Н. И. Царев, В. И. Царев, И. Б. Катраковпрактическаягазоваяхроматография
 Скачать 1.41 Mb.
|
|
Температура ДТП, °°°° С Газ-носитель 50 150 300 400 Гелий 350 250 120 100 Азот 200 150 90 80 Чем больше теплопроводность газа-носителя, тем больше он ох- лаждает нить, и тем больше ток детектора можно задавать, не рискуя пе- режечь нить. Чем меньше температура детектора, тем больший ток мож- но задавать. Так как с повышением температуры детектора предельное значе- ние тока снижается, это приводит к уменьшению чувствительности ДТП. Наибольшая чувствительность ДТП достигается при отсутствии подогре- ва его корпуса и задании предельного тока. Таким образом, использование газа-носителя высокой теплопро- водности (гелия) позволяет реализовать наибольшую чувствительность 90 ДТП за счет большей разности теплопроводностей, а также за счет воз- можности задания большого тока детектора. Уровень шума ДТП определяется в основном током детектора. С увеличением тока шум возрастает. Причем при токе, близком к предель- ному, уровень шума возрастает непропорционально сильно, что приводит к нежелательному увеличению предела детектирования. Уровень шума ДТП резко возрастает при загрязнении детектора. Для предохранения детектора от загрязнений его температура должна быть равна или выше температуры колонки. 3.3.9 Стандартные режимы работы хроматографа с некоторыми детекторами Для оценки состояния хроматографа с ДИП и ДТП используют стальные колонки длиной 1 м, заполненные силохромом С-80 зернением 0,2 − 0,25 мм. Для оценки состояния хроматографа с ДПР, ПФД и ДТИ исполь- зуют колонки стеклянные длиной 1 м с хроматоном N-AW-HMDS, про- питанным 3 − 5% силикона SE-30. Колонки предварительно кондиционируются при температуре 200 − 250 ° С. Режимы работ с ДТП: Расход гелия 30 см 3 /мин по каждой линии. Температура детекто- ра 100 ° С; колонок 70 ° С; ток моста 220 мА. с ДИП: Расходы газов: азота 30 см 3 /мин; водороды 30 см 3 /мин; воздуха 300 см 3 /мин. Температура детектора 120 ° С; крана-дозатора 100 ° С; колон- ки 100 ° С. с ДТИ: Для анализа фосфорсодержащих веществ оценка производится при расходах газов: азота 30 см 3 /мин; водорода 15 − 16 см 3 /мин; воздуха 160 − 180 см 3 /мин. Температура детектора 320 ° С. Для анализа азотсодержащих соединений оценка производится при расходах газов: азота 33 − 35 см 3 /мин; водорода 14 − 15 см 3 /мин; воздуха 160 − 180 см 3 /мин. Температура детектора 390 ° С. Температура колонки 190 ° С, испарителя 230 ° С. с ПФД: Расходы газов: азота 45 см 3 /мин; водорода 65 см 3 /мин; воздуха 110 − 115 см 3 /мин. Температура детектора 200 ° С, испарителя 240 ° С, ко- лонки 190 ° С. 91 3.4 СПЕКТРАЛЬНЫЕ ДЕТЕКТОРНЫЕ СИСТЕМЫ 3.4.1 Инфракрасные детекторы (ИКД) Инфракрасная спектроскопия широко применяется в химическом анализе и в сочетании с газовой хроматографией. Методом ИК- спектроскопии с преобразованием Фурье (ИКПФ) проводят анализ элюи- руемых соединений с высокой скоростью и чувствительностью. Полу- ченный при этом ИК-спектр поглощения можно рассматривать как инди- видуальную характеристику соединения и использовать для его иденти- фикации. 3.4.2 Масс-селективный детектор (МСД) Уже давно масс-спектрометр рассматривается как отличный де- тектор для газовой хроматографии. Полученные с его помощью спектры, подобно ИКД, дают такую информацию о качественном составе пробы, какую не могут дать иные газохроматографические детекторы. Различие между МСД и ИКД состоит в том, что первый обладает большей чувст- вительностью по сравнению с ИКД, кроме того, он разрушает пробу, дает информацию о массе, а не о функциональных группах и различает скорее гомологи, чем изомеры. При бомбардировке электронами молекул в газообразном состоя- нии связи в молекулах разрываются и образуют ионы. Вид и количество образующихся фрагментов характерны для данной молекулы. При нало- жении магнитного поля положительно заряженные частицы ускоряются и движутся по изогнутым кривым, радиус кривизны которых пропорцио- нален корню квадратному из массы иона. При некотором постоянном магнитном поле поток ионов, содержащий ионы с идентичным мас- са/заряд, попадает на коллектор. Здесь при разряде ионов возникает ток, пропорциональный относительному количеству ионов с соответствую- щей массой. Изменением магнитного поля постепенно переводят на кол- лектор потоки ионов с другим соотношением масса/заряд. Ток коллекто- ра записывается и дает масс-спектрограмму. В квадрупольном масс-спектрометре разделение по массе достига- ется иным образом. Между четырьмя постоянными магнитами образует- ся высокочастотное электрическое поле. Когда пучок ионов попадает в это поле, только ионы с определенным отношением масса/заряд имеют стабильную траекторию и попадают на детектор (коллектор). Детектиро- вание пучков с различным отношением масса/заряд проводят варьирова- нием электрического поля. 92 3.4.3 Атомно-эмиссионный детектор (АЭД) В течение многих лет исследователи пытались использовать атом- но-эмиссионную спектроскопию в газовой хроматографии. Ее примене- ние дает возможность определять элементы непосредственно в элюате, поступающем из колонки. Возбуждающие атомы излучают свет с характерной длиной волны. В атомно-эмиссионном детекторе проба переводится в атомарное состоя- ние, а образовавшиеся атомы переходят в возбужденное состояние. Для этого необходима значительная энергия, которая имеется в плазме, инду- цированной микроволновым излучением. Переход возбужденных атомов в состояние с более низкой энергией сопровождается излучением света. Длина волны возникающего излучения измеряется спектрофотометром. А + энергия → А* А* → А + энергия или А + фотон → А + * + е − А + * → А + + фотон где звездочкой отмечены на схеме частицы, находящиеся в возбужден- ном состоянии. 3.5 ДРУГИЕ ДЕТЕКТОРНЫЕ СИСТЕМЫ Описанные в этой части детекторы получили меньшее распростра- нение по сравнению с описанными выше, тем не менее, они также весьма информативны. 3.5.1 Гелий-ионизационный детектор (ГИД) Гелий-ионизационный детектор был разработан в 1950-е годы. Принцип действия ГИД основан на том, что ионизация инертного газа увеличивается, если при постоянном уровне облучения в него добавляют посторонний газ. Точный механизм этого явления не вполне ясен, хотя за последние годы в этом направлении достигнут некоторый прогресс. Механизм процесса основан, вероятнее всего, на переносе энергии от метастабильного гелия к другим атомам и молекулам. Сначала обра- зуются заряды с постоянной скоростью: 93 А → А + + е − Освободившиеся электроны малых энергий разгоняются сильным полем и при соударениях с атомами газа-носителя сообщают им энергию, переводящую их в возбужденное (метастабильное) состояние: А + е − → А * + е − Полный сбор электронов и ионов, возникающих в результате пер- вичной ионизации газа-носителя, создает фоновый ток детектора. Веро- ятность перехода возбужденных атомов Ar или Не в первоначальное энергетическое состояние значительно увеличивается при введении в детектор веществ, имеющих близкие или меньшие потенциалы иониза- ции (энергию отрыва электрона), чем энергия возбужденного состояния: А * + М → А + М + + е − Образующиеся в результате реакции вторичной ионизации заряды создают дополнительный ток, являющийся сигналом детектора на вве- денное количество вещества. Так как энергия возбуждения метастабильного гелия (19,6 эВ) и аргона (11,6 эВ) больше, чем потенциал ионизации всех других частиц, за исключением неона (21 эВ), поэтому другие компоненты могут ионизи- роваться. ГИД используется главным образом в том случае, если необходи- мо обнаружить следы посторонних газов. ГИД является универсальным детектором. 3.5.2 Редокс-хемилюминесцентный детектор (РХД) Этот вид детекторов был разработан в конце 1970-х годов для ко- личественного анализа азота, водорода и соединений серы в воде или воздухе. Обычно для определения используется реакция азота с озоном. С помощью РХД можно анализировать следующие классы соеди- нений: спирты, альдегиды, кетоны, фенолы, олефины, ароматические углеводороды, амины, тиолы, сульфиды и фосфонаты. РХД хорошо соче- тается с ДИП, так как многие соединения, не дающие сигнала в детекторе ДИП, реагируют как восстановители и тем самым способны регистриро- ваться детектором РХД. 94 3.6 СИСТЕМА ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ Система термостатирования необходима для поддерживания оп- тимального температурного режима хроматографических колонок, детек- торов, дозирующих устройств. Наиболее жесткие требования предъявля- ются к системе термостатирования хроматографических колонок, по- скольку из многих факторов, влияющих на разделение, температурный особенно велик. Температура детекторов и дозирующих устройств долж- на быть, как правило, на 30 − 50 ° С выше температуры колонок. В настоящее время большинство отечественных и зарубежных хроматографов снабжаются воздушными термостатами. Он представляет собой камеру с двойными стенками, пространство между которыми за- полнено теплоизоляционным материалом. Вентилятор создает интенсив- ный поток воздуха, проходящий через секции с электрическими нагрева- телями и прогревающий внутреннюю камеру термостата и термостати- руемые элементы колонки, детектор (рис. 19). Температурный режим термостата устанавливается регулированием мощности нагревателей или по принципу двухпозиционного регулирования, или по типу пропорцио- нального регулирования. Роль датчика температуры выполняет термометр сопротивление (ТСП), представляющий собой калиброванное сопротивление из тонкой платиновой проволоки. Термостаты могут работать как в изотермическом режиме, так и в режиме программирования. При температуре термостата ниже заданной выделяемая мощность нагревателя имеет максимальное значение и вызывает быстрый нагрев термостата. Когда температура термостата достигает значения на не- сколько градусов меньше заданной темпе- ратуры, начинается плавное уменьшение мощности нагревателя, пока не будет дос- тигнуто равновесие, при котором выделяе- мая нагревателем мощность лишь компен- сирует тепловые потери термостата во внешнюю среду, не вызывая дальнейшего увеличения температуры. При работе термостата в программ- ном режиме изменение температуры коло- Рисунок 19 − Схема воздушного термостата: 1 – теплоизоляция; 2 – детектор; 3 – колонки; 4 – нагреватель; 5 – защитная сетка; 6 – вентилятор; 7 – электродвигатель. 7 2 1 3 4 5 6 95 нок задается программатором, работающим совместно с терморегулято- ром. Чаще всего используется линейный вариант (постоянная скорость повышения температуры) или линейно-ступенчатый режим, при котором участки повышения температуры чередуются с изотермическими ступе- нями. 3.7 СИСТЕМА ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ДЕТЕКТОРОВ Сигналы детекторов по теплопроводности (ДТП) и по плотности записываются непосредственно с помощью стандартных автоматических компенсационных потенциометров общего назначения со шкалой 1 − 10 мВ и временем пробега шкалы пером 0,5 − 0,2 с, например «КСП-4». Для согласования величины сигнала со шкалой потенциометра используются прецизионные делители, позволяющие направлять на регистрацию лишь часть сигнала детектора. Для регистрации сигнала ионизационных детекторов (ДИП, ПФД и др.) необходимо использовать усилители, преобразующие весьма ма- лый ток детекторов в пропорциональное напряжение, соответствующее шкале применяемого автоматического потенциометра. В хроматографах, обеспечивающих одновременную и независи- мую работу двух детекторов, используются два индивидуальных потен- циометра или двухканальные, двухперьевые потенциометры, записы- вающие сигналы двух детекторов на одной ленте. Для измерения и регистрации сигнала используются электронные интеграторы и микропроцессорные системы обработки хроматографиче- ской информации. В настоящее время почти все хроматографы, имеют встроенные интеграторы или ЭВМ с банком данных. Широкое применение ЭВМ в хроматографии позволило поднять метод анализа на новый уровень, осуществить полную автоматизацию всех этапов. 96 Гл ава IV. К АЧЕСТ ВЕННЫЙ АНАЛ И З При выполнении качественного анализа перед аналитиком могут стоять следующие задачи: Анализ смеси, состав которой полностью известен. Для решения поставленной задачи необходимо записать хроматограмму, получить ин- дивидуальные сигналы и установить, какому конкретному соединению принадлежит каждый пик на хроматограмме. Такая задача чаще всего встречается в условиях производства. Провести анализ смеси известного происхождения. Для этого не- обходимо собрать как можно больше сведений по предполагаемому со- ставу смеси, это поможет успешно сделать анализ и более быстро. Подтвердить наличие в образце какого-либо соединения. Провести анализ смеси неизвестного происхождения. Решение за- дач этого типа представляет большую сложность, и наряду с хроматогра- фическими приемами идентификации используются дополнительные методы. Определить сортность продуктов методом сравнения хромато- грамм («техника отпечатков пальцев»). Успешное выполнение качественного газохроматографического анализа требует знаний о природе хроматографического удерживания, знаний связи удерживания со структурой молекул анализируемых ком- понентов и свойствами сорбентов. Исходными экспериментальными данными, с помощью которых выполняется качественный газохроматографический анализ, являются элюционные характеристики. Их мы рассматривали в главе 1.5. 4.1 КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭТАЛОННЫХ СОЕДИНЕНИЙ При выполнении задачи в первую очередь необходимо записать хроматограмму исходной смеси, добившись достаточного разделения всех компонентов. Необходимо иметь хроматографически чистые инди- видуальные соединения, входящие в эту смесь. Вспомним, что каждое индивидуальное вещество в данных конкретных условиях хроматографи- рования имеет свои однозначные параметры удерживания (t R , l R , V R ). Если хроматографировать отдельно каждый эталонный образец, в тех же условиях, что и смесь, а затем сопоставить параметры удержива- 97 ния, то по хроматограмме смеси можно установить, какому веществу соответствует каждый пик – метод сравнения. Когда хроматограмма исходной смеси густо «заселена» или времена двух рядом стоящих пиков близки, возможны затруднения в однозначной идентификации. В этом случае лучше воспользоваться другим приемом – методом добавки. В анализируемую смесь добавить чистый эталон, записать новую хромато- грамму и сравнить полученную с начальной (без добавки). Сравнивать нужно как времена удерживания, так и ширину на полувысоте. Если не- известный пик принадлежит предполагаемому добавленному известному компоненту, то высота пика исследуемого вещества должна возрасти, а форма, точнее ширина на полувысоте, должна остаться неизменной. Не- изменным должно оставаться и время удерживания. Методом добавки лучше пользоваться и тогда, когда компоненты имеют большое время удерживания. В этом случае воспроизводимость параметров удерживания падает и сравнение времен удерживания не приводит к убедительным результатам. Кроме того, иногда индивидуаль- ное вещество имеет одно время удерживания, а когда выходит на хрома- тограмме рядом с другими соединениями (в смеси) изменяет свое время удерживания. Имеет место эффект «модификации фазы». Поэтому чаще всего анализ приходится проводить и методом сравнения и методом добавки, дополняя один другим. Кроме того, ре- зультаты, полученные на одной колонке необходимо подтвердить резуль- татами, полученными на колонке с другой НЖФ (отличающейся поляр- ностью). 4.2 ИДЕНТИФИКАЦИЯ КОМПОНЕНТОВ СМЕСИ ПО ГРАФИКАМ УДЕРЖИВАНИЯ Для решения задач качественного газохроматографического ана- лиза, наряду с методом добавки чистых веществ и сравнения параметров удерживания (метод внешнего стандарта), существуют другие пути иден- тификации, например, идентификация по графикам удерживания. Для построения графиков лучше пользоваться относительными объемами удерживания, так как они в меньшей степени зависят от рабо- чих условий. Первоначально было установлено, что логарифмы объемов удер- живания эфиров жирных кислот линейно возрастают с увеличением мо- лекулярного веса или числом атомов углерода. Позднее это было под- тверждено на примере других гомологических рядов. lg V' R = a + b ⋅ n, (58) 98 где n – число атомов углерода соединений гомологического ряда; а и b – коэффи- циенты, зависящие от условий анализа (природы НЖФ и твердого носителя, температуры колонки и т.д.) и функциональной группы гомологического ря- да (рис. 20). Линейная зависимость существует также между логарифмом ис- правленного объема удерживания (индексом удерживания) членов гомо- логического ряда и их температурой кипения (или Т КИП /Т К ). lg V' R = a + b ⋅ (T КИП ), (59) lg V' R = a + b ⋅ (T КИП /T К ), (60) где Т КИП – температура кипения анализируемых веществ; Т К – температура ко- лонки. Однако наблюдаются отклонения от линейной зависимости для низших членов гомологических рядов (n < 5) высокополярных веществ. В газоадсорбционной хроматографии на неспецифических адсор- бентах для идентификации можно воспользоваться линейной зависимо- стью логарифмов объемов удерживания от электронной поляризуемости молекул. Перечисленные выше зависимости особенно важны, когда предпо- лагаемые компоненты неизвестной смеси не могут быть получены в чис- том виде, чтобы воспользоваться методами «сравнения» или «добавки». Таким образом, если для нескольких представителей одного гомо- логического ряда построить график зависимости логарифма объема удерживания от числа углеродных атомов или от Т КИП разделяемых ве- ществ, то получим приблизительно прямую линию. Представляя затем на полученном графике логарифмы объемов удерживания анализируемых неизвестных соединений, можно найти ли- бо их температуру кипения, либо число атомов углерода. Однако присутствие в анализируемой смеси веществ, относящихся к другим гомологическим рядам, может привести к тому, что оп- ределенный объем удерживания V' Rx соответствует нескольким Рисунок 20 − График зависимости логарифма приведенного объема удерживания от числа атомов уг- лерода для различных гомологиче- ских рядов: 1 – углеводороды; 2 – ароматиче- ские углеводороды; 3 – спирты; 4 – кетоны; 5 – алкалоиды Число атомов углерода n 5 6 7 8 9 lg V' R 5 1 2 3 4 99 соединениям (рис. 21). Однозначная иденти- фикация в этих случаях возможна, если применить вторую НЖФ, отли- чающуюся по полярности или по другим свойствам. Так, например, имея несколько чистых гексенов и, построив указанную выше зависимость (V' ОТН от T КИП ), можно идентифицировать все изомеры гексена, находя- щиеся в сложных смесях продуктов димеризации пропилена. Для уменьшения возможной ошибки аналогичные зависимости были найдены на двух неподвижных фазах различной полярности эфира триэтиленгликоля и н-масляной кислоты (ТЭГИМ) и β , β ’- оксидипропионитрила (20ДП). Температуры кипения веществ, найденные по этим графикам, не отличались от справочных значений более чем на 0,2 − 0,3 ° С (рис. 22). В том случае, если анализируемая смесь имеет сложный состав и предполагается, что в ней присутствуют соединения различных классов, то целесообразно провести сначала групповую идентификацию, т.е. разо- браться, к какому гомологическому ряду относится та или иная группа соединений. Для этого по эталонным соединениям предполагаемых гомологи- ческих рядов строят графики зависимости логарифмов объемов удержи- Рисунок 22 − Зависимость логариф- ма относительного объема удержи- вания от температуры кипения на двух неподвижных жидких фазах для изомеров гексена: а) фаза – эфир триэтиленгликоля и н- масляной кислоты (ТЭГИМ); б) фаза – β , β '-оксидипропионитрила (20ДП); 1 – 2,3-диметилбутен-1; 2 – 2,2-ди- метилбутен-1; 3 – 2-метилпентен-2; 4 – 2,3-диметилбутен-2; t кип , о С 60 65 70 75 80 85 lg V ' от н 90 100 110 120 130 140 1 2 3 4 а б Рисунок 21 − Зависимость лога- рифма объема удерживания (x) от числа атомов углерода для веществ, относящихся к различ- ным гомологическим рядам. 1, 2, 3 – линии, объединяющие значения логарифмов объема удер- живания компонентов одного гомо- логического ряда; x – логарифм объ- ема удерживания компонента Х Число атомов углерода n 1 2 3 4 5 6 7 lg V ' R 2 3 1 х lg V' X 100 вания на одной НЖФ от логарифмов объемов удерживания этих же со- единений на НЖФ другой полярности (lgV' R1 от lgV' R2 ). При этом полу- чается ряд параллельных прямых, каждая из которых относится к одному классу органических соединений (рис. 23). При нанесении на график логарифмов объемов удерживания ана- лизируемых веществ, измеренных на этих НЖФ в тех же условиях, мож- но сразу определить принадлежность того или иного соединения к опре- деленному гомологическому ряду (точка пересечения 2-х координат ля- жет на прямую того гомологического ряда, к которому относится это со- единение). Для успешного применения этого метода должны быть известны объемы удерживания, по меньшей мере, 3-х соединений из данного го- мологического ряда. В заключение можно отметить, что методы идентификации по графикам удерживания привлекают исследователей своей простотой, надежностью результатов, но не всегда приводят к цели. Для успешного решения сложных задач качественного газохроматографического анализа для групповой идентификации можно использовать ряд других методов: 1. Реакционная газовая хроматография. В этом методе наряду с газохроматографическим разделением, используются химические реак- ции, которые приводят к образованию соединений, отличающихся по летучести и параметрам удерживания от исходных соединений. 2. Анализ на селективных НЖФ. 3. Анализ на приборах с селективными детекторами, имеющими повышенную чувствительность к соединениям определенных классов. Hевозможность однозначного определения хроматографическим методом различных функциональных групп вызывает необходимость привлечения к хроматографическим методам идентификации ряд других инструментальных методов (ИК-, масс-спектрометрию, и т.д.). Рисунок 23 − Зависимость между логарифмами объемов удержива- ния на различных неподвижных фазах. lg V отн , I логарифмы относи- тельных объемов удерживания на не- подвижной фазе I; lg V отн , II логарифмы относи- тельных объемов удерживания на не- подвижной фазе II; Прямые принадлежат различным гомологическим рядам. lg V отн , II lg V от н , I |