Газовая хроматография: принцип работы, классификация и применение

Содержание:

• Основы газовой хроматографии
• Принцип газовой хроматографии
• Что показывает хроматограмма?
• Классификация
• Применение газовой хроматографии
• Преимущества газовой хроматографии
• Методика проведения газовой хроматографии
• Вещества для газовой хроматографии

Газовая хроматография – это метод инструментального анализа, при котором компоненты исследуемой пробы разделяются внутри хроматографической колонки, а затем регистрируются детектором. В качестве подвижной фазы в газовой хроматографии используется газ-носитель, например гелий, водород или азот. Разделение связано с различным взаимодействием компонентов пробы с неподвижной фазой колонки и их разной способностью удерживаться в ней.

Газовая хроматография используется для идентификации и количественного определения летучих и термически устойчивых соединений. Метод востребован при исследовании природного и нефтезаводского газа, нефти, нефтепродуктов, растворителей, полимеров, пищевой продукции, воздуха, воды и других объектов. С помощью хроматографического анализа определяют углеводородный состав, примеси, серосодержащие и хлорорганические соединения, кислородсодержащие компоненты и многие другие вещества.

Основы газовой хроматографии

Чтобы понять суть газовой хроматографии, достаточно представить движение компонентов пробы через колонку. Газ-носитель переносит вещества по колонке, но каждый компонент движется с собственной скоростью. В результате соединения, которые первоначально находились вместе, выходят из колонки в разное время.

Главные элементы:

• блок подачи газа-носителя;
• узел очистки и регулировки газового потока;
• инжектор для ввода образца;
• разделительная хроматографическая трубка (капилляр или набивная колонка);
• термостат;
• аналитический сенсор;
• управляющая программа.

Подвижная фаза в газовой хроматографии – газ, который перемещает анализируемые компоненты через колонку. Газ-носитель должен обеспечивать стабильную работу системы и соответствовать требованиям конкретной методики. 

Неподвижная фаза в газовой хроматографии находится внутри колонки. Конфигурация и функциональное назначение колонки определяют ее исполнение: это может быть либо объемный сорбент, либо пленка жидкой фазы, распределенная по внутренним стенкам капилляра или закрепленная на твердом носителе.

Различия во взаимодействии веществ с неподвижной фазой приводят к разделению. Одни компоненты покидают колонку раньше, другие удерживаются дольше. Время выхода вещества называют временем удерживания. Оно используется вместе с другими параметрами для идентификации соединения.

Принцип газовой хроматографии

В газовой хроматографии распределение достигается за счет того, что компоненты пробы непрерывно переходят между подвижной фазой и неподвижным слоем внутри колонки. Одни вещества удерживаются сильнее и выходят позже, другие слабее и выходят раньше. Газ-носитель лишь перемещает их вдоль колонки. Процесс повторяется по всей длине. Чем сильнее соединение удерживается неподвижной фазой при заданных условиях, тем больше времени требуется ему для прохождения колонки.

Что показывает хроматограмма?

Результат анализа отображается в виде хроматограммы. На ней сигнал детектора представлен в зависимости от времени. Отдельные пики соответствуют компонентам, которые вышли из колонки. Положение пика связано со временем удерживания, а его площадь или высота может использоваться для количественной оценки при соответствующей методике расчета.

Хроматограмма позволяет получить ответы на два основных вопроса:

• какие компоненты присутствуют в пробе;
• в каком количестве они содержатся.

Идентификация обычно требует сравнения с эталонными веществами или другими установленными параметрами методики. Для количественного анализа строят градуировочную зависимость либо используют внутренний стандарт исходя из используемого метода. Поэтому количественная газовая хроматография требует правильно подготовленной системы измерений. Необходима корректная калибровка, контроль условий анализа и использование подходящих стандартных веществ.

Классификация

Газовую хроматографию можно классифицировать по конструкции колонок, механизму разделения, способу проведения анализа и используемым детекторам.

• Газо-адсорбционная хроматография

В газово-адсорбционной хроматографии разделение связано с различной адсорбцией компонентов на поверхности твердого сорбента. Вариант используется чаще при работе с газами и низкомолекулярными соединениями.

• Газо-жидкостная хроматография

В газо-жидкостной хроматографии неподвижная фаза представляет собой жидкость, нанесенную на твердый носитель или внутреннюю поверхность капиллярной колонки. Различия в распределении компонентов между газовой и неподвижной фазами позволяют разделять сложные смеси органических соединений.

• Капиллярная газовая хроматография

Для разделения сложных смесей, содержащих много компонентов, часто применяют метод капиллярной газовой хроматографии. Его особенность в том, что стенки капилляра изнутри покрыты тонкой пленкой неподвижной фазы. Благодаря большой эффективности таких колонок удается получать высокое разделение компонентов. Капиллярные колонки особенно востребованы при анализе углеводородов, растворителей, летучих органических соединений и других сложных объектов.

• Реакционная газовая хроматография

В некоторых задачах исходное соединение перед разделением подвергают химическому превращению. Такой прием позволяет исследовать вещества, которые в исходном виде сложнее анализировать выбранным методом.

• Хромато-масс-спектрометрия

После разделения компоненты поступают в масс-спектрометр. Полученная информация помогает проводить более надежную идентификацию соединений.

Хроматографию классифицируют также по назначению. Аналитическая газовая хроматография применяется для изучения состава смесей. Это делают либо путем непрерывного мониторинга газа на выходе из колонки, либо оценивая, как вещества распределяются внутри сорбента. Неаналитический вариант метода используется для исследования физико-химических характеристик соединений по параметрам хроматографических зон. Препаративная хроматография позволяет выделить небольшие количества чистых компонентов в лабораторных условиях, а промышленная получать очищенные вещества в крупных объемах.

Применение газовой хроматографии

Возможности метода особенно востребованы там, где необходимо определить состав сложной смеси, найти примеси или контролировать стабильность технологического процесса.

Преимущества газовой хроматографии

К главным преимуществам относятся:

• высокое качество хроматографического разделения;
• способность анализировать сложные смеси;
• широкий выбор детекторов;
• способность к автоматизации;
• чувствительность при правильно выбранной системе;
• способность к качественному и количественному анализу;
• сравнительно небольшое количество пробы;
• возможность работы по стандартизированным методикам;
• получение информации сразу о нескольких компонентах образца.

Метод имеет ограничения. Вещества должны обладать достаточной летучестью и термической устойчивостью либо подвергаться специальной подготовке. Для нелетучих, термолабильных соединений выбирают другие аналитические методы.

Методика проведения газовой хроматографии

Метод газовой хроматографии всегда определяется конкретной аналитической задачей. Базовая схема газовой хроматографии состоит из 8 этапов.

1. Определение задачи

Устанавливают, какие вещества необходимо обнаружить или определить количественно. Затем выбирают нормативный документ или валидированную методику.

2. Подготовка оборудования

Проверяют состояние прибора, газовых линий, колонки, системы ввода и детектора. Устанавливают необходимые температуры и расход газа-носителя.

3. Подготовка пробы

Исходя из объекта пробу могут вводить непосредственно или предварительно подвергать подготовительным процедурам. Для газов может применяться дозированный отбор. Для жидкостей важен объем и способ ввода. При исследовании воды и воздуха часто требуется предварительное концентрирование.

4. Градуировка

Перед количественными измерениями устанавливают зависимость сигнала от концентрации определяемого вещества. Для этого используют стандартные образцы или чистые вещества в соответствии с требованиями методики.

5. Ввод образца

Подготовленную пробу вводят в хроматограф. После испарения компоненты перемещаются газом-носителем в колонку.

6. Разделение

В колонке происходит разделение компонентов. На результат влияют температура, расход газа, характеристики колонки и свойства исследуемых веществ.

7. Регистрация сигнала

Компоненты по очереди поступают в детектор. Полученные сигналы формируют хроматограмму.

8. Обработка результата

Определяют времена удерживания, площади пиков и рассчитывают концентрации по выбранной методике. При необходимости оценивают повторяемость и другие показатели качества измерений.

Вещества для газовой хроматографии

Для надежного анализа лаборатории необходимы вещества, относительно которых можно проводить идентификацию и количественные расчеты. Стандарты применяют для:

• построения градуировочных зависимостей;
• идентификации компонентов;
• контроля правильности измерений;
• проверки стабильности аналитической системы;
• выполнения методик определения конкретных соединений.

СТХ-ПА – хроматографические стандарты чистых веществ для количественного анализа и идентификации органики. В каталоге компании «Петроаналитика» представлены чистые вещества в небольших ампулах, поставка сопровождается этикеткой и паспортом. Это удобный вариант, когда лаборатории требуется конкретное соединение под определенную методику. Каталог позволяет выбрать вещество индивидуально, а для ряда соединений предусмотрена поставка только в составе соответствующего комплекта.

Если в процессе газовой хроматографии требуется сразу несколько соединений, рациональнее использовать готовый комплект. В каталоге «Петроаналитики» представлены комплекты СТХ-ПА для различных аналитических задач. Комплектация предусматривает ампулы или флаконы с этикетками и паспортом; объем зависит от конкретного набора.

Правильно выбранные вещества помогают обеспечить воспроизводимость результатов и снизить риск ошибок, связанных с некорректной градуировкой или идентификацией компонентов.

Часто задаваемые вопросы

Что показывает хроматограмма?

Хроматограмма отображает сигналы детектора во времени. По положению пиков в газовой хроматографии оценивают характеристики удерживания компонентов, а по площади или высоте сигнала при соответствующих условиях проводят количественные расчеты.

Для чего нужна калибровка?

Калибровка позволяет установить связь между сигналом прибора и количеством определяемого вещества. Для нее используют подходящие стандартные образцы или чистые вещества в соответствии с требованиями методики.

Можно ли одним хроматографом анализировать разные вещества?

Да, если прибор имеет необходимые технические возможности, а для конкретной задачи можно подобрать соответствующие колонку, детектор, условия анализа и процедуру подготовки пробы. Универсальной настройки для всех объектов нет.

Чем капиллярная колонка отличается от насадочной?

Капиллярная колонка представляет собой тонкую полую трубку, внутренняя поверхность которой содержит неподвижную фазу. Насадочная колонка заполнена сорбентом или носителем с неподвижной фазой. Капиллярные колонки часто обеспечивают более высокую эффективность разделения сложных смесей.

Какие вещества подходят для газовой хроматографии?

В первую очередь летучие и термически устойчивые соединения, которые можно перевести в газовую фазу без разрушения. Для некоторых соединений применяют предварительное химическое превращение или специальную подготовку.

Список используемых источников

1. Хроматографические методы анализа. Методическое пособие для специального курса, Шаповалова Е.Н., Пирогов А.В. (https://www.chem.msu.ru/rus/teaching/analyt/chrom/part1.pdf) 
2. Основы газовой хроматографии: конспект лекций, В.Ф. Новиков (https://lib.kgeu.ru/irbis64r_15/scan-new/4713.pdf)
3. Практическая газовая хроматография: Учебно-методическое пособие для студентов химического факультета по спецкурсу «Газохроматографические методы анализа». Царев H.И., Царев В.И., Катраков И.Б. (https://rushim.ru/books/chromatographia/gas-chromatografia.pdf?ysclid=mtn4ncaw9430348472) 
4. Хроматографические методы анализа. Методические указания по разделу курса «Аналитическая химия и физико-химические методы анализа» для студентов химико-технологических специальностей, А. Е. Соколовский, Н. А. Коваленко, Г. Н. Супиченко, Е. В. Радион. (https://analit.belstu.by/assets/files/fhma/chromato.pdf)  
5. Газовая хроматография: методические указания к лабораторному практикуму по курсу «Аналитическая химия и физико-химические методы анализа», И.В. Ковалевская, Т.И. Ахметова (https://www.nchti.ru/phocadownload/nchti_ucheb2/nchti_cromotog.pdf) 
6. Газовая хроматография. Методические указания к лабораторной работе,  Кривошеев Е.А., Саяхов Р.И. (https://moodle.kstu.ru/pluginfile.php/256509/mod_resource/content/1/%D0%A3%D1%87%D0%B5%D0%B1%D0%BD%D0%BE-%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B5%20%D0%BF%D0%BE%D1%81%D0%BE%D0%B1%D0%B8%D0%B5%20%D0%BF%D0%BE%20%D0%B3%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B9%20%D1%85%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%BE%D0%B3%D1%80%D0%B0%D1%84%D0%B8%D0%B8.pdf) 
7. Статья «Что такое газовый хроматограф и как он работает: простое объяснение сложного прибора» (https://xn--80ac2aleg3a.xn--p1ai/articles/laboratoriya-razyasnyaet/chto-takoe-gazovyy-khromatograf-i-kak-on-rabotaet-prostoe-obyasnenie-slozhnogo-pribora/?ysclid=mtn4m7nc4438692047) 
8. Статья https://www.geeksforgeeks.org/chemistry/gas-chromatography/
9. Статья https://chromatograf.ru/2022/07/30/oblasti-primeneniya-gazovyh-i-zhidkostnyh-hromatografov/  

Поделиться: Ссылка скопирована