Газовая хроматография. Механизм работы детекторов

04 Января в 9:41 1431 0


Пламенно ионизационный детектор (ПИД) основан на ионизации органических соединений в пламени водорода. Точный механизм ионизации не выяснен. С использованием масс-спектрометрометрии проведено исследование и обнаружено, что механизм ионообразования связан с термодеструкцией и последующей хемоионизацией. В ПИД одним из электродов служит горелка, второй электрод - коллектор - располагается над горелкой. Малые токи (1-10 _10 А) усиливаются, так как шумы самого детектора малы. Из-за высокой чувствительности, большого диапазона линейности ПИД стал наиболее распространенным детектором.

Детектор по теплопроводности (ДТП) - катарометр. Чувствительными элементами в ДТП являются нагретые нити (филаменты) из ряда металлов (платина, вольфрам, сплав вольфрам_рений и др.), помещенные в специальные камеры, продуваемые газом-носителем. Филаменты включены в плечи моста Уинстона. Через сравнительную камеру проходит поток чистого газа-носителя, через рабочую камеру - газ-носитель с примесями разделяемых соединений.

Сопротивление нитей зависит от температуры. При изменении состава газа в рабочей камере теплопроводность его изменяется, изменяется теплопередача от нити к стенкам камеры, температура нити и, следовательно, сопротивление нити по сравнению с сопротивлением нити в сравнительной камере. Происходит разбаланс моста, возникает сигнал на нулевой линии.

Электронно-захватный детектор (ЭЗД) предназначен для анализа веществ, обладающих электронным сродством, в частности галогенноорганических соединений. Полезный сигнал детектора - это уменьшение начального тока, однозначно связанного с количеством анализируемого соединения. В ионизационной камере ЭЗД помещается радиоактивный источник (например, 63Ni). Под воздействием радиации молекулы газа-носителя (азот, аргон, гелий) ионизируются с высвобождением электрона.

В камере между электродами приложено напряжение, фоновый ток создается в основном электронами, так как их подвижность на три порядка выше, чем подвижность ионов. Кроме того, большая часть ионов рекомбинирует, не доходя до электродов. При попадании в ячейку детектора соединений, обладающих сродством по отношению к электрону, происходит захват ими свободных электронов, что приводит к снижению начального фонового тока. ЭЗД обладает высокой ионизационной эффективностью.

В газе-носителе недопустимо присутствие кислорода, влаги и других соединений, снижающих количество электронов или их подвижность. Предел детектирования ЭЗД на два-три порядка ниже ПИД, он сильно зависит от числа и положения атомов галогенов в молекулах.

Термоионный детектор (ТИД) селективен к N- и P-содержащим соединениям за счет введения в пламя водорода паров солей щелочных металлов (К, Na, Rb и Cs). Скорость введения паров щелочных металлов должна быть стабилизирована. ТИД чувствителен к стабильности поддержания скорости водорода, воздуха и газа-носителя. Селективность ТИД к N- и Р-органическим соединениям по сравнению с ПИД - порядка 1000 - 10000.

Пламенно-фотометрический детектор (ПФД) селективен к S- и P-содержащим соединениям, при сжигании которых в пламени, обогащенном водородом, по сравнению с ПИДом, излучаемый свет от этих элементов направляется в фотоумножитель через специальные фильтры (394 нм для S и 526 нм для Р).

В фотоионизационном детекторе (ФИД) ионизация анализируемых соединений происходит за счет УФ-излучения в специальной камере с двумя электродами. При фотоионизации молекулы анализируемых соединений диссоциируются на ион и электрон. Образуемые ионы собираются электродами. Ионизируются только те соединения, потенциал которых ниже энергии фотонов. В зависимости от лампы, энергия фотонов может быть 9,5; 10,2 и 11,7 эВ. ФИД, как и ПИД, обладает высокой чувствительностью ко всем органическим соединениям.

К ароматическим соединениям ФИД имеет в 10-50 раз большую чувствительность, чем ПИД. В отличие от ПИД, ФИД может регистрировать H2S, PH3, NH3, ASH3.

Масс-спектрометрический детектор (МСД). В последние годы достигнут прогресс в создании небольших настольных МСД для газовых хроматографов. В настоящее время этот высокочувствительный детектор- самый совершенный прибор для идентификации неизвестных веществ.

Колонки для газовых хроматографов подразделяются на насадочные (НК): препаративные, аналитические, микронасадочные и капиллярные (КК). В насадочных, микронасадочных колонках сорбент находится внутри трубки и имеет форму цилиндра. Набивка должна быть плотной и однородной, без пустот. Чем плотнее и однороднее набивка, тем меньше размывание полос и больше эффективность колонки. В КК слой сорбентов наносится на внутреннюю поверхность капилляра в виде слоя жидкой неподвижной фазы или в виде слоя адсорбента. Технология капиллярных колонок и хроматографического оборудования в целом находится в постоянном развитии.

Разработка программного обеспечения и совершенствование хроматографического оборудования существенно расширили область применения газовой хроматографии в науке и промышленности. Имеющаяся в Сибирском Федеральном университете аналитическая приборная база позволяет решать ряд биотехнологических задач. Например, поиск углеводородсинтезирующих штаммов среди одноклеточных водорослей показал принципиальное отличие состава углеводородов природного штамма Botryococcus, выделенного из озера Шира, и музейного Botryococcus braunii Kutz No LB 807/1 Droop 1950 H-252, полученный из коллекции культур одноклеточных водорослей Института физиологии растений РАН (IPPAS).



На рис. 6.10 представлена хроматограмма углеводородов музейного штамма, выделенных из биомассы водорослей и гидрированных для идентификации наличия ненасыщенных связей. Углеводороды, синтезируемые природным Botryococcus, принципиально отличаются от музейного штамма и представлены диенами и триенами с числом атомов углерода от 23 до 29 .

Ионная хроматограмма углеводородов музейного штамма Botryococcus braunii Kutz No LB 807/1 Droop 1950 H-252
Рис. 6.10. Ионная хроматограмма углеводородов музейного штамма Botryococcus braunii Kutz No LB 807/1 Droop 1950 H-252: а - исходный образец; б - после гидрирования

Не менее интересным для биотехнологии представляют ацетиленовые кислоты, характеризующиеся противовоспалительным эффектом. Источником таких кислот может быть водный мох Fontinalis antipyretica, обильно покрывающий дно реки Енисей. Типичная хроматограмма жирных кислот, содержание которых в биомассе может достигать 15_20 % , представлена на рис. 6.11.

Ионная хроматограмма метиловых эфиров жирных кислот липидов Fontinalis antipyretica
Рис. 6.11. Ионная хроматограмма метиловых эфиров жирных кислот липидов Fontinalis antipyretica. Первая цифра - число атомов углерода в цепи жирных кислот, вторая - число насыщенных связей, третья - положение первой двойной связи с метильного конца. А1 - 6a, 9, 12-18:3; А2 - 6a, 9, 12, 15-18:4; А5 - 8a, 11, 14-20:3; А7 - 8а, 11, 14, 17-20:4

Как видно, доля ацетиленовых кислот в спектре жирных кислот состав ляет более 40 %.

Бактерии Ralstonia eutrophа относятся к наиболее перспективным продуцентам биотехнологичекого продукта- полигидроксиалканоатов (ПГА). Они синтезирует с высокими выходами полимеры (до 80-90 %) различной химической структуры на различных субстратах. Технология выделения полимеров предусматривает использование растворителей, которые хорошо экстрагируют из клеток и липидные компоненты, поэтому основными загрязнениями промышленных образцов ПГА могут быть соединения липидной природы.

Для того чтобы прогнозировать источник примесей в полимере, был изучен состава жирных кислот в биомассе водородных бактерий с помощью хромато-масс-спектрометрии. Кроме того, для идентификации жирных кислот были использованы методы химической модификации жирных кислот - гидрирование и сравнение хроматограмм до и после гидрирования метиловых эфиров жирных кислот. Результаты проведенных исследований показаны на рис. 6.12.

Ионная хроматограмма метиловых эфиров жирных кислот липидов Ralstonia еutrophа В5786 до и после гидрирования
Рис. 6.12. Ионная хроматограмма метиловых эфиров жирных кислот липидов Ralstonia еutrophа В5786 до и после гидрирования. Первая цифра - число атомов углерода в цепи жирных кислот, вторая - число насыщенных связей, третья - положение первой двойной связи с метильного конца

Метод газовой хроматографии используется и для качественного и количественного анализа полимера. Количественный анализ полимера проводится с внутренним стандартом, в качестве которого используется бензойная кислота. Качественный анализ позволяет выявить мономерный состав полигидроксиалканоатов. На рис. 6.13 представлена серия хроматограмм полимеров с разным соотношением мономеров - в-гидроксибутирата, в-гидроксивалерата и в-гидроксигексаноата.

Ионные хроматограммы полигидроксиалканоатов, синтезируемые Ralstonia eutropha; С4 - Р-гидроксибутирата; С5 - Р-гидроксивалерата; С6 - Р-гидроксигексаноата
Рис. 6.13. Ионные хроматограммы полигидроксиалканоатов, синтезируемые Ralstonia eutropha; С4 - Р-гидроксибутирата; С5 - Р-гидроксивалерата; С6 - Р-гидроксигексаноата

Н.А. Воинов, Т.Г. Волова
Похожие статьи
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы