Загальна характеристика вузлів газового хроматографа

Дозатор – це вузол, з допомогою якого пробу вводять (дозують) у хроматографічну колонку. Він повинен забезпечити введення проби методом впорскування при мінімальному розведенні її газом-носієм, щоб випарувана проба займала на початковій ділянці колонки максимально малий об’єм. Дозатор повинен забезпечувати відтворюваність розміру проби та умов її введення. Під час введення проби не повинно бути різкої зміни умов роботи колонки і інших вузлів. Внутрішня поверхня дозатора не повинна мати сорбційну і каталітичну активність по відношенню до компонентів проби. Для введення газів і рідких проб найчастіше використовують шприци. У даному разі місце введення являє собою невелику ємність, що з’єднана з початком колонки. У дозаторі необхідно підтримувати температуру, при якій рідка проба повністю б випаровувалась. Тому дозатор обігрівають електричним нагрівачем до температури, що перевищує температуру колонки на декілька десятків градусів.

Твердий зразок в дозатор краще всього ввести у вигляді розчину, однак такий зразок можна ввести в дозатор, застосовуючи звичайну металеву голку. У вушко голки вносять розплавлену пробу, яка зразу твердішає. Потім голку вводять в нагрітий дозатор, проба розплавляється і переноситься газом-носієм в колонку. Є й інші методи введення різних проб.

Колонку тієї чи іншої форми вибирають у відповідності з розмірами термостата. Найбільш розповсюджені U-, W-подібні колонки, прямі відрізки, сполучені U-подібними капілярними переходами, спіральні трубки, а також колонки у вигляді плоских спіралей. Колонки найчастіше виготовляють із скла, нержавіючої сталі і міді. При використанні U-подібних колонок для створення сорбційного шару значної довжини декілька колонок (секцій) збирають у вигляді блока із загальною кришкою. Капілярні колонки скручують у спіраль навколо алюмінієвого циліндра.

Колонки вміщують в термостати, температуру в яких підтримують з точністю до ±(0,05-0,5)⁰С. Термостати обігрівають рідиною, парою киплячої рідини, нагрітим повітрям з примусовою циркуляцією повітря. Дозатор монтують безпосередньо на кришці термостата.

Для регулювання температури використовують дилатометричний термометр, контактний термометр або термометр опору.

Детектори хроматографа являють собою прилади, що забезпечують фіксувати будь-яку фізико-хімічну властивість бінарної суміші, що визначається її складом. Таким чином, хроматографічна колонка є підготовчим пристроєм, що перетворює складну досліджувану систему в послідовність бінарних сумішей газу-носія з одним із досліджуваних компонентів. Оскільки концентрація компонентів, особливо тих, що погано адсорбуються, в елюаті змінюється дуже швидко, детектор повинен мати малу інертність. Інакше дуже леткі речовини, що вже розділилися на колонці, можуть реєструватися як один пік, якщо відстань між максимумами менше величини, що характеризує інертність детектора.

Коли необхідно зробити повний аналіз суміші, треба застосовувати універсальний детектор, так як через детектор у процесі аналізу можуть проходити бінарні суміші газу-носія з речовинами різноманітної будови. Для аналізу складних сумішей найбільш зручні селективні детектори, які мають чутливість до речовин певного класу.

У більшості випадків концентрації досліджуваних компонентів в елюаті незначні, тому детектор повинен бути дуже чутливим. Детектор повинен забезпечувати можливість безперервної автоматичної реєстрації показань у процесі аналізу.

В газовій хроматографії застосовують інтегральні і диференційні детектори. Диференційні детектори діляться на концентраційні та потокові.

У сучасних хроматографічних системах використовують потокові детектори, що реагують на появу речовин, які розділяються, в потоці газу, і за допомогою самописця автоматично реєструються на діаграмній стрічці піки, що відповідають цим речовинам. Тепер застосовують три типи потокових детекторів: термоіонні детектори, детектори із захопленням електронів, полум’яно-іонізаційні детектори.

Дія полум’яно-іонізаційного детектора заснована на тому, що коли під дією полум’я в газі утворюються йони, радикали чи вільні електрони, то навіть при дуже незначній концентрації цих частинок гази стають провідниками електричного струму. Елюат змішують з воднем і подають до сопла пальника. До пальника поступає також очищене повітря. Горіння відбувається між двома електродами, на які подається напруга 90-300 вольт. Під дією цієї напруги рух йонів стає впорядкованим, виникає йонний струм, який через підсилювач подається до реєстратора.

Газом-носієм може бути водень, азот, гелій, аргон і ін. Чутливість детектора у значній мірі визначається співвідношенням між кількістю водню та повітря, які подаються в пальник, а також відстанню між електродами.

Важливою характеристикою полум’яно-іонізаційного детектора є ефективність іонізації, тобто відношення сумарного заряду йонів, отриманих при спалюванні 1 моль компонента, до заряду, який був би отриманий при повній іонізації такої кількості компонента. Для полум’яно-іонізаційного детектора ефективність іонізації невелика і становить приблизно 10^-5.

Полум’яно-іонізаційний детектор є потоковим. Його сигнал прямопропорційний швидкості газу-носія, а добуток сигналу на ширину зони (в мВ∙см³) залишається практично незмінним. Недоліком такого детектора є те, що його можна застосовувати, як правило, тільки для аналізу горючих речовин.

Через високу чутливість (від 0,01 мкг до 5 мг) детектор відмічає присутність в елюаті дуже малих кількостей нерухомої фази – збільшується фоновий струм.

При роботі з полум’яно-іонізаційним детектором необхідно особливо ретельно очищати газ-носій від домішок, які також можуть викликати підсилення фону.

Термоіонні детектори – прилади, принцип дії яких полягає в тому, що електричний опір вольфрамового дроту залежить від температури і за умови постійної швидкості потоку газу нагрітий дріт охолоджується до температури, яка визначається цим потоком, теплопровідністю газу, а значить і опором. Такі детектори проявляють чутливість до фосфорорганічних, нітрогенвмісних та галогенвмісних речовин близько 10мкг. Конструкція такого детектора відзначається тим, що на кінці кварцового пальника розміщується невеликий наконечник із солі лужного чи лужноземельного металу, який і забезпечує селективність по відношенню до Фосфору, Нітрогену та галогенів.

Детектори, принцип дії яких базується на захоплені електронів, що рухаються до анода в іонізаційній камері, називаються електронзахоплюючими.

Звичайно швидкість електронів, що рухаються до анода іонізаційної камери, становить близько 10⁵ см/с. При зменшенні прискорюючої напруги до 10-100 В швидкість електронів знижується і молекули деяких речовин, що мають достатню спорідненість до електрона (наприклад, галогенвмісні сполуки), захоплюють такі «повільні» електрони, в результаті чого утворюються від’ємно заряджені молекулярні йони. При цьому струм іонізації звичайно знижується і на хроматограмі з’являється від’ємний пік. Такі детектори зручні для якісного аналізу через високу чутливість (близько 0,1 мкг) до сполук, що містять галогени, Нітроген, Плюмбум та деякі інші елементи. Тому такі детектори рекомендується застосовувати для ідентифікації деяких класів сполук, а при необхідності кількісних визначень застосовувати паралельно інший детектор. Як газ-носій при роботі з електронзахоплюючим детектором рекомендується застосовувати азот чи водень.

Якщо в газорідинній хроматографії застосовуються детектори, які не спричиняють деструкцію речовин (наприклад, термоіонні детектори), то цей метод придатний для препаративного отримання речовин шляхом їх конденсування на виході із колонки.

Площа кожного піка пропорційна концентрації відповідного компонента суміші, і для кількісного визначення речовин можна користуватися інтеграторами, які здатні вимірювати відносний час утримання – час виходу речовини з колонки відносно часу виходу з колонки стандарту і визначити площу піків.

Застосовуючи газорідинну хроматографію, можна не тільки визначити якісний і кількісний склад суміші, але і кількість та характер домішок, а також встановлювати фізичні, хімічні та фізико-хімічні властивості речовин.