Хроматографические методы анализа. Методическое пособие для специального курса Ответственный редактор Чл корр. Ран, профессор О. А. Шпигун Москва, 2007 2
 Скачать 0.77 Mb.
|
|
Таблица 1. Сравнение различных типов колонок для газовой хроматографии Параметр Насадочные Капиллярные Поликапиллярные Длина колонки, м 1-6 10-100 0,4-1,2 Внутренний диаметр , мм 2-4 0,25-0,35 0,01-0,1 пакет из 1000 и более капилляров Среднее число теоретических тарелок 5000 150000 10000 Толщина пленки, мкм 1-10 0,005-0,5 0,005-0,05 Рис. 3. Разделение углеводородов С 1 -С 4 на газоадсорбционной поликапиллярной колонке: 1-метан, 2-этан, 3-этилен, 4-пропан, 5-ацетилен, 6-пропилен, 7-изобутан, 8-бутан, 9-транс-бутен, 10-изобутен, 11-бутен-1, 12-цис-бутен. Газ-носитель – азот, температура колонки 60 о С. Сорбент – ППГ/бутоксид 15 В газовой хроматографии используют широкий круг детекторов, которые можно подразделить на интегральные и дифференциальные. Интегральные – регистрируют изменение во времени суммарного количества всех компонентов, дифференциальные – измеряют мгновенную концентрацию компонентов. На рис. 4 показан общий вид интегральной (а) и дифференциальной (б) хроматограмм. Дифференциальные детекторы в свою очередь подразделяют на концентрационные и потоковые. В концентрационном детекторе сигнал определяется текущей концентрацией в ячейке и многократно регистрируется, зависит от скорости потока. Детектор такого типа – катарометр. Потоковый детектор регистрирует сигнал однократно, сигнал определяется мгновенным значением концентрации, не зависит от скорости потока. Пример такого детектора – пламенно-ионизационный детектор. А.с а б Рис. 4. Общий вид интегральной (а) и дифференциальной (б) хроматограмм. Общие требования, предъявляемые к детекторам следующие: – достаточная чувствительность для решения конкретной задачи; – малая инерционность; – малая зависимость показаний от параметров опыта (температуры, давления, скорости потока и др.); Время Время 16 – линейная связь между показаниями и концентрацией в широком интервале ее изменения; – стабильность «нулевой линии»; – легкость записи сигнала и передачи его на расстояние; – простота, дешевизна. Наиболее важные характеристики детекторов, определяющие их выбор: чувствительность, точность, число порядков линейного диапазона градуировочного графика (ГГ), инерционность. Основные детекторы, применяемые в газовой хроматографии приведены в табл. 2. Универсальным является катарометр – детектор по теплопроводности, принцип работы которого основан на изменении температуры нагретых нитей (чувствительных элементов) в зависимости от теплопроводности окружающего газа, которая определяется его составом. Детектор измеряет различие в теплопроводности чистого газа- носителя и смеси газа-носителя с определяемым веществом. Чувствительность детектора определяется геометрическими характеристиками чувствительного элемента, электрическими параметрами чувствительного элемента и измерительного моста, теплопроводностью газа-носителя и анализируемого соединения. Для повышения чувствительности необходимо использовать газ-носитель с высокой электропроводность (водород, гелий). Похожими по конструкции являются детектор по плотности газов и детектор по теплоте сгорания (термохимический.) В детекторе по плотности газов измерение основано на различии плотностей газа- носителя и компонентов анализируемой смеси. Чувствительность детектора зависит от разности плотностей, в качестве газа-носителя рекомендуют использовать воздух, азот, аргон, диоксид углерода, и не использовать водород и гелий. Достоинствами этого детектора являются: 17 Таблица 2. Детекторы, используемые в газовой хроматографии Название детектора Селективность Определяемые соединения Минимально детектируемое количество Число порядков линейного диапазона ГГ Термохими- ческий Селективный Горючие вещества 0,1% 2 Детектор по плотности газов Универсальный Соединения различной природы 10 -2 % 3 Катарометр Универсальный Соединения различной природы 10 -4 %об 3 ПИД Универсальный Горючие органические соединения 10 пгС/с 7 ТИД Селективный Азот- и фосфор- содержащие соединения 1 пгN/c; 5 пгР/с 4 ФИД Универсальный Соединения различной природы 0,2 мкг/л 7 ЭЗП Селективный Галогенсодержащ ие соединения 0,2 пгCl/c 4 МС Универсальный Соединения различной природы 1 нг в режиме сканирования 1 пг в режиме масс- фрагментиро- вания 5 18 отсутствие необходимости градуировки; возможность использования для агрессивных и каталитически неустойчивых соединений; возможность использования для определения молекулярной массы анализируемых веществ. Получение сигнала детектора по теплоте сгорания основано на измерении теплового эффекта при сгорании компонентов анализируемой пробы в присутствии катализатора (платины). Он не нашел широкого применения из-за следующих недостатков: применим только для анализа горючих веществ; не применим в препаративной хроматографии; имеет ограниченный интервал определяемых концентраций – (0,1 – 5) %. Наиболее широко используются ионизационные детекторы, принцип работы которых основан на изменении ионного тока, вызванного введением в детектор анализируемого вещества. Ионный ток возникает под действием источника ионизации и электрического поля между электродами детектора. В качестве источников ионизации используют: – пламена (пламенно-ионизационный детектор) – электронную и ионную эмиссию (термоионный детектор) – радиоактивные изотопы (детектор электронного захвата) – электрический разряд – фотоионизацию (фотоионизационный детектор) В любой момент времени в детекторе достигается равновесие, в результате которого скорость образования заряженных частиц (ионов и электронов) равна сумме скоростей рекомбинации и сбора заряженных частиц на электродах детектора.Создаются условия, при которых либо плотность (концентрация) заряженных частиц, либо скорость переноса частиц в электрическом поле зависит от состава газа в камере детектора. Пламенно-ионизационный детектор (ПИД) – универсальный, чувствительный детектор, принцип действия которого основан на 19 измерении электропроводности воздушно-водородного пламени, которая резко возрастает при попадании в него малых количеств органических веществ. При этом в пламени пиролиз вещества обеспечивает наличие радикалов СН•, которые по схеме СН• + О → СНО + + ē обеспечивают протекание тока. Атомы кислорода галогенов, серы, фосфора и азота могут взаимодействовать как с углеводородными радикалами, так и с ионами СНО + , уменьшая ионизационный ток и, следовательно, сигнал детектора. Отклик ПИД пропорционален числу атомов углерода в молекуле, причем этот отклик мало меняется при переходе от одного класса органических соединений к другому. Быстрый оклик, стабильность сигнала, широкий линейный диапазон сделали ПИД наиболее широко используемым в настоящее время газохроматографическим детектором, которым оснащены все хроматографы. Термоионный детектор (ТИД) селективен к азот- и фосфор- содержащим соединениям и является модификацией пламенно- ионизационного детектора. Особенность этого детектора состоит в том, что вблизи водородного пламени горелки помещают соль щелочного металла (шарик, содержащий бромид рубидия). Нагретая соль атомизируется и образующиеся при этом атомы рубидия диссоциируют на ионы и электроны, которые попадают в электрическое поле. В присутствии соединения, содержащего галоген, азот или фосфор, ионный ток возрастает, т.е. происходит селективное повышение эффективности ионизации соединений содержащих атомы азота и фосфора. В их число входит множество чрезвычайно опасных загрязнителей среды – гербицидов, инсектицидов и фунгицидов. Селективным и чувствительным детектором для определения галогенсодержащих соединений является электронозахватный детектор 20 (ЭЗД). В детектор входит радиоактивный источник β-частиц, которые ионизируют молекулы газа-носителя, с образованием ионов и тепловых электронов, которые формируют электрический ток в камере детектора. Принцип действия этого детектора основан на уменьшении проводимости, вызываемом захватом электронов веществом, содержащим атомы с высокой электроотрицательностью. Принцип действия фотоионизационного детектора(ФИД) заключается в ионизации молекул, элюируемых с хроматографической колонки под действием вакуумного УФ-излучения и измерении возникающего ионного тока. Изменяя энергию излучения, можно варьировать чувствительность детектирования соединений различных классов. Особенно низкий предел обнаружения у ФИД для ароматических углеводородов (при использовании лампы с энергией 10.2 эВ). Положительной особенность ФИД является то, что он не разрушает детектируемые соединения, и его можно использовать в комбинации с другими детекторами для более надежной идентификации сложных смесей. Наиболее информативным и чувствительным детектором, используемым в газовой хроматографии, является масс- спектрометрический детектор. Принцип действия детектора основан на том, что при ионизации молекулы в вакууме образуется группа характеристических ионов. Число образующихся ионов пропорционально количеству поступающего вещества, регистрируется изменение полного ионного тока, который пропорционален числу ионов. Одновременно с записью хроматограммы (зависимости полного ионного тока от времени) в любой ее точке, обычно на вершине хроматографического пика, может быть зарегистрирован масс-спектр (зависимость интенсивности ионного тока от массы иона). Масс-спектрометр в отличие от других спектроскопических детекторов регистрирует не излучение или 21 поглощение энергии молекулами или атомами вещества, а сами частицы вещества, измеряет их массы, вернее отношение массы к заряду. Таким образом, масс-спектрометрический детектор можно рассматривать как универсальный детектор, который позволяет определить состав анализируемой смеси и идентифицировать разделяемые компоненты. Некоторые характеристики описанных выше детекторов, приведены в табл. 2. Из других детекторов, важных для сложных экологических анализов, благодаря их высокой селективности, необходимо упомянуть пламенно- фотометрический (ПФД), хемилюминесцентный (ХЛД) детекторы, которые селективно определяют серо- и фосфорсодержащие соединения. Высокой чувствительностью и селективностью к соединениям, содержащим атомы галогенов, серы и азота, обладает электролитический кондуктометрический детектор (ЭДКД). При получении сигнала хлор превращается в хлористый водород, сера – в диоксид серы, азот – в аммиак, которые поглощаются определенным растворителем, изменение его электропроводности преобразуется в сигнал детектора. Но данные детекторы используются на практике значительно реже. Различают два варианта метода: газо-адсорбционную, когда неподвижной фазой служит твердый носитель, и газо-жидкостную хроматографию, когда неподвижной фазой является вязкая, нелетучая жидкость, нанесенная на инертный носитель. 2.1. Газо-адсорбционная хроматография Метод анализа смесей газов и легколетучих веществ. Разделение основано на различии в адсорбции на поверхности твердого носителя (адсорбента). Адсорбция может быть обусловлена неспецифическими 22 (ориентационными, индукционными и дисперсионными) и специфическими взаимодействиями (комплексообразованием, либо образованием водородной связи) и зависит от природы адсорбента и сорбата. В качестве адсорбентов используют пористые носители, которые обладают химической, физической и термической стабильностью; однородной поверхностью, равномерным распределением по размеру пор и известной адсорбционной активностью. Адсорбционная активность зависит от удельной поверхности (определяется геометрической структурой носителя) и удельной поверхностной энергии (определяется химической структурой поверхности). На рис. 5 и 6 показаны классификации адсорбентов по их геометрической структуре и химической природе, предложенные А.В. Киселевым. Достоинствами адсорбентов в качестве неподвижных фаз являются способность выдерживать высокие температуры, отсутствие фонового сигнала при работе с ионизационными детекторами и высокая селективность. Адсорбенты делятся на неорганические, полимерные (органические) и модифицированные. Среди неорганических адсорбентов особо важны сорбенты на основе углеродных материалов. Это неполярные сорбенты, для них особую роль в процессе разделения играют геометрические параметры поверхности. Наиболее интересная особенность данных материалов – возможность разделения структурных изомеров. Широко используются полярные неорганические сорбенты на основе двуокиси кремния. Особый интерес для газо-адсорбционной хроматографии представляет использование цеолитовых молекулярных сит (M2/nO•Al2O3•xSiO2•yH2O), которые успешно позволяют разделять различные газовые смеси. Применение адсорбентов на основе Al 2 O 3 ограничено из-за его гетерополярной поверхности, гигроскопичности и асимметрии пиков 23 разделяемых соединений. Сорбенты используют для разделения легких углеводородов. Наиболее многообразны полимерные сорбенты на основе пористых полимеров стирола и дивинилбензола и дивинилбензола. Их удается синтезировать с заданными свойствами и очень чистой поверхностью. Это гидрофобные сорбенты, слабо удерживающие полярные молекулы, содержащие гидрокси- амино-группы. Основная область применения полимерных сорбентов – разделение полярных и реакционно способных газов и высоко полярных органических соединений; определение воды в органических растворителях и летучих органических примесей в воде. Рис. 5. Классификация адсорбентов по их геометрической структуре Основные адсорбенты для газовой хроматографии и область их применения приведены в табл.3-4. Адсорбент Пористый Однородно- пористый Неоднородно- пористый, тип 4 Кристаллический NaCl, графитированная термическая сажа в ГХ не используют Однородно- широкопористый, тип 2 Однородно- узкопористый, тип 3 Гели кремневой кислоты, дурапак С Углеродные молекулярные сита, Пористые угли, органические полимеры Непористый, тип 1 24 Рис. 6. Классификация адсорбентов по их химической природе Поверхность – тип Группа Взаимодействующие с поверхностью группы (связи) I II III A B C D Неполярная (отсутствие ионов или функциональных групп) ГТС, углеродные сорб. Неполярная, у-связи, инертные газы, углеводороды Положительный заряд -ОН группа (гидрокс. SiO 2 цеолиты) Отрицательный заряд -CN, -O-, =C=O, мод. поверхность, (Дурапаки, Высокая электронная плотность Свободные элект. пары, р-связи (олефины, ароматические соед. =C=O, -NR 2 , -OR, -CN) Положительный заряд (металлоорганические соединения) Соседн. группы с полож. и отрицат. зарядами (Образование ассоциатов) 25 Таблица 3. Неорганические адсорбенты в газо-адсорбционной хроматографии Адсорбент Химический характер поверхности адсорбента Геометрическая структура поверхности адсорбента Величина удельной поверхности, м 2 /г Разделяемые классы соединений Графитированная термическая сажа Активный уголь Углеродные молекулярные сита Силикагель Цеолитовые молекулярные сита Оксид алюминия Неспецифический инертный Неспецифический Неспецифический малополярный Специфический Специфический, гидрофильный Специфический, гетерополярный Непористая Развитая, пористая Микропористый (исключительно чистая поверхность) Пористый Микропористый, Регулярная система пор: набор одинаковых «больших пустот» связанных однородными микропорами Пористый 6-12 800-1000 1000-1200 2-500 ≈ 200 Предельные и непредельные углеводороды, ароматические углеводороды, альдегиды, кетоны, спирты, амины, меркаптаны Постоянные газы, легкие углеводороды Низшие (С 1 -С 5 ) спирты и жирные кислоты, Определение микропримесей воды в органических растворителях и органических соединений в воде Газы, средне- и высококипящие соединения, содержащие группы с высокой электронной плотностью Газовые смеси Сложные смеси углеводородов Сорбент используется редко 26 Таблица 4. Полимерные адсорбенты для газо-адсорбционной хроматографии Адсорбент Матрица Величина удельной поверхности, м 2 /г Полярность Область применения Хромосорб 101 Хромосорб 102 Порапак Р Хромосорб 103 Хромосорб 104 Хромосорб 107 Хромосорб 108 Порапак N Порапак R Стирол-ДВБ « « Полистирол Акрилонитрил-ДВБ Полиакрилат с сетчатой структурой « Стирол-ДВБ с винилпиролидоном « 30-40 300-400 100-200 15-25 100-200 400-500 100-200 250-350 450-600 Неполярная « « Неполярная основная Сильнополярная Среднеполярная Слабополярная Среднеполярная Слабополярная Разделение простых и сложных эфиров, спиртов, кетонов, альдегидов, гликолей Разделение постоянных газов, низкомолекулярных соединений и кислородсодержащих соединений, воды Разделение различных классов карбонильных соединений, гликолей, спиртов Разделение основных соединений, аминов, амидов, гидразинов, спиртов, кетонов Разделение нитрилов, нитропарафинов, винилхлорида, ксиленолов, NH 3 , SO 2 , CO 2 , микроколичеств воды Определение формальдегида, разделение серусодержащих газов Разделение газов и полярных соединений (воды, спиртов, альдегидов, кетонов, гликолей) Определение формальдегида, разделение NH 3 , CO 2 и воды, определение С 2 Н 2 в углеводородах Разделение простых и сложных эфиров, нитрилов, ниторсоединений, HCl, Cl 2 , H 2 O |