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.
|
|
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. |