Количественный анализ летучих ядов

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

1. ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………………3

2. ПАРАМЕТРЫ ПИКА КАК ХАРАКТЕРИСТИКА КОЛИЧЕСТВА ВЕЩЕСТВА……4

2.1. Параметр h……………………………………………………………………….6

2.2. Параметр h……………………………………………………………………….7

2.3. Параметр А………………………………………………………………………8

3. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОЩАДИ ПИКА…………………………………………..10

4. МЕТОДЫ КОЛИЧЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА………………………………………….12

4.1. Метод абсолютной  калибровки………………………………………………13

4. 2. Метод эталонной  добавки……………………………………………………14

4.3. Метод внутреннего эталона…………………………………………………..15

4.4. Метод нормировки…………………………………………………………….16

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………..17

6. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………………………...18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ВВЕДЕНИЕ

Газовая хроматография - универсальный метод разделения смесей разнообразных веществ, испаряющихся без разложения. При этом компоненты разделяемой смеси перемещаются по хроматографической колонке с потоком газа-носителя. По мере движения разделяемая смесь многократно распределяется между газом-носителем (подвижной фазой) и нелетучей неподвижной жидкой фазой, нанесенной на инертный материал (твердый носитель), которым заполнена колонка. Принцип разделения  - неодинаковое сродство веществ к летучей подвижной фазе и стационарной фазе в колонке. Компоненты смеси селективно задерживаются последней, поскольку растворимость их в этой фазе различна, и таким образом разделяются (компонентам с большей растворимостью требуется большее время для выхода из жидкой фазы, чем компонентам с меньшей растворимостью). Затем вещества выходят из колонки и регистрируются детектором. Сигнал детектора записывается в виде хроматограммы автоматическим потенциометром (самописцем) или же регистрируется компьютером.

Хроматография один из наиболее распространенных физикохимических методов исследования. Хроматографические методы широко используются в химии и биохимии, находят применение в химической, нефтехимической, металлургической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности. С повышением экологических требований к среде обитания, продуктам питания, лекарствам естественно находят свое отражение в исследовании охраны окружающей среды и медицине, а также в других областях науки и промышленности. Круг решаемых задач и практическое использование хроматографии непрерывно расширяется.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ПАРАМЕТРЫ ПИКА КАК ХАРАКТЕРИСТИКА КОЛИЧЕСТВА ВЕЩЕСТВА

В газовой хроматографии  хроматограмма представляет собой  графическое изображение зависимости  концентрации компонентов в газе-носителе на выходе из колонки от времени.

Хроматографический  пик, соответствующий индивидуальному  компоненту пробы, отражает изменение  во времени концентрации этого компонента в газе- носителе на выходе из колонки  и может быть охарактеризован  рядом параметров.

Параметром хроматографического пика называется величина, функционально связанная с количеством соответствующего данному пику вещества.

Эта величина может быть определена:

• путем измерений на полученной хроматограмме;
• путем непосредственной обработки выходного сигнала детектора.

На практике используют три основных параметра хроматографического пика:

1. высота пика h;
2. произведение высоты пика h на время удерживания t или пропорциональное ему расстояние на хроматограмме от момента ввода пробы до регистрации максимума пика l, т.е. h t или h l;
3. площадь пика А или величины, приближенно характеризующие ее значение.

Установлено, что  для хроматограммы, полученной в  идеальных условиях, применение любого из указанных параметров для количественных определений должно давать одинаковые результаты. Поскольку реальные хроматограммы  получаются в условиях более или  менее далеких от идеальных, то в  зависимости от конкретных условий  анализа и применяемого оборудования ценность того или иного параметра  пика может оказаться различной.

Основные критерии, которые определяют ценность параметра в конкретных условиях, можно сформулировать следующим образом:

• Простота и точность измерения величины параметра. Так, например, полная площадь пика в большинстве случаев является приемлемым параметром. Однако измерение площади на реальных хроматограммах обычно сопряжено с большими затратами труда и времени либо требует применения специального оборудования, стоимость которого соизмерима со стоимостью хроматографа. Поэтому такой параметр стараются заменить другим.
• Линейность связи значения параметра с количеством соответствующего ему вещества (линейность параметра). Связь значения параметра с количеством компонента в пробе должна быть максимально близка клинейной, по крайней мере, в пределах изменения концентрации определяемого вещества в смесях, для которых методика предназначена. Разумеется, можно работать и с нелинейным калибровочным графиком. Однако при этом следует установить, не окажутся ли затраты труда, связанные с систематической проверкой нелинейного графика по нескольким точкам настолько большими, что экономия времени на измерении параметра не будет иметь существенного значения.

Например, использование  в качестве параметра высоты пика часто приводит к необходимости  использовать нелинейный калибровочный  график, в то время как использование  параметра hb дает линейный график. Бывают случаи, когда вследствие асимметрии пика оба эти параметра дают нелинейную связь с количеством вещества. В таком случае используют тот параметр, который проще измерить.

• Устойчивость к изменению условий анализа.

Численное значение параметра пика определяется не только количеством вещества, которому этот пик соответствует, но и условиями  анализа, в которых он получен. Чем  меньше влияют условия анализа на параметры пика, тем он более устойчив. При этом особенно важны те условия  анализа, которые влияют одновременно и на работу хроматографической колонки  и на работу детектора.

Так, скорость потока газа-носителя в большинстве случаев  одновременно влияет и на работу колонки  и на работу детектора. Температура  колонки связана с температурой детектора, если последний размещается  в термостате колонок. Если же детектор размещен в отдельном термостате, то температура в термостате колонок  на него практически не влияет. Ток  моста детектора теплопроводности или расход вспомогательных газов  детектора ионизации в пламени - факторы, которые можно считать  независимыми от условий работы колонки.

Во всех этих случаях речь идет о сравнительно небольших отклонениях от подобранных  для конкретной методики и прибора  условий.

При рассмотрении вопросов устойчивости параметров следует иметь в виду возможность  использования для расчетов как  его абсолютных, так и относительных  значений. Относительные значения параметров получаются путем деления значения параметра каждого пика данной хроматограммы  на значение такого же параметра одного из пиков, значение которого принимается  равным единице. Относительные значения параметров пиков более устойчивы, чем абсолютные, однако их получение  требует больших затрат времени.

 

2.1. Параметр h

Если проанализировать влияние возможных отклонений температуры  колонки и скорости потока газа-носителя от средних значений, соизмеримых  по длительности с продолжительностью регистрации пика на устойчивость и  линейность параметра h, то получим следующее:

• флуктуация температуры колонки изменяет распределение концентраций в газе-носителе, выходящем из колонки (концентрационный профиль),

который существенно  зависит от температуры в момент десорбции компонента со слоя насадки  в конце колонки. При этом может  изменяться как абсолютное, так и  относительное значение h при работе с любым детектором;

• флуктуации скорости потока газа-носителя, очевидно, не скажутся на абсолютных и относительных значениях h при работе с концентрационным детектором. При использовании потокового детектора будут меняться как абсолютные, так и относительные значения h;
• параметр h весьма чувствителен к перегрузке колонки.

Линейная связь  между количеством введенной  пробы и параметром h нарушается, если вводимые количества пробы существенно больше допустимых.

Таким образом, при  использовании в качестве параметра  пика абсолютного значения h необходимо строго стабилизировать условия анализа.

Высота пика h является наиболее легко измеряемым параметром, и по этой причине случайные ошибки, связанные с измерениями на хроматограмме, как правило, минимальны.

Параметр h рекомендуется применять в следующих случаях:

• при работе с хроматографом, обеспечивающим хорошую стабильность условий анализа и высокую точность задания температуры и скорости потока газа-носителя (желательно использовать детектор по теплопроводности);
• при анализе сходных по составу проб и при работе на непрерывно включенных приборах, например, автоматических хроматографах, установленных в потоке или в производственных лабораториях при круглосуточной работе. В этом случае линейность параметра достаточно велика, поскольку пределы изменения содержания компонентов незначительны;
• при выполнении быстрых анализов, когда имеется возможность повторить измерения, вызывающие сомнения;
• если есть возможность точно дозировать пробу;
• если легко выполнить и проверить калибровку прибора;
• при расчете хроматограмм, содержащих плохо разделенные пики, приближенной оценки результатов.

Параметр h не рекомендуется применять в случаях:

• если калибровка прибора затруднена;
• при использовании потокового детектора, если скорость потока газа- носителя задается и поддерживается недостаточно точно.

2.2. Параметр hl

Влияние изменения  условий процесса хроматографического  разделения на параметр hl сказываются следующим образом:

• флуктуации температуры при работе с обоими видами детекторов приводят к изменениям абсолютных и относительных значений параметра hl по тем же причинам, что и в случае параметра h;
• флуктуации скорости потока газа-носителя влияют на абсолютные и относительные значения параметра hl почти так же, как и на параметр h: не искажают их при использовании концентрационного детектора и могут искажать при работе с потоковым детектором. Флуктуации скорости потока газа-носителя влияет на абсолютное значение величины l, поскольку эта величина зависит от скорости потока газаносителя в момент десорбции компонента из колонки. Однако это влияние очень мало, поскольку связано с изменением l за счет изменения ширины пика у основания b. Поскольку чаще всего l >> b, этим влиянием можно пренебречь. Линейность параметра hl имеет те же ограничения, что и линейность параметра h.

При использовании  параметра hl, как и при любых количественных измерениях, требуется калибровка детектора по индивидуальным соединениям. Следует отметить, что по различным причинам эти калибровочные коэффициенты отличаются от коэффициентов, полученных при использовании площадей пиков.

Очень важно, что  калибровочные коэффициенты, определенные по hl, сохраняют свое значение в довольно широком диапазоне колебания условий анализа.

Измерения, необходимые для вычисления параметра hl, легко выполнимы и хорошо воспроизводятся.

Параметр hl рекомендуется использовать в следующих случаях:

• для расчета хроматограмм, в которых высота пика не искажена соседними пиками, в том числе хроматограмм с неполностью разделенными пиками;
• при использовании детектора по теплопроводности или другого концентрационного детектора;
• для более точного, чем по параметру h, расчета малых по высоте пиков;
• для расчета узких пиков, например, в капиллярной хроматографии;
• для повторяющихся анализов, выполняемых нерегулярно.

Параметр hl не рекомендуется использовать в случаях:

• если есть основания предполагать нелинейность изменения высоты пика вследствие перегрузки колонки или детектора в сочетании с потоковыми детекторами;
• при анализе с программированием температуры;
• при определении веществ с очень малыми или очень большими временами удерживания;
• при анализе смесей, дающих на хроматограмме пики, сильно различающиеся по высоте.

Расчеты без применения калибровочных коэффициентов  при использовании этого параметра  могут давать очень большие ошибки. Использование калибровочных коэффициентов, взятых из литературы для количественных расчетов, также приводит к ошибкам.

2.3. Параметр А

Влияние изменения  условий хроматографических разделений на параметр А (площадь пика) сводятся к следующему:

• флуктуации температуры не искажают площадь пика при работе с детекторами обоих типов;
• флуктуации скорости потока газа-носителя при использовании концентрационных детекторов могут искажать как абсолютные, так и относительные значения параметра А;
• перегрузка колонки пробой, если она не ухудшает разделения до недопустимых пределов, практически не влияет на площадь пика.

Площадь пика для детекторов, используемых в количественной хроматографии, является универсальным параметром, применимым во всех случаях, когда отсутствуют  необратимые процессы в колонке  и когда детектор работает в области  нормальных рабочих условий.

Применение потоковых  детекторов при использовании параметра А предпочтительнее.

Имеются сведения о количественной характеристике устойчивости различных параметров пика. Так, изменение  относительной высоты пика составляет 0.3-0.9 % при изменении температуры  на 1 К. Точность 2 % при анализе методом  абсолютной калибровки по высотам пиков может быть достигнута при стабилизации температуры с точностью до 0.1 К и скорости газа-носителя до 1 мл/мин. Трудно получить результаты с относительной погрешностью менее 2.8- 3.2 % при концентрации компонента в пробе 1-2 %, если в качестве параметра пика используется его высота.

Если, например, измерять не площадь пика, а высоту пика, то допустимая погрешность изменения  температуры оказывается в 2 раза меньшей.

Большой вклад в  погрешность вносит давление на выходе из колонки. Поскольку эта величина определяется изменением атмосферного давления, ее колебания могут быть достаточно велики (до 3 %). Между тем, в практической хроматографии это  часто не учитывается. В результате возникают существенные погрешности  при использовании для расчетов абсолютных значений параметров. По этой причине детектор ионизации в  пламени считается более пригодным  для количественных измерений, чем  детектор по теплопроводности.

Для получения  погрешности менее 1 % при определении  времени удерживания требуются  не столь жесткие условия по стабильности аппаратуры: давление на входе в  колонку можно поддерживать с  точностью 0.4 %, температуру с точностью 0.5 К и выполнять измерения  величины площади с точностью 0.5 %.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОЩАДИ ПИКА

Методы измерения полной площади пика можно подразделить на автоматические и выполняемые вручную.

Для измерения полной площади  пика вручную чаще всего используют два способа: планиметрирование и взвешивание вырезанных по контуру хроматограммы пиков.

Планиметрирование пиков обычными планиметрами с достаточной точностью удается осуществить лишь в случае широких и больших по площади пиков. Поскольку такие пики встречаются сравнительно редко, этот метод не нашел применения в количественной хроматографии.

Вырезание и последующее взвешивание пиков является довольно удобным и сравнительно точным методом определения полной площади пика и рекомендуется для особо трудных измерений, в частности, для сильно асимметричных и перекрывающихся пиков. Недостатком этого метода является то, что он требует сравнительно больших затрат труда и разрушает хроматограмму. Для устранения последнего недостатка и одновременно повышения точности измерений предложено вырезать и взвешивать копию пика на металлической фольге. Плотность последней значительно больше плотности бумаги, вследствие чего уменьшаются ошибки взвешивания. Кроме того, фольга более однородна по плотности.

Трудность измерения полной площади пика при отсутствии специальных  приборов привела к разработке ряда приближенных способов измерения этой величины.

Рассмотрим следующие  приближенные методы вычисления площадей пиков:

• Произведение высоты пика на ширину пика на половине высоты (hb). Этот метод приближенного вычисления площади получил настолько широкое распространение в практике, что часто площадь пика отождествляется с произведением hb.
• Произведение высоты пика на среднее значение ширины пика, измеренной на нескольких уровнях. Частным случаем этого способа является метод Кэндала-Боша: вычисление произведения высоты пика на полусумму значений ширины пика, измеренных на уровнях 0.15 h и 0.85 h.
• Разбивка на простые фигуры (трапеции, прямоугольники, треугольники).
• Измерение площади треугольника, образованного пересечением касательных в точках перегиба кривой. Иногда этот метод называют методом описанного треугольника.
• По первой производной профиля хроматографического пика.

Для симметричных пиков все методы практически  равноценны. Для асимметричных пиков  метод hb дает неправильные результаты по сравнению с двумя последними методами. При измерении площади пика методом описанного треугольника получается более близкое к истинному абсолютное значение площади пика. Однако отношение площадей различных пиков, измеренное этим методом, такое же, как и в методе измерения hb. Между тем выполнение дополнительных построений здесь более трудоемко, поскольку требуется находить точки перегиба кривой.

Из  автоматизированных программных продуктов  регистрации и обработки хроматограмм следует отметить Юнихром, Мустанг  и разработанную на кафедре аналитической  химии Белорусского государственного университета автоматизированную систему  спектрального анализа (АССА).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. МЕТОДЫ КОЛИЧЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА

В основу количественных методов газовой хроматографии  положены два допущения:

• введенная в хроматограф проба имеет тот же состав, что и анализируемый раствор, т.е. концентрация любого компонента в пробе и анализируемом растворе одинакова и равна

(1)

где - количество определяемого компонента в анализируемом растворе; - количество определяемого компонента в анализируемой пробе; - количество анализируемого раствора; - размер пробы;

• количество i-того компонента в пробе пропорционально параметру пика , этого компонента на хроматограмме:

(2)

 

Из этих двух допущений прямо  следует основное уравнение количественной газовой хроматографии, связывающее  концентрацию вещества I в анализируемом растворе , с величиной параметра его пика на хроматограмме

(3)

Величина называется абсолютным калибровочным коэффициентом. Физически эта величина означает количество компонента i, соответствующее единице параметра пика .

В общем случае величина непостоянная, зависящая от условий хроматографирования и детектирования, а также от абсолютного количества вещества i, поступающего в детектор.

Если детектор работает линейно, не зависит от и при соблюдении постоянных условий хроматографирования и детектирования может считаться постоянной величиной для данного вещества.

Абсолютный калибровочный коэффициент  обратно пропорционален чувствительности детектора, но в отличие от нее  учитывает также конкретные особенности  методики. Он имеет размерность, которая  определяется используемыми единицами  измерения параметра пика и количества вещества.

Задачей количественного анализа  является определение концентрации анализируемого вещества в пробе. Непосредственно  хроматографирование анализируемого раствора позволяет определить лишь значение параметра пика . Величину (либо связанную с ней величину) всегда определяют дополнительными опытами с участием известного количества вещества i.

Методы количественного анализа  различаются приемами, используемыми  для нахождения количества вещества, введенного в хроматограф (размер пробы), или исключения этой величины.

Наибольшее применение из методов количественного анализа в практике нашли: метод абсолютной калибровки, метод эталонной добавки, метод внутреннего эталона, а также метод нормировки.

 

4.1. Метод абсолютной калибровки

При работе по методу абсолютной калибровки в хроматографическую колонку вводят известные количества вещества и  рассчитывают площадь получаемых хроматографических пиков.

Рис. 1. График зависимости величины площади пика

от количества анализируемого вещества

По полученным данным строят график зависимости величины площади пика от соответствующего количества вещества (рис. 1).

Недостатками метода являются:

• трудоемкость;
• обязательное наличие большого числа чистых исследуемых соединений;
• отсутствие учета влияния других компонентов, присутствующих в пробе, на параметры пика исследуемого соединения.

 

4. 2. Метод эталонной добавки

Метод эталонной добавки, позволяющий  учесть влияние матрицы, заключается  в том, что к анализируемой  смеси несколько раз добавляют  различные известные количества того компонента (в чистом виде), содержание которого следует определить. По полученным данным строится график зависимости  площади пика от величины добавки. Содержание компонента в исходной анализируемой  смеси соответствует величине площади, определяемой экстраполяцией на нулевую добавку (рис. 2).

Рис. 2. График зависимости площади пика от величины

добавки исследуемого соединения

 

Второй вариант этого  метода - расчетный. Для получения  результата измерения этим методом  необходимо записать хроматограммы  двух проб: исходной и исходной с  добавкой известного количества определяемого  компонента.

Будем исходить из того, что количество анализируемой смеси в пробе  при первом и втором хроматографировании  можно измерить или сделать одинаковым. Тогда для первой хроматограммы  согласно уравнениям (1) и (2) получим:

     

Для второй хроматограммы соответственно:

 

 

Где - количество определяемого вещества, добавленного к пробе.

Величины без штриха относятся к исходной пробе, со штрихом - к пробе с добавкой.

Разделив уравнение (4) на уравнение (5) и решив полученное уравнение относительно , получим:

        (6)

Обязательным условием для использования  метода эталонной добавки является линейное изменение показаний детектора  при изменении концентрации компонента в пробе за счет внесения добавки.

Пользуясь данными для  определения , можно определить количество добавленного к пробе вещества а. Тогда, с помощью уравнения (2), можно рассчитать значение абсолютного калибровочного коэффициента i-того компонента по двум хроматограммам:

(7)

Размер пробы в уравнении (6) можно определить, если на хроматограммах регистрируется хорошо отделенный пик вещества s.

Согласно уравнению (3) для  первой хроматограммы можно записать:

                          (8)

После подстановки уравнений (7) и (8) в уравнение (6) получаем соотношение:

                                          (9)

В данном случае для измерения количества смеси  в пробе использовано то обстоятельство, что количество вещества s в анализируемом растворе осталось неизменным до и после введения добавки.

4.3. Метод внутреннего эталона

Метод внутреннего эталона  основан на том, что к анализируемой  смеси добавляют определенное количество вещества, которое не входит в состав анализируемой смеси, вымывается из колонки приблизительно в середине процесса разделения и пик которого не перекрывается ни одним из пиков  разделяемых компонентов. Определяется величина отношения площадей пиков  компонента и введенного эталона  и, используя предварительно полученную зависимость отношения площадей пиков от отношения весовых количеств  этих компонентов в модельной смеси, определяется содержание анализируемого компонента. В практике этот метод известен как метод метки.

Расчетный вариант метода заключается  в следующем. Обозначив количество раствора, в который введена добавка  постороннего вещества s, дающего на хроматограмме хорошо отделенный пик с параметром , через и количество добавленного вещества через , из уравнений (1) и (3) получим:

               (10)

                                 (11)

Подставляя в уравнение (3) величину с учетом уравнений (10) и (11), получим расчетное выражение для метода внутреннего стандарта:

                    (12)

                      (13)

Величина  в принципе, должна оставаться неизменной даже при изменении условий хроматографирования и детектирования, если, конечно, эти изменения не вызвали нарушения линейности работы детектора и в качестве параметра пика было использовано истинное значение площади.

4.4. Метод нормировки

В методе нормировки сумма площадей всех хроматографических пиков анализируемой  смеси приравнивается 100 % и по величинам  площадей отдельных компонентов  определяют их процентное содержание в анализируемой смеси.

Таким образом, этот метод позволяет  установить лишь относительное содержание компонентов в разделяемой смеси.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, методы измерения параметров пиков можно разбить на две группы: ручные методы и автоматические. Ручные методы используются после того, как получена обычная запись результата разделения — хроматограмма. Ручные методы отличаются простотой. При обработке хроматограммы вручную основную роль играет оператор. При этом используется обычный чертежный инструмент. Кроме того, применяют измерительную лупу и иногда планиметр.