1 Жебентяев Александр Ильич
 Скачать 5.46 Mb.
|
|
Детектор электронного захвата (ДЭЗ). Принцип работы детектора электронного захвата основан на захвате электронов молекулами соединений, обладающими достаточным сродством к электрону, и образовании отрицательных молекулярных ионов (рис. 7.14). элюат 2 1 3 Рис. 7.14. Схема детектора электронного захвата. 1 – источник радиоактивного излучения; 2 – анод; 3 – катод. 276 Глава 7. Летучие токсиканты В камере детектора находится источник β-излучения. При прохождении газа-носителя через камеру происходит ионизация атомов газа-носителя и образование свободных электронов, которые захватываются молекулами анализируемых веществ. Образующиеся молекулярные анионы менее подвижны, чем свободные электроны. Поэтому сила тока ионизации понижается и на хроматограмме появляется отрицательный пик. Такой детектор чувствителен к соединениям, содержащим азот, галогены, свинец и др. В качестве газа-носителя применяют азот и водород. Возбужденные атомы аргона могут вызывать побочные процессы. Чувствительность детектора электронного захвата определяется сродством анализируемых веществ к электрону. Углеводороды не захватывают свободных электронов, так как углерод и водород имеют очень малое сродство к электрону. Легко захватывают электроны кислород, галогены и др. При этом образуются стабильные отрицательные ионы. Линейный диапазон детектирования ДЭЗ находится в пределах 10 2 –10 4 в зависимости от типа детектора. Детектор электронного захвата применяют при определении пестицидов и других токсичных соединений в биологических жидкостях, пищевых продуктах и других объектах. Разработаны методики определения летучих алкилгалогенидов и некоторых металлоорганических и неорганических соединений в различных пробах. Абсолютный рекорд по чувствительности пока принадлежит детектору электронного захвата, равный 1,6∙10 -19 моль для N,N’– дипентафторбензоилпентафторанилина. К основным недостаткам ДЭЗ относятся: чувствительность к изменению температуры, малая линейная область детектирования, сравнительно невысокий верхний температурный предел использования, возможность протекания побочных процессов. В таблице 7.12 приведены основные характеристики газохроматографических детекторов. 277 Глава 7. Летучие токсиканты Таблица 7.12 Основные характеристики газохроматографических детекторов Вид детектора Тип Селективность (по отношению к указанным веществам) Минимальное детектируемое количество (S/N = 2) Линейный динами- ческий диапазон Пламенно- ионизацион- ный Селектив- ный Вещества, ионизирующиеся в водородном пламени 5 пг С/с 10 7 По тепло- проводности Универ- сальный Все вещества, отличающиеся по тепло- проводности от газа-носителя 400 пг/мл газа- носителя 10 6 Электроно- захватный Селектив- ный Электро- фильные, в газовой среде 0,1 пг Сl/с (варьирует в зависимости от структуры) 10 4 Фото- ионизацион- ный Селектив- ный Вещества, ионизирующиеся в УФ-свете 2 пг С/с 10 7 Термо- ионизацион- ный Селектив- ный N, P, гетероатомы 0,4 пг N/с 0,2 пг P/с 10 4 Электро- литический Селектив- ный Галогены, N, S 0,5 пг Cl/с 2 пг S/с 4 пг N/с 10 6 10 4 10 4 Пламенно- фото- метрический Селектив- ный P, S 20 пг S/с 0,9 пг P/с 10 3 10 4 278 Глава 7. Летучие токсиканты Инфракрас- ный спектро- метрический с преобразова- нием Фурье Универ- сальный Молекулярные колебания 1000 пг вещества, хорошо поглощающего ИК-излучение 10 3 Масс- спектро- метрический Универ- сальный Настраивают на любое соединение От 10 пг до 10 нг (SIM или Scan) a 10 5 Атомно- эмиссион- ный Универ- сальный Настраивают на любой элемент 0,1 – 20 пг/с (в зависимости от элемента) 10 4 7.6.11. Пробоподготовка При анализе сложных биологических проб требуется предварительная пробоподготовка. Универсальная методика перегонки с водяным паром применяется в случае больших навесок биоматериала. Метод ГХ, благодаря своей селективности и чувствительности, позволяет упростить и ускорить анализ. Основными вариантами пробоподготовки при определении летучих веществ в биологических объектах являются: 1. Анализ равновесной парогазовой фазы (ПГФ). На рис. 7.15 показана схема получения парогазовой фазы: пробу биожидкости, гомогенизата ткани или цельной ткани помещают в стеклянный флакон, прибавляют химический агент - безводный Na 2 SO 4 для удаления паров воды, фосфорновольфрамовую или трихлоруксусную кислоту (осаждение белков). Рис. 7.15. Схема получения ПГФ 279 Глава 7. Летучие токсиканты Затем флакон плотно укупоривают пробкой с фиксатором (повышение давления) и нагревают на водяной бане при температуре на 5–10°С выше температуры кипения выделяемого вещества. После этого пробку прокалывают и отбирают пробу шприцем (1–2 см 3 ) и вводят в испаритель хроматографа. Метод характеризуется универсальностью, экспрессностью и простотой проведения пробоподготовки. 2. Твердофазная микроэкстракция. Этот вид пробоподготовки сравнительно недавно (середина 90-х гг.) стал использоваться в аналитической практике. Он заключается в адсорбции летучих компонентов раствора на сорбционном волокне, напыленном на штоке газохроматографического шприца. По химической структуре волокна чаще всего являются силиконами или полиэтиленгликолями. Данный вариант отличается от анализа равновесной ПГФ высокой степенью концентрирования целевых компонентов пробы, более высокой степенью очистки пробы. Однако, для проведения этого варианта пробоподготовки требуется оборудование (газовый хроматограф) со специальным устройством для ввода пробы. 3. Динамическая газовая экстракция. Через пробу продувают газ-носитель, который «уносит» летучие компоненты из жидкой фазы. Эти компоненты концентрируются двумя методами: на сорбентах (перечислены выше), а также при использовании устройства криогенной фокусировки - охлаждение зоны ввода пробы в колонку при температуре жидкого азота. Метод используется чаще всего при анализе микрокомпонентов при определении загрязнений питьевых и сточных вод. 7.6.12. Качественный газохроматографический анализ 1. Сравнение экспериментальных и приведенных в литературе параметров удерживания. Хроматографический качественный анализ основан на использовании качественных характеристик разделяемых веществ: времени удерживания или удерживаемого объема и индексов удерживания. На время удерживания и удерживаемый объем значительное влияние оказывают случайные факторы, которые в меньшей степени влияют на относительное время удерживания (t ОТН ) и на относительный удерживаемый объем (V ОТН ). t ОТН = t' R / t' C Т и V ОТН = V' R / V' СТ , где t' R и V' R – исправленное время и объем удерживания определяемого вещества; а t' СТ и V' СТ – исправленное время и объем удерживания стандарта. Значения относительных удерживаемых объемов приводятся в справочных таблицах. Идентификация анализируемых веществ 280 Глава 7. Летучие токсиканты производится сравнением экспериментальных и табличных данных. При этом условия опыта не должны отличаться от тех, в которых получены табличные данные. Основными условиями, которые должны соблюдаться при идентификации веществ по параметрам удерживания, являются: тип сорбента, температурные режимы, параметры колонки и условия её подготовки, объем вводимой пробы, расход газа-носителя, способ измерения мертвого времени. Источниками погрешностей могут быть: температурные колебания термостатируемых зон хроматографа, невоспроизводимость характеристик сорбента, старение колонки, флуктуации расхода газа- носителя, погрешности дозирования, несинхронность операций ввода пробы и пуска средств измерения времени удерживания, погрешности средств измерения времени удерживания и др. Литературные и экспериментальные данные имеют определенную погрешность и при сравнении результатов трудно говорить об их правильности, так как неизвестно истинное значение измеряемого параметра. При несовпадении значения найденного параметра удерживания определяемого компонента с опубликованным не следует понимать, что это разные вещества. С другой стороны, совпадение литературных и экспериментальных параметров удерживания еще не означает, что предполагаемое вещество соответствует известному веществу по литературным данным. Однозначный ответ можно получить только при совпадении параметров удерживания определяемого и известного вещества на нескольких колонках различной природы. Необходимо иметь в виду, что в качественном хроматографическом анализе многокомпонентных смесей пиковая емкость колонки ограничена. Пиковая емкость – это число пиков, которые могут быть разрешены за определенный промежуток времени: n = 1 + ( N /4) ln (V R n /V R 1 ) (7.41) где V R 1 и V R n − объемы удерживания первого и последнего пиков, N – число теоретических тарелок (рис. 7.16). 281 Глава 7. Летучие токсиканты Рис. 7.16. Определение пиковой емкости. 2. Идентификация по эталонным веществам Хроматографическим приемом качественного анализа является и метод метки или метод добавки. Получают хроматограммы анализируемого образца (хроматограмма 1) и образца c добавкой c тандарта определяемого вещества (хроматограмма 2). Количество добавляемого вещества не должно превышать количество идентифицируемого компонента. Если на хроматограмме 2 появился новый пик, то добавленного вещества нет в анализируемом образце. Увеличение высоты соответствующего пика на хроматограмме 2 при неизменной ширине пика у основания позволяет предполагать, что добавляемое вещество имеется в анализируемом образце. Если наблюдается одновременное увеличение высоты пика и изменение ширины пика у основания, то добавляемое соединение относится к другому классу соединений. В этом случае повторяют исследования на нескольких колонках с различной полярностью. 3. Групповая идентификация веществ Газовая хроматография позволяет проводить как индивидуальную, так и групповую идентификацию веществ. Групповая идентификация осуществляется следующими способами: 1. Реакционная газовая хроматография. Качественный анализ весьма сложных объектов возможен при сочетании химических и хроматографических методов исследования. При этом в результате химических реакций получают более летучие и 282 Глава 7. Летучие токсиканты устойчивые соединения, отличающиеся от соединений, присутствующих в пробе. Методом реакционной газовой хроматографии часто определяют микроколичества воды: продукты реакции воды с гидридами металлов, карбидом кальция (водород, ацетилен) легко детектируются пламенно- ионизационным детектором (к воде детектор малочувствителен). Реакции обмена, дегидратации, гидролиза, гидрирования, обмена, дегидрирования, пиролиза, этерификации и другие могут проводиться до колонки, непосредственно в колонке или после колонки. Недостатками реакционной хроматографии являются появление новых источников ошибок и длительность анализа. 2. Анализ на колонках с селективными неподвижными фазами. 3. Анализ с применением селективных детекторов. Сочетание универсальных детекторов (по теплопроводности, пламенно-ионизационный) с селективными (термоионный, электронозахватный и др.) повышает эффективность групповой идентификации компонентов смесей. Возможны различные варианты сочетания последовательного и параллельного размещения детекторов относительно друг друга. По схеме последовательного соединения все детекторы, кроме исходного, должны быть недеструктивными. Такие схемы размещения детекторов называют мультидетекторными. 4. Идентификация веществ с использованием индексов удерживания В газовой хроматографии наряду с относительными параметрами удерживания для идентификации веществ используют индекс (I) удерживания, предложенный Е. Ковачем в 1958 году. Индексы удерживания бывают линейными (если хроматографирование проводят в режиме программирования температуры колонок) и логарифмическими (при работе в изотермическом режиме). Величины значений индексов Ковача мало зависят от температуры колонок и соответствуют произведению числа атомов углерода в молекуле на 100 (например, для метана – 100, для этана – 200 и т.д.). В строго определенных условиях хроматографического разделения (тип насадки, температурные режимы колонки и системы ввода пробы, объем вводимой пробы, входное и выходное давление газа-носителя и др.) определяют величины логарифмов исправленных времен удерживания членов гомологического ряда нормальных углеводородов, которые элюируются из колонки до и после анализируемого соединения и строят графическую зависимость «lg t' R – индекс удерживания Ковача». Затем определяют величину lg t' R исследуемого вещества и по графику определяют соответствующее 283 Глава 7. Летучие токсиканты значение величины индекса удерживания определяемого вещества. Качественный состав анализируемой пробы устанавливают путем сравнения полученных значений индексов удерживания с табличными значениями индексов удерживания для индивидуальных веществ. Индекс удерживания Ковача можно рассчитать. В этом случае определяют время удерживания анализируемого соединения и двух н- алканов, которые элюируются до и после определяемого соединения (t Rz < t Rx < t R(z+y) ). Необходимо, чтобы время удерживания определяемого вещества находилось между временами удерживания н- алканов. После определения времени удерживания несорбирующегося компонента рассчитывают исправленные времена удерживания определяемого вещества и н-алканов. Формулы для расчета индексов удерживания: линейные: I = 100z + 100y(t ′ Rx - t ′ Rz )/(t ′ R(z + y) - t ′ Rz ) (7.42) логарифмические: I = 100z + 100y(lg t ′ Rx – lg t ′ Rz )/(lg t ′ R(z +y) – lg t ′ Rz ) (7.43) где z – число атомов углерода в молекуле н-алкана, выходящего из колонки до определяемого вещества «х»; z+y – число атомов углерода в молекуле н-алкана, выходящего из колонки после определяемого вещества. Индекс Ковача и логарифм исправленного времени удерживания связаны линейной зависимостью. Индекс удерживания является более индивидуальной характеристикой, чем удерживаемый объем, что повышает надежность идентификации. Газовую хроматографию проводят как при постоянной температуре (изотермическая ГХ), так и с программируемой температурой. В изотермической ГХ температура в колонке в процессе работы поддерживается постоянной. Однако, если температуры кипения разделяемых соединений значительно (>100 о С) отличаются, то возникает много проблем (размытые пики, увеличивается время анализа и др.). Использование ГХ с программируемой температурой эти проблемы легко решает. Легколетучие компоненты разделяются при первоначально более низкой температуре. Затем с повышением температуры разделяются компоненты с более высокими температурами кипения. 284 Глава 7. Летучие токсиканты 7.6.13 . Количественный газохроматографический анализ В основе количественного хроматографического анализа лежит зависимость различных хроматографических параметров (высота, площадь хроматографического пика; произведение высоты пика на отрезок нулевой линии, соответствующей времени удерживания) от концентрации хроматографируемых веществ. Высота пика может быть определяющим фактором при достаточной стабильности условий хроматографирования (температура колонки и расход газа-носителя стабильны, измерения проводят в линейном динамическом диапазоне детектора, колонка практически не перегружена). Необходимыми условиями количественного анализа с использованием площади пика являются стабильный расход газа- носителя и измерение сигнала детектора в линейном диапазоне. Площадь хроматографического пика измеряют различными способами в зависимости от формы хроматографического пика: произведение высоты пика на ширину пика на половине высоты, при помощи интегратора; по площади треугольника, основание которого равно расстоянию между точками пересечения касательных к сторонам пика в точках перегиба с нулевой линией и другими способами. Если форма пика приближается к трапеции (пик растянут), то площадь рассчитывают как произведение полусуммы оснований трапеции на высоту. Если пики имеют форму гауссовской кривой, то определяющим параметром может быть произведение t R h. В случае неполного разделения пиков расчет площади (S) проводят по формуле: S=K h · w 0,5; 0,75; 0,882; 0,9 (7.44) где K – поправочный коэффициент (1,065; 1,66; 2,507; 2,73 соответственно), рассчитанный при измерении ширины пика на высотах, указанных в формуле (нижние индексы). Основными методами количественной оценки хроматограмм являются: метод нормировки, метод внутреннего стандарта и метод градуировочного графика. В методе нормировки (внутренней нормализации) сумму хроматографических параметров (площадей или высот пиков) принимают за 100%. Массовую долю (ω i , %) определяемого компонента рассчитывают как отношение высоты или площади одного пика (S i ) к сумме высот или площадей всех пиков (∑S): 285 Глава 7. Летучие токсиканты ω i = (S i 100%) / ∑S (7.45) В связи с различной чувствительностью детектора к компонентам пробы предварительно для каждого компонента рассчитывают калибровочные (поправочные) коэффициенты: к площадям (K Si ) или высотам (К hi ) пиков. Определение поправочных коэффициентов проводится при последовательном хроматографировании серии бинарных смесей, составленных из определяемого компонента (i) и стандарта (ст): K Si = (S ст C i )/(S i C ст ) (7.46) K hi = (h ст C i )/ (h i C ст ) ( 7.47) Формула для расчета массовой доли определяемого компонента с учетом поправочных коэффициентов имеет вид: ω i = (K Si S i 100%)/ ∑ = n i 1 (K Si S i ) (7.48) Достоинство метода нормировки заключается в том, что искажения, имеющиеся у всех пиков, не влияют на точность результатов. Погрешности метода связаны с постепенным изменением режима в процессе выполнения анализа. В методе внутреннего стандарта, предложенном Реем в 1954 году, к известному количеству анализируемой пробы прибавляют известное количество не содержащегося в нем стандартного вещества. К веществу, используемому в качестве внутреннего стандарта, предъявляются следующие требования: • инертность по отношению к компонентам анализируемой смеси. • стандартное вещество должно полностью смешиваться с компонентами анализируемой смеси. • близость пиков стандартного и определяемых веществ. • близкие структура и физико-химические свойства. • отношение параметров пиков стандарта и определяемого вещества близко к единице. Массовую долю определяемого компонента рассчитывают по формуле: ω i = (K Si S i 100% r ) / (К ст S ст ) (7.49) 286 Глава 7. Летучие токсиканты где К ст , S ст – калибровочный (поправочный) коэффициент и площадь пика внутреннего стандарта; r – отношение массы внутреннего стандарта к массе анализируемой пробы. В методе абсолютной калибровки (или метод градуировочного графика) строят графическую зависимость высоты (h) или площади (S) пика от содержания определяемого вещества в пробе. Расчет массовой доли i-го компонента в % и концентрации в г/л проводят по формулам: ω i = (g i ·100%) / a = (A s ·S i ·100%) / a (7.50) C i = (1000·g i ) / V i (г/л), (7.51) где a − масса пробы; g i − содержание i-го компонента, найденное по градуировочному графику; V i − объем пробы; A s = g i / S i (7.52) или A h = g i / h i (7.53) (угловой калибровочный коэффициент). Необходимыми условиями работы по методу градуировочного графика являются: точность и воспроизводимость дозирования пробы, соблюдение постоянства режима хроматографирования при калибровке прибора и при выполнении анализа пробы. Это простой и наиболее точный метод, применяют при определении одного или нескольких компонентов смеси. Метод эталонной добавки применяется реже. Этот метод позволяет учесть влияние матрицы и заключается в том, что к анализируемой пробе добавляют различные количества компонента, который определяют в пробе. Затем строят график зависимости площади пика от величины добавки и определяют содержание компонента в исходной пробе. Величина площади пика, определяемая экстраполяцией на нулевую добавку, соответствует содержанию компонента в исходной анализируемой смеси. Обязательным условием использования метода эталонной добавки является линейная зависимость показаний детектора от концентрации компонента в пробе при внесении добавки. Источниками систематических погрешностей в количественном хроматографическом анализе являются отбор пробы и ее негомогенность, нелинейность детектора и его различная чувствительность к компонентам пробы, обработка хроматограмм. 287 |