Газовая хроматография

Газовая хроматография. В газовой хроматографии (ГХ) в качестве ПФ используют инертный газ (азот, гелий, водород), называемый газом-носителем.

Пробу подают в виде паров, неподвижной фазой служит или твердое вещество - сорбент (газо-адсорбционная хроматография) или высококипящая жидкость, нанесенная тонким слоем на твердый носитель (газожидкостная хроматография). Рас¬смотрим вариант газожидкостной хроматографии (ГЖХ). В качестве носи¬теля используют кизельгур (диатомит) - разновидность гидратированного силикагеля, часто его обрабатывают реагентами, которые переводят груп¬пы Si-OH в группы Si-О-Si(CH3)3, что повышает инертность носителя по отношению к растворителям.

Таковыми являются, например, носители “хромосорб W” и “газохромQ”. Кроме того, используют стеклянные мик¬рошарики, тефлон и другие материалы. Неподвижную жидкую фазу наносят на твердый носитель.

Эффектив¬ность разделения в газожидкостной хроматографии зависит главным обра¬зом от правильности выбора жидкой фазы. При этом полезным оказалось старое правило: “подобное растворяется в подобном”. В соответствии с этим правилом для разделения смеси двух веществ выбирают жидкую фа¬зу, близкую по химической природе одному из компонентов.

Подготов¬ленный носитель помещают в спиральные колонки, имеющие диаметр 2 - 6 мм и длину до 20 м (набивные колонки). С 1957 года стали применять предложенные Голеем капиллярные колонки, имеющие диаметр 0,2 - 0,3 мм и длину в несколько десятков метров. В случае капиллярных колонок жидкая фаза наносится непосредственно на стенку этого капилляра, кото¬рая выполняет роль носителя. Применение капиллярных колонок способ¬ствует повышению чувствительности и эффективности разделения много¬компонентных смесей.

Рис.3.6.1. Блок-схема газового хроматографа. Анализ методом ГХ выполняют на газовом хроматографе, принципи¬альная схема которого приведена на рис. 3.6.1. Газ - носитель из баллона 1 с постоянной скоростью пропускают через хроматографическую систему. Пробу вводят микрошприцем в дозатор 2, который нагрет до температуры, необходимой для полного испарения хроматографируемого вещества. Пары анализируемой смеси захватывают¬ся потоком газа - носителя и поступают в хроматографическую колонку, температура которой поддерживается на требуемом для проведения анали¬за уровне (она может быть неизменной, или по необходимости меняться в заданном режиме). В колонке анализируемая смесь делится на компоненты, которые поочередно поступают в детектор.

Сигнал детектора фиксируется регистратором (в виде пиков) и обрабатывается вычислительным интегратором. В ГХ используют детекторы, которые преобразуют в электрический сигнал изменения физических или физико- химических свойств газового потока, выходящего из колонки, по сравнению с чистым газом - носителем.

Существует множество детекторов, однако широкое применение находят только те из них, которые обладают высокой чувствительностью и универ¬сальностью. К таким относятся: катарометр (детектор по теплопроводно¬сти); пламенно-ионизационный детектор (ПИД), в котором водородное пламя служит источником ионизации органического соединения; детектор электронного захвата (ЭЗД); термоионный детектор (ТИД), который обла¬дает высокой селективностью к органическим веществам, содержащим фосфор, азот и серу. Интерес к этому детектору заметно возрос в связи с заменой хлорсодержащих пестицидов на фосфорсодержащие ядохимика¬ты, используемые в сельском хозяйстве и попадающие затем в пищевые продукты.

Катарометр позволяет определить концентрации веществ в пределах 0,1 - 0,01%, ПИД - 10-3 - 10-5%”; ЭЗД - 10-6 - 10-10%. Современные детекторы позволяют определять даже пикограммы (10-12 г) вещества в пробе.

Качественный и количественный анализ в методе ГХ проводят так же, как и в ВЖХ. Газожидкостная хроматография находит широкое применение для раз¬деления, идентификации и количественного определения сложных много¬компонентных систем, таких как нефть, биологические жидкости, пище¬вые продукты, парфюмерно-косметические изделия и многие другие. Ме¬тод отличается высокой чувствительностью, экспрессностью; для анализа не требуется большого количества исследуемого образца. Среди разнообразных хроматографических методов газовая и высоко¬эффективная жидкостная хроматография являются самыми перспективны¬ми для решения сложных задач в практике пищевого анализа.

Так, в число задач, которые могут быть разрешены в пищевом анализе с помощью этих методов, входят: - определение химической природы веществ, обуславливающих характерный аромат свежих продуктов; - контроль за состоянием продуктов в процессе обработки и хранения; - объективная оценка показателей, характеризующих качество исходного сырья и готовых изделий из него; - установление и устранение причин, вызывающих нежелательные изменения продуктов в процессе их изготовления; - установление факта фальсификации продукта и другие.

Рис.3.6.2. Хроматограмма афлотоксинов в молоке. Регистрация с помощью флуометрического детектора (возбуждающая длина волны 365 нм, возбужденная 455 нм). Методами ГХ и ВЖХ идентифицируют и определяют летучие вещества, участвующие в формировании вкуса и аромата многих пищевых продуктов или отвечаю¬щих за их порчу.

Например, определяют летучие жирные кислоты, характерные для качест¬венного мяса; или кислоты, образующиеся при изменении нормального процесса брожения квашеной капусты и обуславливающие посторонние оттенки ее запаха. Методы используются для определения никотина, нитрозамина (в рыбе и копченостях); пищевых добавок (красители, консер¬ванты, антиокислители); загрязнителей окружающей среды (пестициды, афлатоксины, остатки лекарственных препаратов, витамины) и др. На рис. 3.6.2 представлена хроматограмма разделения афлатоксинов в молоке.

Весьма ценными являются методы ГХ и ВЖХ в установлении фактов фальсификации потребительских товаров. Так, желтый краситель в мака¬ронных изделиях может создать впечатление о высокой стоимости продук¬та. Наличие такого красителя можно подтвердить методом ВЖХ. Опреде¬ление антоцианов и гликозидов, отвечающих за цвет вина, позволяет вы¬явить натуральность вина. Подделки коньяка также можно распознать с помощью ГХ. Методом ВЖХ идентифицируют и определяют небелковый азот, на¬пример, мочевину, которую добавляют при фальсификации белковых про¬дуктов с целью увеличения азотистых веществ.

Обнаружение аминокисло¬ты оксипролина, присутствующей, главным образом, в белках соедини¬тельной ткани, т.е. в дешевом сырье, позволяет выявить факт замены им полноценного белка мяса. Жиры, определяемые по триглицеридному со¬ставу методом ГХ, могут дать информацию о количестве жира и добавках постороннего жира. По определению жирно-кислотного состава можно сделать вывод о замене какао-масла гидрожиром в шоколаде и т.п. Следует отметить, что в настоящее время некоторые виды хроматографии используют не как самостоятельные методы анализа, а как методы предварительного исследования или как методы подготовки пробы к по¬следующему определению другими методами, в том числе хроматографическими.

Так, при определении аминокислот в гидролизате белков мяса или кро¬ви методом БХ, проводят предварительную очистку гидролизата на колонках с ионитами.

Аналогично поступают при определении летучих основа¬ний и свободных жирных кислот в мясе и рыбе. Методом ТСХ устанавливают наличие в исследуемом образце хлорорганических пестицидов, количественное определение которых затем про¬водят методом ГЖХ. Рис. 3.6.3. Сочетание газовой хроматографии с другими принципами анализа и включенной последовательно ЭВМ. Особенно эффективным оказалось применение независимой аналитической идентификации и определения продуктов хроматографического разделения при сочетании ГХ и ВЖХ с другими методами исследования: инфракрасной спектроскопией и масс-спектрометрией. Методом масс-спектрометрии можно проводить непрерывный анализ компонентов смеси, причем для небольших количеств веществ.

Такой комбинированный (гибридный) метод получил название хромато-масс-спектрометрии. Например, определение пестицидов, остатков лекарственных веществ (пенициллинов, сульфаниламидов и др.) проводят, используя комплекс: ГХ (или ВЖХ) - масс-спектрометрия.

Возможно сочетание хроматографии с методами ядерного магнитного резонанса, пламенной (фотометрии, абсорбционной спектрометрии и др.). На рис.3.6.3 представлена примерная схема сочетания газовой хромато¬графии с другими методами анализа и ЭВМ.