Подвижная фаза. Характеристика основных представителей

При выборе газа-носителя следует учитывать, что природа газа-носителя оказывает влияние как на характеристики разделения компонентов анализируемой смеси в хроматографической колонке, так и на параметры работы детектора. В этой связи не всегда оптимальный для данного детектора газ-носитель является наилучшим с точки зрения обеспечения высокоэффективного разделения веществ анализируемой смеси, и наоборот.

Исходя из этого, и определены следующие основные требования, предъявляемые к газу-носителю:

· газ-носитель должен способствовать обеспечению оптимального разделения компонентов смеси;

· газ-носитель должен обеспечить максимально высокую чувствительность детектора;

· газ-носитель должен характеризоваться химической инертностью по отношению к компонентам разделяемой смеси, наполнителю хроматографической колонки, материалу, из которого изготовлена колонка и подводящие газ магистрали;

· газ-носитель должен иметь достаточно высокую степень чистоты (99,9 - 99,99 % основного компонента);

· газ-носитель должен существенно хуже удерживаться неподвижной фазой по сравнению с любым из разделяемых компонентов, поскольку только в этом случае выполняются условия элюентного анализа;

· газ-носитель должен иметь небольшую вязкость для поддержания минимального перепада давления в колонке, минимального значения разности давлений газа-носителя на входе в колонку и на выходе из нее;

· газ-носитель должен обеспечивать оптимальное значение коэффициентов диффузии разделяемых компонентов, способствующее минимальному размыванию полос;

· газ-носитель должен быть взрывобезопасен;

· газ-носитель должен быть достаточно дешев.

В практике газовой хроматографии в качестве газа-носителя чаще всего используются индивидуальные газы, газообразные соединения и смеси газообразных соединений: азот, водород, гелий, аргон, углекислый газ, воздух. Их основные характеристики приведены в табл. 5.

Таблица 5 Основные характеристики газов-носителей

Газ-носитель	Характеристика свойств
азот	преимущества - высокая вязкость, обуславливающая низкие коэффициенты диффузии веществ в газовой фазе и, как следствие, малое размывание пиков; простота очистки; низкая стоимость; безопасность в работе
недостатки - низкая теплопроводность, близкая к легким углеводородам, обуславливающая низкую чувствительность детектора по теплопроводности и необходимость использования более дорогостоящих детекторов (пламенно-ионизационного и электроно- захватного)
водород	преимущества - высокая теплопроводность (обеспечивает высокую чувствительность детектора по теплопроводности); легко получается в чистом виде электролизом
недостатки - низкая вязкость, и как следствие значительная диффузия, и размывание зон разделяемых веществ; взрывоопасность при утечке
гелий	преимущества - теплопроводность близкая к водороду; безопасность в работе
недостатки - высокая стоимость, обусловленная трудностями получения и очистки
аргон	преимущества - доступный, не очень дорогой; используется для обеспечения работы ионизационных детекторов
недостатки - низкая теплопроводность
углекислый газ	преимущества - доступный, дешевый; обеспечивает функциони-рование интегральных детекторов
недостатки - низкая теплопроводность
воздух	преимущества - доступный, дешевый
недостатки - низкая теплопроводность; наличие кислорода может приводить к изменению свойств неподвижной фазы и выходу из строя чувствительных элементов детектора по теплопроводности

Очистка газа-носителя. Требования к степени чистоты газа-носителя определяют следующие факторы:

· требования применяемой системы детектирования;

· природа разделяемых компонентов;

· природа используемой неподвижной фазы;

· температурный режим процесса разделения;

· необходимая точность получения воспроизводимых величин параметров удерживания.

Основными примесями, мешающими выполнению газохроматографических разделений, являются вода, кислород, органические соединения.

Обычным способом очистки газа-носителя от названных примесей является пропускание его через осушительную колонку, заполненную силикагелем, и колонки, заполненные молекулярными ситами и активированным углем.

Для очистки гелия используют молекулярные сепараторы, мембраны или низкотемпературную очистку.

Для удаления кислорода из газа-носителя чаще всего используют катализаторы, содержащие, например, медно-магниевый силикат. Активирование катализатора проводится в токе водорода в течение нескольких часов при температуре 100-200 ^оС.

Так, для очистки аргона используют молекулярные сита марки 5А или 13Х. Процесс активирования сит проводят при 250 - 300 ^оС в течение 2-3 часов.

Некоторые газы-носители используются в качестве вспомогательных газов в целях обеспечения функционирования некоторых типов детекторов. Например, водород и воздух – для работы детектора пламенно-ионизационного, кислород – для пламеннофотометрического детектора, добавки кислорода к газу-носителю – для детектора электронного захвата, получение озона из кислорода – при использовании хемилюминесцентного детектора.

Иногда для подавления повышенной адсорбционной активности носителя используют добавки паров воды к газу-носителю.

8.2. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПАРАМЕТРЫ ГАЗА-НОСИТЕЛЯ

Рассмотрим особенности влияния изменения температуры процесса разделения на скорость потока газа-носителя и перепад давления газа-носителя в колонке.

Газохроматографические разделения, как правило, осуществляются в одном из двух возможных режимах:

· при постоянной скорости потока газа-носителя в течение всего времени процесса разделения;

· при постоянном перепаде давления газа-носителя на входе и выходе из колонки в течение процесса разделения.

В любой хроматографической колонке давление газа-носителя на входе в колонку должно быть выше, чем на выходе из колонки, чтобы направить поток газа-носителя от входа к выходу.

С изменением температуры колонки меняется сопротивление потоку газа-носителя, что обусловлено, главным образом, изменением вязкости газа-носителя при изменении температуры.

Если при изменении температуры колонки в ходе процесса разделения перепад давления газа-носителя остается постоянным, то скорость потока газа-носителя в процессе разделения будет изменяться, и наоборот, если при изменении температуры скорость потока газа-носителя поддерживать постоянной, то будет иметь место изменение величины перепада давления.

Таким образом, изменение как скорости потока газа-носителя, так и перепада давления газа-носителя с изменением температуры колонки влияет как на время анализа, так и на эффективность хроматографической колонки.

температура, ⁰С

O₂

N₂

CO₂

H₂

В условиях газовой хроматографии линейная скорость потока газа-носителя прямо пропорциональна перепаду давления в колонке и обратно пропорциональна вязкости газа-носителя.

Вязкости идеальных газов не зависят от давления и плотности. Следовательно, изменение вязкости с давлением незначительно даже в наиболее жестких условиях газовой хроматографии.

Для всех используемых газов-носителей вязкость увеличивается с возрастанием температуры (рис. 22).

Абсолютная величина изменения вязкости наименьшая у водорода, который в этом отношении стоит отдельно от остальных газов. С точки зрения как минимального перепада давления, так и наименьшего изменения перепада давления от температуры водород имеет бесспорное преимущество в качестве газа-носителя.