Газовые хроматографы. Устройство и принцип работы⁠⁠

Приветствую всех, кто имеет отношение к хроматографии и/или интересуется этой темой. Сегодня будет короткий рассказ об устройстве и принципах работы газовых хроматографов (ГХ). Думаю, это будет полезно тем, кто только начинает свой путь в хроматографии или, в силу обстоятельств, раньше работал с другими типами хроматографов. Изучать этот вопрос мы будем на примере газового хроматографа фирмы Agilent, модели 7890B. Это прибор, имеющий автосамплер (устройство автоматического ввода пробы) и ПИД- детектор (пламенно-ионизационный детектор). Описывать принцип работы буду своими словами, чтобы не перегружать текст лишними терминами

Газовый хроматограф представляет собой аналитический прибор, с помощью которого осуществляется определение количественного состава смеси веществ, доведенных до газообразного состояния путём нагрева пробы. Исследуемое вещество может быть жидким, газообразным или твёрдым. В данном случае проба находится в виде раствора.

Кратко коснусь истории создания ГХ. Как известно, русский ученый Цвет М.С., открывший метод разделения веществ, названный впоследствии хроматографией, использовал в своих опытах исследуемые вещества и вещества-носители в жидком состоянии. Но, в силу технических трудностей, связанных с отсутствием хороших сорбентов, способ жидкостной хроматографии (ЖХ) долгое время не получал распространения, вплоть до 60-хх годов 20 века. С газовой хроматографией дело обстояло несколько иначе- появившись позже, этот способ разделения и исследования в-вв, получил билет в жизнь уже в конце 40-х годов. Это связано с более простым, нежели в ЖХ, устройством колонки и отсутствием необходимости подбора универсального сорбента, способного осаживать на себе большой спектр веществ. Такой вот поворот судьбы- изобретенные позднее, чем ЖХ, газовые хроматографы появились и стали использоваться в аналитической химии гораздо раньше своих жидкостных собратьев.

Теперь про устройство ГХ. Прибор, как правило, состоит из нескольких блоков: Блок подготовки газов, он-же регулятор расхода газов, Блок ввода пробы, термостата с колонкой и детектора.
Начнём с носителя. В качестве газа-носителя могут использоваться многие газы, такие, как аргон, азот, гелий, водород и другие. В зависимости от конкретных условий лаборатории, в качестве источника газа-носителя используют генераторы газов либо сжатый газ в баллонах.
Ниже на фото показан воздушный компрессор с встроенным генератором азота. Использование подобного генератора избавляет от необходимости перевозки и хранения в лаборатории громоздких баллонов.

Для хроматографа с ПИД- детектором, кроме газа-носителя, необходимы еще сжатый воздух и водород. Они используются в качестве топлива для горелки. Источником сжатого воздуха служит компрессор, а для получения чистого водорода применяется генератор водорода, работающий по принципу разложения воды путем электролиза:

Газы подаются в ГХ через специальный регулятор потока газов, с помощью которого устанавливаются требуемые расход и давление. Регуляторы бывают как электронные, встроенные в хроматограф и регулируемые путём изменения параметров через программное обеспечение (ПО) хроматографа, так и механические, где регулировка производится вручную с помощью мембранного регулятора. Регуляторами последнего типа оснащаются, как правило, недорогие модели хроматографов.

С газами разобрались, теперь переходим к устройству автоматического ввода пробы, автосамплеру. Виалы (небольшие флаконы с крышкой, имеющей мягкую резиновую мембрану, протыкаемую иглой при отборе требуемого количества пробы) с разведенными растворителем пробами устанавливаются в специальную кассету, имеющую гнёзда.
В данном случае это кассета карусельного типа на 16 виал для проб + 3 виалы для промывочных растворителей.

Из виалы проба отбирается специальным шприцем, имеющим объём от 1 до нескольких микролитров, после чего, с помощью того-же шприца, проба вводится в испаритель. Для герметизации испарителя устанавливается резиновая мембрана, которую называют септой.
Испаритель служит для приведения жидкой пробы в газообразное состояние и смешение полученного пара с газом-носителем, после чего полученная смесь проходит через делитель потока, который направляет некоторую её часть в колонку, а остальное сбрасывает в атмосферу. Для лучшего смешивания в испарителе присутствует лайнер, представляющий собой полую трубку. Лайнер может быть заполнен стекловатой или стеклянными шариками.
Картинка честно стырена на просторах интернета:

Теперь про неподвижную фазу хроматографической системы- колонку. Колонок для газовой хроматографии существует великое множество, я выделю из них только насадочные и капиллярные. Насадочные колонки представляют собой полую трубку достаточно большого диаметра (2-5 мм), заполненную сорбентом. Длина такой колонки обычно не превышает 2-3 метров. Капиллярные колонки тоже изготовлены из стеклянной или кварцевой трубки, но диаметр её намного меньше (от 0.05 до 0.5мм), зато длина гораздо больше, несколько десятков метров (обычно 20-50м). Внутренняя поверность такой колонки покрыта тонким слоем специального полимера, с помощью которого и происходит осаждение и разделение веществ, содержащихся в пробе.
Колонка помещается в термостат- изолированный от внешней среды отсек, в котором, с помощью нагревательных элементов, поддерживается температура, необходимая для эффективного разделения веществ, содержащихся в пробе. Обычно это 150-300°С.

Вот мы и подобрались к одному из самых важных элементов хроматографа- детектору. Данный хроматограф оснащён пламенно-ионизационным детектором, ПИД, его устройство в кратце и рассмотрим. Я не буду расписывать все типы детекторов (а их не один десяток), каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки, это отдельная большая тема.
ПИД состоит из горелки и высокочувствительного амперметра, регистрирующего изменение силы тока между коллекторным электродом и корпусом горелки. ( В некоторых ПИД используются 2 изолированных электрода).
Газ-носитель с исследуемым веществом, выходя из колонки, смешивается с водородом (и воздухом, необходимым для устойчивого горения). Полученная смесь попадает в форсунку горелки, в которой поддерживается пламя. Ионизируясь в этом пламени, смесь газов уменьшает электрическое сопротивление между электродами, что приводит к увеличению силы тока, которое измеряется точным амперметром. Далее, сигнал амперметра преобразуется микроконтроллером и подаётся на ПК для дальнейшей обработки. Программное обеспечение, на основании этого сигнала, и рисует график, состоящий из нулевой(базовой) линии и пиков, соответствующих количественному составу исследуемых веществ.