Газовая хроматография решает ключевую аналитическую задачу - разделение сложных многокомпонентных смесей. Этот процесс происходит в хроматографической колонке, по праву считающейся главным рабочим узлом всего прибора.
Хотя газовая хроматография - это зрелый аналитический метод, ее технология не стоит на месте. Постоянно улучшаются колонки, системы ввода и детекторы. С 1970-х годов конструкция колонок кардинально изменилась: от трубок с твердым адсорбентом или жидкой фазой на подложке до длинных кварцевых капилляров с химически закрепленной неподвижной фазой.
В современных хроматографических колонках заметно изменились применяемые материалы. Традиционные адсорбенты вроде силикагеля и оксида алюминия уступили место пористым полимерным материалам. Одновременно сократилось и количество используемых жидких фаз - остались только наиболее термостабильные варианты, которые впоследствии эволюционировали в современные химически связанные и сшитые фазы.
Если говорить о материалах самих колонок, то в ранних моделях применялись медь, алюминий, стекло и нержавеющая сталь. Сегодня стандартом стали кварцевые капилляры длиной от 10 до 60 метров с внутренним диаметром 0,20-0,53 мм.
Начиная с 1980-х годов, ключевым направлением развития газовой хроматографии стало совершенствование кварцевых капиллярных колонок. Этот прогресс обусловлен требованиями экологии, нефтехимической промышленности и токсикологических исследований, а также развитием сопутствующих технологий - пробоподготовки и масс-спектрометрии.
В настоящее время насадочные колонки, выполненные из стекла, металла или фторопласта, применяются преимущественно для анализа атмосферного воздуха и простых газовых смесей. С их помощью определяют содержание основных газов: O2, N2, CO2, CO, H2S, SOx, NOx и CH4.
Газовая хроматография на капиллярных колонках
В капиллярных хроматографических колонках неподвижная фаза равномерно распределена по внутренней поверхности трубки, а оставшийся объем занимает газ-носитель. Существует два основных типа таких колонок:
· WCOT-колонки - с тонкой пленкой жидкой неподвижной фазы на стенках
· PLOT-колонки - с пористым слоем адсорбента или носителя, пропитанного жидкой фазой. Толщина слоя составляет около 10 мкм для адсорбента и 1-5 мкм для носителя.
Неподвижные фазы
Неподвижные фазы в газовой хроматографии классифицируют по их полярности.
· Неполярные.
Наиболее распространены неполярные фазы на основе диметилполисилоксана, которые разделяют вещества преимущественно по температурам кипения и применяются для анализа углеводородов. Такие фазы используются примерно в 90% всех анализов благодаря своей универсальности.
· Средней полярности
Фазы средней полярности получают путем замены метильных групп на фенильные, что увеличивает их полярность при сохранении высокой термической стабильности до 360°C.
· Полярные
Еще более полярные фазы содержат цианпропильные группы, существенно повышающие полярность.
Отдельную группу составляют полиэтиленгликолевые фазы, которые, однако, менее стабильны (рабочая температура 240-260°C) и чувствительны к следам кислорода в газе-носителе.
Выбор колонки основан на принципе "подобное растворяется в подобном": неполярные колонки лучше разделяют углеводороды, а полярные оптимальны для анализа спиртов, эфиров, альдегидов и кетонов. Этот подход позволяет подбирать наиболее эффективную систему разделения для конкретных аналитических задач.
Сравнение насадочных и капиллярных колонок
Капиллярные колонки обеспечивают более высокое разрешение по сравнению с насадочными. При хроматографировании на капиллярных колонках наблюдаются более узкие и симметричные пики. Это особенно заметно при работе с кварцевыми колонками, чья инертная поверхность минимизирует нежелательную адсорбцию полярных соединений.
При использовании капиллярных колонок
· Пики становятся более четкими, с минимальными "хвостами"
· Упрощается анализ следовых количеств веществ
· Повышается надежность как качественного, так и количественного анализа
· Увеличивается высота пиков для микроконцентраций компонентов
В случае же насадочных колонок пики аналогичных соединений часто оказываются менее выраженными и могут теряться на фоне шумов. Преимущества капиллярных колонок особенно очевидны при работе с малыми концентрациями аналитов.
Капиллярные колонки демонстрируют значительные преимущества в хроматографическом разделении по сравнению с насадочными, формируя более узкие и симметричные пики. Кварцевые капиллярные колонки особенно эффективны благодаря своей химически инертной поверхности, которая практически исключает нежелательные взаимодействия с полярными соединениями. Это обеспечивает получение четких, хорошо очерченных пиков с минимальными «хвостами», что существенно улучшает возможности анализа следовых количеств веществ и повышает надежность как качественного, так и количественного определения.
Важным преимуществом является повышенная чувствительность детектирования, достигаемая за счет низкого расхода газа-носителя, что также улучшает соотношение сигнал/шум. Особенно заметен выигрыш при анализе микроконцентраций - пики на капиллярных хроматограммах имеют значительно большую высоту по сравнению с насадочными колонками, где такие пики часто теряются в шумах.
Однако следует учитывать ограниченную нагрузочную способность капиллярных колонок, что предъявляет особые требования к системам ввода проб. Для стабильной работы необходимо обеспечить точное дозирование малых объемов образца.
Эксплуатационные преимущества капиллярных колонок становятся особенно очевидными при сравнении с насадочными. В насадочных колонках молекулы аналита могут двигаться разными путями из-за вихревой диффузии, тогда как в капиллярных колонках все молекулы проходят практически одинаковый путь. Открытая конструкция капиллярных колонок создает меньшее сопротивление потоку, что позволяет применять более длинные колонки без значительного роста давления.
В насадочных колонках избыток неподвижной фазы может приводить к слипанию частиц носителя. При этом молекулы аналита взаимодействуют с участками разной толщины, что вызывает неравномерность удерживания и уширение хроматографических зон. В отличие от этого, капиллярные колонки имеют равномерный тонкий слой неподвижной фазы на внутренней поверхности, что обеспечивает четкое разделение пиков с минимальным разбросом времени удерживания.
Дополнительное преимущество капиллярных колонок - меньшее количество неподвижной фазы уменьшает её термический выброс при высоких температурах, что снижает загрязнение детектора и продлевает срок его службы. Это особенно важно при работе в режиме программирования температуры.
Унос фазы
Термин "унос фазы" (column bleed) описывает увеличение фонового сигнала, возникающее при температурном программировании. Это явление неизбежно и обусловлено двумя основными факторами: испарением неподвижной фазы при нагреве и её термическим разложением при высоких температурах. Дополнительный вклад вносит накопление в колонке нелетучих примесей, которые постепенно выделяются в процессе работы.
Унос фазы наблюдается в той или иной степени во всех хроматографических колонках, однако его интенсивность существенно зависит от типа неподвижной фазы. Наименьший унос характерен для термостабильных неполярных фаз, которые обладают более высоким температурным пределом по сравнению с полярными аналогами.
На степень уноса фазы также влияют геометрические параметры колонки:
· увеличение длины и внутреннего диаметра приводит к росту уноса
· более толстая пленка неподвижной фазы усиливает этот эффект
Соответственно, для минимизации уноса фазы рекомендуется:
· Выбирать максимально термостабильные фазы
· Использовать колонки с меньшими габаритами
· Отдавать предпочтение колонкам с тонкой пленкой фазы
Изменение скорости нагрева колонки напрямую влияет на характер уноса фазы. При более быстром температурном программировании наблюдается усиленное выделение неподвижной фазы. Особенно заметно это проявляется при работе с детекторами, чувствительными к специфическим функциональным группам (такими как ТИД и ЭЗД). Если неподвижная фаза содержит гетероатомы или полярные группы (-CN, -F), эти детекторы регистрируют более значительный рост фонового сигнала.
Материалы для капиллярных колонок
Широкое применение кварца в производстве капиллярных колонок объясняется его уникальными свойствами, которые становятся очевидны при сравнении с другими типами стекол. Основное преимущество - крайне низкое содержание оксидов металлов, что делает кварцевые колонки практически инертными.
Хроматографическая активность колонки во многом определяется поверхностными свойствами материала. В обычных стеклах (натриево-кальциевых или боросиликатных) присутствие силанольных групп и ионов металлов (содержание которых достигает нескольких процентов) создает активные центры. Эти примеси, являясь кислотами Льюиса, способны взаимодействовать с различными классами соединений:
· Электронодонорными веществами (кетонами, аминами)
· Ароматическими соединениями
· Олефинами
Особенно заметно влияние боросодержащих примесей, которые также проявляют кислотные свойства Льюиса. В отличие от обычных стекол, синтетический кварц содержит менее 1 ppm металлических примесей, что практически исключает наличие активных центров и обеспечивает исключительную химическую инертность поверхности.
Гидроксильные группы, связанные с атомами кремния, играют ключевую роль в остаточной активности хроматографических колонок. На поверхности кварцевого капилляра можно выделить три типа силанольных групп, различающихся своей структурой и свойствами.
· Свободные силанольные группы (концентрация 6,2 мкмоль/м²) представляют собой кислотные центры адсорбции и существенно влияют на хроматографические характеристики колонки.
· Геминальные силанолы, содержащие две ОН-группы на одном атоме кремния, встречаются в меньшем количестве (1,6 мкмоль/м²).
· Особый интерес представляют вицинальные силанольные группы, где гидроксилы расположены на соседних атомах кремния - их активность сильно зависит от стерических факторов.
Вицинальные группы проявляют слабую адсорбционную способность, но их свойства изменяются в присутствии влаги. При расстоянии между кислородными атомами 2,4-2,8 Å образуются водородные связи, тогда как при расстоянии свыше 3,1 Å такие группы ведут себя как свободные силанолы. В определенных условиях возможно удаление воды с образованием силоксановых мостиков между соседними группами.
Деактивация силанольных групп
Для обеспечения оптимальной работы кварцевых капиллярных колонок требуется специальная подготовка поверхности перед нанесением неподвижной фазы. Эта обработка решает две важные задачи: нейтрализацию активных центров на поверхности и улучшение её смачиваемости для равномерного распределения фазы. Конкретные методы обработки подбираются в зависимости от типа используемой неподвижной фазы, но в любом случае без тщательной деактивации невозможно добиться однородного покрытия по всей длине колонки.
Несмотря на высокую чистоту кварца, содержащего минимальное количество металлических примесей, остаточная активность силанольных групп может негативно влиять на работу колонки. Поэтому их устранение остается обязательным этапом подготовки, позволяющим минимизировать поверхностную активность и получить стабильные хроматографические характеристики.
Поверхностная активность колонки хорошо заметна по изменению формы хроматографических пиков. На практике это проявляется в виде полного или частичного исчезновения пиков, а также их значительного искажения. На рисунке "а" показан характерный пример - хроматограмма тестовой смеси, полученная на недеактивированной кварцевой колонке. Кислотные силанольные группы на поверхности полностью подавляют пик 2,6-диметиланилина.
После снижения концентрации активных силанольных групп, качество хроматограммы значительно улучшается. Этот пример наглядно демонстрирует важность правильной деактивации поверхности для получения достоверных аналитических результатов.
Хроматограммы тестовой смеси на 15м × 0,25 мм (а) деактивации поверхности (б) капиллярной колонке из кварца после деактивации Carbowax 20M. Температура колонки: 70° C; Пики: (1) n-додекан, (2) n-тридекан, (3) 5-нонанон, (4) n-тетрадекан, (5) n-пентадекан, (6) 1-октанол, (7) нафталин, (8) 2,6-диметиланилин и (9) 2,6-диметилфенол.
Для нанесения неполярных и умеренно полярных фаз (например, полисилоксанов) поверхность колонки обычно подвергают деактивации несколькими методами. Основные подходы включают высокотемпературное силилирование, термическое разложение полисилоксанов или полиэтиленгликолей, а также дегидроконденсацию кремнийорганических гидридов.
Для обработки силанольных групп применяют три класса реагентов:
A. Дисилазаны
B. Циклические силоксаны
С. Полисилоксаны с гидридными группами
Нижняя часть рисунка - это вид поверхности кварца с (d) адсорбированной водой, (e) после дезактивации триметилсилилирующим реагентом и (f) после обработки полисилоксаном на основе гидрида кремния.
В газовой хроматографии применяют насадочные и капиллярные колонки. Выбор колонки зависит от типа исследуемого вещества.
Критерии выбора:
· Нормативная документация, если указана конкретная колонка.
· Разделение компонентов. Основной принцип подбора по полярности - "подобное разделяется на подобном".
· Долговечность
· Применимость в данном типе хроматографа.
Вы всегда можете обратиться к нам, и мы подберём вам нужную колонку, протестируем и отправим вам. Наш сервисный инженер приедет, покажет, научит устанавливать и снимать, вместе введём пробу и разметим пики. Подписывайтесь, в следующих публикациях мы расскажем, как же производятся и тестируются колонки.
