инженер-химик.рф

Информационный портал для химиков


Капиллярная газовая хроматография

Широкое многообразие используемых жидких неподвижных фаз определяет успех разделения большого количества соединений различной природы. Однако одно лишь изменение природы неподвижной фазы и связанное с этим изменение ее растворяющей способности не может
обеспечить успех разделения во всех случаях. При разделении сложных смесей компонентов с близкими химическими и физическими свойствами и смесей, состоящих из большого числа разнообразных веществ, на первый план выдвигаются повышенные требования к качеству работы
хроматографической колонки. Этим требованиям отвечают капиллярные колонки без носителя, когда пленка неподвижной фазы наносится на внутреннюю поверхность капилляра. Этот тип колонок, предложенный Голеем в 1957 году, обеспечивает значительно большую эффективность
разделения по сравнению с обычными насадочными колонками. Математическое описание процесса миграции конечной по протяженности зоны вещества в бесконечно длинной трубке базируется на следующих положениях:

– реализуется ламинарное течение газа-носителя;
– неподвижная фаза фиксирована на внутренней стенке капилляра в виде гомогенной жидкой пленки;
– распределение скоростей в потоке вязкой среды в трубке круглого сечения имеет параболический характер;
– у оси потока скорость максимальна, а непосредственно вблизи стенок скорость перемещения среды равна нулю.

Движение газа-носителя в колонках без наполнителя сопровождается значительно меньшими энергетическими потерями, чем в заполненных пористым материалом трубках с той же величиной свободного сечения. Отсутствие заполнения позволяет улучшить на два и более порядка
эффективность колонки.

Для приготовления капиллярных колонок используют стеклянные, кварцевые или металлические трубки, которые должны удовлетворять следующим требованиям:

– капилляр должен иметь нужную длину и постоянный диаметр по всей длине, причем эти параметры не должны изменяться под действием температуры и давления;
– внутренняя поверхность капилляра должна быть химически однородной, на ней не должно быть больших трещин и пор;
– поверхность должна адсорбировать сорбаты, жидкие неподвижные фазы и газ-носитель в минимальной степени;

— поверхность должна прочно и равномерно смачиваться неподвижной фазой, т.е. на поверхности должен быть гомогенный разделяющий слой неподвижной фазы;
– капилляры должны обладать необходимой механической прочностью.

Приготовление колонки состоит из ряда этапов: изготовления капилляра; подготовки внутренней поверхности капилляра – травлением или дезактивацией; нанесения неподвижной фазы; кондиционирования и испытания капиллярной колонки.

Для того чтобы достичь высокой разделяющей способности колонок, на внутренние стенки капиллярной трубки должна быть нанесена однородная равномерная пленка жидкости. В настоящее время используют два основных способа: динамический и статический. В случае первого
внутренняя поверхность капилляра смачивается при пропускании через капилляр определенного объема раствора жидкой фазы в подходящем растворителе под действием повышенного давления какого-либо газа.
Движущаяся по капилляру пробка раствора оставляет позади себя жидкую пленку, затем через капилляр пропускают инертный газ, в результате чего испаряется растворитель, и получается тонкая пленка неподвижной фазы. Статический способ заключается в том, что капилляр заполняется раствором неподвижной фазы и растворитель испаряется в условиях повышенной температуры или пониженного давления. Толщину разделяющего слоя следует выбирать исходя из того, что между подвижной газовой фазой и разделяющим слоем должен происходить интенсивный массообмен с тем, чтобы равновесие между ними устанавливалось достаточно быстро, и чтобы емкость колонки (она определяется количеством неподвижной жидкой фазы) была не слишком мала. Для увеличения емкости предложено фиксировать неподвижную фазу в тонком слое носителя, нанесенном на стенку капилляра.

Существует несколько типов капиллярных колонок:

1. Капиллярные колонки с пленкой жидкой неподвижной фазой (WCOT)
тонкая пленка неподвижной фазы нанесена непосредственно на внутреннюю поверхность колонки
толщина пленки 0,01-1 мкм; внутренний диаметр и толщина стенок — n.10-n.100 мкм

2. Капиллярные колонки с пористым слоем, пропитанным жидкой фазой, (PLOT)
на внутренних стенках расположен слой носителя, несущего неподвижную фазу толщина пленки 1 — 5 мкм

3. Капиллярные колонки с твердым носителем (ПКК-ТН или PLOT)
на внутренних стенках напылен слой твердого носителя толщина пленки 10 мкм

4. Капиллярные колонки с химически привитой неподвижной фазой Отличия капиллярных колонок по своим характеристикам от насадочных определяют специфические особенности газохроматографической аппаратуры для работы с ними. Такими особенностями являются малые объемы вводимых проб, невысокие значения расхода газа-носителя и высокие скорости изменения концентрации при элюировании передних и задних фронтов хроматографических пиков. Это обусловливает тот факт, что все соединения капиллярных колонок с другими элементами прибора должны быть выполнены так, чтобы объем возникающих при этом полостей был минимальным.

Особенности капиллярной хроматографии предъявляют весьма жесткие требования к детекторам. Они должны обладать высокой чувствительностью и скоростью регистрации сигнала и иметь   небольшой объем измерительной камеры. В наибольшей степени удовлетворяет всем требованиям пламенно-ионизационный детектор.

Применение для решения экологических задач. Капиллярная хроматография позволяет решать целый ряд сложных аналитических задач, в том числе различать вещества, отличающиеся на 2-3 единицы молекулярной массы, проводить анализ биологических жидкостей на содержание стероидных гормонов, определять состав душистых веществ, контролировать содержание ароматических углеводородов в объектах окружающей среды.

Газохроматографический метод определения содержания керосина в почвах и водах и воздухе. Впервые капиллярная хроматография была применена для анализа смеси углеводородов, и метод
нашел широкое применение при анализе бензинов, керосинов, продуктов переработки каменного угля и т.д.

Загрязнение почв, грунтов и водных объектов и воздуха углеводородами происходит фактически повсеместно. Источниками нефтепродуктов в большинстве случаев являются моторные топлива и
смазочные масла, необходимые для работы транспортных средств. Допустимая концентрация нефтепродуктов (бензин нефтяной) в воздухе составляет 1,5 мг/м3, а в воде водоемов 0,1 мг/л .

Важной экологической проблемой является контроль загрязнения почвы, поверхностных вод и воздуха различными видами топлива. Наиболее распространенными топливами в авиа и космической промышленности являются керосиновые фракции нефти (1500С -2800С), к
таким относятся керосины. Реактивное топливо на 98-99% состоит из углеводородов (главным образом это С8-С16), содержание ароматических углеводородов не превышает 20-25%, непредельных – 2-5%. Наиболее распространенным методом анализа этих видов топлив является газовая хроматография в варианте газо-жидкостной хроматографии с использованием  среднеполярных неподвижных фаз – силиконов SE-30, OV-17 и других. Поскольку топлива представляют собой сложные смеси углеводородов для их разделения необходимо использовать капиллярные колонки, обладающие высокой эффективностью. Метод газожидкостной хроматографии на капиллярных колонках с пламенно-ионизационным детектором позволяет, как идентифицировать тип топлива, загрязняющего почвы и воды, так и оценить его содержание. На рис.9. показаны стандартные хроматограммы различных нефтепродуктов.

Прежде всего, необходимо установить тип нефтепродукта, поскольку их состав может быть очень разным. Задачу идентификации топлив для установления источника загрязнения объектов окружающей среды можно решать, используя прием, названный методом “отпечатков пальцев”.
Идентификация в этом случае сводится к выявлению в анализируемой пробе отдельных пиков индивидуальных компонентов топлива, либо группы компонентов без детального отнесения индивидуальных пиков, либо того и другого. При этом в качестве индивидуальных компонентов
более рационально выбирать члены гомологического ряда н-парафинов, а группы компонентов – это нафтеновые и ароматические углеводороды, пики которых регистрируются между пиками н-парафинов (С7-С10). Для обнаружения того или иного топлива важно как общее количество пиков
на хроматограмме, так и их расположение относительно пиков н- парафинов, и, кроме того, соотношение высот пиков различных компонентов.

После установления типа топлива по общему виду хроматограммы проводят оценку содержания топлива. Готовят градуировочные смеси, наиболее целесообразно использовать смеси н-парафинов (С7-С12) в гексане и хроматографируют их. По отношению суммы площадей

Рис. 9. Хроматограммы стандартных образцов различных образцов нефтепродуктов.
Колонка стальная (1800х3 мм), заполненная хромосорбом W-AW c 3% Дексила 400.
Пределы программирования температуры колонки: а) бензин А-76, 45-1500С; б)
керосин осветительный, 60-2000С; в) дизельное топливо «Л», 60-2500С; г)
консистентная смазка, 200-3300С; д) топочный мазут марки «40», 150-3300С; е –
технический парафин, 200-3000С. Скорость программирования 4 град/мин

н-парафинов (либо площади пика н-парафина, выбранного в качестве эталона) на хроматограммах исследуемого образца и стандартной смеси рассчитывают содержание топлива в анализируемом объекте.

Помимо ЛОС, вода и почва может загрязняться и органическими соединениями средней летучести. К ним относятся анилины и нитро-ароматические соединения. Они разделяются на капиллярных колонках с силиконовыми неподвижными фазами при использовании в качестве детектора ТИД и МС после извлечения твердофазной экстракцией.  Разделение проводится в режиме программирования температуры. Предел обнаружения равен 0,025 мкг/л для анилина и 0,05 мкг/л для ароматических нитросоединений.

Сложной и важной задачей является определение пестицидов (табл. 9). По стандартам ЕС суммарное содержание пестицидов не должно превышать 0,5 мкг/л, причем концентрация каждого отдельного вещества не должна быть выше 0,1 мкг/л. Такая чувствительность определения достигается лишь после концентрирования определяемых компонентов.
Газохроматографическое определение пестицидов в водах проводится после твердофазной экстракции, в почвах – после извлечения экстракцией 

Рис. 10. Хроматограмма растворенных в воде летучих органических
соединений: 1 – дихлордифторметан; 2 – хлорметан; 3 – метиленхлорид; 4 –
бромэтан; 5 – хлористый этил; 6 – трихлорфторметан; 7 – 1,1-дихлорэтилен; 8 –
дихлорметан; 9 – транс-1,2-дихлорэтен; 10 – 1,1-дихлорэтан; 11 – 2,2-
дихлорпропан; 12 –цис-1,2-дихлорэтен; 13 – хлороформ; 14 – бромхлорметан; 15
– 1,1,1, – трихлорэтан; 16 – 1,1-дихлорпропен; 17 – четыреххлористый углерод;
18 – бензол; 19 – 1,2-дихлорэтан; 20 – трихлорэтен; 21 – 1,2-дихлорпропан; 22 –
бромдихлорметан; 23 – дибромметан; 24 – цис-1,3дихлорпропен; 25 – толуол; 26
– транс-1,3-циклопропен, 27 – 1,1,2-трихлорэтан; 28 – 1,3-дихлорпропан; 29 –
тетрахлорэтен; 30 – дибромхлорметан; 31 – 1,2-дибромэтан; 32 – хлорбензол; 33
– этилбензол; 34 – 1,1,1,2-тетрахлорэтан; 35 – м-ксилол; 36 – п-ксилол; 37 – о-
ксилол; 38 – стирол; 39 – изопропилбензол; 40 – бромоформ; 41 – 1,1,2,2-
тетрахлорэтан; 42 – 1,2,3-трихлорпропан; 43 – пропилбензол; 44 – бромбензол;
45 – 1,2,3-триметилбензол; 46 – 2-хлортолуол; 47 – 4-хлортолуол; 48 – трет-
бутилбензол; 49 – 1,2,4-триметилбензол; 50 – втор-бутилбензол; 51 – н-
изопропилтолуол; 52 – 1,3 –дихлорбензол; 53 – 1,4-дихлорбензол; 54 – н-
бутилбензол; 55 – 1,2-дихлорбензол; 56 – 1,2-дибром-3-хлорпропан; 57 – 1,2,4-
трихлорбензол; 58 – гексахлорбутадиен; 59 – нафталин; 60 – 1,2,3-
трихлорбензол.

или термодесорбцией. Разделение выделенных пестицидов проводят на капиллярных колонках с силиконовой жидкой неподвижной фазой в режиме программирования температуры о т 50 до 2500С. Для повышения надежности идентификации используют две колонки с неподвижными
фазами разной полярности. Определение разделенных соединений проводят с чаще всего с использованием ПИД или МС. Для селективной  регистрации галогенсодержащих соединений используют ЭЗД или реже ЭЛКД, азот- и фосфорсодержащих соединений – ТИД, серосодержащих
соединений – ПФД, для фосфорсодержащих соединений очень чувствительным является хемилюминесцентный (ХЛД) детектор. Хроматограмма извлеченных из почвы остаточных количеств азот/фосфор содержащих пестицидов приведена на рис. 11. Наиболее надежным и
информативным является использование масс-спектрометрического детектора.

По аналогичной схеме образцы почвы и воды анализируют на содержание полициклических ароматических углеводородов, полихлорированных углеводородов, полихлорированных бифенилов и полинитроуглеводородов. Разделение проводят также в режиме программирования температуры на капиллярных колонках, покрытых полисилоксанами. Для детектирования используют ПИД, ЭЗД И МС.

Комментирование закрыто.