Содержание к диссертации
Введение
2. Обзор литературы 10
2.1. История развития метода многомерной газовой хроматографии 10
2.2. Примеры применения двумерной газовой хроматографии 16
2.2.1. Нефтехимия 16
2.2.2. Анализ окружающей среды 22
2.2.3. Пищевая промышленность 28
2.3. Специфические аспекты проведения многомерных хроматографических разделений 34
2.3.1. Перенос пробы между колонками первого и второго измерений 34
2.3.1.1. Двумерная газовая хроматография с переключением потоков (2Д-ГХ) 35
2.3.1.2. Полная двумерная газовая хроматография (ГХ-ГХ) 42
2.3.2. Скоростные разделения в газовой хроматографии 52
3. Экспериментальная часть 59
3.1. Синтез монолитных колонок 59
3.1.1. Подготовка кварцевого капилляра 59
3.1.2. Синтез монолитов в капиллярных колонках 59
3.2. Приборы и реагенты 60
3.2.1. Модернизация газового хроматографа для двумерной газовой хроматографии 60
3.2.2. Хроматографические колонки и реагенты 62
3.3. Определение хроматографических и физико-химических параметров колонок 66
3.3.1. Эффективность колонок 66
3.3.2. Проницаемость колонок 68
3.3.3. Вязкость газов-носителей 69
4. Результаты и их обсуждение 70
4.1 Вывод уравнения кинетических кривых для ГХ 70
4.2 Исследование кинетических зависимостей для полой капиллярной колонки 73
4.3 Исследование кинетических зависимостей для монолитной капиллярной колонки 82
4.4 Исследование процесса переноса пробы между полой капиллярной и монолитной капиллярной колонками 88
4.5 Беспетлевое соединение колонок 97
Выводы 104
Список использованных сокращений 105
Список цитированной литературы
- Примеры применения двумерной газовой хроматографии
- Специфические аспекты проведения многомерных хроматографических разделений
- Подготовка кварцевого капилляра
- Исследование кинетических зависимостей для полой капиллярной колонки
Примеры применения двумерной газовой хроматографии
Развитие аналитических методов имеет огромное значение как для промышленности, где необходим контроль качества продукции и технологических процессов, так и для научных исследований. Повышение точности анализов, снижение пределов обнаружения и увеличение разрешающей способности хроматографических методов являются необходимыми требованиями развития современной науки и техники. Хроматографические методы и приборы развиваются уже более 100 лет с того момента, как М.С. Цвет описал первые хроматографические эксперименты по разделению хлорофиллов и родственных соединений [1]. Первые хроматографические разделения были проведены М.С. Цветом в области жидкостной хроматографии. «Второе рождение» метод получил с открытием Мартином и Джеймсом в 1952 г. газо жидкостной хроматографии на колонках, наполненных гранулированными сорбентами [2]. Внедрение этого метода позволило распространить хроматографический анализ на широкий спектр летучих соединений.
Уже первые исследователи, использовавшие хроматографические методы анализа, столкнулись с проблемой недостаточной разделяющей способности хроматографических колонок для решения стоящих перед исследователями задач. Одним из вариантов решения этой проблемы стало появление полых капиллярных колонок. В своей работе в 1958 г. М. Голей теоретически показал возможность использования полой трубки малого диаметра, покрытой тонким слоем неподвижной жидкой фазы, для реализации разделений с эффективностью во много раз превышающей эффективность, достижимую с использованием заполненных колонок [3]. Это послужило теоретической основой и толчком для создания и бурного развития полых капиллярных колонок. Как известно [4], теоретическая эффективность наполненных колонок ограничена в связи с дисперсией молекул анализируемого вещества в результате существования множества возможных путей при движении молекул через слой сорбента, а также в результате неравномерного распределения неподвижной жидкой фазы на частицах сорбента. Эффективность полых капиллярных колонок практически полностью определяется кинетикой массопереноса между подвижной и неподвижной фазами. На Рисунке 1 показано сравнение результатов хроматографических анализов одной и той же пробы, проведенных с использованием наполненной и полой капиллярной колонки [4]. Как видно из рисунка, полая капиллярная колонка позволяет провести разделение со значительно большей суммарной эффективностью и достичь более низких пределов обнаружения для многих компонентов смеси.
Развитие технологии изготовления капиллярных колонок, появление новых типов газохроматографических детекторов, возможности соединения газового хроматографа с масс-спектрометром сделали капиллярную газовую хроматографию доминирующим методом анализа во многих отраслях промышленности, таких как химическая и нефтехимическая, фармацевтическая, пищевая, незаменимым инструментом экологического контроля. Однако, в связи с все возрастающей сложностью анализируемых объектов, разделяющей способности капиллярной газовой хроматографии, даже в сочетании с масс-спектрометрическим детектором, оказывается часто недостаточно для точного определения состава исследуемой пробы. Для решения этой проблемы была предложена система многомерной газовой хроматографии [5]. Впервые такая система была описана в 1962 г. [6] для определения следовых количеств примесей в винилхлориде. В первых версиях многомерных (наиболее часто – двумерных) систем часть элюата первой колонки изолировали в криогенной ловушке, а затем путем термодесорбции переносили для последующего разделения во вторую колонку. Недостатком этого метода была потеря результатов разделения полученных в первой колонке, поскольку объем переносимой пробы был достаточно большим. В 1980х гг. корпорация Сименс (Siemens) предложила альтернативную схему с двумя изолированными воздушными термостатами, в которых были расположены две колонки, соединение которых осуществлялось посредством крана-переключателя. Такая конструкция позволяла осуществить выделение и перенос небольшой части элюата, содержащей неразделенные в первой колонке компоненты пробы, из первой колонки во вторую.
Компания Филлипс (Phillips) предложила иную газохроматографическую систему, в которой вся разделяемая проба из первой колонки маленькими порциями переносилась во вторую колонку, имевшую селективность, отличную от селективности первой колонки. Для соединения разделяющих колонок между собой фирма Филлипс предложила использовать модулятор. Назначение модулятора – выделить, сконцентрировать и перенаправить часть вещества, содержащегося в хроматографическом потоке после разделения в первой колонке, во вторую колонку в виде импульсов определенной частоты. При этом разделение во второй колонке должно быть завершено раньше, чем закончится цикл модулятора [7].
Были разработаны и более сложные системы, содержавшие три и более колонок. Такие системы были предназначены для решения узкоспециальных, но практически важных задач. Так, для газохроматографического разделения содержащихся в природном газе инертных газов и низших углеводородов компания Перкин Элмер (Perkin Elmer) в начале 1960-х гг. разработала систему с тремя колонками и переключающими кранами. Этот анализ требует использования как адсорбционных, так и распределительных колонок, и предложенная система позволяла провести анализ за один цикл. В это же время фирма Сименс предложила «прецизионный хроматограф» с пятью колонками, что позволяло разделять в одном анализе предельные и непредельные углеводороды, ароматические соединения, постоянные газы и т.д. Однако, в связи с инструментальными ограничениями, это оборудование главным образом применялось в производственном анализе.
Специфические аспекты проведения многомерных хроматографических разделений
Другими соединениями, представлявшими интерес, были нефтехимические биомаркеры [18. 19], стеран и гопан [20,21]. ДГХ успешно применяли для анализа вакуумного газойля [22, 23], азотосодержащих соединений в тяжелых нефтяных фракциях [24], сернистых соединений [25] и продуктов пиролиза [26]. 2Д-ГХ использовали для количественного анализа олефинов в образцах нефтепродуктов [27], исследования образцов дизельного [28] и реактивного топлива [29].
Авторы [30] использовали 2Д-ГХ для анализа таких полярных соединений как кетоны, спирты и нитрилы, а также ароматических углеводородов, содержащихся в бензиновой фракции, полученной в ходе сжижения угля. Была использована полярная колонка с полиэтиленгликолем (ПЭГ) и неполярная
Хотя не все эти изомеры всегда присутствуют в смеси, тем не менее, в подавляющем большинстве случаев картина выглядит именно так. Это делает чрезвычайно сложным полный анализ пробы с использованием одной разделяющей колонки. Большое количество публикаций и их специфика говорит о том, что двумерная газовая хроматография стала мощным инструментом исследования в нефтехимической отрасли. Нельсон и др. [17] с помощью 2Д-ГХ изучали деградацию нефтяного разлива, используя сочетание неполярной колонки RTX-1 c полярной BPX50 и пламенно-ионизационный детектор. Акцент был сделан на области цикланов С5 – С6, которая содержит многочисленные однокольцевые алкилцикло колонка с полиметилсилоксановой (ПМС) фазой. На хроматограмме А (Рисунок 3) полярные компоненты 1-10 разделены до нулевой линии и отстоят от основной массы неразрешенных углеводородных компонентов. Чтобы разделить компоненты пробы, составляющие начальную область хроматограммы, их перенесли в неполярную колонку с ПМС фазой, где они были успешно разделены (Рисунок 3Б). Описанный пример демонстрирует так называемый «обратный» порядок колонок в хроматографической системе. Традиционно в большинстве приложений первое разделение проводят с использованием неполярной колонки, второе – с использование колонки большей полярности. Однако, при разделении довольно узких фракций, содержащих близкие по числу атомов углерода компоненты, часто бывает оправдано «обращение» последовательности колонок для первоначального разделения полярных и неполярных компонентов. При этом, в зависимости от полярности первой колонки, можно как объединить неполярные компоненты в начале хроматограммы для последующего разделения на неполярной колонке, так и частично разделить их уже в первом измерении. Использование ПЭГ, как наиболее полярной из ГХ неподвижных фаз, приводит к максимально возможному разделению полярных соединений в первой колонке и максимальному сжатию группы неразделенных пиков, соответствующих неполярным компонентам, в начальной части хроматограммы, что и продемонстрировано авторами [30].
Постоянное ужесточение экологических требований к качеству бензина требует четкого контроля различных параметров топлива, таких как содержание бензола и ароматических веществ, серы, олефиновых компонентов, общего кислорода и индивидуальных органических кислородсодержащих соединений [31, 32] (оксигенатов). Канатьевой и др. [33] метод 2Д-ГХ-МС был предложен для определения оксигенатов в бензине. Показано, что это облегчает однозначную идентификацию соединений, позволяет исключить ложноположительную идентификацию целевых соединений, а также позволяет избежать значительных ошибок при одновременном определении большого количества компонентов.
Определение следовых количеств н-алканов с температурой кипения до 250оС является актуальным вопросом в нефтехимической области, важным для контроля процессов депарафинизации и поддержания технических характеристик продукции. Из-за содержания множества изомеров и низких концентраций алканов (от 50 до 2000 ppm) ни одна высокоэффективная капиллярная колонка не может обеспечить полное разделение всех соединений смеси [34, 35]. Хроматограммы разделения депарафинизированного керосина [36] представлены
Н-алканы частично или полностью соэлюируются с другими углеводородами (Рисунок 4а, где области, соответствующие элюированию н-алканов, отмечены прямоугольными метками). На Рисунке 4б показаны вырезанные области, которые были перенесены во вторую колонку, ширина зоны вырезания зависит от сложности хроматографического фона вокруг каждого из н-алканов. На Рисунке 4в представлена хроматограмма вырезанных зон, содержащих н-алканы. Из хроматограммы видно, что эти зоны также представляют многокомпонентную смесь веществ, и, несмотря на высокую селективность и разделящую способность 2Д-ГХ, некоторые н-алканы соэлюируются с другими углеводородами. Тем не менее, данная система в состоянии обеспечить разделение, необходимое для получения количественной информации о составе депарафинизированной смеси углеводородов.
Анализ нефтяных фракций и нефтепродуктов с использованием полной двумерной газовой хроматографии в сочетании с времяпролетной масс-спектрометрией (ГХ-ГХ-МС) приведен в работе [37]. Показано, что применение метода ГХ-ГХ-МС для анализа сложных образцов значительно повышает производительность анализа, при этом улучшается хроматографическое разделение и повышается чувствительность. Авторы использовали два независимых механизма разделения: на основе летучести в первой неполярной колонке и на основе полярности во второй, полярной, колонке. Это привело к упорядочиванию хроматограммы, где углеводороды расположены в соответствии с их структурой и числом атомов углерода (Рисунок 5).
Подготовка кварцевого капилляра
На этапе I обе холодные форсунки включены, обе горячие выключены, а компоненты элюата конденсируются за счет охлаждения газом холодных форсунок в первой зоне криофокусировки. На этапе II холодная форсунка №1 выключается и включается горячая форсунка №1, благодаря чему компоненты испаряются из первой зоны криофокусировки и тут же конденсируются вновь во второй зоне, поскольку холодная форсунка №2 продолжает работать. На этапе III холодная форсунка №1 вновь включается, а горячая форсунка №1 выключается: благодаря этому новые порции элюата, поступающие в модулятор, не могут пройти сквозь первую пару форсунок и смешаться с порцией, уже находящейся во второй зоне криофокусировки. Этот этап является ключевым для возможности анализа отделенных друг от друга порций элюата первой колонки. Последний этап необходим для переноса первой порции элюата для разделения во вторую колонку. Это достигается за счет включения горячей форсунки №2. После этого модулятор возвращается на этап I. Во время этапов I, II и III компоненты первой порции элюата должны успеть разделиться на колонке второго измерения и попасть в детектор [114].
Разделение во второй колонке в ГХ-ГХ системе должно быть быстрым, чтобы закончить разделение смодулированных узких участков до появления первых компонентов следующей порции. Нормальное время цикла двухступенчатой модуляции, как и в случае четырехступенчатого процесса, составляет около 5 секунд. Типичная колонка второго измерения очень короткая (1-5 м), узкая (d 0,1 мм) и покрыта тонкой пленкой неподвижной фазы ( 0,1 мкм). Стандартная ширина смодулированных пиков во второй колонке составляет 100 – 200 мс, поэтому время восстановления сигнала детектора должно быть как минимум на порядок ниже (10 точек на пик). Наиболее подходящими детекторами, в этом случае, являются времяпролетные масс-спектрометры (TOF-MS), которые обладают высокой скоростью обработки спектров, необходимых для надлежащей реконструкции очень быстрых (узких) пиков со второй колонки.
Можно провести аналогию между ГХ-ГХ и 2D планарной хроматографией. Если компоненты смеси не разделяются полностью при одном направлении движения, то их пытаются разделить с помощью двумерной техники. Для этого смесь веществ наносят с левого конца линии старта квадратной ТСХ пластинки. При первом элюировании получается одномерная хроматограмма. После высушивания первого элюента пластинку поворачивают на 90о налево для разделения во втором направлении. Если для обоих направлений используют один и тот же элюент, то вещества будут расположены на диагонали пластинки. Если во втором направлении используют элюент, в котором некоторые вещества имеют другую скорость миграции, то распределение зон компонентов по поверхности пластинки выглядит, как показано на Рисунке 20. Для данной пары элюентов и данной смеси веществ получается характеристическое распределение.
Точно также и в ГХ-ГХ, путем преобразования обычной хроматограммы в контурную, мы можем наблюдать распределение зон компонентов в пространстве. Постройка так называемых контурных хроматограмм позволяет характеризовать анализируемую смесь суммой классов соединений, как это сделали, например, авторы [37]. Для детальной характеристики нефтепродукта они получили сумму каждой из областей: н-парафинов, изопарафинов, циклических соединений, замещенных бензенов и других классов, дополняя эти результаты данными по числу углеродных атомов (Рисунок 21).
Процесс обработки хроматограмм можно условно разделить на следующие стадии [115] (Рисунок 22): Рисунок 21. Контурная хроматограмма с отмеченными группами соединений. А: Модулятор быстро выбирает пики поступившие из первой колонки и направляет в колонку 2. Процесс модуляции показан для двух перекрывающихся компонентов (X и Y), выходящих из колонки первого измерения с определенным временем удерживания (1tR). Поскольку период модуляции (ПМ) происходит за определенное время, у узких групп аналитов, поступающих на вторую колонку различные времена удерживания (2tRX и 2tRY). Б: Детектор регистрирует сигнал всего процесса разделения. В: Построение 3D хроматограммы и конструирование контурного участка по собранным скоростным разделениям второго измерения (Б), в котором схожие сигналы связаны с контурными линиями. Рисунок 22. Схема обработки данных в ГХ-ГХ.
Проведение хроматографического анализа в максимально короткое время с разрешением, обеспечивающим необходимое разделение компонентов пробы, было в центре внимания исследователей еще на самых ранних этапах развития газовой хроматографии [116]. В 1962 г. Гиддингс [117] опубликовал основные принципы построения зависимостей, которые впоследствии были названы кинетическими кривыми [118, 119]. Для выяснения взаимосвязи скорости проведения анализа и условий его проведения Гиддингс использовал два хорошо известных в хроматографии соотношения: зависимость Ван-Деемтера: H=A+B/u+Cu (3) где Н – высота эквивалентная теоретической тарелке, u – средняя линейная скорость подвижной фазы, А, В и С - константы и соотношение Пуазейля-Дарси для сжимаемой подвижной фазы: где р - перепад давления на колонке. pi и р0 - давления на входе и выходе из колонки, j - коэффициент сжимаемости Халаша, j - коффициент сжимаемости Джеймса-Мартина (значения коэффициентов см. табл. 2), L - длина колонки, -вязкость подвижной фазы, Во - проницаемость колонки.
Однако в традиционной форме уравнение Ван-Деемтера мало пригодно для газовой хроматографии поскольку согласно теории хроматографии константы В и С на самом деле константами не являются, а зависят от коэффициентов диффузии сорбата в подвижной фазы, которые в свою очередь зависят от давления газа-носителя. Чтобы устранить эту неопределенность Гиддингс вывел уточненное уравнение для зависимости Ван-Деемтера:
Исследование кинетических зависимостей для полой капиллярной колонки
В этих условиях монолитная колонка способна генерировать 50000 теор. тарелок за время порядка 7,4 с, что даже несколько ниже, чем у полой капиллярной колонки (Рисунок 28). Рассчитанные параметры монолитной колонки, приведенные справа на Рисунке 34, показывают, что необходимая длина монолитной колонки составляет всего 43 см, но, вследствие низкой проницаемости она требует для своей работы очень высокого давления, не совместимого с современными коммерческими приборами. Критическое давление для монолитной колонки также находится заметно выше (около 79 атм.), чем у полой капиллярной колонки. Однако эта величина плохо согласуется с теоретической величиной, рассчитанной по формуле Гиддингса (уравнение 33). Причина, вероятно, заключается в неопределенности фактора сопротивления монолитной колонки . Мы использовали при расчетах значение = 500 приводимое в литературе [125] для наполненных капиллярных колонок, которое очевидно не годится для монолитных капиллярных колонок.
Выбранная нами для построения зависимости неудерживаемого компонента от давления на монолитной колонке (Рисунок 34) величина эффективности, как и в случае полой капиллярной колонки, оказывается слишком большой для проведения скоростных разделений, и время выхода неудерживаемого компонента также оказывается слишком большим для применения колонок таких размеров в полной ГХ-ГХ. По аналогии с полой капиллярной колонкой, мы рассмотрели возможности монолитной колонки при генерировании меньшего числа тарелок (до 5000 теор. тарелок). Соответствующая контурная диаграмма показана на Рисунке 35. Как следует из рисунка, монолитная колонка по скорости генерирования теор. тарелок превосходит полую капиллярную колонку (Рисунок 29) и за 0,5 с. она способна генерировать 5000 теор. тарелок. Требуемая длина колонки 4 см - на три порядка меньше, чем длина полой капиллярной колонки (Рисунок 29), при сопоставимом перепаде давления (0,5 атм. у полой колонки и 3 атм. у монолитной колонки), и на 2-3 порядка более высоком рабочем давлении.
Представленные выше результаты полуэмпирического моделирования скоростных разделений показывают, что и полые капиллярные, и монолитные капиллярные колонки способны проводить скоростные разделения за время приемлемое для полной ГХ-ГХ, но только при очень ограниченной эффективности колонки, необходимой для конкретного разделения. В этих условиях монолитная колонка производит за сопоставимое время на 40-50% больше теоретических тарелок, чем полая капиллярная колонка, но требует для своей работы значительно более высокого рабочего давления. Высокое рабочее давление, необходимое для того, чтобы монолитная колонка проявила свои разделяющие способности, представляет серьезное препятствие при сочетании с полой капиллярной колонкой, поскольку последняя работает при низких рабочих давлениях (обычно не выше 10 атм.). Это потребовало проведения дополнительных исследований по практическому переносу разделяемой пробы между двумя колонками, результаты которых представлены ниже. 4.4 Исследование процесса переноса пробы между полой капиллярной и монолитной капиллярной колонками
В классической ДГХ перенос пробы из одной колонки на другую производится, когда давление на выходе первой колонки уравнено с давлением на входе второй колонки. В случае сочетания с монолитной колонкой рабочие давления полой и монолитной колонок сильно различаются и необходимы специальные приемы, чтобы перенести пробу из одной колонки на вторую. Пожалуй, самый простой вариант это использовать монолитную колонку как колонку первого измерения. Давление на выходе монолитной колонки равно атмосферному и его легко согласовать с давлением на входе полой капиллярной колонки, используемой во втором измерении. Однако такая схема соединения колонок не позволяет раскрыть преимущества монолитной колонки. В первом измерении не требуется высокоскоростных разделений, а суммарная эффективность длинной полой капиллярной колонки будет выше, чем у короткой монолитной, несмотря на более высокую удельную эффективность последней. Свои преимущества монолитная колонка может раскрыть, если она будет использоваться как колонка второго измерения, где требуются не только эффективные, но и быстрые разделения.
Возможность применения монолитной колонки, как колонки второго измерения была недавно показана в работе Перони и др. [134], в системе с криомодулированием переносимой пробы. Для этого авторы приготовили специальную монолитную колонку высокой проницаемости. Несмотря на высокую проницаемость данной колонки, чтобы согласовать давления на колонках обоих измерений, авторам пришлось уменьшить длину монолитной колонки до 8 см. Приготовленная авторами колонка обладала низкой удельной эффективностью ( 0.2 мм), которая сопоставима с эффективность полой капиллярной колонки того же диаметра. Суммарная эффективность использованной монолитной колонки также была невысокой, учитывая небольшую длину колонки, и, тем не менее, по данным авторов, благодаря высокой емкости и селективности, при разделении легкой фракции бензина монолитная колонка позволила достичь лучшего разделения во втором измерении, чем короткая полая капиллярная колонка.
Высокоэффективные монолитные колонки, как было показано ранее в нашей лаборатории [135], обладают низкой проницаемостью и требуют высокого рабочего давления, которое может более чем в 100 раз превышать давление на выходе из колонки первого измерения. В таком случае одним из вариантов сочленения колонок становится использование крана-переключателя, позволяющего пневматически развязать колонки первого и второго измерения. Соответствующая схема соединения колонок показана на Рисунке 23, и она требует, прежде всего, выбора объема пели, переносящей пробу из колонки первого измерения на колонку второго измерения. Петля не должна быть слишком большой, чтобы не вызывать дополнительного размывания переносимой пробы, но и не должна быть слишком маленькой, чтобы в ней умещалась вся неразделенная зона, которую требуется перенести на колонку второго измерения. В обычном варианте применение петлевого крана-переключателя не предполагает какого-либо концентрирования пробы, и переносимый объем пробы определяется объемом вырезаемой зоны (heart-cut). Однако в случае применения монолитной колонки, вследствие большого различия в рабочих давлениях монолитной и полой колонок, можно было ожидать, что зона вырезанная на первой колонке будет сильно сжата после ее переключения на монолитную колонку. Подобное концентрирование пробы, хотя оно и не описано в литературе, было бы крайне желательно, поскольку обычный объем пробы, вводимой на монолитную колонку, составляет доли микролитра, тогда как объем вырезаемой зоны может достигать несопоставимо больших размеров, как это следует из рассматриваемого ниже примера.
