Газовые хроматографы. Конспект лекций

Ту – время удерживания; Тн – время удерживания несорбируемого компонента; L – длина колонки;

ωэ – скорость элюента

K– коэффициент распределения

Vн – отношение объемов неподвижной и подвижной фазы

Vп

в колонке.

Время удерживания и приведенное время удерживания зависят от скорости элюента. Отношение приведенного времени удерживания

квремени удерживания несорбируемого компонента

Ту K Vн

Тн Vп

не зависит от скорости элюента. Оно определяется только значением коэффициента распределения и является величиной, характерной для данной колонки: компонента, сорбента и температуры сорбции.

При использовании одного сорбента для каждой пары веществ отношение приведенных (чистых) времен удерживания зависит только от температуры. Отношение приведенных времен удерживания двух компонентов

Ту2 K2 ,

Ту1 K1

где K1 и K2 – коэффициенты распределения компонентов.

Для сравнительных исследований и анализа хроматограмм удобно использовать относительное удерживание.

Относительное удерживание Yi – это отношение приведенного времени удерживания вещества Т'Уi к приведенному времени удерживания вещества сравнения (стандарта) Т'уС

и стандарта.

41

Значения относительного удерживания для различных групп веществ приводятся в таблицах и являются основанием для идентификации пиков хроматограммы.

При проведении идентификации необходимо определить время удерживания несорбируемого компонента.

В ряде случаев этот параметр может быть определен экспериментально – непосредственно из хроматограммы. В ней должно присутствовать малосорбирумое вещество, время удерживания которого близко ко времени удерживания несорбируемого компонента. В газовой хроматографии таким веществом может быть метан.

На практике удобно оценивать эту величину расчетными методами.

Используются также способы идентификации, основанные: на логарифмической зависимости между временем удерживания и безразмерным параметром, представляющим собой отношение температуры кипения вещества и температуры разделения в колонке; на линейной логарифмической зависимости времени удерживания вещества от числа атомов углерода в молекуле для веществ одного гомологического ряда и др.

4.3. Количественный анализ хроматограмм

При количественном анализе хроматограмм определяются концентрации компонентов в смеси. Он основан на том, что площадь или высота пика на хроматограмме пропорциональна количеству или концентрации компонента в смеси.

Для определения площади пиков используются различные методы.

1. Измерение площади треугольника, образованного нулевой линией и касательными в точках перегиба (рис. 18а)

A = 0,5hTb0.

Погрешность метода 4 %.

2. Умножение высоты пика h на его ширину на половине высоты

b0,5 (рис. 18б)

A = hb0,5.

Погрешность метода 2,5 %.

42

3. Умножение высоты пика на половину суммы ширины пика на высотах, составляющих 15 и 85 % высоты пика (рис. 18в)

A h b0,15 b0,85 .

2

Такой способ считается более точным для определения площади несимметричных пиков. Погрешность метода 2 %.

Рис. 18. Определение площади пика

4. Вырезание и взвешивание пиков.

При этом методе необходимо использовать для вырезания пиков бумагу или металлическую фольгу с равномерной плотностью по площади. Погрешность метода 1,7 %. Такой метод считается наиболее точным среди всех других ручных метолов.

5.Измерение площади планиметром. Погрешность 4 %.

6.Измерение площади электромеханическим интегратором. Погрешность 4 %.

7.Измерение площади электронным цифровым интегратором. Погрешность 3 %.

8.Измерение площади с использованием компьютерного

интегрирования. Этот метод является наиболее точным и реализуется в современных хроматографах. Погрешность определения площади в пределах 0,5 %.

За счет увеличения ширины (размывания) пики, соответствующие различным компонентам, могут сливаться и накладываться друг на друга. Из разделительной колонки могут выходить смеси компонентов (см. рис. 19).

43

Рис. 19. Критерии разделения пиков

Хроматографическое разделение смеси двух веществ происходит тем лучше, чем больше отличаются их времена удерживания и чем меньше ширина пика. Чем дальше отстоят друг от друга максимумы пиков, тем лучше разделение. Для характеристики разделения пиков используют такую характеристику как фактор разделения, который представляет собой отношение приведенных времен удерживания

TУ1 .

TУ 2

Наиболее часто степень разделения характеризуется критерием разделения R, представляющим собой отношение расстояния между максимумами пиков к сумме ширины пиков на половине высоты

(рис. 19а),

где L – расстояние между максимумами пиков;

b'0,5 и b"0,5 – ширина пиков на половине высоты.

Степень разделения одинаковых пиков при различных значениях R иллюстрируется на рис. 20.

Практически полное разделение происходит при R ≥ 1,0. Хорошее разделение соответствует значению R ≥ 0,75. При этом высота пиков не искажается. При R = 0,65 высота пиков от наложения искажается на 1 %. При R = 0,5 еще можно различить вершины пиков, но происходит значительное искажение высоты пиков. При R ≤ 0,42 уже невозможно получить два различных пика.

44

Другим используемым критерием для не полностью разделенных пиков является степень полноты разделения (см. рис. 19б)

ψ h2 hmin .

h2

Рис. 20. Разделение пиков при различных значениях критерия разделения:

а – R = 1,0; б – R = 0,75; в – R = 0,5;

Применяется также геометрический параметр, который в переводной технической литературе называется «разрешение» – отношение глубины впадины между пиками f к средней высоте пиков g (рис. 19в)

R gf .

При хорошем разделении ψ→1,0 и R'→1,0 Эти критерии более наглядны и могут использоваться и также, когда трудно определить ширину пиков из-за их наложения.

При наложении пиков применяют различные способы определения площади, которые вносятся в программы автоматической обработки результатов измерений (рис. 21).

В большинстве случаев границей пиков служит перпендикуляр, опущенный из точки минимума между двумя вершинами (рис. 21а). Такой метод разделения пиков всегда приводит к недооценке меньшего пика. Если глубина впадины между пиками составляет 20 % от высоты меньшего пика, погрешность определения площади меньшего пика равна 1 %.

Используется также метод пропорционального деления (рис. 21б). При этом разделение площадей производится исходя из следующих соотношений

45

Рис. 21. Определение площади пиков при их наложении

При наложении пика следового компонента (пик «наездник») на пик основного компонента (см. рис. 21.в) нулевая линия следового компонента определяется интерполяцией границы пика основного компонента.

Если пик достаточно широк и его высота не искажена, то из точки максимума можно опустить перпендикуляр, определить на половине высоты ширину половины пика и затем удвоить полученное значение (рис. 21г). При несимметричной, но известной форме пика для реконструкции всего пика используется та его часть, которая не искажена влиянием соседнего компонента.

5. МЕТОДЫ ГРАДУИРОВАНИЯ ХРОМАТОГРАФОВ

Зависимость площади или высоты пика от концентрации компонента устанавливают при градуировании хроматографа. Точность хроматографического анализа в значительной степени определяется точностью проведения градуирования. Применяются следующие основные методы градуирования:

–метод абсолютного градуирования;

–метод нормализации;

46

–метод внутреннего стандарта (метод метки);

–метод добавки;

–метод внешнего стандарта;

–метод опорного стандарта.

Метод абсолютного градуирования основан на экспериментальном определении зависимости выходного сигнала Yi (площади Ai или высоты пика hi) от количества компонента в смеси Ci. Во многих случаях с достаточной для практических измерений точностью эту зависимость можно считать линейной.

Ci = kiYi,

где ki – градуировочный коэффициент;

Yi – выходной сигнал (площадь Ai или высота пика hi в соответствии с алгоритмом обработки хроматограммы). В большинстве случаев в качестве выходного сигнала используют площадь пика Ai.

Градуировочная зависимость может иметь вид полинома первой, второй или третьей степени

Ci = k0i + k1iAi,

Ci = k0i + k1iAi + k2i A2i,

Ci = k0i + k1iAi + k2i A2i+ k3i A3i,

где k0i, k1i, k2i, k3i – коэффициенты градуировочной зависимости. Хроматографы градуируют:

– по аттестованным градуировочным смесям;

– по смесям, приготовленным из исходных веществ с аттестованной степенью чистоты (или концентрацией исходного компонента) на аттестованных или прошедших государственные испытания смесительных установках;

– по аттестованным чистым веществам и наборам аттестованных дозаторов.

Требования к характеристикам погрешности градуировочной смеси устанавливают исходя из требуемой точности хроматографических измерений и нормируемых метрологических характеристик хроматографов. В тех случаях, когда расчетным путем установить требования к характеристикам погрешности градуировочной смеси невозможно, принимают условие

47

δс 13 δпр ,

где δс – характеристика относительной погрешности смеси; δпр – установленная предельная суммарная погрешность

хроматографического анализа.

В процессе градуирования на вход хроматографа подают несколько раз градуировочную смесь одной определенной концентрации или определенную дозу чистого вещества и измеряют выходной сигнал. Эту операцию проводят для всех значений концентраций градуировочных смесей (различных доз чистого вещества).

При обработке полученных результатов рассчитывают методом наименьших квадратов значение градуировочных коэффициентов и определяют дисперсию градуировочной зависимости. Оценивают относительную погрешность градуировки, которая складывается из дисперсии градуировочной зависимости и погрешности аттестации градуировочных смесей.

В тех случаях, когда градуирование проведено не по всем компонентам смеси можно воспользоваться относительными градуировочными коэффициентами, которые приводятся в документации для конкретного типа детектора и газа-носителя. В этом случае при использовании в качестве выходного сигнала площади пика концентрация i-го компонента Ci определяется по формуле

где ki kст – относительный градуировочный коэффициент i-го

компонента;

kст – градуировочный коэффициент вещества, принятого за стандарт;

Ai – площадь пика i-го компонента на хроматограмме.

Метод нормализации основан на том, что площадь всех пиков на хроматограмме принимается равной 100 %. При простой нормализации предполагается, что чувствительность детектора ко всем компонентам одинакова, что в некоторых случаях может быть допустимо при использовании детектора по теплопроводности.

48

Исходя из предположения, концентрация каждого i-го компонента может быть рассчитана по формуле

Сi AAi i 100 ,

где Ci– концентрация i-го компонента; Ai – площадь пика i-го компонента.

С учетом различия градуировочных коэффициентов компонентов (внутренняя нормализация)

Сi kikAi Ai i 100

где ki – градуировочный коэффициент или относительный градуировочный коэффициент i-го компонента.

При нелинейных градуировочных зависимостях компонентов смеси, подлежащих количественному определению, в общем случае

Сi k0i k1i Ai k2i Ai22 k3i Ai33 100.

(k 0i k1i Ai k2i Ai k3i Ai )

Для использования этого метода необходимо произвести полное разделение смеси, идентификацию каждого компонента и должны быть известны градуировочные коэффициенты (или относительные градуировочные коэффициенты) для каждого компонента.

Достоинством метода нормализации является то, что точная информация об объеме пробы не нужна и не требуется точное воспроизведение условий выполнения анализа.

Метод внутреннего стандарта (метод метки). При этом методе в анализируемую смесь вводят определенное количество стандартного вещества (вещества сравнения). В качестве стандартного выбирается вещество, которое отсутствует в анализируемой смеси и проявляется на хроматограмме в виде отдельного пика. Чувствительность детектора для стандартного вещества должна быть близкой к чувствительности для компонентов смеси, подлежащих количественному определению. Количество этого вещества выбирается таким образом, чтобы площадь его пика была соизмерима с площадью интересующих компонентов.

49

Содержание i-го компонента определяется по формуле

Сi Сст k1ст k1ст Aст k2ст Aст2 ,

где ki и kст – градуировочные коэффициенты i-го и стандартного вещества, которые зависят от чувствительности детектора;

Сст – концентрация стандартного вещества (отношение массы стандарта к массе анализируемой смеси);

Ai и Aст – площадь пика i-гои стандартного вещества.

Такой метод применим в тех случаях, когда известны относительные градуировочные коэффициенты ki kст , которые могут быть определены из табличных данных для определенного типа детектора. Если значения ki kст неизвестны, то при градуировании

проводят хроматографический анализ смесей стандартного вещества с каждым отдельным компонентом, а затем определяют относительные градуировочные коэффициенты.

Метод удобен тем, что на результат анализа мало влияют колебания параметров хроматографического процесса (например, расхода), так как при расчете используются относительные значения.

Метод добавки является разновидностью метода внутреннего стандарта. Он применяется, когда нет возможности использовать вещество, которое имеет отдельный пик на хроматограмме. В смесь вводят дополнительное количество компонента, уже имеющегося в смеси. Анализ проводят дважды: без добавки и с добавкой. На хроматограмме смеси с добавкой увеличивается соответствующий пик. По увеличению пика определяют градуировочный коэффициент, связывающий концентрацию этого компонента и площадь пика. Концентрация других компонентов определяется с использованием относительных градуировочных коэффициентов.

50