Методы количественного анализа в газовой хроматографии

В основе количественного газохроматографического анализа лежит пропорциональная зависимость между количеством анализируемого вещества в образце и выходным сигналом детектора, т. е., фактически, между концентрацией и геометрическими параметрами пика (высотой и площадью). Взаимосвязь между количеством вещества в образце и выходным сигналом детектора называется градуировочной характеристикой хроматографа.

Используют три основных метода: метод абсолютной градуировки, метод внутренней нормализации и метод внутреннего стандарта.

1. М е т о д а б с о л ю т н о й г р а д у и р о в к и

Метод абсолютной градуировки основан на прямой зависимости между высотой или площадью хроматографического пика и количеством вещества в смеси. Данный метод удобно использовать, когда необходимо определить концентрацию лишь какого-либо одного компонента смеси. Метод абсолютной градуировки является основополагающим при анализе микропримесей.

Процедура нахождения зависимости между геометрическими параметрами пика (высотой или площадью) и концентрацией компонента называется градуировкой (калибровкой) хроматографа. Целью градуировки хроматографа является получение градуировочной характеристики (ГрХ) прибора в условиях проведения анализа.

Для проведения градуировки хроматографа гравиметрически готовят ряд искусственных смесей (обычно 4-6 образцов), содержащих анализируемый i -й компонент в известных концентрациях (). Для каждой из полученных смесей в строго контролируемых условиях работы прибора записывают 2-3 хроматограммы и рассчитывают площади пиков () анализируемого i -ого компонента. Площади пиков для каждой смеси усредняют и в результате получают набор значений (1), (2) и т. д. соответствующих значениям (1), (2) и т. д. Если область рабочих концентраций не выходит за пределы линейного динамического диапазона детектора, градуировочная зависимость представляет собой прямую линию, выходящую из начала координат и описываемую уравнением

(43)

График обрабатывают методом наименьших квадратов, в результате чего получают значение абсолютного градуировочного коэффициента K_абс, показывающего число единиц концентрации, приходящихся на 1 мм ² площади пика. В большинстве случаев отрезок, отсекаемый по оси абсцисс b = 0. Однако в некоторых случаях требуется оценка значимости коэффициента b.

При анализе смеси с неизвестным содержанием i -ого компонента вводят образец в хроматограф и записывают хроматограмму, в тех же условиях, что и при построении градуировочного графика. Концентрацию анализируемого компонента определяют по уравнению (43) или графически.

При выполнении анализа методом абсолютной градуировки необходимо строго придерживаться следующих требований:

– анализируемая проба должна вводиться в прибор с высокой воспроизводимостью;

– в процессе калибровки и выполнения анализов необходимо строгое поддержание постоянства режима работы хроматографа (температур узла ввода пробы, термостата колонок и детекторов, скорости потока газа-носителя и вспомогательных газов, при использовании детектора по теплопроводности – тока моста).

При несоблюдении этих требований погрешность анализа может достигать значительных величин. Воспроизводимость и точность ввода пробы обеспечивается в достаточной мере при анализе газовых смесей с использованием крана-дозатора. Точный ввод жидких образцов микрошприцем требует определенного навыка оператора.

2. М е т о д в н у т р е н н е й н о р м а л и з а ц и и (н о р м и р о в к и)

Метод внутренней нормализации площадей пиков (нормировки) используют тогда, когда на хроматограмме зафиксированы пики всех компонентов, и они хорошо разделены. Метод широко используется при анализе многокомпонентных смесей, когда интересуют концентрации каждого из компонентов.

Сущность метода внутренней нормализации состоит в приравнивании (нормировании) суммы площадей всех пиков хроматограммы () к 100 % массовой концентрации. При делении площади пика анализируемого i- го компонента () на сумму площадей пиков получают массовую долю компонента в процентах ():

(44)

Очевидно, что данный метод будет давать адекватные результаты при равной чувствительности используемого в приборе детектора ко всем компонентам смеси. Это достигается при использовании пламенно-ионизационого детектора или катарометра для анализа смесей, компоненты которых имеют сходное химическое строение (например, углеводородные фракции).

Для получения точных результатов при анализе смесей веществ различного строения (например, спиртов, ароматических углеводородов и сложных эфиров) необходимо вводить относительные поправочные (градуировочные) коэффициенты ():

(45)

Поправочные (градуировочные) коэффициенты берут из литературных данных, получают расчетным путем на основе законов детектирования (например, по эффективному углеродному числу для пламенно-ионизационного детектора), либо, что наиболее надежно, получают путем градуировки хроматографа по искусственным смесям с известным содержанием компонентов.

Следует отметить, что во многих случаях, когда не требуется высокая точность анализа, или, когда проба состоит из веществ, сходных по строению, метод внутренней нормализации без определения поправочных коэффициентов детектора весьма удобен и экспрессен.

Результаты анализов этим методом имеют лучшую сходимость по сравнению с методом абсолютной градуировки. Важным условием является фиксация всех компонентов пробы на хроматограмме.

3. М е т о д в н у т р е н н е г о с т а н д а р т а

Метод внутреннего стандарта заключается в хроматографировании исследуемого образца с добавкой известного количества, не содержащегося в смеси специально подобранного вещества – «внутреннего стандарта» или «внутреннего эталона». На полученной хроматограмме определяют площади пиков определяемого компонента и внутреннего стандарта, для которых справедливо следующее соотношение:

(46)

где и – концентрация анализируемого вещества и внутреннего стандарта соответственно, масс. %, – градуировочный коэффициент i -го компонента по внутреннему стандарту (st), и – площади хроматографических пиков определяемого i -го компонента и внутреннего стандарта соответственно. Из данного уравнения легко определить искомую концентрацию .

Коэффициент определяют путем градуировки хроматографа по искусственным смесям, содержащим известные количества анализируемого компонента и внутреннего стандарта:

(47)

где и – массы анализируемого компонента и внутреннего стандарта в искусственной смеси соответственно, г.

можно приравнять к единице, при условии, что чувствительности детектора к определяемому компоненту и внутреннему стандарту достаточно близки между собой и подобное упрощение не вызывает существенной погрешности.

Достоинством метода внутреннего стандарта является сведение к минимуму ошибок в результатах, вызванных случайным изменением основных режимов работы хроматографа (температуры термостата колонок, скорости газа-носителя и режима работы детектора). Это становится возможным благодаря тому, что непостоянство режимов работы прибора в равной степени сказывается на площади пиков и анализируемого компонента, и внутреннего стандарта. При использовании данного метода нет необходимости точного дозирования пробы.

К веществу, используемому в качестве внутреннего стандарта, предъявляются следующие требования:

– полное разделение пиков внутреннего стандарта с прочими пиками на хроматограмме;

– отсутствие в исследуемом образце;

– полная смешиваемость с образцом;

– химическая инертность по отношению к компонентам анализируемого образца, неподвижной фазе и к конструкционным узлам хроматографа;

– концентрация внутреннего стандарта должна быть близка к концентрации анализируемого компонента;

– пик анализируемого компонента на хроматограмме должен находиться в непосредственной близости от пика анализируемого компонента;

– внутренний стандарт не должен содержать заметного количества примесей, пики которых накладываются на пики анализируемых компонентов.

Кроме этого желательно, чтобы внутренний стандарт подбирался из числа веществ, близких к объектам анализа по структуре и летучести. Также желательно, чтобы вещество – внутренний стандарт имело высокую чистоту (более 99.0 %). В противном случае определение поправочного коэффициента обязательно.

Метод внутреннего стандарта широко используется при определении массовой доли основного вещества и примесей в различных химических продуктах.

Наряду с перечисленными методами количественного газохроматографического анализа используются метод двойного внутреннего стандарта, системы «метка-стандарт», метод внешнего стандарта, метод добавки нормировочный стандарт и многоточечная калибровка. Подробно с этими методами можно ознакомиться в специальной литературе ¹².