Н. И. Царев, В. И. Царев, И. Б. Катраковпрактическаягазоваяхроматография
 Скачать 1.41 Mb.
|
|
3.2.2 Полуавтоматические дозаторы Широко распространен метод ввода газообразных проб при помо- щи вращающейся шайбы и калиброванного объема. К дозаторам такого типа можно отнести обычные объемные шести- или четырехходовые краны. Воспроизводимость таких систем составляет 0,2 − 0,5% (при посто- янном давлении и температуре). 3.2.3 Автоматические дозаторы Эти механизмы позволяют исключить ошибки, связанные с дози- рованием вручную, повысить воспроизводимость результатов и обеспе- чить непрерывную работу аналитического прибора без постоянного на- блюдения за ним. Такие дозаторы с успехом применяются при анализе серий проб, аналогичных по составу. Емкости с пробами помещают в коллектор, который вращательным или поступательным движением пе- ремещает одну пробу за другой под иглу микрошприца, укрепленного в устройстве, погружающем под действием электрического импульса иглу в пробу. Это же устройство набирает пробу, перемещает шприц, распола- гает его непосредственно над инжектором, прокалывает иглой перего- родку инжектора, вводит пробу, устанавливает шприц над коллектором с чистым растворителем, промывает иглу и ждет следующей команды. Воспроизводимость площадей пиков соответствующих веществ, дози- руемых таким способом, составляет примерно 1%. Существуют многие другие способы ввода различных проб. 3.3 СТАНДАРТНЫЕ ДЕТЕКТОРНЫЕ СИСТЕМЫ Детектор устройство, предназначенное для обнаружения в по- токе газа-носителя анализируемых веществ по какому-либо физико- химическому свойству. Отклик осуществляется за счет преобразования свойств в электрический сигнал. Детекторы подразделяются на интегральные и дифференциальные. Интегральный детектор регистрирует изменение во времени суммар- ного количества выходящих из колонки компонентов. Хроматограмма 63 представляет собой ряд ступеней (рис. 2, б). Из-за низкой чувстви- тельности. Большой инертности и недостаточной универсально- сти эти детекторы имеют огра- ниченное применение. Все серийно выпускаемые газохроматографические детекторы яв- ляются дифференциальными. Сигнал таких детекторов пропорционален мгновенному изменению значения какого-либо свойства газового потока, а его аналоговая запись имеет вид пика. Хроматограмма, полученная с таким детектором, представляет ряд пиков (рис. 2, а), причем количество каждого компонента пропорционально площади S соответствующего пи- ка В процессе детектирования химическая природа молекулы анали- зируемого вещества может изменяться или нет. Если природа молекулы изменяется (процесс разрушения молекулы), то она может быть зарегист- рирована лишь однократно (рис. 9, кривая 1). Если же природа молекулы не изменяется, то такая молекула может быть зарегистрирована детекто- ром многократно (рис. 9, кривая 2). Детекторы, в которых возможна многократная регистрация моле- кул, называются концентрационными, т.к. их сигнал пропорционален концентрации вещества в газе-носителе: E с = A с ⋅ C (46) где E с – сигнал концентрационного детектора (мВ); A с – чувствительность кон- центрационного детектора (мВ ⋅ см 3 /мг); C – концентрация вещества в газе- носителе (мг/см 3 ). Примером концентрационного детектора является детектор по те- плопроводности (ДТП), в котором процесс отвода теплоты от чувстви- тельных элементов не разрушает молекул анализируемых веществ. Детекторы, в которых возможна лишь однократная регистрация молекул, называются потоковыми, т.к. их сигнал пропорционален пото- ку вещества: E j = A j ⋅ j = A j ⋅ C ⋅ F (47) Рисунок 9 − Зависимость сигнала потоковых (1) и концентрационных (2) детекторов от времени в замкну- том объеме. Время Си гн ал де те кт о ра Е о 1 2 64 где E j – сигнал потокового детектора (мA или мB); A j – чувствительность потоко- вого детектора (мA ⋅ c/мг или мB ⋅ c/мг); j – массовая скорость (поток) вещества через детектор (мг/с); C – концентрация вещества в газе-носителе (мг/см 3 ); F – расход газа-носителя через детектор (см 3 /с). Поток вещества это массовая скорость вещества, т.е. масса вещества dm, поступающая в единицу времени dt: J = C ⋅ F = dm / dt (48) Физический смысл вышесказанного заключается в следующем. При использовании концентрационных детекторов важным фактором является скорость пропускания газа-носителя (чем больше скорость, тем меньшее число актов регистрации успевает претерпевать молекулы ана- лизируемого вещества). Тогда как в потоковом детекторе эта зависимость отсутствует. В качестве типичного примера потокового детектора можно при- вести ионизационно-пламенный детектор (ДИП), в котором происходи сгорание органических веществ. 3.3.1 Характеристики детекторов Исходя из цели анализа и условий его проведения, следует выби- рать такой детектор, характеристики которого соответствуют им в наи- большей степени. Критерии оценки детекторов общеприняты для всех систем детектирования; к ним относятся: − чувствительность; − минимально детектируемая концентрация (предел обнаружения) − фоновый сигнал; − уровень шума; − скорость дрейфа нулевой линии; − диапазон линейности детектора; − эффективный объем и время отклика (быстродействие); − селективность. Некоторые характеристики детекторов приведены в табл. 10. Чувствительность отражает степень взаимодействия анализи- руемого вещества с детектором и определяет величину сигнала, соответ- ствующего содержанию (концентрации и потоку) вещества в газе- носителе. 65 Таблица 10 − Характеристики ряда детекторов, используемых в газовой хроматографии. Детек- тор Область применения Селек- тивность Газ- носитель Чувствитель- ность Линейный диапазон Недостатки ДЭЗ Галоген-, азот- и ки- слородсодержащие соединения Высокосе- лективен Ar, N 2 +10%CH 4 , He 10 -12 − 10 -13 г 5 ⋅ 10 -9 − 10 -4 % 10 − 10 2 Работа с разбавленными рас- творами; МДРТ для 3 Н< 150 ° С; высокие требования к г-н; зави- симость от скорости г-н и т-ры, применение в основном для качественного анализа. ДИП Органические соеди- нения Универ- сальный Не, Н 2 , N 2 10 -10 г 10 -6 − 99% 10 6 − 10 8 Особые условия стабильности и постоянство потока г-н и воз- духа; слабый отклик на соеди- нения, насыщенные кислоро- дом. ДТИ Фосфор-, серо- и азот- содержащие соедине- ния Селекти- вен 10 2 − 10 5 Не, N 2 10 -12 г 10 -6 % 10 3 − 10 4 Необходимость калибровки. ПФД (394 нм) Серосодержащие со- единения Высокосе- лективен 10 3 − 10 4 Не, N 2 10 -11 г 10 -6 − 10 -2 % 10 2 − 10 3 ПФД (526 нм) Фосфорсодержащие соединения Высокосе- лективен 10 5 − 10 7 Не, N 2 10 -11 г 10 -7 − 0,1% 10 3 − 10 4 ДТП Соединения различных классов Универ- сальный Не, N 2 10 -6 − 10 -9 г 10 -3 − 100% 10 4 Чувствительность к температу- ре; используется только для некорродирующих веществ ГИД Пары соединений раз- личных классов Универ- сальный Не 10 -11 − 10 -12 г 10 -6 − 0,1% 10 3 − 10 4 Высокие требования к г-н; неустойчивость в работе; высо- кое напряжение (750 − 2000 В); необходимость калибровки. 66 На практике чувствительность чаще всего определяют по площади сигнала детектора в зависимости от типа детектора. Чувствительность концентрационного детектора (мВ ⋅ мл/мг) рас- считывается по формуле: А с = S ⋅υ⋅ F/(q ϖ ) (49) где S – площадь пика, см 2 ; υ − чувствительность регистратора, мВ/см; F – ско- рость газа-носителя, см 3 /с; q − количество введенной пробы, мг; ϖ − скорость протягивания ленты, см/с. Значения чувствительности потоковых детекторов (мВ ⋅ с/мг) опре- деляется выражением: А j = S ⋅υ /(q ⋅ϖ ) (50) где S, υ , q и ϖ − те же, что и в уравнении (49). Применение микронасадочных и капиллярных колонок требует высокочувствительные детекторы (например, ДИП), а при работе с наса- дочными колонками средней чувствительности (ДТП, детектор по плотности). Сигнал, который дает детектор хроматографа, работающего в ка- ком-либо режиме, в отсутствие анализируемых веществ, называется фо- новым. Графическим отражением фонового сигнала является нулевая линия, регистрируемая самописцем. Фоновый сигнал это реакция детектора на состав газового пото- ка, поступающего в детектор. Фоновый сигнал есть у каждого детектора, однако, нельзя измерить фоновый сигнал ДТП, т.к. его измерительная схема построена на разностном (компенсационном) принципе и на выхо- де детектора регистрируется результат сравнения сигналов двух линий. Из-за естественной нестабильности параметров хроматографиче- ского режима и воздействия на сигнал детектора различных помех, фоно- вый сигнал детектора проявляет различной степени нестабильность, что отражается на качестве нулевой линии. Нестабильность фонового сигнала может выражаться двояким об- разом: − среднее значение фонового сигнала поддерживается постоян- ным в течение длительного времени, однако в течение корот- ких промежутков времени фоновый сигнал совершает быстрые хаотические отклонения от среднего значения в обе стороны; − фоновый сигнал медленно изменяется в одну сторону. 67 Под быстрым, короткопериодным изменением сигнала понимается изменение, происходящее за период времени, соизмеримый с длительно- стью хроматографического сигнала или за меньший период. Под медлен- ным изменением фонового сигнала понимают его изменение за время, во много раз превышающее длительность хроматографического сигнала. Быстрое хаотическое изменение фонового сигнала называется шу- мом. Шум наблюдается на самописце как разностороннее смещение ну- левой линии. Для измерения шума необходимо устройством компенса- ции установить перо самописца в нулевое положение и включить предел измерения, на котором наблюдается колебание нулевой линии. На само- писце шум измеряется как ширина нулевой линии. Величина шума, вы- раженная в единицах сигнала детектора, называется уровнем флуктуа- ционного шума (Ф) и рассчитывается (в %) по формуле: Φ = ( δ /L шк ) ⋅ 100 (51) где δ – амплитуда шума, мм; и L шк – полная ширина шкалы самописца, мм. Медленное одностороннее изменение фонового сигнала называет- ся дрейфом. Величина дрейфа (D) оценивается по скорости дрейфа и из- меряется как изменение величины фонового сигнала, приведенное к еди- нице времени (обычно к 1 ч): D = (М/L шк t) ⋅ 100 (52) где М – смещение нулевой линии, мм; Ориентировочная норма дрейфа должна составлять не более 10% за 1 ч. Шум оказывает заметное влияние на результаты анализа при опре- делении малых количеств веществ, т.к. полезные хроматографические сигналы приходится выбирать на фоне колебаний (флуктуаций) нулевой линии. Принято считать, что минимальный сигнал, доступный обнаруже- нию, должен по высоте превышать уровень шума ( δ ) в два раза (рис. 10). Концентрация, или поток, или количество вещества, вызы- вающее сигнал детектора, в два раза превышающий уровень шу- ма, называют пределом обнару- Время δ 2 δ Рисунок 10 − Наименьший детекти- руемый полезный сигнал. 68 жения. Он зависит от процесса отбора пробы, ее обработки, устройства ввода пробы, типа колонки, уровня шума. Для концентрационного детектора чаще всего предел обнаружения выражают как концентрацию: С мин = Е мин /А с = 2 δ /А с (53) Для потокового детектора предел обнаружения выражают или че- рез поток, или через концентрацию вещества: J мин = Е мин /А j = C мин ⋅ F; С мин = 2 δ /(А j ⋅ F) (54) Предел детектирования выражают в различных единицах: мг/мл, мл/мл, % (по объему), ppm (млн -1 ). В технической литературе предел обнаружения называют еще по- роговой чувствительностью или порогом чувствительности. Минимальная концентрация, доступная обнаружению, рассчитан- ная из вышеприведенных выражений это концентрация вещества в потоке газа-носителя в детекторе. Концентрация вещества в пробе должна быть больше в соответст- вии с коэффициентом уменьшения К ум : С min в пробе = С min ⋅ К ум (55) Для определения К ум необходимо в конкретном режиме работы хроматографа провести анализ смеси с известным содержанием вещества С проб Если связь сигнала детектора с концентрацией вещества выража- ется прямой линией, то детектор называется линейным. Линейный диа- пазон детектора отношение максимальной концентрации вещества к минимальной (С макс /С мин ) в потоке газа-носителя на выходе из колонки и сигналом детектора (рис. 11). В пределах диапазона линейности чувстви- тельность детектора не зависит от концентрации. Для любого детектора чувствительность к анализируе- мому веществу определяется угловым коэффициентом А = tg ϕ . Для любой точки линейного участка кривой тангенс угла на- клона одинаков. Однако с пре- вышением определенной кон- Рисунок 11 − Зависимость сигнала детектора от концентрации анализи- руемого вещества. Концентрация, С Си гн ал де те кт ор а С мин С макс ϕ Диапазон линейности 69 ст х отн А А К = центрации детектор теряет линейность, а его чувствительность становит- ся зависимой от концентрации вещества, т.е. площадь пика будет изме- няться непропорционально количеству вещества. Поэтому количествен- ный анализ в условиях нелинейной работы детектора отличается боль- шей погрешностью и требует более детальной калибровки в области ра- бочих концентраций. Абсолютное значение концентрации, с превышением которой чув- ствительность отличается от ранее постоянного значения более 3%, на- зывается верхним пределом линейности детектора. Величина диапазонов линейности различна для разных детекторов и зависит от природы анализируемого вещества. Поэтому важно в каж- дом конкретном случае соотносить рабочую концентрацию с С max Быстродействие (инерционность) способность детектора бы- стро реагировать на резкое изменение концентрации вещества в потоке газа-носителя, проходящего через детектор. Искажение сигнала из-за инерционности проявляется сильнее при записи узких и высоких пиков, и практически отсутствуют при регистрации широких пиков. Инерцион- ность является следствием ограниченной скорости физических или физи- ко-химических процессов, определяющих механизм детектирования (на- пример, для ДТП). По возможности обнаружения веществ детекторы подразделяются на универсальные и селективные. Селективность характеристика, определяющая сигнал детек- тора по отношению к различным соединениям. Селективные детекторы имеют повышенную чувствительность (как правило, не меньше, чем на порядок) к некоторым классам или группам соединений. Например де- тектор электронного захвата (ДЭЗ) избирательно регистрирует галоген- и азотсодержащие соединения, пламенно-фотометрический детектор ПФД фосфор- и серосодержащие вещества). Различие чувствительности детектора к веществам оценивается коэффициентом относительной чувствительности: (56) где А х – чувствительность детектора к какому-либо веществу; А ст – чувствитель- ность детектора к веществу, выбранному за стандарт. Для универсальных детекторов К отн для самых различных веществ должна быть в пределах одного порядка. Универсальными детекторами к органическим вещества относятся ДТП и ДИП, однако они не чувствуют 70 веществ неорганической природы, т.е. проявляют селективность (избира- тельность). Селективность детектора можно оценить коэффициентом селек- тивности как чувствительность детектора к анализируемому веществу А х по отношению чувствительности к веществу присутствующему в пробе (например к растворителю) А пр К сел = А х / А пр (57) 3.3.2 Оценка состояния детектора по его основным характеристикам Успех анализа во многом определяется выбором хроматографиче- ского режима и состояния аппаратуры, в частности детектора. Оценка состояния детектора зависит, главным образом, от режима его работы: условий газового и электрического питания, температуры, чистоты газового потока. Фоновый сигнал детектора определяется содержанием примесей в газовом потоке и их природой, т.е. чувствительностью к ним детектора. Величина фонового сигнала зависит от режима работы детектора и ко- лонки. Уровень шума зависит от многих причин, которые можно разбить на две группы. 1) Шум электрической природы возникает при взаимодействии сигнала за счет помех из внешних электрических цепей и питающей сети, из-за плохого состояния электрических контактов, плохого заземления блоков хроматографа, вибрации прибора, вследствие попадания в детек- тор механических частиц. Величина электрического шума не зависит от величины фонового сигнала. 2) Другой причиной шума является неизбежная в определенных приделах нестабильность режима работы хроматографа. Колебание каж- дого из параметров имеет случайный характер и их результатом является изменение газового состава в детекторе вследствие неравномерного уно- са неподвижной жидкой фазы из колонки, а также загрязняющих ве- ществ, поступающих в хроматограф с исходными газами и пробой. Такие колебания газового состава в детекторе вызывают колебания фонового сигнала, соизмеримые по длительности с хроматографическим пиком. Такого рода шум называется вещественным. Шум, аналогичный вещественному, может быть вызван неисправ- ностью отдельных блоков хроматографа, например газовых. 71 Дрейф нулевой линии также, является следствием изменения газо- вого состава детектора. Вследствие накопления в газовых линиях мало- лолетучих примесей, попадают в детектор, вызывая изменения фонового сигнала. В случае увеличения фонового сигнала (нулевая линия смещает- ся в направлении записи пиков) дрейф называют положительным. Предел обнаружения является расчетной характеристикой, связы- вающей уровень шума и чувствительность детектора. Предел обнаружения детектора (предел детектирования) характе- ризует аналитические возможности только самого детектора, не учитывая условий работы колонки. В то же время, режим работы колонки может существенно увеличить уровень шума и ограничить чувствительность детектора. Изменение режима работы хроматографа изменяет не только пре- дел обнаружения (С min ), но и верхний предел линейности детектора (C max ). Как правило, увеличение фонового сигнала приводит к снижению C max Природа анализируемого вещества также влияет на линейность де- тектора. Чем большую чувствительность имеет детектор к какому-либо веществу, тем меньше по этому веществу диапазон линейности. Поскольку характеристики детектора зависят и от режима работы и колонки, и отдельных блоков хроматографа, то по их величинам оцени- вается работоспособность хроматографа в целом. Несмотря на то, что разработано много типов детекторов (более 50), в настоящее время мы имеем дело максимум с четырьмя-пятью из них. Рассмотрим наиболее распространенные типы детекторов. |