Хроматограф Хроматрон

Хроматограф — это прибор, используемый для разделения, идентификации и анализа компонентов сложных смесей. Метод, который лежит в основе работы хроматографа, называется хроматография. Хроматография позволяет разделять вещества на основе их различных химических и физических свойств, таких как размер молекул, полярность или летучесть.

Классификация хроматографов

Хроматографы классифицируются по различным критериям, в зависимости от типа подвижной и неподвижной фазы, способа разделения компонентов, конструкции прибора и области применения. Ниже представлены основные типы хроматографов и их классификации.

1. Классификация по типу подвижной фазы

• Газовые хроматографы (ГХ): подвижной фазой является инертный газ, например, гелий, водород или азот. Газовые хроматографы применяются для анализа летучих и полулетучих веществ, таких как органические растворители, ароматические соединения, углеводороды и компоненты нефти.
• Жидкостные хроматографы (ЖХ): подвижной фазой является жидкость, обычно смесь растворителей. Жидкостные хроматографы, включая высокоэффективные жидкостные хроматографы (ВЭЖХ), подходят для анализа нелетучих и термолабильных веществ, например, биомолекул, лекарственных препаратов, пестицидов.
• Сверхкритическая флюидная хроматография (СФХ): подвижная фаза находится в состоянии сверхкритического флюида, например, углекислого газа при высоких температуре и давлении. Этот метод сочетает преимущества газовой и жидкостной хроматографии, подходит для анализа как летучих, так и нелетучих соединений.

2. Классификация по типу взаимодействия с неподвижной фазой

• Адсорбционная хроматография основана на адсорбции компонентов на поверхности неподвижной фазы, например, на силикагеле. Адсорбция компонентов на неподвижной фазе зависит от их химических свойств, таких как полярность. Применяется для анализа органических соединений.
• Распределительная хроматография основана на различной растворимости компонентов смеси в неподвижной и подвижной фазах. Например, в жидкостной хроматографии это часто бывает смесь воды и органического растворителя. Применяется для анализа смесей веществ с близкими свойствами.
• Ионообменная хроматография основана на ионообменных реакциях между ионами анализируемого вещества и ионообменной смолой, которая служит неподвижной фазой. Применяется для анализа ионов, аминокислот, белков и других ионных соединений.
• Эксклюзионная (гелефильтрационная) хроматография: разделение происходит по размеру молекул, когда крупные молекулы проходят быстрее через колонку, а мелкие задерживаются внутри пор неподвижной фазы. Применяется для анализа макромолекул, таких как белки и полимеры.
• Аффинная хроматография: в основе метода лежит специфическое связывание целевых молекул с неподвижной фазой, которая модифицирована молекулами, способными связывать определенные вещества. Широко используется в биохимии для очистки белков, антител и ферментов.

3. Классификация по способу введения и детектирования

• Колонная хроматография: в этом типе хроматографии используется колонка, заполненная неподвижной фазой, через которую проходит подвижная фаза. Колонная хроматография может быть газовой, жидкостной, ионообменной и т. д.
• Плоскостная хроматография: неподвижная фаза нанесена в виде слоя на плоскую поверхность (например, на пластинку), а подвижная фаза поднимается по неподвижной фазе. Этот метод включает тонкослойную хроматографию (ТСХ) и бумажную хроматографию.
• Тонкослойная хроматография (ТСХ): разновидность плоскостной хроматографии, где неподвижная фаза нанесена на стеклянную или алюминиевую пластинку. Применяется для быстрого анализа и идентификации органических и неорганических соединений.

4. Классификация по типу детектора

• Пламенно-ионизационные детекторы (ПИД) применяются в газовой хроматографии и фиксируют ионизацию компонентов в пламени, что позволяет выявлять широкий спектр органических веществ.
• Теплопроводностные детекторы измеряют различия в теплопроводности газа-носителя и анализируемого компонента. Часто используются в газовой хроматографии для анализа неорганических газов.
• УФ-видимые детекторы (UV-VIS) используются в жидкостной хроматографии для обнаружения веществ, поглощающих ультрафиолетовый или видимый свет, таких как органические соединения и биомолекулы.
• Масс-спектрометрические детекторы (МС) применяются для точной идентификации компонентов смеси на основе их молекулярной массы. Масс-спектрометры могут использоваться как в газовой, так и в жидкостной хроматографии.
• Флуоресцентные детекторы применяются для обнаружения веществ, способных к флуоресценции. Они используются для анализа биомолекул и соединений с высоким флуоресцентным откликом.

5. Классификация по давлению подвижной фазы

• Традиционная жидкостная хроматография осуществляется при атмосферном давлении и применяется для разделения и анализа простых смесей.
• Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) применяется при высоком давлении (до 600 бар), что позволяет быстрее проводить анализ, улучшать разделение компонентов и повышать разрешение.
• Ультраэффективная жидкостная хроматография (УЭЖХ) используется при еще более высоком давлении (более 600 бар). Это обеспечивает более быстрое разделение и еще лучшее разрешение по сравнению с ВЭЖХ, что актуально для высокоточного анализа.

6. Классификация по назначению и области применения

• Аналитические хроматографы предназначены для анализа состава смеси, количественного определения компонентов. Используются в лабораториях для химического анализа, мониторинга качества, медицинских анализов.
• Препаративные хроматографы ориентированы на разделение компонентов с целью их выделения и очистки. Применяются для получения чистых веществ в фармацевтике, биотехнологии и химической промышленности.

Примеры сочетания классификаций

• Газовая хроматография с пламенно-ионизационным детектором (ГХ-ПИД) используется для анализа летучих органических веществ.
• Высокоэффективная жидкостная хроматография с УФ-детектором (ВЭЖХ-УФ) применяется для анализа биомолекул, лекарств и полярных органических соединений.
• Ионообменная хроматография применяется для анализа ионов, аминокислот и пептидов.
• Эксклюзионная жидкостная хроматография с рефрактометрическим детектором используется для анализа макромолекул, таких как белки и полимеры.

Основные элементы хроматографа

Хроматограф состоит из нескольких ключевых элементов, каждый из которых выполняет свою функцию в процессе разделения и анализа компонентов смеси. Эти элементы работают вместе, обеспечивая разделение веществ и фиксацию их характеристик. Вот основные элементы хроматографа:

Источник подвижной фазы

Источник подвижной фазы обеспечивает стабильную подачу подвижной фазы, которая переносит анализируемую смесь через колонку. Для газовой хроматографии источником подвижной фазы является газ, такой как гелий, водород или азот. Газ подается из баллона под постоянным давлением. Для жидкостной хроматографии используется насос, который прокачивает подвижную фазу (жидкость) через колонку под высоким давлением. В высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) насосы могут обеспечивать давление до 600 бар и выше.

Система ввода образца

Система ввода образца позволяет ввести анализируемую смесь в поток подвижной фазы, не нарушая стабильности и скорости потока. В зависимости от типа хроматографа, система ввода образца может быть разной.

Инжектор (для газовой хроматографии) обычно используется для ввода образцов, которые предварительно испаряются и смешиваются с газом-носителем.

Пробоотборник или шприц (для жидкостной хроматографии): образец вводится в жидкость-носитель, и поток под давлением переносит его в колонку. В ВЭЖХ применяются автоматические пробоотборники для точного и быстрого введения.

Колонка

Колонка — основной элемент, в котором происходит разделение компонентов смеси. Она представляет собой трубку, заполненную неподвижной фазой, через которую проходит подвижная фаза. Колонка выбирается в зависимости от задачи анализа и может быть выполнена из различных материалов и иметь разные размеры. Капиллярная колонка (для газовой хроматографии) имеет узкий диаметр и большую длину, что улучшает разделение компонентов. Пакетированная колонка (для жидкостной и ионообменной хроматографии) заполнена частицами сорбента, которые обеспечивают разделение компонентов. Тип и свойства неподвижной фазы в колонке зависят от природы анализируемых веществ и метода хроматографии (адсорбционная, распределительная, ионообменная и др.).

Неподвижная фаза (сорбент)

Неподвижная фаза — это вещество, с которым взаимодействуют компоненты анализируемой смеси, находящиеся в колонке. Оно удерживает молекулы за счет различных химических взаимодействий (например, за счет адсорбции или ионообмена), что замедляет их движение через колонку. Силикагель используется в адсорбционной хроматографии, особенно для разделения полярных веществ. Ионообменные смолы применяются в ионообменной хроматографии для разделения ионов. Пористые материалы (для гелевой хроматографии) применяются для разделения макромолекул по размеру, например, белков и полимеров.

Детектор

Детектор фиксирует компоненты смеси по мере их выхода из колонки, измеряя интенсивность их сигнала, который затем обрабатывается и интерпретируется как пик на хроматограмме. Существует множество типов детекторов, которые используются в зависимости от свойств анализируемых веществ и метода хроматографии.

Пламенно-ионизационный детектор (ПИД) применяется в газовой хроматографии для органических соединений. Теплопроводностный детектор используется для анализа неорганических и органических газов. УФ-видимый детектор используется в жидкостной хроматографии, особенно для веществ, поглощающих УФ-свет. Масс-спектрометрический детектор обеспечивает точную идентификацию веществ по их молекулярной массе и используется как в газовой, так и в жидкостной хроматографии. Флуоресцентный детектор применяется для соединений, обладающих флуоресценцией, часто используется в биохимии и фармацевтике.

Система управления и контроля потока

Система управления потоком необходима для поддержания постоянного давления и скорости потока подвижной фазы. Она особенно важна в высокоэффективной жидкостной хроматографии, где высокое давление обеспечивает лучшее разделение. Регуляторы давления обеспечивают стабильное давление газа в газовой хроматографии. Насосы высокого давления используются в ВЭЖХ для поддержания постоянного потока жидкости под высоким давлением. Контроль температуры часто используется для колонок, так как изменение температуры может влиять на разделение компонентов. Например, в газовой хроматографии часто применяется термостат для поддержания постоянной температуры колонки.

Система обработки и регистрации данных

Система обработки данных регистрирует сигналы, полученные от детектора, и строит хроматограмму — график зависимости сигнала от времени. На хроматограмме каждый пик представляет отдельный компонент смеси. Программное обеспечение хроматографа позволяет автоматизировать процесс анализа, настраивать параметры, сохранять и интерпретировать результаты. Программное обеспечение также позволяет рассчитывать площадь пиков для количественного определения концентрации компонентов, а также определять время удерживания для их идентификации.

Дополнительные элементы (для специальных методов)

Интегрирующая сфера используется в некоторых хроматографах для точного измерения светопоглощения и диффузного отражения, особенно в жидкостной хроматографии. Градиентная система (для ВЭЖХ): система для изменения состава подвижной фазы во время анализа, что позволяет оптимизировать разделение и время анализа для сложных смесей.

Жидкостной хроматограф

Жидкостный хроматограф — это прибор, предназначенный для разделения, идентификации и количественного анализа компонентов сложных смесей с помощью жидкостной подвижной фазы. Один из самых распространенных методов — высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ), которая работает при высоком давлении и позволяет достигать высокого разрешения и быстрого анализа. Жидкостные хроматографы применяются для анализа нелетучих и термолабильных соединений, таких как биомолекулы, лекарственные препараты, органические соединения и полимеры.

Принцип работы жидкостного хроматографа

Принцип работы жидкостного хроматографа основан на взаимодействии компонентов анализируемой смеси с неподвижной и подвижной фазами. Различие в скоростях движения компонентов через колонку позволяет разделить смесь и поочередно измерить каждый компонент.

Введение образца: образец растворяется в подвижной фазе (жидкости) и вводится в поток, направляемый через колонку.

Перенос через колонку: подвижная фаза прокачивается через колонку под высоким давлением, а компоненты смеси взаимодействуют с неподвижной фазой, что вызывает их временное удержание.

Взаимодействие компонентов с неподвижной фазой: в зависимости от свойств компонентов (полярности, заряда, молекулярного веса) они взаимодействуют с неподвижной фазой по-разному. Те компоненты, которые сильнее взаимодействуют с неподвижной фазой, задерживаются в колонке дольше.

Выход компонентов из колонки: по мере движения компоненты поочередно выходят из колонки и поступают в детектор, где их сигнал регистрируется. Время, затраченное компонентом на прохождение через колонку, называется временем удерживания.

Детектирование и анализ данных: детектор фиксирует выход компонентов и передает сигнал на систему обработки данных. Каждому компоненту соответствует пик на хроматограмме, а его положение и площадь пика используются для качественного и количественного анализа.

Конструктивные особенности жидкостного хроматографа

Жидкостный хроматограф состоит из нескольких основных элементов, каждый из которых влияет на точность, скорость и разрешение анализа.

Источник подвижной фазы (жидкости)

В качестве подвижной фазы в жидкостной хроматографии используются жидкости, такие как вода, органические растворители (метанол, ацетонитрил) или их смеси. Подача подвижной фазы осуществляется насосом высокого давления, который поддерживает стабильный поток подвижной фазы через колонку. Давление в ВЭЖХ может достигать 600 бар и более, что позволяет прокачивать жидкость через колонку с высокой скоростью и улучшать разделение компонентов.

Система ввода образца

Образец вводится в поток подвижной фазы с помощью автоматического пробоотборника или вручную через инжектор. Введение должно быть точным и быстрым, чтобы минимизировать диффузию и получить узкие пики на хроматограмме. В автоматических системах для ВЭЖХ часто используются сменные флаконы для проб, что облегчает работу и позволяет проводить автоматизированные анализы с большим количеством образцов.

Колонка

Колонка — это трубка, заполненная неподвижной фазой (сорбентом), которая обеспечивает разделение компонентов. В ВЭЖХ используют колонки длиной 5–30 см и диаметром от 2 до 10 мм, которые заполняются микроскопическими частицами сорбента (чаще всего 3–5 мкм в диаметре). Неподвижная фаза в жидкостной хроматографии может быть различной:

• Обратная фаза (RP-HPLC): в такой колонке сорбент неполярный (например, C18), а подвижная фаза полярная (например, смесь воды с органическим растворителем). Это один из самых популярных видов ВЭЖХ, так как позволяет разделять широкий спектр органических веществ.
• Нормальная фаза (NP-HPLC): полярный сорбент (например, силикагель) и менее полярная подвижная фаза. Подходит для анализа неполярных веществ.
• Ионообменные и гелевые сорбенты используются в специализированных типах хроматографии, таких как ионообменная и эксклюзионная хроматография.

Детектор

Детектор регистрирует компоненты по мере их выхода из колонки, преобразуя их сигнал в данные, которые отображаются на хроматограмме. Существуют разные типы детекторов:

• УФ-видимый детектор (UV-VIS): один из самых распространенных в ВЭЖХ, измеряет поглощение УФ- и видимого света компонентами.
• Флуоресцентный детектор используется для веществ, обладающих флуоресценцией, таких как некоторые биомолекулы.
• Рефрактометрический детектор (RID) измеряет изменение показателя преломления, часто используется для веществ, не поглощающих свет в УФ-области.
• Масс-спектрометрический детектор (МС) обеспечивает идентификацию компонентов по их молекулярной массе, повышая точность анализа.

Система управления потоком

В ВЭЖХ используется система градиентного элюирования — это метод, при котором состав подвижной фазы изменяется в процессе анализа для оптимального разделения. Например, можно начать анализ с водной фазы, а затем постепенно добавлять органический растворитель, чтобы компоненты лучше разделялись и выходили из колонки быстрее. Градиентный насос позволяет управлять составом и скоростью потока подвижной фазы, что особенно полезно при анализе сложных смесей, так как позволяет гибко настраивать условия разделения.

Термостат для колонки

Термостат для колонки используется для поддержания постоянной температуры, что повышает воспроизводимость и точность анализа. Колонку можно нагревать для улучшения скорости и эффективности разделения. В некоторых типах ВЭЖХ температура может достигать 60–80°C, что помогает ускорить элюирование и лучше разделить компоненты смеси.

Система обработки и регистрации данных

Данные, полученные от детектора, обрабатываются с помощью программного обеспечения, которое строит хроматограмму — график зависимости сигнала от времени. Программное обеспечение позволяет идентифицировать компоненты по их времени удерживания и проводить количественный анализ, рассчитывая площадь под пиками.

Преимущества и особенности жидкостного хроматографа (ВЭЖХ)

• Высокое разрешение: за счет использования микрочастиц сорбента и высокого давления ВЭЖХ обеспечивает высокую степень разделения компонентов, что позволяет анализировать даже сложные смеси.
• Широкий спектр анализируемых веществ: жидкостная хроматография подходит для анализа нелетучих и термолабильных соединений, таких как белки, полимеры, пептиды и другие органические соединения.
• Градиентная элюция: возможность изменять состав подвижной фазы в процессе анализа позволяет быстрее и точнее разделять компоненты сложных смесей.
• Автоматизация: современные ВЭЖХ-системы могут работать в автоматическом режиме с большими сериями проб, что повышает производительность и удобство использования.

Газовый хроматограф

Газовый хроматограф — это аналитический прибор, используемый для разделения и анализа летучих и полулетучих соединений. В основе его работы лежит принцип газовой хроматографии (ГХ), где смесь веществ переносится инертным газом через колонку, в которой происходит разделение компонентов в зависимости от их летучести и взаимодействия с неподвижной фазой.

Принцип действия газового хроматографа

Принцип работы газового хроматографа основан на различии летучести компонентов смеси и их взаимодействии с неподвижной фазой в колонке. Основные этапы процесса следующие:

• Подача инертного газа (подвижная фаза): в качестве подвижной фазы используется инертный газ-носитель (обычно гелий, водород или азот), который перекачивает образец через прибор.
• Введение образца: образец вводится в инжектор, где он испаряется и смешивается с газом-носителем.
• Прохождение через колонку: газ-носитель переносит смесь через колонку, которая заполнена неподвижной фазой (жидкостью на поверхности пористого материала или твердым сорбентом). Внутри колонки компоненты смеси взаимодействуют с неподвижной фазой.
• Разделение компонентов: в зависимости от летучести и взаимодействия с неподвижной фазой каждый компонент смеси движется через колонку с разной скоростью. Менее летучие компоненты или те, которые сильнее взаимодействуют с неподвижной фазой, задерживаются дольше, а более летучие проходят через колонку быстрее.
• Выход компонентов из колонки: компоненты поочередно выходят из колонки и поступают в детектор, где их присутствие фиксируется.
• Детектирование: детектор регистрирует компоненты по мере их выхода из колонки, преобразуя их сигналы в электрические импульсы, которые обрабатываются и отображаются на хроматограмме.
• Каждому компоненту соответствует пик на хроматограмме, а его положение (время удерживания) и площадь пика позволяют идентифицировать и количественно оценить компонент.

Конструктивные особенности газового хроматографа

Газовый хроматограф состоит из нескольких основных элементов, каждый из которых выполняет свою роль в процессе анализа.

Источник подвижной фазы (газ-носитель)

Газ-носитель, такой как гелий, водород или азот, подается из баллона с помощью регуляторов давления и потокового контроллера. Подача инертного газа должна быть стабильной и контролируемой, так как колебания потока могут повлиять на время удерживания компонентов и точность анализа. Газ-носитель играет роль "транспорта" для образца, не вступая с ним в химическое взаимодействие.

Инжектор (ввод образца)

Инжектор предназначен для введения анализируемой смеси в поток газа-носителя. Инжектор может работать в ручном или автоматическом режиме. При вводе в инжектор образец испаряется и смешивается с газом-носителем, после чего направляется в колонку. В большинстве случаев инжектор подогревается (до 200–300°C), чтобы быстро испарить образец, особенно если он введен в виде жидкости. В некоторых газовых хроматографах используется сплит-инжектор, который позволяет разделять пробу и вводить только её небольшую часть, что полезно для концентрированных образцов.

Колонка

Колонка — это сердце газового хроматографа, где происходит разделение компонентов смеси. Существует два основных типа колонок:

• Капиллярные колонки представляют собой тонкие трубки с внутренним диаметром от 0,1 до 0,5 мм и длиной от 10 до 100 метров. Внутренняя стенка покрыта неподвижной фазой — слоем жидкости или полимера. Преимущества: высокая разделительная способность, позволяет анализировать сложные смеси. Недостатки: долгое время анализа для некоторых образцов из-за большой длины.
• Пакетированные колонки более короткие и широкие, их внутренний диаметр составляет 2–4 мм, а длина — 1–3 метра. Они заполнены сорбентом (например, пористыми материалами), который удерживает неподвижную фазу. Преимущества: быстрое разделение, высокая производительность для простых анализов. Недостатки: ограниченная разделительная способность по сравнению с капиллярными колонками.

Температура колонки контролируется с помощью термостата. Температурное программирование (повышение температуры в процессе анализа) помогает ускорить элюцию компонентов и улучшить разделение.

Неподвижная фаза

Неподвижная фаза — это вещество, нанесенное на внутреннюю поверхность колонки или на сорбент. Оно взаимодействует с компонентами смеси, вызывая их временное удержание в колонке. Полярные неподвижные фазы используются для анализа полярных веществ, так как полярные компоненты будут задерживаться на колонке дольше. Неполярные неподвижные фазы применяются для анализа неполярных веществ и углеводородов. Тип неподвижной фазы выбирается в зависимости от свойств анализируемых веществ и задачи анализа.

Детектор

Детектор регистрирует компоненты смеси по мере их выхода из колонки. В газовой хроматографии используются различные типы детекторов, в зависимости от природы анализируемых веществ и требований к чувствительности:

• Пламенно-ионизационный детектор (ПИД): один из самых распространенных детекторов, используемых для органических соединений. В пламенном детекторе компоненты ионизируются при горении в пламени водорода и воздуха, и этот процесс регистрируется как электрический сигнал.
• Теплопроводностный детектор (ТПД) измеряет разницу в теплопроводности между чистым газом-носителем и газом, содержащим компоненты смеси. Часто используется для анализа неорганических газов и легколетучих соединений.
• Электронозахватный детектор (ЭЗД) обеспечивает высокую чувствительность к галогенсодержащим соединениям, используется в анализе пестицидов и органических загрязнителей.
• Масс-спектрометрический детектор (МС) позволяет точно идентифицировать компоненты по их молекулярной массе и строению. Используется для высокоточного анализа сложных смесей.

Система управления потоком и термостат
Система управления потоком поддерживает постоянную подачу газа-носителя и позволяет регулировать скорость потока в зависимости от типа анализа. Термостат для колонки поддерживает температуру колонки, что стабилизирует время удерживания компонентов и повышает воспроизводимость результатов. Температурное программирование, при котором температура постепенно повышается во время анализа, позволяет ускорить выход менее летучих компонентов.