Газовая хроматография

Жидкостная хроматография

Жидкостная хроматография (ЖХ) - способ (метод) хроматографического разделения в котором подвижной фазой является жидкость и разделяемые вещества находятся в постоянном равновесии между подвижной и неподвижной фазой. По типу неподвижной фазы различают: жидкостно-жидкостную, жидкостную-твердофазную и жидкостно-гелевую хроматографии (см. Рис Классификация по агрегатному составу фаз).

Сфер применения ЖХ почти так же много, как велико количество направлений человеческой деятельности, где необходимо изучить состав различных растворов или выделить какое-либо вещество из жидкости. Практически не заменима ЖХ при определении и фракционировании высокомолекулярных лабильных соединений биологического происхождения: нуклеиновых кислот и белков. По началу основным недостатком метода, по сравнению с ГХ, была его низкая разрешающая способность , обусловленная несколькими причинами: высокой вязкостью подвижных фаз, и, следовательно, низкой скоростью диффузии; неоднородностью подвижных фаз; ограничения в длине колонки и т.д. Но значительный прогресс в производстве высокоточных приборов (в первую очередь насосов), сорбентов и вычислительной техники привел к появлению метода высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), сравнимого по числу теоретических тарелок с газовой хроматографией (N ~ 100000). Основным отличием ВЭЖХ от классической колоночной ЖХ является использование мелкодисперсных (

Сверхкритическая флюидная хроматография

Адсорбционная хроматография

В этом процессе неподвижная фаза представляет собой твердый сорбент. Равновесие процессов сорбции и десорбции в условиях, достаточно далеких от насыщения емкости сорбента, устанавливает­ся независимо для каждого компонента смеси веществ. Различие в коэффициентах адсорбции обусловливает разницу в распределении этих компонентов между сорбентом и подвижной жидкой фазой. Соответственно чем большим сродством к сорбенту обладает данный компонент смеси, тем медленнее он будет мигрировать вслед за элюен-том вдоль колонки или пластинки. Если сорбция происходит на наружной поверхности сплошных гранул, то имеет место адсорбцион­ная хроматография в чистом виде. Если же материал сорбента имеет пористую структуру и большая часть сорбирующей поверх­ности находится внутри его гранул, то в задержании молекул веще­ства в неподвижной фазе участвует еще и процесс их диффузии в неподвижной жидкости внутри пор, подобно тому как это имеет место при гель-фильтрации. Практически, впрочем, связывание вещества    за   счет   сорбции   доминирует.

Аффинная хроматография

Относительно слабое обратимое взаимодействие между молеку­лами биполимеров и сорбентом может осуществляться за счет сил биологического сродства. Такие силы действуют, например, между ферментом и его субстратом или ингибитором, антигеном и антите­лом, гормоном и рецептором и т. д. Для осуществления фракциони­рования по биологическому сродству, т. е. методом аффинной хро­матографии, один из «партнеров» такой пары химически закрепляют на матрице «биоаффинного» сорбента, а сорбцией и элюцией второго «партнера» управляют путем изменения условий биологического взаимодействия в результате введения в элюент солей, мочевины, детергентов, конкурирующих молекул или изменения его рН (см. рисунок).

В большинстве случаев имеет место не хроматографический процесс фракционирования   смеси веществ, а очистка одного из них путем избирательной сорбции, промывки и последующей десорбции. Впрочем, возможны варианты и истинной хроматографии, исполь­зующей явление аффинного взаимодействия. При этом фракциони­рованию подвергается смесь близко родственных биологических макромолекул, различающихся по своему сродству к одному тому же   аффинному   сорбенту.

Иногда явление биологического сродства используется только в процессе элюции. В этом случае вещество связывается с поверх­ностью твердого сорбента за счет ионного взаимодействия или сил адсорбции, а элюцию осуществляют путем увеличения его сродства к элюенту, куда вводят биологически родственные (в указанном выше смысле) молекулы. Такой процесс было бы точнее называть аффинной элюцией. Имеются примеры, когда один из партнеров аффинной пары имеет не биологическое происхождение, а представ­ляет собой, например, сложный краситель, пространственная конфи­гурация которого имитирует какую-либо биологическую структуру.

Аффинная хроматография отличается чрезвычайно высокой из­бирательностью, присущей биологическим взаимодействиям. Не­редко одна хроматографическая процедура позволяет очистить нужный белок в тысячи раз. Это оправдывает затраты усилий на приготовление аффинного сорбента, что не всегда оказывается лег­кой задачей ввиду опасности утраты биологическими молекулами способности к специфическому взаимодействию в ходе их ковалентного присоединения к матрице.

Очистку белков и нуклеиновых кислот на аффинных сорбентах часто ведут не на колонках, а в объеме — методами центрифугиро­вания и декантации.

Одной из разновидностью афинной хроматографии является металхелатная хроматография, основанная на образовании комплексов между нанесенным на сорбент ионом металла, например кадмия или никеля (никель-хелатная хроматография), и специфичеким линкером, обычно 6-10 остатков гистидина, химически связанным с целевым белком (Рис. 2). Особенно часто данный метод применяется при очистке генноинженерных белков, генетический код которых заклонирован в специально сконструированные плазмиды. В результате чего молекула белка экспрессируется с присоедененным полигистидиновым концом, за счет которого она специфичеки связывается ионом металла при нанесении на колонку, а примеси при этом не задерживаются, что позволяет достичь очень большой чистоты целевого продукта при минимальных затратах. Также, при необходимости возможно провести ренатурацию связанных с сорбентом белков (например обратным градиентом мочевины) после чего элюировать уже чистый биологически активный белок.

Рис. 2. Прикрепление белка с гистидиновой зацепкой к грануле в аффинной колонке. Около 10 гистидиновых остатков присоединены к белку с помощью генетической инженерии, например, сочетанием сайт-специфического мутагенеза с полимеразной цепной реакцией (ПЦР) (см. Nolting, 1999b). Гистидиновые остатки прочно связываются с гранулами, сделанными из никель-хелатирующей смолы.

Также возможен несколько иной вариант аф­финной хроматографии, в котором неправильно свернутый белок с помощью шаперонов сворачивается правильным образом и элюируется буферным раствором (Рис. 3).

Рис. 3. Исправление свертывания дорогих, плохо сворачивающихся, белков: шапероны, называемые также шаперонинами, при­креплены к гранулам, и развернутый или неправильно свер­нутый белок пропускается сквозь колонку. Шаперон взаимо­действует с образцом белка и катализирует его сворачивание в правильной конформации.

Один из методов тестирования аффинных сорбентов приведен тут.

Гель-фильтрация

Переход молекул вещества из подвижной фазы в неподвижную и обратно за счет диффузии ничем не затруднен. Иная ситуация складывается внутри гранул. Здесь диффузия более или менее за­труднена из-за столкновений молекул диффундирующего вещества с нитями пространственной сетки полимера или стенками пор. Если размеры молекул соизмеримы со средним диаметром каналов в гранулах, то эти затруднения становятся весьма существенными и диффузия тормозится. Может сложиться и такое положение, когда часть внутреннего объема гранул, т. е. часть объема неподвиж­ной фазы (а иногда и весь этот объем), оказывается недоступной для молекул вещества,  растворенного   в  подвижной фазе.

Различие степени доступности объема неподвижной фазы для молекул различных компонентов исходной смеси веществ является фактором, определяющим возможность их фракционирования. Оче­видно, что оно будет происходить по размерам молекул (Рис. 1). Если в со­ставе смеси имеются очень крупные молекулы, вовсе не проникаю­щие внутрь гранул, то они будут выходить из колонки или достигать края хроматографической пластины вместе с передним фронтом подвиж­ной фазы («фронтом элюции»). В то же время мелкие молекулы, свободно диффундирующие внутрь гранул, часть времени будут находиться в неподвижной фазе. Статистически эта часть времени одинакова для всех молекул такого размера и зависит от соотношения объемов жидкости в неподвижной и подвижной фазах. Таким образом, все мелкие молекулы достигнут конца хроматографического пути более или менее одновременно и заведомо позднее, чем крупные. Молекулы промежуточных размеров, для которых из-за разброса значений еффективных диаметров пор внутри гранул неподвижной фазы до­ступна только часть ее объема, должны, очевидно, перемещаться вдоль  колонки или пластины с промежуточной скоростью.

Рис. 1. Гель-фильтрационная хроматография. Малые молекулы в об­разце могут проникать внутрь гранул, вследствие этого они протекают через колонку медленнее. Крупные молекулы, ко­торые не могут проникнуть в гранулы через поры, проходят сквозь колонку быстрее, чем более мелкие. Правильный раз­мер пор и свойства растворителя являются решающими для хорошего разделения.

Это явление первоначально было названо «гель-фильтрацией», поскольку в качестве пространственной сетки использовали поли­мерные гели. Однако эти гели относительно легко деформируются и для хроматографии при высоком давлении непригодны, поэтому их стали заменять жесткими материалами, в частности пористым стеклом и силикагелем. Иногда для этого варианта хроматографии вводят термин «эксклюзивная хроматография» («exclusion» — исклю­чение; имеется в виду исключение из гранул крупных молекул). Поскольку сейчас силикагель явно вытесняет пористое стекло, мы сохраним для рассматриваемого варианта хроматографии прежнее название — гель-фильтрация.

Очевидно, что размеры молекул связаны с их массами, но отнюдь не целиком ими определяются. Это особенно важно учитывать в случае макромолекул, размеры которых могут существенно зави­сеть от плотности упаковки полипептидной или полинуклеотидной цепи. В ограничении свободы диффузии через пространственную сетку пор внутри гранул немалую роль может играть и форма моле­кулы. Очевидно, что сферическая глобула будет диффундировать иначе, чем молекула такого же объема, но вытянутая в виде палочки.

Как во всех хроматографических разделениях излишняя длина колонки приводит к размыванию пика (Рис. 2).

Рис. 2. Уширение полос в колон­ке из-за чрезмерной длины колон­ки. Так называемая эффективная часть колонки является достаточной для разделения. Слишком длинные колонки не улучшают очистку, но вызывают разбавление образца из-за уширения полос.

  Рис.3. Молекулы с известной молекулярной массой дают возмож­ность оценить молекулярную массу неизвестной молекулы. В данном случае для исследуемой молекулы наблюдаются два пика, что указывает на равновесие мономер-димер.

Пористые материалы для гель-фильтрации чаще всего выпускают­ся в виде сферических гранул целого набора диаметров с различными средними размерами пор.

Ионообменная хроматография

Этот процесс сходен с адсорбционной хроматографией в следствии того, что задержание молекул вещества в неподвижной фазе обусловлено их связыванием с поверхностью твердого гидрофильного материала сплошных или пористых гранул, находящихся в контакте с жидким элюентом. Однако в этом варианте хроматографии задержание происходит не за счет молекулярной адсорбции, а в результате электростатиче­ского   взаимодействия   разноименно   заряженных   ионов.

На всех   наружных и внутренних поверхностях твердых гранул  вдоль нитей полимеров и гелей, образующих пространственную сетку, более или менее равномерно распределены ковалентно связан­ные с этими поверхностями ионогенные группы. В омывающем их водном элюенте они диссоциируют, образуя сетку одноименно заря­женных неподвижных ионов. Если молекулы компонентов фракци­онируемой смеси тоже способны ионизироваться при растворении, причем так, что их суммарный заряд имеет противоположный знак, то они связываются с неподвижными ионогенными группами силами электростатического взаимодействия, оказываясь тем самым фиксированными в неподвижной фазе. Связь эта обратима: ионы одних компонентов могут замещаться на другие или вытесняться находящимися в элюенте контрионами ионогенных групп сорбента, а также специально вводимыми для этой цели в элюент ионами. Происходит обмен ионов, поэтому сорбенты описанного типа называ­ют  ионообменниками (ионитами).

Выбор ионообменного сорбента  для очистки белка в зна­чительной степени зависит от изоэлектрической точки белка — pi. При значениях рН, превышающих pi белка, его молекулы приобретают в целом отрицательный заряд и способны адсорбироваться анионным обменником. При рН ниже pi белок будет адсорбироваться катион-ным обменником. Например, если pi = 4, то в большинстве случаев целесообразно подобрать сорбент, который способен связывать белок при рН > 4. Поскольку при рН > 4 такой белок заряжен отрицательно, то сорбент должен быть анионообменником, например, с диэтиламиноэтильной функциональной группой (ДЭАЭ). Можно было бы использовать рН

Распределительная хроматография

           Строго говоря, так следует назвать хроматографическии процесс, в котором неподвижная и подвижная фазы представлены двумя несмешивающимися или частично смешивающимися жидкостями. Если в системе двух контактирующих между собой жидкостей такого рода растворять какое-либо вещество, то его концентрация в этих растворителях будет одинакова только в том случае, если оба они обладают одинаковой растворяющей способностью, т. е. одинаковым сродством к веществу. В противном случае молекулы вещества будут переходить из одной жидкости в другую до тех пор, пока не установится равновесие, которому будет отвечать более высокая концентрация этих молекул в той жидкости, растворяющая способность которой выше. Если такие жидкости представляют собой неподвижную и подвижную хроматографические фазы, то распределение вещества между фазами происходит в соответствии с растворимостями в них компонентов исходной смеси, причем для каждого компонента — независимо от всех других (если, разумеется, свойства самих растворителей при этом не изменяются). Чем выше сродство данного компонента к неподвижной фазе, тем медленнее он мигрирует вдоль колонки или пластинки.

         Жидкость неподвижной фазы, как и при гель-фильтрации, мо­жет быть просто иммобилизована внутри пористых гранул, или, например, быть прочно связана с волокнами набухшей целлюлозы, или же покрывать тонкой пленкой гранулы из сплошного материала и поверхность пор внутри них. Покрытие может осуществляться за счет смачивания, сорбции или химическим путем. В последнем случае нередко «пленка» жидкости сводится к мономолекулярному слою вещества, способного удерживать близ своей поверхности молекулы компонентов фракционируемой смеси в соответствии со степенью их сродства к нему. В этом случае о соотношении растворимостей говорить трудно, так что лучше оперировать только поня­тиями «сродства» того или иного компонента к неподвижной и под­вижной фазам, что, впрочем, с позиций теории хроматографии сведется к точно такой же, как при истинном растворении, количествен­ной характеристике равновесного распределения фракционируемого материала между двумя фазами. Если в процессе распределитель­ной хроматографии участвуют две истинные жидкости, то для осу­ществления равновесного распределения вещества они сами тоже должны быть в равновесии между собой, т. е. в случае частичной их растворимости друг в друге должны быть взаимно насыщенными.

         Очень часто одна из фаз обогащена органическим растворителем, в то время как другая является в основном водной. Естественно, что в этом случае фракционирование веществ идет по степени их гидрофобности. Исторически сложилось так, что «нормальным» расположением фаз называют такое, при котором неподвижной является водная фаза. За счет смачивания (набухания) она легко фиксируется на гидрофильных матрицах (целлюлозе, полиакриламидном или декстрановом гелях, диатомовых землях, силикагеле и др.). В состав подвижной фазы в этом случае входят органические растворители. При обратном расположении фаз, когда на твердой матрице фиксируют пленку органического растворителя, а подвиж­ная фаза представляет собой водный раствор, распределительную хроматографию называют хроматографией в обращенных фазах (ХОФ). В английской литературе ее обозначают RPC (reversed phase chromatography). ХОФ при высоком давлении нередко осущест­вляют таким образом, что неподвижная фаза вместо пленки органи­ческого растворителя представлена монослоем молекул жирного или ароматического ряда, химически закрепленных на поверхности твердой матрицы силикагеля. В качестве матриц для ХОФ с истин­но жидкой неподвижной фазой часто используют предварительно силиконированные   диатомовые   земли   типа   кизельгуров.

Алфавитный указатель

Л
ЛД — лазерный детектор
лД — диапазон   линейности   детектора

Детекторы для газовой хроматографии

Детекторы для ГХ

Детекторы по теплопроводности (ДТП)

Термисторный детектор по теплопроводности (ДТП-Т)

Детектирование по теплопроводности с конверсией (ДТП-К)

Термохимический детектор

Пламенно-фотометрический детектор (ДПФ)

Пламенно-ионизационный детектор (ДПИ)

К настоящему времени в ГХ предложено уже более 50 детекторов. Наиболее широко распространенные детекторы для ГХ с кратким описанием принципа их работы представлены в табл. 1.

Таблица 1. Основные типы детекторов в газовой хроматографии и принцип их работы.

 
Практически все детекторы в ГХ могут быть условно разделены на неионизационные и ионизационные. Детекторы также подразделяют на недеструктивные и деструктивные; универсальные и селективные, причем большинство ионизационных детекторов являются селективными и деструктивными, а большинство неионизационных универсальными и недеструктивными.
Как правило, отечественные и зарубежные фирмы, выпускающие газохроматографическую, включают в состав прибора не более пяти-шести детекторов, при чем обычно два-три из них постоянно установлены на хроматографе, а остальные прилагаются в качестве сменных или поставляемых по специальным заявкам. К основным детекторам обычно относятся ДТП, ДП, ДТИ, ДЭЗ, ДПФ, ДФИ. Реже и по специальным заявкам поставляются ДЭПХ, ТЭА, МПД, УФД, ИКД. Приборы физико-химического анализа типа МС, ААС и другие выпускаются отдельно и могут быть использованы в качестве хроматографических детекторов с помощью переходных устройств — интерфейсов. В настоящей главе будут рассмотрены лишь наиболее часто применяемые газохроматографические детекторы: неионизационные (ДТП, ДП, ДТХ ДПФ) и ионизационные (ДПИ, ДЭЗ, ДТИ, ДФИ, МС и др.).

Детекторы по теплопроводности (ДТП)

В настоящее время ДТП различных конструкций широко ис-ользуются в аналитической, препаративной и промышленной ГХ. Применение нагретой проволоки для определения теплопроводности газов относится еще к 1840 г., однако только в начале 20-го века началось детальное исследование этого метода, В 1915 г. Шекспир разработал устройство для измерения теплопроводности газовых смесей и анализа их состава, которое он назвал катаро-метром. Однако временем появления ДТП обычно считают 1933 г., когда была опубликована монография «Газовый анализ путем изменения теплопроводности». Особенно большим изменениям и усовершенствованиям ДТП подверглись с момента опубликова­ния классической работы Димбата, Портера и Стросса в  1956 г.
 
По мере развития ГХ наблюдалось приспособление ДТП ко все более жестким требованиям количественной; хроматографиче-ского анализа. Значительное внимание стало уделяться развитию теории детектирования по теплопроводности.
Следует отметить, что, несмотря на развитие и повсеместное внедрение высокочувствительных ионизационных детекторов, ДТП; не потеряли популярности в хроматографическои практике. Так, в США более 70 % всех газовых хроматографов имеют ДТП. Это связано с преимуществами ДТП, к числу которых относятся следующие:
простота и низкая стоимость как самого детектора, так и элек­тронных блоков к нему;
универсальность (возможность анализа практически любых;веществ;
достаточная чувствительность для многих хронатографических анализов;
высокая линейность до сравнительно больших концентраций;
хорошая воспроизводимость и стабильность работы и показа­ний.
Обычно ДТП состоит из камеры в металлическом корпусе, через которую продувается поток газа-носителя. Чувствительный элемент детектора (проволочный резистор или термистор) поме­щается  в центре камеры (чаще всего коаксиально ее стенкам).
При нагреве чувствительного элемента от любого источник, стабилизированного постоянного напряжения возможны четыре вида потерь теплоты (рис. 1а): 
Qтепл — потери теплоты от нагретого элемента к более холо, ной стенке камеры за счет теплопроводности газа-носителя;
Qконв — за счет конвекции газового потока в камере детектора. Свободная конвекция в камерах малого диаметра при относительно небольших расходах газа невелика, и ею можно пренебречь. В этом случае основным источником тепловых потерь являете принудительная конвекция, в результате которой теплота уносите: из ячейки с газом-носителем. В газе-носителе с высокой теплопроводностью теплота передается главным образом за счет теплопроводности. Для газа с низкой теплопроводностью потери теплоты зависят от его теплоемкости. Поэтому вклад принудительной конвекции в теплопотери нагретого элемента ДТП иногда называют «эффектом теплоемкости»;
Qизл — за счет излучения. Интенсивность излучения пропорциональна разности Тэ⁴ — Tст⁴, четвертых степеней абсолютных температур нагретого элемента и стенок камеры детектора и возрастает с увеличением этой разности;
Qконц — концевые потери через соединения нагретого элемента с подводящими ток проводами. Эти потери обычно малы, и их не учитывают.
Таким образом, основными источниками тепловых потерь, составляющими 75% теплообмена в ячейке, являются потери, связанные с теплопроводностью и теплоемкостью газа, протекающего через детектор.
Так как абсолютное измерение тепловых потерь от нагретого элемента трудно осуществить, обычно используется разностный метод измерения, причем два чувствительных элемента объединяются в одном блоке. Одна камера, через которую пропускается чистый газ-носитель, называется сравнительной, а другая, в которую поступает поток газа-носителя из хроматографической колонки, — рабочей. Подобное устройство и является ДТП. Чувствительные элементы ДТП включаются в электрическую мостовую схему (рис. 1б).
 
Рис. 1а. 1 — корпус камеры; 2 — держате­ли чувствительного элемента; 3 — изоляторы; 4 — вход газа-носи­теля: 5 — чувствительный элемент; 6 — выход газа-иосителя.

Рис. 1б. Электрическая мостовая схема ДТП в режиме постоянного напряжения:
1— регистратор; 2 — источник питания; 3 — измеритель тока моста; R1 — чувствительный элемент рабочей камеры детектора; R2 — чувствительный элемент сравнительной камеры; R3, R4 — постоянные    резисторы    (плечи)    мостовой схемы.

В последнее время в сравнительной и рабочей камерах ДТП  устанавливается по два чувствительных элемента или чаще исполь зуются детекторы с двумя сравнительными и двумя рабочим] камерами. Чувствительные элементы ДТП с двумя камерами явля ются двумя плечами мостовой схемы, а детектор обычно называете) двухплечевым; четыре чувствительных элемента являются четырь мя плечами моста, а ДТП  называется четырехплечным. При пропускании чистого газа-носителя через все камеры детектора мост сбалансирован и сигнала нет. Когда выходящая из колонки проба попадает в рабочую ячейку (или ячейки) детек­тора, теплопроводность смеси (газ-носитель + проба) изменяется. В связи с этим меняется температура чувствительного элемента в рабочей камере, а следовательно, и его сопротивление. Полу­чается разбаланс моста, являющийся сигналом ДТП, который затем регистрируется.
Таким образом, чувствительность ДТП зависит от:
теплопроводностей газа-носителя и смеси газа-носителя с ана­лизируемым веществом;
тока моста, причем с увеличением тока увеличивается чувстви­тельность, но уменьшается стабильность нулевой линии;
температуры чувствительного элемента детектора, так как ее увеличение приводит к увеличению чувстви­тельности детектора;
сопротивления чувствительного элемента;
температуры детектора, так как с ее уменьшением повышается чувствительность;
расхода газа-носителя, поскольку ДТП является типичным концентрационным детектором;
давления в детекторе, причем небольшое увеличение чувстви­тельности ДТП может быть получено путем использования его при пониженном давлении при прочих постоянных рабочих усло­виях. Однако, так как теплопроводность уменьшается с уменьше­нием давления, ДТП не может быть использован при давлениях ниже 3,5 КПа.

 
Рис. 2. Конструкция четырехплечного ДТП с различными камерами: а — проточной;    б — полудиффузионной;    в — диффузионной;   
1 — корпус детектора; 2 — чувствительные элементы; 3 — вход газа-носителя; 4 — выход газа.
По тому, каким образом газ-носитель проходит через ДТП, камеры детектора делят на проточные, диффузионные и проточно-диффузионные (рис. 2). Проточные камеры мало инерционны (постоянная времени менее 1 с), зато чувствительны к колебаниям расхода газа-носителя. Диффузионные камеры обладают значительно большей инерционностью (постоянная времени может доходить до 20 с), однако практически нечувствительны к изменениям расхода газа через детектор. Проточно-диффузионные камеры имеют промежуточные характеристики.
Корпус ДТП обычно изготовляется из легированной стали, латуни, алюминия и делается массивным для сглаживания колебаний внешней температуры. Корпус детектора для анализа агрессивных веществ изготовляют из никеля или монеля, а иногда из фторопласта (тефлона). В некоторых случаях камеры детектора делаются из стекла. Имеют значение и размеры камер, определяющие рабочий объем детектора. Для аналитических колонок диаметр камер обычно составляет 3...6 мм, а длина 20...60 мм. Для капиллярных колонок большого диаметра (> 0,5 мм) разработаны камеры ДТП диаметром около 1 мм и длиной 20...30 мм. Рабочий объем такого ДТП не превышает 15...20 мкл.
Основное падение температуры происходит недалеко от нагретого чувствительного элемента ДТП (меньше 1 мм от элемента), а увеличение диаметра камеры выше 2 мм почти не влияет на потери теплоты и, следовательно, на чувствительность детектора.

Термисторный детектор по теплопроводности (ДТП-Т)

Разновидностью ДТП является термисториый детектор (ДТП-Т), обладающий способностью к изменению электрического сопротивления с изменением температуры. Чувствительный эле­мент   такого   детектора   представляет   собой   шарик   диаметром  около 0,5 мм из смеси оксидов Мn, Со и Ni со специальными добавками для получения необходимых электрических характе­ристик. Шарики покрыты тонкой стеклянной оболочкой, чтобы сделать их инертными по отношению к окружающей среде. Макси­мальное сопротивление термисторов, используемых в настоящее время, составляет примерно 8 кОм.
Термисторные шарики имеют высокий отрицательный темпе­ратурный коэффициент сопротивления, причем наклон их темпе­ратурных характеристик растет экспоненциально с уменьшением температуры.
Макси­мальная рабочая температура термисторного чувствительного элемента обычно не больше 150 °С, так как выше этой температуры чувствительность детектора резко падает. При низких температу­рах частично за счет увеличения АГ, но главным образом вслед­ствие увеличения сопротивления термистора может быть получена более высокая чувствительность, чем чувствительность литиевого ДТП.
Следует учитывать, что зависимость показаний термистора от тока моста имеет максимум, т. е. существует оптимальная сила тока термистора, которую необходимо поддерживать. В общем случае максимальная чувствительность наблюдается при силе тока моста около 1О...15мА. Следует также иметь в виду, что стеклянное покрытие термисторных шариков может разрушаться. Это приводит к взаимодействию пробы и газа-носителя с термисто-рами, и при использовании, например, водорода в качестве газа-носителя оксиды термистора могут восстанавливаться. Разруше­ние термистора можно выявить путем его осмотра и по дрейфу нулевой линии.
ДТП-Т вследствие малого рабочего объема может применяться с капиллярными и микронасадочными колонками, например, для анализа изотопов кислорода и водорода на стеклянных адсорб­ционных капиллярных колонках. Однако постоянная времени термистора (1...10 с) выше, чем у ДТП, а линейность значительно меньше. В общем случае применять ДТП-Т вместо ДТП не реко­мендуется, кроме некоторых специальных случаев.
Чувствительность ДТП-Т, работающего при 0 ^оС и ниже, на несколько порядков выше, чем его чувствительность, например, при 30 °С. Это свойство термисторов особенно важно для анализа газов при низких температурах.
Таким образом, для термисторного детектора необходимо учитывать следующее:
электрические характеристики детектора таковы, что дают максимальную чувствительность при определенном токе моста, больший или меньший ток вызывают уменьшение сигнала;
обычно максимальная чувствительность (примерно такая же, что и чувствительность ДТП) наблюдается при силе тока моста около 10 мА;
чувствительность детектора с уменьшением температуры увели­чивается, при высоких температурах анализа (больше 150 °С) чувствительность детектора резко падает;
для   ДТП-Т   особенно   необходимо   соблюдать   рекомендации фирмы, выпускающей детектор 
Преимуществами ДТП-Т являются: малый рабочий объем де­тектора; большое начальное сопротивление чувствительного эле­мента; высокий температурный коэффициент сопротивления; воз­можность работы при небольших токах моста и в связи с этим применение маломощных источников питания.
Недостатки термисторного детектора следующие: более высо­кая, чем у ДТП, инерционность; уменьшение чувствительности с увеличением температуры в детекторе; меньшая, чем у ДТП, линейность.

Детектирование по теплопроводности с конверсией (ДТП-К)

ДТП применяется при анализе органических соединений путем конверсии определяемых веществ на катализаторах с последующим детектированием продуктов конверсии. Обычно между колонкой и ДТП помещается трубка с катализатором. Этот метод приме­няется в целях повышения чувствительности ДТП и упрощения калибровки, которая проводится только для СО₂, Н₂ или СН₄. Сигнал детектора становится пропорциональным числу атомов углерода или водорода в молекуле и не зависит от теплопровод­ности исходного анализируемого вещества.
Конверсия до СО₂ проводится в трубчатой печи на катализаторе (обычно оксид меди) при температуре 750...800°С. Органические соединения окисляются до СО₂ и Н₂О. Вода удаляется в осушающей трубке, а СО₂ с потоком газа-носителя (Не) попадает в ДТП.
Конверсия до Н₂ проводится в трубках с оксидом меди и восста­новленным железом. Получающаяся вода разлагается на Н₂ и О₂; СО₂ поглощается в трубке с аскаритом, а Н₂ детектируется с при­менением газа-носителя азота.
Конверсия до СН₄ проводится в потоке газа-носителя (Н₂), который пропускается перед вводом в детектор через никелевый катализатор. Происходит гидрирование органических соединений до СН₄ с последующим определением СН₄ на ДТП.
Недостатком детектирования с конверсией являются большие постоянные времени и увеличение мертвого объема детектирования, которое вызывает дополнительное размывание пика.
Предложен полупроводниковый детектор (А. с. 238871 СССР, МКИ G01 N 31/08), на ЧЭ которого нанесена пленка ZnO толщи­ной 0,2 мкм, при этом на поверхности ЧЭ при температуре около 550 °С осуществляется каталитическая реакция взаимодействия анализируемого вещества с кислородом, содержащимся в газе-носителе. При использовании смесей Не + 10^-4% О₂, N₂ +0,5% О₂ или воздуха в качестве газов-носителей чувствитель­ность детектора к ацетону составляет  10^-5%  (объемных).

Термохимический детектор

Принцип действия термохимического детектора (ДТХ) основан На измерении теплового эффекта каталитического сжигания пробы На поверхности платиновой нити. В качестве ячейки для каталитического сжигания может служить обычная камера ДТП с платиновым чувствительным элементом; газ-носитель — воздух. Наиболее  распространенной   является   конструкция   ДТХ,   в   которой платиновая спираль с проволокой диаметром около 30 мкм запрес­совывается в шарик из Al₂O₃ диаметром около 1 мм. Сопротивление такого чувствительного элемента около 10 Ом. Поверхность ша­рика  покрывается  Pt—Pd-катализатором.  Рабочая  температура 400...500°С.   Выделяющаяся   при   сжигании   теплота   повышает температуру нити и, следовательно, ее сопротивление. Изменение сопротивления  нити,  пропорциональное  концентрации   анализи­руемого  вещества,  фиксируется   с  помощью  обычной  мостовой схемы.
Перепад температуры между стенкой и чувствительным элеметом в ДТХ не играет роли. Достаточно нагреть чувствительнь элемент   до   необходимой температуры,   чтобы   осуществляло каталитическое сгорание анализируемой смеси. ДТХ применяв для анализа только горючих веществ, причем его чувствительное к этим соединениям выше, чем чувствительность ДТП, так как тепловой   эффект   каталитического   сгорания   пробы   достаточна велик.
Для детектирования  метана  необходимо  учитывать,  что  ег каталитическое окисление происходит при более высокой темпера туре, чем других углеводородов. В случае применения в качестщ газов-носителей гелия и водорода ДТХ может работать как обь ный ДТП, правда, со значительно меньшей чувствительности. Чувствительность, например, ДТХ хроматографа «Газохром 3101 завода  «Хроматограф»   (г.Москва)   составляет  5*10^-4% по CH₄ и 1*10^-3% по СО. Недостатком детектора является постепенное уменьшение каталитической активности платиновых чувствительных   элементов.   Поэтому   требуется   периодическая замена элементов и связанная с этим перекалибровка детектора.

Пламенно-фотометрический детектор (ДПФ)

Пламенно-фотометрический детектор (ДПФ) известен уже более 20 лет. Впервые он был предложен в 1962 г. для обнаружения серо- и фосфорсодержащих соединений в воздухе. В 1966 г. был создан первый ДПФ специально для газовой хроматографии. В связи с высокой чувствительностью ДПФ при детектировании серо- и фосфорсодержащих соединений он широко применяется в хроматографической практике и серийно выпускается большинством ведущих в области хроматографического приборостроения фирм.

Принцип действия ДПФ основан на возбуждении анализируемых соединений в обогащенном по водороду пламени. При возвращении возбужденных молекул в основное состояние возникает эмиссия света на определенной длине волны, характерной для Данного соединения. Интенсивность света характеристической длины волны является количественной мерой испускающего его соединения. Свет регистрируется фотоумножителем, который вы дает сигнал в виде хроматографического пика.

Основное применение ДПФ нашел для анализа серосодержащих . органических и неорганических соединений. В связи с тем, что ДЭЗ и ДТИ обладают более высокой чувствительностью к фосфор содержащим соединяющим, они составляют конкуренцию ДПФ при анализе этих соединений. Несмотря на то, что ДПФ селективен главным образом к соединениям, содержащим серу и фосфор, он является достаточно чувствительным и селективным к галогенам, азоту, бору, таким металлам, как олово, хром, селен и германий. ДПФ был также использован для анализа алифатических вторичных аминов и их производных.

Такие соединения, как СО, СО₂, N₂О₄, SO₂, N₂F₄, HF, CS₂, H₂S, которые практически нельзя определить с помощью ДПИ, анализируются на ДПФ с высокой чувствительностью.

Известно, что пламя в ДПФ выполняет три функции: в горячей зоне пламени исходные соединения, содержащие серу,  разлагаются; из продуктов разложения прямо или косвенно выделяются атомы серы; в более холодной зоне пламени образуются возбужденные молекулы серы.

Предел детектирования для соединений, содержащих фосфор, обычно составляет около 1*10^-13 г/с по фосфору.

К галогенсодержащим соединениям предел детектирования составляет 10^-6 ... 10^-13 моль. Измерение SO₂ и H₂S в воздухе можно проводить на уровне -1.

Одним из новых направлений развития ДПФ является повышение его чувствительности к металлорганическим соединения: путем введения в пламя ДПФ предварительно очищенных фторо) кварцевой ваты или кварцевого стержня. Наблюдаемая поверхностная люминесценция, например, при детектировании органических соединений олова (эмиссия в области 390 нм) и при температуре ДПФ не менее 200...300°С дает возможность получить один из самых чувствительных методов детектирования в хроматографии. Предел детектирования по олову составляет 5*10^-16 г/с или 4*10^-18 моль/с. Недостатком детектора является отравление поверхности кварца с течением времени. Присутствие фтора в анализируемом соединении увеличивает стабильность работы детектора и его время жизни.

При  работе с ДПФ следует иметь в виду,  что присутствие летучих   органических   соединений   в   газе-носителе   или   пробе снижает   чувствительность   однопламенных   детекторов,   причем . Чувствительность падает экспоненциально с ростом концентрации мешающих  примесей. Такое резкое уменьшение чувствительности можно объяснить деактивацией возбужденных молекул при их рекомбинации или столкновении с органическими соединениями и продуктами их разложения, причем эмиссия S2 уменьшается по всему диапазону длин волн от 300 до 400 нм. Одной из трудностей при работе с однопламенным ДПФ является возможность гашения пламени при вводе жидких проб анализируемых веществ в растворителе объемом более  1  мкл.

Для устранения этих нежелательных эффектов был предложен двухпламенный ДПФ. Сгорание всей массы пробы вместе с растворителем и парами органических загрязнителей происходит в нижнем, относительно обогащенном кислородом пламени, а регистрация сигнала эмиссии осуществляется над верхним относительно обедненным кислородом пламенем.

 Чувствительность ДПФ зависит от интенсивности эмиссии света, связанной с хемилюминесценцией. Интенсивность эмиссии увеличивается с уменьшением температуры пламени и увеличением количества водорода в диффузионном пламени относительно содержания воздуха и газа-носителя (N₂). Температура пламени уменьшается с относительным уменьшением массы горючих газов и увеличением теплопроводности газа-носителя (Н₂ или Не по сравнению с N₂). Если расходы горючих газов уменьшаются, фоновый ток и уровень шумов ДПФ также уменьшаются, при этом отношение сигнала к шуму становится больше. Показания ДПФ примерно пропорциональны концентрации Н₂ в третьей степени. По этой причине обычно работают при высоких концентрациях Н2 и точном контроле расходов газов. Максимальная концентрация Н₂ лимитируется нестабильностью пламени, которое может погаснуть при выходе пиков  растворителя  или основных компонентов.

При использовании Н₂ в качестве газа-носителя важно поддерживать его поток постоянным в целях уменьшения погрешности количественных измерений. Однако Не предпочтительнее в качестве газа-носителя по сравнению с Н₂.

Так как температура ДПФ влияет на фоновый ток и уровень шумов, очень важно поддерживать ее постоянной. Диапазон линейности ДПФ мал, поэтому его необходимо экспериментально определять для различных конструкций детектора, которая  может быть различной. В целях повышения чувствительности ДПФ к серосодержащим соединениям иногда в водородное пламя добавляют SO₂ или другие содержащие серу газы.

Возможности снижения уровня шумов ДПФ сильно ограничены значительным влиянием пламени на шум. Например, доля уровня шумов от пламени эквивалентна сигналу, полученному при концентрации SO₂, равной 5 млрд^-1.

На основе сказанного выше может быть сделан вывод, что достигнутые к настоящему времени пределы детектирования для ДПФ близки к теоретическим, поэтому должны быть созданы новые конструкции детекторов или предложены новые принципы эмиссионного детектирования. Одним из возможных путей в разработке ДПФ нового поколения может быть создание беспламенных детекторов.

Пламенно-ионизационный детектор (ДПИ)

В настоящее время пла менно-ионизационный детектор (ДПИ) является одним из наиболее распространенных и популярных детекторов в ГХ. Впервые он был предложен и описан в 1958 г. С тех пор этот детектор по всем характеристикам не был превзойден ни одним из вновь предложенных детекторов.

 ДПИ  обладает  высокой  чувствительностью  и   имеет  пре детектирования примерно того же порядка, что и все остальные; ионизационные детекторы. ДПИ имеет чрезвычайно высокий линейный динамический диапазон (до  10⁷), что дает ему ряд преимуществ  при  проведении  количественных   анализов.  Детектор прост по конструкции, обладает малым рабочим объемом и малой инерционностью. Он широко применяется с капиллярными и микронасадочными колонками. ДПИ малочувствителен  к колебаниям расхода газа-носителя, давления и температуры,  поэтому его с успехом используют при  анализах с программированием температуры в колонке.

ДПИ чувствителен к большинству органических соединений. Детектор  практически  не чувствителен  к воде в  газе-носителе и в пробе, в связи с чем его достаточно широко используют при анализе проб, содержащих воду, в том числе проб окружающей, среды.  

Рис. 3 Схема дифференциального ДПИ: а — с одним усилителем; б — с двумя усилителями или одним дифференциальным усилителем; i1 и i2 — ионизационные токи.

Схемы,   поясняющие   принцип   действия   дифференциальной ДПИ, приведены на рис. 3. В детекторе устанавливается источник ионизации, которым в данном случае является горящее водородное пламя, воздействующее на пробу, выходящую из хромато-графической  колонки  и  попадающую вместе с газом-носителем в пламя. В детекторе имеются два электрода — потенциальный 1, в качестве которого часто используется  горелка,  и коллекторный 2.  К первому электроду прикладывается  напряжение для сбора  ионов,  со второго снимается сигнал детектора.  Разность ионизационных   токов   i1 — i2 = Iф   является   фоновым   током.

Водородное пламя, горящее в воздухе или кислороде, всегда генерирует ионы. Однако при попадании в пламя анализируемого вещества (особенно углеродсодержащего соединения), скорость образования ионов и их количество сильно увеличиваются. В  результате возникает ток  сигнала детектора.

 Установлена значительная зависимость характеристик ДПИ от структуры водородного пламени. В диффузионном пламени эффективность ионизации возрастает до насыщения с увеличением количества кислорода в пламени; в гомогенном пламени эта за висимость имеет максимум при содержании кислорода, близком к стехиометрическому. Эти зависимости были объяснены различием в процессах термодеструкции в восстановительной и окислительной средах. Было показано, что гомогенное пламя не подходит для хроматографических целей и что напряженность электрического поля в детекторе не влияет на процесс образования заряженных частиц, а определяет только полноту их сбора.

На фоновый ток ДПИ оказывают влияние термическая ионизания газов, наличие примесей органических веществ в водороде, воздухе и газе-носителе, паров неподвижной фазы в газе-носителе, а также термоионная эмиссия с поверхности электродов. Постоянная времени самого ДПИ составляет около 10^-3 с и определяется главным образом инерционностью применяемых усилителей   и   регистраторов. Все ДПИ содержат следующие общие конструктивные элементы: корпус, горелку, электроды, изоляторы, вводы воздуха, водорода и газа-носителя, спираль для поджигания пламени. Корпус детектора обычно представляет собой металлический цилиндр, который должен разбираться таким образом, чтобы был удобный доступ к электродам и горелке детектора.Горелку ДПИ обычно изготовляют из антикоррозионной стали, никеля или кварца. К материалу горелки предъявляется три требования: он должен быть термически и химически стабилен и не должен плавиться при температуре водородного пламени, Форма пламени имеет большое значение для работы ДПИ. Должно выдерживаться определенное соотношение между расходами во дорода, газа-носителя и диаметром сопла горелки. Поэтому при работе с заполненными колонками и при расходе газа-носителя около 30 ... 50 см³/мин диаметр сопла обычно делают около 0,5 ... 0,8 мм. Для капиллярных колонок применяются горелки с выходным отверстием около 0,3 мм. Некоторые фирмы прилагают набор горелок с отверстиями различных диаметров. Электроды детектора  для  увеличения их термической и  химической  стабильности обычно изготовляют полированными из никеля или антикоррозионной   стали.

Существуют две различные конструкции ДПИ (рис. 4):

с двумя электродами, причем потенциальным электродом является горелка (рис. 4, а). В этом случае горелка делается металлической,   а   собирающий  электрод  цилиндрическим;

с двумя электродами и так называемой «плавающей» горелкой (рис. 4, б). Горелка может быть изготовлена из кварца. Металлическая горелка в этом случае обычно заземляется.

Рис. 4. Схемы ДПИ с горелкой в качестве электрода и с двумя электродами:  1,4— электроды; 2 — водородное пламя; 3 — горелка.

Расстояние между электродами определяется размером пламени и влияет на чувствительность, уровень шумов и напряжение питания.

ДПИ может применяться при достаточно высоких температурах (например, выше 500 °С), причем наиболее жесткие требования предъявляются к изоляторам электродов. Поэтому чаще всего применяют изоляторы из керамики, которые могут быть размещены в достаточно горячей части детектора. Иногда изоляторы предохраняют от контакта с потоком газа-носителя и пробы из колонки и с продуктами их сгорания. Такие меры позволяют работать с ДПИ длительное время без его очистки и ухудшения характеристик. Применяются также меры для дополнительного охлаждения изоляторов путем выноса их в холодную зону или обдува  потоком газа.

Важно отметить недопустимость термоионной эмиссии с металлической поверхности отрицательного электрода. Поэтому необходимо, чтобы отрицательный электрод не раскалялся в пламени.

Расстояние между электродами не имеет большого значения. Оно влияет на напряжение, соответствующее току насыщения. Например, при  обычно применяемых расстояниях 10 ... 12  мм. может потребоваться напряжение 40 ... 180 В. При расстоянии выше 15 мм увеличивается уровень шумов.

В ДПИ в основном применяются три газа: газ-носитель, водород и воздух. В качестве газа-носителя чаще всего используют азот и иногда водород или гелий. Водород или воздух  необходимы  для  горения  пламени.

Ко  всем  газам  предъявляются  следующие требования:

в газах не должно содержаться примесей органических веществ и  солей  щелочных  металлов;

в газах не должно быть пыли, которая приводит к нестабиль ности горения пламени, вызывая резкое увеличение шумов де тектора;

для получения нужной температуры пламени необходимо правильное долевое соотношение азота, водорода и воздуха. Недостаток воздуха приводит к неполному сгоранию и уменьше нию чувствительности. Большой избыток воздуха увеличивает шумы детектора в связи с появлением турбулентности потока.

Небольшое количество влаги в газах не оказывает сильного влияния на работу ДПИ.

При работе ДПИ в промышленных хроматографах должны быть приняты меры по взрывобезопасности детектора. Для этой цели предложено выходной патрубок ДПИ заполнять мелким песком или другим инертным сыпучим материалом.

Для поджигания пламени в ДПИ на уровне сопла горелки или выше устанавливается небольшая спираль, нагреваемая электрическим током. Выше или рядом с пламенем иногда помещается термопара, контролирующая наличие пламени. В этом случае может быть реализована система автоматического поджигания пламени при охлаждении термопары.

В ряде конструкций ДПИ предусмотрен автоматический поджог пламени при неоднократном его угасании,  и если пламя не поджигается, выключается подача водорода. Иногда перед поджигом пламени автоматически вдвое увели чивается расход Н2, и после поджига расход также автоматически устанавливается на прежнем значении. В случае, если пламя не загорелось, производится автоматический поджог до 3 раз, после чего фиксируется аварийное состояние хроматографа. Контроль за наличием пламени осуществляется по фоновому току ДПИ. Визуальный контроль за пламенем проводится по зеркальной поверхности. При поднесении палочки с зеркалом на конце к вы ходу детектора с горящим пламенем на зеркале появляются капельки воды.

В связи с широким использованием в ГХ программирования температуры чаще всего применяются ДПИ с двумя идентичными колонками при строго одинаковых экспериментальных пара метрах как колонки, так и детектора. Это позволяет устранить влияние на фоновый ток детектора колебаний расхода газа-носителя и температуры, связанных с загрязнением газа-носителя и улетом неподвижной фазы из колонки. Кроме того, такое применение позволяет значительно снизить дрейф нулевой линии и улучшить стабильность работы детекторов. В этом случае один из детекторов, в который поступает анализируемая проба, является  рабочим,  а другой—сравнительным.

Для повышения стабильности и надежности работы ДПИ предложено использовать горелки, соединенные со смесительной камерой, к которой подведены конец хроматографической колонки и ввод водорода (рис. 5). Горелки изготовлены из керамики и имеют два металлизированных сопла, одно из которых является измерительным, а другое служит потенциальным электродом. Ось симметрии горелок совпадает с осью корпуса детектора.

Рис. 5. ДПИ с двумя горелками:

1 — потенциальный электрод;  2 — изоляторы;   3 — система поджога;   4 — корпус;   5  - выход газов; 6 — пламя;  7 — коллекторный электрод; 8 — основание; 9 — уплотнение; 10 — колонка; 11 — кварцевые горелки;   12— наконечники горелок

Рис. 6. Линейные   области   детектирования   различных   детекторов  ДЭЗп - питание постоянным током; ДЭЗи — импульсное питание.

Для использования ДПИ с кварцевыми капиллярными колонками (ККК) в высокоэффективной капиллярной ГХ необходимо провести модификацию конструкции и оптимизацию его параметров. При этом оптимизируются расходы горючих и вспомогательных газов, диаметр сопла горелки, расстояние между электродами, напряжение питания, постоянная времени. Получены, например, следующие значения оптимизированных пара метров для ДПИ с ККК: уровень шумов 1 *10^-14 А; постоянная времени 50 мс, напряжение питания 180 В, диаметр сопла 0,15 мм, расстояние от конца горелки до коллектора 2,5 мм, расходы азота 20 см³/мин водорода 24 см³/мин, диапазон линейности от 300 нг до 30 пг для гексадекана; чувствительность 20 мКл/г (С). ДПИ  может быть использован для селективного детектирования металлоорганических соединений, для чего к водороду добавляют небольшое количество силана и смешивают его перед горелкой с кислородом в соотношении 1:1. Пламя горит в атмосфере водорода. С помощью МС установлено, что при сгорании органических соединений в пламени образуются гидратированные протоны (Н₂О)nН+. Для обычных органических и металлорганических соединений средние молекулярные массы таких комплексов равны 38 и 62 соответственно. Менее подвижные ионы более эффективно собираются на коллекторном электроде, расположенном в нескольких сантиметрах над пламенем. Селективность к металлорганическим веществам по сравнению с углеводородами составляет 10⁵ ... 10⁶.  Предел детектирования  равен   10^-15 моль.

ДПИ является одним из наиболее линейных детекторов в (рис. 6).  По различным оценкам диапазон его линейности  составляет 106 ... 107. Как показали исследования работы ДПИ для летучих углеводородов С1—С6 с использованием в качестве газов-носителей Не, N₂, Ar и их смесей, для повышения линейности ДПИ в области больших концентраций следует учитывать полученные методом экспоненциального разбавления поправочные  коэффициенты.

Существуют два варианта включения ДПИ:

1)        включение по схеме вычитания с одним усилителем и двумя источниками питания. В этом случае применяется обычный усилитель, на который подается только разностный сигнал ток двух детекторов;

2)        схема с двумя усилителями, включенными по схеме вычитания, и двумя источниками питания.

Чувствительность ДПИ пропорциональна содержанию атом углерода в исследуемом веществе.

Так как чувствительность ДПИ зависит от температуры пламени, необходимо поддерживать постоянными расход водорода и соотношение между количеством водорода и газа-носителя. ДПИ—типичный потоковый детектор, поэтому его показания (площадь пика) не зависят от расхода газа-носителя и определяются количеством вещества, поступающего в детектор в единицу времени (например, в г/с). Однако, так как состав газов в пламени зависит от расхода газа-носителя, чувствительность все же может незначительно изменяться.

ДПИ нечувствителен к целому ряду соединений, включая постоянные газы. Поэтому ДПИ не может быть использован для анализа, например, таких соединений, как: CO₂, CS₂, SO₂, NO, NO₂, H₂S, N₂O, CO, CO₂, H₂O, SiCl₄, NH₃, HCOOH, (COOH)₂, SiF₄ и др. Следует особо отметить, что ДПИ не только не дает показаний по перечисленным выше соединениям, но его чувствительность к другим  соединениям не изменяется в их присутствии, если концентрации этих соединений не настолько большие, чтобы изменить состав пламени. Это свойство отличает ДПИ от большинства других ионизационных детекторов и дает ему неоспоримые преимущества, особенно при обнаружении загрязнений в воздухе и анализе водных смесей, таких как спиртные напитки, биологические и пищевые экстракты.

В связи с нечувствительностью ДПИ к большинству газов эти газы и их смеси могут быть использованы в качестве газов-носителей в некоторых специальных случаях. Например, СО₂, используемый в качестве газа-носителя при анализе жирных кислот, уменьшает хвосты пиков и увеличивает их удерживаемые объемы. Пары Н₂О уменьшают хвосты при анализе свободных жирных кислот. Добавление аммиака улучшает разделение эфиров аминокислот, в которых имеются свободные аминогруппы. ДПИ можно также применять для анализа следов некоторых негорючих соединений (СО, Н₂О, СО₂) путем пропускания газа-носителя перед вводом в детектор через дополнительную колонку с катализатором. Например, СО и СО₂ восстанавливаются водородом на никелевом катализаторе до СН₄, а Н₂О при реакции с карбидом кальция переходит в С₂Н₂.

Среди других характеристик ДПИ можно отметить следующие: высокое быстродействие (малая постоянная времени); не большой рабочий объем (возможность применения с капиллярными колонками); максимальная температура использования до 600 °С; дешевый газ-носитель (N₂); сравнительно низкая стоимость детектора.

Недостатками ДПИ являются: нечувствительность к ряду соединений; деструктивность; взрывоопасность (в связи с при менением Н₂);   необходимость электрометрического усилителя.

Соблюдение правил работы с ДПИ позволяет получать данные, трудно достижимые с помощью детекторов других типов.

Детекторы для жидкостной хроматографии

Наиболее существенным в развитии хроматографического приборостроения,  за последнее время, является стремительное расширение разработок и выпуска жидкостных хроматографов при дальнейшем совершенствовании и устойчивом увеличении выпуска газовых хроматографов.

Все более популярным становится метод высокоэффективной ЖХ (ВЭЖХ), причем развитие метода происходит значительно быстрее, чем предшествующее развитие метода ГХ. Это связано со следующими причинами. Анализ на основе метода ВЭЖХ может быть экспрессионным (10—12-компонентиая смесь анализируется в среднем за 10 ... 15 мин или быстрее); чувствительность метода достигает 10^-9 ... 10^-10 г/мл (в пределе до 10^-12 г/мл); объем вводимых проб составляет не более 10 ... 100 мкл; метод экономичен.

Основные типы детекторов для ЖХ

Фотометрические детекторы

Ультрафиолетовый детектор

Рефрактометрический детектор

Интерферометрический детектор

Флуориметрический детектор

Электрохимические детекторы

Вольтамперометрический детектор

Потенциометрический детектор

Полярографический детектор

Кулонометрический детектор

Детектор радиоактивности

Детектор по светорассеиванию
 

В ходе развития ЖХ было предложено большое количество методов детектирования. Существует уже более 20 типов детекторов для ЖХ. Классификация показывает, что основную массу предложенных детекторов можно разложить на следующие классы: оптические, электрические, электрохимические и детекторы для измерения радиоактивных веществ.

К оптическим детекторам относятся ультрафиолетовый (УФД), инфракрасный (ИКД), рефрактометрический (РМД) и флуорометрический (ФМД), а также все детекторы, в которых в той или иной мере используется лазерное излучение, такие как детектор светового рассеяния (СРД), фотоакустический (ФАД), фотокалориметрический (ФКД), фотоионизационный (ФИД) и поляризационный (ПОД) детекторы.

К электрическим детекторам обычно относят детектор по диэлектрической постоянной (ДПД), акустический (АД), емкостный (ЕМД), детектор тока потока (ТПД) и некоторые другие.

Отдельно рассматривается использование в качестве детекторов для ЖХ различных приборов физико-химического анализа, таких как масс-спектрометр (МС), атомноабсорбционный спектрометр (ААС), поляриметр (ПОД), УФ-, ВИД- и ИК-спектрофотометры и газохроматографических детекторов, таких как ДЭЗ, ДПИ, ДПФ, ДТИ и др. 

Наиболее распространенными детекторами в ЖХ являются оптические детекторы, которые можно разделить на следующие классы:

абсорбционные,  работающие в  УФ-области  спектра  (190 ... 380 нм), — УФД.

абсорбционные для видимой области спектра (380 ... 800 мм) -ВИД;

ИК-детекторы (800 ... 5000 нм) — ИКД;

рефрактометрические различных типов — РМД;

эмиссионные, флуориметрические различных конструкций — ФМД;

хемилюминесцентные — ХЛД.

Фотометрические детекторы

  Наиболее часто в ЖХ применяются фотометрические детек торы, основанные на измерении поглощения (абсорбции) света в УФ- или видимой областях спектра. Это связано с тем, что большинство химических соединений имеют достаточно ин тенсивные полосы поглощения в диапазоне длин волн 200 ... 800 нм. Наличие подходящих растворителей, прозрачных в этом диапазоне длин волн, делает фотометрические методы наиболее подходящими для градиентного элюирования.

Фотометрические детекторы имеют достаточно высокую чувствительность для поглощающих УФ- и видимый свет веществ, высокий динамический диапазон линейности (до 10⁶), малый рабочий объем ячеек (

Ультрафиолетовый детектор

Чувствительность современных УФД может доходить до 0,001 е. о. п. на всю шкалу при  1 % шума и зависит от природы анализируемого соединения и длины волны детектирования этого соединения. При такой высокой чувствительности могут быть зафиксированы малые количества (до нескольких нанограммов) слабо абсорбирующих УФ-свет веществ. Широкая линейная область УФД позволяет анализировать как примеси, так и основные компоненты на одной  хроматограмме.

Фотометрические детекторы в свою очередь подразделяются на детекторы с фиксированной длиной волны (УФД), детекторы со сменной (с помощью фильтров) длиной волны, или фильтровые фотометры (ФУФД), и спектрофотометрические детекторы с детектированием в определенной области длин волн (СПФ).

Наиболее простые и дешевые УФД широко применяются в высокоэффективных жидкостных хроматографах, особенно в при борах, предназначенных для массовых рутинных анализов.

При использовании Hg-лампы низкого давления, обладающей высокой стабильностью и долгим временем жизни (более 5000 ч), детектирование проводится на длине волны 254 нм, которой соответствует  90%  энергии излучения. На длине волны254 нм высоким поглощением обладают многие органические соединения, такие как ароматические, гетероциклические, кетоны и т.п.

Наиболее часто для УФД применяются ячейки следующих размеров: длина оптического пути 10 мм, диаметр светового канала около 1 мм, рабочий объем ячейки около 8 мкл. Такие ячейки подходят главным образом для аналитических колонн внутренним диаметром 4 ... 6 мм, заполненных сорбентом с частицами около 5 мкм. Рабочий объем ячейки — это один из важнейших ее параметров. Например, использование ячейки объемом 8 ... 10 мкл может привести к дополнительному размыванию пика на 30 ... 50 мкл и может оказаться неприемлемым для пиков шириной менее 100 мкл. Уменьшение объема ячейки может быть достигнуто двумя путями: сокращением длины оптического пути, что приводит к падению чувствительности детектора, и уменьшением диаметра канала ячейки, которое приводит к снижению интенсивности проходящего через нее света и увеличению шума. Оба эти эффекта увеличивают предел детектирования. Для сверхкритической флюидной хроматографии (СКФХ) необходимы проточные ячейки высокого давления. Оптические детекторы в целях компенсации фона чаще всего имеют две ячейки: рабочую и сравнительную. Для двухканального детектирования используются следующие методы, подключения сравнительных ячеек:

статический при заполнении  сравнительной ячейки чистым растворителем;

динамический путем разделения потока от насоса на две части и пропускания одного из них через рабочую, а другого — через сравнительную колонку и сравнительную ячейку;

динамический с использованием дополнительного насоса низкого давления для прокачивания ячейки тем же растворителем;

динамический путем включения сравнительной ячейки между сосудом с растворителем и насосом в зоне всасывания, а рабочей ячейки — после разделительной колонки.

Спектральный диапазон и степень его разделения на поддиапазоны зависит от спектральной характеристики источника из лучения и от способа выделения необходимой спектральной полосы, осуществляемого или до измерительной ячейки или после нее. Некоторые источники излучения имеют линейчатый спектр (например, ртутная лампа — 254; 303; 313; 365; 464; 436; 516 нм и т.д.), другие — непрерывный спектр (например, дейтериевая лампа — 190 ... 600 нм). Интенсивности их излучения в пределах рабочего диапазона приблизительно одинаковы. Необходимая спектральная полоса выделяется двумя различными способами: с помощью дифракционных решеток, имеющих 1000 ... 3000 штрихов на 1 мм, и интерференционных фильтров с заданной шириной спектральной полосы. В обоих случаях может быть получена спектральная полуширина от 1 ... 2 нм до 10 ... 20 нм.

Способ дискретизации спектрального диапазона в фотометрических детекторах определяет различие между спектрофотометрами и фильтровыми фотометрами для ЖХ.

Следует иметь в виду, что СПФ, обеспечивающие возможность многоволнового детектирования, очень дороги. Для дешевых приборов массового анализа необходимо сочетать возможность работы на нескольких длинах волн с низкой стоимостью детектора, что обеспечивается применением фильтрового фотометра.

Характерной особенностью многих фильтровых УФД является использование в них источников линейчатого спектра. Кроме ртутной применяются кадмиевая и цинковая лампы с линиями на 229 и 214 нм соответственно. Используются также преобразователи излучения с длиной волны λ = 254 нм в излучение с λ = 280 ... 290 нм и в другие длины волн, отсутствующими в спектре ртути.

Особый интерес представляют разработанные в последнее время фильтровые фотометры с дейтериевой лампой в качестве источника излучения. В них используется принцип выделения в УФ-области спектра достаточно широких полос (около 10 нм) из непрерывного спектра источника с помощью широкополосных интерференционных фильтров. Этот принцип применяется также в флуориметрии и спектроскопии в видимой области. Характеристики таких фотометров достаточно высоки. Выводы о более высоком уровне шумов при использовании фильтровых УФД по сравнению с шумами приборов с источниками линейчатых спектров справедливы в случае узкополосных интерференционных фильтров, так как доля энергии,-приходящаяся на узкую (1 ... 2нм) полосу непрерывного спектра, значительно ниже энергии наиболее интенсивных полос, например, ртутной лампы.

Применение широкополосных фильтров позволяет получить примерно на порядок более интенсивный световой поток. Уровень шумов значительно снижается. Достигается перекрытие достаточно широкого диапазона длин волн с помощью всего 4 ... 6 интерференционных фильтров. При этом наблюдается некоторое снижение селективности детектирования по сравнению с селективностью СПФ, но, учитывая большую ширину полос (30 ... 40 нм), характерную для электронных спектров поглощения молекул, этот эффект можно не учитывать.

При сравнении фильтровых фотометров с СПФ низкого разрешения предпочтение также отдается первым вследствие простоты их оптической схемы без множества отражающих поверхностей, существенно ослабляющих световой  поток в СПФ.

В настоящее время наблюдается тенденция использования фильтровых фотометров для многоволновой записи хроматограмм — метода, который ранее считался областью применения только дорогостоящих сканирующих спектрофотометров.

Учитывая изложенное выше, можно заключить, что применение УФД с дейтериевой лампой в качестве источника света и набором широкополосных фильтров с целью создания относительно дешевого двух-, трех- и четрехволнового УФД с выбором длин волн в диапазоне 200 ... 300 нм является самым распространенном.

Рис. 1. Оптическая схема двухканального УФД с фотодиодной матрицей:

1 — источник света; 2 — щелевая линза; 3 — проточная ячейка; 4 — щель; 5 — решетка; 6 — зеркало; 7 — фотодиодная матрица; 8 — селектор длин волн; 9 — дифференциальный   усилитель;   10 — самопишущий   прибор.

Другим перспективным направлением является применение фотодиодных матриц для регистрации всего спектра (Рис. 1). В СПФ с фотодиодной матрицей непрерывное излучение источника света проходит через проточную ячейку 3 и попадает на дифракционную решетку 5. Луч отклоняется и фокусируется на плоскости фотодиодной матрицы 7, состоящей из 200...500 элементарных фотодиодов, которая выдает информацию сразу обо всем диапазоне длин волн с дискретностью 2...5 нм. Постоянная времени системы с 200 фотодиодными элементами должна быть не более 40 нс. В связи с тем, что при регистрации спектра в диапазоне длин волн 200...600нм создается массив информации около 1000 К для аналитической хроматографии и около 5000 К для микроколоночной ВЭЖХ при ширине пика на половине высоты менее 1 с, обработка и запись спектров проводится с помощью быстродействующих компьютера и регистратора.

 Совместное использование детекторов нескольких типов в единой системе, например УФД с инфракрасным (ИКД) и рефрактометрическим (РМД) детекторами, значительно увеличивает информативность анализа в результате одного разделения, особенно при идентификации таких соединений, как насыщенные, ненасыщенные, разветвленные и ароматические углеводороды. Примером может также служить применение управляемого компьютером градиентного жидкостного хроматографа с УФД, ФМД и когерентным рамановским спектрометром в качестве детектора, объединенными в единую систему около одной ЭВМ.

К фотометрическим детекторам относится также детектор, основанный на поглощении света в ИК-области спектра (ИКД). Некоторые функциональные группы органических соединений имеют характеристические частоты в ИК-спектрах этих соединений. Поэтому ИКД может служить для идентификации природы органических соединений. Одним из основных условий работы ИКД является  прозрачность применяемых растворителей в ИК-области спектра. Наиболее подходящими, однако редко применяемыми в хроматографической практике, растворителями являются ССl₄, СНСl₃ и CS₂.

Абсорбция ИК-света может быть использована как для селективного, так и неселективного детектирования.  Если ранее детекторы этого типа применялись главным образом в эксклюзионной хроматографии с колонками большого диаметра, то в настоящее время их все шире используют в ВЭЖХ.

 Ко всем соединениям, имеющим одинаковые функциональные группы, ИКД дает примерно одинаковые показания.

В связи с независимостью показаний ИКД от молекулярной массы анализируемых соединений он имеет значительные преимущества по сравнению, например, с РМД. Молярные показания ИКД практически постоянны.

Детектор достаточно стабильно работает при повышенных температурах (~ 150 °С) ячейки. В оптимальных условиях детектор может чувствовать около 1 мкг вещества с молекулярной массой 300, содержащего функциональную группу С—Н на длине волны 3,4 мкм. Более сильно абсорбирующие ИК-излучение функциональные группы обеспечивают более высокую чувствительность, которая, однако, в среднем не превышает чувствительность РМД.

Для детектирования в микроколоночной обращенно-фазной ВЭЖХ с использованием колонок из фторопласта с внутренним диаметром 0,5 мм и длиной 10 см ИКД можно устанавливать непосредственно на конце колонки. Колонка на длине 5 мм расплющивается, и образуется проточная ИК-ячейка с длиной светового пути около 30 мкм.

Как видно из приведенных выше данных, фотометрические детекторы в настоящее время прочно занимают лидирующее положение среди ВЭЖХ детекторов, и они продолжают интенсивно развиваться. Ведется поиск новых источников излучения, конструкций проточных ячеек, методов регистрации и обработки сигналов. Эти исследования, несомненно, приведут к применению фотометических детекторов в новых областях науки  и техники.

Рефрактометрический детектор

В отличие от детекторов фотометрического типа, реагирующих только на вещества, поглощающие свет в УФ-, видимой и ИК-областях спектра, рефрактометрический детектор (РМД) является универсальным детектором в ЖХ.

Принцип действия РМД основан иа дифференциальном измерении показателя преломления чистого растворителя и раствора анализируемого вещества в этом растворителе. Вклад растворенного вещества в изменение показателя преломления растворителя пропорционален объемной концентрации этого вещества, причем растворитель также является детектируемым веществом, так как имеет определенный показатель преломления.

Схема дифференциального рефрактометрического детектора представлена на рис. 2.

 Рисунок 2. Дифференциальный рефрактометрический детектор.

Детектор содержит измерительную 4 и сравнительную 3 проточные камеры, через которые проходит луч света, излучаемый монохроматическим источником 1 через диафрагму 2. Объем измерительной камеры детектора не превышает 10 мкл. При протекании через измерительную и сравнительную камеры детектора чистого носителя фотоэлементы 7 равномерно освещены и регистратор 8 фиксирует нулевую линию. Появление в измерительной камере анализируемого вещества вызывает изменение угла преломления луча света, и на выходе призмы 5 два луча света по-разному освещают фотоэлементы. В детекторе с непосредственным отсчетом измерение угла преломления луча осуществляется по степени засветки одного из двух фотоэлементов. В компенсационным детекторе возникший разбаланс усиливается усилителем 9 и при помощи реверсивного двигателя 6 поворачивает компенсационную призму до тех пор, пока освещенность фотоэлементов не станет одинаковой. В состоянии равновесия угол поворота призмы пропорционален разности показателей преломления анализируемого газа и газа-носителя.

Принципиальная схема детектора, в котором реализуется компенсационный метод измерения, аналогична схеме, представленной на рис. 2.

Рисунок 3. Рефрактометрический детектор, основанный на измерении отраженного луча.

Рефрактометрический детектор, основанный на измерении отраженного луча, представлен на рис. 3. Детектор представляет собой призму 5, которая служит одной из стенок проточной камеры, расположенной в плате 8. Луч света от лампы 1, пройдя через диафрагму 2, светофильтр 3 и линзу 4, падает на поверхность призмы 5, контактирующей с анализируемой жидкостью. При изменении показателя преломления вещества, протекающего через камеру, изменится интенсивность отраженного и прошедшего через линзу 6 луча, измеряемая фоторезистором 7. Объем измерительной камеры детектора 5 мкл.

В связи с указанным выше РМД обладает средней чувствительностью, а его показания в сильной степени зависят от влияющих на состав подвижной фазы колебаний параметров, таких как: давление, температура и концентрация анализируемого вещества. Поэтому РМД практически неприменим в градиентной хромато графии.

В некоторых случаях могут быть выбраны пары растворителей, имеющие близкие показатели преломления n, например, н-гептан (п = 1,3855) и н-пропанол (n = 1,3854); н-гексан (n = 1,3754) и изопропанол (n = 1,3776); н-пропиловый эфир (n = 1.3807) и метилэтилкетон (n = 1,3807). При этом становится возможным градиентное элюирование в определенных пределах концентрации смеси растворителей.

Чувствительность РМД к изменениям температуры составляет для разных растворителей 5*10^-4...5* 10^-6 единиц показателя преломления (е. п. п.) или единиц рефракции (е. р.) на 1 °С, а к изменениям давления (1...5) 10^-6 е. р./МПа.

Чувствительность РМД к температуре требует специальных мер по стабилизации температуры самого детектора и подвижной фазы при входе в детектор. В этом случае применение длинных соединительных трубок (теплообменников) на входе в детектор приводит к высокому экстраколоночному расширению пиков и снижает достигнутую в колонке эффективность разделения.

В хроматографах с РМД для обеспечения стабилизации потока элюента и сорбируемости примесей в колонке желательно применять ее термостатирование. Для реализации минимальной чувствительности РМД на уровне 10^-8 е. р. погрешность термостатирования колонки не должна превышать ±0,01 °С. 
При хорошем термостатировании РМД относительно не чувствителен к изменениям расхода подвижной фазы. Детектор достаточно прост, удобен в работе, недеструктивен и отличается высокой воспроизгодимостью показаний.

Единственным крупным недостатком РМД является его нечувствительность к веществам, имеющим одинаковый показатель преломления с растворителем.

РМД может детектировать любые вещества независимо от температуры их кипения, структуры, молекулярной массы и других физико-химических свойств. Предел обнаружения для лучших РМД достигает 10^-8 е. р. Шум РМД в 100 раз выше шума УФ-детектора. Детектор хорошо применим в тех случаях, когда нет необходимости в высокой чувствительности, например в препаративной хроматографии.

РМД достаточно широко применяется в эксклюзионной хроматографии, причем применение метода регистрации дифференциала удельного показателя преломления при анализе синтетических полимеров позволило повысить параметры РМД по сравнению с параметрами его аналогов.  Погрешность метода  1...2%. Одной из основных задач в области РМД является снижение уровня шумов. Путем применения нечувствительных к вибрациям двухлучевых систем удается снизить шумы до 5*10^-8 е. р., а высокоточное термостатирование совместно с улучшением оптической системы позволяет уменьшить шумы до 1*10^-8 е. р.

Флуориметрический детектор

Классификаця детекторов

Основные типы классификации детекторов

Классификация по способу обработки (отображения) поступающего сигнала

Классификация по физической природе детектора: физические, физико-химические и биологические

Классификация по воздействию детекторов на аналит : деструктивные и недеструктивные

Классификация по способу обработки (отображения) поступающего сигнала

 Можно также выделить массовые детекторы, сигнал которых прямо пропорционален массе поступающего в них вещества. К массовым детекторам относятся все ИД, в которых происходит накопление вещества и, следовательно, сигнала. Сле­дует отметить, что если для концентрационного детектора расход ПФ не остается постоянным, то его нельзя отнести ни к одному из указанных выше типов детекторов. На практике, чтобы уста­новить, является детектор концентрационным или потоковым, строят зависимость показаний детектора от расхода ПФ. Существуют статический и динамический методы определения типа детекторов. При статическом методе обычно при различных расходах ПФ вводят пробы и измеряются площади полученных пиков. Строят зависимости площади пика от расхода (рис. 3, а) или логарифма площади от логарифма расхода ПФ (ряс. 3, б).

Хроматографические колонки для газовой хроматографии

В зависимости от расположения неподвижной фазы колонки
делятся на насадочные (набивные) и капиллярные (Таблица 1).

Таблица 1 − Типы хроматографических колонок.

Насадочные (набивные) колонки

Насадочные колонки наполнены адсорбентом (система газ−адсорбент) или инертным твердым носителем, обработанным жидкой неподвижной фазой (система газ−жидкость). Материалом для насадочных колонок является нержавеющая сталь, никель, медь, алюминий, стекло или фторопласт. Металлические колонки отличаются прочностью. Их легко термо-статировать и перед использованием следует тщательно очищать (раствором соляной кислоты, органическими растворителями). Не всегда пригодны для анализа жирных кислот. Медные и алюминиевые колонки используют для анализа углеводородов и других инертных соединений. При анализе полярных соединений возможны адсорбционные и каталитические (как самого металла, так и их оксидов). Медные непригодны для разделения ацетилсодержащих смесей, а алюминиевые − в случае использования молекулярных сит (в качестве адсорбента). Колонки из фторопласта (тефлона) используют для анализа коррозионно-активных веществ и при выполнении анализов на содержание малых примесей высокополярных соединений (вода, аммиак и т.п.) при температуре более 90−100°С. Стеклянные колонки (пирексовские) используют при анализе полярных соединений. Достоинством колонки является возможность визуального наблюдения за состоянием насадки как в процессе набивки, так и в процессе анализа. Недостатком является хрупкость. Эффективность этих колонок зависит от размеров зерен насадки, от способа нанесения НЖФ на твердый носитель и от тщательности на бивки трубки сорбентом. Микронасадочные колонки отличаются от насадочных только длинной и внутренним диаметром трубок (см. табл. 1).

 Капиллярные колонки

Капиллярные  колонки  имеют  неподвижную  фазу,  твердую  либо жидкую, нанесенную в виде тонкого слоя (толщиной максимум несколько мкм) на внутреннюю стенку капилляра, остальное пространство остается полой. Поток  газа движется по  такой  колонке  с большой  линейной скоростью,  не  встречая  значительного  сопротивления.  Несмотря  на большую  длину,  для  обеспечения  необходимых  расходов  газа-носителя через капиллярную колонку оказывается достаточным примерно такое же входное давление, что и при работе с насадочными колонками.
Капиллярные колонки делят на:

−  открытые (незаполненные) (ООК)  − wall-coated open tubular columns (WCOT columns) − классические;
−  открытые с пористым слоем (ОКК-ПС) −  porouslayer open tubular columns (PLOT columns);
−  открытые  с  твердым  носителем (ОКК-ТН) − support-coated open tubular columns (SCOT columns).

Отличительной  особенностью  капиллярных  колонок  является очень высокая эффективность (до нескольких тысяч теоретических тарелок  на 1 м). ООК  используют  для  разделения  многокомпонентной  смесей. Однако  толщина  пленки НЖФ (0,1−0,8  мкм)  не  позволяет  достичь высокой  емкости  колонки  при  анализе  концентрированных  растворов. Нельзя разделить вещества с низкой молекулярной массой или инертных газов при обычных температурах (для этого используют ОКК-ПС и ООК-ТН). ОКК-ПС − это капиллярные колонки, на внутренние стенки которых нанесен слой адсорбента (Al₂O₃/KCl), молекулярные сита или пористые полимеры (порапак Q). К недостаткам  этих колонок можно отнести −меньшую  эффективность  по  сравнению  с  ОКК-ТН,  невысокую  инертность и снижение стабильности и воспроизводимости во времени. ОКК-ТН − капиллярные колонки, на внутренних стенках которых нанесен  слой  носителя  с НЖФ. Последняя  наносится  на  твердый  носитель, прикрепленный к стенке колонки. Основным достоинством является применение широкого ассортимента НЖФ. Эффективность работы капиллярной колонки в значительной мере определяется чистотой и однородностью внутренней поверхности капилляра. Капиллярные  колонки  изготавливают  из  нержавеющей  стали, меди, стекла или кварца и применяют в  тех случаях, когда насадочные колонки не позволяют достаточно хорошо разделять компоненты, либо когда для хорошего разделения требуется слишком длительное время. Наиболее широкое распространение получили капилляры из стекла, позволяющие анализировать термически и каталитически неустойчивые,  а  также  высокомолекулярные  соединения.  Стекла (натрий-кальциевые,  боросиликатные)  наиболее  дешевы  и  доступны,  к  тому  же инертнее и стабильнее, чем металлические. К недостаткам относят высокую остаточную  адсорбционную  активность (особенно по  отношению  к полярным соединениям) и низкую механическую прочность. Перечисленные  выше  недостатки  для  стеклянных  колонок  отсутствуют у кварцевых капиллярных колонок. Низкая остаточная адсорбционная  активность  достигается  использованием  химически  чистого SiO₂. За счет нанесения на колонку после ее вытяжки внешнего защитного слоя(полиимидного лака, алюминиевого или золотого), предотвращается статическая  усталость  колонки (гидролиз  связи Si−O),  влекущая  за  собой растрескивание  и  ломку  капилляра.  Если  капилляры  защищены  полиимидной пленкой,  то при работе  с ними  нельзя  превышать  температуру300°С.

Формы, установка и соединение колонок.

Колонку  той  или  иной формы  выбирают  в  соответствии  с  размерами  термостата. Наиболее  распространены U-, W-образные  и  спиральные колонки. В хроматографе колонки устанавливаются между дозатором и детектором. Концы колонок должны закрепляться в этих элементах хроматографа  таким  образом,  чтобы  полностью  отсутствовало «мертвое  пространство»,  не продуваемое  газом-носителем.  Следовательно,  в  случае насадочной колонки игла микрошприца должна достигать насадки, а конец  капиллярной  колонки  должен  при  введении  пробы  находиться  на расстоянии 10−15 мм  от  конца  иглы. Выходной  конец  капиллярной  колонки вводится в горелку пламенно-ионизационного детектора непосредственно под форсунку или пропуская через нее на уровень среза пламени, а в случае электронно-захватного детектора — в пространство излучения. Чтобы  не  допустить  утечку  газа,  колонки  крепят  в  приборе  накидными гайками  и  уплотняют  бочкообразными,  коническими,  кольцевыми  или другими прокладками. Металлические колонки можно уплотнять алюминиевыми  прокладками  или  прокладками  из  нержавеющей  стали,  для стеклянных  колонок  рекомендуется  применять  пластиковые  кольцевые прокладки (например, из витона или фторопласта), а при необходимости— из графита. Стеклянные и кварцевые капиллярные колонки уплотняют силиконовой  резиной,  кальрезом,  веспелем  и  прессованной  смесью  графита с фторопластом (графлок). У стандартных инжекторов имеется ввод для иглы, отделенный от атмосферы  дисковой  или  цилиндрической  прокладкой  из  силиконовой резины, которая хотя и не обладает  такой  упругостью,  как  натуральный каучук,  но  зато  имеет  более  высокую  свето-  и  термостойкость.  Такие прокладки выпускаются нескольких типов: для обычных нужд и рабочих температур  до 200°С;  более  упругие  прокладки,  обладающие  большей стойкостью к прокалыванию: прокладки, применяемые при работе с программируемой температурой в случае низкого содержания более летучих олигомеров  и  при  максимальной  температуре 250−300°С;  наконец,  для микроанализа рекомендуется силиконовая прокладка, покрытая политетрафторэтиленовой пленкой. Для работы  при  высоких температурах (выше 300°С) применяют прокладки из эластомера типа политетрафторэтилена (пиросеп S-1). Современные газовые хроматографы позволяют применять одновременно две и более колонки. Колонки можно устанавливать либо параллельно, либо последовательно. В случае параллельного соединения можно получать большую информацию о качестве анализируемого компонента (если в каждой колонке разная неподвижная фаза). Колонки соединяют последовательно при необходимости применения некоторых методик, согласно которым в процессе одного анализа требуется изменять направление потока газа-носителя и вспомогательного газа. Этой цели служит дополнительное оборудование, состоящее из многоходовых кранов или из сдвоенных тройников с подводимыми капиллярными или соленоидными клапанами. В этом случае можно применять метод обратной промывки для быстрого удаления компонентов с большим временем удерживания, либо определять эти компоненты суммарно, либо выделять из всего хроматографического спектра только интересующий нас участок.

Хроматографические колонки для жидкостных хроматографов

В настоящее время колоночная ЖХ является одним из самых быстроразвивающихся инструментальных методов. Это обусловлено прежде всего тем, что практически любое вещество биологической или неорганической природы может быть растворено в какой-либо жидкости без необратимой потери своих качеств, и, следовательно, все данные вещества могут быть проанализированы и очищены методами ЖХ. Причем относительная простота данного метода позволяет достаточно легко масштабировать любые процессы, т.е. подобрав условия хроматографического разделения на аналитической системе достаточно легко провести аналогичное разделение большего количества того же вещества, пропорционально увеличив объем колонки.  Но для успешного масштабирования необходимо соблюдение нескольких обязательных условий. В частности, для сохранения прежнего хроматографического профиля, кроме всего прочего, качество исполнения колонок должно быть аналогичным. Это достижимо только при стандартизации размеров и их прецизионного исполнения. 

Устройство колонок

В связи с вышеперечисленными методами колонки для жидкостной хроматографии (КЖХ) выполняются из высокопрочных устойчивых к действию агресивных сред металлов (легированной стали, титана и т.д.) или из кварцевого стекла с полированными внутренними стенками. Реже выпускают колонки изготовленные из химически стойких пластиков. Как уже отмечалось, существует множество типов колонок: для хроматографии низкого и высокого давления;  для аналитической, препаративной или промышленной хроматографии; для радиальной или аксиальной хроматографии. Также колонки подразделяют на неразборные  (упакованные в заводских условиях) и  разборные с подвижными и не подвижными адапторами. Каждый тип колонки имеет свои конструкционные особенности. Ниже будут описаны основные составные части  КЖХ и, по возможности,  конструкционные отличия основных типов.
Конструкционно КЖХ состоит из обязательных частей: трубки и адапторов, и не обязательных частей: рубашки термостата, гидравлической системы для упаковки колонки и т.д.

Неразборные колонки

Данный тип колонок в основном используется в аналитической высокоэффективной жидкостной хроматографии, так как данный метод в основном используется для качественного и количественного анализа, при котором особенно важна воспроизводимость результатов. Наилучшим способом достижения данного результата является использование масштабного фабричного поризводства унитарных колонок со строго соблюдаемыми параметрами всех комплектующих. На рынке представлено огромное количество колонок данного типа  различных производителей очень высокого качества, различающимися, главным образом, используемыми в них сорбентами. Не смотря на то, что многие фирмы предлагают примерно одинаковый спектр КЖХ как по физическим размерам колонок, так и по заявленному составу неподвижной фазы, тем не менее именно новшества, привносимые каждой фирмой в производство своих сорбентов иногда приводят к очень значительным различиям по селективности, долговечности и воспроизводимости на конкретных смесях.
Поэтому при подборе ЖКХ для анализа конкретной смеси необходимо:
1) определиться с типом будущего хроматографического анализа (нормальнофазная или обращеннофазная. или ионообменная и т.д.);
2) провести сравнительные тесты колонок различных производителей с выбранным типом сорбента.
Конструктивно данные колонки представляют собой трубки из не подверженных коррозии сплавов (Рис. 1) или пластика в которые запрессован сорбент. С двух сторон колонки имеют резьбовые отверстия с коническим углублением для фитингов. Внутренний диаметр от 1  до 10 мм, длина 10-400 мм.

Рис. 1. Аналитические колонки для ВЭЖХ.

К данному типу КЖХ также можно отнести колонки (картриджи) для проведения двердофазной экстракции и схожие с ними по принципу  картриджи для выделения нуклеиновых килот. Принципиальным отличием данных колонок от применяемых в аналитических хроматогрофах является черезвычайно малое количество (от десятков до сотен миллиграмм) адсорбционного материала, размещенного в ячейке с большим соотношением диаметр/длина. Смыв аналитов с адсорбента осуществляется сравнительно небольшим объемом растворителя (в пределах десяти миллилитров), что дает возможность сильно сконцентрировать аналит, но не позволяет провести полноценную хроматографию.

Разборные колонки

Как ясно из названия колонки данного типа разбираются на составные части: на трубку и адапторы. Это свойство позволяет самостоятельно заполнять колонки  необходимым сорбентом. Практически все колонки для хроматографии низкого давления производятся именно в таком исполнении, как аналитические, так и препаративные. В ВЭЖХ данный вид колонок применяется в высокопроизводительных хроматографах (препаративных и промышленных). Адапторы бывают подвижные и не подвижные, и колонки, в зависимости от исполнения бывают с двумя неподвижными адапторами, с одним подвижным и одним неподвижным адапторам (самая распространенная комплектация) и с двумя подвижными адапторами.

Адапторы

Для удержания сорбента, поддержания постоянного внутреннего объема и создания равномерного и ламинарного потока ПФ через все поперечное сечение колонки используются адапторы.

Подвижные адапторы используются для регулирования внутреннего объема колонки. Принципиальная конструкция подвижного адаптора для аксиальных колонок представлена на риунке 2.

Материалы колонки

Материалы из которых выполнены составные части адаптора различаться могут сильно различаться в зависимости от цели и условий хроматографии. Так при ВЭЖХ практически все части как адапторов (даже мембрана), так и колонки выполняются из металла. При хроматографии низкого давления колонка зачастую выполняется из стекла, а детали адаптора из химически стойкой пластмассы (полиэтилена, тефлона и т.д.).

Набивка колонки

Набивка колонки - очень ответственный процесс, от качества выполнения которого практически полностью зависит успех дальнейшего эксперимента. Основной опасностью при набивке являются неоднородности, которые могут образоваться по разным причинам и привести к размыванию пиков и, в конечном итоге, к неудовлетварительному результату хроматографии. Неоднородности могут образовываться от:

1) неравномерного заполнения колонки в результате слишком быстрого осаждения сорбента или неравномерности осаждающего потока;

2) посторонних включений в сорбент (пузырьки воздуха, грязь, колонии микроорганизмов и т.д.);

3) неоднородности размеров гранул сорбента.

Для недопущения неравномерного заполнения колонки необходимо заполнять колонку однородной, свежеприготовленной  суспензией постепенно добавляя новые порции суспензии до заполнения сорбентом требуемого объема колонки, после этого следует установить верхний адаптор не допуская образования пузырьков воздуха и пустить поток подвижной фазы для окончательного осаждения сорбента. Следует отметить, что для достижения нужного результата обязательным условием является чистота мембран и одинаковая проницаемость по всей площади.

Посторонние включения такие как грязь и колонии микроорганизмов образуются в результате неправильных условий хранения или неправильной регенерации сорбента и предупреждаются только полным соблюдением регламента или заменой сорбента. Пузырьки воздуха могут образовываться в двух случаях: при слишком интенсивном суспензировании или при неаккуратном вливании суспензии в колонку. В обоих случаях происходит расплескивание суспензии и таким образом происходит захват трудноотделимых пузырьков. Зачастую, в данном случае необходимо перенабивать колонку.

Неоднородноти размеров гранул встречаются при использовании сорбентов старых марок, экспериментальных сорбентов или использованных ранее сорбентов, в которых присутствует мелкодисперсная фракция разрушенных гранул. При всех приведенных случаях необходимо производить отмучивание (декантацию) суспензии.  Для этого разбавленную суспензию набухшего, промытого и переведенного в нужный буфер (см. ниже) сорбента заливают до­верху в мерный цилиндр, объем которого в 5—6 раз больше, чем объем упакованного влажного сорбента, и дают ему осесть до того момента, когда между слоем сорбента и мутной жидкостью над ним обозначится резкая граница. Гранулы смолы или сефадексов оседают относительно быстро — за несколько минут (в зависимости от их среднего размера), а целлюлоза — медленнее (за 10—30 мин). Жид­кость над осадком вместе со взвешенными в ней мелкими частицами отсасывают и отбрасывают. Снова дополняют цилиндр буфером, осторожно палочкой взмучивают осадок по всему объему цилиндра и повторяют описанную операцию до тех пор (3—5 раз), пока жид­кость над только что образовавшимся осадком не будет совершенно прозрачной. Затем выжидают еще некоторое время (до полного осе­дания слоя сорбента), измеряют его высоту линейкой и отсасывают буфер — на этот раз не полностью, а до такого уровня, чтобы слой жидкости составлял половину высоты осадка. Такое соотношение при взмучивании позволяет получить кашицу («slurry»), консистен­ция которой наиболее удобна для заливки в колонку.

В преперативной хроматографии (особенно ВЭЖХ) для забивки колонки используют гидравлические системы, позволяющие равномерно уплотнять сорбент и удерживать его в заданном объеме во время хроматографии. В этом случае, для достижения оптимального результата необходимо строго придерживаться руководства производителя по используемому при упаковке давлению на сорбент. В случае отклонений от заданных условий упаковки может произойти или пережатие сорбента (при превышении давления), или образовываться полотсти (при меньшем давлении).

Классификация колонок для ВЭЖХ (по данным )

В зависимости от площади поперечного сечения и длины колонки можно разделить на макромасштабные препаративные, препаративные, полупрепаративные, стандартные аналитические колонки, микроколонки и капиллярные колонки.

Колонки для радиальной хроматографии

Рис.3. Колонка для радиальной хроматографии фирмы Sepragen

Колонки для радиальной хроматографии конструкционно отличаются от описанных выше коаксиальных колонок. В данном типе колонок слой сорбента представляет собой "трубку" и поток ПФ направлен с наружной поверхности данной "трубки" и элюируется внутри "трубки".  Такая конструкция значительно  сложнее  применяемой  в коаксиальной  колонке,  но  за счет значительно увеличенной площади внешней мембраны можно значительно увеличить скорость нанесения, а за счет значительно меньшей площади выходной мембраны при элюции адсорбат концентрируется, что требуется при многих биотехнологических процессах. Еще одним достоинством данной конструкции является легкость масштабируемости. Для моделирования данного процесса можно использовать сектор пропорциональный колонке