Газовая хроматография

В настоящее время газовая хроматография является одним из основных методов анализа летучих (а при использовании методов аналитической реакционной газовой хроматографии – и нелетучих) органических соединений.

В общем виде, согласно существующей номенклатуре, хроматография в ее триединстве (наука – процесс – метод) определена как:

1. наука о межмолекулярных взаимодействиях и переносе молекул или частиц в системе несмешивающихся и движущихся относительно друг друга фаз;
2. процесс дифференциального многократного перераспределения веществ или частиц между несмешивающимися  и движущимися относительно друг относительно друга фазами, приводящий к обособлению концентрированных зон индивидуальных компонентов исходной смеси этих веществ или частиц;
3. метод разделения смесей веществ или частиц, основанный на различие в скоростях их перемещения в системе несмешивающихся и движущихся относительно друг друга фаз.

В зависимости от агрегатного состояния подвижной фазы хроматография подразделяют на газовую, жидкостную и сверхкритическую флюидную.

Понятие (термин) «газовая хроматография» объединяет все методические варианты, в которых подвижная фаза газообразна (находится в состоянии газа или пара).

С помощью газовой хроматографии можно выполнять качественное и количественное определение компонентов смесей любых органических и неорганических газов, жидкостей, твердых тел, давление пара которых при температуре колонки находится в диапазоне 0,133-133,0 Па (0,001-1,0 мм.рт.ст.), т.е. перегоняется без разложения в области температур до 400 – 500 ⁰С, или более высококипящих соединений, для которых отработана методика воспроизводимого термического разложения. Методом газовой хроматографии могут также анализироваться и соединения, которые хотя и не попадают в указанные границы, но могут быть превращены в летучие производные для последующего газохроматографического анализа (аналитическая реакционная газовая хроматография).

Интенсивное развитие и широкое применение газохроматографических методов для анализа различных объектов (чистых соединений, лекарств, пищевых продуктов, воздуха и газовых сред, биологических жидкостей и пр.) основано на принципиальной возможности решения этим методом большинства возникающих практических задач.

Целесообразность использования метода газовой хроматографии  обусловлена целым рядом причин, из которых можно выделить ряд основных.

Стандартность и сравнительная простота аппаратурного оформления. В общем виде, устройство и принцип работы газового хроматографа можно представить следующим образом (рисунок 1). С помощью устройства ввода в хроматограф, в поток газа-носителя вводится определенное количество анализируемой смеси в газообразном или жидком состоянии.

Рисунок 1. Схема устройства хроматографа

Ввод в устройство ввода определенного количества анализируемой смеси позволяет выполнить дозирующее устройство, в качестве которого чаще всего применяются микрошприц или газовый кран-дозатор. В устройстве ввода жидкие пробы испаряются и поступают в хроматографическую колонку.

В хроматографической колонке осуществляется разделение смеси на отдельные компоненты. При разделении одновременно протекают процессы сорбции-десорбции веществ между неподвижной и подвижной фазами. При этом вещества, слабо сорбируемые неподвижной фазой, будут продвигаться по колонке с большей скоростью и наоборот.

Из колонки разделенные компоненты смеси вместе с газом-носителем (элюат) попадают в детектор, который регистрирует вещества, отличающиеся по физическим или физико-химическим свойствам от газа-носителя, и преобразует их в электрический сигнал.

Далее происходит усиление или преобразование сигнала в аналоговое напряжение, с последующим преобразованием его в цифровую форму.

Регистрирующее устройство, в качестве которого в настоящее время обычно используется персональный компьютер, строит график зависимости сигнала детектора от времени. Этот график называется хроматограммой (рисунок 2).

Формирование, очистка и стабилизация потока газа-носителя, а также вспомогательных газов (если они необходимы для питания детектора) выполняются системой подготовки газов. В последнее время эта система получила название «электронное управление потоками газов» (ЭУПГ).

Требуемые температурные режимы устройства ввода, колонки и детектора поддерживаются с помощью соответствующих термостатов, входящих в систему термостатирования вместе с датчиками измерения температуры, нагревателями, терморегуляторами и, если это необходимо, системами перемешивания воздуха или охлаждения.

1. Весьма широкие границы применения, непрерывно расширяющиеся из-за появления новых разновидностей первоначальных вариантов.
2. Быстрота выполнения анализа. В большинстве применяемых на практике аналитических методик длительность цикла разделения не превышает 10-20 мин.
3. Широкий выбор неподвижных фаз и адсорбентов, а также типов рабочих колонок и рабочих параметров хроматографического опыта, позволяющий добиваться разделения соединений с весьма близкими физико-химическими характеристиками (изомеры и т.п.).
4. Осуществление химических реакций в самой хроматографической колонке или в реакторах, составляющих с ней единую коммуникационную систему (реакционная хроматография), открывает дополнительные возможности качественного анализа смесей неизвестного состава. В ряде случаев особый интерес представляет препаративная реакционная газовая хроматография, совмещающая в одностадийном процессе синтез ( с выходами, близкими к количественным) разнообразных соединений и выделение их в индивидуальном виде.
5. Неаналитические применения колоночной хроматографии, связанные с исследованием физико-химических характеристик хроматографируемого вещества и неподвижной фазы, а также кинетики каталитических реакций.
6. Совмещение достоинств  хроматографии и других современных инструментальных методов анализа (некоторые виды спектроскопии, рефрактометрия, кулонометрия) в едином аппаратурном оформлении, что открывает неограниченные перспективы качественного и количественного исследования весьма сложных по составу соединений. Из таких комбинированных методов, являющихся в настоящее время наиболее информативными при качественном анализе сложных смесей неизвестного состава, можно выделить два – хромато-масс-спектрометрию и хромато-ИК-фурье-спектроскопию.
7. Методы хроматографии хорошо поддаются автоматизации. Установление различных соотношений, характеризующих закономерности хроматографического процесса, корреляций между физико-химическими свойствами и хроматографическим поведением привели к тому, что выбор условий хроматографического процесса, идентификация анализируемых веществ на основе их удерживания и другие задачи перестают решаться эмпирическим путем. Для управления работой хроматографов, интерпретации хроматограмм, априорного расчета оптимальных условий процесса все более широко используется машинная техника.
8. Разработанные и выпускаемые серийно высокочувствительные и селективные детекторы (таблица 1) дают возможность разделения и количественного анализа с высокой точностью микрограммовых (миллионных долей грамма) количеств смесей компонентов, не поддающихся исследованию никакими другими методами.

Таблица 1. Характеристики некоторых наиболее распространенных хроматографических детекторов

^* ПИД - пламенно-ионизационный детектор; ФИД – фотоионизационный детектор; ТИД – термоионный (азот/фосфорный) детектор; ЭЗД – электронозахватный детектор; ПФД – пламенно-фотометрический детектор.

^** Кроме формальдегида и углеводородов С₁ – С₂; все неорганические газы, кроме О₂, N₂, СО, СО₂, SО₂.