Н. И. Царев, В. И. Царев, И. Б. Катраковпрактическаягазоваяхроматография
 Скачать 1.41 Mb.
|
|
5.4.1 Метод абсолютной калибровки Метод основан на использовании зависимости между количеством компонента в пробе и параметрами пика. Эту зависимость определяют экспериментально, хроматографируя искусственные смеси, и выражают 113 масс.% 100, m S k C n i m i ai ⋅ ⋅ = об.% 100, V S k C n i v i ai ⋅ ⋅ = либо в виде графика «Параметр пика — количество (концентрация)» (рис. 34), либо аналитически: (81) или (82) где m n и Vn – соответственно масса и объем введенной пробы. Калибровка проводится как по определяемым, так и по стандарт- ным соединениям. В последнем случае должны быть известны отноше- ния массовых или молярных чувствительностей детектора к этим соеди- нениям. Калибровку можно проводить, используя либо одинаковые по объему пробы, либо различные объемы постоянной концентрации. Пер- вый способ обычно используют при анализе жидких проб, а второй при анализе газообразных. Метод абсолютной калибровки используется при работе, как с ли- нейными детекторами, так и с нелинейными детекторами и при искаже- нии параметра пика вследствие перегрузки колонки. При использовании этого метода требуется разделение только интересующих компонентов, поэтому он может применяться и при обратной продувке колонки, и при отсутствии отклика детектора к некоторым соединениям. Метод абсолютной калибровки требует соблюдения полной иден- тичности условий хроматографического процесса при калибровке прибо- ра и анализе исследуемой смеси. Необходимую информацию о работе прибора (газового хроматографа) может дать анализ стандартной смеси. Точность результатов, получаемых этим методом, зависит от точ- ности дозирования пробы. Этот метод рекомендуется использовать при введении пробы газовым краном-дозатором. Метод используется при контроле и регулировании тех- нологических процессов с по- мощью промышленных (пото- ковых) хроматографов. Метод является основным при анализе примесей. Рисунок 34 − Зависимость пара- метра пика от количества (концен- трации): 1 – прямолинейная зависимость; 2 – криволинейная зависимость. концентрация С, % S (h ) 1 2 114 100 S S C n 1 i i i i ⋅ = ∑ = 100 K S S C n 1 i i i i i i ⋅ ⋅ ⋅ = ∑ = K ∑ = ⋅ n 1 i i i K S 5.4.2 Метод внутренней нормализации Этот метод осуществляется в виде нескольких вариантов. В методе простой нормализации сумма площадей всех пиков принимается за 100% и концентрация любого компонента пробы рассчитывается как относи- тельная площадь пика: (83) Необходимым условием применения этого метода является реги- страция всех компонентов пробы и одинаковая чувствительность детек- тора к разным веществам. Для большинства детекторов это, в общем, справедливо, если анализируется смесь родственных соединений, моле- кулярные массы которых значительно не различаются или все компонен- ты пробы имеют большие молекулярные массы. Например, не требуется калибровка при анализе смеси циклогексана и бензола или при анализе изомеров ксилола. Этот вариант метода имеет ограниченное применение. В большинстве случаев приходится учитывать разный отклик детектора к различным веществам пробы с помощью калибровочных коэффициентов, зависящих от свойств вещества, способа детектирования, а также от кон- струкции детектора. В основном варианте метода расчет проводится с учетом калибро- вочных коэффициентов: (84) где С i – концентрация компонента i, %; S i – площадь соответствующего пика; К i – калибровочный коэффициент; – сумма произведений площадей пиков на относительные поправочные коэффициенты для всех пиков хрома- тограммы. Достоинства метода внутренней нормализации состоят в том, что он не требует воспроизводимого ввода пробы по величине и тождествен- ности условий анализа. Расчеты проводятся с использованием относи- тельных калибровочных коэффициентов, которые мало чувствительны к небольшим изменениям в условиях проведения эксперимента. 115 масс.% 100, M S M K S C n ст ст i i i ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = n ст ст i i M S 100 M S C ⋅ ⋅ ⋅ − ст i i S S C − Недостатки метода заключаются в трудности разделения всех компонентов сложных смесей, необходимости их идентификации и тру- доемкости определения калибровочных коэффициентов, хотя некоторые компоненты могут и не представлять аналитического интереса. Недос- татком метода является взаимозависимость точности определения одного компонента от точности определения остальных присутствующих в сме- си. Ошибки в определении параметров пика или калибровочного коэф- фициента какого-либо одного компонента приводит к неверным резуль- татам для всех компонентов пробы. Метод используется в основном для рутинных анализов малоком- понентных смесей и для приближенных расчетов. 5.4.3 Метод внутреннего стандарта Метод заключается в том, что к навеске анализируемого вещества добавляется известное количество внутреннего стандарта — посторонне- го соединения, дающего на хроматограмме хорошо разрешенный пик. Концентрация определяемого компонента в анализируемом веществе рассчитывается по формуле: (85) где S ст – площадь пика стандарта; М ст – масса добавленного внутреннего стандар- та; M n – масса пробы анализируемой смеси, к которой добавлено определен- ное количество внутреннего стандарта. Приведенное уравнение может служить основой графического ва- рианта рассматриваемого метода. В самом деле, это уравнение прямой, построенной в координатах: Если М ст /М n остается постоянным, тогда получают калибровочные графики в координатах: Рассмотрим подробнее требования к внутреннему стандарту. Внутренний стандарт должен: 1) иметь хорошо разрешенный пик, расположенный на хромато- грамме рядом с пиками определяемых компонентов; 116 2) иметь летучесть, близкую определяемым компонентам; 3) отсутствовать в анализируемой смеси; 4) хорошо растворяться в анализируемой смеси, не реагировать с другими компонентами пробы; 5) добавляться в количестве, соизмеримом с анализируемыми компонентами. Выполнение первого условия дает возможность точного измерения параметра пика, уменьшает влияние изменения чувствительности детек- тора из-за колебаний рабочих условий (расход газа-носителя, температу- ра колонки и т.д.); второго — уменьшает ошибки, вызванные фракцио- нированием пробы при вводе; третьего и четвертого — обеспечивает точное значение массы внутреннего стандарта; пятого — уменьшает влияние нелинейности детектора к различным количествам пробы. Достоинства метода внутреннего стандарта состоят в том, что он не требует воспроизводимого ввода пробы по величине; малая зависи- мость результатов измерений от нестабильности работы хроматографа и детектора, т.к. эти факторы в равной мере влияют на определяемое и стандартное соединение. Далее, к достоинствам метода относится то, что здесь требуется разделять только анализируемые компоненты и стандарт. Ошибки в измерении параметров пика и калибровочного коэффициента (исключая стандарт) сказываются только на определении содержания соединения, для которого была допущена ошибка. К недостаткам метода следует отнести трудность выбора, в ряде случаев, соединения-стандарта, удовлетворяющего перечисленным усло- виям. Метод внутреннего стандарта применяется в основном при анали- зе жидкостей, поскольку при анализе газов трудно дозировать опреде- ленное количество внутреннего стандарта в газовую смесь. 5.4.4 Метод стандартной добавки В ряде случаев при анализе сложных смесей выбор внутреннего стандарта вызывает затруднение. Здесь можно воспользоваться методом стандартной добавки. Для определения концентрации этим методом не- обходимо записать две хроматограммы: 1) анализируемой смеси; 2) обогащенной определяемым компонентом исходной смеси (ана- лизируемая смесь + добавка определяемого компонента). Концентрация в исходной смеси определяемого компонента и ве- щества-стандарта выражаются формулами: 117 % масс. , K S S K S S 100 M M C i i ст1 i i ст2 n ст i 1 2 ⋅ − ⋅ ⋅ = % масс. , 1 S S S S 100 M M C ст1 i i ст2 n ст i 1 2 − ⋅ ⋅ = i i i S m k = 100 Q q M m i i ⋅ ⋅ = (86) (87) где S ст1 и S ст2 – площадь пиков, принятых за стандарт, соответственно на хрома- тограмме исходной смеси и после добавления в нее стандарта (компонента, содержащегося в смеси); S i1 и S i2 – площадь пиков определяемого компонен- та i на хроматограмме исходной смеси и на хроматограмме смеси, в которую введен стандарт, соответственно; К i – относительный (или абсолютный) по- правочный коэффициент для компонента i. К достоинствам метода стандартной добавки следует отнести то, что не требуется знания калибровочных коэффициентов. Недостаток — возрастающая продолжительность проведения анализа. 5.4.5 Экспериментальное определение абсолютных и относительных калибровочных коэффициентов Абсолютные поправочные коэффициенты k i коэффициенты пропорциональности между количеством соединения, введенным в хро- матограф, и интенсивностью сигнала детектора. Они зависят от типа и конструкции детектора, природы анализируемого соединения и условий анализа. С введением этих коэффициентов количественный хроматогра- фический параметр (высота, площадь) в условиях эксперимента стано- вится пропорциональным только количеству соответствующего соедине- ния: (88) Для определения k i необходимо приготовить смесь строго опреде- ленных количеств (по массе или объему) анализируемых компонентов. Содержание компонентов в модельной смеси должно быть по возможно- сти близким к составу анализируемой смеси. Далее проводят хромато- графическое разделение определенного объема (или массы) модельной смеси и рассчитывают количество введенного в хроматограф данного компонента смеси по формуле: (89) 118 i ст ст i i ст ст i i S a S a S m S m f ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = i ст ст i ст i ст i mol i S b S b N S S N f ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = M M f f i mol i i ⋅ = где m i – количество компонента i, введенное в хроматограф; М – количество всей смеси, введенной в хроматограф; q i – содержание компонента i в модельной смеси; Q – общее количество приготовленной модельной смеси После этого измеряют площади пиков компонентов и по приве- денной выше формуле (87) рассчитывают поправочные коэффициенты. Относительный массовый калибровочный коэффициент f i вы- числяют по формуле: (90) где m i и m ст – масса введенного в хроматограф компонента i смеси и компонента, принятого за стандарт, соответственно; S i и S ст – площадь пиков компонента i и компонента, принятого за стандарт; а i и а ст – содержание в смеси компонен- та i и стандарта, выраженное в масс. %. Относительные мольные поправочные коэффициенты исполь- зуют в тех случаях, когда конечные результаты расчетов по тем или иным причинам желательно получить в молях или в мольных процентах: (91) где N i и N ст – число молей i-го компонента и стандарта, введенного в хромато- граф; b i и b ст – содержание в смеси компонента i и стандарта, выраженное в моль %. Для экспериментального определения относительных калибровоч- ных коэффициентов необходимо приготовить стандартную смесь и запи- сать несколько хроматограмм этой смеси. Расчет относительных калиб- ровочных коэффициентов производится по приведенным выше форму- лам. Относительные калибровочные коэффициенты показывают, во сколько раз площадь пика стандартного соединения больше площади пика определяемого компонента, когда введенные количества (концен- трации) компонентов одинаковы, т.е. они учитывают различную чувстви- тельность детектора к различным компонентам. Зависимость между массовым и мольным поправочными коэффи- циентами определяются следующим соотношением: (92) где М i – молекулярная масса компонента i; М – молекулярная масса того компо- нента, для которого коэффициенты f i и f i mol приняты за еденицу. 119 Гл ава VI. П Р АКТ И ЧЕС КИ Е Р АБ ОТ Ы ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ Предлагаемые практические работы в подавляющем большинстве рассчитаны на использование хроматографов «ЦВЕТ» Дзержинского ОКБА. Однако можно применять и другие газовые хроматографы, не ус- тупающие по своим возможностям рекомендуемым (например, совре- менные модели приборов МПО «Манометр»). Успешное выполнение практической работы предполагает обязательное усвоение теоретическо- го материала в объеме программы лекционного курса по газожидкостной хроматографии, ознакомление с аппаратурой и неукоснительное соблю- дение правил ее эксплуатации. Лишь при выполнении этих условий сту- денты не выйдут за рамки отпущенного им лимита времени (6 − 8 часов на каждую работу), а к концу практикума смогут приобрести необходи- мые навыки по проведению типовых хроматографических анализов. ВНИМАНИЕ! Студентам разрешается приступать к той или иной практической работе лишь после согласования с преподавателем основных этапов ее выполнения и последовательности операций: по включению и выведению хроматографа на рабочий режим; по проведе- нию собственно хроматографического анализа; по обработке получен- ных хроматограмм. С полученными от лаборанта для выполнения той или иной работы инструментами и, особенно, микрошприцами необхо- димо обращаться бережно. Внимательно ознакомьтесь с инструкцией по их эксплуатации. Не забывайте промывать микрошприцы подходя- щим растворителем и просушивать их в струе воздуха от компрессора или в вакууме водоструйного насоса, перед дозированием каждого оче- редного анализируемого образца. Пренебрежение этой процедурой мо- жет привести к значительному искажению результатов анализа. О каждой выполненной лабораторной работе должен быть составлен отчет в рабочей тетради. Вместе с отчетом преподавателю необхо- димо предъявлять итоговые хроматограммы. Хроматограмма должна рассматриваться как рабочий документ, на котором непосредственно во время работы студент должен обязательно записывать все условия проведения анализа, количество (дозу) и название анализируемого образ- ца, отмечать момент ввода пробы и делать, кроме того, вспомогатель- ные заметки, облегчающие расшифровку хроматограмм. Последова- тельность выполнения и количество лабораторных работ во время практикума, определяется преподавателем и индивидуальна для каждо- 120 го студента. Рекомендуемые режимы работы хроматографа являются ориентировочными, оптимальный режим определяется эксперимен- тально непосредственно при подготовке к конкретному анализу и вы- полняется под руководством преподавателя. В приложении 2 приведен образец оформления практических ра- бот. Практическая работа № 1 Приготовление набивных колонок ЦЕЛЬ РАБОТЫ: знакомство с основными приемами нанесения неподвижной жидкой фазы (НЖФ) на твердый носитель. В процессе выполнения работы студенты знакомятся с приготов- лением сорбентов тремя методами: испарением из чашечки, нанесение НЖФ в вакууме, нанесение НЖФ в кипящем слое. Полученные сорбенты будут использованы в лабораторной работе № 3: «Оценка качества набивной колонки». Материалы, посуда, оборудование: Твердые носители трех типов: белый диатомитовый, розовый диа- томитовый и полимерный (по выбору преподавателя). Неподвижная жидкая фаза (по выбору преподавателя). Растворитель — ацетон или дру- гой подходящий в зависимости от НЖФ. Весы технические и аналитические. Мерные цилиндры на 10 и на 100 мл. Стеклянная воронка. Пипетки стеклянные. Сушильный шкаф. Чашка фарфоровая и шпатель. Вентилятор или фен. Воронка Бюхнера. Электронасос. Фильтровальная бумага. Колонка хроматографическая. Стеклянная и деревянная палочки. Конические и круглодонные колбы на 100 мл, эксикатор. Ход работы: Предварительно рассчитывают геометрический объем хромато- графической колонки (V k ) заданных размеров по формуле: L r π L 4 d π V к 2 к к 2 к к ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = где d k и r k – внутренний диаметр и радиус колонки соответственно, см; L k – длина колонки, см. Объем твердого носителя должен превышать на 20 − 25% объем ко- лонки. Вновь взвешивают и рассчитывают массу твердого носителя (г) и его насыпную плотность (г/см 3 ). 121 В том случае, если твердым носителем является розовый диатоми- товый, то количество НЖФ, по отношению к его весу, в данной работе должно быть 20%, для белого диатомитового 10%, для полихрома 5%. Пример: внутренний диаметр колонки равен 0,4 см; длина ко- лонки 200 см; твердый носитель хроматон N-AW-DMXS (белый диатомит). 3 2 см 25,1 200 4 (0,4) 3,14 к V = ⋅ ⋅ = Практически объем должен превышать 20%, тогда: 25,1 100% Х — 20% Х = 5 см 3 Объем носителя необходимый для заполнения составляет: 25,1 + 5 = 30,1 см 3 В рабочем журнале произведите соответствующие расчеты. Получение сорбента (см. главу 2.3.4) Вариант А: Метод «испарения из чашечки» В мерный цилиндр (предварительно взвешенный на технических весах) засыпают порциями (по 2 − 3 г) выбранный твердый носитель. При этом следует время от времени постукивать цилиндр, чтобы утрамбовать твердый носитель. В коническую колбу берут рассчитанное количество НЖФ и рас- творяют в подходящем растворителе и выливают этот раствор на твер- дый носитель, перенесенный в фарфоровую чашечку. Объем приготов- ленного раствора НЖФ должен быть такой, чтобы при смешивании с твердым носителем над поверхностью образовывался слой жидкости вы- сотой 5 мм. Равномерно (осторожно) периодически перемешивая шпателем образовавшуюся суспензию, испаряют растворитель на водяной бане. После того как насадка станет сыпучей и исчезнет запах растворителя, ее досушивают при температуре 70 − 100 ° С в сушильном шкафу в течение 3 − 4 ч. Затем приготовленный сорбент охлаждают в эксикаторе. |