Газ хроматографиясы

Газ хроматография (GC ) — бұл ыдыратпай буландыруға болатын қосылыстарды бөлу үшін аналитикалық химияда қолданылатын хроматографияның кең таралған түрі. GC көбіне белгілі бір заттың тазалығын тексеру үшін не қоспаның әр түрлі компоненттерін бөлу үшін қолданылады (мұндай компоненттердің салыстырмалы мөлшерін де анықтауға болады). Кейбір GC түрлері қосылысты анықтауға да көмектеседі. Препаративті хроматографияда қоспадан таза қосылыстарды дайындау үшін де GC-ді қолдануға болады. Газ хроматографиясында жылжымалы фаза ретінде көбіне гелий тәрізді инерт не азот тәрізді реактивті емес тасымалдаушы газ қолданылады. Бөлу үшін сутек газы ең тиімді болғанымен, гелий құралдардың 90% қолданылатын кең таралған тасымалдаушы газ. Стационарлы фаза ретінде әдетте баған деп аталатын әйнектен не металлдан жасалған түтіктің ішкі қабырғасынадағы инертті қатты тіректегі сұйықтықтың немесе полимердің микроскопиялық қабаты қолданылады. Газ хроматографиясын жүргізу үшін қолданылатын құрал газ хроматограф (немесе «аэрограф», «газ сепараторы») деп аталады. Талданатын газ қосылыстар стационарлы фазамен қапталған бағанның қабырғамен әрекеттеседі. Қоспадағы әр қосылыс тежелу уақыты деп аталатын белгілі бір уақытта элюцияланады (шайылып шағады). Тежелу уақытын салыстыру арқылы қосылыстарды бір-бірінен ажыратуға болды. Бұл GC-ге оның аналитикалық тиімділігін береді. Газ хроматография принципі бойынша бағанды хроматографияға ұқсас (хроматографияның басқа түрлері сияқты, мысалы, HPLC), бірақ бірнеше маңызды айырмашылықтары бар. Біріншіден, қоспадағы қосылыстарды бөлу үшін GC-де стационарлы фаза мен газ күйіндегі жылжымалы фаза қолданылады, ал бағанды хроматографияда сұйық жылжымалы фаза қолданылады. Екіншіден, баған газдың температурасын басқаруға болатын пеште орналасқан, ал бағанды хроматографияда көбіне температураны өзгертпейді. Үшіншіден, газ фазасындағы қосылыстың концентрациясы бұл тек газдың бу қысымының функциясы 1903 жылғы сұйық хроматография көмегімен өсімдік пигменттерін бөлген эксперименттеріне негізделген. Неміс химигі Эрика Кремер 1947 жылы аустриялық докторант Фриц Приормен бірге GC-дің теориялық негіздерін жасап, алғашқы сұйық-газды хроматографты жасады, бірақ оның жұмысы маңызды емес болып саналды және ұзақ уақыт бойы еленбеді. Арчер Жон Портер Мартин сұйық-сұйық (1941) және қағаз (1944) хроматографиясын дамыту жұмысы үшін Нобель сыйлығына ие болды, сондықтан газ хроматографиясының негізін қалады деп есептеледі. Газ хроматографиясының қолданысы жалынмен иондау детекторы (FID) дамығаннан кейін тез өсті. GC арқылы талдау Газ хроматографы - күрделі үлгідегі химиялық заттарды бөлуге арналған химиялық талдау құралы. Газ хроматографы баған деп аталатын, газ ағыны өтетеін жіңішке түтікті пайдаланады. Үлгідегі қосылыстар әртүрлі химиялық және физикалық қасиеттеріне байланысты және стационарлы фаза деп аталатын материалмен әрекетесуіне байланысты баған бойымен әртүрлі жылдамдықта қозғалады. Химиялық заттар бағаннан шыққан кезде, олар электронды түрде анықталады және сәйкестендіріледі. Бағандағы стационарлы фазаның мақсаты қоспадағы компоненттерді бөлу. Оның арқасында компоненттердің әрқайсысы бағаннан әртүрлі уақытта (тежелу уақыты) шайылып шығады. Тежелу ретін немесе уақытын өзгерту үшін қолдануға болатын басқа параметрлер - тасымалдаушы газдың ағын жылдамдығы, бағанның ұзындығы мен температурасы. GC арқылы талдау кезінде, сұйық немесе газ түріндегі аналит әдетте микрошприц ті (немесе, қатты фазалы микроэкстракция талшықтары, газ көзін ауыстыру жүйесін) пайдаланып, бағанның «басына» айдалады. Тасымалдаушы газ баған арқылы аналит молекулаларын жылжытады, бұл қозғалысты аналит молекулаларының адсорбциясы тежейді. Молекулалардың баған бойымен қозғалу жылдамдығы адсорбция күшіне байланысты, бұл өз кезегінде молекуланың түріне және стационарлы фазаның материалдарына байланысты болады. Әрбір молекуланың жылжу жылдамдығы әр түрлі болғандықтан, қоспаның компоненттері бөлініп, олар бағанның соңына әр түрлі уақытта жетеді (тежелу уақыты). Бағаннан шығыс ағынын бақылау үшін детектор қолданылады; осылайша, әрбір компоненттің шығатын уақыты мен оның мөлшерін анықтауға болады. Әдетте заттарды сапалық анықтау үшін бағаннан шығу реті не тежелу уақыты қолданылады. Аспап бөлшектері Аутосамплерлер Аутосамплерлер үлгіні инлетке автоматты түрде енгізуге мүмкіндік береді. Үлгіні қолмен енгізу мүмкін болғанымен, қазіргі кезде көп таралмаған. Автоматты түрде енгізу қайталанғыштықты жақсартады және уақытты тимді пайдалануға көмектеседі. Әр түрлі аутосамплерлер бар. Аутосамплерлерді робот технологияларына қарай (ең көп таралғандары: XYZ роботы және айналмалы роботтар) сыйымдылығына қарай (ауто-инжекторлар және аутосамплерлер) немесе үлгі түріне қарай жіктеуге болады: * Сұйық * Статикалық бу фазасы * Динамикалық бу фазасы * Қатты фазалы микроэкстракция (SPME) Инлеттер Бағанның инлеті (немесе инжекторы) үлгіні тасымалдаушы газдың үздіксіз ағымына енгізуге мүмкіндік береді. Инлет - бағанның басына бекітілген аспаптық бөлік. Инлеттің негізгі түрлері: * S/SL (сплит/сплитсіз) инжектор; үлгі қыздырылған шағын камераға шприц арқылы септумды тесіп енгізіледі - жылу үлгіні және үлгі матрицасының булануын жеңілдетеді. Содан кейін тасымалдаушы газ үлгіні толығымен (сплитсіз режим) немесе үлгінің бір бөлігін ғана (сплит режимі) бағанға айдайды. Сплит режимінде, енгізу камерасындағы көмей арқылы үлгі/тасымалдаушы газ қоспасының бір бөлігі шығарылады. Талдаудың жоғары концентрациясы бар үлгілермен жұмыс жасау кезінде (>0,1%) сплитті енгізу қолданылады, ал сплитсіз енгізу аз мөлшердегі аналиттерді (<0,01%) талдауға ыңғайлы. Сплитсіз режимде жүйені ластайтын ауыр компоненттерден тазарту үшін алдын ала белгіленген уақыттан кейін енгізу камерасындағы көмей ашылады. Бұл алдын ала белгіленген уақытты бейімдеген жөн, қысқа уақыт (мысалы, 0,2 мин), шыңның дұрыс болуын қамтамасыз етеді, бірақ детектор жауабы жоғалады, ұзақ уақыт (2 мин) шыңның "құйрығын" ұзартады, бірақ сигналды да арттырады. * Бағандағы инлет; сынама бағанға толығымен қыздырусыз, еріткіштің қайнау температурасынан төмен температурада енгізіледі. Төмен температура үлгіні тар аймаққа жинайды. Содан кейін баған мен инлетті қыздырып, үлгіні газ фазасына жіберуге болады. Бұл хроматография үшін ең төменгі температураны қамтамасыз етеді және үлгілерді олардың қайнау температурасынан жоғары температураларда ыдырауға жол бермейді. * PTV инжекторы; Температурасы бағдарламаланған үлгіні енгізуді алғаш рет 1979 жылы Фогт сипаттады. Бұл алғашында капиллярлы GC-ға үлгінің үлкен көлемдерін (250 мкл дейін) енгізу үшін дамытылған әдісі болды. Фогт үлгіні бекітілген енгізу жылдамдығымен лайнерге айдады. Лайнердің температурасы еріткіштің қайнау температурасынан сәл төмен болды. Сәл қайнап жатқан еріткіш үздіксіз буланып, сплит көмейі арқылы шығарылды. Осы әдістің негізінде Пой Бағадарламаланатын Температуралы Буландырғыш (PTV) инжекторын ойлап тапты * Газ көзі инлеті не газ көзін ауыстыру жүйесі. * P/T (бөліп тұзақтау) жүйесі; Инертті газ су ерітіндісі арқылы көпіршіп өтіп, ерімейтін ұшқыш химиялық заттарды матрицадан бөледі. Ұшқыш заттар адсорбентпен толтырылған бағанға (тұзақ, концентратор) қалыпты температурада «тұзақталады». Содан кейін бағанды қыздырады және ұшқыш заттарды газ ағынына тасымалдайды. Концентрлеуді немесе тазартуды қажет ететін үлгілерді, әдетте, S/SL портына жалғанған осындай жүйе арқылы енгізуге болады. Тасымалдаушы газды (жылжымалы фазаны) таңдау өте маңызды. Сутектің тиімділігі жағынан гелиймен салыстыруға болатын ағындардың ауқымы үлкен. Алайда, ағым жылдамдығы бейімделген болса, гелий тиімдірек болады, және ең жақсы бөлінуді қамтамасыз етеді. Гелий жанбайды және көптеген детекторлармен және ескі құралдарда жұмыс істейді. Сондықтан, гелий - ең көп таралған тасымалдаушы газ. Алайда, гелийдің бағасы соңғы жылдары айтарлықтай өсті, бұл ғалымдардың көбін сутегі газына ауысуға мәжбүр етті. Детекторлар Ең жиі қолданылатын детекторлар - жалынмен иондау детекторы (FID) және жылу өткізгіштік детекторы (TCD). Екеуі де компоненттердің көбіне сезімтал және екеуі де концентрацияның кең ауқымында жұмыс істейді. TCD-лар іс жүзінде әмбебап болып табылады және оны тасымалдаушы газдан басқа кез келген компоненттерді анықтау үшін қолдануға болады (жылу өткізгіштігі тасымалдаушы газдан өзгеше болса), FID бірінші кезекте көмірсутектер үшін қолданылады және оларға TCD-ға қарағанда сезімтал. Алайда FID суды анықтай алмайды. Екі детектор да айтарлықтай сенімді. TCD ыдыратпайтын детектор болғандықтан, оны FID алдында қолданып, сол аналиттердің толық анықталуын қамтамасыз етуге болады. Басқа детекторлар тек заттардың белгілі бір түрлеріне ғана сезімтал немесе концентрациялардың тар ауқымында ғана жақсы жұмыс істейді. Жылу өткізгіштік детекторы (TCD) вольфрам-рений филаменті арқылы өтетін заттың жылу өткізгіштік қабілетіне сүйенеді. Бұл қондырғыда гелий немесе азот жоғары жылу өткізгіштігі арқасында тасымалдаушы газ ретінде қызмет етеді, олар филаментті суытып, біркелкі кедергі мен филаменттің электрлік тиімділігін қамтамасыз етеді. Алайда, аналит молекулалары бағаннан шыққанда, жылу өткізгіштік күрт төмендейді, бұл детектордың жауабын тудырады. Жауап жылу өткізгіштіктің төмендеуіне байланысты, себебі бұл температураның жоғарылауына әкеледі, ал бұл өз кезегінде филаменттің кедергісін арттырады. Қосылыстардың метанға толық конверсиясы калибрлеу мен стандарттардың қажеттілігін жояды, өйткені барлық қосылыстардың жауап факторлары бірдей. Бұл күрделі қоспаларды жылдам талдауға мүмкіндік береді. Жалын фотометрлік детекторы (FPD) қосылыстардың жану барысындағы спектральды сызықтарын анықтау үшін фотокөбейткіш түтігін қолданады. Колоннадан шығарылатын қосылыстар белгілі бір элементтерді қоздыратын сутегі жалынына түседі, ал қозған элементтер (P, S, галогендер, кейбір металдар) белгілі бір толқын ұзындығын шығарады. Кейбір GC-MS резервтік детектор ретінде әрекет ететін ЯМР спектрометріне қосылған. Бұл комбинация GC-MS-ЯМР ретінде белгілі. GC-MS-ЯМР-ға қосылған инфрақызыл спектрофотометр қосымша детектор ретінде әрекет етеді. Бұл комбинация GC-MS-NMR-IR ретінде белгілі. Алайда, бұл өте сирек кездесетіндігін атап өту керек, өйткені көптеген талдауларды тек GC-MS арқылы жасауға болады. Вакуумдық ультракүлгін (VUV) газ хроматографиясының детекторларындағы ең соңғы дамыған түрі. Химиялық бөлшектердің көпшілігінде шамамен 120–240 нм аралығында бірегей абсорбция спектріне ие. Егер абсорбцияның спектрлері аналиттер үшін белгілі болса, VUV детекторы химиялық кедергілер болмаған кезде ағымдағы молекулалар санын абсолютті (калибрлеусіз) анықтауға қабілетті. Бұдан басқа детекторлар: Холл электролиттік өткізгіштік детекторы (ElCD), гелиймен иондау детекторы (HID), инфрақызыл детектор (IRD), фото-иондау детекторы (PID), импульсті разрядтпен иондау детекторы (PDD) және термионды иондау детекторы (TID). Әдіс дайындау Әдіс дегеніміз белгілі бір талдауды жүргізуге арналған GC параметрлерінің жиынтығы. Әдіс дайындау деп берілген талдауды барынша жақсы орындауға арналған GC параметрлерін анықтау процессін айтамыз. Оңтайландыруды қажет ететін параметрлерге көбіне инлет температурасы, детектор температурасы, бағанның температуралық бағдарламасы, тасымалдаушы газ бен оның ағын жылдамдығы, бағанның станционарлы фазасы, диаметрі, ұзындығы, инлеттің типі, үлгінің енгізілетін мөлшері, енгізу әдісі жатады. Детектордың түріне байланысты, оның параметрлері де әртүрлі болады және оңтайландыруды қажет етеді. Кейбір GC-лерде тасымалдаушы ағынның бағытын өзгертуге арналған клапандар болады. Олардың ашылып-жабылатын уақытын оңтайландыру да әдіс дайындаудың маңызды бөлігі. Тасымалдаушы газ бен оның ағын жылдамдығын таңдау Ең жиі қолданылатын газдарға гелий, азот, аргон, сутек and ауа жатады. Қай тасымалдаушы газды қолдану керек екені детекторға байланысты. Мысалы, разрядтаумен иондау детекторы гелийды талап етеді. Кейде үлгінің матрицасы тасымалдаушы газды таңдау барысында үлкен рөл ойнайды. Мысалы, егер талданып жатқан үлгілер аргонда дайындалса, тасымалдаушы газ да аргон болғаны абзал. Қауіпсіздік ережелері мен қолжетімділік те таңдауға әсер етеді. Мысалы, сутек жанғыш газ, сондықтан оны қолдану қауіп тудыруы мүмкін, ал өте таза гелий кей жерлерде қолжетімді емес, әрі бағасы да қымбат. Оған қоса, гелийдің жетіспей бастады, сондықтан көптеген лабораториялар гелийді сутекпен алмастыруға көшті. Тасымалдаушы газдың тазалығы да детекторға сай таңдалады, дегенмен жоғары сезімталдық үшін барынша таза газдарды пайдаланған абзал. Көбінесе 99.995% не одан да таза газдар қолданылады. Заманауи аспаптардың көбісі 5-деңгейлі тазалықты талап етеді, бұл деген 99.999% таза газдар. Бұл олардың құрамындағы қоспалардың концентрациясы 10 ppm шамалас дегенді білдіреді. Қолданыстағы ең жоғары тазалық теңгейі 6 (99.9999%) болып саналады, дегенмен кейбір мақсаттарда 7-деңгейлі тазалықтағы газдар да қолданылады. Тасымалдаушы газдың сызықтық жылдамдығының әсері температура әсеріне ұқсас. Сызықтық жылдамдық неғұрлым жоғары болса, соғұрлым талдау тезірек жүреді, бірақ аналиттер арасындағы бөліну төмендейді. Сызықтық жылдамдықты таңдау - бұл бөліну өнімділігі мен талдау ұзақтығы арасындағы тепе-теңдікті табу. 1990-жылдарға дейін шыққан аспаптарда тасымалдаушы газдың ағын жылдамдығы инлеттегі қысым арқылы басқарылды. Нақты ағын жылдамдығы шығу көмейінде орналасқан флоу-метр арқылы анықталды. Бұл процесс ұзақ уақытты талап етті және өте күрделі әрі шаршататын процедура болды. Талдау барысында қысымды өзгерту мүмкін емес, сондықтан талдау барысында ағын жылдамдығын өзгерту мүмкін емес еді. Инлеттегі қысым мен ағын жылдамдығын сығылатын сұйықтықтарға арналған Хаген-Пуазейль теңдеуі арқылы сипаттауға болады. Дегенмен заманауи аспаптар ағын жылдамдығын аутоматты түрде өлшейді, және оны электронды түрде басқаруға болады. Оған қоса, ағын жылдамдығын талдау барысында өзгертіп, қысым бағдарламаларын жасауға болады. Станционарлы фазаны таңдау Еріген заттың полярлығы стационарлы фазаны таңдау барысында өте маңызды. Ең дұрысы баған полярлығы талданып жатқан заттың полярлығына ұқсас болғаны абзал. Ашық түтікті бағандардағы көп таралған станционарлы фазалар цианопропилфенил диметил полисилоксан, полиэтиленгликоль, бис-цианолпроил цианопропилфенил полисилоксан, дифенил диметил полисилоксан жатады. Баған таңдау Бағанды көбіне үлгі мен өлшеніп жатқан объектке сай таңдайды. Бағанды таңдау барысында қарастыратын негізгі химиялық параметр - қоспаның полярлығы. Үлгінің полярлығы стационарлы фазаның полярлығына ұқсас болған сайын, бөліну өнімділігі арта түседі, дегенмен талдау уақыты да онымен бірге артады. Бөліну мен талдау уақыты одан басқа стационарлы фазаның көлеміне, бағанның диаметрі мен ұзындығына да байланысты. Баған температурасы мен оның бағдарламасы Газ хроматографындағы баған(дар) температурасы электронды түрде өте дәл қадағаланатын пеште орналасады. Көп жағдайда баған температурасы деп дәл осы пеш температурасын айтады. Шынында бұл екеуі әр түрлі термин болғанымен, көп жағдайда олар бірін-бірі алмастыра алады. Аналиттің бағаннан ағып шығу жылдамдығы баған температурасына тура пропорционал. Температура жоғарлаған сайын, үлгі соғұрлым баған бойымен тез қозғалады. Дегенмен, анаилттердің қозғалу жылдамдығы артқан сайын, олардың бөлінуі азая түседі, себебі олар стационарлы фазамен әрекеттесіп үлгермейді. Жалпы, температураны бөлінуге әсер етпей, бірақ талдау уақытын барынша азайтып таңдайды. Баған температурасы талдау барысында тұрақты болып қалатын әдістерді изотермалық әдістер деп атайды. Шындығында, көптеген әдістер талдау барысында пешті қыздырады не суытады, белгілі бір уақытқа тұрақты қылып ұстайды және т.б. Талдау барысындағы температураның өзгеруін пештің температурасының бағдарламасы деп атайды. Температура бағдарламасы бөліну өнімділігін сақтап, талдау уақытын азайтуға мүмкіндік береді. Нәтижелерді өңдеу мен талдау Сапалық талдау Хроматография нәтижелері көбіне детектор жауабының уақыт бойынша функциясы (хроматограмма) түрінде беріледі. Ондағы әр шың қоспаның құрамындағы әр аналитке сәйкес келеді. Әдістің жағдайлары бір болған кезде, шыңдардың тежелу уақыты мен жалпы бейнесі тұрақты болып сақталады, сондықтан оны аналиттерді сәйкестіндіруге қолдануға болады. Дегенмен, жаңа әдістердің көбінде, GC масс-спектрометр тәрізді аналиттерді сапалық анықтауға болатын детекторға жалғанады. Бұл аналиттердің тез, артық жұмыссыз анықтауға мүмкіндік береді. Сандық талдау Хроматоргаммадағы шыңның ауданы аналит мөлшеріне пропорционал. Сондықтан да, шың ауданын интегралдау арқылы есептеп, ол арқылы аналиттің концентрациясын табады. Аналиттің әртүрлі белгілі концентрациясына детектордың жауабын тауып, оны мөлшерлеу қисығы арқылы белгісіз концентрацияны есептеуге қолдануға болады. Кейде, концентрацияны табу үшін аналиттің салыстырмалы жауап факторын да есептейді. Салыстырмалы жауап факторы дегеніміз детектордың мөлшері белгілі аналит және қосылған ішкі стандартқа (қоспаға белгілі мөлшерде қосылған, тежелу уақыты белгілі зат) берген жауаптарының қатынасы. Жаңа GC-MS жүйелерінде, хроматографияға арналған бағдарламалар шыңдарды интегралдау, масс-спектрлерді сәйкестендіру тәрізді жұмыстарды адам қатысынсыз, өзі атқарады. Дереккөздер