Газовый хроматограф: устройство, детекторы и как выбрать прибор для лаборатории

Газовый хроматограф — основной прибор для анализа летучих веществ: природного и попутного газа, бензинов, растворителей, спиртов, ароматизаторов, остаточных растворителей в лекарствах, загрязнителей воздуха и воды. В Казахстане на нём работают лаборатории нефтегазовых компаний и НПЗ, энергетики, экологические и санитарно-эпидемиологические лаборатории, фармацевтические и пищевые производства, судебные эксперты. Ниже — как устроен газовый хроматограф, какие бывают колонки и детекторы, чем ГХ отличается от ГХ-МС и на что смотреть при выборе, чтобы прибор подошёл под ваши методики.

Коротко:

• Газовый хроматограф разделяет смесь летучих веществ на компоненты и измеряет количество каждого.
• Возможности прибора определяют три вещи: колонка, детектор и способ ввода пробы.
• Для известного перечня веществ достаточно ГХ с пламенно-ионизационным детектором или детектором по теплопроводности, для неизвестных веществ и следовых количеств нужен ГХ-МС.
• Подбор начинают с методики, по которой будет работать лаборатория, а не с каталога.

Что такое газовая хроматография

Газовая хроматография (ГХ) — метод разделения смеси на отдельные вещества. Пробу переводят в пар, и поток инертного газа — газа-носителя — проносит её через колонку. Внутри колонки находится неподвижная фаза: тонкая плёнка полимера на стенках капилляра или сорбент в насадочной колонке. Каждое вещество удерживается неподвижной фазой по-своему, поэтому компоненты выходят из колонки в разное время и по очереди попадают в детектор.

Результат анализа — хроматограмма: график, на котором каждому веществу соответствует пик. По времени выхода пика (времени удерживания) вещество идентифицируют, по площади пика считают его количество, сравнивая с градуировкой по стандартным образцам.

Метод подходит для веществ, которые испаряются без разложения. Если вещество нелетучее, разрушается при нагреве или это крупная молекула вроде белка, нужна жидкостная хроматография — о ней в статье ВЭЖХ: как устроен жидкостный хроматограф. Общий обзор обоих методов — в материале хроматографические методы анализа.

Что анализируют на газовом хроматографе

Как устроен газовый хроматограф

Прибор состоит из нескольких узлов, и от каждого зависит, какие задачи он сможет решать.

Порядок работы такой: проба попадает в испаритель, газ-носитель переносит пары в колонку, при нагреве компоненты разделяются, детектор регистрирует каждый из них, программа строит хроматограмму и рассчитывает результат.

Колонки: капиллярные и насадочные

Капиллярные колонки — тонкие трубки из кварцевого стекла с внутренним диаметром от 0,1 до 0,53 мм, чаще всего длиной 15–60 м, а для отдельных задач — до 100 м. Неподвижная фаза нанесена на их внутренние стенки. Они дают высокую эффективность разделения и используются в большинстве современных методик.

Насадочные колонки — трубки из металла или стекла диаметром 2–4 мм и длиной 1–3 м, заполненные сорбентом. Их применяют в основном для анализа газов и там, где такая колонка прямо прописана в методике.

Неподвижную фазу подбирают по полярности веществ:

• неполярные (полидиметилсилоксан, в том числе с 5% фенильных групп) — углеводороды, нефтепродукты, универсальный скрининг;
• среднеполярные — пестициды, лекарственные вещества, растворители;
• полярные (полиэтиленгликоль, фазы типа WAX) — спирты, эфиры, ароматические и пищевые компоненты;
• PLOT-колонки и молекулярные сита — постоянные газы (водород, кислород, азот, оксид и диоксид углерода) и лёгкие углеводороды.

Если методика задаёт фазу, длину, диаметр колонки и толщину плёнки, менять их без проверки нельзя: результаты могут разойтись с нормативом.

Детекторы газового хроматографа: какой нужен под вашу задачу

На один хроматограф можно установить несколько детекторов. Например, для полного анализа газа часто используют ДТП и ПИД одновременно, иногда — несколько каналов с отдельными колонками. В газовых хроматографах Clarus 590/690 установлен ПИД с линейным диапазоном 10⁷: в одном анализе без перенастройки можно считать и основные компоненты, и примеси.

Способы ввода пробы: жидкость, газ, равновесный пар, термодесорбция

От способа ввода зависит, какие пробы можно анализировать и сколько времени уйдёт на подготовку.

• Автосамплер жидких проб. Вводит одинаковый объём пробы раз за разом, работает ночью и в выходные. При потоке проб больше десятка в смену почти обязателен.
• Кран-дозатор для газов. Газ из баллона, пробоотборника или технологической линии подаётся в петлю постоянного объёма — так анализируют природный газ, газы нефтепереработки, воздух.
• Парофазный анализ (headspace). Пробу — жидкую или твёрдую — помещают в герметичный флакон и нагревают. Летучие вещества переходят в газовую фазу над пробой, и в хроматограф попадает только пар, а матрица остаётся во флаконе и не загрязняет колонку. Так определяют остаточные растворители в лекарствах, этанол в крови, летучие вещества в воде, напитках и полимерах. Парофазный дозатор TurboMatrix HS вмещает до 110 флаконов и одновременно термостатирует 12 проб.
• Термодесорбция. Воздух прокачивают через трубку с сорбентом, и летучие вещества задерживаются в ней. В приборе трубку нагревают, вещества десорбируются, собираются в охлаждаемой ловушке и попадают в колонку узкой зоной. Метод нужен для мониторинга воздуха, контроля выделений из материалов, анализа ароматизаторов. Для этого служат приставки для термической десорбции TurboMatrix с двухстадийной десорбцией и ловушкой на элементах Пельтье.

Газовый хроматограф работает и в связке с другими приборами. Например, при анализе выделяющихся газов термоанализатор подключают к ГХ-МС, чтобы узнать, какие именно вещества выделяет образец при нагреве.

ГХ, ГХ-МС или готовый анализатор: что выбрать

Подробнее о том, как масс-спектрометр определяет вещества и какие бывают масс-анализаторы, — в статье масс-спектрометрия: принцип работы и выбор прибора.

Как выбрать газовый хроматограф: 8 вопросов перед закупкой

1. По какой методике будете работать? ГОСТ, СТ РК, ASTM, ISO или фармакопейная статья задают детектор, колонку, газ-носитель и способ ввода. С неё и начинают подбор.
2. Какие вещества и в каких концентрациях? Проценты, ppm или ppb — от этого зависит выбор детектора и способа ввода. Для следов летучих веществ в воде, например, нужен парофазный ввод или ГХ-МС.
3. Какие пробы? Газ, жидкость, твёрдые образцы, воздух на сорбенте — под каждый тип нужен свой узел ввода.
4. Сколько проб в день? При большом потоке нужны автосамплер, быстрый нагрев и охлаждение термостата, иногда второй канал.
5. Какие газы доступны? Гелий — классический газ-носитель, но дорогой и бывает в дефиците. Водород от генератора и азот — альтернатива, если методика это допускает. Для ПИД нужны водород и воздух, и генераторы избавляют от постоянной замены баллонов.
6. Какие требования к данным? Фармацевтике и аккредитованным лабораториям нужны журнал аудита, разграничение прав пользователей, электронные подписи и хранение исходных данных.
7. Готово ли помещение? Стабильная температура без сквозняков и прямого солнца, вытяжка, заземлённая сеть с источником бесперебойного питания, безопасное место для баллонов с креплением.
8. Кто будет обслуживать прибор? Пусконаладка, обучение, адаптация методики, запас расходников и гарантийный сервис влияют на работу лаборатории не меньше, чем характеристики прибора.

Если прибор будет работать в сфере государственного регулирования — в аккредитованной лаборатории или при контроле продукции по техническим регламентам, — заранее уточните, внесён ли тип прибора в реестр государственной системы обеспечения единства измерений РК и как будет проходить поверка.

Частые ошибки при покупке

• Покупают прибор «вообще», без методики. Потом приходится докупать детектор, кран-дозатор или другую колонку.
• Экономят на автосамплере. Ручной ввод даёт больший разброс результатов и занимает время специалиста.
• Не считают расходы на первый год. Газы, колонки, септы, лайнеры и фильтры — регулярная статья затрат, её стоит заложить в бюджет сразу.
• Путают задачи ГХ и ГХ-МС. Масс-спектрометр не нужен там, где хватает ПИД, и наоборот — без масс-детектора не получится надёжно определить неизвестное вещество.
• Забывают о пробоподготовке. Экстракция, очистка и концентрирование влияют на результат не меньше, чем сам прибор. Об этом — в статье почему один и тот же образец даёт разные результаты; оборудование — в разделе пробоподготовка для хроматографии.

От чего зависит цена газового хроматографа

Цена складывается из конфигурации, поэтому единого прайса на газовые хроматографы не бывает. На стоимость влияют:

• количество и тип детекторов, число каналов и колонок;
• наличие масс-спектрометра;
• автосамплер, парофазный дозатор или термодесорбер;
• генераторы водорода, азота и воздуха;
• программное обеспечение и лицензии;
• пусконаладка, обучение персонала и адаптация методики.

Базовый хроматограф с одним ПИД и ручным вводом стоит в разы дешевле, чем ГХ-МС с парофазным дозатором и автосамплером. Чтобы получить точную цену, пришлите методику или перечень задач — подготовим коммерческое предложение под вашу конфигурацию. Все модели собраны в разделе газовые хроматографы, а расходники — в разделе расходные и комплектующие материалы.

Вопросы и ответы

Что такое газовый хроматограф простыми словами?

Это прибор, который разделяет смесь летучих веществ на отдельные компоненты и измеряет количество каждого. Проба испаряется, газ-носитель проносит её через длинную тонкую колонку, вещества выходят из неё по очереди, а детектор фиксирует каждое.

Чем газовый хроматограф отличается от жидкостного?

В газовом хроматографе подвижная фаза — газ, и проба должна испаряться без разложения. В жидкостном — жидкость под давлением, поэтому он подходит для нелетучих, термически нестойких и крупных молекул: сахаров, витаминов, большинства лекарств. Многие лаборатории используют оба метода.

Какой газ-носитель лучше: гелий, водород или азот?

Гелий универсален и безопасен, но дорогой. Водород позволяет ускорить анализ без потери разделения и недорог при работе от генератора, но требует мер безопасности и подходит не для всех методик. Азот самый дешёвый, но анализ на нём идёт медленнее. Окончательный выбор определяет методика.

Какой детектор нужен для анализа природного газа?

Обычно используют сочетание детекторов: ДТП для постоянных газов и диоксида углерода, ПИД для углеводородов. Для сернистых соединений добавляют серочувствительный детектор, например пламенно-фотометрический. Часто удобнее взять готовый анализатор под ASTM D1945 или ISO 6974.

Можно ли анализировать на ГХ твёрдые образцы?

Да. Летучие вещества из полимеров, почвы, лекарственных форм определяют парофазным методом или термодесорбцией. Другой путь — экстрагировать вещества растворителем и вводить в прибор уже раствор.

Сколько длится один анализ?

От нескольких минут для газовых смесей до часа и больше для сложных смесей вроде детального анализа бензинов. К этому добавляется время на охлаждение термостата перед следующей пробой.

Чем ГХ-МС лучше обычного хроматографа с ПИД?

ГХ с ПИД определяет вещество только по времени удерживания, поэтому для каждого вещества нужен стандарт. ГХ-МС даёт масс-спектр: вещество можно опознать по библиотеке спектров и подтвердить результат. Зато ГХ-МС дороже и сложнее в обслуживании.

Нужна ли для хроматографа отдельная комната?

Отдельная комната не обязательна, но нужны стабильная температура, вентиляция и вытяжка, заземлённая электросеть с ИБП и безопасное размещение газовых баллонов по правилам безопасности.

Какие расходные материалы нужны для газового хроматографа?

Септы и лайнеры испарителя, ферулы и уплотнения, колонки, фильтры очистки газов, флаконы и крышки для автосамплера, газы или генераторы. Их стоит заказывать вместе с прибором, чтобы лаборатория не простаивала.

Сколько стоит газовый хроматограф в Казахстане?

Цена зависит от конфигурации: детекторов, системы ввода, наличия масс-спектрометра, ПО и сервиса. Точную стоимость рассчитываем под методику — пришлите задачу, и мы подготовим коммерческое предложение.

Подбор газового хроматографа в Алматы

ТОО AsiaLab — авторизованный представитель PerkinElmer в Казахстане. Поставляем газовые хроматографы Clarus 590/690, ГХ-МС Clarus SQ 8, парофазные дозаторы TurboMatrix HS, приставки для термодесорбции TurboMatrix, портативный ГХ-МС Torion T-9 и анализаторы для нефтехимии. Помогаем подобрать детекторы и колонки под методику, доставляем по Казахстану, устанавливаем и обучаем персонал.

Пришлите методику или опишите задачу — подберём конфигурацию и подготовим коммерческое предложение. Телефоны: +7 (727) 222-28-17, +7 (701) 710-16-45, e-mail info@asialab.kz. Офис: Алматы, пр. Абылай хана, 68-6, пн–пт с 10:00 до 18:00. Все контакты — на странице контакты.