Что такое хроматограф: устройство и принцип работы газового хроматографа — справочник 2026 года
· Интермера
Хроматограф — это прибор, который разделяет смесь веществ методом хроматографии и измеряет, сколько в ней каждого компонента. Пробу несёт через колонку поток газа или жидкости, вещества задерживаются в колонке по-разному и выходят по очереди, а детектор записывает их пики. По подвижной фазе хроматографы делят на газовые и жидкостные, главные узлы любого прибора — колонка и детектор. Это справочник на октябрь 2026 года: как устроен газовый хроматограф, какие бывают колонки и детекторы и когда хроматограф считается средством измерений.
Хроматограф простыми словами
Название прибора происходит от греческих слов «цвет» и «пишу». В основе метода — распределение веществ между двумя фазами: неподвижной (сорбент или жидкость внутри колонки) и подвижной (газ-носитель или растворитель, который течёт через колонку).
Пробу вводят в начало колонки, и поток подвижной фазы несёт её вперёд. Каждое вещество то удерживается неподвижной фазой, то снова уходит в поток. Чем сильнее вещество взаимодействует с неподвижной фазой, тем медленнее оно движется. В итоге смесь растягивается по колонке, и компоненты выходят из неё по одному.
На выходе стоит детектор. Он непрерывно измеряет свойство, которого нет у чистой подвижной фазы, и прибор строит хроматограмму — график сигнала детектора от времени. Каждому веществу соответствует пик:
- время удерживания — момент выхода пика — при неизменных условиях анализа указывает, что это за вещество;
- площадь пика пропорциональна количеству вещества в пробе.
Откуда взялась хроматография
Метод создал русский ботаник Михаил Семёнович Цвет. Датой открытия хроматографии считают 21 марта 1903 года: в этот день Цвет сделал доклад в Варшавском обществе естествоиспытателей. Он разделял пигменты растений в колонке, заполненной карбонатом кальция.
Дальше метод развивался так:
- в 1941 году А. Мартин и Р. Синг предложили распределительную хроматографию, в 1952 году за неё получили Нобелевскую премию по химии;
- в 1947 году Т. Б. Гапон, Е. Н. Гапон и Ф. М. Шемякин разработали ионообменную хроматографию;
- газовую хроматографию создали А. Джеймс и А. Мартин в Лондоне в 1951 году;
- в конце 1950-х газовый хроматограф впервые соединили с масс-спектрометром.
Какие бывают хроматографы
Главное деление — по подвижной фазе. В газовом хроматографе пробу несёт газ, в жидкостном — растворитель.
| Параметр | Газовый хроматограф | Жидкостный хроматограф (ВЭЖХ) |
|---|---|---|
| Подвижная фаза | газ-носитель: гелий, азот, аргон, водород | жидкость: органические растворители, вода и водные растворы |
| Что анализирует | летучие и термостабильные вещества, испаряющиеся ниже 300 °C, с молекулярной массой меньше 400 | сложные смеси веществ в растворе |
| Типичные детекторы | по теплопроводности, пламенно-ионизационный, электронного захвата, масс-спектрометр | УФ и спектрофотометрические, рефрактометрический, флуориметрический, электрохимический, масс-детектор |
Газовую хроматографию, в свою очередь, делят на газоадсорбционную (неподвижная фаза — твёрдый сорбент: силикагель, уголь, оксид алюминия) и газожидкостную (жидкость нанесена на инертный носитель или на стенки колонки). Ионообменная (ионная) хроматография — разновидность жидкостной: вещества разделяются за счёт различия в ионообменном равновесии.
Как устроен газовый хроматограф
Газовый хроматограф собирают из нескольких узлов, и у каждого своя задача:
- Источник газа-носителя. Чаще всего это баллон на 40 литров под давлением до 150 атмосфер. Редуктор снижает давление до рабочего — обычно 4–10 атмосфер. Самый распространённый газ-носитель — гелий: он негорюч и подходит для большинства детекторов. Реже используют аргон и азот, ещё реже водород; азот и водород можно получать генераторами прямо в лаборатории.
- Регулятор расхода газа поддерживает нужные давление и расход на входе.
- Устройство ввода пробы. Жидкую пробу объёмом от 0,1 до нескольких микролитров вводят микрошприцем через эластичную прокладку в испаритель, нагретый примерно на 50 °C выше колонки. Газовую пробу вводят газовым шприцем или краном-дозатором с петлёй на 1–2 мл. Распространён инжектор, который работает с делением потока (split) или без него (splitless). Автосэмплер вводит пробы сам и даёт лучшую воспроизводимость, чем ручной ввод.
- Колонка в термостате. Здесь происходит разделение. Температуру колонки задают точно: её держат постоянной (изотерма) или поднимают по программе.
- Детектор на выходе колонки измеряет концентрацию выходящих веществ.
- Система обработки данных строит хроматограмму, находит и интегрирует пики, считает концентрации.
Колонки газового хроматографа
Колонки бывают двух типов:
- насадочные — трубки с внешним диаметром 2–4 мм и длиной 1–4 м, заполненные сорбентом;
- капиллярные — трубки с внутренним диаметром 0,15–0,53 мм и длиной 15–100 м, чаще 30–60 м. Неподвижную фазу наносят на внутренние стенки, сегодня такие колонки чаще всего делают из плавленого кварца.
Колонку описывают тремя параметрами. Эффективность показывает, насколько расплывается пик, и выражается числом теоретических тарелок; у современных капиллярных колонок их несколько десятков тысяч. Селективность — способность по-разному удерживать вещества разной природы. Ёмкость — какой объём пробы колонка примет без искажения пиков; у насадочных колонок она заметно больше, чем у капиллярных.
На скорость анализа сильно влияет температура: чем горячее колонка, тем быстрее идут вещества, но тем хуже они разделяются. Программа нагрева — компромисс: в начале анализа хорошо разделяются лёгкие компоненты, а тяжёлые потом выходят быстрее.
Детекторы хроматографа
Детектор — второй по важности узел после колонки. Универсальные детекторы видят почти все вещества, селективные — только определённые группы.
| Детектор | Принцип | Что определяет |
|---|---|---|
| По теплопроводности (ДТП, катарометр) | две нагретые нити в мосте Уитстона: вещество меняет теплопроводность газа и сопротивление нити | универсальный; чувствительность до 0,5·10⁻⁹ г/см³ по пропану |
| Пламенно-ионизационный (ПИД) | органическое вещество в водородном пламени меняет проводимость пламени | органические соединения, обычно углеводороды |
| Электронного захвата (ЭЗД) | источник бета-частиц, обычно ⁶³Ni; молекулы захватывают электроны | галогены и другие электроотрицательные группы |
| Пламенно-фотометрический (ПФД) | свечение атомов вещества в пламени | соединения серы, азота и фосфора |
| Термоионный (ТИД) | нагретый шарик с солью щелочного металла | азот и фосфор |
| Масс-спектрометрический (МСД) | ионизация и разделение ионов по массе | опознаёт вещество по масс-спектру |
На детекторе по теплопроводности хорошо видно, как хроматограф превращает состав газа в электрический сигнал. Одна нить обдувается чистым газом-носителем, другая — газом с выхода колонки. Пока газ одинаковый, мост сбалансирован; когда выходит вещество с другой теплопроводностью, сопротивление измерительной нити меняется, и сигнал разбаланса записывается как пик. Отсюда и ограничение: гелий и водород почти одинаково теплопроводны, поэтому для анализа водорода делают отдельный канал ДТП с азотом в качестве газа-носителя.
Хроматограф и масс-спектрометр
Время удерживания указывает на вещество только при известных условиях анализа. Чтобы надёжно опознать неизвестный компонент, хроматограф соединяют с масс-спектрометром — так получается метод ГХ-МС. Чаще всего в паре с газовым хроматографом работает квадрупольный масс-спектрометр. ГХ-МС считают «золотым стандартом» опознания веществ в криминалистике, и это главный инструмент антидопинговых лабораторий.
Масс-спектрометр работает в высоком вакууме — так же, как анализаторы остаточных газов, о которых речь пойдёт ниже. О степенях разрежения и о том, чем измеряют вакуум, подробно рассказано в нашем справочнике по вакууму.
Хроматограф анализирует пробы по одной: ввёл пробу — дождался всех пиков — ввёл следующую. Если нужен непрерывный контроль состава газа в процессе, используют газоанализаторы на квадрупольном масс-спектрометре без колонки. Например, газоанализаторы QMS отбирают пробу непрерывно, в отличие от периодического отбора у газовых хроматографов, и откликаются на изменение состава быстрее чем за 0,5 секунды. Для мониторинга газовых смесей от атмосферного давления до сверхвысокого вакуума есть и другие анализаторы газов Stanford Research Systems — анализаторы остаточных газов RGA и универсальные UGA.
Что анализируют хроматографом
Газовым хроматографом количественно измеряют вещества, которые испаряются ниже 300 °C и устойчивы при такой температуре; пробы не должны содержать солей. Чувствительность высокая: метод позволяет определить пикомоли вещества в 1 мл жидкой пробы и миллиардные доли (ppb) в газе.
Основные области применения:
- контроль качества продукции в химической промышленности;
- анализ почвы, воздуха и воды, в том числе почвенных газов;
- криминалистика: следы поджога, частицы краски, токсикология;
- допинг-контроль спортсменов.
Хроматограф — средство измерений?
По закону № 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений» средство измерений — это техническое средство, предназначенное для измерений. Хроматограф измеряет состав смеси, поэтому может быть средством измерений. Важно, где его применяют.
- Если измерения входят в сферу государственного регулирования — например, здравоохранение, охрану окружающей среды или производственный контроль промышленной безопасности, — средство измерений до ввода в эксплуатацию проходит первичную поверку, а затем периодическую, в том числе после ремонта (ст. 13 закона).
- Сведения о поверке конкретного прибора можно найти по его заводскому номеру — как это сделать, показано в нашей статье о ФГИС «Аршин».
- Количественный анализ опирается на градуировку: концентрацию считают по градуировочной кривой, построенной по пробам с известным содержанием вещества, или с внутренним стандартом. Для этого применяют стандартные образцы — образцы вещества с установленными значениями состава или свойств.
Итог
- Хроматограф разделяет смесь в колонке и измеряет каждый компонент детектором: время удерживания говорит, что за вещество, площадь пика — сколько его.
- Газовые хроматографы работают с летучими веществами, жидкостные (ВЭЖХ) — со сложными смесями в растворе.
- Газовый хроматограф состоит из источника газа-носителя, регулятора расхода, устройства ввода пробы, колонки в термостате, детектора и системы обработки данных.
- Детектор выбирают под задачу: ДТП универсален, ПИД — для органики, ЭЗД — для галогенов, масс-спектрометр опознаёт вещества.
- Для непрерывного контроля газа вместо хроматографа ставят масс-спектрометрический газоанализатор.
- В сфере государственного регулирования хроматограф как средство измерений поверяют, а градуируют по стандартным образцам.
Частые вопросы о хроматографе
Для чего нужен хроматограф?
Хроматограф нужен, чтобы разделить смесь на компоненты и измерить, сколько в ней каждого вещества. Его применяют в химической промышленности для контроля качества, при анализе воздуха, воды и почвы, в криминалистике и допинг-контроле. Газовый хроматограф работает с летучими веществами, жидкостный — со сложными смесями в растворе.
В чём принцип хроматографии?
Принцип хроматографии — в разном распределении веществ между подвижной и неподвижной фазами. Поток газа или жидкости несёт пробу через колонку, и вещества, которые сильнее удерживаются неподвижной фазой, движутся медленнее. Поэтому компоненты выходят из колонки по очереди, и детектор регистрирует каждый отдельным пиком.
Чем газовый хроматограф отличается от жидкостного?
Главное отличие — подвижная фаза: в газовом хроматографе пробу несёт газ-носитель, в жидкостном — растворитель. Газовый подходит для веществ, которые испаряются без разложения ниже 300 °C. Жидкостный (ВЭЖХ) разделяет сложные смеси в растворе, и детекторы у него другие — оптические, рефрактометрические, электрохимические и масс-спектрометрические.
Какой газ-носитель используют в газовом хроматографе?
Чаще всего гелий: он негорюч и подходит для большинства детекторов. Реже применяют аргон и азот, ещё реже — водород. Выбор зависит от детектора и пробы: например, для анализа водорода детектором по теплопроводности берут азот, потому что гелий и водород почти одинаково проводят тепло.
Является ли хроматограф средством измерений?
Да, хроматограф может быть средством измерений: по закону № 102-ФЗ это техническое средство, предназначенное для измерений. Если им измеряют в сфере государственного регулирования, например в охране окружающей среды или здравоохранении, прибор проходит первичную и периодическую поверку. Сведения о результатах поверки передают в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений.