Качественный хроматографический анализ смеси

Краткие теоретические сведения. Газожидкостная хроматография основана на пропускании пробы в потоке газа-носителя (ПФ) через колонку, содержащую неподвижную жидкую фазу (НЖФ), нанесенную на поверхность твердого инертного сорбента (насадочные колонки) или на внутреннюю поверхность капиллярной колонки. Компоненты пробы двигаются медленнее, чем газ-носитель, поскольку растворяются в НЖФ, но затем вновь извлекаются в ПФ. Если коэффициенты распределения компонентов анализируемой пробы (смеси) между ПФ и НЖФ неодинаковы, то компоненты двигаются через колонку с различной скоростью, разделяются и выходят из колонки поочередно. Таким образом, ГЖХ по механизму разделения компонентов пробы является распределительной хроматографией.

В схему газового хроматографа входят баллон с газом-носителем (обычно азот или гелий), блок подготовки газа-носителя, испаритель, термостат с колонкой (или несколькими колонками), детектор и регистрирующая аппаратура. Пробу в поток газа-носителя вводят в жидком виде с помощью шприца, все компоненты после ввода испаряются. Температура испарителя должна быть выше температуры кипения самого тяжелого компонента пробы, а температура колонки намного ниже температуры кипения или разложения НЖФ. Во время разделения компонентов пробы температура колонки может быть постоянной (изотермический режим) или постепенно повышаться (режим программирования). Поскольку в данной работе число компонентов исследуемой смеси невелико, а компоненты довольно близки по температуре кипения и другим свойствам, то они могут быть разделены в изотермическом режиме, программирование температуры не требуется.

Хроматограммы регистрируют с использованием разных детекторов, чаще используют детектор по теплопроводности (катарометр) или пламенно-ионизационный детектор (ДИП). Оба детектора регистрируют все компоненты пробы, но катарометр менее чувствителен, причем его чувствительность к разным органическим веществам неодинакова.

Непосредственно по хроматограмме для каждого пика можно определить (рис. 15) времена удерживания (абсолютное, исправленное, относительное и исправленное относительное). Можно также рассчитать удерживаемые объемы (абсолютные и относительные) и индексы Ковача. Все характеристики удерживания данного компонента пробы теоретически не должны зависеть от объема пробы, концентрации компонента в пробе, а также от природы и концентрации других компонентов пробы. Для данного режима разделения (природа ПФ и НЖФ, температура колонки, скорость движения газа-носителя и др.) характеристики удерживания должны определяться только природой компонента (температурой кипения, молекулярной массой, наличием определенных функциональных групп в молекуле и др.). Характеристики удерживания могут различаться даже у ближайших изомеров. Именно поэтому характеристики удерживания могут быть использованы для идентификации. Более воспроизводимыми являются индексы Ковача и другие относительные и исправленные характеристики.

Вывод об идентификации компонента делается, если некоторый пик на хроматограмме пробы совпадает по своим характеристикам удерживания с пиком соответствующего чистого вещества (или хотя бы с табличными данными). При этом все условия разделения должны быть воспроизведены совершенно точно. Следует помнить, что совпадающие времена удерживания могут иметь совершенно разные вещества. Поэтому идентификация компонента в пробе неизвестного состава только по характеристикам удерживания малонадежна. Для повышения надежности следует проверять совпадение характеристик удерживания в нескольких разных режимах разделения (разные НЖФ, разные температуры колонки и др.). В хроматографическом анализе существуют и другие способы идентификации, не связанные с определением характеристик удерживания.

Аппаратура. Хроматограф ЛХМ 8МД. Насадочная колонка со скваланом (или ПЭГ) на твердом носителе – хроматоне N. Длина колонки –200 сантиметров, диаметр – 0,3см. Газ-носитель – гелий или азот. Скорость подачи – 1,5–2 л/час. Скорость ленты самописца – 720 мм/час. Температура колонки – 90⁰, температура испарителя – 200⁰. Детектор – катарометр.

Указания. Самостоятельно включать хроматограф и выводить его на заданный режим студентам II курса не разрешается. До начала работы обязателен инструктаж лаборанта. Первый ввод пробы в хроматограф также производится совместно с лаборантом. Чувствительность детектора и объемы проб подбирают так, чтобы пик занимал около половины высоты диаграммной ленты самописца.

Количественный анализ в методе газожидкостной
хроматографии

Краткие теоретические сведения.Аналитическим сигналом в хроматографическом анализе не является непосредственно измеряемая детектором физическая величина (отклик детектора), сигналом служит площадь пика на хроматограмме. Эта площадь измеряется электронным интегратором или приближенно оценивается как произведение высоты пика на его ширину на половине высоты (полуширину). Если пики имеют практически одинаковую полуширину, то в качестве сигнала можно использовать высоту пика. Иногда используют другие характеристики хроматограммы, например, произведение высоты пика на время удерживания и т.п. При хорошем разрешении пиков, низких концентрациях компонента, строго постоянных условиях разделения и постоянном объеме вводимой пробы связь между площадью пика, массой определяемого вещества во введенной в хроматограф пробе и концентрацией этого вещества описывается простой формулой:

S = k m = KC.

Такая зависимость позволяет проводить расчет концентрации общеизвестными методами: методом сравнения с одним эталоном, методом добавок и методом градуировочного графика. Первый вариант хроматографисты называют методом абсолютной калибровки. Поскольку повторно ввести с помощью шприца совершенно одинаковый объем пробы затруднительно, то метод абсолютной калибровки и родственные ему «абсолютные» методы в ГЖХ применяют редко, они не обеспечивают достаточной точности.

Лучшие результаты получают при использовании в качестве сигнала площади пика определяемого вещества Х, отнесенной к площади другого пика на той же хроматограмме, а именно пика вещества, которое содержится в одинаковой концентрации во всех пробах и эталонных растворах. Обычно этот «внутренний стандарт» – специально добавляемое вещество Y, изначально отсутствовавшее в пробе. Пользуясь таким приемом, определяют нормированные сигналы разных компонентов пробы (относительные площади пиков), а далее рассчитывают по ним концентрации путем сравнения с эталоном или по методу добавок. Погрешность при измерении объема пробы одинаково повлияет на площади пиков X и Y, но не отразится на относительной площади. Этот способ расчета весьма точен.

Однако очень часто в распоряжении аналитика нет вещества Х или стандартного образца с точно известной концентрацией Х. В хроматографии (в отличие от других аналитических методов) расчет результата анализа возможен и в этом случае, причем по единственной хроматограмме, без повторного ввода пробы или эталонов. Такой расчет проводят по методу внутренней нормировки. Используется формула:

,

в которой С_i,% – массовая доля i-го компонента пробы; S_i – площадь i-го пика на данной хроматограмме; k_i – коэффициент чувствительности используемого детектора к определяемому веществу (i-му компоненту пробы). Если детектор имеет практически одинаковые коэффициенты чувствительности ко всем предполагаемым компонентам пробы (например, ДИП), то формула существенно упрощается, содержание компонента рассчитывается просто как отношение площади его пика к сумме площадей всех пиков на данной хроматограмме.

Метод внутренней нормировки в ГЖХ используют весьма широко, однако он применим не во всех случаях. В частности, нельзя применять его, если:

· не все компоненты пробы испаряются при вводе в хроматограф, или испарение некоторых идет не полностью;

· некоторые компоненты пробы остаются в колонке или после выхода из нее не регистрируются данным детектором (в обоих случаях число пиков на хроматограмме становится меньше числа компонентов пробы);

· при испарении или разделении компонентов они вступают в химические реакции;

· нет полного разделения пиков на хроматограмме.

Недостатком метода при использовании детекторов с неодинаковой чувствительностью к разным компонентам пробы (например, при работе с катарометром) является необходимость предварительно сделать полный качественный анализ пробы, чтобы можно было найти в литературе или определить на опыте коэффициенты чувствительности компонентов. Надежная идентификация всех пиков на хроматограмме требует очень большого труда и времени, а в некоторых случаях некоторые пики так и не удается опознать. В подобных случаях для количественного анализа лучше использовать метод внутреннего стандарта.