 |
Качественный анализ многокомпонентных смесей на двух хроматографах с использованием сигналов двух детекторов.
|
|
|
|
Цель работы: осуществить групповую и индивидуальную идентификацию компонентов сложной смеси, содержащей насыщенные линейные или циклические углеводороды, арены и алканолы нормального и изостроения.
1. Введение
При анализе сложной смеси веществ, принадлежащих к различным классам органических соединений, на первом этапе целесообразно проведение групповой идентификации компонентов, то есть установление типов функциональных групп в молекулах компонентов смеси. Наиболее приемлемой для этой цели характеристикой является разность индексов удерживания на колонках с полярной (Ii) и неполярной (I1) неподвижными фазами (
). В таблице 1 представлены исследуемых сорбатов для колонки с полиэтиленгликолем (ПЭГ – 20М)
Таблица 1 – Ориентировочные пределы изменения 
исследуемых классов органических соединений на колонке с ПЭГ – 20М
| Сорбаты | 
|
| Алканы, изоалканы, цикланы | 
|
| Арены | 
|
| Алканолы 1, 2 | 
|
Для осуществления индивидуальной идентификации компонентов анализируемых смесей широко применяются корреляционные зависимости, связывающие индексы удерживания веществ со строением их молекул и физико – химическими характеристиками. При этом в качестве определяемого параметра используют число атомов углерода в молекуле сорбата
(1)
где a и b – коэффициенты корреляционного уравнения.
В качестве дополнительной информации при использовании величин удерживания применяют характеристики детектора. Грубо определить принадлежность вещества к углеводородам или неуглеводородам можно, используя величину относительного коэффициента чувствительности детектора по теплопроводности (ДТП) и пламенно – ионизационного детектора (ПИД) к анализируемому веществу
|
|
|
, (2)
где 
- коэффициент чувствительности ДТП к i – компоненту пробы; 
- коэффициент чувствительности ПИД к i – компоненту пробы; 
и 
- площади пиков стандартного вещества сравнения (бензола) на хроматограммах ДТП и ПИД соответственно; 
и 
- площади пиков i – компонента на хроматограммах ПИД и ДТП.
В целях идентификации могут быть использованы также индексы чувствительности (
) j – го детектора к i – компоненту, индексы молекулярной массы (
) и температуры кипения (
).
2. Порядок выполнения работы
2.1. Работа выполняется на двух хроматографах с последовательно соединенными на выходе колонок двумя детекторами ДТП и ПИД
Хроматограф № 1 с колонкой, заполненной неполярной неподвижной фазой (
). Сорбент 15% масс. апиезон – L на силанизированном хроматоне N – AW – HMDS, зернением 0,16 – 0,25 мм. Температура колонки Tc = 120 
C, Tисп = 150°C, температура детектора 120 C. Объемная скорость на выходе колонки Fc = 20 см3/мин. Газ – носитель – электролитический водород, получаемый в генераторе водорода. Избыточное давление на входе колонки 
= 0,4 кгс/см2. Объем пробы 
мкл.
Хроматограф № 2 с колонкой, заполненной полярной фазой (). Сорбент 15% масс. ПЭГ - 20М на силанизированном хроматоне N – AW – HMDS, зернением 0,16 – 0,25 мм. Tc = 85 C, Tисп = 150°C, Tдет = 85 C, Fc = 20 см3/мин, газ – носитель – водород, мкл, = 0,5 кгс/см2
2.2. Исследуемая смесь содержит четыре неизвестных компонента, которые могут принадлежать к различным классам органических соединений (см. п.1, табл.1). В исследуемую смесь добавлен в качестве стандарта бензол для расчета 
.
2.3. Градуировка хроматографов по н – алканам.
Хроматограф № 1. Смесь н – алканов (бутан, пентан, гексан, гептан, октан). Определяется 
каждого гомолога (из отчета).
Хроматограф № 2. Смесь н – алканов (от октана до додекана). Определяется гомологов.
По результатам анализа смесей н – алканов определяют 
(мертвое время) для каждого хроматографа из графика (см.рис.1).
|
|
|
Рис.1. График зависимости для определения времени удерживания несорбирующегося вещества. 1 – биссектриса; 2 – прямая, построенная по временам удерживания гомологов н – алканов.
Пересечение экспериментальной прямой 2 с диагональю координатного угла 1 дает значение 
.
2.4. Анализ исследуемых смесей на двух хроматографах
Определяют и рассчитывают приведенное время 
– для каждого компонента отдельно для каждого хроматографа.
Определяют логарифмический индекс Ковача для каждого компонента на двух приборах 
и 
по уравнению
, (3)
где z – число углеродных атомов в молекулах гомологов н – алканов элюирующихся один до, другой после i – компонента. При этом 
.
Определяют площадь пика каждого компонента 
(из отчета Area, мВ 
с).
Определяют расчетную концентрацию для каждого хроматографа на хроматограммах ДТП (индекс 1) и хроматограммах ПИД (индекс 2)
, (4)
где N – число пиков на хроматограмме; 
- можно использовать из распечатки отчета Area, %.
Определяют относительный коэффициент чувствительности двух детекторов по каждому компоненту для двух приборов
, (5)
где индекс (1) – относится к хроматограмме ДТП; индекс (2) – к хроматограмме ПИД.
2.5. Определение соответствия пиков на хроматограмме приборов № 1 и № 2 одному и тому же анализируемому веществу.
Это соответствие определяется несколькими методами для повышения надежности и достоверности идентификации качественного анализа:
По соответствию 
для двух хроматографов.
По соответствию 
для двух хроматографов.
По соответствию 
для двух хроматографов.
В таблице 2 в качестве иллюстрации приведены результаты определения соответствия пиков на хроматограммах двух хроматографов № 1 и № 2 одному и тому же исследуемому компоненту смеси.
Таблица 2 – Определение соответствия пиков на хроматограммах двух приборов одному и тому же исследуемому веществу.
| Хроматограф № 1 | Хроматограф № 2 | Оценка соответствия, % | ||||||
| № пика | 
| 
|
| № пика |
|
|
| |
| 
| 
| 
| 
| 
| 33,3 | ||
| 
| 
| 
| 
| 
| 66,6 | ||
| 
| 
| 
| 
| 
| 100,0 | ||
| 
| 
| 
| 
| 
| 66,6 | ||
|
| 
| 
| 
|
| 
| 100,0 |
Соответствие пика подтверждают при отклонениях критериев 
, 
и 
, измеренных на двух хроматографах не более чем на 
. Например, для пика № 1 хроматографа № 1 подтверждается соответствие пика № 1 хроматографа № 2 только по одному критерию (1,13 и 1,18 
). Критерии , имеют различия более 
. При этом соответствие оценивается в 33,3 %. Для пика № 4 два критерия , имеют отклонение меньше 10%, поэтому надежность соответствия пика № 4 пику № 3 хроматографа № 2 увеличивается до 66,6 %. Для пика № 3 все три критерия имеют отклонение меньше 10 % и соответствие пика № 3 хроматографа № 1 пику № 4 хроматографа № 2 оценивается величиной 100 %.
|
|
|
2.6. Групповая идентификация
Групповая принадлежность анализируемых компонентов определяется по разности индексов удерживания
, (6)
где и - индексы удерживания исследуемого компонента полярной (хроматографа № 2) и неполярной (хроматографа № 1) неподвижными фазами.
, измеренная по уравнению (6) сравнивается со справочными данными для исследуемых веществ, приведенными в таблице 1.
2.7. Индивидуальная идентификация
Индивидуальная идентификация проводится путем сравнения измеренных логарифмических индексов удерживания Ковача исследуемых веществ на двух хроматографах по уравнению (3) со справочными значениями индексов Ковача для этих веществ с учетом их групповой принадлежности по п.2.6 (см. Приложение).
Результаты качественного анализа по п.п.2.5. – 2.7. занести в таблицу 3.
Таблица 3 – Результаты качественного анализа
| Хроматограф № 1 | Хроматограф №2 | 
| Групповая принадлеж-ность | Индивиду-альная идентифи-кация | Погрешность  ,%
| ||
| № пика | 
| № пика |
| ||||
| алканолы | н - бутанол | 7,1 | |||||
2.8. Пример индивидуальной идентификации с оценкой погрешности
В таблице 4 в качестве иллюстрации приведен пример индивидуальной идентификации неизвестного вещества, принадлежащего к классу алканолов
(
).
Таблица 4 – Оценка погрешности индивидуальной идентификации.
| Хроматограф № 1 | Хроматограф № 2 | Претенденты.
Справочные данные 
|  , %
|  , %
| ||
| № пика |
| № пика |
| |||
| Бутанол - 620 | 1,6 | 7,1 | ||||
| Изобутанол - 584 | 7,9 | 8,4 | ||||
| Бутанол - 1111 | 5,5 | |||||
| Изобутанол- 1055 | 0,5 |
|
|
|
Из таблицы 4 видно, что с наименьшей общей погрешностью при идентификации 7,1 % необходимо выбрать бутанол из двух рассмотренных претендентов.
Выводы:
1. Констатация в соответствие с целью работы
2. Доказательство достоверности качественного анализа (п.2.5. соответствие пиков по трем критериям с оценкой погрешности по каждому компоненту; п.2.7. и 2.8. с оценкой погрешности).
3. Результаты индивидуальной идентификации.
4.6. Качественный анализ неизвестных компонентов с использованием индексов удерживания и сигналов двух детекторов (многовариантная задача)
Цель работы: провести групповую и индивидуальную идентификацию компонентов сложной смеси, используя индексы удерживания полярной и неполярной фазой и сигналы детекторов по теплопроводности (ДТП) и пламенно – ионизационного (ПИД) по представленным результатам.
Порядок выполнения работы и расчетные формулы – см. работу 4.5, пункты 2.1 – 2.4.
Задание для практических работ
1. Результаты градуировки по смеси н – алканов.
Таблица 1. – Градуировка по н – алканам.
| Хроматограф с неполярной фазой | Хроматограф с полярной фазой | ||||||
| № п/п | Сорбат |  , с
| Мертвое время, с | N п/п | Сорбат | , с
| Мертвое время, с |
| Бутан | 
| Октан | 
| ||||
| Пентан | Нонан | ||||||
| Гексан | Декан | ||||||
| Гептан | Ундекан | ||||||
| Октан | Додекан |
15. Результаты анализа исследуемой смеси на хроматографах с полярной и неполярной фазами.
Таблица 2. – Результаты анализа смесей на хроматографе с неполярной фазой.
| Задание | № п/п | , с
| 
| ПИД(2) | ДТП(1) | |||
| h, мм |  , мм
| h, мм | , мм
| |||||
| Смесь 1 | 69,9 | 0,68 | 1,0 | 1,0 | ||||
| 102,7 | 1,2 | 1,2 | ||||||
| 128,1 | 1,7 | 1,7 | ||||||
| 186,4 | 2,3 | 2,3 | ||||||
| 229,7 | 3,0 | 3,0 | ||||||
| Смесь 2 | 49,1 | 0,75 | 1,0 | 1,0 | ||||
| 78,5 | 1,1 | 1,1 | ||||||
| 106,6 | 1,4 | 1,4 | ||||||
| 186,4 | 2,1 | 2,0 | ||||||
| 228,0 | 2,7 | 2,7 | ||||||
| Смесь 3 | 56,1 | 0,59 | 1,0 | 1,0 | ||||
| 68,9 | 1,1 | 1,1 | ||||||
| 102,7 | 1,3 | 1,3 | ||||||
| 190,8 | 2,1 | 2,1 | ||||||
| 353,1 | 3,0 | 3,0 |
Таблица 3. – Результаты анализа смесей на хроматографе с полярной фазой.
| Задание | N п/п | , с
|
| ПИД(2) | ДТП(1) | ||
| h, мм | , мм
| h, мм | , мм
| ||||
| Смесь 1 | 43,9 | 0,47 | 1,0 | 1,0 | |||
| 66,3 | 1,2 | 1,2 | |||||
| 89,6 | 1,9 | 1,9 | |||||
| 178,8 | 2,3 | 2,3 | |||||
| 306,0 | 3,1 | 3,1 | |||||
| Смесь 2 | 46,3 | 0,68 | 1,0 | 1,0 | |||
| 56,0 | 1,1 | 1,1 | |||||
| 89,6 | 1,4 | 1,4 | |||||
| 108,1 | 2,5 | 2,5 | |||||
| 311,0 | 3,2 | 3,2 | |||||
| Смесь 3 | 49,4 | 0,53 | 1,0 | 1,0 | |||
| 66,3 | 1,2 | 1,2 | |||||
| 73,7 | 1,4 | 1,4 | |||||
| 87,7 | 1,9 | 1,9 | |||||
| 136,6 | 2,1 | 2,1 |
|
|
|
16. Результаты определения соответствия пиков на хроматограммах двух приборов одному и тому же исследуемому компоненту смеси.
Соответствие пика подтверждают при отклонениях критериев 
, 
и 
, измеренных на двух хроматографах не более чем на 
. Данные представлены в таблице 4. Например, для пика №1 (неполярная фаза) подтверждается соответствие пика №1 (полярная фаза) только по одному критерию (1,13 и 1,18 
). Критерии , имеют различия более 10 %. При этом соответствие оценивается в 33,3 %. Для пика №4 два критерия , имеют отклонение меньше 10 %, поэтому надежность соответствия пика 4 (неполярная фаза) пику 3 (полярная фаза) увеличивается до 66,6 %. Для пика №3 (неполярная фаза) и пика №4 (полярная фаза) все три критерия имеют отклонение меньше 10 % и соответствие оценивается с надежностью 100 %.
Таблица 4. – Определение соответствия пиков на хроматограммах двух приборов одному веществу.
| Хроматограф с неполярной фазой | Хроматограф с полярной фазой | Оценка соответствия % | ||||||
| № пика |
|
|
| № пика |
|
|
| |
| 0,180 | 0,169 | 1,13 | 0,208 | 0,199 | 1,18 | 33,3 | ||
| 0,210 | 0,231 | 1,03 | 0,208 | 0,204 | 0,98 | 66,6 | ||
| 0,185 | 0,200 | 0,91 | 0,171 | 0,189 | 0,95 | 100,0 | ||
| 0,220 | 0,150 | 0,66 | 0,218 | 0,148 | 0,58 | 66,0 | ||
| 0,200 | 0,250 | 0,70 | 0,195 | 0,250 | 0,68 | 100,0 |
17. Групповая идентификация.
Групповую принадлежность анализируемых компонентов определяют по величине разности индексов удерживания полярной и неполярной фазами 
, где 
- индекс удерживания i – компонента полярной фазой; 
- индекс удерживания неполярной фазой. В таблице 5 приведены для различных классов органических веществ на ПЭГ – 20М и апиезон – L. Для каждого компонента смеси с учетом соответствия на двух фазах по табл.4. определяется и сравнивается со справочными данными табл.5.
Таблица 5. – Ориентировочные пределы изменения 
исследуемых классов соединений на колонке с ПЭГ – 20М и апиезон – L.
| Сорбаты | 
|
| Алканы, изоалканы, цикланы |  50-70
|
| Арены | 200-350 |
| Алканолы 1, 2 | 400-600 |
18. Индивидуальная идентификация.
Индивидуальная идентификация проводится путем сравнения измеренных индексов Ковача по уравнению (1) со справочными данными с учетом их групповой принадлежности (см. Приложение). Результаты качественного анализа занести в таблицу 6.
Таблица 6. – Результаты качественного анализа.
| Неполярная фаза | Полярная фаза |
| Групповая принадлеж-ность | Индивиду-альная идентифи-кация | Погреш-ность , %
| ||
| № пика |
| № пика |
| ||||
| алканолы | н - бутанол | 7,1 | |||||
* 
В таблице 7 в качестве иллюстрации приведен пример индивидуальной идентификации неизвестного компонента смеси принадлежащего к классу алканолов = 420.
Таблица 7. – Оценка погрешности индивидуальной идентификации.
| Неполярная фаза | Полярная фаза | Претенденты (справочные данные)
|  , %
| , %
| |
| № пика |
| № пика |
| ||
| Бутанол- 620 | 1,6 | 7,1 | |||
| Изобутанол - 584 | 7,9 | 8,4 | |||
| Бутанол - 1111 | 5,5 | ||||
| Изобутанол - 1055 | 0,5 |
Из табл. 7 видно, что с наименьшей общей погрешностью при идентификации 7,1 % необходимо выбрать бутанол из двух рассмотренных претендентов.
Выводы:
1. Констатация в соответствии с целью работы.
2. Доказательство достоверности идентификации с оценкой погрешности.
|
|
|
