Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Химический факультет

Кафедра аналитической химии

КУРСОВАЯ РАБОТА

Газовая хромотография

Руководитель: к.х.н., доцент Мельситова И. В.

Исполнитель: студентка 2 курса 5 группы Шурко А.А.

Минск 2016



Введение

Хроматография - современный метод разделения и анализа веществ в смеси, который обладает высокими значениями селективности и точности. Будучи впервые проведенной в 1900 году, уже через 50 лет развитие хроматографии приняло лавинообразный характер, ввиду широты своих аналитических возможностей. Это привело к тому, что сейчас хроматография один из наиболее используемых методов в аналитической химии, позволяющий анализировать широкий спектр веществ.

Газовая хроматография - вариант хроматографии, основанный на работе с веществом в газообразном состоянии. Ввиду особенностей проведения, данный метод наиболее рационально употреблять, работая с органическими веществами. Число химических веществ, особенно органических, для которых характерно явление изомеризации, очень велико, и, соответственно, перед газовой хроматографией стоит непростая задача, заключающаяся в селективности определении этого широкого спектра соединений. Но ввиду разнообразия методов проведения хроматографии (изменение параметров подвижной и неподвижной фаз, детектора, условий проведения процесса), эта задача может быть с успехом выполнена, ведь области применения метода обширны. Химический синтез, фармацевтическая отрасль, производство нефтепродуктов, судебно-медицинские экспертизы и многие другие химические виды деятельности нуждаются в рутинном использовании газовой хроматографии.

В данной работе описывается общее понятие хроматографии, вместе с основными принципами проведения, более детально рассмотрена газовая хроматография, например, особенности конструкции газового хроматографа, детекторов, элюента и неподвижной фазы.



Глава 1. Хроматография

1.1 Понятие хроматографии

газовый хроматограф детектор неподвижный

Хроматография ? физико-химический метод разделения и анализа смесей веществ, а также изучения их свойств. Данный метод основан на распределении веществ между двумя фазами ? неподвижной и подвижной. Неподвижной или стационарной фазой обычно служит твердое вещество (сорбент) или жидкость, связанная на инертном носителе. В качестве подвижной фазы выступает газ или жидкость, протекающая через неподвижную фазу.

В хроматографическом методе анализируемая смесь вместе с подвижной фазой передвигается вдоль неподвижной фазы. При контакте веществ с поверхностью неподвижной фазы каждый из компонентов взаимодействует с ней и распределяется между подвижной и неподвижной фазой. Так как подвижная фаза непрерывно движется, только часть компонентов смеси успевает взаимодействовать с поверхностью неподвижной фазы. Остальное уносится подвижной фазой и взаимодействует с новым участком сорбента. Задержанные неподвижной фазой компоненты смеси не могут двигаться вместе с подвижной фазой пока не десорбируются и не перейдут в поток подвижной фазы. Таким образом компоненты смеси переносятся вдоль слоя сорбента с разной скоростью, причем меньшей чем скорость потока подвижной фазы. Молекулы разных компонентов смеси обладают различной степенью сродства к неподвижной фазе, поэтому компоненты передвигаются с разной скоростью, что при достаточной длине слоя сорбента приводит к полному разделению смеси на составляющие ее компоненты. Каждый компонент занимает некоторый слой неподвижной фазы(зону),объем которого зависит от разных факторов. Это свойство, присущее данному методу, позволило хроматографии занять одно из ведущих мест среди химических, физико-химических и физических методов разделения и анализа смеси веществ. Таким образом хроматографией называют процесс, основанный на перемещении дискретной зоны вещества вдоль слоя сорбента(неподвижной фазы) в потоке подвижной фазы и связанный с многократным повторением актов сорбции?десорбции.

Сорбция ? поглощение вещества твердыми или жидкими поглотителями. Поглощаемое вещество называют сорбатом, поглощающее твёрдое тело или жидкость ? сорбентом.

Десорбция ? удаление адсорбированного вещества с поверхности адсорбента, обратна адсорбции. Адсорбция ? концентрирование или поглощение вещества поверхностью.

1.2 Классификация хроматографических методов

Многообразие видоизменений и вариантов хроматографического метода требует систематизации и их классификации. В основу классификации можно положить различные признаки такие как: агрегатное состояние подвижной и неподвижной фаз, механизм взаимодействия сорбент-сорбат, форма слоя сорбента, цель хроматографирования.

Классификация по агрегатному состоянию фаз

Хроматографию разделяют на газовую, жидкостную и сверхкритическую флюидную. Газовая хроматография включает газо-жидкостную и газо-твердофазную, жидкостная ? жидкостно-жидкостную, жидкостно-твердофазную и жидкостно-гелевую. Известна флюидно-жидкостная хроматография. Первое слово в названии метода характеризует агрегатное состояние подвижной фазы, второе ? неподвижной.

Классификация по природе элементарного акта

Если неподвижной фазой является твердое вещество:

1) Адсорбционная хроматография ? разделение за счет адсорбции, основано на различии адсобируемости компонентов смеси на данном адсорбенте. Элементарный акт ? адсорбция.

2) Ионообменная хроматография ? разделение основано на различии констант ионообменного равновесия. Элементарный акт ? обмен ионов, содержащихся в твердой фазе на ионы из раствора.

3) Осадочная хроматография ? разделение основано на различной растворимости осадков в подвижной фазе. Элементарный акт ? образование труднорастворимого осадка.

Если неподвижной фазой является жидкость:

1) Распределительная хроматография ? разделение основано на различии в растворимости сорбатов в подвижной и неподвижной фазах или на различии в стабильности образующихся комплексов. Элементарный акт ? растворение(абсорбция) анализируемого вещества в растворителе и распределение его между подвижной и неподвижной фазами.

2) Гель-хроматография ? жидкая фаза находится в геле, обладающем определенным и размерами пор, а разделение смеси основывается на различной степени проникновения молекул анализируемых веществ в поры геля.

3) Аффинная хроматография ? основана на специфических взаимодействиях, характерных для некоторых биологических и биохимических процессов

Классификация по способу аппаратурного оформления

1) Колоночная. Наиболее распространенный вариант, в котором разделение проводиться в специальной колонке.

2) Плоскостная. Разделение проводится на специальной бумаге (бумажная хроматография) или на тонком слое сорбента (тонкослойная хромотография).

Классификация по цели проведения хроматографического процесса

1) Аналитическая хромотография (качественный и количественный анализ).

2) Препаративная хроматография (получение веществ в чистом виде, для концентрирования и выделения микропримесей).

3) Промышленная или производственная хроматография (контроль процессов в автоматическом режиме).

Классификация по способу относительного перемещения фаз

1) Фронтальная хромотография.

Рис.1.1 Фронтальная хроматограмма

Метод состоит в непрерывном пропускании анализируемой смеси через слой сорбента в колонке. Если анализируемая смесь состоит из двух компонентов А и В и наиболее слабо сорбирующегося газа Е, то последний заполняет весь объем колонки и покидает ее в чистом виде. Если компонент А сорбируется слабее, чем компонент В, то после насыщения сорбента веществом А из колонки начинает выходить смесь этого вещества с газом Е. Наконец, когда сорбент насыщается также и веществом В, из колонки начинает выходить смесь газа, содержащая все исходные компоненты. В случае более сложной смеси ее исходная концентрация достигается после насыщения сорбента всеми компонентами. Изменение концентрации вымываемых веществ по выходе из колонки может быть зафиксировано в виде непрерывной кривой, называемой хроматограммой. Хроматограмма в данном случае имеет ступенчатый характер (Рис.1.1), а число ступеней соответствует количеству компонентов анализируемой смеси.

2) Вытеснительная хроматография.



Рис.1.2 Вытеснительная хроматограмма

Сначала в колонку вводят небольшое количество раствора разделяемых веществ. Затем через колонку непрерывно пропускают раствор вытеснителя D, обладающего наибольшей сорбируемостью из разделяемых веществ. По мере продвижения по колонке элюент вытесняет вещество B, которое вытесняет А. Так анализируемая смесь перемещается по колонке впереди фронта вытеснителя. Разделяемые вещества располагаются друг за другом и каждый из компонентов выделяется в чистом виде. В отличие от фронтального метода каждая ступень хроматограммы, полученной вытеснительным методом, соответствует содержанию одного компонента (Рис.1.2). Компоненты разделяются, но не количественно, так как зоны компонентов не разделены зонами чистого сорбента.

3) Элюентная (проявительная) хроматография.

Заполненную сорбентом колонку промывают чистой жидкой или газообразной неподвижной фазой. Не прекращая потока подвижной фазы, в верхнюю часть колонки вводят порцию жидкой или газообразной анализируемой смеси, состоящей, например, из веществ А и В. Попав на слой сорбента, эти вещества сорбируются и начинают перемещаться вдоль слоя сорбента в направлении движения потока подвижной фазы. Как правило, вещества введенные в колонку, обладают различным сродством к выбранному сорбенту, и скорость перемещения каждого компонента вдоль слоя сорбента различна. Поэтому зона, занятая на сорбенте слабее сорбирующимся веществом А, передвигается вдоль слоя сорбента быстрее зоны вещества В и постепенно уходит вперед. Если длина колонки достаточна, то зона вещества А оторвется от зоны вещества В и будет вымыта из колонки первой. В этом варианте хроматограмма представляет собой несколько пиков (Рис.1.3), имеющих форму гаусовской кривой.

Рис.1.3 Элюентная хроматограмма

Проявительный метод ? наиболее распространенный из всех вариантов хроматографии. Существенным его достоинством является возможность практически полного разделения на составляющие компоненты. Недостаток метода состоит в том, что вследствие разбавления компонентов смеси газом-носителем значительно уменьшается концентрация веществ после вымывания их из колонки. Однако это компенсируется применением высокочувствительных детекторов.

1.3 Хроматограмма. Хроматографические параметры

Хроматограммой называют последовательность пятен, зон или пиков, соответствующих компонентам исходной смеси после их хроматографического разделения. Для любого типа хроматографического процесса, в котором для регистрации результата используется детектор, хроматограмма представляет собой график зависимости сигнала детектора, пропорционального концентрациям разделяемых компонентов, от времени (колоночная хроматография) или расстояния (планарная хроматография).

Схема типичной хроматограммы приведена на рисунке 1.4.

Рис.1.4 Хроматограмма смеси веществ

Хроматограмма состоит из пиков, разделенных базовой линией. Базовая линия соответствует сигналу только от подвижной фазы. Пик ? кривая, в идеале приближающаяся к кривой гауссова распределения, которая описывает постепенное нарастание концентрации вещества и последующее ее уменьшение. По оси абсцисс отложено время хроматографирования (иногда откладывают объем элюата), а по оси ординат ? аналитический сигнал.

Рассмотрим основные хроматографические параметры, характеризующие поведение веществ в колонке. Время от момента ввода анализируемой пробы до регистрации максимума пика называют временем удерживания(tR). Время удерживания складывается из двух составляющих ? времени пребывания вещества в подвижной tm и неподвижной ts фазе:

Время удерживания не зависит от количества пробы, но зависит от природы вещества и сорбента и может меняться от колонки к колонке. Поэтому для характеристики истинной удерживающей способности вводят исправленное время удерживания(t'R):

.

Иногда для характеристики удерживания используют удерживаемый объём(VR)? объем подвижной фазы, который нужно пропустить через колонку с определенной скоростью, чтобы элюировать вещество:

.

Соответственно исправленный удерживаемый объём равен:

.

При постоянных условиях хроматографирования значения tR и VR строго воспроизводимы и используются для идентификации веществ.

Полезным параметром может быть коэффициент удерживания(R)? отношение скорости движения веществ к скорости движения подвижной фазы:

.

Для неудерживаемого вещества R=1, т.к. tR= tm.

Любой процесс распределения вещества между фазами характеризуют коэффициентом распределения(D):

;

,



где Сm и Cs ? концентрации вещества в подвижной и неподвижной фазах. С другой стороны:

, .

Видно, что пропорционален величине D и объему неподвижной фазы колонки. Величина зависит от количества неподвижной фазы, нанесенной на единицу объема или массы сорбента, от длины и диаметра колонки. Сравнительно большие различия в значениях для двух веществ А и В свидетельствуют о полном их разделении.

Произведение называют коэффициентом емкости k', из экспериментальных данных его вычисляют по формуле:

или .

Эта величина показывает, во сколько раз вещество дольше находится в неподвижной фазе, чем в подвижной. Если коэффициент распределения мал, то мало значение k', т.е. вещество слабо удерживается и продвигается по колонке практически с той же скоростью, что и подвижная фаза. Если же коэффициент слишком велик, то время пребывания вещества в колонке будет большим и на анализ уйдет много времени.

Целесообразно рассмотреть хроматограмму для одного компонента более подробно (Рис.1.5). Точка О соответствует моменту ввода пробы анализируемого вещества, точка О'--появлению на выходе из колонки несорбирующегося газа. Таким образом, отрезок ОО' соответствует объему колонки, заполненному несорбирующимся газом (Vm). Линия ОВ ? нулевая линия, кривая АНВ ? хроматографический пик данного компонента, а расстояние от нулевой линии до максимума пика H, т.е. GH, ? высота пика(h).

Отрезок А'В' называется шириной пика у основания (w). Он определяется расстоянием между точками пересечения касательных, проведенных к точкам перегиба С и D, с нулевой линией. Отрезок OG соответствует удерживаемому объему(VR).

Рис.1.5 Хроматограмма одного компонента

1.4 Селективность и разрешение

Хроматографическое разделение основано на селективности сорбента и различии в термодинамических свойствах хроматографируемых веществ. Для решения вопроса о возможности хроматографического разделения смеси на индивидуальные компоненты нужно сопоставить их хроматографические параметры. Для этого используют коэффициент селективности ? и разрешение Rs. Коэффициент селективности является мерой относительного удерживания разделяемых веществ:

.

Это термодинамическая характеристика, зависящая при постоянной температуре только от природы разделяемых соединений и свойств подвижной и неподвижной фаз. При ?=1 разделение соединений в данных условиях невозможно. Только вещества с разными D будут перемещаться по колонке с разными скоростями, что приведет к разделению.

Разделение двух соседних пиков характеризуется разрешением Rs, которое описывается уравнением:

.

Рис.1.6 Зависимость степени разделенияления смеси двух веществ от эффективности колонки и селективности сорбента: а ? высокая селективность, но плохая эффективность; б ? высокая эффективность, но плохая селективность; в ? высокая эффективность, достаточная селективность

Как видно из уравнения, разрешение пиков зависит от ширины и от расстояния между максимумами пиков. На рисунке 1.6 показано влияние эффективности колонки и селективности сорбента на разделение смеси двух веществ.

1.5 Обработка хроматограмм

Хроматограмма позволяет не только разделять компоненты смеси, но и определять ее качественный и количественный составы, поскольку положение хроматографического пика на хроматограмме для даннной хроматографической системы характеризует природу вещества, а площадь, ограниченная этой кривой и нулевой линией детектора, пропорциональна количеству данного вещества, прошедшего через детектор.

Качественный анализ.

Идентификация проводится по хроматографическим параметрам(tR,VR), которые характеризуются хорошей воспроизводимостью, относительные стандартные отклонения не превышают 2%. При совпадении величин удерживания неизвестного и стандартного соединений можно сделать вывод о том, что эти соединения могут быть идентичными. Если различные вещества имеют одинаковое время удерживания, то для большей достоверности идентификации сравнение хроматографических параметров известного и неизвестного веществ проводят в сильно различающихся условиях, например на разных колонках. Если и в этом случае величины tR идентичны, то достоверность идентификации возрастает до 99%. при сравнении хроматограмм, полученных на разных приборах используют исправленное время удерживания либо исправленный удерживаемый объем, во избежание ошибок. Часто идентификацию проводят по относительному удерживанию(tотн), т.е. по отношению удерживаемого объема к удерживаемому объему вещества, принятого за стандарт:

.

Эта величина зависит только от состава подвижной и неподвижной фаз.

Для качественной идентификации органических соединений в гомологических рядах удобно использовать индексы удерживания Ковача. В этом случае за стандарт берут два соседних алкана, один из них элюируется до, а другой после исследуемого соединения, т.е. t'R(z)<t'R(x)<t'R(z+1), где z ? число атомов углерода в алкане. Логарифмический индекс удерживания расчитывают по формуле

.

Идентификация по индексам более надежна, чем по относительным объемам удерживания, поэтому их используют не только для идентификации, но и для сравнительной оценки селективности неподвижных фаз.

Количественный анализ.

Для количественного анализа проводят измерения площади и высоты пика, т.к. эти параметры пропорциональны количеству и концентрации вещества в хроматографической зоне.

Измерение высот пиков проще и точнее, чем измерение площади особенно, для веществ с малым временем удерживания и симметричным пиком. Чем меньше tR, тем острее пик.

Однако площади измеряют чаще, т.к. они практически не изменяются при некоторой нестабильности экспериментальных условий. Для измерения площадей используют несколько способов. Обычно проводят касательные к тылу и фронту пика и соединяют их линией, параллельной нулевой линии. Площадь полученного треугольника составляет 96% от истиной и пропорциональна количеству вещества в пробе. Для расчета площади симметричных пиков находят произведение высоты пика на его полуширину. Это произведение составляет 84% площади пика. Точность измерения площади зависит от отношения высоты пика к его ширине (оптимальное отношение от 2 до 10).

Исследуя данные по высотам пиков и их площадям можно посчитать количественный состав пробы. Существует насколько методов: метод нормировки, метод внешней стандартизации и метод внутренней стандартизации.

Метод нормировки чаще других используют на практике. Для его использования необходимо, чтобы на хроматограмме были заригестрированны все компоненты, входящие в состав анализируемой смеси. Доля площади пика соответствует содержанию компонента в массовых процентах.

Эту формулу используют только в том случае, если детектор одинаково чувствителен ко всем компонентам, т.е компоненты, взятые в одинаковом количестве, дают одну и ту же площадь пика. Если же чувствительность различна по отношению к каждому из компонентов пробы, то используют поправочные коэффициенты(fx). учитывающие чувствительность детектора к данному компоненту. Формула для расчета в этом случае такая:

.

Поправочные коэффициенты получают при анализе стандартных серий и рассчитывают по формуле:

,

где Sx,Scт ? площади пиков определяемого и стандартного вещества; Сx и Cст ? концентрации определяемого и стандартного вещества, fст ? поправочный коэффициент стандартного вещества.

Метод внешнего стандарта используют при определении отдельных веществ или анализе простых смесей, а также для определения микропримесей. Готовят два стандартных раствора определяемого компонента, одинаковые их количества вводят в хроматограф и определяют площадь пика (S1 и S2). Результаты представляют графически либо определяют по формуле:

.

Градуировочный коэффициент k определяют при анализе проб стандартных серий примесей:

.

Метод внутреннего стандарта применяют при отсутствии на хроматограмме пиков некоторых компонентов анализируемой смеси. Метод основан на то, что в анализируемую смесь вводят некоторое определенное количество стандартного вещества. Это вещество должно быть химически инертным и отсутствовать в определяемой пробе и полностью отделяться от других компонентов смеси; время его удерживания должно быть близким к tR определяемых компонентов; его концентрация должна быть близка к концентрациям определяемых компонентов, пик ? симметричным. Для определения поправочных коэффициентов составляют различные смеси внутреннего стандарта с каждым из компонентов; получают хроматограммы таких смесей. Определяют площади пиков, и для каждого компонента рассчитывают поправочный коэффициент по формуле:

,

где Sв.ст, Sx ? площади пиков внутреннего стандарта и определяемого компонента; Св.ст , Сx ? концентрация стандарта и исследуемого вещества в искусственных смесях. Зная поправочные коэффициенты, содержание компонента рассчитывают по формуле:

100 .



Глава 2. Газовая хроматография

Несмотря на то, что метод газовой хроматографии был открыт только в 1952 году, теория процесса разделения смесей веществ этим методом на настоящее время разработана гораздо глубже, чем для других методов. Это объясняется прежде всего тем, что методы газовой хроматографии использовались в практике гораздо интенсивнее других. Отличительной особенностью газовой хроматографии от других методов хроматографических разделений является то, что используемая подвижная фаза должна обязательно находится в газообразном состоянии и выполнять роль газа-носителя, перемещающего разделяемые соединения по колонке. В качестве газов-носителей могут быть использованы индивидуальные газы, газообразные соединения или смеси газов и газообразных соединений. Так используют водород, гелий, азот, аргон, углекислый газ. Газ-носитель не должен взаимодействовать с разделяемыми веществами и неподвижной фазой.

Характерными особенностями газовой хроматографии являются:

1) Высокая разделительная способность: по своим возможностям анализа многокомпонентных смесей газовая хроматография не имеет конкурентов. Ни один другой метод не позволяет анализировать фракции нефти, состоящие из сотен компонентов, в течение одного часа.

2) Универсальность: разделение и анализ самых различных смесей от низкокипящих газов до смесей жидких и твердых веществ с температурой кипения до500?С и выше.

3) Высокая чувствительность: высокая чувствительность метода обусловлена тем, что применяемые детектирующие системы позволяют надежно определять концентрации10-8-10-9 мг/мл. Используя методы концентрирования и селективные детекторы, можно определять микропримеси с концентрациями до10-10%.

4) Экспрессность: экспрессность газовой хроматографии подчеркивается тем, что продолжительность разделения в большинстве случаев составляет10?15 минут, иногда при разделении многокомпонентных смесей 1?1.5 часа. Однако за это время анализируется несколько десятков или сотен компонентов. В некоторых специальных случаях время разделения может быть меньше одной минуты.

5) Легкость аппаратурного оформления: газовые хроматографы относительно дешевы, достаточно надежны, имеется возможность полной автоматизации процесса анализа.

6) Малый размер пробы: газовая хроматография по существу метод микроанализа, поскольку для анализа достаточно пробы в десятые доли мг.

7) Высокая точность анализа: погрешность относительных измерений ±5 % легко достигается практически на любой газохроматографической аппаратуре. В специальных условиях достигается погрешность 0.001?0.002 %.

Следует отметить и существующие ограничения метода газовой хроматографии:

1) Невозможность разделения и анализа смесей нелетучих соединений;

2) Осложнения при разделении и анализе термически нестабильных соединений;

3) Невозможность разделения и анализа соединений, способных к диссоциации в анализируемых растворах (разделение ионов).

В зависимости от агрегатного состояния неподвижной фазы различают газо-твердофазную и газо-жидкостную хроматографии.

2.1 Газо-адсорбционная хроматография

Особенность метода газо-адсорбционной хроматографии(ГАХ) в том, что в качестве неподвижной фазы применяют адсорбенты с высокой удельной поверхностью, и распределение веществ между неподвижной и подвижной фазами определяется процессом адсорбции. Адсорбция молекул из газовой фазы происходит за счет межмолекулярных взаимодействий (дисперсионных, ориентационных, индукционных), имеющих электростатическую природу. Возможно образование водородной связи, причем вклад этого вида взаимодействия в удерживаемые объемы значительно уменьшается с ростом температуры. Комплексообразование для селективного разделения веществ в ГАХ используют редко. Для анализа важно, чтобы при постоянной температуре количество адсорбированного вещества на поверхности Сs было пропорционально концентрации этого вещества в газовой фазе Сm:

,

т.е. чтобы распределение происходило в соответствии с линейной изотермой адсорбции. В этом случае каждый компонент перемещается вдоль колонки с постоянной скоростью, не зависящей от его концентрации. Разделение веществ обусловлено различной скоростью их перемещения. Поэтому в данном методе очень важен выбор адсорбента. В качестве адсорбентов в ГАХ в основном используют активные угли, силикагели, пористое стекло, оксид алюминия.

Основными положительными чертами данного метода являются:

1) Только в этом случае проявляется высокая разделительная способность при анализе смесей газов и паров низкокипящих веществ;

2) Нелетучесть твердого адсорбента;

3) Термическая стабильность адсорбента в широком интервале изменения температуры хроматографической колонки;

4) Более высокая скорость массообмена, чем в варианте газо-жидкостной хроматографии, что приводит к быстрому разделению смесей веществ;

5) Возможность модифицирования поверхности адсорбента;

6) Достаточная механическая прочность адсорбентов;

7) Доступность адсорбентов.

К недостаткам метода следует отнести:

1) Недостаточную геометрическую однородность поверхности адсорбентов;

2) Недостаточное постоянство химического состава поверхности адсорбентов из-за наличия примесей;

3) Повышенную адсорбционную активность адсорбентов;

4) Повышенную каталитическую активность адсорбентов;

5) Нелинейность изотермы адсорбции;

6) Недостаточно широкий выбор адсорбентов.

2.2 Газо-жидкостная хроматография

В аналитической практике чаще используют метод газо-жидкостной хроматографии(ГЖХ). Это связанно с чрезвычайным разнообразием жидких неподвижных фаз, что облегчает выбор селективной для данного анализа фазы.

Механизм распределения компонентов между носителем и неподвижной жидкой фазой основан в этом случае на растворении их в жидкой фазе.

Для обеспечения селективности колонки важно правильно выбрать неподвижную жидкую фазу. Эта фаза должна быть хорошим растворителем для компонентов смеси( если растворимость мала, компоненты выходят из колонки очень быстро), нелетучей, химически инертной, должна обладать небольшой вязкостью и при нанесении на носитель образовывать равномерную пленку, прочно с ним связанную. Разделительная способность неподвижной фазы для компонентов данной пробы должна быть максимальной.

Различают жидкие фазы трех типов: неполярные, умеренно полярные и полярные. Зная свойства неподвижной жидкой фазы и природу разделяемых веществ, можно достаточно быстро подобрать подходящую для разделения данной смеси селективную жидкую фазу. При этом следует учитывать, что время удерживания компонентов будет приемлемым для анализа, если полярности стационарной фазы и вещества анализируемой пробы близки. Для растворенных веществ с близкой полярностью порядок элюирования обычно коррелирует с температурами кипения, и, если разница температур достаточно велика, возможно полное разделение. Для разделения близкокипящих веществ разной полярности используют стационарную фазу, селективно удерживающую один или несколько компонентов вследствие диполь-дипольного взаимодействия.

Для равномерного нанесения жидкой фазы на твердый носитель ее смешивают с легколетучим растворителем. Твердые носители для диспергирования неподвижной жидкой фазы в виде однородной тонкой пленки должны быть механически прочными с умеренной удельной поверхностью, небольшим и одинаковым размером частиц, а также быть достаточно инертными. Самая низкая адсорбция наблюдается на носителях из силанизированного хромосорба, стеклянных гранул и флуоропака. Кроме того, твердые носители не должны реагировать на повышение температуры и должны легко смачиваться жидкой фазой.

2.3 Газовый хроматограф. Принципиальная схема

Газовая хроматография ? наиболее разработанный в аппаратурном оформлении хроматографический метод. Прибор для газохроматографического разделения и получения хроматограммы называется газовым хроматографом. Любая газохроматографическая установка обязательно должна содержать следующий перечень узлов:

*источник газа-носителя;

*вентиль тонкой регулировки скорости потока газа-носителя;

*устройство для ввода пробы;

*хроматографическая колонка;

*детектор;

*термостат колонки и термостат детектора;

*регистратор;

*измеритель скорости потока газа-носителя.

Принципиальная схема установки для газовой хроматографии приведена на (рис. 2.1).

Рис.2.1 Принципиальная схема газового хроматографа 1 ? источник газа-носителя; 2 ? вентиль тонкой регулировки скорости потока газа-носителя; 3 ? устройство для ввода пробы; 4 ? хроматографическая колонка; 5 ? детектор; 6 - термостат колонки и термостат детектора; 7 ? регистратор; 8 ? измеритель скорости потока газа-носителя

Газ-носитель подается из источника. Скорость потока в зависимости от размера колонки, как правило, составляет 20-50 мл•мин. Пробу перед вводом в колонку дозируют. Жидкие пробы вводят специальными инжекционными шприцами (0,5-20мкл) в поток газа-носителя (в испаритель) через мембрану из силиконовой самоуплотняющейся резины. Для введения твердых проб используют специальные приспособления. Проба должна испаряться практически мгновенно, иначе пики на хроматограмме расширяются и точность анализа снижается. Поэтому дозирующее устройство хроматографа снабжено нагревателем, что позволяет поддерживать температуру дозатора примерно на 50°С выше, чем температура колонки.

Применяют разделительные колонки двух типов: в 80% случаев спиральные, или насадочные (набивные), а также капиллярные. Спиральные колонки диаметром 2-6 мм и длиной 0,5-20 м изготавливают из боросиликатного стекла, тефлона или металла. В колонки помещают стационарную фазу: в газо-адсорбционной хроматографии это адсорбент, а в газо-жидкостной хроматографии ? носитель с тонким слоем жидкой фазы. Правильно подготовленную колонку можно использовать для нескольких сотен определений. Капиллярные колонки разделяют по способу фиксации неподвижной фазы на два типа: колонки с тонкой пленкой неподвижной жидкой фазы (0,01-1 мкм) непосредственно на внутренней поверхности капилляров и тонкослойные колонки, на внутреннюю поверхность которых нанесен пористый слой (5-10 мкм) твердого вещества, выполняющего функцию сорбента или носителя неподвижной жидкой фазы. Капиллярные колонки изготавливают из различных материалов: нержавеющей стали, меди, дедерона, стекла; диаметр капилляров 0,2-0,5 мм, длина от 10 до 100 м.

Температура колонок определяется главным образом летучестью пробы и может изменяться в пределах от -1960С (температура кипения жидкого азота) до 3500С. Температуру колонки контролируют с точностью до нескольких десятых градуса и поддерживают постоянной с помощью термостата. Прибор дает возможность в процессе хроматографирования повышать температуру с постоянной скоростью.

Для непрерывного измерения концентрации разделяемых веществ в газе-носителе в комплекс газового хроматографа входит несколько различных детекторов.

В газовой хроматографии используют следующие виды детекторов:

· пламенно-ионизационный детектор

· детектор по теплопроводности (катарометр)

· детектор электронного захвата

· пламенно-фотометрический детектор

· термоионный детектор

· фотоионизационный детектор

· масс-спектрометр

· ИК-фурье спектрометр

Наиболее часто используются катарометр и пламенно-ионизационный детектор, именно они далее будут рассмотрены подробнее.

Детектор по теплопроводности (катарометр)

Универсальный детектор наиболее широко используется в ГХ. В полость металлического блока помещена спираль из металла с высоким термическим сопротивлением (Pt, W, их сплавы, Ni). Через спираль проходит постоянный ток, в результате чего она нагревается. Если спираль обмывает чистый газ-носитель, спираль теряет постоянное количество теплоты и ее температура постоянна. Если состав газа-носителя содержит примеси, то меняется теплопроводность газа и соответственно температура спирали. Это приводит к изменению сопротивления нити, которое измеряют с помощью моста Уинстона (Рис.2.2).

Рис.2.2 Схема моста Уинстона 1 ? вход газа из колонки; 2 ? ввод чистого газа-носителя; 3 ? источник тока; 4 ? регулятор тока; 5 ? милиамперметр; 6 ? установка нуля

Сравнительный поток газа-носителя омывает нити ячеек R1 и R2 а газ, поступающий из колонки, омывает нити измерительных ячеек С1 и С2. Если у четырех нитей одинаковая температура (одинаковое сопротивление), мост находится в равновесии. При изменении состава газа, выходящего из колонки, сопротивление нитей ячеек С1 и С2 меняется, равновесие нарушается и генерируется выходной сигнал.

На чувствительность катарометра сильно влияет теплопроводность газа-носителя, поэтому нужно использовать газы-носители с максимально возможной теплопроводностью, например гелий или водород.

Пламенно-ионизационный детектор

Пламенно-ионизационный детектор (ПИД) (Рис.2.3.) является одним из наиболее распространенных и популярных детекторов в газовой хроматографии. Впервые он был предложен в1958 году, и с тех пор этот детектор по некоторым своим характеристикам не был превзойден ни одним из вновь предложенных детекторов.

Принцип работы детектора заключается в том, что при обычных условиях газы не проводят электрический ток, но если в результате какого-либо воздействия в газе образуются ионы, радикалы или свободные электроны, то даже при очень небольшой концентрации этих частиц газы становятся проводниками электрического тока.

Рис.2.3 Схема устройства пламенно-ионизационного детектора



К потенциальному электроду прилагается напряжение для сбора ионов, а с коллекторного электрода снимается сигнал детектора.

Газ из колонки хроматографа поступает в ПИД. Смешавшись с водородом, газ поступает в форсунку горелки детектора, горение поддерживается за счёт поступления кислорода. В пламени чистого водорода число ионов очень мало, сопротивление межэлектродного пространства очень велико (1014-1015 Ом) и ток детектора весьма мал. Пламя ионизует газ, находящийся в пространстве между электродами. Ионизованные частицы уменьшают сопротивление и резко усиливают электрический ток, который измеряется очень чувствительным амперметром.

ПИД реагирует практически на все соединения, кроме Н2, инертных газов, О2, N2, оксидов азота, серы, углерода, а также воды. Этот детектор имеет широкую область линейного отклика (6-7 порядков), поэтому он наиболее пригоден при определении следов. Недостатком пламенно-ионизационного детектора является то, что его можно использовать, как правило, только для анализа горючих веществ( широко используется для анализа органических веществ), а также в ходе анализа проба разрушается. Также вследствие высокой чувствительности детектор отмечает присутствие в элюате очень малых количеств неподвижной фазы (увеличивается фоновый ток). В связи с этим выбор фаз более ограничен, чем при работе, например, с катарометром. Также при работе с ПИД необходимо тщательно очищать газ-носитель от примесей, которые тоже могут вызывать усиление фона.

2.4 Области применения газовой хроматографии

Диапазон применения газо-хроматографических методов огромен: от анализа атмосферы планет Солнечной системы до полного анализа содержимого одной живой клетки. Исключительную роль хроматография играет в химической, нефтехимической, газовой, пищевой, целлюлозно-бумажной и многих других отраслях промышленности, прежде всего в технологическом контроле и поддержании оптимального режима производства, в контроле исходного сырья и качества готовой продукции, анализе газовых и водных сбросов производства. На каждом из крупных заводов в технологическом контроле постоянно функционируют от 100 до 600 газовых хроматографов. Тысячи эксплуатируются в лабораториях Госсанэпиднадзора, экологических центрах, токсикологических лабораториях, в учреждениях Водоканала, в лабораториях Госкомгидромета, в ветеринарных лабораториях, на станциях защиты растений, в лабораториях судебной и судебно-медицинской экспертизы.

Велико значение хроматографических методов в геологоразведке, в частности, в поиске газоносных и нефтеносных регионов как на суше, так и в морях, месторождений полезных ископаемых. Все чаще используется хроматография в энергетике для анализов воды на ТЭЦ и АЭС, для определения теплотворной способности природного газа. И наконец, хроматография находит применение в археологии и в искусстве при изучении старых красок, лаков, покрытий.

Хроматографические методы незаменимы в контроле качества пищевых продуктов. Пищевую ценность продуктов определяют, анализируя аминокислотный состав белков, изомерный состав жирных кислот и глицеридов в жирах, углеводы, органические кислоты и витамины. В пищевых продуктах методами хроматографии можно обнаружить такие загрязняющие вещества, как пестициды, нитрозамины, микотоксины (афлатоксины, охратоксин А, зеараленон и др.), полиядерные ароматические соединения, биогенные амины, нитраты и др. Отдельная область применения газовой хроматографии - анализ состава аромата пищевых продуктов. Обнаружены тысячи летучих компонентов, из которых лишь несколько десятков определяют характер запаха, остальные придают запаху и вкусу продукта индивидуальность.

В последние годы возникло новое направление - энантиоселективный анализ компонентов пищи. По соотношению оптических изомеров аминокислот, оксикислот и некоторых иных соединений можно однозначно установить, является ли данный продукт натуральным или содержит синтетические имитаторы и добавки. В природных жирах преобладают цис-изомеры жирных кислот. Недавно обнаружено, что транс-изомеры повышают содержание липопротеинов низкой плотности и уменьшают концентрацию липопротеинов высокой плотности в крови, что может способствовать развитию атеросклероза. Разработка методики газохроматографического разделения и анализа всех изомеров жирных кислот заставила производителей в несколько раз снизить содержание транс-изомеров ненасыщенных кислот в маргарине.

Методом газовой хроматографии в некоторых сырах выявлено много нежелательных физиологически активных биогенных аминов, и эти сорта сыра были запрещены. В Японии в пищевых продуктах используется L-триптофан, полученный с помощью генной инженерии и биотехнологии. И когда у тысяч людей обнаружили неизвестное ранее заболевание и десятки заболевших умерли, хроматографическими методами было установлено, что эти трагические последствия вызваны наличием токсичных загрязнений в триптофане (выявлено 60 примесей). Газохроматографическому анализу подвергаются вина, коньяки и другая спиртосодержащая продукция.

Аналитический контроль важен при расследовании таких частых преступлений, как употребление наркотиков и спиртных напитков, неумышленные и умышленные отравления, злоупотребления лекарствами, а также при убийствах, пожарах, кражах, взрывах, авариях. По статистике, объектами хроматографического анализа чаще всего становятся наркотики (морфин и его производные, кокаин, каннабиноиды, ЛСД и др.), амфетамины, барбитураты, бензодиазепины, различные лекарства и яды, этанол, метанол, ацетон, изопроанол, толуол, хлороформ, дихлорэтан, этилацетат и другие растворители. Составлены обширные базы данных газохроматографических индексов удерживания и масс-спектров токсикологически значимых веществ, лекарств, ядов, пестицидов, загрязнителей и их метаболитов.

В судебной экспертизе методом хроматографии анализируют нефтепродукты и горюче-смазочные материалы, использованные в случае поджогов, выявляют факты подделок и фальсификаций горюче-смазочных материалов. Анализируют также лакокрасочные материалы и покрытия, в том числе частицы окраски автомобилей, красящие компоненты чернил для идентификации письменных материалов или определения давности документов, древесину, взрывчатые вещества, продукты взрывов и выстрела.



Заключение

В данной курсовой работе был рассмотрен частный метод хроматографии - газовая хроматография. Были рассмотрены механизмы осуществления хроматографического процесса, основные подходы к подбору неподвижной фазы и элюента, схема и принцип работы хроматографов с различными видами детекторов. Кроме этого осветились вопросы обработки хроматограм, их основных параметров. В завершение были приведены примеры, демонстрирующие широту использования, селективность и чувствительность газовой хроматографии в современной мировой химической отрасли. Данная информация демонстрирует необходимость дальнейшего развития газовой хроматографии, разработки новых видов адсорбентов, методик проведения анализа и других параметров.



Список литературы

1. Основы аналитической химии. В 2 кн. Кн. 1 Общие вопросы. Методы разделения: Учебник для ВУЗов/Под редакцией Ю.А. Золотова. ? Москва: Высшая школа, 1996г. ? 383 с.

2. Айвазов Б.В Введение в хроматографию: Учебн. пособие для хим. спец.вузов:--Mосква: Высшая школа.,1983г.--240с.

3.Винарский В.А. Хроматография: Курс лекций: В 2ч. Ч.1. Газовая хроматография/В.А. Винарский. ? Минск: БГУ, 2002г. ? 192с.

4. Гольдберг К.А., Вигдергауз М.С. Введение в газовую хроматографию. ? 3-е изд., перераб. и доп. ? Москва: Химия, 1990г. ? 352с.

5.Даванков В.А., Яшин Я.И. Сто лет хроматографии/ В. А. Даванков, Я. И. Яшин//Вестник российской академии наук. ? 2003г. ?Т.73, №7 ? 637-646с.

Размещено на Allbest.ru

...