Газовая хроматография и её применение в фарм анализе

Министерство Здравоохранения Республики Беларусь

Витебский государственный медицинский университет

Кафедра фармацевтической химии с курсом ФПКС

 

 

 

 

 

Курсовая работа

на тему:

 

ГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

и ее применение в Фармацевтическом анализе

 

 

 

 

 

Научный руководитель:

Ассистент Моисеев Д.В.

 

 

 

 

 

Витебск - 2007

 

Оглавление

 

Введение

 

Газовая хроматография — метод разделения летучих соединений. Подвижной фазой служит инертный газ (газ-носитель), протекающий через неподзижную фазу, обладающую большой поверхностью. В качестве подвижной фазы используют водород, гелий, азот, аргон, углекислый газ. Газ-носитель не взаимодействует с разделяемыми веществами и неподвижной фазой.

В зависимости от агрегатного состояния неподвижной фазы различают два вида газовой хроматографии — газоадсорбционную (неподвижная фаза — твердый носитель: силикагель, уголь, оксид алюминия) и газожидкостную (неподвижная фаза — жидкость, нанесенная на инертный носитель).

Процесс разделения основан на различии в летучести и растворимости    (или    адсорбируемости)    разделяемых    компонентов Через хроматографическую колонку быстрее движется тот компонент, растворимость которого в неподвижной фазе меньше, а летучесть (упругость пара) при данной температуре больше.

Газохроматографическим методом могут быть проанализированы газообразные, жидкие и твердые вещества с молекулярной массой меньше 400, удовлетворяющие определенным требованиям, главные из которых — летучесть, термостабильность, инертность и легкость получения. Для быстрого и полного разделения достаточно, чтобы упругость пара была 1-4 мм при рабочей температуре колонки. Более летучим считается вещество, упругость паров которого выше. Количественный анализ можно провести только в том случае, если вещество термостойко, т.е. испаряется в дозаторе воспроизводимо и элюируется без разложения. При разложении вещества на хроматограмме появляются ложные пики, относящиеся к продуктам разложения. Вещество не должно образовывать устойчивых сольватов при растворении в неподвижной жидкой фазе и реагировать с материалами, из которых изготовлены детали хроматографа. Желательно работать с соединениями, которые легко получить с количественным выходом. Этим требованиям в большей мере удовлетворяют, как правило, органические вещества, поэтому  ГХ широко используют как серийный метод анализа органических соединений. Этим методом можно также определять почти все элементы периодической системы в виде летучих комплексов.

 

 

Основная часть

1. Общая характеристика

 

Газовая хроматография - группа хроматографических методов анализа, в которых подвижной фазой является газ (газ – носитель).

В зависимости от агрегатного состояния неподвижной фазы различают:

Газотвёрдофазная (ГТХ) или газоадсорбционная (ГАХ) хроматография – неподвижной фазой является вещество, на котором адсорбируются разделяемые компоненты.

Газожидкостная хроматография (ГЖХ) – неподвижной фазой является слой   жидкости, нанесённый на поверхность твёрдого носителя. 

Эффективность разделения  в газовой хроматографии зависит от давления пара соединения и от степени его взаимодействия с неподвижной фазой. Эффективность разделения может быть получена на основе законов Генри и Рауля. Полученное соотношение называется формулой Херингтона:

 

    (1)

 

 

где Vg1 и Vg2 удельные объёмы удерживания для компонентов 2 и 1 соответственно.

Удельный объём удерживания Vg зависит от истинного объёма удерживания VN, массы неподвижной фазы ms и температуры Т следующим образом:

        (2)

 

Удельный объём удерживания менее всего зависим от условий анализа. Однако имеется немало трудностей для определения этой величины, поэтому на практике его используют редко.

Истинный объём удерживания VN связан с исправленным объёмом удерживания VR’ через коэффициент Мартина j:

 

      (3)

 

Коэффициент j учитывает падение давления при прохождении газа-носителя через колонку ( из-за сопротивления разделяющей колонки давление газа на входе в колонку больше, чем на выходе из неё ) и рассчитывается по формуле:

 

                        J = 3[ (pi/po)2 – 1 ] / 2[ (pi/po)3 – 1 ]   (4)

 

где pi – давление газа на входе в колонку, а po – на выходе из неё.

В формуле Херингтона p10 и p20 представляют собой давления пара чистых компонентов 1 и 2 соответственно, а γ10 и γ20 – коэффициенты активности, относящиеся к моляльной концентрационной шкале, компонентов 1 и 2 при бесконечном разбавлении.

 Для времён удерживания двух разделяемых компонентов применимо следующее соотношение:

 

     (5)

Согласно этому выражению, разделение двух компонентов определяется их относительной летучестью, равной отношению давлений насыщенных паров компонентов:

 

      (6)

В то же время коэффициенты активности характеризуют взаимодействия разделяемых компонентов с неподвижной фазой, определяя тем самым её селективность.

 

 

 

 2. Устройство газового хроматографа

 Газохроматографические определения  проводятся с помощью прибора, называемого газовым хроматографом. Принципиальная схема такого прибора имеет следующий вид:

 

                        Рисунок 1 – Схема газового хроматографа

В ГАХ и ГЖХ используется один и тот же прибор. Различие между данными вариантами газовой хроматографии заключается лишь в содержимом хроматографической колонки.

Подвижная фаза (газ-носитель)

В качестве подвижной фазы в газовой хроматографии применяют инертные газы (гелий, аргон), азот, водород, диоксид углерода и другие вещества. Газ-носитель должен:

• быть инертен по отношению к определяемым веществам и сорбенту;
• иметь как можно меньшую вязкость;
• обеспечивать высокую чувствительность детектора;
• быть доступным, взрывобезопасным, достаточно чистым (или легко подвергаться очистке).

 Газы-носители  хранятся в  стальных баллонах под давлением (до 150 атм). Газ отбирается из баллона  с помощью крана - редуктора (устройства, позволяющего отбирать газ из баллона при давлении намного меньшем, чем давление в баллоне). При программировании температуры кроме регулятора давления необходимо также использовать регулятор потока. Для измерения скорости потока газа на входе в колонку используется ротаметр, а на выходе  из колонки – измеритель потока.   Система подготовки газа необходима для установки, стабилизации, очистки газовых потоков, а также измерения их скорости. Она включает в себя регулятор давления, регулятор расхода газа, фильтры для очистки газа и т.д.

Система ввода пробы

 

Устройство для ввода пробы (дозатор) предназначено для ввода в колонку определённого количества анализируемой пробы. При анализе газообразных веществ проба может быть непосредственно введена в поток газа – носителя. Жидкие и твёрдые пробы предварительно испаряют в инжекционном испарителе, который представляет собой металлический блок, имеющий канал для ввода и испарения пробы. С одной стороны канал закрыт пробкой из самоуплотняющейся силиконовой резины (септа), а с другой стороны к нему присоединена колонка. Для дозирования газообразных веществ применяют газовые краны-дозаторы. Если анализируемая проба является жидкостью, её вводят с помощью специального микрошприца в испаритель. Проба, введённая в канал испарителя, куда предварительно подаётся поток нагретого газа-носителя, быстро испаряется и переносится потоком газа в колонку. Температура испарителя поддерживается обычно на 30-50 °С выше температуры кипения наименее летучего компонента анализируемой смеси.

Хроматографическая колонка

Колонки, применяемые в газовой хроматографии, можно разделить на набивные и капиллярные.

Набивные (насадочные) колонки представляют собой изогнутые или прямые трубки, изготовленные из стекла, металла или полимера, диаметром от 3 до 8 мм и длиной от 1 до 20 м (чаще всего 1-5 м). Неподвижная фаза наносится на гранулированный материал – носитель (силикагель, диатомит, активированный уголь) и помещается внутрь колонки. В ГАХ материал – носитель сам является неподвижной фазой.

Недостатком набивных колонок является то что их максимальная длина составляет 20 м (при этом число теоретических тарелок N ~ 10000). При такой длине падение давления становится очень большим (давление на входе в колонку достигает нескольких МПа, что объясняется затруднением потока газа – носителя). Поэтому при работе с такими колонками требуется видоизменение типовой схемы серийно выпускаемых хроматографов.

 Капиллярные колонки представляют собой изогнутые стальные, стеклянные или кварцевые трубки с внутренним диаметром 0,1-1,0 мм и длиной от 10 до 100 м. Неподвижная фаза распределена на стенках капилляра в виде тонкой плёнки (тонкоплёночный капилляр) или в виде тонкого слоя гранул правильной формы (тонкослойный капилляр).

Рисунок 2 - Капиллярные колонки Alltech

 

Капиллярные колонки обеспечивают более высокую эффективность хроматографического разделения, чем насадочные (число теоретических тарелок для капиллярных колонок N ~ 100000). Вариант газовой хроматографии, в котором используются капиллярные колонки, называется капиллярной газовой хроматографией.

Перед использованием колонки должны быть хорошо прогреты в потоке газа – носителя для удаления остатков растворителя. Температура колонки определяется главным образом летучестью пробы и может изменяться в пределах от – 196 °С (температура кипения жидкого азота) до 350 °С. Для поддержания постоянной температуры используют термостат.

Детекторы

 Детектор представляет собой устройство, реагирующее на изменение определённых свойств системы газ–носитель – разделяемый компонент и  предназначенное для обнаружения и количественного определения компонентов анализируемой смеси, выходящих из колонки в потоке газа-носителя. Работа детектора основана на преобразовании в электрический сигнал изменений физических, химических или физико-химических свойств газового потока, выходящего из колонки.

Детекторы подразделяют на:

• универсальные – используются для регистрации многих веществ (катарометр, ПИД).
• селективные – чувствительны к химическим соединениям определённых классов (ТИД, ДЭЗ).

Различают также деструктивные (ПИД, ПФ) и недеструктивные (катарометр, инфракрасный детектор) детекторы. Детектор считают деструктивным, если более чем 1% анализируемых компонентов разлагается или реагирует с образованием других соединений. 

Основными характеристиками хроматографических детекторов являются:

• чувствительность – характеризуется отношением сигнала детектора к количеству вещества.
• предел обнаружения – за минимально определяемое содержание вещества принимают такое содержание, которому соответствует утроенный сигнал шумов детектора.
• величина линейного динамического диапазона – сигнал детектора считается линейным, если отношение сигналов детектора, соответствующих двум пробам, пропорционально отношению количеств вещества в этих пробах. 
• воспроизводимость – характеризуется стандартным отклонением серии сигналов детектора при вводе в хроматограф одних и тех же проб.
• стабильность работы – низкая чувствительность к колебаниям температуры и скорости потока газа.

Для газовой хроматографии предложено более 50 различных детекторов. Однако обычно комплект современного универсального хроматографа включает в себя не более 4 - 6 детекторов. Основные характеристики некоторых детекторов, применяемых в газовой хроматографии, приведены в таблице.

 

Характеристика некоторых газохроматографических детекторов

Детектор	mmin, г	Линейный диапазон	Детектируемые компоненты
катарометр	10-7	104	Универсальный - любые вещества, отличающиеся по теплопроводности от газа-носителя
пламенно-ионизационный	10-12	107	селективный – вещества (органические), способные ионизироваться в водородном пламени.
электронного захвата	5×10-14	102	селективный - вещества электрофильные в газовой среде: полиароматические,  полигалогеносодержащие, нитрилы серусодержащие, и т.д.
термоионный	10-13 – 10-14	105	селективный - P-, N-содержащие и некоторые другие соединения
масс-спектрометр	10-12	105 -106	универсальный - исследование сложных смесей неизвестного состава; в режиме масс-фрагментографии - специфический