Хроматографы: устройство, виды и как выбрать оборудование для лаборатории

Хроматограф — это аналитический прибор, который позволяет разделять сложные смеси на отдельные компоненты, обнаруживать содержащиеся в них вещества и определять их количество. Такое оборудование применяется в исследовательских, производственных, экологических, фармацевтических и других лабораториях, где необходимо получить точные данные о составе образца.

Если говорить простыми словами, прибор сначала разделяет вещества, содержащиеся в пробе, а затем регистрирует каждый компонент. Результатом анализа становится хроматограмма — графическое представление сигнала детектора, по которому специалист может судить о составе исследуемой смеси.

При этом возможности оборудования сильно различаются. Для летучих соединений применяют газовую хроматографию, для нелетучих и термолабильных веществ — жидкостную, а для определения ионов широко используются методы ионной хроматографии. Поэтому при оснащении лаборатории важно понимать не только как работает хроматограф, но и какой метод, детектор и конфигурация подходят под конкретную аналитическую задачу.

Что такое хроматограф и для чего он нужен

Хроматография — это физико-химический метод разделения и определения соединений. Хроматограф — прибор, с помощью которого этот метод реализуется в лабораторных условиях.

В основе анализа лежит разное взаимодействие компонентов смеси с двумя фазами. Одна из них перемещается через систему и называется подвижной фазой. Вторая остается неподвижной и обеспечивает разделение веществ. В зависимости от метода подвижной фазой может быть газ или жидкость.

Для чего нужен хроматограф? Основные задачи оборудования — разделение компонентов сложной смеси, их обнаружение, идентификация и количественное определение. Приборы применяются, когда необходимо проверить чистоту вещества, определить содержание основного компонента, обнаружить примеси или исследовать состав многокомпонентного образца.

Важно правильно понимать и вопрос, что измеряет хроматограф. Сам прибор не измеряет одно конкретное физическое свойство по аналогии с весами или термометром. В ходе анализа он разделяет компоненты смеси, после чего детектор регистрирует их появление и формирует аналитический сигнал. С использованием стандартных образцов и калибровки этот сигнал позволяет определять содержание веществ в пробе.

Таким образом, то, что делает хроматограф, зависит от установленного метода и конфигурации системы: один прибор может использоваться для количественного контроля известных компонентов, другой — для поиска следовых примесей или идентификации неизвестных соединений.

Как работает хроматограф

Общий принцип работы хроматографа основан на том, что разные вещества проходят через разделительную систему с неодинаковой скоростью. Причина заключается в различном взаимодействии компонентов с подвижной и неподвижной фазами.

Процесс анализа можно условно разделить на несколько этапов.

1. Подготовка и ввод пробы. Исследуемый образец подготавливают в соответствии с аналитической методикой и вводят в прибор вручную или с помощью автосамплера. Объем пробы должен быть точно дозирован, поскольку от этого зависит воспроизводимость анализа.
2. Перенос компонентов. Подвижная фаза переносит вещества через хроматографическую систему. В газовом приборе эту функцию выполняет газ-носитель, а в жидкостном — растворитель или смесь растворителей, которые называют элюентом.
3. Разделение смеси. Основной процесс происходит в хроматографической колонке. Компоненты пробы по-разному взаимодействуют с ее неподвижной фазой. Одни вещества проходят через колонку быстрее, другие задерживаются дольше.
4. Детектирование. После выхода из колонки вещества последовательно поступают в детектор. Он преобразует физические или химические свойства компонентов в электрический сигнал.
5. Построение хроматограммы. Программное обеспечение регистрирует сигнал детектора и формирует хроматограмму. Отдельные компоненты обычно отображаются в виде пиков.
6. Обработка результатов. На основании времени удерживания, площади или высоты пиков, калибровочных данных и других параметров выполняется качественный и количественный анализ.

Именно последовательное разделение веществ позволяет понять работу прибора с многокомпонентными пробами. Вместо попытки измерить всю смесь одновременно хроматограф разделяет ее на отдельные составляющие и анализирует их последовательно.

Устройство хроматографа

Конструкция системы зависит от выбранного метода, однако общее устройство хроматографа включает несколько функциональных блоков.

• Система подачи подвижной фазы. Обеспечивает стабильное движение газа или жидкости через аналитический тракт.
• Устройство ввода пробы. Служит для точного дозирования образца и его подачи в систему.
• Хроматографическая колонка. Является основным разделяющим элементом прибора. Именно в ней компоненты смеси перемещаются с разной скоростью.
• Система термостатирования. Поддерживает заданную температуру колонки или других узлов. Стабильность температуры особенно важна для воспроизводимости результатов.
• Детектор. Регистрирует компоненты после их разделения.
• Система сбора и обработки данных. Управляет оборудованием, записывает сигнал, строит хроматограммы и выполняет расчеты.

Конкретная конструкция этих узлов различается у газовых и жидкостных систем.

Устройство газового хроматографа

Устройство газового хроматографа адаптировано для работы с веществами, способными переходить в газовую фазу без значительного разложения.

Типовая система включает следующие компоненты:

• источник газа-носителя;
• блок регулирования давления и расхода газа;
• устройство ввода пробы;
• испаритель;
• хроматографическая колонка;
• термостат колонок;
• один или несколько детекторов;
• электронный блок и программное обеспечение.

После ввода жидкая проба испаряется, смешивается с газом-носителем и поступает в колонку. Температурный режим колонки может оставаться постоянным либо изменяться по заданной программе.

Принцип работы газового хроматографа заключается в разделении компонентов смеси по мере их перемещения в потоке газа через колонку. Скорость движения отдельных соединений зависит от их летучести и характера взаимодействия с неподвижной фазой.

Устройство жидкостного хроматографа

В жидкостной системе подвижной фазой служит растворитель. Для ее перемещения через колонку используются насосы, способные поддерживать стабильный поток, а в высокоэффективной жидкостной хроматографии — работать при повышенном давлении.

В состав оборудования могут входить:

• емкости для растворителей;
• дегазатор;
• насосный модуль;
• ручной инжектор или автосамплер;
• колонка;
• термостат колонок;
• детектор;
• программное обеспечение.

Принцип работы жидкостного хроматографа также основан на различной скорости перемещения компонентов через колонку, однако перенос веществ осуществляется жидким элюентом. Этот подход позволяет исследовать и те соединения, которые плохо испаряются или разрушаются при нагревании.

Основные виды хроматографов

На практике тип оборудования выбирают прежде всего по свойствам анализируемых веществ и поставленной задаче. В лабораториях наиболее широко применяются газовые, жидкостные и ионные системы, а для задач, требующих высокой селективности идентификации, используются хромато-масс-спектрометрические комплексы.

Тип оборудования	Подвижная фаза	Для каких объектов применяется	Типичные задачи
Газовые хроматографы	Газ	Летучие и термостабильные соединения	Анализ растворителей, углеводородов, газов, летучих органических веществ
Жидкостные хроматографы (ВЭЖХ)	Жидкость	Нелетучие, малолетучие и термолабильные соединения	Фармацевтический, химический, пищевой и биохимический анализ
Ионные хроматографы	Жидкий элюент	Ионы и ионогенные соединения	Определение анионов, катионов, органических кислот и аминов
Газовые хромато-масс-спектрометры (ГХ-МС)	Газ	Летучие соединения в сложных смесях	Высокоселективная идентификация и определение следовых количеств
Жидкостные хромато-масс-спектрометры (ЖХ-МС)	Жидкость	Нелетучие и сложные органические соединения	Исследование лекарственных веществ, метаболитов и сложных матриц

Газовые хроматографы

Газовая хроматография применяется для соединений, которые можно перевести в газовую фазу без существенного изменения состава. Метод востребован при анализе нефтепродуктов, растворителей, газовых смесей, ароматических соединений и других летучих веществ.

В качестве подвижной фазы используется газ-носитель. Он транспортирует испаренную пробу через колонку к детектору. В зависимости от аналитической задачи система может комплектоваться различными типами детекторов.

Газовая хроматография отличается высокой эффективностью разделения.

Жидкостные хроматографы

Высокоэффективная жидкостная хроматография, или ВЭЖХ, используется для исследования веществ, которые невозможно или нецелесообразно анализировать в газовой фазе.

К ним относятся многие лекарственные соединения, биологически активные вещества, красители, полимеры, компоненты пищевых продуктов и другие нелетучие соединения.

Насос прокачивает элюент через колонку, а введенные компоненты смеси разделяются в зависимости от характера взаимодействия с неподвижной фазой. Изменяя состав подвижной фазы, тип колонки и режим работы системы, можно адаптировать метод под широкий спектр задач.

Ионные хроматографы

Ионная хроматография является разновидностью жидкостной хроматографии и применяется прежде всего для определения ионов в растворах.

Метод используется для анализа воды, пищевых продуктов, фармацевтических субстанций, почвенных вытяжек, технологических растворов и других образцов. С его помощью можно определять анионы, катионы и ряд других ионогенных компонентов.

Главное преимущество метода — возможность одновременно определять несколько ионов в одной пробе при высокой селективности анализа.

Хромато-масс-спектрометрические системы

При особенно сложном составе образца возможностей обычного хроматографического детектора может быть недостаточно. В таких случаях применяют системы ГХ-МС и ЖХ-МС.

В них хроматограф сначала разделяет компоненты смеси, а масс-спектрометр регистрирует ионы, характеризующие отдельные соединения. Такой подход обеспечивает дополнительные возможности для идентификации веществ и анализа компонентов, присутствующих в небольших концентрациях.

ГХ-МС используется главным образом для летучих соединений, тогда как ЖХ-МС позволяет работать с широким спектром нелетучих и термолабильных веществ.

Где применяются хроматографы

Хроматографический анализ применяется практически во всех областях, где требуется контролировать состав сырья, продуктов или окружающей среды.

Область	Основные задачи
Фармацевтика	Контроль содержания действующих веществ, примесей и продуктов разложения
Химическая промышленность	Исследование сырья, продуктов реакций и технологических смесей
Нефтехимия	Анализ углеводородов, топлив, масел и растворителей
Пищевая промышленность	Определение компонентов продуктов, загрязнителей и технологических добавок
Экология	Анализ загрязняющих веществ в воде, воздухе и почве
Медицина и биология	Исследование biological образцов и отдельных групп соединений
Научные лаборатории	Идентификация веществ, разработка и валидация аналитических методов

При этом конкретный тип прибора определяется не отраслью как таковой, а аналитической задачей, свойствами компонентов и требованиями используемой методики.

Как выбрать хроматограф для лаборатории

Подбор оборудования начинается не с сравнения отдельных моделей, а с определения задачи. Универсальной системы, одинаково подходящей для любых проб и методов анализа, не существует.

При выборе необходимо учитывать несколько взаимосвязанных параметров.

Определите вещества и тип образцов

В первую очередь необходимо понять, какие соединения предстоит определять и в каких образцах они находятся.

• летучесть;
• термостабильность;
• полярность;
• молекулярная масса;
• предполагаемая концентрация;
• состав матрицы;
• агрегатное состояние образца.

Например, летучие термостабильные органические вещества часто удобно анализировать методом газовой хроматографии. Для соединений, которые не испаряются или разрушаются при нагревании, обычно рассматривают жидкостные методы.

Выберите метод анализа

Следующий этап — определить, какой хроматографический метод подходит под исследуемые компоненты.

Аналитическая задача	Возможный метод
Летучие и термостабильные соединения	Газовая хроматография
Нелетучие и термолабильные вещества	ВЭЖХ
Анионы и катионы	Ионная хроматография
Сложные смеси с повышенными требованиями к идентификации	ГХ-МС или ЖХ-МС

Эта таблица является ориентиром, а не универсальным правилом. Окончательная конфигурация определяется используемой аналитической методикой, свойствами веществ и требуемыми метрологическими характеристиками.

Подберите детектор

Выбор детектора не менее важен, чем выбор самого типа хроматографа. Именно от него во многом зависят чувствительность и селективность системы к определенным группам веществ.

В газовой хроматографии могут применяться:

• пламенно-ионизационные детекторы;
• детекторы по теплопроводности;
• электронозахватные;
• пламенно-фотометрические;
• масс-спектрометрические и другие системы.

Для ВЭЖХ используются УФ-детекторы, диодно-матричные, флуориметрические, рефрактометрические, масс-спектрометрические и другие варианты.

Нет необходимости выбирать максимально сложный детектор, если задача решается более простой конфигурацией. Главное — чтобы система обеспечивала необходимую чувствительность и селективность для целевых веществ.

Определите требуемую чувствительность

До выбора оборудования желательно понимать ожидаемый диапазон концентраций компонентов.

Для определения основных веществ могут быть достаточны стандартные детекторы. Если требуется следовой анализ, требования к чувствительности, чистоте расходных материалов, пробоподготовке и стабильности системы становятся значительно выше.

Также необходимо учитывать предел обнаружения и предел количественного определения, предусмотренные аналитической задачей или нормативной документацией.

Учтите производительность лаборатории

Для лаборатории, анализирующей несколько проб в неделю, и для подразделения, ежедневно работающего с сотнями образцов, оптимальная конфигурация оборудования будет различаться.

При большой нагрузке важно учитывать:

• продолжительность одного анализа;
• вместимость автосамплера;
• возможность последовательной работы с серией проб;
• скорость промывки и перенастройки;
• стабильность системы при длительной работе;
• возможности автоматической обработки результатов.

Автоматизация снижает количество ручных операций и позволяет специалисту уделять больше времени контролю данных и интерпретации результатов.

Проверьте требования аналитических методик

Если лаборатория работает по конкретной утвержденной методике, параметры оборудования необходимо сопоставить с ее требованиями еще до покупки.

Значение могут иметь:

• тип колонки;
• температурный режим;
• состав подвижной фазы;
• расход газа или элюента;
• тип детектора;
• диапазон измерений;
• требования к программному обеспечению.

Правильная последовательность — сначала определить аналитическую задачу и требования методики, а затем подбирать конфигурацию прибора.

Оцените инфраструктуру лаборатории

Для разных видов хроматографии требуется разное инженерное обеспечение.

Газовая система может требовать баллоны или генераторы газов, газовые линии, системы регулировки давления и соответствующую вентиляцию.

Для ВЭЖХ необходимо предусмотреть хранение растворителей, использование воды требуемого качества и организацию обращения с отработанной подвижной фазой.

Еще до установки оборудования необходимо проверить требования к электропитанию, рабочему месту, температуре и влажности помещения.

Оцените программное обеспечение и автоматизацию

Современное хроматографическое оборудование представляет собой не только аналитический прибор, но и программно-аппаратный комплекс.

ПО может использоваться для:

• управления отдельными модулями;
• настройки аналитических методов;
• регистрации сигналов;
• построения хроматограмм;
• автоматического интегрирования пиков;
• проведения количественных расчетов;
• формирования отчетов;
• ведения последовательностей анализа.

Для лабораторий с большим количеством приборов также может быть важна возможность интеграции оборудования с другими системами.

Учитывайте сервис и обслуживание

Стабильность результатов зависит не только от технических характеристик прибора, но и от правильного обслуживания.

Перед покупкой желательно оценить:

• возможность проведения пусконаладочных работ;
• обучение операторов;
• наличие технической поддержки;
• сроки сервисного обслуживания;
• доступность колонок и расходных материалов;
• возможности квалификации оборудования;
• доступность запасных частей.

Для сложного аналитического оборудования эти факторы могут быть не менее важны, чем начальная стоимость системы.

Какой хроматограф выбрать: краткая схема

Выбор можно начать с простой последовательности.

Летучие и устойчивые к нагреванию соединения → в первую очередь рассматривают газовый хроматограф.

Нелетучие или термолабильные вещества → чаще применяют ВЭЖХ.

Необходимо определять анионы и катионы → рассматривают ионную хроматографию.

Требуется высокоселективная идентификация компонентов сложной смеси → может потребоваться ГХ-МС или ЖХ-МС.

Далее для выбранного метода определяют требуемый детектор, тип колонки, пределы обнаружения, производительность и уровень автоматизации.

Именно такой подход позволяет подобрать оборудование для хроматографии под реальную задачу, а не переплачивать за функции, которые лаборатория не будет использовать.

Производители хроматографов: что учитывать при выборе бренда

На рынке представлены российские и зарубежные производители хроматографов, предлагающие оборудование от базовых систем до сложных модульных комплексов.

При сравнении брендов следует ориентироваться не только на паспортные характеристики конкретной модели. Для лаборатории также важны стабильность поставок, доступность колонок и расходных материалов, возможности модернизации, программное обеспечение и качество сервисной поддержки.

Если система приобретается на длительный срок, желательно заранее оценить возможность ее дооснащения. Например, лаборатории может потребоваться установка дополнительного детектора, автоматического пробоотборника или другого модуля после появления новых аналитических задач.

Поэтому выбор производителя следует рассматривать вместе с выбором общей конфигурации системы и условиями ее дальнейшей эксплуатации.

Что входит в хроматографическое оборудование лаборатории

Сам хроматограф является центральной частью системы, однако для полноценной работы лаборатории требуется и дополнительное оснащение.

В зависимости от метода в состав комплекса могут входить:

• аналитические и предколонки;
• автосамплеры;
• дополнительные детекторы;
• генераторы газов;
• редукторы и газовые линии;
• оборудование для подготовки проб;
• фильтры;
• виалы и крышки;
• шприцы;
• растворители и реагенты;
• расходные материалы;
• специализированное программное обеспечение.

Поэтому при формировании бюджета необходимо учитывать не только стоимость прибора, но и всю необходимую инфраструктуру.

Правильно подобранное оборудование для хроматографии должно представлять собой согласованный комплекс, в котором характеристики прибора, детектора, колонки, пробоподготовки и программного обеспечения соответствуют одной аналитической задаче.

Дополнительное оборудование и расходные материалы

При оснащении лаборатории важно учитывать не только сам прибор. Возможности аналитической системы и стабильность ее работы зависят от правильно подобранных колонок, устройств ввода проб, оборудования для пробоподготовки и расходных компонентов.

В зависимости от используемого метода могут потребоваться:

• хроматографические колонки;
• автоматические устройства ввода проб;
• парофазные пробоотборники;
• термодесорберы;
• оборудование для предварительной подготовки образцов;
• фильтры и мембраны;
• виалы и другие расходные компоненты;
• комплектующие для насосов и других узлов системы.

Для комплектации лаборатории можно отдельно подобрать дополнительное оборудование и расходные материалы для хроматографии.

Такой подход позволяет сразу учитывать не только требования к анализу, но и дальнейшую эксплуатацию оборудования.

Заключение

Хроматографическая система подбирается под конкретную аналитическую задачу. Для этого необходимо учитывать свойства исследуемых веществ, тип образцов, требования методики, необходимую чувствительность, производительность лаборатории и особенности инфраструктуры.

Для летучих соединений может быть рационально использование газового хроматографа, для нелетучих и термолабильных веществ — ВЭЖХ, а для определения ионов — специализированной системы ионной хроматографии. Если требуется более селективная идентификация компонентов сложной смеси, применяются хромато-масс-спектрометрические решения.

Если необходимо подобрать хроматографическую систему под конкретную методику, специалисты компании «Энерголаб» помогут определить подходящий тип оборудования, конфигурацию детекторов, колонок и дополнительного оснащения с учетом задач лаборатории.

Доступные модели Хроматографов от Энерголаб