – макропористые силикагели, стекла, аэросилогели. Используются также носители на основе туфов и перлитов. В отдельных случаях – стеклянные шарики, хлорид натрия, металлические спирали, пористый тефлон, обожженную керамику и графитовую сажу.


КАПИЛЛЯРНАЯ ГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

В капиллярной газовой хроматографии в качестве колонки используются капилляры с внутренним диаметром 0.1-0.53 мм и длиной от 5 до 100 м и более, с нанесенным на внутреннюю поверхность сорбентом.

 

По типу сорбентов на стенках капилляров различают четыре типа колонок:

Тип капиллярной колонки

Толщина слоя сорбента, мкм

Характеристики капиллярных колонок

WCOT

0.01-1

Внутренняя поверхность покрыта пленкой жидкой фазы (wall-coated opentubular)

SCOT

1-5

С тонким слоем носителя, смоченная жидкой неподвижной фазой (support-coated)

PLOT

До 20

С тонким слоем нанесенного адсорбента (porous-layer) 

CLOT

10-20

 С тонким слоем нанесенного углеродного сорбента  (carbon PLOT)

 

Общие рекомендации по выбору сорбентов:

Характеристика смеси

Сорбенты

Все компоненты смеси отличаются по температурам кипения

Предлагается использовать колонки  с неполярной или слабополярной жидкой фазой в газо-жидкостном варианте. В этом случае соединения будут элюироваться из колонки в порядке увеличения температуры кипения.

Все компоненты смеси отличаются по электронной поляризуемости или по молярным массам

Рекомендуется эту смесь разделять на колонке с неполярными неспецифическими сорбентами (газоадсорбционная хроматография), такими, как пористые полимеры, углеродные адсорбенты. В этом случае соединения будут элюироваться из колонки в порядке увеличения электронной поляризуемости.

Компоненты смеси отличаются по дипольным моментам

Предлагается применять полярную жидкую фазу либо полярный адсорбент.

Соединения смеси изомеров или соединения, отличающиеся пространственным строением

Рекомендуется применять колонку с карбохромом или карбопаком, которые имеют высокую селективность при разделении соединений, отличающихся пространственным строением. Можно использовать колонку с жидкими кристаллами или бентоном.

Сложная многокомпонентная смесь, некоторые компоненты которой  слабо различаются по температурам кипения и по дипольным моментам

Предлагается использовать составную колонку с разными сорбентами или эффективную капиллярную колонку.

Смесь дейтериевых соединений

Капиллярная колонка с неполярной или слабополярной жидкой фазой.

Смесь оптических изомеров

Высокоэффективная капиллярная колонка с оптически активной жидкой фазой.

 

Технические показатели отечественных жидкостных хроматографов:

Название модели

Разработчик

Детекторы, диапазоны длин волн

Наличие термостати-рования колонок и детекторов

Давление насоса, атм.

Примечания

Стайер-УФ/Вид

«Аквилон», Москва

СПФ (спектрофото-метрический)

Нет

200

 

Стайер-Fluor

«Аквилон», Москва

Флуоресцентный

Нет

200

 

Миллихром А-02

ЗАО «Эко Нова», Новосибирск

УФ (190-360 нм)

35-900С

70

Автомат, дозатор. Вес 17 кг.

Миллихром-5

ЗАО «Научприбор», Орел

СПФ (190-360 нм)

нет

70

Вес 17 кг, длина колонки в пределах 60-120 мм

Минихром

ГПЭЦ «Аналитэк», Москва

УФ (254 нм, 280 нм)

Нет

250

Малогабаритный, вес – 9.5 кг

ВЭЖХ-3

«Люмекс»,

Санкт - Петербург

СПФ (210-730 нм), Флуор (200-650 нм)

Нет

250

Вес 10 кг, хроматографии-ческая приставка

ВЭЖХ-4

«Люмекс»,

Санкт - Петербург

 

Нет

250

Градиентное элюирование

Цвет-4000

ОАО «Цвет», Дзержинск

СПФ (210-700 нм)

40-1000С

200

В стадии разработки

Цвет Яуза

НПО «Химавтоматика», Москва

ФЛУ (250-650 нм), хемилюмени-сцентная на S и N, УФ (254-280 нм)

30-800С

250, 400

Разработка с 2000 года, колонки от 50 до 250 мм.

 

 

Как сделать правильный выбор

  1. Для всех задач, связанных с работой с агрессивными средами, фильтрацией ЛВЖ, кислот и щелочей предпочтительно использовать безмасляные насосы, так как  в процессе работы агрессивные жидкости парят, попадают в масло насоса, отчего оно теряет свои эксплуатационные свойства и прибор выходит из строя. Лучший вывод в данных условиях - применение мембранных насосов.
  2. Вакуумные насосы используют там, где необходимо создать глубокий вакуум.

 

Основные производители


Огромное количество предложений на рынке вакуумной техники позволяет заказчикам выбрать оборудование на свой вкус.

Наиболее качественной, надежной и оптимальной по стоимости является техника германской фирмы "Vacuubrand". Более бюджетные варианты компрессорного оборудования предлагают немецкие компании "Ilmvac" и "KNF" .

Среди российских производителей можно отметить ОАО "Плутон", выпускающих вакуумное оборудование широкого назначения и НПП "Нира" - отечественного производителя безмасляных мембранных насосов.

 

С уверенностью можно сказать, что ни одна лаборатория на сегодняшний день не обходится без применения вакуумной техники в своей работе. Все большую симпатию среди большого количества приборов данного класса завоевывают мембранные безмасляные насосы, благодаря своей экологической безопасности, малым размерам и высокой производительности.