Хроматограф

Хроматограф (от др.-греч. χρῶμα — цвет и γράφω — пишу) — прибор для разделения смеси веществ методом хроматографии.

Классификация хроматографов

Пример хроматографа. В центре — охлаждаемый бокс с колонкой и насосами для принудительного прокачивания мобильной фазы. Справа коллектор фракций с многочисленными гнездами для пробирок. Элюат поступает сюда из колонки по тонкой трубке, проходя по пути через оптический детектор. Слева монитор компьютера, на котором отражается ход хроматографии.

Обычно хроматографы делят на две большие группы — газовые и жидкостные, по типу используемого элюента. В газовых хроматографах элюентом (газом-носителем) выступает газ (как правило, инертный, в основном используются водород, гелий, азот и аргон), в жидкостной хроматографии носителем является жидкость (как правило, органические растворители, вода и водные растворы используются в особых видах хроматографии, например, в гель-фильтрующей).

Колонки

Основным конструктивным элементом хроматографов являются колонки — трубки, заполненные неподвижной фазой, по которым во время выполнения анализа движется подвижная фаза и исследуемый образец. Именно в колонке происходит разделение компонентов исследуемой смеси.

Колонка характеризуется несколькими параметрами: эффективностью, селективностью и ёмкостью.

Эффективность является мерой расширения пика вещества при его движении вдоль колонки и тесно связана с числом теоретических тарелок — воображаемых участков по длине колонки, в каждом из которых как бы достигается термодинамическое равновесие фаз. Кроме того, на неё влияют такие факторы, как вихревая диффузия, продольная молекулярная диффузия и сопротивление массопереносу. Как правило, число теоретических тарелок в современных капиллярных колонках очень велико — несколько десятков тысяч. Это позволяет, при правильном подборе селективности неподвижной фазы, в подавляющем большинстве случаев разделить все индивидуальные компоненты любой, даже самой сложной, смеси.

Селективность определяется как разница в степени удерживания веществ разной природы на неподвижной фазе. Обычно её выражают через относительное удерживание пары критически важных компонентов пробы (отношение их приведённых времён удерживания). Если это отношение больше 1, то пики могут быть разделены. Селективность колонки зависит от характера взаимодействия определяемого вещества и неподвижной фазы. Эти взаимодействия могут быть как неполярными дисперсионными (силы Ван-дер-Ваальса), так и полярными специфическими (обычно диполи и водородные связи).

Ёмкость колонки связана с её физическими размерами и определяет максимальный объём пробы, который можно ввести в колонку без её «перегрузки», то есть без отклонения пиков от гауссовой формы. Соответственно, ёмкость набивных колонок значительно больше, чем капиллярных.

Набивные колонки

Набивными англ. packed column колонками в газовой хроматографии традиционно называют колонки большого диаметра (обычно 2 мм), которые можно изготовить самостоятельно, заполняя их заранее приготовленным адсорбентом (например, трепелом зикеевского карьера или толчёным кирпичом с нанесённым на них вазелиновым маслом).

Капиллярные колонки

Также полые капиллярные колонки или открытые капиллярные колонки (англ. open tubular column). Эти колонки изготавливаются из капилляров, то есть трубок очень малого диаметра (в газовой хроматографии распространены размеры 0,53 мм (англ. wide bore column), 0,32 мм, 0,25 мм и 0,1 мм). Чем меньше диаметр колонки, тем меньше размытие пиков в результате диффузии и, соответственно, тем выше эффективность. Это позволяет снизить время анализа и улучшить разделение компонентов. Кривая Ван-Деемтера для колонок малого диаметра тоже более благоприятна и позволяет варьировать скорость газа-носителя в более широких пределах без катастрофической потери эффективности.

Детекторы^[1]

Вторым важнейшим элементом хроматографа является детектор, то есть устройство, способное реагировать на изменение концентрации определяемого вещества. Детекторы условно делятся на универсальные и селективные.

Детектор по теплопроводности (ДТП)

К универсальным относится детектор по теплопроводности (ДТП, устаревшее и нерекомендованное название — катарометр). Принцип его действия заключается в изменении температуры нагретой нити при обдувании её газом (пробой) с разной теплопроводностью.

Что касается селективных детекторов, то их спектр весьма велик.

Пламенно-ионизационный детектор (ПИД)

Этот детектор селективно определяет углеводороды. Принцип его действия заключается в изменении силы тока в плазме водородно-кислородного пламени при попадании в неё горючих соединений углерода.

Пламенно-фотометрический детектор (ПФД)

Данный детектор определяет излучение молекул или атомов вещества при их попадании в плазму водородно-кислородного пламени. Теоретически ПФД может определять очень широкий спектр веществ, однако на практике он чаще всего используется при анализе соединений серы, азота и фосфора, а также иногда ртути.

Разновидность ПФД является пульсирующий пламенно-фотометрический детектор (ППФД), отличающийся тем, что в нём горение пламени происходит не постоянно, а импульсами, то есть вспышками, обычно с частотой 2-4 Гц. Периодический характер пламени позволяет проводить временно́е разделение фронтов свечения разных веществ, например, серы на фоне углерода, то есть селективность ППФД значительно выше, чем у ПФД.

Термоионный детектор (ТИД)

В этом детекторе используется небольшой керамический шарик с таблеткой из соли щелочного металла (сульфат рубидия или бромид цезия), нагреваемый до высокой температуры. Этот детектор используется для селективного определения азота и фосфора.

Электронозахватный детектор (ЭЗД)

В данном виде детектора используется источник бета-частиц (электронов), как правило, ⁶³Ni, или альфа-частиц (²⁶⁹Pu). Если в газе, проходящем мимо такого радиоактивного источника, оказываются молекулы, склонные к ионизации, возникает пропорциональный их концентрации ток, который можно измерить.

Своеобразной разновидностью электронозахватного детектора является детектор дифференциальной ионной подвижности (ДДИП)^[2], весьма компактный и поэтому доступный для использования в портативных хроматографах. Данный детектор может селективно определять сернистые компоненты и непредельные углеводороды в концентрациях до 0,1 ppm.

Хемилюминесцентный детектор (ХЛД)

Данный детектор является одним из самых сложных, однако обладает непревзойдённо высокой чувствительностью для определённых групп компонентов (в частности, серосодержащих — до 0,1 ppb). Перед ХЛД устанавливается ПИД, а в самом ХЛД используется озонатор.

Детекторы для жидкостной хроматографии

Фотометры, работающие в УФ-диапазоне. Источником УФ-излучения в нем является ртутная лампа низкого или среднего давления, имеющая интенсивные линейчатые спектры, из которых лучи с определенной длиной волны вырезаются с помощью фильтров. Ртутная лампа низкого давления около 90 % энергии излучает при 254 нм, что дает возможность исключить фильтры. Очень многие органические вещества достаточно интенсивно поглощают при 254 нм. Это все ароматические и полиароматические соединения, гетероциклические соединения, вещества, содержащие в своем составе гетероатомы, карбонильную группу и многие другие.

Спектрофотометрические детекторы. С помощью достаточно сложных оптических схем из широкого непрерывного спектра дейтериевой лампы (190—360 нм) и лампы видимого света (длина волны более 360 нм) с использованием голографической решетки вырезается более или менее узкая полоса УФ- или видимого излучения.

УФ-детектор с диодной матрицей. Через кювету проходит полихроматический свет, то есть весь непрерывный спектр испускания дейтериевой лампы, который после кюветы попадает на дифракционную решетку, где делится на монохроматические пучки.

Рефрактометрические детекторы. Дифференциальный рефрактометр непрерывно регистрирует изменения показателя преломления элюата на выходе из колонки. Главным достоинством этого детектора является универсальность, так как при выборе подходящего растворителя он может детектировать любые вещества. Основные недостатки — практическая невозможность использования при градиентном элюировании и необходимость тщательной стабилизации температуры.

Флуориметрические детекторы. Используются для детектирование соединений, обладающих, флуоресцентными свойствами.

Электрохимические детекторы. Можно применять для анализа всех веществ, обладающих электрохимической активностью, то есть способных при определенном потенциале окисляться или восстанавливаться.

ИК-детекторы. Детекторы, основанные на поглощении в инфракрасной области спектра. Применяются достаточно ограниченно, так как несовместимы с основными растворителями, применяемыми в адсорбционной и обращенно-фазной хроматографии, а также сравнительно малочувствительны.

Масс-детекторы. Для того чтобы сделать совместимыми жидкостную хроматографию и масс-спектрометрию используют различные интерфейсы. Наиболее часто применяют электроспрей-ионизацию (ESI) и химическую ионизацию при атмосферном давлении (APCI). Комбинацию жидкостных хроматографов с масс-спектрометрами называют ЖХ/МС (англ. LC/MS).

Примечания

1. ↑ Химическая энциклопедия: детекторы хроматографические
2. ↑ Новые возможности газохроматографического анализа: ДДИП

Ссылки

• Газанализ.ру
• Е.Л. Стыскин, Л.Б. Ициксон, Е.В. Брауде "Практическая Высокоэффективная Жидкостная Хроматография".