Измерение аналитического сигнала определяемого компонента детектором

Хроматографические колонки присоединяют к детектору. Детектор предназначен для обнаружения изменения в химическом составе подвижного носителя, прошедшего через колонку. В детекторе происходит преобразование входной величины – количества определяемого компонента, в другую физическую величину – физическое или физико-химическое свойство этого компонента или системы компонент – подвижная фаза, генерирование и регистрация измерительным устройством аналитического сигнала определяемого компонента. Если условия разделения компонентов анализируемого вещества были оптимальными, то каждый компонент поступит в детектор в потоке подвижного носителя отдельно от других компонентов и в определенной последовательности, в той же последовательности будут зарегистрированы их аналитические сигналы.

Разработано более 50 типов детекторов. Детекторы различаются по физическому принципу измерения физического свойства, заложенному в их конструкцию. В каждом типе детектора использован какой-либо известный физический принцип измерения, который был ранее реализован в электрохимических, оптических, масс-спектрометрических и других видах средств измерения.

В газовых хроматографах используются детектор по теплопроводности (катарометр), пламенно-ионизационный детектор, детектор электронного захвата, фотоионизационный, термохимический, термоионный, пламенно-фотометрический, пульсирующий пламенно-фотометрический, атомно-эмиссионный, масс-спектрометрический и др. детекторы.

В жидкостных хроматографах используются спектрофотометрический детектор на диодной матрице, флуоресцентный, кондуктометрический, амперометрический, масс-спектрометрический, ИК-спектрометрический и др. детекторы.

По количеству определяемых компонентов детекторы подразделяют на универсальные (многокомпонентные), селективные и специфические (малокомпонентные). В универсальном детекторе получают аналитический сигнал от каждого компонента, поступающего в детектор с подвижной фазой, независимо от его химической природы, а в селективном – только от компонентов со сходными химическими свойствами, в специфическом от одного – двух компонентов.

К универсальнымотносятся детектор по теплопроводности (позволяет определить все летучие соединения, отличающиеся по теплопроводности от газа-носителя), пламенно-ионизационный (позволяет определить органические соединения, ионизируемые в пламени водорода), атомно-эмиссионный (позволяет определить все соединения, имеющие в своем составе 12 основных элементов (Н, С, О, S, N, Р и др.)), масс-спектрометрический и ИК-спектрометрический детекторы (позволяют определить все соединения).

Селективными детекторами являются термоионный (селективен к гетероциклическим азот- и фосфорсодержащим соединениям), фотоионизационный (селективен к ароматическим углеводородам), детектор по электролитической проводимости (селективен к соединениям, легко диссоциируемым на ионы), амперометричеяский детектор (селективен к электроактивным соединениям), флуоресцентный детектор (селективен к флуоресцирующим соединениям), спектрофотометрический на диодной матрице (селективен к соединениям с хромофорными группами и к комплексным соединениям, поглощающим свет в области 190 – 650 нм).

К специфическим детекторам относятся электронно-захватный детектор (селективен к Cl-, P-, O- и N- содержащим соединениям в органических веществах), пламенно-фотометрический детектор (селективен к S- и Р- cодержащим соединениям), пульсирующий пламенно-фотометрический детектор (селективен к соединениям серы (H₂S. COS, С₁-С₄SH) в веществе природного газа).

Некоторые детекторы позволяют определять примеси без концентрирования на уровне 10^-5–10^-7 %. Электрохимические и флуоресцентные детекторы в высокоэффективных жидкостных хроматографах в благоприятных случаях позволяют определять примеси на уровне пико- или фемтограммов (10^-12 – 10^-15 г) без концентрирования.

Детектор по теплопроводности (катарометр, ДТП). Принцип действия ДТП основан на изменении температуры нагретых нитей (чувствительных элементов) в зависимости от теплопроводности газа-носителя, охлаждающего нагретую нить. Теплопроводность у химических веществ разная. Используется различие в теплопроводности чистого газа-носителя и смеси газа-носителя с компонентом, выходящим из хроматографической колонки. Нагретая нить представляет собой часть электрической цепи. Сопротивление нити меняется в зависимости от её температуры, следовательно, меняется сила электрического тока в цепи, которая измеряется. На рис. 2 представлено достижение последнего десятилетия в разработке детекторов для газовой хроматографии – миниатюрный детектор по теплопроводности, размер которого уменьшен с 15 до 1 см, а метрологические характеристики улучшены: линейность градуировочного графика составляет 6 порядков; низкий предел определения; одновременное определение макро- и микрокомпонентов (от 99 % до 10^-4%).

Рис. 2 Чип-детектор по теплопроводности (микрокатарометр, μ-TCD)

Пламенно-ионизационный детектор (ПИД). В камере ПИД смешивается поступающий с определяемым компонентом газ-носитель, топливный газ (водород) и газ-окислитель (кислород воздуха). Органические соединения сгорают в пламени водорода под действием кислорода до органических ионов. Пламя является частью электрической цепи. Чистое водородное пламя обладает очень низкой электрической проводимостью. Но когда в него попадают образующиеся ионы, проводимость пламени резко возрастает. Величина ионного тока ПИД, пропорциональная числу образующихся органических ионов, которое, в свою очередь, пропорционально числу атомов углерода в молекуле, далее измеряется. ПИД дает слабый отклик на органические соединения с малым содержанием углерода. Сравнительно слабая реакция ПИД на отклонения режимных параметров хроматографирования от требуемых, строгая пропорциональность сигнала детектора количеству ионов в широких пределах характеризуеет пламенно-ионизационный детектор как лучший универсальный детектор для определения органических соединений в веществе различных объектов.

Фотоионизационный детектор (ФИД).Принцип действия ФИД заключается в ионизации молекул определяемых соединений под действием УФ-излучения УФ-лампы и измерении возникающего ионного тока. Селективность детектора зависти от типа используемой УФ-лампы.

Атомно-эмиссионный детектор (АЭД). В АЭД выходящие из колонки соединения атомизируются в атомизаторе, образовавшиеся возбужденные атомы излучают свет. Излучаемый свет с различными длинами волн разлагается призмой или дифракционной решеткой в спектр по длинам волн. Эмиссионный спектр, который для каждого химического элемента строго индивидуален, измеряется далее посредством фотодиодной матрицы.

Пламенно-фотометрический детектор (ПФД).В ПФД неорганические и органические фосфор- и серосодержащие соединения сжигаются в водородном пламени до частиц, излучающих свет (явление хемилюминесценции). Оптическое излучение возбужденных частиц в пламени при переходе в основное состояние, приходится на диапазон 320 – 460 нм. Оно генерирует фототок в фотоумножителе, им же усиливается и передается для обработки в компьютер. Выходной сигнал получается в виде обычной хроматографической кривой, и по нему можно определить количество элемента серы или фосфора в пробе анализируемого вещества. Наличие в пламени углеводородов, выходящих из колонки неразделённо, (одновременно) с серо- и фосфорсодержащими веществами, может понизить или полностью подавить пики этих соединений, несмотря на то, что излучение от углеводородов не детектируется.

Кондуктометрический детектор применяют в жидкостной хроматографии, если компоненты анализируемого вещества разделяют на ионообменной смоле (ионная хроматография). Кондуктометрический детектор измеряет электрическую проводимость подвижной фазы выходящей из колонки, которая пропорциональна числу ионов в растворе и их подвижности.

Выбор детектора зависит от химической природы анализируемого вещества, его агрегатного состояния, химических и физических свойств, числа и концентрации определяемых компонентов и желаемого времени анализа. Для определения большого числа соединений в пробе анализируемого вещества из одной навески используют универсальный детектор. Если нужно определять несколько компонентов, близких по своим свойствам, используют селективный детектор. Для повышения селективности и уменьшения времени анализа используют комбинации универсальных и селективных детекторов. Например, горючие компоненты промвыбросов определяют по теплоте сгорания или ионизационному эффекту в пламенно-ионизационном детекторе, негорючие – по теплопроводности в детекторе по теплопроводности. Оба детектора монтируют в один хроматограф.

В оптимальных условиях разделения компонентов многокомпонентного вещества каждый компонент поступит в потоке подвижного носителя в детектор в определенной последовательности. Регистрирующее устройство запишет аналитические сигналы компонентов на диаграммной бумаге самописца или на экране компьютера в координатах «интенсивность выходного сигнала – время». Отсчет времени ведется от времени вводы пробы анализируемого вещества в хроматограф. Аналитический сигнал каждого компонента имеет форму пика. Совокупность пиков всех компонентов пробы анализируемого вещества, представляющих собой непрерывную кривую, называют хроматограммой, рис. 3.

Рис. 3 Аналитические сигналы (хроматограмма) анионов, разделённых в ионном хроматографе

[рис. из «Кристиан Г. Аналитическая химия: в 2 т. – Т. 2 – М.: БИНОМ. Лаб-рия знаний, 2009. – 504 с.»]

На рис 4. представлена типичная хроматограмма пробы вещества природного газа, измеренная на газовом хроматографе с детектором по теплопроводности, компоненты природного газа разделены на хроматографической колонке с сорбентом Porapak R. Идентифицированы азот (кислород), диоксид углерода, углеводороды от С до С нормального строения и изомеры, бензол и толуол.

Рис. 4. Типичная хроматограмма вещества природного газа

[скопировано из ГОСТ 31371.3-2008 (ИСО 6974-3:2000, MOD) Газ природный. Определение состава методом газовой хроматографии с оценкой неопределенности. Часть 3. Определение Н2, Не, О2, СО2 и углеводородов до С⁸ с использованием двух насадочных колонок]

На рис. 5 представлена хроматограмма многокомпонентного вещества бензиновой фракции, выделенной из нефти, в котором идентифицировано 33 соединения.

Рис. 5. Пример хроматограммы бензиновой фракции нефти

[Кристиан Г. Аналитическая химия: Т. 2, М.: БИНОМ. Лаб-рия знаний, 2009, 504 с.]

Средства измерений

На рис. 6 представлена фотография хроматографической измерительной установки – хроматографа с пламенно-ионизационным детектором (1, 2), блока управления работой хроматографа (3), блоков, обеспечивающих работу пламенно-ионизационного детектора (4 – 8).

Рис. 6. представлен автоматизированный газовый хроматограф

1 – хроматограф; 2 – автоматический дозатор жидких проб;

3 – ПК для управления работой хроматографа через серийный интерфейс;

4 – компрессор воздуха; 5 – генератор водорода;

7 – фильтр каталитической очистки; 8 – генератор азота;

На рис. 7 изображено достижение последнего десятилетия в разработке устройства ввода пробы анализируемого вещества в колонку хроматографа – чип-инжектор, позволяющего свести к минимуму методическую погрешность результата анализа за счёт ввода пробы. Регулируемый объем инжекции составляет от 1 до 10 мкл, время инжекции – от10 до 1000 мс.

Рис. 7. Чип-инжектор: микропластинка кремния

На рис. 8 представлена схема хроматографа с масс-спектрометрическим детектором, на рис. 9 – схема устройства масс-анализатора.

Рис. 8. Блок-схема и принципиальное устройство газового хроматографа с масс-спектрометрическим детектором (хромато–масс-спектрометра):

1 – газовый хроматограф; 2 – сепаратор; 3 – система ввода: обеспечивает работу с газовым хроматографом или баллоном напуска с сепаратором или без него; 4 – прямой ввод пробы в источник ионов с ионизацией электронным ударом или химической ионизацией; 5 – давление в области ионизации, измеряется отдельным, диафрагменным манометром химической ионизации; 6 – обогреваемый баллон напуска; 7 – источник ионов;
8 – масс-анализатор; 9 – детектор; 10 – давление в области источника ионов, измеряется отдельным ионизационным манометром; 11 – давление в области анализатора: измеряется отдельным ионизационным манометром; 12 – газы-реагенты; 13 – вакуумная система источника ионов; 14 – насос; 15 – вакуумная система масс-анализатора

Рис. 9 Схема магнитного масс-спектрометрического детектора

[рис. из «Отто М. Современные методы аналитической химии: учебник., Т.1. М.: Техносфера, 2006. – 544 с.»]

Аналитический сигнал компонента в хроматографе с масс-спектрометрическим детектором регистрируется не в виде не пика, а в виде масс-спектрограммы – зависимости «Интенсивность линий – m/z», где m – масса осколка молекулы, z – его заряд (рис.10).

Рис 10. Масс-спектрограмма компонента с временем удерживания 19.28 мин и молярной массой 123

Таким образом, хроматография в ее аналитическом применении – это динамический способ разделения определяемых компонентов многокомпонентного вещества с их последующим индивидуальным или групповым детектированием.