Принципиальная схема хроматографа

Для хроматографического разделения и анализа смесей веществ используются хроматографы, приборы или установки для хроматографического разделения и анализа смесей веществ.

Основными частями хроматографа являются: 1) система для ввода исследуемой смеси веществ (пробы); 2) хроматографическая колонка; 3) детектирующее устройство (детектор); 4) системы регистрации и термостатирования. Для препаративных (в т. ч. производственных) хроматографов, кроме того составными частями являются отборные приспособления и приёмники для разделённых компонентов.

В соответствии с агрегатным состоянием используемой подвижной фазы существуют газовые и жидкостные хроматографы. В подавляющем числе хроматографов реализуется проявительный вариант хроматографии. Принципиальная схема устройства газового хроматографа представлена на рис. 4.

Рис. 4. Устройство газового хроматографа: 1 - баллон с инертным газом; 2 - устройство для ввода пробы в хромотографическую колонку; 3 - хромотографическая колонка; 4 - термостат; 5 - детектор; 6 - преобразователь сигналов; 7 - регистратор.

 

В газовом хроматографе (рис. 4) газ-носитель из баллона через регуляторы расхода и давления непрерывно с постоянной или переменной скоростью подаётся в хроматографическую колонку-трубку (диаметром 2-5 мм и длинной 1-10 м), заполненную сорбентом и помещённую в термостат, позволяющий поддерживать заданную температуру (вплоть до 500 °С).

Ввод газообразной пробы (1-50 см³) и жидкой (несколько мкл) осуществляется либо вручную (газовым шприцем или микро-шприцем), либо автоматически - при помощи микродозаторов.

В хроматографической колонке происходит разделение исходной многокомпонентной смеси на ряд бинарных смесей, состоящих из газа-носителя и одного из анализируемых компонентов.

В хроматографии используются колонки трёх типов: насадочные (набивные), микронасадочные и капиллярные.

Насадочные колонки, стеклянные или металлические, имеют внутренний диаметр от 2 до 10 мм. Они наполняются твёрдым адсорбентом, покрытым тонкой плёнкой нелетучей жидкости. Длина таких колонок, как правило, не превышает 4 м.

Капиллярные колонки изготавливают из тонких капилляров (диаметром 0,25-0,5 мм и длиной от 10 до 200 м). НЖФ в виде тонкой плёнки наносится на стенки капилляров.

Бинарные смеси в определённой последовательности, зависящей от сорбируемости компонентов, поступают в детектор.

В результате происходящих в детекторе процессов (изменения теплопроводности, ионизационного тока и т.д.) фиксируется изменение концентрации выходящих компонентов; преобразованные в электрический сигнал, эти процессы записываются в виде выходной кривой. Наиболее распространённые детекторы газовых хроматографов - термокондуктометрические и ионизационные. Типичным примером первых является детектор по теплопроводности (катарометр), в мостовую цепь которого включены две ячейки для измерения теплопроводности; через них протекают потоки чистого газа-носителя и бинарная смесь. Теплопроводность последней отличается от теплопроводности чистого газа-носителя; поэтому при прохождении бинарной смеси через чувствительный элемент детектора - нагретую спираль с сопротивлением 10-80 Ом -меняются температура и сопротивление спирали в зависимости от концентрации компонента. Такой детектор позволяет определять концентрации веществ в пределах 10^-1-10^-2%.

Главной частью ионизационных детекторов является ионизационная камера, где происходит ионизация молекул, попадающих в неё с потоком газа-носителя из хроматографической колонки.

Ионизацию исследуемых веществ осуществляют в пламени водорода, метастабильными атомами аргона или гелия, медленными электронами и т.д. Ионы под воздействием приложенного напряжения перемещаются в ионизационной камере, что приводит к образованию электрического тока. Ионизационные детекторы позволяют определять концентрации веществ в пределах 10^-4 -10^-7%.

Термокондуктометрические и ионизационные детекторы характеризуются чувствительностью (минимально определяемая концентрация вещества), селективностью (способность избирательно определять в смеси отдельные компоненты), прямой зависимостью сигнала от концентрации.

В жидкостном хроматографе в качестве детектирующего устройства используют проточный рефрактометр, включаемый по дифференциальной схеме или детектор поглощения в ультрафиолетовой области. Подачу подвижной фазы - растворителя осуществляют при помощи беспульсационных систем (давление до 50 Мн/м² или 500 кгс/см²), а ввод пробы - микрошприцем или переключающимся краном. Длина хроматографической колонки в жидкостном хроматографе не превышает 1 м. В целом детекторы жидкостных хроматографов обладают существенно меньшей чувствительностью (примерно на 2 порядка), чем детекторы газовых хроматографов. Для точного измерения концентраций веществ детекторы калибруют по смесям известного состава.

Достигаемые скорость и точность анализа в хроматографе во многом определяются правильным выбором рабочего режима детектора и условий эксперимента (тип сорбента, температура, скорость газа-носителя, длина хроматографической колонки и т.д.). Для ускорения анализа применяют программированное во времени изменение температуры хроматографической колонки или расхода газа-носителя.