Газовая хроматография: суть метода

Потребность в количественном и качественном анализе компонентов различных смесей или разделении их на составные части есть во многих отраслях науки и производства. Метод, с помощью которого можно это сделать точно и быстро — газожидкостная хроматография .

Газовая хроматография: что это такое

С помощью хроматографов анализируют простые вещества и их смеси, изучают их физические и химические свойства. В газовой хроматографии (в иностранных источниках — GC) подвижная фаза (далее ПФ) — газ, неподвижная фаза (в дальнейшем НФ) — твердое тело (газоадсорбционная хроматография) или жидкость, которую наносят тонким слоем на твердый носитель (газожидкостная хроматография).

В 1981 году в Советском Союзе был разработан обновленный государственный стандарт терминов и понятий, использующихся в GC — ГОСТ 17567-81. В нем дано ее следующее определение: «Хроматография, в которой подвижная фаза находится в состоянии газа или пара».

Кратко суть метода

Кратко сущность метода газовой хроматографии заключается в следующем:

• НФ помещена в колонку — трубку из металла или стекла; смесь, которую собираются анализировать или разделять, вместе с газом (ПФ) двигается вдоль НФ;
• разная адсорбируемость или растворимость компонентов анализируемой или разделяемой смеси обуславливает различие во времени их пребывания, а также скорости движения в пространстве колонки;
• все компоненты, которые быстрее адсорбируются, остаются в верхнем слое сорбента, остальные спускаются вниз — смеси делятся на отдельные компоненты.

При проведении хроматографии циклы сорбции и десорбции повторяются много раз, компоненты разделяются в ПФ. Метод динамический, он эффективнее, чем сорбция веществ в статических условиях.

Сущность метода газовой хроматографии не только в делении смесей веществ, как органических, так и неорганических, но и в очистке их от примесей, повышении концентрации выделением из разбавленных растворов, а также анализа — количественного и качественного.

История

Дословно хроматография означает цветное письмо, но ни листы бумаги, ни карандаши при анализе не нужны. Такое название методу дал первооткрыватель — русский ученый Михаил Семенович Цвет в начале 20-го века. Изучая состав хлорофилла, он предположил его многокомпонентную природу.

С помощью придуманного им метода он разделял пигменты растений и получал в стеклянной трубке, заполненной инулином, желтое и зеленое кольца — разделенные пигменты, так появилась возможность провести их анализ. Носителем в самодельном хроматографе была жидкость — лигроин. Ученый испытал больше сотни адсорбентов, усовершенствовал технику разделения. М. С. Цвет номинировался на Нобелевскую премию, но важность его открытия не оценили. Больше чем на два десятка лет о методе забыли.

История развития метода

• В начале 30-х годов 20-го века ученые Р. Кун, А. Винтерштейн и Е. Ледерер выделили разные фракции из сырого каротина, доказав ценность метода.
• В 1941 году разработан новый вид анализа: вещества разделяли, используя различия в коэффициентах распределения компонентов смеси в двух жидкостях, которые не смешиваются. Авторами метода, названного распределительной хроматографией, были Д. Мартин и Р. Синг. Ученые из Англии разработали теорию газожидкостной хроматографии, сконструировали газожидкостный хроматограф. За это открытие им присудили Нобелевскую премию.
• Параллельно с английскими учеными над этой темой работали и российские химики, в частности Сенявин, Туркельтауб, Жуховицкий, Вяхирев. В 40-х годах 20-го века они проводили исследования по газоадсорбционному разделению смесей.
• В 1947 году Ф. М. Шемякин и супруги Гапон доказали, что для разделения ионных веществ хроматографическим методом можно применить принцип ионного обмена. Так появилась ионная хроматография.
• В процессе изучения метода Гапоны доказали, что можно разделять вещества, образующие осадки, если их растворимость различается. Появился метод осадочной хроматографии.
• В 1951 году Б. В. Айвазов и А. А. Жуховицкий воздействовали на разделяемую смесь и сорбент изменяющимися температурами, что улучшило разделение. Появилась хроматермография.
• Методу капиллярной хроматографии мир обязан американцу М. Голею. Открытие сделано в 1957 году.

Метод продолжает совершенствоваться.

Особенности газожидкостной хроматографии

Это самый современный метод анализа. Его применяют для разделения веществ, принадлежащих к одному классу соединений. Разнообразие жидких НФ позволяет идентифицировать любое вещество, даже если его содержание в исследуемой пробе минимально, поэтому метод считается универсальным. Чтобы исследование прошло успешно, важно правильно настроить хроматограф и выбрать следующие параметры НФ:

• хорошая растворимость элементов, которые содержатся в реактиве, иначе исследуемый образец быстро удаляется из колонки и анализ провести не удается;
• отсутствие летучести, что может исказить хроматографический график;
• химическая инертность, реакции с веществами пробы или элюентом недопустимы;
• минимальная вязкость — от нее зависит скорость диффузии.

Чтобы метод реализовался, разделительная способность анализируемой смеси должна быть большой. Есть свои требования к носителю НФ:

• твердость и прочность;
• сохранение своих свойств при повышении температуры;
• равномерное распределение жидкого слоя;
• жидкий слой должен хорошо смачивать твердый носитель, но не впитываться в него.

Подача элюента должна быть непрерывной, поэтому к хроматографу подключают генератор газа.

Виды GC

Разделение GC по агрегатному состоянию твердого носителя: газожидкостная (ГЖХ), газоадсорбционная хроматография и газораспределительная.

Вещества, которые разделяют, перемещаются вдоль сорбента разным образом. Деление по этому признаку:

• проявительный, иначе элюэнтный способ — порция исследуемого вещества вводится на входе хроматографа, затем поток ПФ перемещает ее по колонке, скорость движения каждого из веществ и их константы распределения связаны обратно пропорциональной зависимостью;
• при фронтальном способе перемещения смесь подается на поверхность сорбента постоянно и непрерывно из начальной точки, становясь ПФ;
• в электрохроматографии на заряженные частицы действуют электрическим полем, разные масса и заряд обуславливают различия в скорости перемещения.

Природа процесса тоже играет свою роль в классификации:

• когда разделение происходит за счет разной абсорбирующей способности составляющих смеси, говорят о адсорбционной хроматографии;
• разделение за счет разной растворимости — суть распределительного метода;
• если компоненты разделяются из-за различия в константах равновесия при обмене ионами — используется ионообменный способ;
• когда вещества образуют осадки, растворимость которых в жидкой фазе отличается — это осадочная хроматография;
• компоненты имеют различное взаимодействие с аффинным лигандом — так работает аффинная хроматография;
• если в основу разделения положена разница в величине молекул веществ, говорят о эксклюзионной хроматографии.

Сорбционные механизмы — разные: молекулярный, ситовый, хемосорбция, обмен ионами. В основе хемосорбционной хроматографии лежат химические реакции — окислительно-восстановительные или комплексообразовательные.

Анализы могут проводиться при различном давлении и температуре.

Что отличает газоадсорбционную хроматографию от газожидкостной

Основное отличие в физических свойствах твердой фазы:

• газоадсорбционный, иначе газотвердофазный хроматографический анализ требует твердого носителя, обычно это оксид алюминия, уголь либо силикагель;
• в жидкостном НФ — инертный носитель, на его поверхности — слой жидкости.

В первом варианте используется различие в адсорбирции, во втором — разная растворимость.

Метод внутренней нормализации

Он используется для качественного анализа разделенных компонентов и оценки хроматограммы. Предполагается, что на ней зарегистрированы все выделенные вещества, а их доля высоты или площади соответствует массовым процентам. При этом исключаются пики (отклики детектора), соответствующие применяемым реактивам, носителям подвижной фазы и матрицы образца. При расчетах учитывают относительные поправочные коэффициенты, призванные компенсировать различную чувствительность детектора к компонентам анализируемой смеси.

Метод абсолютной градуировки

Метод абсолютной градуировки в газовой хроматографии используется для количественного анализа разделенных компонентов на хроматограмме и определения массового или объемного содержания вещества или его абсолютной массы в анализируемой пробе (на оси абсцисс), на оси ординат — высоты хроматографических пиков . Если зависимость линейна, вычисляют угловой коэффициент или градуировочный множитель Ki. Методом делают расчет процентного содержания вещества в образце. Чтобы результаты были достоверными, соблюдают ряд условий:

• точное и легко воспроизводимое дозирование пробы;
• постоянные условия анализа, включая градуировку прибора.

Погрешность в результатах анализа проб жидких веществ больше, чем газообразных.

Количественное определение барбитуратов

Количественное определение барбитуратов выполняется с применением химико-токсикологического анализа —тонкослойной хроматографии. Точные результаты дает газовая хроматография образцов мочи, она обнаруживает даже следы вещества. Исследование проводят в современных капиллярных кварцевых газохроматических колонках, на стенки которых наносят силиконовые фазы. Они инертны, поэтому дериватизация не требуется. Если нужны подтверждающие исследования с применением хромато-масс-спектрометрии или выявления метаболитов барбитуратов, ее проводят, используя метилирующие реактивы.

Определение этиленгликоля

Этиленгликоль или 1,3 пропандиол широко применяется в пищевой промышленности и в качестве растворителя. Чтобы провести анализ с помощью газовой хроматографии, необходимо отделить вещество от сопутствующих примесей — воды и легкокипящих спиртов. Для этого используют азеотропную отгонку с ацетонилнитрилом. Следующий этап подготовки вещества к анализу — дериватизация уксусным ангидридом с примесью серной кислоты. Точность результата в этом случае увеличивается в 4 раза. Условия для газохроматического анализа:

• хроматограф Цвет-500М с капиллярной колонкой DB-5 (30м*0.25мм);
• газ-носитель — азот марки «ОСЧ», с расходом 0.6 мл/мин;
• пламенно-ионизационный детектор.

Температура программируется в пределах от 80 до 210 градусов С, скорость ее повышения 6 градусов С в минуту. Сигнал регистрируется аналого-цифровым преобразователем персонального компьютера.

Как определить ацетальдегид

Для мониторинга содержания токсичного ацетальдегида в окружающей среде используют метод газовой хроматографии. Пробы отбирают в воду, а затем переводят смесь в паровую фазу. Особенности анализа:

• газовый хроматограф состоит из двух разделительных капиллярных колонок — одна из них полярная, другая — неполярная;
• два пламенно-ионизационных детектора.

Пробу делят на 2 колонки, это обеспечивает высокую точность анализа.

Определение глицерина

Содержание глицерина методом газовой хроматографии можно определять в метиловых эфирах жирных кислот и FAME из растительных масел, кроме пальмового и кокосового. Что потребуется:

• короткая капиллярная колонка, слой твердого абсорбента — тонкий;
• пламенно-ионизационный детектор;
• термостат с программированием температуры.

Газ-носитель — гелий или водород. Требуется особый режим температуры.

Анализ кала

Инфекции, воспаления и дисбиозы вызываются микроорганизмами, которые выделяют специфические микробные химические вещества, называемые маркерами. Они являются жирными кислотами. С помощью газовой хроматографии, совмещенной с масс-спектрометрическим анализом, их можно обнаружить с достаточной для постановки диагноза точностью. Из образца биоматериала извлекают жирные кислоты и разделяют их на хроматографе. Для анализа кала требуется капиллярная колонка высокого разрешения.

Сорбенты

Сорбенты в твердом или жидком виде поглощают из окружающей среды вещества в парообразном, газообразном или жидком состоянии. Они делятся на два класса:

• абсорбенты растворяют поглощаемое вещество внутри себя;
• адсорбенты сгущают вещество на своей поверхности, чаще всего пористой.

В газовой хроматографии используют 4 вида сорбентов:

• непористые (в виде графитированной сажи, мелкодисперсного диоксида кремния или кристаллов солей);
• однородные микропористые — они получаются после обработки силикагеля высокотемпературным ( 700 градусов) водяным паром;
• однородные тонкопористые, так называемые молекулярные сита (высокопористый углерод и цеолиты);
• неоднородные пористые — содержат поры разных размеров (силикагель и активированный уголь).

В газожидкостной хроматографии основные сорбенты — на основе силикагеля с привитыми фазами.

GC нефти

С ее помощью проводят количественные и качественные исследования углеводородов ароматической и насыщенной фракций нефти, для высокомолекулярных нефтепродуктов (смол и асфальтенов) она непригодна. Особенности GC нефти:

• НФ — нелетучая жидкость на твердом сорбенте;
• если применяется масс-селективный детектор, метод называется хроматомассспектроскопией;
• колонка — капиллярная;
• образцы проб растворяют в хлороформе.

В сырой нефти содержатся десятки тысяч индивидуальных соединений, ее состав зависит от месторождения. Полностью определить его даже самыми современными методами не представляется возможным.

Дериватизация

Дериватизацией называется метод превращения химического соединения в его производное — продукт аналогичной химической структуры. В газовой хроматографии она применяется, если анализируемое вещество или смесь не обладает достаточной летучестью, чтобы провести анализ. Для дериватизации часто используют неполярные силильные группы, тогда точность анализа значительно повышается.

Виды детекторов

Детекторы измеряют концентрации веществ при выходе их из колонки хроматографа. Чаще всего для анализов пользуются следующими видами этих измерительных приборов:

• пламенно-ионизационным;
• катарометром;
• детектором электронного захвата;
• пламенно-фотометрическим;
• термоионным;
• фотоионизационным;
• масс-спектрометром.

Для практического применения обычно используют детекторы по теплопроводности — катарометр и пламенно-ионизационный. Газовый поток, поступающий в колонки, во время анализа меняет свой состав и свойства. Это изменение улавливает детектор и, в зависимости от принципа действия, преобразует в выходной сигнал.

Если детектор регистрирует сумму количеств всех веществ, подвергающихся разделению, он называется интегральным. Дифференциальный детектор регистрирует приращение концентрации каждого из разделяемых компонентов в зависимости от времени.

Колонки

Колонка — «сердце» хроматографа, именно в ней происходят основные процессы разделения анализируемых смесей. Ее выбор определяется несколькими параметрами: соединениями, которые будут подвергаться анализу, их концентрациями и объемами, требованиями к точности проведения.

Хроматографические колонки (стеклянные трубки) бывают капиллярные и насадочные. Для решения практических задач в современном хроматографическом анализе больше подходят капиллярные колонки. С помощью насадочных устройств проводят хроматографию газов и летучих смесей с простым составом. Они пригодны для анализа проб большого объема. Свойства колонок определяются следующими параметрами:

• природой неподвижной фазы и ее толщиной;
• внутренним диаметром;
• длиной.

Если колонка выбрана правильно, анализы будут производиться в оптимальных условиях, а их результаты получатся более точными.

Микрошприцы

Жидкие и газообразные пробы в хроматограф вводят микрошприцом. Он дозирует ее объем с высокой точностью. Устройство микрошприца:

• стеклянный корпус обработан химически и термически, объем разный, выбирается в зависимости от потребностей;
• подвижный шток с плавным ходом и герметичностью, который можно заменять;
• игла из нержавеющей стали с антикоррозийным покрытием, тефлона, а в некоторых случаях и платины, ее прочность высока;
• измерительная шкала на корпусе, часто с ограничителем для фиксирования объема — точный дозатор.

Микрошприцы отличаются способом заточки иглы (с тупым, острым, сужающимся или закрытым концом, иглы со срезом применяют для биологических исследований) и ее креплением (замки — тефлоновые, металлические или вклеенные, а также резьбовое соединение).

Давление

В GC используют низкое, среднее и высокое давление подачи газа-носителя. Чем оно выше, тем больше информации дает анализ. Первый вариант дешевле, но менее информативен. Жидкостная хроматография высокого давления, иначе называемая высокоэффективной жидкостной хроматографией, наиболее эффективна. Частицы абсорбента в колонках имеют меньший размер, что увеличивает разрешающую способность. Поэтому этот метод исследования наиболее популярен. Его используют для анализов фармацевтических и биологических продуктов, в судебной и медицинской практике.

Где применяется газовая хроматография

С помощью этого метода можно проводить анализ как простых веществ, так и составных смесей. Основное условие — летучесть анализируемых веществ или возможность перевести их в летучее состояние. Исключение составляют вещества и смеси, разлагающиеся при высоких температурах до неспецифичных соединений. Практическое применение газовой хроматографии:

• при производстве пластмасс, фармацевтических и косметических продуктов, парфюмерии, продуктов питания;
• в нефтехимической промышленности;
• для экологического мониторинга, в том числе пестицидов;
• при добыче полезных ископаемых;
• для биологических исследований;
• в судебной экспертизе — медицинской и токсикологической.

Этот метод незаменим при проведении научных исследований.

Газовая хроматография в судебной экспертизе

В судебной экспертизе хроматографический анализ применяется для исследования:

• любых отравляющих веществ;
• продуктов взрыва и выстрела;
• веществ, содержащих алкоголь;
• промышленных товаров и продуктов питания;
• топливных и горюче-смазочных материалов;
• резинотехнических изделий;
• синтетических тканей;
• лекарственных препаратов.

С помощью газового хроматографа можно обнаружить даже малейшие следы синтетических и натуральных наркотиков, установить давность создания документов. Для проведения экспертизы с помощью хроматографа требуется минимальное количества исследуемого вещества.

Достоинства

У метода много достоинств:

• одновременное разделение и анализ смесей, количество их компонентов может достигать 100;
• универсальность;
• быстрота получения результата;
• большая гибкость — параметры можно менять в зависимости от потребностей, что позволяет решать разные задачи;
• автоматизация;
• возможность обнаружения минимального количества веществ;
• сочетание с другими методами исследования;
• небольшие затраты на проведение.

Метод активно используется в различных областях науки и промышленности.

Недостатки

Основной недостаток — невозможность исследования нелетучих и разлагающихся при подъеме температуры продуктов. Частично его преодолевают, используя ВЭЖХ.

Лучшие книги

Написано немало книг, посвященных теоретическим и практическим основам метода, лучшие перечислены ниже.

«Руководство по газовой хроматографии» Вяхирева

Книга Д. А. Вяхирева написана в содружестве с другим автором — Шушуновой А. Ф. В 10 главах даны теоретические основы разных видов хроматографического анализа, описана аппаратура для его проведения и способы оценки результатов. Руководство будет полезно студентам, научным работникам, инженерно-техническому персоналу.

«Газовая хроматография» Яшина

Учебник 3 авторов (Е. Я. Яшина, Я. И. Яшина, А. А. Яшина) содержит теоретические и практические основы всех видов газохроматического анализа, включая последние достижения в этой области. Особое внимание уделено применению метода в разных сферах. По учебнику можно изучить его самостоятельно. Он будет полезен студентам и тем, кто хочет повысить свою квалификацию.

«Практическая газовая хроматография» Царева

Методическое руководство авторов Царева Н. И., Царева В. И., Катракова И. Б. детально описывает практику газохроматического анализа. Этот учебник предназначен для студентов, изучающих спецкурс органической химии, посвященный газохроматографическим методам анализа. Руководство написано для студентов Алтайского государственного университета в соответствии с изучаемой программой, но будет полезно и учащимся других вузов.

Айвазов Б. В., «Основы газовой хроматографии»

Это учебник для студентов химических вузов, в котором широко освещены основы газохроматического анализа и особенности каждого вида анализа. Подробно описаны теоретические основы процессов и применяемая аппаратура. Несмотря на то, что последний раз учебник переиздавался в 1983 году, изложенная в нем информация по-прежнему остается актуальной.

Где проводится обучение специалистов по газовой хроматографии

Метод газовой хроматографии изучается во всех химических ВУЗах в разделе аналитической химии. В ряде институтов есть спецкурс, посвященный изучению этого метода. Для тех, кто имеет базовые знания в этой области, организованы курсы повышения квалификации.

Учебный центр компании «ХРОМОС Инжиниринг» (школааналитики.рф) проводит курсы повышения квалификации в бизнес-центре класса B++ по адресу: г. Москва, ул. Бутлерова, 17, офис 3158. В течение 3 дней слушатели изучают теоретические основы метода, особенности организации поставки и закупки оборудования, ведут практическую работу с приборами. Выдается сертификат.

В Дзержинском филиале университета Лобачевского организована подготовка специалистов при кафедре методов контроля производства и хроматографии. Длительность обучения 2-3 недели. Изучение теории подкрепляется практическими занятиями. Выдается удостоверение об окончании курсов.

ООО «Экоприбор-Сервис» из города Екатеринбурга (info@gcpro.ru) обучает специалистов с выдачей удостоверения, выезжая на площади заказчика. Практические навыки учащиеся приобретают, работая на оборудовании, уже имеющемся на предприятии. Длительность обучения до 5 дней.

В Центре дополнительного образования при государственном университете «Дубна» организованы курсы повышения квалификации для тех, кто уже имеет высшее образование в области естественных наук. Программа очной формы обучения рассчитана на 60 часов.

Институт дополнительного образования ВолГУ организует профессиональное обучение для лиц, имеющих высшее образование. В течение 3 дней слушатели курсов обновляют знания, изучая современные методы анализа, применяемые для судебно-медицинских экспертиз.

ООО «Энерголаб» (post@energolab.com) имеет научно-образовательный центр с курсами для работников аналитических лабораторий по различным видам хроматографии. Учащимся предлагается теоретический и практический курс.