4.2. Хроматографическое исследование
Хроматография является эффективным методом разделения и анализа, сложных по составу газообразных и жидких смесей. Твердые вещества могут быть проанализированы после перевода их в жидкое (растворенное) или газообразное состояние. Качественный и количественный анализ проводится по характеристикам удерживания.
Качественный состав вещества может быть установлен с помощью хроматографической методики по характеристикам полученной хроматограммы или по результатам анализа компонентов смеси после прохождения хроматографической колонки подходящим химическим или физико-химическим методом. Собственно хроматографический качественный анализ основан на использовании характеристик удерживания — времени удерживания или пропорционального ему удерживаемого объема и индексов удерживания.
Идентификация исследуемых веществ проводится сравнением полученных и табличных данных. Условия опыта, естественно, не должны отличаться от тех, в которых были получены табличные данные. Идентификация вещества по его хроматограмме может быть выполнена также методом тестеров, когда сравнивают объем или время удерживания компонента анализируемой смеси и эталона, найденные в одних и тех же условиях опыта. Иногда эталонное вещество, наличие которого предполагается в анализируемой смеси, специально вводят в пробу и сравнивают высоту и площадь пиков на хроматограммах, полученных до и после введения эталона. Увеличение высоты или площади пика рассматривается как указание на присутствие предполагаемого компонента в пробе. Однако этот метод не вполне надежен, так как удерживаемые объемы довольно многих веществ близки между собой. Трудности идентификации преодолеваются, например, хроматографированием пробы на колонках с разными сорбентами. Получение одинаковых результатов при использовании разных сорбентов увеличивает надежность анализа. В настоящее время разработаны и успешно применяются также различные многоступенчатые схемы. В таких схемах после разделения смеси, на первой колонке полученные фракции подаются на колонки второй ступени, где достигается более тонкое разделение и более точная идентификация вещества, так как имеют дело с более простыми смесями, чем на первой колонке.
В газожидкостной хроматографии для качественного анализа часто используют индексы удерживания Ковача.
Идентификация вещества по индексу удерживания производится путем хроматографирования соединения с последующим хроматографированием в тех же условиях двух соседних алканов, выбранных в качестве стандарта. Результаты анализа по индексу удерживания оказываются более надежными, чем по удерживаемому объему, так как индекс удерживания является более индивидуальной характеристикой вещества. Индексы удерживания многих веществ при определенных температурах имеются в соответствующих справочных таблицах, что облегчает проведение качественного анализа.
Накопленный экспериментальный материал позволил обнаружить некоторые закономерности и установить определенные зависимости между хроматографическими характеристиками и физико-химическими свойствами вещества. Оказалось, например, что индексы удерживания и удерживаемые объемы связаны простой зависимостью с числом атомов углерода у членов гомологического ряда, с температурами кипения гомологов и другими характеристиками и свойствами вещества. Эти зависимости существенно расширяют возможности хроматографии. Соответствующие графики, например, зависимости удерживаемого объема от температуры кипения почти линейны и их широко используют для идентификации компонентов смеси. Если принадлежность компонента к гомологическому ряду известна, то найденная по такому графику температура кипения или другое свойство достаточны для идентификации компонента. Установлено, что индексы удерживания соседних членов в любом гомологическом ряду различаются примерно на 100. Известны и другие закономерности в индексах удерживания.
Эффективным оказалось применение независимой аналитической идентификации продуктов хроматографического разделения и сочетание газовой хроматографии с другими методами исследования: ИК-спектроскопией и масс-спектрометрией, а также использование селективных и последовательно работающих детекторов. Методом масс-спектрометрии можно проводить непрерывный качественный анализ компонентов смеси и для анализа бывает достаточно самых небольших количеств вещества. Такой комбинированный метод получил название хроматомасс-спектрометрии. Возможно использование также методов ядерного магнитного резонанса, пламенной фотометрии, абсорбционной спектроскопии и других, включая химические методы.
Эффективность газохроматографического анализа определяется, в первую очередь, качеством хроматографической колонки, а также правильно выбранными условиями разделения. Наилучшие результаты при анализе сложных смесей достигаются при использовании капиллярных колонок.
На выходе колонки устанавливается детектор, то есть устройство, регистрирующее присутствие каждого компонента и его количество в потоке, выходящем из хроматографической колонки. Для анализа углеводородных смесей наиболее употребительным является пламенно-ионизационный детектор (ПИД). В этом детекторе выходящий из колонки газ смешивается с водородом и сжигается в атмосфере воздуха. При этом образуется ионный ток, регистрируемый специальными измерителями. Сигнал от измерителя через аналого-цифровой преобразователь поступает, на ПЭВМ. Хроматограф с пламенно-ионизационным детектором снабжается системой подачи водорода и воздуха.
Газовая хроматография - основной аналитический метод анализа бензинов и других светлых нефтепродуктов, а также различных составных растворителей, которые, являясь легковоспламеняющимися и горючими жидкостями, часто используются как инициаторы и ускорители горения при поджогах. Характерные особенности состава различных легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, выявляемые данным методом, настолько индивидуальны, что позволяют четко диагностировать исследуемый инициатор горения, даже без применения проб сравнения. Методом газовой хроматографии часто можно идентифицировать остатки ЛВЖ, видоизмененные под воздействием горения.
В количественном хроматографическом анализе мерой концентрации вещества служит высота или площадь хроматографического пика. Для получения правильных результатов необходимы:
полнота и воспроизводимость процесса испарения пробы;
полнота отделения определяемого вещества и правильность идентификации его пика.
В области линейности отклика детектора, как высота, так и площадь пика прямо пропорциональны массе (при использовании детекторов - катарометров — концентрации) определяемого вещества.
При достаточной стабильности условий хроматографирования и детектирования определяющим параметром пика можно считать его высоту. Расчет по площади пика позволяет несколько снизить требования к стабильности условий хроматографирования по сравнению с расчетом по высоте пика, однако само измерение площади вызывает появление новых источников ошибок. В случае узких пиков некоторые преимущества имеет измерение произведения удерживаемого объема на высоту пика. При неполном разделении пиков ошибки возрастают из-за наложения и искажения контуров пика. При работе с такими хроматограммами используют специальные приемы, опирающиеся, главным образом, на измерение высоты пиков.
Основными в количественной хроматографии являются методы: простой нормировки, нормировки с калибровочными коэффициентами, внутренней стандартизации и абсолютной калибровки.
При использовании метода простой нормировки принимают сумму каких-либо параметров пиков, например сумму высот всех пиков или сумму их площадей, за 100%. Тогда отношение высоты отдельного пика к сумме высот или отношение площади одного пика к сумме площадей, умноженное на 100, будет характеризовать массовую долю (%) компонента в смеси. Вполне понятно, что такой метод предполагает существование одинаковой зависимости величины измеряемого параметра от концентрации для всех компонентов смеси.
В методе нормировки с калибровочными (градуировочными) коэффициентами за 100% принимается сумма параметров пиков с учетом чувствительности детектора. Различие в чувствительности детектора учитывается с помощью поправочных коэффициентов для каждого компонента. Один из преобладающих компонентов смеси считают сравнительным и поправочный коэффициент для него принимают равным единице. Калибровочные (градуировочные) коэффициенты К рассчитывают по формуле:
Где Пст — параметр пика (высота, площадь и т. д.) стандартного вещества; Пi — параметр пика определяемого компонента; с — концентрация.
За 100% принимается сумма исправленных параметров Кi, Пi и результат анализа рассчитывается так же, как и в методе простой нормировки.
Наиболее точным является метод абсолютной калибровки. В этом методе экспериментально определяют зависимость высоты или площади пика от концентрации вещества и строят градуировочные графики. Далее определяют те же характеристики пиков в анализируемой смеси и по градуировочному графику находят концентрацию анализируемого вещества. Этот простой и точный метод является основным методом определения микропримесей. Кроме того, метод не требует разделения всех компонентов смеси, а ограничивается лишь теми, определение которых необходимо в данном конкретном случае.
Температура оказывает существенное влияние на хроматографический процесс. С повышением температуры величина удерживаемого объема уменьшается, что приводит к сокращению длительности анализа и может вызвать изменение порядка выхода компонентов из колонки. При понижении температуры длительность анализа увеличивается, но при этом улучшается степень разделения. Низкие температуры используются, например, в процессах разделения изотопов водорода. Хроматографирование таких систем производится при температурах жидкого азота (-196 °С).
При выборе оптимальной температуры хроматографирования приходится учитывать, таким образом, несколько факторов, нередко действующих в противоположных направлениях. Выбранная оптимальная температура является важной особенностью хроматографической методики и для поддержания температурного режима хроматографическую колонку помещают в термостат.
При хроматографическом исследовании анализируемой в ходе выполнения курсовой работы смеси применяется следующее оборудование и материалы:
газовый хроматограф Кристалл 5000.1 с программным обеспечением Хроматэк аналитик 2,5/1,5, с детектором ПИД или аналогичный ему;
колонка газохроматографическая капиллярная длиной 25 м, внутренним диаметром 0,2 мм с неподвижной фазой OV-101, установленная в газовый хроматограф;
шприц газохроматографический 1 мкл;
гексан марки «ХЧ» для промывки шприца;
образцы для калибровки (стандартные образцы).
В качестве образцов для калибровки используются образцы химически чистых органических соединений содержащихся в пробе для анализа. С помощью хроматографического микрошприца «Hamilton» они в количестве от 0,5 до 1 мкл вводятся через испаритель в колонку газового хроматографа. Калибровка проводится в соответствии с руководством пользователя к программному обеспечению хроматографа Хроматек Аналитик 2,5/1,5.
Хроматограммы снимаются в следующих условиях:
газ носитель – азот;
скорость потока газа-носителя 1,5 мл/мин;
сброс потока газа-носителя 1:22,7;
режим линейного программирования температуры термостата от 40 до 160 оС со скоростью подъема 4 градуса в минуту;
температура испарителя 300 оС;
детектор ионизационно-пламенный (ПИД);
температура детектора 300 оС;
скорость потока водорода на детектор 35 мл/мин;
скорость потока воздуха на детектор 300 мл/мин;
объем пробы 1 мкл.
Аналогичным образом проводят анализ смеси неизвестного состава.
По хроматограммам стандартных образцов с помощью программного обеспечения хроматографа строятся градуировочные графики. Количественное содержание компонентов в смеси-задании устанавливается автоматически с помощью программного обеспечения газового хроматографа по имеющимся градуировочным характеристикам.
Результаты анализа записываются в форме таблицы 2, на основе полученных результатов предположительный вывод о составе смеси.
Таблица 2 Форма представления результатов хроматографического анализа
Компонент смеси |
Время удерживания компонента, с |
Площадь пика, у.е. |
Содержание компонента, об % |
|
|
|
|
Все определяемые параметры указываются с учетом погрешностей