Газовая хроматография. 
Мониторинг загрязнения окружающей среды

Газовая хроматография — процесс разделения компонентов смеси, основанный на различии в равновесном распределении компонентов между двумя фазами — газом-носителем (подвижная фаза) и либо твердой фазой, либо жидкостью, нанесенной в виде тонкой пленки на поверхность твердого носителя или стенки хроматографической колонки. В первом случае метод называется газоадсорбционной хроматографией, во втором — газожидкостной (распределительной) хроматографией. Из этих двух вариантов газовой хроматографии наиболее распространена распределительная газожидкостная хроматография, которая и рассматривается далее.

Сущность метода состоит в следующем. Анализируемую смесь (обычно — раствор) летучих компонентов переводят в парообразное состояние и смешивают с потоком инертного газа-носителя, образуя с ним подвижную фазу. Эта смесь проталкивается далее новой порцией непрерывно подаваемого газа-носителя и попадает в хроматографическую колонку, заполненную неподвижной (стационарной) жидкой фазой. Разделяемые компоненты распределяются между подвижной и неподвижной фазами в соответствии с их коэффициентами распределения.

Процесс разделения основан на различии в летучести и растворимости (или адсорбируемости) разделяемых компонентов. Так, в случае газожидкостной хроматографии через хроматографическую колонку быстрее движется тот компонент, растворимость которого в неподвижной фазе меньше, а летучесть (упругость пара) при данной температуре больше.

С помощью газохроматографического метода могут быть проанализированы газообразные, жидкие и твердые вещества с молекулярной массой меньше 400, удовлетворяющие определенным требованиям, главные из которых — летучесть, термостабилыюсть, инертность и легкость получения.

Газовые хроматографы — универсальные приборы, на одном приборе можно разделять и анализировать несколько тысяч разных смесей, меняя хроматографические колонки и детекторы.

Классическая схема газовой хроматографии принципиально не меняется в течение последних десятилетий. Типовая схема газового хроматографа изображена на рис. 5.5.

Для создания перепада давления через колонку хроматограф подсоединяют к источнику со сжатым газом 1, что позволяет получить стабильный.

Рис. 5.5. Принципиальная блок-схема газового хроматографа:

• 1 — баллон с газом-носителем; 2 — блок подготовки газа;
• 3 — испаритель; 4 — термостат; 5 — хроматографическая колонка;
• 6 — детектор; 7 — усилитель; 8 — регистратор

поток без флуктуаций, характерных для насосов. Через колонку поток газа-носителя должен проходить с постоянной и определенной скоростью, поэтому на входе в колонку на линии газа-носителя устанавливают регулятор и стабилизатор расхода газа-носителя и измеритель расхода газа. Если газ-носитель загрязнен нежелательными примесями, то устанавливают еще и фильтр. Таким образом, на входе в колонку подключается ряд устройств, часто объединяемых в один блок подготовки газа 2, назначение которого — установка, стабилизация, измерение и очистка потока газа-носителя. Перед входом в колонку устанавливают устройство для ввода анализируемой пробы в колонку — дозатор-испаритель 3. Обычно анализируемую пробу вводят микрошприцем через самозатекающее термостойкое резиновое уплотнение в дозаторе или дозирующим шестиходовым краном.

Анализируемая проба, введенная в дозатор, захватывается потоком газаносителя (если анализируемая проба — жидкость, то она предварительно переводится в дозаторе-испарителе в парообразное состояние) и направляется в хроматографическую колонку 5. За счет различной сорбируемости компоненты смеси будут с разной скоростью продвигаться по колонке. Вещества, которые сорбируются слабо, будут продвигаться по колонке с большей скоростью и выходить из колонки первыми. Сильносорбируемые вещества будут продвигаться по колонке медленнее. Если выбран достаточно селективный сорбент и подобраны оптимальные условия, то на выходе из колонки компоненты смеси будут полностью разделены. Детектор 6 регистрирует присутствие разделенных компонентов в газеносителе. Эти сигналы усиливаются усилителем 7 и регистрируются самопишущим прибором 8 или дисплеем ЭВМ в виде хроматограмм.

Сорбируемость веществ существенно зависит от температуры. Для исключения влияния колебания температуры на результаты разделения колонку помещают в специальную камеру-термостат, температура которой устанавливается и поддерживается термостатом 4. В случае необходимости температура колонки в процессе разделения может изменяться по определенной программе с помощью блока программирования температуры.

Для расширения аналитических возможностей газовые хроматографы комплектуют набором дополнительных устройств: устройствами для концентрирования проб (устройствами твердофазной, микротвердофазной, сверхкритической, газовой экстракции, системами выдувания и улавливания и др.), дополнительными системами ввода проб (автоматическими дозаторами, крио-фокусировкой, газовыми кранами), пиролизными устройствами, устройствами для дои послеколоночной дериватизации, в частности метанаторами и другими.

На рис. 5.6 показан промышленный газовый хроматограф.

Рис. 5.6. Промышленный газовый хроматограф.