Применение хроматографии в судопроизводстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Применение хроматографии в судопроизводстве

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе развития судебных экспертиз эффективное использование специальных технических средств и методов приобретает весьма существенное значение для расследования и раскрытия преступлений. Среди научно-технических достижений, внедренных в судебную экспертизу, особая роль отводится хроматографии - одному из наиболее универсальных инструментальных методов качественного и количественного анализа сложных многокомпонентных объектов в практике специальных исследований.

По экспертным оценкам, хроматография относится к выдающимся открытиям прошедшего столетия, которые в наибольшей степени преобразовали науку, а через нее определили уровень развития техники и мировой цивилизации в целом. Ни один физико-химический аналитический метод не может конкурировать с хроматографией по универсальности применения и эффективности разделения многокомпонентных смесевых веществ, часто близких по строению и свойствам. Этот чрезвычайно чувствительный метод изучения объектов - вещественных доказательств в ничтожных, «следовых» количествах (10" ⁸ %), отличается хорошей воспроизводимостью результатов экспертного исследования, незначительными временными затратами (экспрессность метода) и доступностью для специалистов применяемой аппаратурной базы. На современных газохроматографических капиллярных колонках могут быть разделены и идентифицированы до 400-500 индивидуальных компонентов, составляющих бензиновые фракции моторных топлив.

Особенности, присущие хроматографии, как нельзя лучше соответствуют потребностям судебно-следственной практики, так как исследованию, зачастую, подвергаются невосполнимые вещественные доказательства, имеющиеся в распоряжении следствия в минорных количествах. Однако у большинства следственных и прокурорских работников отсутствует какое-либо представление о возможностях данного метода. Это, в конечном итоге, приводит к тому, что не назначаются соответствующие экспертизы, некорректно определяется круг вопросов для разрешения в рамках химической или физико-химической экспертизы, неверно производится криминалистическая оценка выявленных признаков и т. п.

Поэтому целью настоящей работы является рассмотрение научных положений газовой и жидкостной хроматографии, изучение принципа аппаратурного оформления метода и, самое главное, подробно показываются возможности применения хроматографии в специальных экспертных исследованиях для решения диагностических и идентификационных задач в судопроизводстве.

ГЛАВА 1 СУЩНОСТЬ МЕТОДА ХРОМАТОГРАФИИ

1.1 Физико-химические основы хроматографии

С необходимостью разделения смеси веществ на индивидуальные компоненты приходится сталкиваться как эксперту-химику (физико-химику), так и эксперту-биологу, токсикологу, пищевику и некоторым иным специалистам. Особое значение разделение смеси веществ приобрело в последние десятилетия в связи с проблемой создания современных экспертных методик исследования продуктов выстрела и взрыва, синтетических наркотических средств и психотропных веществ, ядовитых и сильнодействующих соединений, пищевых продуктов и спиртосодержащих жидкостей, горюче-смазочных материалов, синтетических и природных красителей, красок и лакокрасочных материалов, продуктов биологического происхождения и т. п. Расширение областей применения хроматографических методов в судопроизводстве продолжается непрерывно.

Само по себе разделение сложной смеси на отдельные составляющие не вызывает особых трудностей у специалистов, если ее компоненты находятся в различных фазах. Но оно резко осложняется, если компоненты смеси образуют одну общую фазу. В этом случае исследователю приходится или изменять агрегатное состояние отдельных компонентов (например, осаждать один из растворимых компонентов в осадок), либо применять иные химические, физические, физико-химические методы разделения. Такие широко используемые на практике аналитические методики разделения как дистилляция, кристаллизация, экстракция, адсорбция основаны на изменении фазового равновесия. В этих физико-химических процессах молекулы веществ, образующих смесь, переходят через границу раздела между фазами (например, между твердым телом и газом, между двумя жидкостями, газом и жидкостью и др.), стремясь к такому распределению, при котором в каждой из них устанавливается постоянная равновесная концентрация индивидуального вещества.

Если свойства компонентов исследуемой смеси близки, то необходимая степень разделения достигается многократным повторением элементарного акта разделения. Но и в таких случаях полное разделение возможно лишь для простых (не более чем трехкомпонентных) систем. Более полного разделения можно достичь, если на эффект, вызываемый многократным установлением фазового равновесия, накладывается действие кинетического фактора внутреннего и межфазного массо-обмена. В этом случае через поверхность раздела фаз и лишь в одном направлении переносятся молекулы только одного конкретного вещества. Если разделение смеси производится в системах, где одна из фаз (подвижная) постоянно перемещается относительно другой (неподвижной), то захват молекул и выход их с поверхности раздела фаз осуществляется благодаря непрерывному перемещению подвижной фазы. Молекулы, выходящие из подвижной фазы, снова возвращаются в нее, попадая, однако, не в прежний элемент ее объема, а в новый.

Если в процессе разделения фазовые переходы повторяются многократно, то можно получить высокую эффективность разделения. Так как фазовые переходы связаны с поверхностью раздела, подвижная и неподвижная фазы должны обладать возможно большей поверхностью соприкосновения. Кроме того, вследствие наличия диффузионных процессов, снижающих эффективность разделения, обе соприкасающиеся фазы должны иметь относительно небольшую толщину взаимодействующих слоев веществ.

В определенной мере перечисленные требования к фазовому равновесию выполняются в таком динамическом методе разделения многокомпонентной смеси веществ, который получил название хроматографического разделения.

Хроматографические процессы часто рассматриваются как серии последовательных экстракционных процессов; при этом могут быть разделены вещества с очень близкими свойствами, так как в ходе хроматографического разделения одновременно происходят сотни и тысячи циклов экстракции.

Для оценки эффективности хроматографических процессов вводится понятие «высота, эквивалентная теоретической тарелке» (ВЭТТ). Разделение смеси веществ в хроматографической колонке подобно разделению на тарельчатых ректификационных колонках. Эффективность той и другой принято измерять одинаково - числом теоретических тарелок. Под ВЭТТ в хроматографии обычно подразумевают такую толщину слоя, которая необходима для того, чтобы смесь, поступившая из предыдущего слоя, пришла в равновесие со средней концентрацией вещества в подвижной фазе данного слоя. То есть, в хроматографии это число характеризует меру размывания зоны индивидуального компонента при ее прохождении через слой сорбента. Чем больше число теоретических тарелок в колонке, тем меньшее размывание претерпевает зона компонента в слое сорбента и тем выше потенциальная способность колонки четко разделить многокомпонентную смесь. Хроматографическая колонка с величиной ВЭТТ, равной 1,0-0,8 мм, считается достаточно эффективной. Значение ВЭТТ является суммарной количественной характеристикой разделения веществ, но ее величина зависит от времени удерживания разделяемого вещества. Учет этих двух величин позволяет оценить возможности данной хроматографической колонки для разделения конкретной смеси веществ.

Значение высоты, эквивалентное теоретической тарелке, не может служить характеристикой четкости хроматографического разделения веществ. Чтобы эффективность разделения можно было сравнить, пользуются критерием, непосредственно характеризующим способность системы разделять компоненты. Наиболее подходящим для этого параметром является разделительная способность. Разделительная способность в отличие от ВЭТТ зависит как от селективности (разделение максимумов двух соседних пиков), так и от факторов, характеризующих качество выполнения разделения (ширина пика).

1.2 Понятие хроматографии

Впервые хроматографическое разделение сложной растительной смеси на стеклянной колонке, заполненной карбонатом кальция (мелом), осуществил в 1903 году русский ученый-ботаник Михаил Семенович Цвет (1872-1919 г.г.), изучая водные экстракты растений, которые содержали ряд натуральных красящих веществ (пигментов)¹. М.С. Цвет фактически создал проявительный вариант хроматографии и заложил основы многоступенчатого сорбционного разделения смесей. Он четко показал сложный характер взаимодействия в системе сор-бат - сорбент - растворитель и выявил способы смещения сорбционного равновесия. Автор так разъяснил суть предлагаемого им метода: «Как лучи света в спектре, в столбике углекислого кальция закономерно располагаются различные компоненты смеси пигментов, давая возможность своего качественного и количественного определения. Получаемый таким образом препарат я называю хроматограммой, а предлагаемую методику - хроматографической»⁷.

Термин «хроматография» происходит от греческих слов хрома - цвет, окраска и графио - пишу. Несмотря на то, что название метода, казалось бы, указывает на его применение для разделения и анализа окрашенных веществ, тем не менее, хроматография исследует любые вещества, окрашенные и неокрашенные, о чем говорил сам создатель метода. Хотя ученый и был удостоин академической премии за работу по хромофиллам в растительном и животном мире, а также награжден орденами св. Станислава III и II степени, орденом св. Анны III степени, юбилейной медалью в честь 300-летия дома Романовых, настоящего признания современников он все же не получил. В 1918 году кандидатура М.С. Цвета рассматривалась в списке ученых, представленных на Нобелевскую премию по химии, но премия ему не была присуждена ³.

По многим субъективным и объективным причинам хроматография практически не использовалась почти три десятилетия.

В начале 30-х годов двадцатого столетия немец Рихард Кюн выяснил, что с помощью хроматографии можно выделять составные части различных химических соединений и идентифицировать их. А в 50-60-е годы токсикологи, изучая растительные алкалоиды/ овладели новой разновидностью хроматографии- бумажной хроматографией. Тогда же наиболее простым и эффективным методом разделения малолетучих компонентов органических смесей становится хроматография в тонком слое, несмотря на то, что хроматография на бумаге все еще широко использовалась для научных исследований.

В 1952 г. английские ученые Дж. Мартин и А. Джемс, занимаясь анализом жирных кислот, сделали два очень важных наблюдения. Во-первых, они обнаружили, что методом хроматографии можно разделить не только растворенные жидкие вещества, но также газообразные и парообразные продукты. Во-вторых, они показали, что разделение может осуществляться не только благодаря многократному повторению цикла адсорбция-десорбция, но и путем чередования абсорбции и десорбции. Качественный скачок в развитии газовой хроматографии связан с использованием в качестве колонок капилляров, что значительно повысило эффективность разделения. Это дало возможность проводить анализ смесей, включающих десятки и сотни индивидуальных компонентов, таких, например, как горюче-смазочные материалы или запаховые вещества.

Следует отметить, что заслуги М.С. Цвета все же были высоко оценены мировым научным сообществом. К 40-летнему юбилею хроматографии в нашей стране вышел сборник избранных трудов М.С. Цвета в серии «Классики науки»; Американское химическое общество учредило Международную медаль им. М.С. Цвета «За выдающиеся открытия в области хроматографии»; в 1978 году Академией Наук СССР была учреждена отечественная медаль им. М.С. Цвета.

Хроматография основана на ряде физико-химических явлений, без знания которых трудно представить сам процесс хроматографического разделения.

Абсорбция газов в жидкостях лежит в основе газожидкостной хроматографии - наиболее распространенного в настоящее время аналитического метода разделения веществ⁴. Когда над жидким раствором находится газ, то между молекулами газа, которые растворяются в жидкости, и теми, что остаются в газовой фазе, устанавливается динамическое равновесие. Если над жидкостью находится смесь газов, которая перемещается вдоль жидкой фазы, то отдельные компоненты газовой смеси, обладая различной растворимостью в этой жидкости, передвигаются с разными скоростями. В конечном счете, газовая смесь разделится на составные части (рис. 1).

Большинство хроматографических методов основано на том, что анализируемую смесь вместе с подвижной фазой пропускают через хроматографическую колонку. В зависимости от того, является ли неподвижная фаза твердым носителем или жидкостью, компоненты анализируемой смеси адсорбируются на поверхности твердого тела или растворяются в жидкости. В результате, эти компоненты удерживаются неподвижной фазой и продвигаются по колонке медленнее. Если условия хроматографирования благоприятны для разделения, то каждый компонент удерживается неподвижной фазой по-разному. Так как скорости продвижения отдельных компонентов вдоль колонки неодинаковы, то каждый компонент образует так называемую зону, которая затем последовательно выходит из колонки.

При наличии двух одновременных процессов - взаимного перемещения фаз и перераспределения компонентов между фазами - принципиально важным становится соотношение их скоростей. Если второй процесс осуществляется много быстрее первого, межфазное распределение компонентов успевает достичь равновесного состояния. В этом случае имеют дело с равновесной хроматографией, где конечный эффект разделения компонентов определяется термодинамикой системы, то есть коэффициентами межфазного распределения соединений. Если межфазное распределение компонентов за время их переноса подвижной фазой вдоль неподвижной фазы установиться не успевает, то имеют дело с неравновесной хроматографией. После разделения все компоненты идентифицируются и оцениваются количественно.

Такова общая схема процесса хроматографирова-ния; она условно представлена в виде блок-схемы (рис. 2).

Рисунок 2 - Блок-схема процесса хроматографирования

Механизм разделения смесей в колонке не зависит от того, находятся ли отдельные компоненты в газовой фазе или в растворе, хотя конструктивные особенности хроматографов, предназначенных для работы с газами и жидкостями, несколько различаются. Приборное устройство для анализа смесей в виде газа или пара называется газовым хроматографом, а метод анализа - газовой хроматографией. Жидкие смеси анализируют с помощью жидкостного хроматографа. Этот метод получил название жидкостной хроматографии.

В связи с исключительной многогранностью понятия «хроматография» оно не может быть охвачено одним единственным определением. В научной литературе встречаются различные определения хроматографии, однако любое из них должно обязательно содержать среди отличительных видовых признаков упоминание о переносе веществ (частиц) в системе несмешивающихся и движущихся друг относительно друга фаз. Наличие как минимум двух фаз и их относительное движение, то есть динамика процесса, - неотъемлемые признаки хроматографии.

Итак, хроматографией называется процесс, основанный на перемещении дискретной зоны вещества вдоль слоя сорбента в потоке подвижной фазы и связанный с многократным повторением сорбционных и десорбционных актов.

Термин «хроматография», широко используемый в специальной литературе, относится как к самому процессу перемещения вещества в потоке подвижной фазы, так и к научной дисциплине, его изучающей, использующей и разрабатывающей аппаратурное оформление процесса хроматографического разделения.

ГЛАВА 2 ГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

2.1 Классификация методов хроматографии

Многообразие вариантов газохромато графически го метода, возникшее в связи с широким его развитием, вызывает необходимость их классификации. В основу той или иной классификации хроматографических методов могут быть положены различные характерные признаки процесса, например:

- агрегатное состояние фаз;

- природа элементарного акта;

- способ относительного перемещения фаз;

- способ аппаратурного оформления процесса;

- способ осуществления процесса.

Классификация по агрегатному состоянию фаз относится к хроматографии в целом. Газовой хроматографией называется метод, в котором в качестве подвижной фазы применяется газ или пар. В свою очередь газовая хроматография может быть разделена на газоадсорбционную и газо-жидкостную. В первом случае неподвижной фазой служит твердое вещество - адсорбент, во втором - жидкость, распределенная тонким слоем по поверхности какого-либо твердого носителя (зерненого материала или стенок колонки).

Классификация на основе природы элементарного акта. Если неподвижной фазой является жидкость, то элементарным актом, как правило, является акт растворения. В этом случае анализируемое вещество растворяется в жидкой неподвижной фазе и распределяется между неподвижной и подвижной фазами. Это распределительная хроматография. Газожидкостная хроматография является одним из вариантов распределительной хроматографии.

Если неподвижной фазой служит твердое вещество - адсорбент, то элементарным актом является процесс адсорбции вещества. Следовательно, газо-адсорбционная хроматография является адсорбционной.

Необходимо иметь в виду, что в газожидкостной хроматографии определенную роль может играть адсорбция на межфазных границах (газ - жидкость или жидкость - твердый носитель), а в газо-адсорбционной - процесс растворения^s.

По способам перемещения фаз принято различать три метода: проявительная (элюентная), фронтальная и вытеснительная хроматография.

Схема проявительной хроматографии. Колонка, заполненная сорбентом, промывается чистым газом, сорбирующимся слабее всех остальных компонентов смеси (рис. 3).

Рисунок 3 - Схема образования зон в проявительном методе

Не прекращая потока газа (Е), в колонку вводится порция анализируемой смеси (вещества А и В). Разделяемые вещества сорбируются в верхних слоях сорбента (рис. За) и вследствие движения газа постепенно перемещаются вдоль слоя сорбента с различными для каждого компонента скоростями. В результате, зона лучше сорбирующегося вещества, например В, постоянно отстает от зоны хуже сорбирующегося вещества А.

Проявительный метод - наиболее распространенный метод газовой хроматографии. Существенным его достоинством является возможность практически полного разделения вещества на компоненты; недостаток состоит в том, что вследствие разбавления компонентов смеси газом-носителем значительно уменьшается концентрация веществ после вымывания их из колонки. Однако этот недостаток полностью компенсируется применением высокочувствительных детекторов.

Суть фронтального метода состоит в непрерывном пропускании анализируемой смеси через слой сорбента в колонке. Если смесь веществ состоит из двух компонентов А и В, изотерма сорбции которых линейная, и наиболее слабо сорбирующегося газа Е, то последний заполняет весь объем колонки и покидает ее в чистом виде. При этом на хроматограмме фиксируется горизонтальная (нулевая) линия (рис. 4).

Рисунок 4 - Схема образования зон во фронтальном методе

хроматография судопроизводство газовый жидкостный

Если компонент А сорбируется слабее компонента В, то после насыщения сорбента веществом А из колонки начинает выходить смесь этого вещества с газом Е. На хроматограмме появляется ступень, высота которой соответствует концентрации А в Е на выходе из колонки. Эта концентрация может быть равна или больше исходной концентрации А. Наконец, когда сорбент насыщается также и веществом В, из колонки начинает выходить смесь газа, содержащая все исходные компоненты, а на хроматограмме появляется вторая ступень, высота которой соответствует суммарной исходной концентрации веществ А и В (рис. 4).

В случае более сложной смеси исходная концентрация любого из компонентов достигается после насыщения сорбента всеми компонентами смеси. Таким образом, число ступеней на хроматограмме будет равно числу сорбирующихся компонентов смеси.

В отличие от проявительного фронтальный метод позволяет выделить из смеси в чистом виде только одно, наиболее слабо сорбирующееся вещество. Поэтому фронтальный метод используется, чаще всего, для определения физико-химических характеристик исследуемого вещества.

В вытеснит ельном методе десорбция компонентов смеси осуществляется потоком сильно сорбирующегося вещества - вытеснителя. При работе по этому методу заполненную сорбентом колонку предварительно промывают несорбирующимся веществом, а затем вводят порцию анализируемой смеси. Продвижение компонентов смеси и их вымывание из колонки происходит под действием потока вытеснителя. Компоненты смеси перемещаются впереди фронта вытеснителя и разделяются на зоны в соответствии с их сорбционным сродством (рис. 5).

2.2 Аппаратурное оформление процесса

Устройство газового хроматографа отличается замечательной простотой. Несмотря на конструктивное многообразие, основные узлы хроматографа неизменны: источник газа-носителя и блок подготовки газов, испаритель, термостат колонок и сами хроматографичес-кие колонки, детектор, система регистрации и обработки данных. (Схема установки газового хроматографа приведена на рис. 6.)

Рисунок 6 - Схема газового хроматографа

Узел источника газа состоит из газового баллона, содержащего подвижную инертную фазу (газ-носитель), чаще всего водород, гелий, азот, аргон, неон, криптон, ксенон, диоксид углерода, в некоторых случаях, очищенный воздух. С помощью редуктора давление газа уменьшается до необходимого, и он поступает в колонку, заполненную сорбентом. Газ-носитель подается под определенным и постоянным давлением, которое устанавливается при помощи специальных клапанов. Скорость газового потока в зависимости от размера колонки составляет от 20 до 50 мл/мин.

Исследуемую пробу вещества перед вводом в колонку дозируют. Жидкие пробы вводят инжекционными шприцами (0,5-20 мкл) в поток газа - носителя через мембрану из силиконовой самоуплотняющейся резины испарителя. Вещество должно испаряться практически мгновенно, иначе пики на хроматограмме расширяются, и точность анализа снижается. Поэтому дозирующее устройство хроматографа снабжено нагревателем - испарителем, что позволяет поддерживать температуру дозатора примерно на 50 градусов выше, чем температура колонки.

В практической деятельности применяются разделительные колонки двух типов: спиральные, или насадочные (набивные), а также капиллярные. Спиральные колонки диаметром 2-6 мм и длиной 0,5-20 м изготавливают из боросиликатного стекла, тефлона или специальных металлических сплавов. В колонки помешают стационарную фазу: в газоадсорбционной хроматографии это адсорбент, а в газожидкостной хроматографии - носитель с тонким слоем нанесенной жидкой фазы. Число стационарных фаз, в принципе, безгранично. Неподвижная фаза должна соответствовать следующим критериям: химическая стойкость, низкое давление пара в диапазоне рабочих температур колонки, достаточные коэффициенты распределения, хорошая селективность по отношению к исследуемым веществам, низкая вязкость. На практике используются жидкие фазы, обладающие высокими коэффициентами разделения к различным классам химических веществ. Жидкая фаза наносится на твердый носитель, обладающий большой удельной поверхностью, прочный и химически инертный. Чаще всего это особым образом подготовленные полимеры на основе полистирол-дивинилбензола или оксиэтилметакрилата, силикагель, оксид алюминия, силохромы, углерод, цеолиты (молекулярные сита), пористые стекла и другие адсорбенты¹².

Капиллярные колонки подразделяются по способу фиксации неподвижной фазы на два типа: колонки с тонкой пленкой неподвижной жидкой фазы (0,01-1 мкм) непосредственно на внутренней поверхности капилляров и тонкослойные колонки, на внутреннюю поверхность которых нанесен пористый слой (5-10 мкм) твердого вещества, выполняющего функцию сорбента или носителя неподвижной жидкой фазы. Высокая разделительная способность капиллярных колонок достигается за счет их большой эффективности, обусловленной минимизацией диффузионных путей сорбата как в газовой фазе, так и в предельно тонком слое сорбента. Капиллярные колонки изготавливают из различных материалов - нержавеющей стали, меди/ полимерных материалов, термостойкого стекла; диаметр капилляров 0,2-0,5 мм, длина от 10 до 100 м (и более).

Температура колонок определяется, главным образом, летучестью пробы и может изменяться в широком диапазоне, приблизительно, от возможно низкой температуры до 400-500°С. Температура колонки контролируется с точностью до десятых долей градуса и поддерживается постоянной с помощью программируемого термостата. Разделение смеси веществ с широким диапазоном температур кипения начинают при низкой температуре термостата, а затем программируют постоянное повышение температуры для элюирования высококипящих компонентов. Казалось бы, с увеличением длины колонки и уменьшением скорости передвижения анализируемых веществ эффективность разделения должна возрастать. На практике, однако, при этих условиях вещества размываются из-за диффузии. Поэтому необходим компромисс между эффективностью работы колонки, диффузией и временем анализа, благодаря уменьшению размера частиц сорбента, что приводит к увеличению поверхности раздела фаз.

Скорость газа-носителя можно варьировать. Использование легких газов-носителей (водорода, гелия) ускоряет анализ, а относительно тяжелых (азот, очищенный воздух) улучшает качество разделения в ущерб скорости. Скорость газа выбирают экспериментально с целью удовлетворительного разделения компонентов смеси и возможно максимального ускорения процесса аналитического исследования.

Для непрерывного измерения концентрации разделяемых веществ в газе-носителе в комплекс хроматографа входят специальные устройства - детекторы'³. Выбор детектора принципиально важен: он должен быть чувствительным и применяться в широком диапазоне исследуемых веществ. Детектор фиксирует изменение какого-либо физического свойства газа-носителя при попадании его в поток исследуемого вещества. Наиболее распространенными в настоящее время являются детекторы по теплопроводности (катарометры), пламенно-ионизационные детекторы, детекторы электронного захвата.

Детектор по теплопроводности (катарометр). Универсальный детектор наиболее широко используемый в газовой хроматографии, принцип действия которого основан на измерении теплопроводности различных тел (рис. 7).

В полость металлического блока помещена спираль из металла с высоким термическим сопротивлением (Pt, W, Ni, сплавы этих металлов). Через спираль проходит постоянный ток, в результате чего она нагревается. Если спираль омывает чистый газ-носитель, то спираль теряет постоянное количество теплоты и ее температура постоянна. Если состав газа-носителя содержит примеси, то меняется теплопроводность газа и, соответственно, температура спирали. Это приводит к изменению сопротивления нити, которое измеряется с помощью измерительного моста Уитстона. На чувствительность катарометра сильно влияет теплопроводность газа-носителя, поэтому нужно использовать газы-носители с максимально возможной теплопроводностью, например, гелий или водород.

Пламенно-ионизационный детектор (ПИД). (Принципиальная схема ПИД приведена на рис. 8.)

Рисунок 8 - Схема пламенно-ионизационного детектора (ПИД): 1 - ввод газа из колонки; 2 - ввод водорода; 3 - вывод в атмосферу; 4 - собирающий электрод; 5 - катод; 6 - ввод воздуха

Выходящий из колонки газ смешивается с водородом и поступает в форсунку горелки детектора. Образующиеся в пламени ионизованные частицы заполняют межэлектродное пространство, в результате этого сопротивление снижается, и ток резко усиливается. Стабильность и чувствительность ПИД зависит от подходящего выбора скорости потока всех используемых газов (инертный газ-носитель от 30 до 50 мл/мин, водород- около 30 мл/мин, воздух- около 500 мл/мин). ПИД реагирует практически на все соединения, кроме водорода, инертных газов, кислорода, азота, оксидов азота, серы, углерода, а также воды. Этот детектор имеет широкую область линейного отклика (6-7 порядков), поэтому он наиболее пригоден пои определении следовых количеств вещества.

Детектор электронного захвата представляет собой ячейку с двумя электродами (ионизационная камера), в которую поступает газ-носитель, прошедший через хроматографическую колонку (рис. 9).

Рисунок 9 - Схема детектора электронного захвата: I - ввод раза; 2 - источник излучения; 3 - вывод в атмосферу; 4, 5 - электроды

В камере он облучается постоянным потоком электронов, поскольку один из электродов изготовлен из материала, являющегося источником излучения. В ионизированном газе-носителе присутствуют в качестве отрицательно заряженных частиц только электроны. Материалы, захватывающие электроны, уменьшают ионизационный ток детектора. Этот детектор дает отклик на соединения, содержащие галогены, фосфор, серу, нитраты, свинец, кислород; на большинство углеводородов он не реагирует.

Для стабильной работы хроматографической системы необходимо выполнение следующих основных условий:

- скорость потока газа-носителя должна быть строго постоянна, а свойства газа должны обеспечивать стабильную работу колонки в течение возможно более длительного времени;

- дозирующая система должна обеспечивать стабильный ввод пробы исследуемой газовой смеси строго одинакового объема;

- хроматографическая колонка должна находиться в термостате, температура в котором поддерживается с высокой точностью;

- детектор должен обладать высокой чувствительностью к наличию малых концентраций исследуемых веществ в газе-носителе.

Поток газа-носителя, включающий десорбированный компонент, проходит через детектор, сигнал которого регистрируется. Кривую зависимости сигнала детектора от объема газа-носителя, пропущенного через колонку, или от времени называют хроматограимой (рис. 10).

Рисунок 10 - Образец хроматограммы: С и t - время удерживания 1-го и 2-го компонентов

На хроматограмме различают следующие составные части: участок, полученный при регистрации сигнала во время выхода из колонки чистого газа-носителя; пик несорбирующегося компонента; пик сигнала во время выхода из колонки определяемого компонента. В процессе хроматографического разделения хроматограмма регистрирует последовательность элюирования зон на выходе из колонки.

2.3 Особенности газовой хроматографии

Особенности газовой хроматографии, несомненно, связаны с ее преимуществами по сравнению с другими физико-химическими методами экспертного исследования объектов.

К достоинствам газовой хроматографии целесообразно отнести следующие положения.

Высокая разделительная способность. Использование селективных хроматографических колонок позволяет разделять на отдельные компоненты и анализировать практически любые сложные смеси объектов - вещественных доказательств. По своим возможностям анализа многокомпонентных смесей газовая хроматография не имеет конкурентов при проведении экспертных исследований. Так, ни один другой метод не в состоянии в течение одного часа проанализировать пробу горюче-смазочного материала, состоящую из нескольких сотен индивидуальных компонентов.

Универсальность метода. С помощью газовой хроматографии можно разделять широкий круг объектов - начиная от самых низкокипящих газовых и жидких смесей и заканчивая твердыми смесевыми веществами, температура кипения компонентов которых 500°С (и выше). При этом необходимо выполнение одного условия - разделяемые вещества должны быть летучи и термически устойчивы, то есть при переводе в парообразное состояние они не должны разлагаться. Однако, анализ неустойчивых и нелетучих веществ может быть осуществлен многочисленными вариантами.

Высокая чувствительность. Для газовой хроматографии разработаны чувствительные детектирующие системы, позволяющие, как правило, определять концентрации веществ в пределах 10~⁸-10~⁹ мг/мл. Используя специальные приемы (концентрирование или обогащение), газохроматографическим методом можно определять микроколичества веществ с концентрациями до 10~¹⁴ %, в частности, запаховых компонентов, содержащихся в воздухе или на сорбирующих поверхностях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Хроматография представляет собой специальный физико-химический метод разделения сложных по составу объектов-вещественных доказательств и идентификации компонентов. Простота, эффективность, надежность и универсальность хроматографии предопределили широкое использование ее в следственно-судебной практике по уголовным и гражданским делам.

Несомненным достоинством хроматографии является то, что за малый промежуток времени предоставляется возможность записать достаточно большой объем информации и оперативно обработать результаты анализа. Однако этот метод сопряжен с изменением внутренней структуры и состава вещественного доказательства. Поэтому в экспертной практике хроматографию рекомендуется использовать после иных, неразрушающих методов исследования, обеспечивающих сохранность объекта.

Диапазон применения методов хроматографического разделения огромен. Современные технологические решения позволяют создавать портативные хроматографы, эксплуатационные параметры которых - чувствительность и селективность - делают возможным их использование в полевых условиях для поиска и экспресс-анализа сверхмалых количеств взрывчатых веществ, в том числе, на объектах-носителях, где предполагается наличие остатков взрывчатых веществ или продуктов их разложения. Так, оригинальная поликапиллярная колонка для газовой хроматографии длиной всего 220 мм позволяет за две-три минуты обнаружить и идентифицировать следовые количества паров взрывчатых веществ (рис. 16). В целях идентификации взрывчатых веществ применяется детектор электронного захвата, обладающий повышенной чувствительностью к нитропроизводным углеводородам; ведь именно к данному классу соединений относится большинство взрывчатых веществ. Применяемая техника обеспечивает по сравнению с другими аналитическими приборами подобного класса низкое и автономное энергопотребление, небольшие габариты и массу.

Газохроматографический метод все чаще используется в борьбе с экологическими преступлениями. Сейчас выполняются экспертные исследования загрязненных участков почв, почвенных вод и атмосферных выбросов промышленных комплексов, акваторий портов и прибрежных морских зон^Б0. Цель исследований - выявление источника загрязнения, например, конкретной нефтебазы или морского (речного) судна, предприятия или терминала, которые являются ответственными за нанесенный окружающей природе ущерб.

Разработана и успешно эксплуатируется хроматографическая аппаратура для космических исследований: с помощью компактных хроматографов, находящихся в космических аппаратах, получены данные о составе атмосферы Венеры и Марса, идентифицированы органические вещества в лунных породах.

Кроме того, хроматография с ее исключительными возможностями находит применение в археологии и в искусстве при изучении «старых» красок, лаков, покрытий, бальзамов.

Необходимо особо отметить, что область применения в судопроизводстве рассматриваемого метода интенсивно расширяется, и реальные перспективы в идентификации веществ неизвестной природы связаны с совместным использованием хроматографии и других физико-химических методов, таких как масс-спектроскопия, инфракрасная и ультрафиолетовая спектроскопия. Возможности метода газовой хроматографии существенно расширяются при использовании такого его варианта, как реакционная газовая хроматография, вследствие чего многие нелетучие, термонеустойчивые или агрессивные вещества непосредственно перед введением в хроматографическую колонку переводятся с помощью химических реакций в другие - более летучие и устойчивые соединения. Подобные химические превращения эффективно используются при экспертном исследовании биологических продуктов (производные аминокислот, жирных кислот, Сахаров и т.п.).

Следует подчеркнуть, что хроматография является повседневным методом качественного и количественного анализа материалов, веществ, изделий в целях получения эксклюзивной доказательственной информации. В настоящее время метод представлен в экспертных подразделениях сложнейшими инструментальными системами, основанными на современных прецизионных блоках с компьютерным обеспечением.

Размещено на Allbest.ru