Хроматографический метод анализа. Методические указания к лабораторным работам 1
 Скачать 325.83 Kb.
|
|
Качественный анализ по параметрам удерживания Идентификацию проводят путем сопоставления относительного удерживаемого объема компонента с литературными (табличными) данными для известных веществ, определенных на используемых сорбентах при заданной температуре колонки. В этом случае для расчета V г необходимо при указанной температуре колонки и постоянном режиме снять хроматограмму исследуемого вещества и вещества, принятого за эталон сравнения (н.пентан - для углеводородов, масляная кислота - для жирных кислот и 12 т.д.), рассчитать V r для всех пиков и сравнить их с литературными данными. Идентификацию также проводят по индексам удерживания, предложенных Ковачем. При расчете индекса удерживания I вещества в качестве эталона сравнения выступают два соседних н.алкана, один из которых элюируется до, а второй после исследуемого соединения, то есть t r (n) < t r (вещества) < t r (n+l ), где n - число атомов углерода в молекуле н.алкана. В этом случае необходимо при постоянном режиме снять хроматограмму исследуемого вещества и эталонных веществ. Индекс удерживания рассчитывается по формуле: n n V n V n V ва в V I r r r r 100 ) ( lg ) 1 ( lg 100 )) ( lg ) ( (lg + − + − − = (15) При расчете I удерживаемый объем V r может быть заменен другими характеристиками удерживания t r или l r . Индексы удерживания значительно чувствительнее к изменению свойств системы, чем удерживаемые объемы, и менее зависят от возможных нарушений в режиме опыта Для идентификации используют также ряд графических зависимостей. Для многих гомологических рядов углеводородов и их производных существует линейная зависимость между удерживаемыми объемами этих соединений на полярной и неполярной фазах (рис. 8а) или между логарифмами соответствующих удерживаемых объемов (рис. 86). а б Рис. 8. Зависимость lgV r (а) и V r (б) различных классов органических соединений на неполярной НЖФ от соответствующих lgV r (а) и V r (б) на полярной НЖФ: 1 – н.алканы, 2 – арены; 3 – спирты; 4 – кетоны. С помощью этих зависимостей можно установить принадлежность 13 пика неизвестного соединения к определенному гомологическому ряду. Чтобы построить линейную зависимость (рис. 8а и 8б), необходимо на двух фазах различной полярности снять хроматограммы трех (или четырех) представителей гомологического ряда предполагаемого соединения, определить для них V r или lg V r Затем необходимо снять хроматограмму анализируемой смеси, содержащей неизвестный компонент, на тех же двух фазах и при том же режиме прибора. Совмещение измеренных по хроматограммам на обеих колонках величин удерживания определяемого компонента с точкой на той или иной прямой на графике указывает на принадлежность компонента к соответствующему этой прямой гомологическому ряду. Положение же точки на прямой дает ответ на вопрос, что это за вещество. Недостаток описанных методов состоит в том, что для построения калибровочных графиков необходимы индивидуальные вещества. Реакционная газовая хроматография Для идентификации пиков сложных многокомпонентных смесей применяют сочетание хроматографии с химическими реакциями. Такой вариант называется реакционной хроматографией. Наиболее часто используют так называемые «методы удаления». В этом случае сначала снимают хроматограмму исходной смеси. Затем перед колонкой или после нее перед детектором помещают микрореактор с реагентом, который образует с соединениями определенного класса соответствующие нелетучие производные и выводит их из потока газа-носителя, и снимают вторую хроматограмму. На первой хроматограмме имеются пики всех компонентов, на второй - только пики непрореагировавших веществ Прореагировавшие вещества соответствуют исчезнувшим пикам. Используют также различные реакции превращения одних соединений в другие, например, гидрирование, дегидрирование, окисление и другие. Разновидностью реакционной газовой хроматографии является пиролитическая газовая хроматография - комплексный метод, включающий термическое разложение пробы (как правило, нелетучего или неустойчивого соединения) и хроматографический анализ получаемых продуктов. Для целей идентификации применяют также сочетание хроматографии с методами инфракрасной спектроскопии или масс- спектрометрии. КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ Основным параметром хроматограммы, характеризующим 14 количество анализируемого компонента, является площадь пика S, ограниченная контурами хроматографической кривой и базисной (нулевой) линией. Вспомогательными параметрами хроматографических пиков при количественной расшифровке являются: - высота пика h; - основание пика w b ; - ширина пика на половине высоты w 0,5 Измерение площади пика возможно следующими способами: 1) с помощью электронного интегратора; 2) путем вырезания пика и взвешивания на аналитических весах; 3) как произведение S w h ⋅ = ⋅ ⋅ 90 , 0 5 , 0 5 , 0 , метод треугольника; 4) как произведение S w h в ⋅ = ⋅ ⋅ 80 , 0 5 , 0 или S w h в ⋅ = ⋅ 97 , 0 ' 5 , 0 В последних двух случаях точность определения зависит от формы пика. Наименьшие погрешности характерны при измерении площадей пиков с отношением высоты к полуширине в пределах 3-5. В случае содержания в исследуемой смеси компонентов одновременно в макро- и микроколичествах целесообразно снимать хроматограмму смеси с переключением множителя шкалы измерений. Компоненты, содержащиеся в малой концентрации, выписываются при наибольшей чувствительности детектора - на 1-й или 2-й шкале, а компоненты, присутствующие в большом количестве, - при наименьшей чувствительности, на 30-й или 100-й шкалах. Поэтому в формулы для расчета площадей пиков необходимо ввести множитель шкалы М: M w h S ⋅ ⋅ = 5 , 0 и M w h S в ⋅ ⋅ ⋅ = 5 , 0 (14) В выражения для площадей пиков нужно также ввести поправочные коэффициенты К, обусловленные различной чувствительностью детектора к определяемым компонентам: M w h K S ⋅ ⋅ ⋅ = 5 , 0 и M w h K S в ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = 5 , 0 (15) Значение величины К берется из справочных таблиц. Основные методы количественного расчета хроматограмм Первостепенной задачей количественного анализа является градуировка прибора, то есть установление строгой числовой взаимосвязи между сигналом детектора и количеством интересующего вещества. Выполнение анализов включает в качестве начальной и одной из очень важных процедур приготовление и хроматографирование нескольких искусственных смесей, содержащих различные количества каждого из определяемых компонентов. 15 Метод абсолютной калибровки Этот метод используется при условии точной дозировки пробы и жесткого соблюдения режима работы хроматографа при калибровке и измерениях. Метод основан на предварительном построении калибровочных графиков зависимости площади S или высоты пика h от дозируемого количества индивидуального вещества q. Для этого при одних и тех же условиях хроматографируют точно измеренные различные количества определяемого компонента. Полученная зависимость, как правило, прямолинейна, угловой коэффициент прямой равен: α γ K h S tg = = 1 1 1 ) ( В случаях острых пиков на хроматограмме калибровку ведут по высотам, в случае широких пиков - по площадям. По полученному графику (рис.10), используя найденное при снятии хроматограммы неизвестной смеси, значение h х (или S x ), можно определить количество q x искомого компонента. Рис. 9. Калибровочная прямая S(h) = f(q). Содержание (концентрацию) компонента в пробе находят по соотношению: 100 ⋅ ⋅ = m x g С x , (18) где m - масса пробы, г . Метод абсолютной калибровки обычно применяют в случае необходимости определения одного или двух компонентов исследуемой смеси, а не полного ее состава. Метод внутреннего стандарта Метод основан на добавлении к анализируемой смеси известного 16 количества не содержащегося в ней эталонного соединения – «внутреннего стандарта» и на последующем хроматографировании приготовленной смеси. При выборе стандарта необходимо руководствоваться следующими положениями. 1. Стандартное (эталонное) вещество должно полностью смешиваться с компонентами анализируемой смеси (растворяться в ней) и в химическом отношении должно быть абсолютно инертным и к компонентам анализируемой смеси, и к используемой неподвижной фазе. Желательно стандартное вещество выбирать из числа соединений, близких объектам анализа по структуре и летучести. 2. Концентрацию эталонного образца в анализируемой пробе следует подбирать таким образом, чтобы отношение площадей (или других количественных параметров) пиков стандарта и интересующего компонента было близким к единице. 3. В принятых условиях анализа пик стандартного вещества должен располагаться на хроматограмме в непосредственной близости от соединений - объектов анализа, но не накладываться на них. 4. Если в задачу анализа входит определение содержания в пробе двух или более веществ, значительно различающихся по времени удерживания (или по концентрации) целесообразно использовать два или более внутренних стандарта. При использовании этого метода нет необходимости в точной дозировке анализируемой пробы, и в этом его преимущество по сравнению с методом абсолютной калибровки. Этот метод нашел широкое применение в тех случаях, когда не требуется полный состав исследуемой пробы, а только один - два компонента. Для количественного определения компонента нужно предварительно снять хроматограммы искусственных смесей, состоящих из определяемого компонента и стандарта, взятых при различных соотношениях. Приготовленные смеси должны охватывать всю область возможных концентраций анализируемого компонента. Построить калибровочный график. По оси абсцисс откладывают отношение массы стандарта m ст к массе анализируемого вещества m к в искусственных смесях, а по оси ординат - соответствующее им отношение площадей пиков S ст /S к (рис. 10). В узкой области соотношений этот график прямолинеен и позволяет графически определить количество исследуемого вещества в неизвестной смеси по известному количеству прибавленного стандарта и соотношению площадей пиков на хроматограмме. 100 ⋅ ⋅ = смес c т c т к к q q S S С (19) 17 Рис. 10. Зависимость соотношения площадей пиков стандарта и определяемого компонента от соотношения их масс. Один из вариантов метода "внутреннего стандарта" - метод стандартной добавки, когда в качестве стандарта используют соединение, уже присутствующее в анализируемой смеси. В этом случае в одинаковых условиях получают две серии хроматограмм: 1 - исходной анализируемой смеси и 2 - порции смеси q c мес с добавленным к ней известным количеством q ст одного из компонентов, играющего роль стандартного соединения. Содержание в исходной смеси определяемого компонента (20) и вещества-стандарта (21) в масс % рассчитывают: 100 11 1 12 2 1 ⋅ − = S S S S q q С ст ст смес ст ; (18) 100 1 12 2 1 11 ⋅ − − = S S S S q q С ст ст смес ст c т (19) Метод внутренней нормализации Метод основан на отнесении измеренной площади (или высоты) хроматографического пика к суммарному сигналу детектора на все компоненты пробы, присутствующие в анализируемом образце. Сумма площадей всех пиков на хроматограмме с учетом поправочных коэффициентов принимается за 100 %, площадь каждого пика составляет 18 определенную долю от суммы площадей всех пиков. Концентрация любого компонента смеси рассчитывается по формуле: 100 100 1 51 , 0 1 1 1 1 51 , 0 1 1 1 1 1 1 ⋅ = ⋅ = ∑ ∑ − − M w h K M w h K S S С n i n i (22) Метод нормализации удобен, так как не требует точной дозировки вводимой пробы. Однако им пользуются только при условии, что все компоненты регистрируются на хроматограмме и природа их известна, что позволяет в расчете использовать соответствующие поправочные коэффициенты. Данные о поправочных коэффициентах для различных веществ, полученные на детекторах разных типов, можно найти в учебниках и справочной литературе. АППАРАТУРА ДЛЯ ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ Система подготовки газов выполняет установку, стабилизацию и очистку потоков газа-носителя и вспомогательных газов (если они необходимы для питания детектора). Газ-носитель. Выбор газа-носителя зависит от типа применяемого детектора. При использовании катарометра применяют гелий, водород, азот; пламенно-ионизационного детектора - гелий, водород, азот. Дозирующее устройство позволяет вводить в поток газа-носителя непосредственно перед колонкой определенное количество анализируемой смеси в газообразном состоянии. При введении пробы должно выполняться несколько общих требований. 1. Состав пробы, введенной в колонку, должен быть идентичен составу анализируемой смеси. 2. При многократном введении одной и той же пробы в постоянных условиях ее величина (объем или масса) должна изменяться на 1-3%, то есть воспроизводиться. 3. При введении пробы ее размывание и разбавление газом- носителем должно быть наименьшим, так как чем меньшую начальную часть колонки занимает проба, тем большей эффективности разделения можно достичь. 4. Введение пробы не должно вызывать изменения установившегося режима работы хроматографа. 5. Величина пробы выбирается с учетом сорбционной емкости, чтобы не вызвать ее перегрузки, и учетом чувствительности детектора. Существует несколько типов дозаторов, конструкция которых определяется агрегатным состоянием вводимых проб. Для дозирования газообразных смесей используют газовые краны–дозаторы или специальные газовые шприцы. 19 Введение жидких смесей в колонку проводят специальными шприцами объемом от 0,1 до нескольких микролитров через термостойкое резиновое уплотнение в испаритель. Испаритель представляет собой нагреваемый до определенной температуры металлический блок с каналом для ввода и испарения жидкой пробы. Колонки. Различают два основных вида аналитических колонок - насадочные (набивные) и капиллярные. Насадочная хроматографическая колонка представляет собой стальную, медную или стеклянную трубку внутренним диаметром 3-6 мм. Для решения большинства задач обычно используют колонки длиной 1-3 м, которые имеют U-образную или спиралевидную форму. Внутренняя полость насадочных колонок заполняется инертным твердым носителем, покрытым тонкой пленкой неподвижной жидкой фазы или твердым активным адсорбентом определенного состава. Капиллярные колонки изготавливают из трубки (нержавеющая сталь, стекло или кварц) с внутренним диаметром 0, 2 - 0,5 мм и длиной от 10 до 200 м. Неподвижная фаза в виде тонкой пленки нелетучего растворителя или тонкого слоя адсорбента не заполняет всю внутреннюю полость, а покрывает лишь внутреннюю поверхность трубки. Капиллярные колонки обладают весьма высокой эффективностью, однако приготовление таких колонок является трудоемкой операцией, требующей определенных практических навыков. Неподвижные фазы. Применяемые в ГАХ адсорбенты характеризуются адсорбционной активностью, истинной и насыпной плотностью, пористостью, удельной поверхностью, влажностью, структурой пор, зернением и т.д. Кроме того, адсорбент должен обладать селективностью, то есть избирательностью адсорбции в отношении разделяемых компонентов, химической и каталитической инертностью, изотермой адсорбции, близкой к линейной, механической прочностью и доступностью. Селективность адсорбента определяется характером взаимодействия его с адсорбатом и обусловлена дисперсионными силами на неполярных сорбентах, а на полярных - образованием водородных связей и другими типами полярных взаимодействий. В качестве неполярных сорбентов используются угли и сажи, в качестве полярных – силикагели, алюмогель, цеолиты, пористые стекла, аэросилы. Могут применяться также каолин, пемза, кварц и другие природные материалы. В отличие от ГАХ, использующей немногим более десятка адсорбентов, в ГЖХ возможно применение практически неисчерпаемого разнообразия НЖФ. Это позволяет подобрать селективный растворитель для любой анализируемой системы и значительно расширяет возможности ГЖХ по сравнению с ГАХ. 20 Кроме того, сравнительно низкие величины коэффициентов распределения и, следовательно, малое время удерживания позволяет быстро анализировать даже смеси высококипящих веществ при хорошем качестве разделения. В ГЖХ в случае использования насыпных колонок НЖФ наносят на гранулированный носитель, в капиллярных колонках - на внутреннюю поверхность капилляра. Назначение твердого носителя - удерживать жидкую фазу на своей поверхности в достаточном количестве в виде однородной пленки. Поэтому он должен обладать достаточной для этого макропористой поверхностью. Кроме того, носитель должен обладать химической инертностью, механической прочностью, термостабильностью, однородностью по размеру пор и зерен, равномерно смачиваться наносимой на его поверхность жидкой фазой. В качестве твердых носителей используются диатомиты, синтетические кремнеземы, полимерные носители на основе политетрафторэтилена, металлические порошки, обожженная керамика, графитированная сажа, стеклянные шарики. В качестве НЖФ в ГЖХ используются высококипящие углеводороды, их смеси, а также различные производные - сложные эфиры, амиды, сульфиды, полиэтиленгликоли и др. НЖФ наносится на носитель в количестве 5-40 мас. % (чаще 10- 20%). Она должна иметь малую вязкость, низкую летучесть при температуре колонки, достаточную растворяющую способность, высокую селективность, термостойкость. Количество жидкой фазы, наносимой на инертный носитель, зависит от величины и структуры его поверхности. При очень малом количестве НЖФ пленка жидкости может быть очень тонкой. При этом могут проявляться адсорбционные свойства носителя, что в ГЖХ нежелательно. С увеличением количества НЖФ увеличивается толщина жидкой пленки и доля свободного сечения колонки, приходящаяся на жидкую фазу. При этом увеличивается размывание хроматографической полосы и уменьшается эффективность разделения. Поэтому для каждого носителя подбирают оптимальное количество НЖФ, чтобы она равномерно и тонким слоем покрывала поверхность носителя. Успех разделения смеси веществ в ГЖХ определяется прежде всего природой, выбранной НЖФ. В основе селективности НЖФ лежит различие сил межмолекулярного взаимодействия разделяемых веществ и НЖФ. Различают 4 вида взаимодействующих сил: 1) ориентационные, действующие между постоянными диполями растворенного вещества и НЖФ; 2) индукционные, действующие между постоянным диполем анализируемого вещества и индуцированным диполем ЖФ или наоборот; 3) дисперсионные, действующие между неполярными молекулами 21 растворенного вещества и НЖФ (они возникают под действием электрического поля, которое создается быстро изменяющимися мгновенными диполями, образованными ядрами и электронами атомов взаимодействующих молекул); 4) специфические силы взаимодействия - обусловлены образованием водородной связи, донорно-акцепторным взаимодействием, комплексообразованием и другими эффектами. Различия в удерживаемых объемах разделяемых компонентов на различных НЖФ обусловлены результатами действия всех вышеуказанных сил. Но наибольший вклад в селективность НЖФ вносят ориентационные силы, зависящие от температуры и проявляющиеся на полярных фазах. Поэтому выбор НЖФ проводят в зависимости от ее полярности. Неполярные соединения обычно разделяют на неполярных жидких фазах в соответствии с их температурой кипения и молекулярной массой. На полярных НЖФ разделению благоприятствует поляризуемость компонентов смеси. Регулируя полярность НЖФ и применяя составные колонки с НЖФ, резко различающиеся полярности, можно варьировать селективность и достигать разделения различных смесей компонентов. Детекторы.Одним из основных узлов газового хроматографа является детектор. Детектор служит для непрерывной фиксации зависимости концентрации или другого параметра на выходе из колонки от времени. Если фиксируется концентрация вещества, детектор называют концентрационным, если произведение концентрации на скорость потока - потоковым. Любой детектор характеризуется чувствительностью и линейной связью измеряемой величины с возникающим сигналом. Условия анализа должны обеспечивать работу детектора в диапазоне с линейной зависимостью сигнала от измеряемого параметра. Наиболее распространены детекторы по теплопроводности и пламенно- ионизационный. Принцип действия детектора по теплопроводности (катарометр) (рис. 11) основан на измерении сопротивления спиралеобразной металлической нити (вольфрам, платина), которая включена в плечо моста Уистона. Нагретая нить катарометра омывается потоком газа-носителя и имеет постоянное сопротивление. При изменении состава газовой среды изменяется ее сопротивление. Электрическое равновесие моста нарушается, а возникающая разность потенциалов регистрируется измерительным прибором. Максимальная чувствительность катарометра достигается в случае использования в качестве носителя - газа, наиболее отличающегося по теплопроводности от анализируемых веществ. Этому требованию удовлетворяют гелий и водород. 22 Рис. 11. Детектор по теплопроводности: 1 – корпус, 2 – ячейки, 3 – чувствительные элементы В детекторе по ионизации пламени (рис. 12) анализируемые вещества, выходя из колонки с током газа-носителя, попадают в пламя водородной горелки. В результате термической диссоциации соединения в пламени образуются ионы. Концентрацию ионов определяют, измеряя проводимость пламени. Детектор по ионизации пламени чувствителен только к соединениям, ионизирующимся в пламени, т. е. к соединениям с С-С и С-Н -связями, и нечувствителен к неорганическим газам. Рис. 12.Схема пламенно-ионизационного детектора: 1– электрод-коллектор, 2–горелка, 3–изолятор электрода-коллектора, 4– изолятор горелки, 5–диффузор, 6–изолятор питания, 7– усилитель постоянного тока 23 |