Хроматографический метод анализа. Методические указания к лабораторным работам 1
 Скачать 325.83 Kb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД АНАЛИЗА Методические указания к лабораторным работам 1 Цель работы: ознакомить студентов с теоретическими основами метода газовой хроматографии, с факторами, влияющими на эффективность и селективность разделения смеси компонентов; провести определение качественного и количественного состава сложной смеси. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД АНАЛИЗА Газовая хроматография – это метод разделения и анализа смесей веществ, основанный на различном распределении компонентов смеси между двумя несмешивающимися фазами: подвижной газовой и неподвижной (твердой или жидкой). Подвижная фаза фильтруется через слой неподвижной фазы. При контакте с поверхностью неподвижной фазы (НФ) компоненты анализируемой смеси распределяются между подвижной (ПФ) и неподвижной фазами в соответствии со своими свойствами (адсорбируемостью, растворимостью или др.). Устанавливается динамическое равновесие, вследствие чего молекулы разделяемой смеси часть времени находятся в НФ, а часть - в ПФ. Вдоль хроматографической системы движутся только те молекулы, которые находятся в ПФ. Разные вещества обладают различным сродством к подвижной и неподвижной фазам, т.е. различными коэффициентами распределения. Вещество, сильнее взаимодействующее с НФ, будет медленнее двигаться через хроматографическую систему по сравнению с веществом, слабее взаимодействующим с этой фазой. В газовой хроматографии (ГХ) в качестве ПФ используют газ, называемый газом-носителем. Обязательным условием для ГХ является предварительный перевод хроматографируемых веществ в газовую фазу. ГХ может быть разделена на газоадсорбционную (ГАХ) и газожидкостную (ГЖХ). В случае газоадсорбционной хроматографии НФ служит твердый адсорбент. В ГЖХ в качестве НФ используют жидкость, тонким слоем нанесенную на поверхность какого-либо твердого носителя. В аналитической практике ГЖХ используют гораздо шире, чем ГАХ. Анализ методом ГХ выполняют на газовом хроматографе (рис.1). Газ-носитель из баллона 1 с постоянной скоростью пропускают через хроматографическую систему. Пробу вводят в дозатор 2 , который нагрет до температуры, необходимой для полного испарения хроматографируемых веществ. Пары анализируемой смеси захватываются потоком газа-носителя и поступают в хроматографическую колонку 3, температура которой поддерживается на требуемом для проведения анализа уровне. В колонке анализируемая смесь делится на компоненты, которые поочередно поступают в детектор 7. Сигнал детектора 2 фиксируется регистратором 8 и обрабатывается вычислительным интегратором 9. ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЙ ПИК И ЭЛЮЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Рассмотрим более подробно хроматограмму (рис. 2). Если точка А соответствует вводу анализируемой пробы, А′ - появлению на выходе какого-либо несорбирующегося компонента, а В - появлению анализируемого вещества, то линию А'АВ и ее продолжение BF называют нулевой линией. Кривую BDF называют хроматографическим пиком. Каждый пик имеет восходящую ветвь кривой, называемую фронтом (BCD) и соответствующую увеличению концентрации компонента в камере детектора, точку максимума D и нисходящую ветвь (DEF), соответствующую уменьшению концентрации компонента в камере детектора. Количественными характеристиками пика являются его высота, ширина и площадь. Высотой пика считают или величину h, или h′. Рис. 1. Принципиальная схема газового хроматографа: 1 – система подготовки газов; 2 – дозирующее устройство; 3 – хроматографическая колонка; 4 – детектор; 5 – терморегулятор; 6 – блок питания; 7 – усилитель; 8 – регистратор; 9 – интегратор или система обработки сигнала детектора; 10 – измерители параметров режима работы хроматографа (расхода газов, температур, электрического питания детекторов) ==== газовые функциональные связи –––– электрические функциональные связи – – – термостатируемые элементы 3 Последняя равна расстоянию от нулевой линии до точки пересечения касательных к кривой в точках перегиба. Шириной пика называют расстояние между точками контура на половине его высоты (СЕ = w 0,5 ) или между точками пересечения нулевой линии с касательными к кривой в точках перегиба (B'F = w b ). Рис. 2. Хроматографическая кривая Важными хроматографическими характеристиками системы являются время удерживания t r. , удерживаемый объем V r и соответствующее им расстояние удерживания l r Время удерживания t r – время от момента ввода пробы в хроматографическую колонку до момента выхода из нее максимальной концентрации определяемого вещества. Оно зависит от длины колонки, скорости газа-носителя, природы компонента и температуры. Объем удерживания или удерживаемый объем V r – объем газа- носителя, прошедший через хроматографическую колонку от момента ввода пробы до момента выхода максимальной концентрации определяемого вещества: V r = t r · F, (1) где F – объемная скорость газа-носителя, мл/мин. Расстояние удерживания l г – расстояние, измеряемое на хроматограмме от линии старта (момента ввода пробы) до выхода максимума пика: t r = ν r l , (2) где v – скорость движения ленты самописца. На параметры удерживания влияют следующие факторы: - состав, свойства и количество неподвижной фазы; - условия проведения опыта: температура колонки и скорость газа- 4 носителя; - конструктивные особенности используемой аппаратуры; - метод дозирования и величина дозы; - природа газа-носителя, а также перепад давления газа-носителя на входе и выходе колонки. Объем, время, расстояние удерживания могут быть использованы для качественной характеристики соединения лишь при проведении анализа в строго заданных условиях на одном и том же приборе. Для сопоставления получаемых значений параметров удерживания с данными, полученными в иных условиях, необходимо вводить поправки. ТЕОРИИ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЙ КОЛОНКИ В процессе хроматографического разделения вещество распределяется между подвижной газообразной фазой и твердой или жидкой неподвижной фазами. Происходит перенос вещества из одной фазы в другую и обратно (сорбция - десорбция), а также движение вещества вдоль слоя сорбента. В задачу теории хроматографической колонки входит установление законов этого движения. Существующие теории рассматривают процесс хроматографирования с различных позиций, но все они базируются на характере изотермы адсорбции исследуемого вещества на выбранном сорбенте и скорости установления состояния межфазного равновесия. В зависимости от характера изотермы адсорбции различают линейную и нелинейную хроматографию (рис.3). Теория линейной хроматографии рассматривает процессы, в которых распределение вещества между фазами описывается линейной изотермой. Теория нелинейной хроматографии рассматривает процессы, характеризующиеся выпуклой или вогнутой изотермой сорбции. В первом случае распределение концентрации вещества в хроматографической зоне симметрично относительно ординаты, соответствующей максимальной концентрации, во втором - асимметрично. Теория равновесной (идеальной) хроматографии основана на предположении, что равновесное распределение вещества между фазами устанавливается мгновенно, то есть скорость доставки вещества из объема газообразной фазы к поверхности неподвижной фазы и скорость проникновения его внутрь этой фазы велика. При этом не учитывается размывание хроматографической полосы вследствие обычной молекулярной диффузии. Скорость перемещения хроматографической зоны прямо пропорцио- нальна скорости потока газа-носителя и обратно пропорциональна коэффициенту распределения. 5 а б Рис. 3 . Формы изотермы адсорбции и соответствующие им контуры храматографических зон: а) линейная идеальная хроматография, б) нелинейная неидеальная хроматография При постоянной объемной скорости газа-носителя скорость перемещения хроматографической зоны зависит только от сорбционной способности компонента. Чем хуже сорбируется компонент, тем больше скорость продвижения этого компонента по колонке.. Хроматографические зоны разных компонентов перемещаются вдоль колонки с постоянными, но разными скоростями, что и определяет их разделение. В реальной хроматографической колонке часто наблюдается размывание хроматографических полос, которое приводит к расширению и перекрыванию пиков на хроматограмме. Это очень сложное явление, обусловленное процессами диффузии, протекающими в колонке, замедленностью сорбции и десорбции в потоке газа-носителя и другими факторами. Наибольшее распространение в неравновесной газовой хроматографии получили теории эквивалентных теоретических тарелок А.Дж.Мартина и теория эффективной диффузии Дж. Ван-Деемптера. Обе 6 теории основаны на допущении, что процесс хроматографии протекает в линейной области изотермы сорбции. Теория эквивалентных теоретических тарелок По аналогии с процессом ректификации хроматографическая колонка мысленно разбивается на ряд последовательных участков - ступеней (тарелок), через которые газ проходит периодическими толчками. Предполагают, что за время каждого толчка на тарелке успевает установиться равновесие между подвижной и неподвижной фазами для всех компонентов. Таким образом, хроматографический процесс является многоступенчатым и состоит из большого числа актов адсорбции и десорбции (в ГАХ) и растворения - испарения (в ГЖХ), а сама колонка рассматривается как система, состоящая из совокупности многих ступеней - тарелок. Длина элементарного участка колонки, на котором достигается состояние равновесия между концентрацией вещества в подвижной и неподвижной фазах, называется величиной эквивалентной теоретической тарелке (ВЭТТ). Высота, эквивалентная теоретической тарелке Н, является количественной мерой размывания хроматографической полосы. Если длина колонки L, см, а число теоретических тарелок колонки N, то N L H = (3) В процессе ступенчатого «передвижения» компонента в потоке газа- носителя по хроматографической колонке происходит размывание его по нескольким тарелкам. Причем на средних тарелках его концентрация максимальна (С m ах ), а на соседних значительно меньше максимальной. Из- за размывания компонента по нескольким тарелкам его максимальная концентрация на средних тарелках оказывается ниже исходной концентрации (С). Уравнение хроматографической кривой для данного компонента: N N e C C 2 ) ( max 2 − − = β ; эф V V = β , (4) где V - весь объем газа, прошедший через колонку; V эф - эффективный объем одной тарелки, то есть объем газа, который содержал бы весь компонент, находящийся как в газовой, так и в неподвижной фазе тарелки. График этого уравнения (рис. 4) аналогичен кривой закона распределения ошибок Гауса. Ширина пика на выходной кривой характеризует размывание хроматографической полосы. Измерение ее позволяет вычислить число теоретических тарелок К и их высоту Н – величины, количественно определяющие процесс размывания. 7 Рис. 4. График уравнения (4) выходной хроматографической кривой в безразмерных координатах Уравнение (4) после некоторого преобразования дает возможность количественно связать ширину пика w с N и Н: 2 5 , 0 54 , 5 = w l N r ; 2 5 , 0 181 , 0 = r l w L H ; (5) 2 16 = в r w l N ; 2 055 , 0 = r в l w H (6) Чем уже пик, тем большую ошибку можно сделать при определении его ширины и вычислении N или Н. С уменьшением величины Н и соответственно увеличением N уменьшается размывание хроматографической полосы, в результате чего эффективность разделения возрастает. Достаточная эффективность колонки в аналитической газовой хроматографии наблюдается при N = 1000 тт и Н = 0,1 - 0,2 см. Диффузионно-массообменная теория размывания хроматографических полос (теория эффективной диффузии) Согласно теории эффективной диффузии причина размывания хроматографических полос обусловлена диффузией в газе и порах сорбента, а также массообменом между газом и неподвижной фазой. В реальной хроматографической колонке могут наблюдаться несколько видов диффузии: 8 - молекулярная диффузия, обусловленная тепловым движением молекул; - вихревая диффузия, вызываемая изменением локальных продольных скоростей; - внешняя диффузия (из газовой фазы к поверхности неподвижной жидкости или твердого сорбента) и внутренняя диффузия (миграция молекул адсорбированного вещества с поверхности неподвижной фазы внутрь неподвижной фазы). Внешняя и внутренняя диффузии направлены поперек потока газа- носителя и вместе называются кинетической (динамической) диффузией. Характеристикой размывания может служить эффективный коэффициент диффузии, представляющий собой сумму эффективных коэффициентов молекулярной, вихревой, кинетической диффузии, а также диффузии в непродуваемые области прибора и диффузии, вызванной так называемым стеночным эффектом: D эфф = D мол + D вихр + D кин + D пол + D стен Эффективный коэффициент диффузии связан с высотой теоретической тарелки соотношением: α χ эфф D H 2 = , (7) где χ - доля свободного объема в колонке; α - линейная скорость газа- носителя. В случае для ГЖХ реальной хроматографической колонки Ван- Деемптером было выведено уравнение, связывающее ВЭТТ с факторами, определяющими размывание хроматографической полосы: α α C B A H + + = , (8) где А, В, C - константы для данной колонки и заданного режима. В этом уравнении первый член А учитывает влияние вихревой диффузии, вызываемой завихрениями вокруг зерен насадки; второй В - размывание за счет продольной молекулярной диффузии, зависящей от природы-газа носителя; третий член С учитывает массообмен в НЖФ. В первом приближении вихревая диффузия не зависит от скорости потока, все остальные факторы размывания и величина Н изменяются в зависимости от линейной скорости газа-носителя. Это уравнение неравновесной гиперболы выражает зависимость между высотой теоретической тарелки колонки и линейной скоростью потока газа-носителя (рис.5). В зависимости от скорости потока кривую можно разбить на три участка. В области малых скоростей (0-I) ВЭТТ обратно пропорциональна 9 скорости потока (область молекулярной диффузии). В области средних скоростей (I-II) ВЭТТ почти не зависит от скорости потока газа-носителя, в области больших скоростей (II-III) Н линейно зависит от α. Рис. 5. Графическая зависимость ВЭТТ от линейной скорости газа-носителя. Коэффициенты А, В и С приближенно можно определить графически. Рассмотрение кривой Н = f(α) позволяет правильно выбрать скорость потока газа-носителя для хроматографического разделения. Работа в области 0 - I нецелесообразна, так как малейшее изменение скорости резко меняет величину ВЭТТ, а, следовательно, эффективность разделения. Область I - II благоприятна для разделения, так как достигается минимальное значение Н и возможные колебания скорости потока не ухудшают разделения. Однако при сравнительно небольших скоростях потока времена удерживания разделяемых компонентов довольно велики, и это увеличивает время хроматографического анализа. В области II - III процесс размывания хроматографической полосы определяется кинетикой перехода веществ из газовой фазы в жидкую на границе фаз, то есть скоростью диффузии вещества в жидкой фазе. Целесообразно работать в этой области, поскольку значительное увеличение скорости потока (и сокращение времени анализа) незначительно ухудшает эффективность разделения. Селективность. Эффективность. Критерии разделения Селективность является мерой взаимного распределения двух или более определяемых веществ в ходе хроматографического процесса. Для пары веществ селективность можно определить как расстояние между центрами зон, которое соответствует разности в объемах удерживания (рис. 6). 10 ( ) ( ) a a M a M r r KV V K V V K V V V V ∆ = + − + = − = 1 2 1 2 , (9) где V a - общий объем неподвижной фазы (адсорбента). Рис. 6. Полное разделение смеси двух компонентов Рис. 7. Неполное разделение смеси двух компонентов Под эффективностью в хроматографии понимают способность системы ограничивать размывание зон разделяемых веществ. Характеристикой размывания зон является высота, эквивалентная теоретической тарелке, Н. То есть Н или N являются критериями эффективности. Разрешение хроматографической системы является мерой полноты разделения двух анализируемых веществ. В то время, как селективность характеризует разделение центров зон, разрешение является характеристикой разделения самих зон. Для количественной оценки хроматографического разделения двух компонентов предложено несколько критериев. 1. Критерий разделения (разрешение): ) 2 ( 5 , 0 ) 1 ( 5 , 0 ) 2 ( 5 , 0 ) 1 ( 5 , 0 w w V w w I K p + ∆ = + ∆ = . (10) 2. При взаимном перекрывании пиков (в случае неполного разделения) (рис. 7) определение ширины зоны каждого пика становится невозможным. В этом случае используют степень разделения: 2 min 2 h h h K B − = , (11) где h 2 - высота меньшего пика; h min - высота минимума между пиками. 3. Коэффициент селективности колонки К с определяется по характеристикам удерживания: 11 = + − = ) 1 ( ) 2 ( ) 1 ( ) 2 ( r r r r c V V V V K = + − ) 1 ( ) 2 ( ) 1 ( ) 2 ( r r r r t t t t ) 1 ( ) 2 ( ) 1 ( ) 2 ( r r r r I I I I + − . (12) Связь между критериями селективности и эффективности: H L K N K K c c 4 2 4 2 2 = = ; (13) N K B c e K ⋅ − = 2 4 1 (14) Значение этих критериев зависит от условия проведения хро- матографического опыта или его параметров: 1) от природы адсорбента или жидкой фазы и размеров колонки; 2) от температуры колонки: 3) от линейной скорости потока, природы газа-носителя и давления газа-носителя в колонке; 4) от количества введенной в колонку пробы разделяемой смеси. Выбор выгодных в каждом отдельном случае параметров хроматографического опыта называют оптимизацией. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПИКОВ НА ХРОМАТОГРАММЕ Перед началом расшифровки следует убедиться в полноте разделения исследуемой смеси на взятой колонке. Для этого необходимо снять хроматограмму смеси на колонках, содержащих НЖФ различной полярности. Если при разделении смеси на фазе с большей полярностью число пиков на хроматограмме не увеличилось, то можно считать, что примененная колонка обеспечивает разделение всех компонентов. Наиболее надежную идентификацию проводят путем сопоставления хроматограмм исследуемой смеси до и после добавки к ней известного вещества. Возрастание величины одного пика при неизменном числе их во втором случае указывает на то, что этот пик принадлежит прибавленному компоненту. |