ГА́ЗОВАЯ ХРОМАТОГРА́ФИЯ

ГА́ЗОВАЯ ХРОМАТОГРА́ФИЯ, ме­тод раз­де­ле­ния, иден­ти­фи­ка­ции, ко­ли­че­ст­вен­но­го оп­ре­де­ле­ния и фи­зи­ко-хи­мич. ис­сле­до­ва­ния ве­ществ; вид хро­ма­то­гра­фии, в ко­то­рой под­виж­ной фа­зой яв­ля­ет­ся газ (пар). По аг­ре­гат­но­му со­стоя­нию под­виж­ной и не­под­виж­ной фаз вы­де­ля­ют га­зо-жид­ко­ст­ную хро­ма­то­гра­фию (ГЖХ), в ко­то­рой не­под­виж­ной фа­зой яв­ля­ет­ся не­ле­ту­чая (ма­ло­ле­ту­чая) жид­кость, на­не­сён­ная тон­ким сло­ем на твёр­дый но­си­тель (т. е. сис­те­ма жид­кость – твёр­дое те­ло), и га­зо-твер­до­фаз­ную (ГТХ), или га­зо­ад­сорб­ци­он­ную (ГАХ), хро­ма­то­гра­фию, в ко­то­рой не­под­виж­ная фа­за – твёр­дое те­ло. Раз­де­ле­ние ком­по­нен­тов в Г. х. ос­но­ва­но на раз­ли­чии ско­ро­стей дви­же­ния кон­цен­тра­ци­он­ных зон ис­сле­дуе­мых ве­ществ, пе­ре­ме­щаю­щих­ся в по­то­ке га­зо­вой фа­зы от­но­си­тель­но не­под­виж­ной фа­зы, ко­то­рая ха­рак­те­ри­зу­ет­ся сорб­ци­он­ны­ми или си­то­вы­ми свой­ст­ва­ми, при­чём раз­де­ляе­мые ве­ще­ст­ва рас­пре­де­ле­ны ме­ж­ду обеи­ми фа­за­ми. ГЖХ бы­ла пред­ло­же­на А. Мар­ти­ном и Р. Син­гом в 1941, реа­ли­зо­ва­на в 1952 А. Мар­ти­ном и амер. био­хи­ми­ком А. Джейм­сом.

Проведение эксперимента

Га­зо­хро­ма­то­гра­фич. раз­де­ле­ние и оп­ре­де­ле­ние раз­де­лён­ных ком­по­нен­тов ана­ли­зи­руе­мой сме­си про­во­дят в спец. при­бо­ре – га­зо­вом хро­ма­то­гра­фе (см. в ст. Хро­ма­то­гра­фы). Газ-но­си­тель (­$\ce{He, H_2, N_2, CO_2,}$ воз­дух или др. га­зы) под дав­ле­ни­ем не­пре­рыв­но по­сту­па­ет в блок под­го­тов­ки, где обыч­но до­пол­ни­тель­но про­во­дят его очи­ст­ку. Уст­рой­ст­во для вво­да про­бы пред­став­ля­ет со­бой про­точ­ную не­за­ви­си­мо тер­мо­ста­ти­руе­мую мик­ро­ка­ме­ру. Ана­ли­зи­руе­мая про­ба (1–10 мкл) вво­дит­ся в по­ток га­за при по­вы­шен­ной темп-ре до­за­то­ром (напр., шпри­цем) че­рез ре­зи­но­вую тер­мо­стой­кую мем­бра­ну в уст­рой­ст­во для вво­да про­бы. Су­ще­ст­ву­ют так­же ав­то­ма­тич. сис­те­мы вво­да проб (сам­пле­ры). Жид­кая про­ба в уст­рой­ст­ве для вво­да про­бы бы­ст­ро ис­па­ря­ет­ся и по­то­ком га­за-но­си­те­ля в па­рооб­раз­ной фор­ме пе­ре­но­сит­ся в хро­ма­то­гра­фич. ко­лон­ку, на­хо­дя­щую­ся в тер­мо­ста­те. Раз­де­ле­ние про­во­дят при 20–450 °С, ино­гда (напр., при раз­де­ле­нии изо­то­пов низ­ко­ки­пя­щих га­зов) при зна­чи­тель­но бо­лее низ­ких темп-рах (вплоть до темп-ры ки­пе­ния жид­ко­го азо­та). Для ана­ли­тич. раз­де­ле­ний обыч­но ис­поль­зуют на­са­доч­ные ко­лон­ки дли­ной 0,5–6 м и внутр. диа­мет­ром 0,1–1,0 см, ка­пил­ляр­ные по­лые ко­лон­ки дли­ной 0,5–100 м и внутр. диа­мет­ром 0,01–0,75 мм, а так­же ка­пил­ляр­ные на­са­доч­ные ко­лон­ки дли­ной 0,5–20 м. На­сад­кой слу­жит твёр­дый ад­сор­бент с раз­ви­той по­верх­но­стью (50–500 м²/г) или твёр­дый мак­ро­по­рис­тый но­си­тель с удель­ной по­верх­но­стью 0,2–2,0 м²/г (напр., хро­мо­сорб P, хро­мо­сорб W, хро­мо­сорб G и др. диа­то­ми­то­вые но­си­те­ли), на ко­то­рый на­не­се­на не­ле­ту­чая жид­кость – не­под­виж­ная жид­кая фа­за (НЖФ). НЖФ ока­зы­ва­ет осн. влия­ние на се­лек­тив­ность раз­де­ле­ния. Боль­шое пре­иму­ще­ст­во ГЖХ – воз­мож­ность ис­поль­зо­ва­ния ко­ло­нок с НЖФ, рез­ко раз­ли­чаю­щи­ми­ся по со­ста­ву и се­лек­тив­но­сти. Как пра­ви­ло, по­лу­эм­пи­рич. пу­тём под­би­ра­ют НЖФ, на ко­то­рой бу­дут хо­ро­шо раз­де­лять­ся все це­ле­вые ком­по­нен­ты ана­ли­зи­руе­мой сме­си. Наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ные НЖФ, при­ме­няе­мые, напр., в ка­пил­ляр­ной хро­ма­то­гра­фии: ди­ме­тил­си­лок­сан, фе­нил­ме­тил­ди­ме­тил­си­лок­сан, триф­тор­про­пил­ме­тил­си­лок­сан, ци­ан­про­пил­фе­нил­си­лок­сан, сква­лан, кар­бо­вакс 20М (по­ли­эти­ленг­ли­коль), а так­же кар­бо­вакс 20М, мо­ди­фи­ци­ро­ван­ный 2-нит­ро­те­реф­та­ле­вой ки­сло­той, и др. Со­дер­жа­ние НЖФ 0,5–10% от мас­сы но­си­те­ля. Ср. диа­метр час­тиц сор­бен­та 0,1–0,4 мм (ко­лон­ку за­пол­ня­ют близ­ки­ми по раз­ме­ру час­ти­ца­ми). При­ме­ня­ют так­же (обыч­но в ка­пил­ляр­ных на­са­доч­ных ко­лон­ках) мик­ро­на­сад­ки с диа­мет­ром час­тиц сор­бен­та 10–50 мкм. В ка­пил­ляр­ных ко­лон­ках для обес­пе­че­ния ста­биль­ной ра­бо­ты ча­ще все­го в ка­че­ст­ве НЖФ ис­поль­зу­ют сши­тые по­ли­ме­ры (напр., разл. по­ли­си­лок­са­ны), при­ви­тые к внутр. по­верх­но­сти ка­пил­ля­ра. Газ-но­си­тель ока­зы­ва­ет влия­ние на удер­жи­вание и раз­де­ле­ние ана­ли­зи­руе­мых со­еди­не­ний.

По­сле раз­де­ле­ния в хро­ма­то­гра­фич. ко­лон­ке ком­по­нен­ты ана­ли­зи­руе­мой сме­си в по­то­ке га­за по­сту­па­ют в де­тек­тор. В Г. х. ис­поль­зу­ют­ся в осн. диф­фе­ренц. де­тек­то­ры (пла­мен­но-ио­ни­за­ци­он­ный, фо­то­ио­ни­за­ци­он­ный, тер­мо­ион­ный, элек­трон­но-за­хват­ный, пла­мен­но-фо­то­мет­ри­че­ский, де­тек­тор по те­п­ло­про­вод­но­сти – ка­та­ро­метр). Из­ме­не­ние сиг­на­ла де­тек­то­ра во вре­ме­ни ре­ги­ст­ри­ру­ет­ся в ви­де диа­грам­мы, на­зы­вае­мой хро­ма­то­грам­мой.

Рос. учё­ные в кон. 20 в. пред­ло­жи­ли но­вый тип ка­пил­ляр­ных ко­ло­нок – по­ли­ка­пил­ляр­ные ко­лон­ки. Та­кие ко­лон­ки пред­став­ля­ют со­бой мно­го­ка­наль­ные труб­ки, со­дер­жа­щие до 1000 па­рал­лель­но рас­по­ло­жен­ных ка­пил­ля­ров диа­мет­ром 10–100 мкм, ка­ж­дый из ко­то­рых ра­бо­та­ет как не­за­ви­си­мая ка­пил­ляр­ная ко­лон­ка. Про­дол­жи­тель­ность раз­де­ле­ния на по­ли­ка­пил­ляр­ных ко­лон­ках 20–120 с; ис­поль­зу­ют­ся для про­ве­де­ния ана­ли­за ле­ту­чих ор­га­нич. со­еди­не­ний в воз­ду­хе, ВВ и пр.

Для ка­че­ст­вен­но­го и ко­ли­че­ст­вен­но­го оп­ре­де­ле­ния со­ста­ва хро­ма­то­гра­фич. зон, со­дер­жа­щих два и бо­лее со­еди­не­ний, ис­поль­зу­ют од­но­вре­мен­но неск. разл. по се­лек­тив­но­сти де­тек­то­ров. Ис­поль­зо­ва­ние в ка­че­ст­ве вы­со­ко­се­лек­тив­но­го де­тек­то­ра масс-спек­тро­мет­ра при­ве­ло к соз­да­нию вы­со­ко­эф­фек­тив­но­го ком­би­ни­ро­ван­но­го ана­ли­тич. ме­то­да – хро­ма­то-масс-спек­тро­мет­рии. Для уп­рав­ле­ния хро­ма­то­гра­фом и об­ра­бот­ки по­лу­чен­ных дан­ных при­ме­ня­ют ком­пью­те­ры, снаб­жён­ные спец. про­грам­ма­ми.

Хроматографические параметры

В Г. х. ис­поль­зу­ют три груп­пы оп­ре­де­ляе­мых по хро­ма­то­грам­мам ве­ли­чин: па­ра­мет­ры удер­жи­ва­ния хро­ма­то­гра­фич. зон, по­зво­ляю­щие про­во­дить ка­че­ст­вен­ный ана­лиз ком­по­нен­тов ана­ли­зи­руе­мой сме­си; па­ра­мет­ры раз­мы­ва­ния хро­ма­то­гра­фич. зон, ха­рак­те­ри­зую­щие эф­фек­тив­ность ис­поль­зуе­мой ко­лон­ки; ве­ли­чи­ны со­дер­жа­ния в ана­ли­зи­руе­мой сме­си отд. ком­по­нен­тов, про­пор­цио­наль­ные пло­ща­ди кон­цен­трац. зон ана­ли­зи­руе­мых ком­по­нен­тов. Ис­поль­зу­ют аб­со­лют­ные (вре­мя удер­жи­ва­ния, объ­ём удер­жи­ва­ния) и от­но­си­тель­ные (фак­тор удер­жи­ва­ния, от­но­сит. удер­жи­ва­ние, ин­декс удер­жи­ва­ния) па­ра­мет­ры удер­жи­ва­ния.

Вре­мя удер­жи­ва­ния $t_{\text Ri}$– вре­мя пре­бы­ва­ния со­еди­не­ния $i $ в хро­ма­то­гра­фич. ко­лон­ке – оп­ре­де­ля­ют как вре­мя, про­шед­шее от мо­мен­та вво­да ана­ли­зи­руе­мой про­бы в хро­ма­то­граф до мо­мен­та ре­ги­ст­ра­ции мак­си­му­ма зо­ны это­го со­еди­не­ния. Объ­ём удер­жи­ва­ния $V_{\text Ri}$– объ­ём га­за-но­си­те­ля, про­шед­ший че­рез хро­ма­то­гра­фич. ко­лон­ку за вре­мя удер­жи­ва­ния $t_{\text Ri};V_{\text Ri}=t_{\text Ri}F_{\text c},$ где $F_{\text c}$ – объ­ём­ная ско­рость га­за-но­си­те­ля на вы­хо­де из ко­лон­ки. При­ве­дён­ный (ис­прав­лен­ный) объ­ём удер­жи­ва­ния $V'_{\text Ri}=(t_{\text Ri}-t_{\text M})F_{\text c}=(V_{\text Ri}-V_{\text M}),$ где $V_{\text M}$– т. н. мёрт­вый объ­ём ко­лон­ки, $t_{\text M}$ – вре­мя ме­ж­ду вво­дом про­бы в ко­лон­ку и вы­хо­дом из ко­лон­ки не­сор­би­рую­ще­го­ся ком­по­нен­та. По­сколь­ку по ме­ре про­дви­же­ния га­за-но­си­те­ля по ко­лон­ке про­ис­хо­дит его рас­ши­ре­ние и уве­ли­че­ние ли­ней­ной ско­ро­сти по­то­ка, рас­счи­ты­ва­ют т. н. чис­тый объ­ём удер­жи­ва­ния $V_{\text N}$, ко­то­рый не за­ви­сит от ско­ро­сти га­за-но­си­те­ля и пе­ре­па­да дав­ле­ния по ко­лон­ке: $V_{\text Ni}=jV'_{\text Ri},$ где $j$ – ко­эф. Джейм­са – Мар­ти­на, учи­ты­ваю­щий сжи­мае­мость га­за-но­си­те­ля и дав­ле­ние на вхо­де в ко­лон­ку и на вы­хо­де из неё. Аб­со­лют­ные ве­ли­чи­ны па­ра­мет­ров удер­жи­ва­ния ис­поль­зу­ют­ся гл. обр. при оп­ре­де­ле­нии разл. фи­зи­ко-хи­мич. ве­ли­чин.

Бо­лее ши­ро­ко в Г. х. ис­поль­зу­ют­ся от­но­сит. ве­ли­чи­ны удер­жи­ва­ния (напр., при про­ве­де­нии ка­че­ст­вен­ной иден­ти­фи­ка­ции хро­ма­то­гра­фич. зон), ма­ло за­ви­ся­щие от ус­ло­вий экс­пе­ри­мен­та. Фак­тор удер­жи­ва­ния $k_i$ рас­счи­ты­ва­ют по урав­не­нию: $k_i=(V_{\text Ri}-V_\text M)/V_\text M=(t_{\text Ri} -t_\text M) /t_\text M.$ Для иден­ти­фи­ка­ции ве­ществ в Г. х. ис­поль­зу­ет­ся ве­ли­чи­на от­но­сит. удер­жи­ва­ния (ис­сле­дуе­мо­го ве­ще­ст­ва $i$ и со­еди­не­ния срав­не­ния $q$): $r_{iq}=(t_{\text Ri} -t_\text M)/(t_{\text Rq}-t_\text M),$ или (ча­ще) ин­декс удер­жи­ва­ния Ко­ва­ча $I_i$ (в ка­че­ст­ве стан­дар­та ис­поль­зу­ют два со­сед­них чле­на вы­бран­но­го го­мо­ло­гич. ря­да ор­га­нич. со­еди­не­ний); $I_i=100z=100[\text{lg}(t'_{\text Ri}/t'_{\text Rz})]/[\text {lg}(/t'_{\text Rz+1}/t'_{\text Rz})],$ где $t'_{\text Rz}, t'_{\text Rz+1}$ и  $t'_{\text Ri}$– ис­прав­лен­ные вре­ме­на удер­жи­ва­ния, напр. н-ал­ка­нов с чис­лом уг­ле­род­ных ато­мов $z$, $z+1$ и со­еди­не­ния $i$; $t'_{\text Ri}=t_{\text Ri}-t_\text M.$ На­дёж­ность иден­ти­фи­ка­ции по от­но­сит. ве­ли­чи­нам воз­рас­та­ет при ис­поль­зо­ва­нии ко­ло­нок с раз­ны­ми сор­бен­та­ми.

Эф­фек­тив­ность раз­де­ле­ния ха­рак­те­ри­зу­ет­ся от­но­сит. раз­мы­ва­ни­ем (рас­ши­ре­ни­ем) хро­ма­то­гра­фич. зо­ны ве­ще­ст­ва при дви­же­нии его вдоль ко­лон­ки и ко­ли­че­ст­вен­но оп­ре­де­ля­ет­ся чис­лом тео­ре­тич. та­ре­лок $N; N=5,54(t_{\text Ri}/w_{\text Ri})2$, где $w_{Ri} $– ши­ри­на хро­ма­то­гра­фич. пи­ка на вы­со­те, со­от­вет­ст­вую­щей по­ло­ви­не макс. кон­цен­тра­ции. Для ха­рак­те­ри­сти­ки ко­лон­ки ши­ро­ко ис­поль­зу­ют так­же ве­ли­чи­ну удель­ной эф­фек­тив­но­сти $N_L=N/L$ (чис­ло тео­ре­тич. та­ре­лок на 1 м дли­ны ко­лон­ки) и вы­со­ту, эк­ви­ва­лент­ную од­ной тео­ре­тич. та­рел­ке (ВЭТТ), $H=L/N,$ где $L $ – дли­на ко­лон­ки. В за­ви­си­мо­сти от ус­ло­вий экс­пе­ри­мен­та на 1 м хро­ма­то­гра­фич. ко­лон­ки при­хо­дит­ся ок. 1000–20000 тео­ре­тич. та­ре­лок. За­ви­си­мость ВЭТТ в на­са­доч­ной ко­лон­ке от ли­ней­ной ско­ро­сти га­за-но­си­те­ля $u$ при­бли­жён­но опи­сы­ва­ет­ся урав­не­ни­ем Ван-Де­ем­те­ра: $H=A+B/u+Cu$, где $A$ и $B$ – ко­эф. вих­ре­вой и про­доль­ной диф­фу­зии со­от­вет­ст­вен­но, $C$ – ко­эф. со­про­тив­ле­ния мас­со­пе­ре­да­че.

Для ка­пил­ляр­ных ко­ло­нок за­ви­си­мость ВЭТТ от ли­ней­ной ско­ро­сти га­за-но­си­те­ля опи­сы­ва­ет­ся обыч­но урав­не­ни­ем Го­лея: $H=B/u+(C_\text m+C_\text s)u$, где $C_m$ – ко­эф. со­про­тив­ле­ния мас­со­пе­ре­да­че в га­зо­вой фа­зе, $C_\text s $– ко­эф. со­про­тив­ле­ния мас­со­пе­ре­да­че в не­под­виж­ной фа­зе. Ве­ли­чи­на ВЭТТ для ка­пил­ляр­ных ко­ло­нок с тон­ким сло­ем жид­кой фа­зы су­ще­ст­вен­но за­ви­сит от при­ро­ды га­за-но­си­те­ля. При­ме­не­ние лёг­ких га­зов-но­си­те­лей (напр., $\ce{H_2}$), в ко­то­рых ко­эф­фи­ци­ен­ты диф­фу­зии ана­ли­зи­руе­мых со­еди­не­ний дос­та­точ­но боль­шие, по­зво­ля­ет ис­поль­зо­вать бо­лее вы­со­кие ско­ро­сти га­за-но­си­те­ля (про­во­дить экс­пресс-ана­лиз) без су­ще­ст­вен­ной по­те­ри эф­фек­тив­но­сти.

Раз­де­ле­ние сме­си на отд. ком­по­нен­ты яв­ля­ет­ся осн. це­лью ана­ли­тич. Г. х. Ко­ли­че­ст­вен­ной ха­рак­те­ри­сти­кой раз­де­ления двух ком­по­нен­тов $i $ и $q$ слу­жит ве­ли­чи­на раз­ре­ше­ния пи­ков $R_{iq}=(t_q-t_i)/(w_i+w_q),$ где $w_i $ и $w_q$ – ши­ри­на со­от­вет­ст­вую­ще­го пи­ка на по­ло­ви­не его вы­со­ты. За­ви­си­мость раз­ре­ше­ния (сте­пе­ни раз­де­ле­ния) от па­ра­мет­ров хро­ма­то­гра­фич. раз­де­ле­ния опи­сы­ва­ет урав­не­ние Пер­нел­ла: $R_{iq}=SEC$, в ко­то­ром $S=(r_{iq}-1)/r_{iq}$ – ха­рак­те­ри­сти­ка се­лек­тив­но­сти ис­поль­зуе­мо­го сор­бен­та, $E=(\sqrt N)/4=(\sqrt L)/(4\sqrt H)$ха­рак­те­ри­сти­ка эф­фек­тив­но­сти ко­лон­ки, $C=k/(1+k)$ – ём­ко­ст­ная ха­рак­те­ри­сти­ка ко­лон­ки. Сле­до­ва­тель­но, сте­пень раз­де­ле­ния $R_{iq}$ – функ­ция се­лек­тив­но­сти, эф­фек­тив­но­сти и ём­ко­сти ко­лон­ки.

Для ха­рак­те­ри­сти­ки раз­де­лит. спо­соб­но­сти хро­ма­то­гра­фич. ко­ло­нок ис­поль­зу­ют так­же ве­ли­чи­ну, ко­то­рую на­зы­ва­ют чис­лом раз­де­ле­ний $SN$. Эта ве­ли­чина по­ка­зы­ва­ет, сколь­ко раз­де­лён­ных хро­ма­то­гра­фич. зон (пи­ков) мож­но по­лу­чить на дан­ной ко­лон­ке ме­ж­ду дву­мя пи­ка­ми двух со­сед­них чле­нов вы­бран­но­го го­мо­ло­гич. ря­да.

Для раз­де­ле­ния сме­си со­еди­не­ний, ха­рак­те­ри­зую­щих­ся ши­ро­ким ин­тер­ва­лом темп-р ки­пе­ния, при­ме­ня­ют Г. х. с про­грам­ми­ро­ва­ни­ем темп-ры (в про­цес­се раз­де­ле­ния по оп­ре­де­лён­ной про­грам­ме во вре­ме­ни по­вы­ша­ют темп-ру ко­лон­ки со ско­ро­стью от неск. гра­ду­сов/мин до неск. де­сят­ков гра­ду­сов/мин), а так­же с про­грам­ми­ро­ва­ни­ем ско­ро­сти га­зо­во­го по­то­ка. В сверх­кри­ти­че­ской хро­ма­то­гра­фии в ка­че­ст­ве под­виж­ной фа­зы ис­поль­зу­ет­ся ве­ще­ст­во в сверх­кри­ти­че­ском со­стоя­нии.

Применение

Г. х. – наи­бо­лее ши­ро­ко ис­поль­зуе­мый вид хро­ма­то­гра­фии. С по­мо­щью Г. х. про­во­дят ка­че­ст­вен­ный и ко­ли­че­ст­вен­ный ана­лиз тер­ми­че­ски ста­биль­ных ор­га­нич. и не­ор­га­нич. со­еди­не­ний, дав­ле­ние па­ра ко­то­рых при темп-ре ко­лон­ки обыч­но пре­вы­ша­ет 0,13 Па. Ме­тод по­зво­ля­ет оп­ре­де­лить со­еди­не­ния, на­хо­дя­щие­ся в ана­ли­зи­руе­мых про­бах в очень ма­лых кон­цен­тра­ци­ях – 10^–8– 10^–4%. Г. х. при­ме­ня­ет­ся в ме­ди­ци­не, пи­ще­вой, хи­мич., неф­те­хи­мич., га­зо­вой, фар­ма­цев­тич. и др. от­рас­лях пром-сти, для кон­тро­ля со­дер­жа­ния вред­ных ве­ществ в разл. объ­ек­тах ок­ру­жаю­щей сре­ды, при про­ве­де­нии кос­мич. ис­сле­до­ва­ний (напр., при изу­че­нии ат­мо­сфе­ры пла­нет) и пр. Ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся Г. х. так­же для оп­ре­де­ле­ния фи­зи­ко-хи­мич. ха­рак­те­ри­стик: кон­стант меж­фаз­но­го рас­пре­де­ле­ния, ко­эф­фи­ци­ен­тов ак­тив­но­сти, кон­стант ско­ро­сти и рав­но­весия хи­мич. ре­ак­ций, ко­эф­фи­ци­ен­тов диф­фу­зии и др.