Хроматографические методы анализа. Методическое пособие для специального курса Ответственный редактор Чл корр. Ран, профессор О. А. Шпигун Москва, 2007 2
 Скачать 0.77 Mb.
|
|
Применение для решения экологических задач. Метод газо- адсорбционной хроматографии обычно используют для оценки содержания в атмосферном воздухе кислорода, водорода, метана, углекислого газа, окиси углерода, окислов азота, хлора, диоксида серы, сероводорода и сероуглерода. Детекторы, используемые для этой цели приведены в табл. 5. Таблица 5. Характеристики хроматографических детекторов, используемых в анализе газов Детектор Анализируемые газы Нижний предел детектирования, пг Число порядков линейного диапазона ГГ Катарометр ПИД ФИД ТИД ЭЗД ПФД * ХЛД * Любые газы Органические газы Органические газы * Азот- и фосфор- содержащие Галоген-, серу- и азотсодержащие Серу- и фосфор- содержащие Серусодержащие 10 нг 100 20 1-10 0,001-1,0 100 2 4 6 7 3-4 2 3-4 6 * Кроме формальдегида и углеводородов С 1 -C 2 ; все неорганические газы, кроме O 2 , N 2 , CO, CO 2 и SO 2 ** ПФД –пламенно-фотометрический детектор; ХЛД – хемилюминесцентный детектор Достигаются весьма низкие пределы обнаружения соединений, соответствующие ПДК, которые показаны в табл.6. Областью применения этого метода также является анализ выхлопных газов двигателей и оценка загрязнения атмосферы выхлопными газами, определение углеводородов С 1 -С 4 . Возможно определение примесей в газообразных углеводородах, 28 Таблица 6. Легколетучие органические соединения, загрязняющие воздух Класс соединений Индивидуальные вещества ПДК, мг/м 3 Варианты детектирования Альдегиды Кетоны Ароматические углеводороды Хлоруглеводороды Фреоны Спирты Олефины Эфиры Кислоты Предельные углеводороды Амины Сернистые соединения Неорганические газы Фенол ы Акролеин Формальдегид Капроновый альдегид Ацетальдегид Бензальдегид Ацетон Метилэтилкетон Бензол Метилбензолы Нитробензол Толуол Нитротолуолы Ксилолы Стирол Изопропилбензол Нафталин Антрацен Дибензофуран Хлороформ 1,2-Дихлорэтан Метилхлороформ Трихлорэтилен Тетрахлорэтилен 1,1,1-Трихлорэтан Тетрахлорид углерода Трифторхлорметан (фреон 11) Дифтордихлорметан (фреон 12) Трифтортрихлорметан Метанол Этанол Изобутанол Пентены Гексены Этилацетат Бутилацетат Жирные кислоты С 2 -С 5 С 4 -С 10 Метиламин Этиламин Диэтиламин Триэтиламин Этилмеркаптан Изопропилмеркаптан Диметилсульфид Диметилдисульфид Сероводород Диоксид серы Оксид углерода Оксид азота Диоксид азота Фенол Крезолы 0,03 0,035 0,02 0,01 0,02 0,35 0,1 1,5 0,01-0,03 0,6 0,2 0,04 0,01 0,003 0,03 3 4 0,5 2 4 100 100 8 1 5 0,1 0,4 0,1 0,1 60-200 3.10 -5 1.10 -4 0,08 0,7 0,008 0,5 5 0,4 0,085 0,01 ПИД, МС ПИД, ТИД, МС ПИД ТИД, МС ПИД, МС ПИД, ЭЗД, МС ЭЗД, МС ПИД, МС ТИД, МС Катарометр ПИД, МС 29 например, метана в этилене. Газоадсорбционная хроматография является удобным методом определения в воздухе низких (до 0,03 мкг/л) таких токсичных газов, как фосфин и арсин без предварительного концентрирования с использованием ТИД или ФИД. Возможно определение в воздухе таких токсичных и реакционноспособных соединений, как Н 2 S, SO 2 , COS и меркаптанов. Еще одной сложной задачей является определение винилхлорида в воздухе. Для отделения этого соединения от других используют насадочные колонки, заполненные углеродными адсорбентами Карбопаком С и Порапаком S и T. Для детектирования винилхлорида можно использовать несколько достаточно чувствительных детекторов: ПИД, ЭЗД, ФИД, МС, ЭЛКД. Лучшей чувствительностью обладают МС и ЭЛКД и с их применением можно определить до 10 -12 г винилхлорида. На практике обычно используют ПИД, который позволяет определить 10 -10 г винилхлорида, для повышения чувствительности ГХ-определение сочетают с предварительным сорбционным концентрированием. Для надежной идентификации винилхлорида используют ГХ/МС или реакционно-сорбционное концентрирование примесей, заключающееся в удалении основной массы мешающих анализу примесей ЛОС непосредственно в процессе отбора пробы в форколонке, заполненной цеолитом 5Å, концентрированной серной кислотой на силикагеле и полиамидным эластомером (версамидом 900). После форколонки ставят ловушку с активированным углем. Винилхлорид не реагирует с насадкой форколонки и углем и без изменения концентрации регистрируется детектором газового хроматографа. Определение винилхлорида в воздухе с использованием этого приема показано на рис. 7. Широкие возможности для определения полярных, летучих соединений (этаноламинов, пиридина, анилина, толуидина) дает применение полимерного сорбента с низкой удельной поверхностью 30 Тенакс-GC на основе поли-(2,6-дифенил-п-фениленоксида). Его отличает отсутствие необратимых взаимодействий с полярными соединениями, устойчивость по отношению к воде и кислороду. Рис. 7. Идентификация винилхлорида в смеси ЛОС, выделяющихся в воздух рабочей зоны при производстве искусственной кожи на основе ПВХ: а – обычном варианте; б – после пропускания воздуха через форколонку с цеолитом 5А и серной кислотой. 1 – винилхлорид; 10 – толуол (экстрагент); пики 2-10 не идентифицировались. 2.2. Газо-жидкостная хроматография На практике чаще используют газо-жидкостную хроматографию, благодаря многообразию неподвижных фаз. В газо-жидкостной хроматографии разделение компонентов пробы достигается за счет многократного повторения процессов распределения между движущейся газовой и неподвижной жидкой фазами. Скорость миграции компонентов зависит от их летучести и способности растворяться в стационарной жидкой фазе. Компоненты с низкой растворимостью в жидкой фазе и наибольшей летучестью при данной температуре продвигаются по колонке быстрее, и, наоборот, компоненты с низкой летучестью и высокой растворимостью в стационарной фазе обладают малой подвижностью. Чем больше подвижность, тем меньше время удерживания. 31 В качестве носителя неподвижной фазы используют адсорбенты с поверхностью 0,5-3,0 м 2 /г и с размером пор (0,5-1,5)10 -3 мм. Наиболее часто используют диатомитовые носители, стеклянные шарики, силикагель и политетрафторэтилен. Неподвижные фазы должны быть химически и термически стабильны, смачивать носитель и наноситься на его поверхность равномерной пленкой. Известно более тысячи неподвижных жидких фаз, достаточно часто используется около 100. По химическому составу неподвижные фазы делят на следующие классы: Углеводороды (предельные углеводороды, смеси предельных и непредельных углеводородов, ароматические углеводороды) Примеры: сквалан, парафиновое масло, апиезоновые смазки, алкилнафталины, полифениловый эфир Силоксаны с радикалами различной полярности (неполярными, среднеполярными и полярными) Примеры: метилсилоксан, метилфенилсилоксан, нитрилсилоксан, полиэфирсиликоны Эфиры простые и сложные, полиэфиры , полигликоли Фталаты и фосфаты Выбор неподвижной фазы зависит от полярности разделяемых соединений и от их способности образовывать водородные связи. Для разделения полярных сорбатов необходимы полярные неподвижные фазы, неполярных – неполярные. Понятие полярности об ъединяет свойства, обуславливающие селективность за счет физического взаимодействия молекул с функциональными группами. Учитывается сумма неразрывно связанных взаимодействий, например, взаимная ориентация диполей, индуктивные и дисперсионные силы, образование водородных мостиков. Полярность рассчитывают как сумму этих взаимодействий, вклад которых оценивается по разнице индексов удерживания стандартных 32 веществ на наименее полярной фазе (сквалан, I=0) и наиболее полярной (β,β’-оксидипропионитрил, I=100). Например, по системе Роршнайдера: P = (X + Y + Z + U + S)/5 (11), где X = ∆I бензол – индукционные взаимодействия, Y = ∆I бутанол - протон-донорные и протон-акцепторные взаимодействия, Z = ∆I нитропропан – диполь-дипольные взаимодействия, U = ∆I пентанон-2 - диполь-дипольные взаимодействия, S = ∆I пиридин – протон-акцепторные взаимодействия. В газо-жидкостной хроматографии разница в удерживании определяется и неспецифическими, и специфическими взаимодействиями. Неполярные соединения обычно разделяются в соответствии с температурами их кипения. В случае неполярной неподвижной фазы полярные соединения удерживаются существенно меньше, чем неполярные, кипящие при той же температуре. Удерживание полярных соединений увеличивается по мере роста полярности неподвижной фазы, и, наоборот, время удерживания соединений возрастает с уменьшением полярности неподвижной фазы. В табл. 7 приведены неподвижные фазы, применяемые для разделения соединений различных классов. Применение для решения экологических задач. Метод применяется для определения широкого круга соединений в атмосферном воздухе и воздухе жилых и производственных помещений, различных водах и почве. Наиболее важными классами определяемых соединений являются 33 Таблица 7. Неподвижные фазы, применяемые для разделения соединений различных классов Класс соединений Неподвижная фаза Алкалоиды Силиконы Е-30, F-1 Амины алифатические Карбовакс 400 + КОН Амины ароматические Карбовакс 400 + КОН Аминокислоты Силиконы OV-1, OV-101 Эфиры жирных кислот Нитрилсиликоны Полихлорированне бифенилы Метилфенилсиликоны Полициклические ароматические углеводороды Метилфенилсиликоны Гербициды Метилсиликоны Инсектициды Силиконы SE-30, SE-54 Спирты С 1 -С 5 Карбовакс 1500 Пестициды Силиконы SE-30, SE-50 Фенолы Силиконы, SP-1000 Углеводороды Апиезоны L,M, силикон Е-52 Эфиры Силиконы, карбоваксы Металлорганические соединения Силиконы нефтепродукты, диоксины, полихлоринованные бифенилы, амины, хлорированные углеводороды, металлорганические соединения, полициклические ароматические углеводороды и пестициды. Выбор как неподвижной фазы, так и детектора, определяется природой вещества. На рис. 8 показано разделение смеси летучих фенолов методом газо-жидкостной хроматографии. 34 Рис. 8. Разделение фенолов методом газо-жидкостной хроматографии: 1- фенол, 2–о-крезол, 3– м-крезол, 4-п-крезол, 5-о-этилфенол, 6-м-этил фенол, 7-п-этилфенол, 8-2,6-диэтилфенол, 9-2,4+2,6-диметилфенол, 10-2,3+3,5- диметилфенол, 11-3,4-диметилфенол Неподвижная фаза: карбопак G+0,1% SP-1000; температура колонки 2250С 2.3. Капиллярная газовая хроматография Широкое многообразие используемых жидких неподвижных фаз определяет успех разделения большого количества соединений различной природы. Однако одно лишь изменение природы неподвижной фазы и связанное с этим изменение ее растворяющей способности не может обеспечить успех разделения во всех случаях. При разделении сложных смесей компонентов с близкими химическими и физическими свойствами и смесей, состоящих из большого числа разнообразных веществ, на первый план выдвигаются повышенные требования к качеству работы хроматографической колонки. Этим требованиям отвечают капиллярные 35 колонки без носителя, когда пленка неподвижной фазы наносится на внутреннюю поверхность капилляра. Этот тип колонок, предложенный Голеем в 1957 году, обеспечивает значительно большую эффективность разделения по сравнению с обычными насадочными колонками. Математическое описание процесса миграции конечной по протяженности зоны вещества в бесконечно длинной трубке базируется на следующих положениях: – реализуется ламинарное течение газа-носителя; – неподвижная фаза фиксирована на внутренней стенке капилляра в виде гомогенной жидкой пленки; – распределение скоростей в потоке вязкой среды в трубке круглого сечения имеет параболический характер; – у оси потока скорость максимальна, а непосредственно вблизи стенок скорость перемещения среды равна нулю. Движение газа-носителя в колонках без наполнителя сопровождается значительно меньшими энергетическими потерями, чем в заполненных пористым материалом трубках с той же величиной свободного сечения. Отсутствие заполнения позволяет улучшить на два и более порядка эффективность колонки. Для приготовления капиллярных колонок используют стеклянные, кварцевые или металлические трубки, которые должны удовлетворять следующим требованиям: – капилляр должен иметь нужную длину и постоянный диаметр по всей длине, причем эти параметры не должны изменяться под действием температуры и давления; – внутренняя поверхность капилляра должна быть химически однородной, на ней не должно быть больших трещин и пор; – поверхность должна адсорбировать сорбаты, жидкие неподвижные фазы и газ-носитель в минимальной степени; 36 – поверхность должна прочно и равномерно смачиваться неподвижной фазой, т.е. на поверхности должен быть гомогенный разделяющий слой неподвижной фазы; – капилляры должны обладать необходимой механической прочностью. Приготовление колонки состоит из ряда этапов: изготовления капилляра; подготовки внутренней поверхности капилляра – травлением или дезактивацией; нанесения неподвижной фазы; кондиционирования и испытания капиллярной колонки. Для того чтобы достичь высокой разделяющей способности колонок, на внутренние стенки капиллярной трубки должна быть нанесена однородная равномерная пленка жидкости. В настоящее время используют два основных способа: динамический и статический. В случае первого внутренняя поверхность капилляра смачивается при пропускании через капилляр определенного объема раствора жидкой фазы в подходящем растворителе под действием повышенного давления какого-либо газа. Движущаяся по капилляру пробка раствора оставляет позади себя жидкую пленку, затем через капилляр пропускают инертный газ, в результате чего испаряется растворитель, и получается тонкая пленка неподвижной фазы. Статический способ заключается в том, что капилляр заполняется раствором неподвижной фазы и растворитель испаряется в условиях повышенной температуры или пониженного давления. Толщину разделяющего слоя следует выбирать исходя из того, что между подвижной газовой фазой и разделяющим слоем должен происходить интенсивный массообмен с тем, чтобы равновесие между ними устанавливалось достаточно быстро, и чтобы емкость колонки (она определяется количеством неподвижной жидкой фазы) была не слишком мала. Для увеличения емкости предложено фиксировать неподвижную фазу в тонком слое носителя, нанесенном на стенку капилляра. 37 Существует несколько типов капиллярных колонок: 1. Капиллярные колонки с пленкой жидкой неподвижной фазой (WCOT) тонкая пленка неподвижной фазы нанесена непосредственно на внутреннюю поверхность колонки толщина пленки 0,01-1 мкм; внутренний диаметр и толщина стенок - n.10-n.100 мкм 2. Капиллярные колонки с пористым слоем, пропитанным жидкой фазой, (PLOT) на внутренних стенках расположен слой носителя, несущего неподвижную фазу толщина пленки 1 - 5 мкм 3. Капиллярные колонки с твердым носителем (ПКК-ТН или PLOT) на внутренних стенках напылен слой твердого носителя толщина пленки 10 мкм 4. Капиллярные колонки с химически привитой неподвижной фазой Отличия капиллярных колонок по своим характеристикам от насадочных определяют специфические особенности газохроматографической аппаратуры для работы с ними. Такими особенностями являются малые объемы вводимых проб, невысокие значения расхода газа-носителя и высокие скорости изменения концентрации при элюировании передних и задних фронтов хроматографических пиков. Это обусловливает тот факт, что все соединения капиллярных колонок с другими элементами прибора должны быть выполнены так, чтобы объем возникающих при этом полостей был минимальным. Особенности капиллярной хроматографии предъявляют весьма жесткие требования к детекторам. Они должны обладать высокой чувствительностью и скоростью регистрации сигнала и иметь небольшой 38 объем измерительной камеры. В наибольшей степени удовлетворяет всем требованиям пламенно-ионизационный детектор. Применение для решения экологических задач. Капиллярная хроматография позволяет решать целый ряд сложных аналитических задач, в том числе различать вещества, отличающиеся на 2-3 единицы молекулярной массы, проводить анализ биологических жидкостей на содержание стероидных гормонов, определять состав душистых веществ, контролировать содержание ароматических углеводородов в объектах окружающей среды. Газохроматографический метод определения содержания керосина в почвах и водах и воздухе. Впервые капиллярная хроматография была применена для анализа смеси углеводородов, и метод нашел широкое применение при анализе бензинов, керосинов, продуктов переработки каменного угля и т.д. Загрязнение почв, грунтов и водных объектов и воздуха углеводородами происходит фактически повсеместно. Источниками нефтепродуктов в большинстве случаев являются моторные топлива и смазочные масла, необходимые для работы транспортных средств. Допустимая концентрация нефтепродуктов (бензин нефтяной) в воздухе составляет 1,5 мг/м 3 , а в воде водоемов 0,1 мг/л . Важной экологической проблемой является контроль загрязнения почвы, поверхностных вод и воздуха различными видами топлива. Наиболее распространенными топливами в авиа и космической промышленности являются керосиновые фракции нефти (150 0 С -280 0 С), к таким относятся керосины. Реактивное топливо на 98-99% состоит из углеводородов (главным образом это С 8 -С 16 ), содержание ароматических углеводородов не превышает 20-25%, непредельных – 2-5%. Наиболее распространенным методом анализа этих видов топлив является газовая хроматография в варианте газо-жидкостной хроматографии с 39 использованием среднеполярных неподвижных фаз – силиконов SE-30, OV-17 и других. Поскольку топлива представляют собой сложные смеси углеводородов для их разделения необходимо использовать капиллярные колонки, обладающие высокой эффективностью. Метод газожидкостной хроматографии на капиллярных колонках с пламенно-ионизационным детектором позволяет, как идентифицировать тип топлива, загрязняющего почвы и воды, так и оценить его содержание. На рис.9. показаны стандартные хроматограммы различных нефтепродуктов. Прежде всего, необходимо установить тип нефтепродукта, поскольку их состав может быть очень разным. Задачу идентификации топлив для установления источника загрязнения объектов окружающей среды можно решать, используя прием, названный методом “отпечатков пальцев”. Идентификация в этом случае сводится к выявлению в анализируемой пробе отдельных пиков индивидуальных компонентов топлива, либо группы компонентов без детального отнесения индивидуальных пиков, либо того и другого. При этом в качестве индивидуальных компонентов более рационально выбирать члены гомологического ряда н-парафинов, а группы компонентов – это нафтеновые и ароматические углеводороды, пики которых регистрируются между пиками н-парафинов (С 7 -С 10 ). Для обнаружения того или иного топлива важно как общее количество пиков на хроматограмме, так и их расположение относительно пиков н- парафинов, и, кроме того, соотношение высот пиков различных компонентов. После установления типа топлива по общему виду хроматограммы проводят оценку содержания топлива. Готовят градуировочные смеси, наиболее целесообразно использовать смеси н-парафинов (С 7 -С 12 ) в гексане и хроматографируют их. По отношению суммы площадей |