КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ, 2015, том 56, № 3, с. 389-396
УДК 543.544
ПРЕИМУЩЕСТВА МЕТОДА ДВУМЕРНОЙ ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ
© 2015 г. Ю. В. Патрушев1, 2
Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Новосибирск 2Новосибирский государственный университет, факультет естественных наук
E-mail: patrush@catalysis.ru Поступила в редакцию 21.10.2014 г.
Представлен краткий обзор возможностей метода двумерной газовой хроматографии (ДГХ) для исследования сложных смесей органических соединений. Рассмотрены различные конструкции модуляторов для ДГХ. Сформулированы требования к оборудованию для успешной реализации метода ДГХ. Приведены основные преимущества метода ДГХ по сравнению с классической одномерной газовой хроматографией. Рассмотрены типичные задачи разделения, решаемые методом ДГХ.
DOI: 10.7868/S0453881115030156
Известно, что хроматографические методы являются мощным аналитическим инструментом в различных областях химии. При исследованиях каталитических процессов часто стоит задача разделения сложных смесей органических соединений методом капиллярной газовой хроматографии. Успешное разделение многокомпонентной смеси является результатом оптимального сочетания селективности, эффективности и скоростных характеристик капиллярной колонки. Однако часто бывает так, что в анализируемой пробе находятся несколько групп веществ различных химических классов с существенно различающимися физико-химическими свойствами. И если для успешного разделения компонентов одной группы необходима колонка с неполярной неподвижной фазой, то для разделения компонентов другой группы — неподвижная фаза с совершенно иной селективностью. То есть на одной колонке невозможно получить удовлетворительного разделения всех компонентов сложной смеси. В таких случаях приходится либо жертвовать качеством разделения некоторых аналитов, либо проводить разделение одной и той же пробы на двух или более колонках с различной селективностью. Этот вариант анализа известен как многомерная хроматография [1, 2]. В многомерной, или многоколоночной, хроматографии происходит одновременное разделение смеси на нескольких колонках. Коммутация колонок и распределение потоков газа-носителя между ними осуществляется с помощью пневматических элементов Дин-са [3, 4]. Схема Динса позволяет управлять основными потоками подвижной фазы при помощи вспомогательных (управляющих потоков). При этом сам механический элемент (кран), переключающий потоки, находится вне нагреваемой зоны. По сути, вариант многоколоночной хромато-
графии предполагает проведение параллельно нескольких, независимых друг от друга одномерных разделений. Понятно, что единой картины качественного и количественного состава пробы таким образом получить невозможно. По результатам отдельных экспериментов получается несколько массивов данных, по которым и устанавливается состав и концентрация компонентов.
Впервые идею одновременного разделения на двух неподвижных фазах с разной селективностью высказал Гиддингс [5, 6]. В своих работах он сформулировал основные принципы двумерной хроматографии и преимущества нового метода перед классическим вариантом хроматографиче-ского разделения. Например, было показано, что пиковая емкость (т.е. количество удовлетворительно разделенных пиков на единицу длины колонки) для системы двумерной хроматографии может быть намного выше, чем для одномерной.
Суть двумерной газовой хроматографии (ДГХ) состоит в том, что разделение производится одновременно на двух хроматографических колонках с различной селективностью: первичной и вторичной [7, 8]. Как правило, первичная колонка является неполярной и имеет обычную для капиллярных колонок длину. На этой колонке происходит разделение компонентов смеси по возрастанию их температуры кипения. К первичной колонке последовательно присоединяется вторичная колонка, имеющая небольшую длину и полярную неподвижную фазу. Между первичной и вторичной колонками находится модулятор (рис. 1). Модулятор позволяет накапливать элюат, выходящий из первичной колонки, и дискретно вводить порции элюата во вторичную колонку.
Время накопления элюата (период модуляции) задается заранее и не меняется в течение всего процесса хроматографирования. Период
Инжектор
Модулятор
Детектор
Рис. 1. Схема двумерного хроматографа.
модуляции в зависимости от конструкции модулятора, геометрических параметров колонок и условий разделения составляет обычно 1—10 с. Конфигурация колонок и поток газа-носителя подбираются таким образом, что первичная колонка работает в обычном для себя скоростном режиме, а разделение на вторичной колонке происходит очень быстро, в течение нескольких секунд. Важно установить параметры хроматографирова-ния таким образом, чтобы работа модулятора не ухудшала эффективность и качество разделения на первичной колонке. Таким образом, компоненты смеси делятся на первичной колонке по одному признаку (температура кипения), а на вторичной колонке — по другому признаку (хроматографиче-ская полярность). Понятно, что некоторые компоненты, которые невозможно разделить на первичной колонке, вполне могут быть разделены на вторичной. При этом формально можно наблюдать линейный процесс хроматографирования и одномерную хроматограмму. На рис. 2 показана картина разделения компонентов синтетического бензина. Для сбора данных использовалось стандартное программное обеспечение, предназначенное для одномерной хроматографии. Каждый компонент на такой хроматограмме представлен не единым пиком, а набором узких пиков. Количество этих пиков соответствует числу актов модуляции, происходящих за время элюирования данного компонента из первичной колонки. Такая одномерная хроматограмма недостаточно информативна, и для того, чтобы появилось виртуально второе измерение, необходима математическая обработка полученных первичных данных. На встав-
ке рис. 2 показан фрагмент двумерной хромато-граммы выделенной группы пиков. Двумерная хроматограмма представляет собой набор пятен, расположенных на координатной плоскости. По горизонтальной оси этой плоскости отложено время удерживания (tR) на первичной колонке, по вертикальной оси — время удерживания на вторичной колонке. Форма и размер пятна обусловлены размыванием хроматографической полосы на первичной и вторичной колонках. Как видно, выделенная группа пиков на рис. 2 не разделяется на первичной колонке и достичь полного разделения всех компонентов возможно только в двух измерениях.
Таким образом, основной особенностью двумерного хроматографа, отличающего его от традиционных приборов, является наличие модулятора и программного обеспечения, способного представить данные в форме, удобной для визуального восприятия.
В литературе описано несколько типов модуляторов и различных их модификаций: термические модуляторы, которые использовались в ранних работах по двумерной хроматографии [7, 9, 10]; более совершенные криогенные модуляторы, в которых в качестве криогенного носителя применяли жидкий азот или диоксид углерода [11—13]; потоковые, имеющие более надежную и простую конструкцию по сравнению с криогенными [14, 16], и клапанные, которые использовались реже [17, 18]. Выбор конструкции модулятора определяется задачей разделения, которую необходимо решить. В табл. 1 кратко описаны достоинства и недостатки различных типов модуляторов.
В настоящее время в большинстве коммерческих приборов для двумерной газовой хроматографии используются криогенные модуляторы "Zoex" и потоковые модуляторы "Agilent".
На рис. 3 показана схема работы потокового модулятора "Agilent" [16]. Цикл работы модулятора состоит из двух стадий. На первой стадии (накопление) управляющий кран направляет вспомогательный поток водорода во вторичную колонку, перекрывая поток газа-носителя из первичной колонки (рис. 3а). При этом элюат из первичной колонки накапливается в накопительном канале. На второй стадии (инжекция) управляющий кран переключается таким образом, что вспомогательный поток газа-носителя смывает элюат, собранный в накопительном канале, во вторичную колонку (рис. 3б). Затем цикл повторяется. Для корректной работы данного модулятора необходимо соблюдать оптимальный режим по потокам газов. Через первичную колонку поток газа-носителя идет со скоростью ~0.8 мл/мин, через вторичную колонку —21 мл/мин. Это необходимо для того, чтобы обеспечить узкую зону ввода элюата во вторичную колонку.
Основной недостаток данной конструкции модулятора состоит в том, что невозможно подо-
5 10 15
tR, мин
Рис. 2. Разделение компонентов синтетического бензина. Условия: детектор — ПИД, частота сбора данных 200 Гц, программное обеспечение ChemStation ("Agilent"). Колонка 1 — HP-5 (30 м х 0.25 мм), пленка неподвижной жидкой фазы (НЖФ) 0.25 мкм; колонка 2 — INNOWAX (5 м х 0.25 мм), пленка НЖФ 0.15 мкм. На вставках: справа — выделенная группа пиков, слева — фрагмент двумерной хроматограммы этой группы.
брать такие условия хроматографирования, когда и первичная и вторичная колонка работали бы при оптимальном потоке газа-носителя. Первичная колонка обычно работает при потоке газа-носителя ниже оптимального, а вторичная колонка — выше оптимального [19], что приводит к потере эффективности разделения в целом.
Для того чтобы система ДГХ, как минимум, заработала и позволила реализовать свои потенциальные возможности, необходимо, чтобы используемое газохроматографическое оборудование соответствовало определенным критериям.
Как уже было упомянуто, вторичная колонка всегда работает при высокой линейной скорости потока газа-носителя и имеет малую длину. Как следствие, пики на вторичной хроматограмме получаются узкими. Ширина этих пиков может достигать 0.1 с. То есть можно считать, что вторичная колонка работает в режиме сверхбыстрой хроматографии [20]. В этом случае становится очень важной возможность регистрировать хро-
матограмму без потерь в эффективности разделения. Известно, что для того, чтобы получить удовлетворительную точность обработки хромато-графического сигнала, необходимо выполнить по крайней мере 20 измерений на пик [21], т.е. за время 0.1 с нужно измерить интенсивность сигнала не менее
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.