Н. И. Царев, В. И. Царев, И. Б. Катраковпрактическаягазоваяхроматография
 Скачать 1.41 Mb.
|
|
Температура колонки Изменение температуры в ходе любого хроматографического раз- деления приводит к изменению разделения центров зон и ширины каж- дой из зон. Влияние изменения температуры на параметры процесса сложно; оно вызывает изменение коэффициентов распределения и про- дольной диффузии, а также изменение массопереноса. Обычно с повы- шением температуры уменьшается время удерживания, разделение зон и размывание зон. Время удерживания уменьшается с повышением темпе- ратуры, так как уменьшается время пребывания вещества в неподвижной жидкой фазе. Как следствие этого ухудшается разделение центров зон. Влияние температуры на ширину зоны противоположно влиянию скоро- сти перемещения элюента на ВЭТТ. С повышением скорости уменьшает- ся продольная диффузия и возрастает член в уравнении Ван-Деемтера, связанный с массообменом. Повышение температуры вызывает увеличе- ние подвижности вещества и, таким образом, приводит к возрастанию диффузии и уменьшению сопротивления массообмену. При понижении температуры разделение обычно улучшается, поскольку при этом увели- чение расстояния между центрами зон преобладает над увеличением ши- рины пиков. 54 Однако, при выборе условий разделения предпочтение следует от- давать повышению температуры, причем целесообразно выбирать наибо- лее высокую температуру, обеспечивающую необходимое разделение. Оптимальная температура колонки обычно определяется экспери- ментальным путем. Она представляет собой компромисс между разделе- нием, которое ухудшается, и скоростью анализа, которая увеличивается с возрастанием температуры. При более высоких температурах скорость установления равновесия анализируемого вещества между двумя фазами возрастает; таким образом, время анализа можно уменьшить, используя более высокие скорости газа-носителя. Свойства конкретной НЖФ сле- дует учитывать при выборе температуры колонки. Скорость газа-носителя Высота эквивалентной теоретической тарелки (ВЭТТ) минималь- на, а степень разделения максимальна при оптимальной скорости газа- носителя (U опт ). Значение U опт зависит от конструкции колонки, непод- вижной жидкой фазы, газа-носителя, температуры и компонентов пробы. На практике U опт. составляет от 1 до 24 см 3 /с, и этот широкий диапазон демонстрирует разнообразие типов колонок и условий их функциониро- вания, применяемых в газовой хроматографии. В большинстве случаев колонка работает при скоростях газа, пре- вышающих U опт , чтобы ускорить разделение или получить более высокие пики, когда используется массчувствительный детектор, например пла- менно-ионизационный. Если не требуется максимальной эффективности, существует достаточно широкий практический диапазон приемлемых скоростей газа-носителя. Величина пробы Объем пробы обычно определяется тем количеством компонентов пробы, при котором теряется не более 10% эффективности, экстраполи- рованной на нулевую величину пробы. Перегрузка колонки приводит не только к потере эффективности, но и к искажению формы пика, и сдвигу времени удерживания; это может быть допустимо только при препара- тивной работе или при анализе следовых количеств веществ, выходящих на «хвосте» основного компонента. Явления, связанные с перегрузкой, зависят от кривизны изотермы адсорбции при высоких концентрациях и от начальной ширины зоны пробы, вводимой в колонку. Согласно эмпирическому правилу, началь- ная ширина зоны пробы должна быть меньше, чем N , где N число 55 теоретических тарелок. При количественном анализе источником ошибок может быть и перегрузка детектора. Это происходит, если величина про- бы больше верхнего предела линейного диапазона детектора при данных рабочих условиях. Режим работы хроматографа Если компоненты пробы мало различаются по парамерам удержи- вания при изотермическом режиме работы хроматографа и фиксирован- ной скорости газа-носителя часто не достигается их полное разрешение, поскольку условия благоприятны только для разделения группы компо- нентов. Очень длительные времена удерживания последних пиков и в ре- зультате их малая высота, часто оказываются непрактичными. В таких случаях следует применять программирование температуры или исполь- зование других режимов работы хроматографа. При работе с программированием температуры в течение опыта происходит постепенное равномерное повышение температуры. Пре- имущество программирования температуры заключается в том, что рас- творенные вещества проходят по колонке при температуре, оптимальной для их разделения, если соответствующим образом выбраны начальная температура и скорость нагрева. В результате продолжительность анали- за значительно снижается, достигается хорошее разрешение, а высота последних пиков возрастает. Удерживание пика часто характеризуют температурой удержи- вания, т.е. температурой, при которой выходит максимум пика. Это фун- даментальная величина в газовой хроматографии с программированием температуры, и ее значение сравнимо с объемом удерживания и време- нем удерживания. Например, температура удерживания возрастает ли- нейно с числом атомов углерода некоторых гомологических рядов, таких как нормальные алканы. Следующие факторы представляют особый интерес для газовой хроматографии с программированием температуры: начальная темпера- тура, скорость нагрева, конечная температура и скорость потока газа- носителя. Начальная температура зависит от удерживания большинства ле- тучих компонентов пробы. Более летучие растворенные вещества часто элюируются в изотермическом режиме; последующее разделение других компонентов осуществляется при возрастании температуры. В отсутст- вие летучих компонентов пробы выбор начальной температуры обычно не является критическим. Конечная температура определяется макси- 56 мально допустимой температурой для применяемой НЖФ. Отношение скорости нагрева и скорости потока газа-носителя определяет температу- ру удерживания компонентов. Для каждой колонки существует опти- мальное соотношение, которое связано с количеством неподвижной жид- кой фазы в колонке. Скорость анализа может быть повышена за счет уве- личения скорости нагрева и скорости потока газа-носителя, однако эф- фективность колонки в этих условиях снижается. В случаях анализа сложных смесей следует применять низкую скорость нагрева, которая позволяет получить высокую степень разделения. Конструкция колонки определяет эффективность как в изотерми- ческой газовой хроматографии, так и в хроматографии с программирова- нием температуры. Тем не менее, при анализе с программированием тем- пературы наблюдается потеря эффективности, вызванная неравномерным профилем температуры в колонке, что особенно сильно проявляется при высоких скоростях подъема температуры. Чтобы сделать минимальным этот эффект, рекомендуется применять колонки малого диаметра (внут- ренний диаметр 1,6 − 2 мм), изготовленные из тонкостенных металли- ческих трубок и применять в качестве газа-носителя гелий или водород. Унос НЖФ сильно возрастает с увеличением температуры и при- водит к дрейфу нулевой линии. Эту трудность можно преодолеть, приме- няя компенсационную систему из двух идентичных колонок и двойной (спаренный) ДИП или детектор по теплопроводности. Выбор колонки и условий ее функционирования оказывает наи- большее влияние на результативность хроматографического анализа. Эффективность метода определяется, главным образом, избирательно- стью (селективностью) неподвижной жидкой фазы по отношению к раз- деляемым компонентам пробы и эффективностью колонки. Имеется большое число НЖФ, и при выборе наиболее пригодной следует прини- мать во внимание их полярность и рабочий диапазон температур. Хотя теория дает солидную основу для понимания физико- химических факторов, определяющих хроматографический процесс, ко- гда дело доходит до практической работы, газовая хроматография все еще является искусством. Она требует также умения и опыта для приго- товления эффективных колонок и манипулирования с пробой, скоростью потока газа-носителя и температурой колонок часто на основании метода проб и ошибок. 57 Гл ава III. АП П АР АТ УР А 3.1 СИСТЕМА ПОДГОТОВКИ ГАЗОВ Система подготовки газов предназначена для: 1) установки скорости газа-носителя и вспомогательных газов; 2) стабилизации скорости, давления и расхода газов; 3) очистки газов. Основными элементами этой системы являются дроссель, регуля- тор давления и регулятор расхода. 3.1.1 Основные элементы Дроссель устройство, позволяющее изменить расход (объемную скорость) газа-носителя путем изменения аэродинамического сопротив- ления канала, по которому течет газ. Дроссель не стабилизирует давление на выходе, он лишь снижает входное давление. Использование этого устройства для установки расхо- да возможно только при постоянном входном давлении газа (от индиви- дуального газового баллона). Поскольку требующаяся точность качественной и количественной информации является функцией постоянного перепада давления и посто- янной скорости потока газов, все газы проходят через регуляторы давле- ния, а газ-носитель проходит еще и через регулятор скорости потока. Регулятор давления представляет собой устройство, поддержи- вающее на выходе постоянное давление при меняющемся избыточном давлении на входе (например, при постоянно снижающемся давлении в стальном баллоне по мере расходования газа) с одновременным отбором газа. Работа всех регуляторов давления основана на принципе равнове- сия сил. Для изготовления всех деталей выбирают материалы с мини- мальным коэффициентом теплового расширения. Если возникает необ- ходимость прецизионной работы, регулятор давления следует термоста- тировать. Регулятор расхода газа (скорости потока) представляет собой устройство, которое поддерживает постоянную скорость потока газа да- же при изменении величины пневматического сопротивления на выходе из регулятора. Обычно используют два принципа конструкции регулято- 58 ров: мембранный и с вставной микродиафрагмой, которые применяются совместно с регуляторами давления. В обоих случаях отмечается, что изменения объемной скорости потока не превышают 0,2%. 3.1.2 Манометры и расходомеры В более старых системах серийных хроматографов применяются цельнометаллические манометры Бурдона, новейшие системы снабжены тензометрическими датчиками, связанными с чувствительными индика- торными приборами и соединенными с системой управления регулято- ром с помощью микропроцессора. Расходомеры (рис. 7) позволяют измерять поток газа в единицах объема за определенное время. В случае применения капиллярных коло- нок рекомендуется эту величину переводить в среднюю линейную ско- рость (линейная скорость потока). Расходомеры устанавливаются либо перед дозирующим устройством, либо после детектора, что бывает реже. Простейшим устройством является мыльно-пленочный измери- тель (пузырьковый расходомер, рис. 7, а). Он представляет собой стек- лянную трубку с нанесенными на нее делениями и Т-образным участком снизу для двух входов. По горизонтальной ветви Т-образного участка подводится газ, скорость которого необходимо измерить, а через ниж- нюю ветвь в течение нескольких секунд выдавливается мыльный раствор выше уровня входа газа. Образующаяся пленка мыльного раствора уносится по трубке, и время, необходимое для ее про- хождения участка между деле- ниями, измеряется секундоме- ром. Такой расходомер позволя- ет получать точные и непосред- ственные данные о скорости потока и может также служить инструментом для калибровки расходомеров других типов. Он не может быть встроен в хрома- тограф и обеспечивает лишь Рисунок 7 − Измерители расхода газа: а – мыльно-пленочный; б – реометр; в – ротаметр. Стрелками показано направление потока газа-носителя; пунктиром обозначено исход- ное положение мыльной пленки (а), уровня рабочей жидкости (б) и поплавка (в) 59 периодическое измерение расхода на выходе из колонки или детектора. Для измерения расходов в сравнительно узком интервале могут быть применены реометры (рис. 7, б) с близкой к линейной зависимо- стью разницы уровней рабочей жидкости от расхода газа. Реометр удобен простой его градуировки и наглядностью показаний. Введение его в ли- нию газа для получения непрерывных измерений нежелательно, так как пары рабочей жидкости реометра загрязняют газ и не исключена воз- можность переброса жидкости в газовую линию. Другим простым расходомером является ротаметр (рис. 7, в), представляющий собой трубку, установленную строго вертикально и незначительно расширяющуюся по направлению снизу вверх. В трубке помещается конический поплавок или шарик, который при прохождении газа всплывает. Положение поплавка является ориентировочной функци- ей количества газа, проходящего в единицу времени. Применяются также расходомеры, которые позволяют преобразо- вывать скорость потока газа в соответствующую электрическую величи- ну. Принцип их действия заключается либо в охлаждении нагреваемого датчика протекающим газом, либо в измерении количества тепла, пере- носимого протекающим газом. В первом случае в качестве датчика ис- пользуют раскаленное металлическое волокно, фольгу или полупровод- никовые термисторы; датчик является составной частью схемы электри- ческого моста. Во втором случае для измерения смещения температуры служит тонкостенная металлическая трубка, по которой проходит газ, скорость потока которого измеряют. В середине трубки находится спи- раль, через которую пропускают постоянный ток. У обоих концов спира- ли расположены термометры сопротивления. Проходящий газ охлаждает термометр, расположенный у входа газа, тогда как второй термометр по ходу газа нагревается. После соответствующей калибровки можно по разности температур рассчитать скорость потока газа. 3.2 ДОЗИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА Дозатор является составной частью хроматографа, которая позво- ляет вводить пробу в поток газа-носителя. Сначала отмеряют объем или массу пробы, а затем вводят ее в пространство, в котором поддерживает- ся заданная температура и через которое проходит газ-носитель. Конст- рукция дозатора должна решаться с таким расчетом, чтобы: 1) вносимая проба занимала минимальный объем колонки и не вы- зывала перегрузки колонки, и с учетом чувствительности детектора; 2) проба быстро переходила в газообразное состояние и поступала в колонку, не изменяя своего состава; 60 3) данные по временам удерживания воспроизводились с точно- стью до десятой доли процента, а площади пиков изменялись с отклоне- нием менее 1%; 4) разделяющая способность колонки не ухудшалась; 5) введение пробы не вызывало изменения установившегося ре- жима работы систем хроматографа (зашкаливание нулевой линии, резкое изменение давления газа-носителя и температуры дозатора). Дозатор конструируется с учетом: − необходимости присоединения насадочной или капиллярной ко- лонки; − необходимости дозирования пробы вручную или автоматически; − возможности использования микрошприца или другого устройст- ва, предназначенного для введения пробы в зону газа-носителя. Существуют несколько типов дозаторов, конструкция которых оп- ределяется агрегатным состоянием вводимых проб. Инжекторы (испарители) для введения газообразных и жидких проб микрошприцами сконструированы в виде двух соосных трубок из нержавеющей стали (рис. 8). Газ-носитель проходит между трубками, нагревается и под эластичной перегородкой, герметично укрепленной на дозаторе накидной гайкой и предназначенной для введения иглы микро- шприца, меняет свое направление. Проходит по внутренней трубке и по- ступает в колонку. Иногда во внутреннюю трубку помещают стеклянный вкладыш, чтобы пары пробы не контактировали с металлической стенкой. В случае насадочных колонок конец колонки выводится под эластичную перегородку, поэтому игла микрошприца достигает насадки. Кроме того, непосредственно под перегородкой расположено устье ка- пилляра, через которое выходит часть газа-носителя, обмывает перегородку и выносит из нее остатки пробы. Рисунок 8 − Испаритель: 1 – корпус; 2 – прижимная гайка; 3 – тер- мостойкая мембрана; 4 – канал испарения пробы 61 В случае капиллярных колонок имеется выбор между двумя типа- ми дозаторов-инжекторов, а именно для дозирования с делением потока и без деления потока (split и splitless) или для дозирования непосредст- венно в колонку (on-column). Первый тип инжектора в принципе анало- гичен инжектору, применяемому в случае насадочной колонки. Началь- ный участок колонки укреплен в инжекторе таким образом, чтобы газ- носитель мог сначала омывать его и только затем поступать в делитель потока. Делитель потока присоединен к нижней части инжектора в виде капилляра, через который выходит избыток газа-носителя с пробой. Ско- рость потока через капилляр регулируется игольчатым вентилем, присое- диненным к его концу. Инжектор, предназначенный для дозирования методом «в колон- ку» (on-column), имеет другую конструкцию. Внутреннее пространство отделено от наружного не эластичной перегородкой, а краном с отвер- стием, позволяющим микрошприцу плотно входить через него. Игла микрошприца обычно изготавливается из тонкого кварцевого капилляра, позволяющего вносить пробу непосредственно в колонку, предотвращая тем самым дискриминацию высококипящих компонентов пробы, которая иногда имеет место при дозировании с делителем потока. После извлече- ния иглы и шприца из инжектора, последний вновь закрывается краном. 3.2.1 Микрошприцы Для ввода вручную газообразных, парофазных и жидких проб ча- ще всего используют микрошприцы. Обычные шприцы и микрошприцы с объемом свыше 5 мкл представляют собой цилиндрические трубки, выполненные из стекла или пластика, внутри которых находится пор- шень, укрепленный на толкателе. В случае объемов менее 5 мкл пробу набирают только в иглу, в которой в качестве плунжера используется вольфрамовая или стальная нержавеющая проволочка. Поршень и ци- линдр взаимно притерты и не требуют смазки. Герметичность шприца достигается за счет дозируемой жидкости, смачивающей сопряженные поверхности цилиндра и плунжера. Недостатком микрошприцов является малая механическая проч- ность. Воспроизводимость введения проб составляет (в зависимости от опыта оператора) 1,5 − 2,5%. Парофазный анализ заключается в исследовании не жидкого или твердого объекта, а контактирующая с ним газовая фаза. Для дозирования порошкообразных проб предложены специаль- ные микрошприцы, внутри которых имеется твердый металлический плунжер, выдавливающий пробу в инжектор. Твердый образец вводят |