Количественный анализ летучих ядов

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.