Н. И. Царев, В. И. Царев, И. Б. Катраковпрактическаягазоваяхроматография
 Скачать 1.41 Mb.
|
|
1.4 ХРОМАТОГРАММА Каждому компоненту смеси на хроматограмме соответствует от- дельный пик максимум регистрируемого сигнала детектора или кон- центрации компонента хроматографируемой смеси в элюенте. Кривую 11 зависимости сигнала детектора от объема газа-носителя или от времени называют хроматограммой (элюционной кривой). В зависимости от ти- па используемого детектора получают дифференциальные (рис. 2, а) и интегральные хроматограммы (рис. 2, б). На дифференциальной хроматограмме различают следующие со- ставные части: нулевую линию 1 – участок хроматограммы, полученной при регистрации сигнала дифференциального детектора во время выхода из колонки чистого газа-носителя; пик 2 – несорбирующегося компонен- та; пик 3 – участок хроматограммы, полученной при регистрации сигнала детектора во время выхода из колонки одного из определяемых компо- нентов (или смеси нескольких неразделенных компонентов). Пик ограни- чивается фронтом, соответствующим возрастанию концентрации ком- понента до максимальной, и тылом, отвечающим убыванию концентра- ции компонента в газе-носителе. Расширение полосы компонента по мере прохождения ее через ко- лонку, ведущее к получению широкого хроматографического пика, назы- вают размытием пика. Размытие может быть симметричным и асиммет- ричным. В последнем случае образуется пик либо с размытым фронтом, либо с размытым тылом. Об этом мы поговорим в разделе 5.2. Исходными экспериментальными данными, с помощью которых выполняется качественный газохроматографический анализ, являются элюционные характеристики. Рисунок 2 − Дифферен- циальная (а) и интеграль- ная (б) хроматограммы: 1 – нулевая линия; 2 – пик несорбирующего веще- ства; 3 – пик определяемого компонента Ввод пробы 0 h Время Си гн ал де те кт ор а 1 2 3 Фро н т Тыл а б 12 1.5 ЭЛЮЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 1.5.1 Первичные параметры удерживания К числу первичных параметров удерживания относятся: время удерживания, объем удерживания и соответствующий им отрезок на хроматограмме расстояние удерживания (рис. 3). Время удерживания (t R ) это время, прошедшее от момента ввода пробы до выхода максимума концентрации определяемого компо- нента. Время удерживания экспериментально определяется по секундо- меру либо с помощью интегратора или системы автоматизации анализа (САА) и измеряется в минутах и секундах (n’n”). Расстояние удерживания (l R ) — это расстояние на хроматограм- ме от момента ввода пробы до выхода пика определяемого компонента. Измеряется на хроматограмме с помощью линейки от линии старта до вершины пика (в мм). Расстояние удерживания непредставительная величина, так как она зависит от скорости перемещения диаграммной ленты и от других факторов. Удерживаемый объем (V R ) — это объем газа-носителя (в см 3 ), прошедший через хроматографическую колонку от момента ввода пробы до момента выхода максимальной концентрации определяемого вещест- ва, измеренный при давлении и температуре на выходе из колонки. Объ- ем удерживания находят по уравнению: V R = t R . F об , (1) где F об – объемная скорость газа-носителя, см 3 /мин объем газа-носителя, про- текающего за единицу времени через пенный расходомер, т.е. на выходе из колонки и при температуре колонки. При наличии специаль- ных блоков точного задания и измерения расхода газа- носителя, с табло этих прибо- ров снимаются показания ско- рости газа-носителя. Если их нет — расход замеряется с по- мощью мыльно-пленочного Рисунок 3 − Типичная дифферен- циальная хроматограмма индиви- дуального вещества и несорбируе- мого газа. од пробы 0 Несорбируемый Определяемое вещество V' R (t' R , l' R ) V R (t R , l R ) V M (t M , l M ) 13 − ⋅ ⋅ = В O H ср к изм об P P 1 Т Т F F 2 измерителя (см. раздел 3.1.3). Поэтому при вычислении удерживаемых объемов следует использовать значение объемной скорости, учитываю- щей температуру колонки и давление водяного пара при температуре измерения: (2) где F ИЗМ – измеренная объемная скорость, см 3 /мин; Т К – температура колонки, К; Т СР – температура окружающей среды, К; O 2 H P – давление насыщенных па- ров воды при температуре измерения, Па; Р В – атмосферное (барометриче- ское) давление, Па. Перечисленные параметры, при условии использования одной и той же температуры опыта и скорости газа-носителя, являются качест- венной характеристикой анализируемых веществ в данных условиях на одном и том же приборе. Поэтому ими можно пользоваться для выполне- ния качественного анализа, только используя один и тот же прибор, стро- го соблюдая неизменность режима его работы. Для сопоставления получаемых значений первичных параметров удерживания с литературными данными или полученными на другом приборе или в иных условиях (для той же неподвижной фазы и темпера- туры колонки) необходимо помнить, что на них влияют следующие фак- торы: а) свойства и количества HЖФ (адсорбента в газоадсорбционной хроматографии и сорбента в ГЖХ), причем в газожидкостной хромато- графии влияет отдельно и HЖФ, и твердый носитель; б) температура колонки и скорость газа-носителя; в) конструктивные особенности применяемой аппаратуры; г) перепад давления газа-носителя на входе и выходе колонки. Чтобы исключить влияние некоторых факторов на первичные па- раметры удерживания, используют следующую группу параметров. 1.5.2 Исправленные и приведенные параметры удерживания Исправленное время удерживания (t' R ) — время, прошедшее с момента появления пика несорбирующегося газа до появления пика со- ответствующего соединения: t' R = t R – t М (3) t М — времени удерживания несорбируемого компонента (иногда употребляют термин «мертвое» время удерживания). Исправленное 14 Cz 1 Cz 1 Cz 2 Cz 1 Cz 1 Cz M 2t t t t t t t − + ⋅ ⋅ = − + − + M ' R t t k = 1 ) /P (P 2 1 ) /P (P 3 j 3 вых вх 2 вых вх − ⋅ − ⋅ = время удерживания t' R отвечает времени, в течение которого элюируемое вещество находится в неподвижной фазе (в растворенном или сорбиро- ванном состоянии). В газовой подвижной фазе все вещества, независимо от времени удерживания, проводят одно и то же время, равное t М — по- правка на объем колонки, занимаемый газовой фазой, объем дозатора, детектора и соединительных газовых линий. Для экспериментального определения t М необходимо измерить время удерживания какого-либо несорбируемого соединения, отличного от газа-носителя. В случае работы с катарометром можно за t М взять вре- мя выхода пика воздуха. При работе с ДИПом можно приравнять t М к времени удерживания метана. Если в лаборатории нет метана, можно воспользоваться временами удерживания трех н-алканов и сделать расчет по следующей формуле: (4) где t Cz-1 ; t Cz ; t Cz+1 − времена удерживания соответственно трех последовательных членов гомологического ряда н- алканов. Отношение приведенного времени удерживания к «мертвому» времени называется коэффициентом емкости (извлечения) k: (5) Это отношение является характеристикой продолжительности на- хождения молекул анализируемого соединения в неподвижной фазе от- носительно времени их пребывания в подвижной газовой фазе. Исправленное расстояние удерживания — расстояние от пика несорбирующегося газа (l М ) до максимума выхода пика соответствующе- го компонента (l R ). l' R = l R – l М , (6) Исправленный удерживаемый объем (V 0 R ) рассчитывается по формуле: V 0 R = V R ⋅ j (7) (8) 15 j ) V (V j ) t (t F j V V M R M R об ' R N ⋅ − = ⋅ − ⋅ = ⋅ = ж N T g m V V = где j – поправочный коэффициент, учитывающий перепад давления в колонке (коэффициент сжимаемости); Р ВХ – давление на входе в колонку; Р ВЫХ – дав- ление на выходе из колонки. Исправленные объемы удерживания можно сравнить в том случае, если они получены на одной и той же колонке при прочих равных усло- виях, но давление на входе в колонку может различаться, поскольку в приведенную выше формулу входит поправка на перепад давления. При Р ВХ → Р ВЫХ V 0 R становится равна предельному значению V R Приведенный удерживаемый объем (V' R ) — объем удерживания, пересчитанный с учетом поправки на объем удерживания несорбируемо- го газа V М («мертвый» объем колонки, учитывающий свободные объемы колонки, дозатора, детектора и соединительных линий): V' R = V R – V М = F об ⋅ (t R – t М ) (9) Приведенные объемы удерживания можно сравнить в том случае, если они получены на одной и той же колонке или на разных колонках, но при одинаковом перепаде давления, так как поправка на перепад дав- ления не вводится. Приведенный объем удерживания, исправленный с учетом перепа- да давления, называется эффективным (чистым) удерживаемым объе- мом V N : (10) Таким образом, эффективный объем удерживания не зависит от «мертвого объема», приведен к среднему давлению в колонке, но зависит от количества сорбента, измеренного при температуре Т К . Эту зависи- мость можно исключить, учитывая количество жидкой фазы в колонке или поверхность адсорбента. Тогда получаем принципиально новые па- раметры. 1.5.3 Абсолютные параметры удерживания Удельный удерживаемый объем (V T g ) при температуре колонкиТ (К) равен чистому объему удерживания, отнесенному к единице массы неподвижной жидкой фазы в колонке: (11) где V N – чистый объем удерживания; m Ж – масса HЖФ в колонке, г. 16 ' R ' R отн R ст i t t t = к ж выж О Н ср к изм м R к T g 0 g Т m 273 j Р Р 1 Т T F ) (t Т 273 V V 2 ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ − = ⋅ = t 0 g 0 g R R ' R ' R отн R ст i ст i ст i V V V V V V V = = = Итак, для ГЖХ абсолютный удельный удерживаемый объем рас- считывается по формуле: (12) Этот параметр является такой же характерной константой, как температура плавления (кипения), показатель преломления и плотность, связывающей термодинамические функции сорбции со строением и фи- зико-химическими свойствами веществ. В справочной литературе приво- дятся данные по удельным удерживаемым объемам различных веществ на различных фазах. Используя эти данные, можно проводить качествен- ный анализ. Абсолютный удельный объем удерживания является наиболее полно скорректированной характеристикой удерживания и обладает наи- лучшей сопоставимостью по сравнению со всеми иными абсолютными характеристиками удерживания. Однако в практике качественного газо- хроматографического анализа этим параметром пользуются редко, т.к. выполнить точный расчет V 0 g трудно (девять параметров входят в состав уравнения и сложно определить их все с высокой точностью). Поэтому в повседневной практике получила большее распространение другая груп- па параметров — относительные параметры удерживания. 1.5.4 Относительные параметры удерживания Относительное время удерживания (t R отн ) — отношение удель- ного или чистого времени удерживания (t' Ri ) данного соединения к соот- ветствующему времени удерживания соединения выбранного в качестве стандарта (t' Rст ): (13) Относительный удерживаемый объем (V R отн ) — отношение приведенного, чистого или удельного объема удерживания данного со- единения к соответствующему объему удерживания соединения, выбран- ному в качестве стандарта: (14) 17 + − + − ⋅ = n (n) t lg 1) (n t lg (n) t lg (x) t lg 100 (x) I ' R ' R ' R ' R н.ф. C t, o где V' Ri – приведенные объем удерживания исследуемого соединения; V' Rст – приведенные объем удерживания вещества, принятого за стандарт; V Ri – чистый объем удерживания компонента i; V Rст – чистый объем удерживания стандарта; V 0 gi – удельный объем удерживания компонента i; V 0 gст – удель- ный объем удерживания стандарта. Стандартом может быть любое вещество, однако в большинстве случаев используются либо нормальные парафины, либо бензол, либо вещество, принадлежащее к тому же классу, что и определяемое. Относительные величины удерживания не зависят от количества сорбента в колонке, от объема колонки, занятого газовой фазой, от пере- пада давления в колонке, от скорости газа-носителя. Они зависят только от природы анализируемого вещества, стандарта и сорбента, а так же от температуры колонки, поэтому используются для идентификации и пуб- ликуются в виде таблиц, как в оригинальной литературе, так и в справоч- никах. Точность определения относительных величин параметров удер- живания выше, чем абсолютных, а трудоемкость определения гораздо ниже. Еще удобнее определять параметры удерживания относительно двух н-алканов, один из которых имеет меньшее, другой большее время удерживания, чем определяемое соединение. При этом появляется воз- можность представлять данные об относительных величинах удержива- ния в форме так называемых интерполяционных параметров удержива- ния, из которых наибольшее распространение получили индексы удер- живания. Индекс удерживания Ковача I, характеризующий удерживание вещества х в колонке неподвижной фазой при температуре t ( ° С) относи- тельно двух н-алканов с числом углеродных атомов n и n + 1, рассчиты- вается путем линейной интерполяции логарифмов исправленных пара- метров удерживания: (15) при соблюдении условия: t' R(n) ≤ t' R(x) ≤ t' R(n+1) Главным достоинством системы индексов удерживания является ее наглядность. По определению н-алканам приписываются значения ин- дексов удерживания, равные числу углеродных атомов в молекуле, ум- ноженному на 100 ед. Например, для метана – 100, пропана – 300, декана – 1000 и т.д. Водороду приписывают значение индекса равное нулю. Эти числа и образуют в шкале индексов удерживания серию фиксированных точек. Из рисунка 4 следует, что индекс удерживания определяемого 18 вещества х равен умноженному на 100 ед. числу атомов угле- рода n гипотетического нор- мального алкана, имеющего такое же исправленное время (расстояние или объем) удер- живания, что и вещество х. Графическое определение индексов удерживания не обеспечивает необходимой точности результатов, и поэтому при выполнении ответст- венных анализов рекомендуется находить индексы расчетным путем. Индексы удерживания являются весьма информативной и удобной формой представления данных по относительному удерживанию органи- ческих соединений различных классов и в настоящее время широко ис- пользуется в качественном анализе для решения сложных задач, как, на- пример, идентификация компонентов нефти или исследование запаха пищевых продуктов. Поскольку численное значение индексов Ковача определяется лишь физико-химическими свойствами анализируемого вещества, при- родой неподвижной фазы и температурным режимом колонки, индекс удерживания вещества той или иной неподвижной фазой, отнесенный к определенной температуре, можно поставить в ряд с такими известными константами, как температура кипения (плавления), плотность или пока- затель преломления. Воспроизводимость и правильность измерений всех перечислен- ных параметров зависят от класса применяемой аппаратуры, опыта опе- ратора и его квалификации. Основные ошибки, вызывающие погрешно- сти измерений, возникают по следующим причинам: а) нестабильность температурного режима колонок, испарителя и скорости газа-носителя; б) перегрузка колонки за счет большой дозы, немгновенность до- зирования; в) несинхронность операции дозирования и включения средств из- мерения времени удерживания или отметки начала ввода пробы. При выполнении качественного анализа нужно стремиться исклю- чить ошибки измерения или свести их к минимуму. Рисунок 4 − Графическое опре- деление индексов удерживания Ковача: 1, 2, 4, 5 – н-алканы (стандарты); 3 – анализируемое соединение. n 5 6 7 8 lg V' R 500 600 700 800 1 2 3 4 5 I н.ф. t, oC 19 Гл ава II. ВЛИЯНИЕ НЕКОТОРЫХ Ф АКТ О РО В Н А ХРОМ АТ О ГР АФИЧЕСК ОЕ Р АЗДЕЛЕНИЕ ВЕЩЕСТ В 2.1 ТЕОРИЯ ТАРЕЛОК Всегда появляется потребность оценки хроматограмм. При прохо- ждении через колонку можно получить хроматограммы различного вида (рис. 5). Данные приме- ры иллюстрируют хро- матографическое разде- ление, отличающиеся разрешением, эффек- тивностью при равной селективности (рис. 5, а и б) и селективностью при равной эффектив- ности (рис. 5, в и г). Это сохраняется и при раз- личном соотношении высоты пиков. Все тео- рии хроматографиче- ского разделение сво- дятся к рассмотрению этих величин. Рисунок 5 – Разрешение различных пар хромато- графических пиков: R S – разрешение; l R – рас- стояние удерживания для 1 и 2 компонента смеси; b 0(1) и b 0(2) – ширина пика у его основания для 1 и 2 компонента. |