Метод газовой хроматографии

Газохроматографический метод анализа подразделяют на два основных вида в зависимости от природы неподвижной фазы:

· газо-адсорбционная хроматография (ГХ), в которой неподвижная фаза — адсорбент; молекулы вещества выделяются из подвижной фазы — газа главным образом за счет электростатических сил;

· газо-жидкостная хроматография (ГЖХ), в которой неподвижная фаза — слой жидкости, покрывающей и химически связанной с поверхностью инертного носителя или стенки колонки; разделение смеси веществ происходит за счет разности их растворимости в неподвижной фазе.

Сущность метода. В середине 50-х гг. ХХ в. группой датских инженеров была начата работа по изучению процессов, приводящих к размыванию хроматографических пиков. Было выведено уравнение, известное в настоящее время как уравнение Ван-Деемтера, связывающее ВЭТТ (высота, эквивалентная теоретической тарелке) с экспериментальными характеристиками, такими как диаметр частиц стационарной фазы, коэффициенты диффузии веществ в неподвижную и подвижную фазы, скорость движения подвижной фазы и др.

Упрощенный вид уравнения Ван-Деемтера:

,

где μ — линейная скорость потока подвижной фазы;

А — коэффициент вихревой диффузии, определяющий влияние на размывание хроматографической зоны плотности и равномерности упаковки колонки неподвижной фазой, размера и формы зерен носителя (неправильная или сферическая) и других факторов. При использовании современных носителей и колонок, изготовленных промышленным способом, влияние этих факторов на эффективность разделения незначительно. Для капиллярных газохроматографических колонок коэффициент А равен нулю;

В — коэффициент продольной диффузии, учитывающий размывание хроматографической зоны за счет градиента концентрации вещества в центре и по ее краям. Влияние этого коэффициента значительно при малых скоростях потока и более выражено для газовой хроматографии, чем для жидкостной. Уменьшить его влияние можно правильной установкой скорости расхода и увеличением вязкости подвижной фазы;

С — коэффициент массопереносавещества между двумя фазами.

Подвижная фаза обогащается определяемым веществом главным образом во фронтальной части его хроматографической зоны, что связано с движением подвижной фазы и конечной скоростью установления равновесия между фазами. Влияние этого фактора на эффективность разделения и размывание хроматографических зон прямо пропорционально линейной скорости потока подвижной фазы. Эффект становится значимым для капиллярных газохроматографических колонок, имеющих очень тонкий слой неподвижной фазы.

Современные газохроматографические колонки имеют эффективность в сотни ТТ, а капиллярные — свыше 10 000 ТТ. ВЭТТ на 1 м колонки с 10 000 ТТ составляет 0,01 см на 1 тарелку. Для сравнения: эффективность для современных ВЭЖХ-колонок (см. ниже) находится на уровне до 400 ТТ на 1 см колонки, что соответствует их длине от 10 до 50 см.

Преимущества метода:

· высокая скорость выполнения многокомпонентного анализа — от считанных минут до 1—2 ч;

· высокая разрешающая способность;

· высокая чувствительность метода, позволяющая детектировать 10^–8–10^–13 г;

· неразрушающий метод, легко объединяемый с другими физико-химическими методами анализа, например масс-спектрометрией или ИК-Фурье-спектроскопией;

· метод количественного определения, ошибка которого составляет обычно 1–5%;

· для проведения исследования требуется малое количество пробы, обычно несколько микролитров;

· надежный метод;

· относительно простой метод;

· относительно недорогой метод.

Недостатки метода:

· применение метода ограничивается летучестью образцов;

· метод не подходит для термолабильных веществ;

· затруднено проведение препаративных работ;

· необходимо использовать дополнительное оборудование для подтверждения полученных результатов.

Самостоятельное направление газовой хроматографии, которое характеризуется специфическими методиками (в результате химической трансформации анализируемой смеси образуются новые соединения, что приводит к изменению коэффициентов разделения и чувствительности детектирования), особой областью применения, особенностями аппаратуры, носит название — аналитическая реакционная газовая хроматография.

Идентификация веществ в газовой хроматографии основывается на возможности метода разделять сложную смесь на индивидуальные компоненты, последовательно выходящие из колонки в смеси с газом-носителем. В зависимости от цели экспертизы возможно решение следующих задач:

· соотнесение хроматографических пиков разделяемых веществ с компонентами смеси, состав которой ориентировочно известен, например, при исследовании многокомпонентного лекарственного препарата;

· проведение группового анализа;

· частичная идентификация компонентов смеси.

В зависимости от сложности поставленной задачи для ее решения используются как различные хроматографические приемы, так и приемы с привлечением данных других методов: химических, физико-химических, биологических и т. д.

Поскольку для каждой конкретной хроматографической системы время удерживания является физико-химической константой вещества, такой же, как температура кипения или плавления, то совпадение в пределах ошибки измерения экспериментально установленных значений параметров удерживания разделяемых соединений с приведенными в литературе значениями этих параметров для известных веществ может являться основанием для его идентификации. По крайней мере, отсутствие такого совпадения говорит о том, что данного вещества в исследуемой смеси нет. Этот подход дает хорошие результаты при использовании данных, полученных с применением нескольких различающихся по своим свойствам, главным образом по полярности, хроматографических неподвижных фаз.

Для гомологических рядов органических соединений достаточно просто рассчитываются корреляционные зависимости параметров удерживания. На основании этого можно проводить проверку соответствия экспериментально полученного пика времени удерживания конкретного члена такого ряда. Современное программное обеспечение для компьютеров на основе термодинамических данных и структурной формулы вещества позволяет достаточно точно рассчитать индекс удерживания для большинства веществ. Например, программа Национального института стандартов США (NIST-05) имеет указанную функцию и большую базу данных по индексам удерживания различных веществ, в том числе лекарственных препаратов, наркотиков, пестицидов, других токсикантов и их метаболитов. В эту базу включены данные литературы по параметрам удерживания на набивных и капиллярных колонках. Так, рассчитанный с помощью этой программы индекс удерживания амфетамина оказался равным 1171, а по данным литературы (39 источников) индекс удерживания этого вещества составил 1117 ± 17 с разбросом от 1090 до 1190.

Простейшим способом установления наличия в смеси какого-либо вещества является использование эталонных образцов сравнения. Стандарт анализируют отдельно от смеси или добавляют его в смесь. В обоих случаях наличие хроматографического пика или увеличение его высоты и площади говорит о возможном присутствии в смеси этого вещества.

Большой выбор селективных газохроматографических детекторов или использование сложных многоколоночных систем позволяет по соотношению их откликов и набору времен удерживания на разных колонках проводить идентификацию веществ. Такой подход наиболее часто используется в анализе объектов окружающей среды и биологических объектов на присутствие пестицидов различного происхождения.

Получение данных удерживания анализируемого вещества до и после обработки его различными дериватизирующими реактивами позволяет по совпадению времен удерживания неизмененного вещества и его производного оценивать присутствие данного вещества в пробе.

Более детальную информацию о пробе получают, используя приемы, предусматривающие препаративный сбор фракций, выходящих из газохроматографической колонки, и их последующее исследование с применением других методов анализа.

Исследование биологических объектов предоставляет еще одну возможность идентификации вещества — по присутствию в пробе его метаболитов. Например, обнаружение в моче наркотического средства метамфетамина по международным правилам требует подтверждения наличия в данной пробе и его основного метаболита — амфетамина. Такая же ситуация наблюдается и с другими наркотиками, например героином и 6-моноацетилморфином, кокаином и бензоилэкгонином.

Сравнение экспериментальных и приведенных в литературе параметров удерживания. В этом случае качественными характеристиками разделяемых веществ являются определенные в заданных условиях параметры удерживания. Для идентификации при сопоставлении с опубликованными данными используют относительные параметры удерживания — индексы удерживания Ковача (R_i).

Относительные параметры удерживания разделяемых компонентов рассчитываются из экспериментальных данных как отношение исправленного удерживаемого объема (или исправленного времени удерживания) этих компонентов к исправленному удерживаемому объему (или времени удерживания) вещества, входящего в состав разделяемой смеси (или специально введенного) и выбранного в качестве стандарта. Установленные относительные параметры удерживания сопоставляются с табличными и по результатам сопоставления делается вывод о качественном составе анализируемой пробы.

В основе метода идентификации по индексам удерживания Ковача лежит использование линейной зависимости между логарифмом исправленного удерживаемого объема и числом атомов углерода в молекуле нормальных углеводородо в. Ковач предложил присвоить членам гомологического ряда нормальных углеводородов постоянные индексы удерживания, которые не зависят от условий процесса хроматографического разделения, всегда остаются постоянными и рассчитываются как произведение числа атомов углерода в молекуле на 100. Тогда индекс удерживания Ковача для метана оказывается равным 100, для этана — 200, для пропана — 300 и т. д.

Для идентификации вещества в строго зафиксированных условиях процесса разделения на данной неподвижной жидкой фазе сначала определяют, например, логарифм исправленных объемов удерживания членов гомологического ряда нормальных углеводородов, которые элюируются из колонки до и после анализируемого соединения. Затем в этих же условиях определяют R_i исследуемого соединения и его индекс удерживания:

где z — число атомов углерода в алкане; t´_ri, t´_rz, t´_{rz +1} — исправленные времена удерживания вещества и алканов.

Для корректного сопоставления результатов анализа измерения выполняют в условиях, идентичных тем, при которых получены опубликованные данные, особенно по следующим показателям:

· тип насадки (марка, фирма-изготовитель, количество неподвижной жидкой фазы и характеристики твердого носителя, условия предварительной активации или обработки насадки, условия кондиционирования колонки);

· температурный режим колонки;

· система ввода пробы;

· параметры (длина, диаметр, материал) колонки;

· условия предварительной подготовки колонки;

· объем вводимой пробы;

· расход, входное и выходное давление газа-носителя;

· способ измерения «мертвого» времени.

Для насадочных колонок с содержанием 15–20% неполярной неподвижной жидкой фазы на твердом носителе межлабораторная воспроизводимость индексов удерживания Ковача составляет 1–3 единицы индекса, на полярных неподвижных фазах до 5 единиц, для капиллярных колонок до 1—2 единиц. При поиске параметров удерживания в литературе окно для разброса параметров принимают равным 40—50 единицам индекса.