хроматография-лекции. Хроматографические методы. Общая характеристика методов
 Скачать 6.82 Mb.
|
|
Термисторный детектор Разновидностью детектора по теплопроводности является термисторный детектор. Чувствительным элементом детектора является термистор. Рис. 40. Устройство термисторного детектора, микродетектора и комбинированного детектора Это шарик диаметром около 0.5 мм, изготовленный из смеси оксидов марганца, кобальта, никеля со специальными добавками для получения необходимых электрических характеристик. Термистор покрывается тонкой стеклянной оболочкой для защиты от разрушающего действия газа-носителя и анализируемых веществ. За счет увеличения сопротивления термистора может быть реализована более высокая чувствительность, чем у катарометра.  Существует возможность создания микродетектора с очень малым внутренним объемом камеры (рис. 40), а также комбинированного детектора. Детектор по плотности. Универсальным является также детектор по плотности (денситометр, плотномер), в котором поток газа-носителя поступает в камеру детектора (1) и омывает чувствительные элементы (2), которыми могут быть как проволочные элементы, так и термисторы. Газ-носитель, прошедший через хроматографическую колонку и содержащий компоненты анализируемой пробы, встречается с чистым газом-носителем после прохождения последним чувствительных элементов, подключенных в мост Уинстона. Если газ-носитель, прошедший через колонку, не содержит посторонних веществ и, следовательно, его плотность одинакова с плотностью чистого газа-носителя, то газовые потоки находятся в равновесии и сигнал отсутствует. Если плотность газа-носителя ввиду присутствия в нем анализируемых веществ растет, то его поток направляется вниз камеры детектора, уменьшая скорость нижнего потока и увеличивая скорость верхнего. Нарушение баланса потоков вызывает изменение сопротивления чувствительных элементов, вследствие чего возникает сигнал.  Большим достоинством детектора по плотности является возможность проведения количественного анализа без калибровки детектора. По интенсивности сигнала можно рассчитать содержание компонентов q в пробе, если площади пиков S умножить на поправочные коэффициенты, которые связаны с молекулярными массами анализируемых веществ Мs и газа-носителя Мг:  , (1.52)где  ,b константа данного прибора. Выбор газа-носителя для ДП имеет большое значение. Наи лучшими газами-носителями являются газы с низкой теплопро водностью и высокой теплоемкостью. Это необходимо для того, чтобы тепло от нагреваемых чувствительных элементов отводилось в основном за счет уноса его с газом-носителем, а детектор был бы чрезвычайно чувствительным к изменениям потока. Поэтому для получения высокой чувствительности на ДП применение газов-носителей Не и Н2 не рекомендуется. Однако при использовании таких газов, как Аг, N2 и СО2, чувствительность детектора не хуже, чем чувствительность ДТП с газами-носителями Н2 и Не. Это является большим преимуществом ДП, так как Не сравнительно дорогой газ, а Н2 – взрывоопасен. Кроме того, следует также иметь в виду, что газ-носитель и анализируемые вещества должны значительно различаться по молекулярной массе. Для ДП характерен высокий линейный диапазон (5-105) и возможность расчета по его показаниям количества компонента, если известна его молекулярная масса. Поэтому при работе с ДП не требуется проведения калибровки, кроме введения 5% поправки для газа-носителя водорода, учитывающей его высокую теплопроводность. С применением двух и более газов-носителей могут быть рассчитаны молекулярные массы анализируемых соединений с целью их идентификации. ДП используют для определения молекулярных масс соеди нений с температурой кипения до 400 °С. Погрешность определения составляет около 4%, что вполне достаточно для большинства случаев идентификации компонентов по их молекулярной массе. Пламеино-фотометрический детектор (ДПФ)  Впервые пламенно-фотометрический детектор (ДПФ) был предложен для обнаружения серы и фосфорсодержащих соединений в воздухе в 1962 г. В 1966 г. был создан первый ДПФ специально для газовой хроматографии. В связи с высокой чувствительностью при детектировании серо- и фосфорсодержащих соединений ДПФ широко применяют в хроматографической практике. Принцип действия детектора основан на возбуждении анализируемых соединений в обогащенном по водороду пламени. При возвращении возбужденных молекул в основное состояние возникает эмиссия света на определенной длине волны, характерной для данного соединения. Интенсивность характеристической длины волны является количественной мерой испускающего ее соединения. Эмиссия света регистрируется фотоумножителем, который выдает сигнал в виде хроматографического пика. Основное применение ДПФ нашел для анализа серосодержащих органических и неорганических соединений. ДПФ достаточно чувствителен и селективен также к галогенам, азоту, бору, таким металлам, как олово, хром, селен и германий. ДПФ был использован для анализа алифатических вторичных аминов и их производных. Такие соединения, как СО, СО2, N204, S02, N2F4, HF, CS2, H2S, которые практически не определяются с помощью пламенно-ионизационного детектора анализируются на ДПФ с высокой чувствительностью. Пламя в ДПФ выполняет три функции: в горячей зоне пламени исходные соединения, содержащие серу, разлагаются; из продуктов разложения прямо или косвенно выделяются атомы серы; в более холодной зоне пламени образуются возбужденные молекулы серы S2*. Можно представить следующие реакции, происходящие в ДПФ: а) на первой стадии в горячей области водородного пламени происходит разложение исходных серосодержащих соединений (S-R) с образованием атомов серы или сероводорода:  б) на второй стадии происходят различные обратимые реакции в верхней части пламени с образованием S2:  в) на третьей стадии молекулы серы возбуждаются по одному из механизмов:  (рекомбинация атомов водорода), (образование воды), (двойное сочетание).г) на четвертой стадии в холодном внешнем конусе пламени возбужденная молекула серы возвращается в основное состояние и происходит излучение света в диапазоне длин волн от 300 до 450 нм:  Наиболее интенсивные полосы эмиссии серы приходятся на 384,0 и 394,1 нм. Имеются и другие пики средней интенсивности при 374,1; 404,7 и 415,0 нм. Основными узлами детектора являются водородная горелка. В корпус (1) ДПФ подается газ-носитель из хроматографической колонки, водород и воздух. В детекторе предусмотрены спираль для поджига пламени и светонепроницаемая крышка (3). Эмиссия пламени через кварцевую трубку (2), тепловой фильтр (4)и оптический фильтр (5)попадает на фотоумножитель (6) и далее сигнал передается на регистрирующее устройство. Для анализа соединений, содержащих Р и S, пригодны оптические фильтры, пропускающие максимальную длину волны 526 и 394 нм, соответственно. Иногда используют двухканальные детекторы, на которых при наличии одного пламени можно одновременно регистрировать Р и S, применяя два разных оптических фильтра и два фотоумножителя. Зависимость сигнала (I) ДПФ от массы попадающего в детектор содержащего серу анализируемого вещества (т) нелинейна и выражается уравнением:  где К и п – постоянные для выбранных экспериментальных условий. В большинстве случаев значения п равны 1,5–2. Линейный динамический диапазон для ДПФ обычно составляет 102. Предел обнаружения для соединений, содержащих фосфор, обычно составляет около 1∙10-12г фосфора. Предел обнаружения галоген содержащих соединений составляет 1∙10-11 моль. Чувствительность ДПФ зависит от интенсивности эмиссии света, связанной с хемилюминесценцйей. Интенсивность эмиссии увеличивается с уменьшением температуры пламени и увеличением расхода водорода в диффузном пламени. Температура пламени уменьшается с относительным уменьшением массы горючих газов и увеличением теплопроводности газа-носителя (Н2 или Не по сравнению с N2). Если расход горючих газов уменьшается, фоновый ток и уровень шумов ДПФ также уменьшаются, при этом отношение сигнала к шуму становится больше. Предполагают, что показания ДПФ пропорциональны концентрации Н2 в третьей степени. По этой причине обычно работают при высоких концентрациях Н2 и точном контроле расхода. Максимальная концентрация Н2 лимитируется нестабильностью пламени, которое может погаснуть при выходе пиков растворителя или основных компонентов. При использовании Н2 в качестве газа-носителя для капиллярных колонок важно поддерживать поток постоянным с целью проведения количественных измерений с малой погрешностью. Предпочтителен в качестве газа-носителя Не по сравнению с Н2. 3.3.3 Принципы ионизационного детектирования Ионизационные методы детектирования наиболее универсальны, с высокой чувствительностью, используются для определения малых количеств анализируемых веществ, пригодны для соединения как с капиллярными, так и насадочными колонками. В основе этих методов лежит зависимость электрической ионизированной газовой среды от ее состава. Сигналом ионизационных детекторов является изменение силы тока, вызванное введением в детектор анализируемого вещества. Ионный ток – электрический ток, создаваемый между электродами детектора всеми заряженными частицами (ионами или электронами) в газе. Ионный ток возникает в детекторе под действием какого-либо источника ионизации (радиоактивного изотопа, пламени, разряда, фотоио-низации, электронной и ионной эмиссии) и электрического поля (разности потенциалов) между электродами детектора. В любой момент времени в детекторе достигается равновесие, характеризующиеся тем, что скорость образования заряженных частиц равна сумме скоростей рекомбинации и сбора заряженных частиц на электродах детектора. Скорость сбора определяет ток детектора. В ионизационных детекторах создаются такие условия, при которых либо плотность (концентрация) заряженных частиц, либо скорость переноса их в электрическом поле зависит от состава газа.  Зависимость силы тока (I) в газовой среде от приложенного напряжения (U) называется вольт-амперной характеристикой (рис. 12). I-зона – слабое поле – неполный сбор заряженных частиц со значительной частью их рекомбинации. При постоянной скорости образования и рекомбинации заряженных частиц в детекторе и постоянном напряжении на электродах ток детектора определяется скоростью переноса заряженных частиц в направлении поля. Скорость зарядов в направлении поля характеризуется подвижностью, которая численно равна скорости, приобретаемой зарядом в поле напряженностью 1В/см. Подвижность пропорциональна величине заряда и обратно пропорциональна массе частиц. Попадая в детектор вещество вызывает увеличение числа рекомбинаций и уменьшение подвижности заряженных частиц. При этом ток детектора падает. Это уменьшение тока регистрируется на хроматограмме как пик данного вещества. На этом принципе основана работа детектора электронного захвата (ДЭЗ). Следующая зона – участок насыщения (II зона), для которого характерно отсутствие рекомбинации и полный сбор всех образующихся заряженных частиц. В этом случае ионный ток определяется только скоростью образования зарядов. Сигналом детекторов, работающих на этом участке вольт-амперной характеристики, является увеличение тока, вызванное значительным возрастанием скорости образования заряженных частиц вследствие ионизации анализируемых компонентов, поступающих в детектор. При этом ионизация газа-носителя должна отсутствовать и уровень фонового тока должен быть минимальным. Представителями этого типа детекторов является ДИП, термоионный (ДТИ), пламенно-фотометрический детектор (ПФД) и др. Последний участок (III зона) при введении в детектор анализируемых веществ характеризуется высокой напряженностью поля за счет размножения зарядов (вторичной ионизации). В этой области работают аргоновые и гелиевые ионизационные детекторы. 1.3.5.3. Пламенно-ионизационный детектор Пламенно-ионизационный детектор (рис. 41) является одним из наиболее распространенных и популярных детекторов в газовой хроматографии. Впервые он был предложен в 1958 году, и с тех пор этот детектор по некоторым своим характеристикам не был превзойден ни одним из вновь предложенных детекторов.  Принцип работы детектора заключается в том, что при обычных условиях газы не проводят электрический ток, но если в результате какого-либо воздействия в газе образуются ионы, радикалы или свободные электроны, то даже при очень небольшой концентрации этих частиц газы становятся проводниками электрического тока. К потенциальному электроду прилагается напряжение для сбора ионов, а с коллекторного электрода снимается сигнал детектора.  Рис. 41. Схема устройства пламенно-ионизационного детектора В пламени чистого водорода число ионов очень мало, сопротивление межэлектродного пространства очень велико (1014 – 1015 Ом) и ток детектора весьма мал (10-12 – 10-11 А). Этот ток возникает за счет ионизации примесей, содержащихся в газе-носителе, водороде и воздухе, и является постоянным фоновым током детектора. При горении чистого водорода в пламенно-ионизационном детекторе протекают следующие процессы, приводящие к образованию ряда элементарных частиц: Н2 + 2 О2→2 О + 2 ОН Н2 + О→ Н + ОН Н2 + ОН→ Н2О + Н Продукты этих процессов уносятся из камеры детектора избытком воздуха. Если в водородное пламя из хроматографической колонки попадают органические соединения НОРГ, то сначала они подвергаются пиролизу в достаточно горячей, однако неокисляющей зоне пламени. В результате процесса пиролиза образуются в основном радикалы СН* HOPГ →CH* Далее, в окислительной зоне пламени эти радикалы реагируют по следующей схеме: СН* + О →СНО+ + е- с образованием положительно заряженных молекулярных ионов и электронов, обеспечивающих протекание электрического тока в цепи, т.е. появление сигнала детектора. Следует учитывать, что концентрация заряженных частиц в пламени, а следовательно, и величина сигнала может уменьшаться в результате протекания реакций рекомбинации: CHO+ + H2O→ CO + H3O+ H3O+ + e- →H2O + H Из последних реакций рекомбинации следует, что величина сигнала детектора зависит от концентрации воды в анализируемой пробе. Поэтому, поскольку вода этим детектором не обнаруживается, при количественном анализе важно знать, не находится ли анализируемый компонент на хроматограмме вблизи области элюирования воды, возможно, присутствующей в пробе в довольно больших количествах. Если в анализируемых соединениях присутствуют такие гетероатомы, как галогены, сера, фосфор, азот, то возможны и другие реакции рекомбинации. Корпус детектора обычно представляет собой металлический цилиндр, который должен разбираться таким образом, чтобы был возможен удобный доступ к электродам и горелке детектора. Горелки детектора обычно изготавливаются либо из нержавеющей стали, либо из никеля или кварца. К материалу горелки предъявляются следующие требования: он должен обладать термической и химической стабильностью и не должен плавиться при температуре водородного пламени.  Рис. 42. Варианты взаимного расположения электродов детектора Форма пламени имеет большое значение для работы детектора и определяется его конструкцией. Варианты взаимного расположения электродов и пламени приведены на рис. 42. Существует определенное оптимальное соотношение между расходами водорода, воздуха, газа-носителя и диаметром сопла горелки. При работе с насадочными колонками и при расходе газа-носителя 3050 см3/мин этот диаметр обычно составляет 0.50.8 мм. Для капиллярных колонок применяют горелки с выходным отверстием диаметром около 0.3 мм. Электроды детектора с целью увеличения их термической и химической стабильности обычно изготавливают из никеля или нержавеющей стали и полируют. Расстояние между электродами определяется размером пламени и влияет на чувствительность, уровень шумов и напряжение питания. Поскольку пламенно-ионизационный детектор применяется при температурах выше 500 оС, к изоляторам электродов предъявляются достаточно жесткие требования. Их изготавливают чаще всего из керамики и размещают в достаточно горячей части детектора. Иногда изолятор предохраняют от контакта с потоком газа-носителя и пробы из колонки, и с продуктами их сгорания. Такое размещение изолятора позволяет работать с детектором длительное время без его очистки и ухудшения характеристик детектора. Для дополнительного охлаждения изоляторов их выносят в холодную зону или обдувают потоком инертного газа. Отрицательный электрод не должен раскаляться в пламени во избежание термоионной эмиссии с металлической поверхности отрицательного электрода. Расстояние между электродами не имеет большого значения, поскольку влияет только на напряжение, необходимое для достижения тока насыщения. Например, при обычно применяемых расстояниях от 10 до 12 мм может потребоваться напряжение от 40 до 180 В. При расстоянии выше 15 мм наблюдается увеличение уровня регистрируемых шумов. Для обеспечения работы пламенно-ионизационного детектора необходимы газ-носитель, водород, воздух. В качестве газа-носителя чаще всего используется азот или гелий, иногда применяется водород. Основные требования, предъявляемые к используемым газам следующие: отсутствие примесей органических веществ, отсутствие солей щелочных металлов, отсутствие частичек пыли. Для получения нужной температуры пламени необходимо поддерживать правильное соотношение между водородом и воздухом. Недостаток воздуха приводит к неполному сгоранию водорода и уменьшению чувствительности, избыток воздуха приводит к увеличению шумов детектора, что связано с появлением турбулентности потока. Чувствительность пламенно-ионизационного детектора очень высока по отношению ко всем органическим веществам. Пламенно-ионизационный детектор является одним из наиболее линейных детекторов в газовой хроматографии. По различным оценкам, его линейный диапазон детектирования составляет 106107. Элементарные стадии процесса детектирования позволяют полагать, что пламенно-ионизационный детектор чувствителен не столько к массе определяемого органического соединения, сколько к структуре и количественному соотношению структурных групп, которые совместно и определяют выходной сигнал, соответствующий данной массе вещества. Поэтому при количественных определениях следует учитывать значения величин поправочных коэффициентов в полученную величину площади пика. Величины поправочных коэффициентов могут быть либо определены экспериментально, либо рассчитаны теоретически на основании величин относительной молярной чувствительности (ОМЧ). При экспериментальном определении поправочных коэффициентов исходят из того, что для соединений с более чем шестьюсемью атомами углерода в молекуле, связанными с атомами водорода, величина поправочного коэффициента равна единице и, следовательно, соотношение анализируемых компонентов, найденное на основе измерения площади пиков ( в % ), равно их процентному отношению по массе. Тогда, зная величину отношения числа молей стандарта (Мст) и исследуемого соединения (Мх) из соотношения  , (66)приняв величину Кст = 1, рассчитывают величину поправочного коэффициента для вещества Х – Кх. Система теоретического расчета величин относительной молярной чувствительности была предложена Акманом. В этой системе каждой группе СН2 алифатического соединения приписывается значение вклада в суммарную величину относительной молярной чувствительности, равное 100 единицам. Тогда, например, для гептана величина относительной молярной чувствительности оказывается равной 700. Т а б л и ц а 9 Значения инкрементов функциональных групп и связей
Если оценить величины инкрементов функциональных групп и связей в суммарную величину относительной молярной чувствительности, то появляется возможность теоретического расчета ее для любого соединения. В табл. 9 приведены значения инкрементов для наиболее встречающихся функциональных групп и связей. При теоретическом расчете ОМЧ исследуемое соединение делится на фрагменты и в соответствии со значениями приведенных инкрементов рассчитывается величина относительной молярной чувствительности. Нерегистрируемыми считают такие атомы углерода, которые наряду с одной связью с водородом имеют двойную связь с кислородом или другим гетероатомом, или связаны двумя или тремя связями с гетероатомами, но не присоединяют атом водорода. Т а б л и ц а 10 Величины относительных молярных поправочных коэффициентов
|