Царев Н.И., Царев В.И., Катраков И.Б. 2000 Практическая газовая хроматография. Царев Н.И., Царев В.И., Катраков И.Б. 2000 Практическая газовая. 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. |