Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
1.Вступ
Визначення домішок в природних і технічних об’єктах – одна з важливих і найбільш важких проблем аналітичної хімії. Особливо велике значення мають високочутливі методи визначення шкідливих домішок в повітрі, воді, грунті, харчових продуктах, фармацевтичних препаратах, хімічних реактивах, мономерах для виробництва полімерних матеріалів.
В Росії нормований вміст декількох тисяч речовин, забруднюючих навколишнє середовище: в атмосферному повітрі населених пунктів – близько 2000, в повітрі робочої зони промислових підприємств – близько 3000, на поверхні вод – 1500 і в грунті близько – 1000.
Джерелами органічних відходів зазвичай є сільськогосподарські і промислові підприємства. Відходи потрапляють в навколишнє середовище в результаті забруднення промисловими викидами, каналізаційними стоками, сільськогосподарськими стічними водами і викидами хімічних підприємств.
Для ефективного контролю таких забруднень необхідно мати можливість ідентифікувати окремі домішки і виміряти їх концентрацію. Ідентифікація необхідна також для виявлення джерела забруднення і для більш ефективного повсякденного контролю. Хроматографія дозволяє найбільш достовірно провести якісний аналіз різних органічних і неорганічних забруднювачів.
Універсальність хроматографічних методів аналізу, висока чутливість детекторів, можливість застосування різних прийомів попереднього концентрування дозволили успішно вирішити багато завдань, забезпечуючи визначення концентрацій, складових частини на мільярд і навіть частини на трильйон. Хоча зазвичай домішками вважаються речовини, вміст яких лише в 100 раз нижча вмісту основного компонента, їх визначення для газової хроматографії не становить особливих труднощів і здійснюється на серійних приладах без використання спеціальних прийомів. Труднощі починають з’являтися при концентраціях домішок порядку %. Якщо концентрація знижується до %, то це відповідає границі чутливості детекторів, крім того, починає позначатися адсорбція стінками пробовідбірних систем та елементів хроматографа, що спотворює результати аналізу аж до зникнення на хроматограмі піків, що відповідають деяким компонентам, і появам "помилкових" піків (артефактів). Доцільно речовини, присутні в пробі в концентраціях вище %, умовно називати просто домішками, або слідами, а присутні в ще менших концентраціях – мікродомішками. Для визначення мікродомішок необхідно значне концентрування і дотримання вимог до чистоти газу-носія, матеріалу дозаторів, колонок та комунікацій, а також до використовуваним твердим носіям, адсорбенту і нерухомим рідинам.
2. Особливості хроматографічного визначення домішок
Основною особливістю хроматографічного визначення домішок, природно, є велика величина відносини кількості основного компонента і домішки в аналізованій суміші, що супроводжується сильним перевантаженням колонки пробій і додатковим розмиттям хроматографічних зон. Слід враховувати також вплив основного (матричного) компонента на елюціонні характеристики домішки, оскільки фактично елюювання домішки відбувається на колонці з бінарним сорбентом (при зменшенні концентрації останнього по довжині колонки) або модифікований основним компонентом адсорбент.
Для опису якості розділення основного компонента і домішки можна використовувати ті ж самі критерії, що і для сумішей з близькими концентраціями компонентів, але вибір умов розділення в значній степені визначають необхідним розміром проби, який, в свою чергу, залежить від використаного обладнання і заданої чутливості методу.
Оцінку якості відділення мікродомішок від матричної речовини при різних умовах проводять з використанням критерію поділу для неповністю розділених піків ψ за рівнянням (1):
(1)
Де - висота піку домішки; - висота різниці мінімальних сигналів основного компонента і домішки.
На малюнку 1 наведені дві можливі хроматограми розділення домішки і основного компонента.
Малюнок 1
Хроматограма основного компонента (1) і домішки (2):
а - домішки елююють до основного компонента;
б - домішки елююють після основного компонента.
Величина – характеризує чутливість методу, а ψ - максимальну похибку визначення в тому гіпотетичному випадку, коли відповідна гілка піку основного компонента після крапки з ординатою переходить в пряму, паралельну осі часу.
При сильному маскуванні піків домішок, піком матричного компонента доцільно використовувати диференціювання сигналу (швидкість зміни сигналу від часу). Причому для випадку хроматограми, наданих на малюнку 1 а, - це швидкість зміни фронту піку 2, а для хроматограми, наведеної на малюнку 1 б - швидкість зміни сигналу тилу піку 2. Найпростішим прийомом при аналізі домішок є дозування в колонку великих обсягів суміші, що розділяється. Однак дозування більших обсягах погіршує ефективність і піки можуть погано розділятися.
При цьому будуть розширюватись всі піки, у тому числі і піки домішок, по-скільки при об'ємному перевантаженні має значення обсяг всієї проби, а не парціальний обсяг даного компонента. Слід враховувати також асиметрію основного компонента при введенні великих обсягів проби, яка пов'язана з переважним розмиттям тилу. Тому при інших рівних умовах істотно краще поділ буде спостерігатися, якщо домішки елююють до основної речовини (див. рис.1 а). У загальному випадку, якщо полярність молекул домішки більша, ніж полярність молекул основного компонента, доцільно використовувати неполярний сорбент (і навпаки).
При введенні в хроматографічну колонку проби з концентрацією домішки обсяг проби внаслідок сорбції зменшиться в раз (загальний коефіцієнт розподілу) і відповідно підвищується концентрація. У процесі елюювання зважаючи розмиття хроматографічної смуги концентрація компонента в максимумі убуває назад пропорційно квадратному кореню довжини сорбційного шару (при відсутності перевантаження) і наприкінці колонки стає рівною:
(2)
Де - коефіцієнт, що залежить від гідравлічних параметрів колонки, у тому числі від площі перетину колонки, доступною для потоку газу-носія, L - довжина колонки; — загальний коефіцієнт розподілу;
В результаті десорбції проби з колонки, пік розширюється в разів і відповідно зменшується концентрація. Таким чином
= (3)
Концентрації визначених домішок часто такі малі, що їх неможливо виміряти навіть при перевантаженні колонки. Тоді застосовують різні способи концентрування домішок. Так в якості сорбенту колонки доцільно використовувати речовину, яка сорбує основний компонент набагато сильніше ніж домішка (> ). У цьому випадку проба при введенні в колонку стискається в разів і відповідно підвищується концентрація як основного компонента, так і домішок. Тоді для домішок після елюювання:
(4)
При визначенні важких домішок сорбцію проводять в умовах низької температури (в результаті чого смуги стискаються в разів), а після видування основного компонента проводять хроматографування при вищій температурі . При цьому концентрація домішок у елюаті збільшується в раз (I – загальні коефіцієнти розподілу сорбата при температурах і). Низькотемпературну сорбцію можна проводити як в попередній секції, так і безпосередньо в колонці. Якщо відомо, що домішка полярна, збагачення доцільно проводити в секції з полярним сорбентом.
Іноді для концентрування домішок основний компонент повністю або частково видаляють, при цьому не тільки підвищують концентрацію домішки, але і збільшують ступінь поділу. Основний компонент можна видаляти хімічним шляхом до аналізу проби у колонці, безпосередньо у колонці або після неї. Можна використовувати основний компонент в якості газу-носія або застосовувати детектор, нечутливий до основного компоненту. Зазначені методи дозволяють збагачувати проби визначеним компонентом домішки. Методом багаторазового збагаченняня є хроматотермографія. Так, застосовуючи теплодинамічний метод, який до того ж дозволяє вести практично безперервний аналіз, можна здійснити процес таким чином, що на хроматограмі будуть відсутні піки основних легких компонентів. Вельми ефективні та ізотермічні фронтально-витискні методи багатократного збагачення, засновані на використанні хроматографії без газу-носія.
При визначенні мікродомішок в складних сумішах слід використовувати поєднання описаних способів з прийомами аналізу складних систем.
3.Підготовка проби до аналізу.
Вибір варіанту хроматографічного методу
Підготовка проби до хроматографічного аналізу включає операції, що дозволяють підвищити чутливість і поліпшити метрологічні характеристики визначення, а також розширити область застосування методу. Правильний відбір проби має вирішальне значення у всіх аналітичних дослідженнях. Результати найточнішого і ретельно виконаного аналізу втрачають всякий сенс у випадку неправильної підготовки до відбору проби і невірного його виконання. Сюди входять наступні процедури:
–– відбір порції аналізованого матеріалу, при необхідності - консервація її на заданий час і транспортування в аналітичну лабораторію;
–– видалення заважаючих речовин, виділення і концентрування визначених сполук;
–– перетворення визначених сполук у більш зручні аналітичні форми (одержання відповідних похідних - дериватизації);
–– гомогенізація проби (при подальшому аналізі методом рідинної хроматографії необхідно підібрати розчинник який по елююющій силі не перевершує рухливу фазу. Оптимальним є розчинення підготовленого зразка в рухомій фазі.);
–– введення дози підготовленого зразка у випаровувач (дозатор) хроматографа або безпосередньо в хроматографічну колонку.
Необхідність виконання всіх або тільки деяких з перерахованих процедур обумовлюється природою аналізованого об'єкта і властивостями що міститься в ньому домінуючої речовини або розчинника, характером наявної попередньої інформації та завданням аналізу (якісне або кількісне визначення).
Для відділення проби від її матриці з метою очищення та концентрування сполук використовують методи адсорбції і абсорбції, твердофазної, рідинної та газової екстракції (статичний і динамічний варіанти), надкритичної (флюїдної) екстракції, дистиляції, виморожування, причому часто вдаються до комбінування окремих методів та їх різновидів, включаючи обробку порції аналізуючого матеріалу специфічними хімічними реагентами для забезпечення селективності визначення вже на стадії пробовідбору і підвищення чутливості подальшого хроматографічного аналізу.
Досить часто при підготовці проби, що містить компоненти різної природи, використовують комплекс методичних прийомів і рекомендацій.
Незалежно від походження, агрегатного стану і хімічної природи досліджуваного зразка необхідно керуватися основними правилами:
1) Відібрана проба повинна бути представницька (тобто не відрізнятися за якісним і кількісним складом від аналізуючого матеріалу), процедура відбору повинна бути легко відтвореною і, по можливості, розрахованою на використання легкодоступного (стандартного) обладнання.
На стадіях підготовки до аналізу проб гетерогенних об'єктів (емульсій, суспензій, перенасичених розчинів тощо) проводять їх гомогенізацію, домагаючись повного розчинення у відповідному розчиннику або прибігаючи до рідинної або газової екстракції. У разі аналізу твердих матеріалів на вміст летких сполук так само готують розчини або газові екстракти. При цьому слід використовувати розчинники, і гази-екстрагенти, і весь посуд (включаючи контейнери для зберігання і транспортування проб) гарантованої чистоти.
Слід зазначити, що при хроматографічному аналізі проб, які містять велику кількість води можуть мати місце деякі проблеми, пов'язані з точністю отриманих результатів. Так, наприклад, такі водні зразки, як плазма, об'єкти навколишнього середовища, їжа, не можуть бути безпосередньо проаналізовані в нормально-фазовому режимі рідинної хроматографії, оскільки навіть невеликі кількості води будуть негативно впливати на відтворюваність результатів.
2) Час зберігання відібраних проб перед аналізом має бути мінімальним, а умови і способи зберігання повинні виключати не контролюючі втрати легколетких сполук за рахунок випаровування і будь-які інші фізичні та хімічні зміни у складі аналізованого зразка.
3) Відібрані спосіб або процедура власне дозування підготовлення проби в хроматографічну колонку, матеріал, конструктивні особливості і температурні режими випаровувала (крана дозатора), вузла поділу парів проби, колонки і всіх сполучних газових комунікацій повинні виключати можливість зміни якісного та кількісного складу суміші аналізованих компонентів через можливість втрат, пов'язаних з випаровуванням, незворотною сорбцією, термічним розкладанням або будь-якими хімічними перетвореннями.
4) Всі необхідні проміжні операції по концентруванню визначуваних сполук і відділенню їх від компонентів повинні бути як можна більш простими і уніфікованими.
Таким чином, процес підготовки проби до аналізу включає, як правило, кілька етапів, кожен з яких вносить свій внесок у загальну похибку кількісного результату:
(5)
- загальна похибка, яка характеризується стандартним відхиленням результату аналізу; - допустима похибка на стадії відбору проби; - похибка етапу гомогенізації; - похибка етапу підготовки зразка до виконання аналізу (відфільтровування баласту, концентрування розчинів або екстрактів, дериватизації тощо); - допустима похибка виконання аналізу підготовленого зразка.
Наведене співвідношення (5) показує, що слід прагнути до виключення або, принаймні, до відома до мінімуму приватних похибок кожного окремого етапу, звертаючи увагу на найбільш вразливу з них. Безглуздо, наприклад покращувати точність вимірювання висот або площ піків на хроматограмі, якщо втрати окремих компонентів проби на стадії її відбору складають > 50% (випадок аж ніяк не рідкісний при визначенні мікродомішок в складних матеріалах). В іншому випадку може знадобитися комбінація різних методів.
На першому етапі необхідно з'ясувати, чи достатньо леткий зразок,щоб його можна було проаналізувати в режимі газової хроматографії. Верхня межа температури колонок в газовій хроматографії становлять ≈ С. Таким чином, обов'язковою умовою є необхідність леткості зразка не вище цієї температури. Важливим чинником є і термічна стабільність аналізованих сполук при обраній температурі. Якщо ці умови дотримуються, подальший вибір робиться між газо-адсорбційною (ГАХ) і газо-рідинною (ГРХ) хроматографією.
У тому випадку, якщо вихідний зразок не можна проаналізувати за допомогою газової хроматографії, перед вибором конкретного варіанту рідинної хроматографії необхідно мати інформацію про молекулярну масу компонентів досліджуваного об'єкта. Для поділу великих молекул (з молекулярною масою > 3000) - синтетичних і природних полімерів - використовується ексклюзивна хроматографія (гель-хроматографія).
Якщо молекулярна маса менше 3000, розглядається природа розчинника, в якому може розчинитися зразок. При цьому, якщо аналізуючий об'єкт розчиняється в неполярному розчиннику, перевага надається використанню нормально-фазової рідинної хроматографії. Якщо ж потрібно полярний розчинник (а значить і полярний елюент), необхідна інформація про те чи мають компоненти досліджуваної суміші іонну природу. Якщо так, то до якого типу іонів вони відносяться: до сильних або слабких. Сильні іони поділяють методом іонообмінної або іон-парної хроматографії. У разі слабких іонів можна розглядати альтернативні варіанти, а саме: а) метод обернено-фазової рідинної хроматографії, при цьому іонізація пригнічується шляхом вимірювання рН; б) метод іонної хроматографії (відповідно з посиленням іонізації). Якщо ж інформація про іонні властивості аналізованого об'єкта відсутня, то використовують, в першу чергу, обернено-фазову рідинну хроматографію.
4. Особливості відбору проби повітря для аналізу шкідливих домішок
Забруднене повітря, тобто те середовище, з якої береться проба, може бути охарактеризоване в більшості випадків як нестаціонарна, що негомогенна, багатофазна і мультикомпонентна система, що визначає концентрації більш-менш значно змінюються в часі та просторі, в залежності від типу та інтенсивності джерела емісії, хімічних процесів в атмосфері, метеорологічних і топографічних факторів.
Місце відбору проби повітря слід вибирати так, щоб у безпосередній близькості від нього не було будь-яких будівель, дерев. Не можна також проводити відбір проби під час дощу або снігопаду.
Відбір представницької проби повітря визначається не тільки ретельністю технічного виконання операції. Необхідно враховувати і такі важливі фактори, як агрегатний стан речовини в момент відбору проби, фізико-хімічні властивості вловлюються домішки (леткість, тиск насиченої пари, хімічна стійкість речовини), відповідність швидкості і відібраного об'єму повітря складом поглинаючого розчину (Природі адсорбенту) і чутливості застосовуваного методу аналізу.
Від тривалості відбору проби залежить правильність висновку про ступінь небезпеки досліджуваного виробництва, так як повітряне середовище є вкрай рухливою системою, а надходження шкідливих речовин може відбуватися як переривчасто, так і постійно. При тривалому відборі проби, характерному для моніторингу, результат виходить усередненим за даний відрізок часу і концентраційні піки згладжуються. При короткочасному відборі проби ці піки виявляються, однак, для виключення випадковостей потрібні повторні дослідження, по суті неперервний відбір проб.
При дослідженні атмосферного повітря встановлено, що найбільш достовірні дані по вмісту домішок шкідливих речовин отримується при нетривалому відборі проби.
Санітарно-хімічний контроль атмосферного повітря передбачає відбір разових і середньодобових проб, що знаходить відображення, як у способах відбору, так і в застосовуваної для цієї мети апаратурі. Відбір проб передбачає якомога більш повне уловлювання цих речовин з повітря, причому кількість цих речовин повинно бути достатнім для його надійного визначення прийнятим методом.
Відбір та аналіз проб повітря має свої специфічні особливості, зумовлені концентрацією і агрегатним станом аналізованих речовин (газів, парів, аерозолів). Особливі труднощі зустрічає відбір і концентрування атмосферних забруднювачів, для яких концентрація нижча гранично допустимої концентрації (ГДК) для цих речовин у повітрі.
Найбільш важливою проблемою пробовідбору є концентрування досліджуваних речовин в процесі самого пробовідбору. Проблема концентрування мікродомішок актуальна практично для будь-якого методу, вживаного при аналізі атмосферного повітря. Це пов'язано з недостатньо точної чутливістю детекторів і можливими спотвореннями складу проби за рахунок різних адсорбційних і реакційних явищ в хроматографічній апаратурі, в комунікаціях хроматографа, колонці, дозаторі і т.д.).
Розглянемо деякі системи відбору проби повітря для хроматографічного аналізу:
–– відбір проби в контейнер. Для цього очищену від пилу повітря всмоктується в попередньо вакуумний контейнер, або продувається через контейнер (десятикратний обмін аналізованого повітря). При такому відборі задовільні результати виходять лише при аналізі газоподібних проб не надто полярних. Якщо ж для хроматографічного аналізу в контейнер відбирають пари органічних речовин або агресивних неорганічні гази, на стінках відбувається значна сорбція (хемосорбція) з'єднань проби, позбутися якої часто не вдається навіть нагріванням контейнера. Крім невисокої точності, обумовлюється втратами речовини проби у разі тяжких домішок або реакційноздатних речовин, при відборі повітря в контейнері важко досягти високої чутливості визначення, оскільки не відбувалося збагачення проби.
–– відбір проби шляхом поглинання аналізованих домішок підходящим розчинником, який є одним з варіантів методу рівноважного концентрування сполук проби. Перевагою методу є практично необмежена область аналізованих сполук. Особливо слід відзначити високу селективність рівноважного абсорбційного методу концентрування. Вибираючи відповідний розчинник можна відбирати і концентрувати окремі сполуки проби, пов'язані з визначенням класу речовин, наприклад, поглинати водою розчинні в ній деякі спирти, альдегіди, кетони, кислоти та інші водорозчинні сполуки з невеликою молекулярною масою зі складних сумішей з вуглеводнями. Цим (або аналогічним) прийомом можна значно полегшити подальшу хроматографічну ідентифікацію досліджуваних речовин.
–– відбір проби шляхом екстракції розчинених у поглинальній рідині речовин в значно менший обсяг селективного розчинника. Цей прийом фактично є повторним концентруванням і пов'язаний з тим, що в якості екстрагента застосовують розчинники, для яких коефіцієнт розподілу домішок значно більше, ніж коефіцієнт розподілу основної речовини. Екстракція дозволяє досягнути потрібного ступеня збагачення проби, полегшує подальшу хроматографічну ідентифікацію досліджуваних сполук, а також часто переводить пробу в більш зручну для хроматографування форму.
–– Метод фронтального нерівноважного концентрування знайшов широке застосування для газохроматографічного аналізу повітряних забруднень. Метод заснований на повному поглинанні важких домішок сорбент з високорозвиненою поверхнею. Аналізовані речовини збираються в пастках, що містять невелику кількість сорбенту (силікагель, активоване вугілля, полімерні сорбенти), а потім десорбуються в хроматографічну колонку. Перевагою фронтального методу концентрування є можливість швидкого кількісного поглинання з повітря великих кількостей домішок (висока ступінь збагачення) при температурі навколишнього середовища (іноді охолодженні) без необхідності термостатування пробовідбірника. Недоліком методу є трудність десорбції поглинутих пасткою речовин.
–– Метод конденсації (виморожування) домішок. Цей прийом успішно застосовують при визначенні в повітрі мікродомішок легколетких органічних речовин. Через пастку, охолоджують до температури конденсації домішок, пропускають повітря, яке проходить через пастку не утримуючись, а домішки збираються в пастці. Потім пробовідбірник нагрівають, а домішки потоком газу-носія направляються в хроматографічну колонку. Недоліком методу є конденсація в пастці води.
–– Метод хемосорбції. Він має певні переваги перед фізичню адсорбцією і застосовується для речовин з достатньою реакційною здатністю. Перевагою хемосорбційного методу відбору є висока селективність сорбції домішок. Хемосорбційний метод може значно полегшити як завдання аналізу, так і подальшу ідентифікацію компонентів проби. До недоліків хемосорбції відноситься можливість побічних реакцій і важкість вилучення сконцентрованих мікродомішок з реакційної суміші.
–– Відбір проб повітря, що містить аерозолі. Уловлювання з повітря аерозолів має свої специфічні особливості, пов'язані з тим, що вони не поглинаються звичайними сорбентами. Для вловлювання аерозолей із забрудненого повітря застосовують мембранні фільтри, тонковолокнисті фільтри зі скла або кераміки, а також фільтри з полімерних матеріалів і спіненого поліуретану. Для вилучення зібраних на фільтрі аерозолів і більш грубих частинок (пил) використовують екстракцію різними органічними розчинниками, з яких особливо ефективні: метанол, бензол, сірковуглець і хлористий метилен. Однак повне вилучення органічних частинок з фільтрів, яке зазвичай проводять в апараті Сокслета, вимагає тривалої екстракції і займає від 8 до 16 годин.
5. Основи якісного аналізу домішок
При виробленні стратегії виконання якісного аналізу конкретного зразка враховують характер і складність поставленого завдання, наявну в розпорядженні аналітика апріорну інформацію про можливість скласти проби, досвід набутий при вирішенні родинних задач і рівень інструментальної оснащеності лабораторії.
У найбільш складних випадках, як наприклад, в екоаналітичних дослідженнях, при дослідженні запаху харчових продуктів або складу летучих сполук лікарських рослин або мікроорганізмів, виникає необхідність індивідуальної або групової ідентифікації десятка і навіть сотень сполук. В інших ситуаціях, наприклад, при підтвердженні індивідуальності знову синтезованого лікарського препарату та визначенні природи забруднюючих його домішок, коло речовин, що підлягають ідентифікації, може бути істотно менше, але ця обставина аж ніяк не завжди автоматично переводити дане завдання в розряд більш простих.
Завдання якісного аналізу поділяють на три групи:
–– Аналіз суміші, склад якої відомий повністю;
–– Аналіз суміші відомого походження;
–– Аналіз суміші невідомого походження.
У першому випадку достатньо за допомогою довідкових даних по утриманню або шляхом аналізу еталонних сполук підібрати сорбент, що розділяє компоненти суміші. Завдання другого типу часто можуть бути вирішені безпосередньо на рівні індивідуальної ідентифікації. Що ж до завдань третього типу, то тут, як правило, спочатку необхідний етап групової ідентифікації. Останнім часом перші два випадки кількісного аналізу об'єднують поняттям - підтверджує аналіз, а третій випадок називають - розвідувальний аналіз.
Основні сучасні експериментальні прийоми якісного аналізу в газовій та рідинній хроматографії наступні.
1). Вимірювання параметрів утримування ідентифікованих сполук різними за полярності нерухомими фазами або сорбційних характеристик, специфічних для кожної пари індивідуальної речовини і вибраного сорбенту в газовій хроматографії; в рідиній хроматографії представницьким є вимірювання параметрів утримування ідентифікованих сполук в різних режимах - нормально-і оборотно-фазному.
2). Зіставлення сигналів (відгуків) хроматографічних детекторів різного принципу дії (універсальних і вибірково реагують на представників окремих класів хімічних сполук). До виборчих (селективних) детекторів в рідинній хроматографії відносяться електрохімічний, флуорометричний і ультрафіолетовий. При флуорометричному і УФ-детектируванні вибірковість легко регулюється налаштуванням на одну з фіксованих довжин хвиль, що передбачає конкретну модель приладу. Використання УФ-детектування на діодній матриці відкриває можливості одночасної реєстрації поглинання на декількох довжинах хвиль. У газовій хроматографії широко використовуються наступні селективні детектори: електронозахватний (володіє підвищеною чутливість до галогенів особливо хлоровмісних органічних сполук), термоіонний (висока чутливість визначення фосфор-, азот-і галогеновмісних (крім фторвмісних) речовин), а також полум’яно-фотометричний (виборча реєстрація фосфор-і сірковмісних органічних сполук). Випускаються фірмою Hewlett-Packard газові хроматографи з атомно-емісійним детектором відкривають унікальну можливість одночасної багатоканальної збиральної реєстрації органічних сполук, до складу молекул яких входять різні хімічні елементи (передбачається можливість налаштування детектора на виявлення мало не всіх елементів таблиці Д.І. Менделеева).
3). Пряма реєстрація мас-спектрів або ІЧ-спектрів елююющих з колонки компонентів поділюваних сумішей при використанні комбінованих приладів, т.зв. подвійних гібридів хроматограф-мас-спектрометр і хроматограф – ІК (Фур'є) – спектрометр, а також потрійного гібрида хроматограф – ІК (Фур'є)-спектрометр-мас-спектрометр, з метою визначення молекулярної структури ідентифікованих сполук. Названі комбінації приладів є найбільш поширеними, але не єдиними можливими (одним з перспективних напрямів є, наприклад, поєднання рідинного хроматографа з ЯМР – спектрометром.
У тих випадках, коли в мас-спектрах присутній сигнал молекулярного іона, з'являється додаткова можливість визначення молекулярної маси ідентифікованої сполуки.
4). Проведення хімічних реакцій в аналітичній хроматографічній колонці або спеціальних мікрореакторах, що примикають до неї, одночасно і паралельно з процесом поділу з метою отримання з аналізованих речовин характерних похідних або сполук з певним забарвленням, продуктів піролітичного розщеплення і т.п.
Індивідуальну хроматографічну ідентифікацію проводять за допомогою наступних прийомів:
–– Прямий метод, що полягає у виділенні з колонки індивідуальних сорбат і подальшої їх ідентифікації незалежним методом (Мас-спектрометрія, ІЧ-спектрометрія та ін);
–– Порівняння величин утримування компонентів аналізованої суміші з величинами утримування стандартних зразків, компонентів еталонних сумішей або з довідковими даними (можуть бути використані сукупності значень, отриманих на колонках з різними нерухомими фазами і за різних умов);
–– Застосування залежностей, що пов'язують величини утримування речовин зі значеннями їх фізико-хімічних характеристик та умовами досвіду.
Для групової ідентифікації застосовують такі прийоми:
–– Реакційна хроматографія (перетворення певних груп сполук, їх видалення з аналізованої суміші, елементний аналіз, кількісний реакції в поєднанні з хроматографічним аналізом);
–– Аналіз на колонках з селективними нерухомими фазами (використання тенденції зміни величин утримування груп сполук зі зміною параметрів досвіду);
–– Селективні детектори з підвищеною чутливістю до сполук певних класів.
6. Основи кількісного аналізу домішок
Для кількісного визначення домішок використовують, головним чином, метод абсолютного градуювання, проводячи розрахунок на підставі експериментально знайденої градуювальної залежності між кількістю домішок і відповідним параметром хроматографічного піку. Побудову градуювальної характеристики проводять за результатами аналізу стандартних зразків або метрологічно атестованих градуюювальних сумішей з нормованим вмістом досліджуваних компонентів і математично обробляють, використовуючи метод найменших квадратів. Зменшення похибки кількісного аналізу домішки досягається за рахунок використання градуювальних сумішей максимально адекватних робочим пробам і містять домішки, розчинені в основному (матричному) компоненті в тих же кількостях, що і в пробі. При цьому градуювальні суміші піддаються всім операціям пробопідготовки, включаючи концентрування, як і досліджувані проби.
Для створення атестованих повірочних газових сумішей (ПГС) застосовують дві категорії засобів вимірювання:
–– Стандартні зразки складу - це зразки речовин з встановленими в результаті метрологічних досліджень значеннями однієї або більше величин, що характеризують склад цієї речовини. Основними особливостями стандартного зразка є те, що він атестований строго за визначеним призначенням, специфіка якого є визначальною при його створенні та атестації. Не існує, наприклад, стандартного зразка гексану взагалі, але існує стандартний зразок гексану ДСО 2583-83, призначений для градуювання хроматографів по гексану. У Російській Федерації випускають державні стандартні зразки (ДСО), атестуються в державних науково-метрологічних центрах, галузеві стандартні зразки (ВЗГ), атестуються метрологічними службами для окремої галузі та виробничі стандартні зразки (ПСО), атестуються спеціально для даного виробництва;
–– Зразкові міри або технічні засоби, які відтворюють або зберігають одиницю фізичної величини і мають нормовані метрологічні характеристики. В якості зразкових мір використовують різні газозмішувальні установки (ДСУ) як статичні так і динамічні.
В статичних ГСУ використовуються такі методи приготування ПГС:
–– Метод парціальних тисків, заснований на точному дозуванні в балон компонентів суміші при певному тиску. Грубий розрахунок складу ПГС проводять за процедурою приготування, використовуючи рівняння стану чистих газів і газових сумішей. Точна атестація ПГС здійснюється зразковим газоаналізатором;
–– Об'ємний метод приготування ПГС, який заснований на змішуванні відомих обсягів компонентів, причому балон для ПГС послідовно заповнюють компонентами суміші попередньо відміряними в ємностях фіксованого обсягу. Наявність таких каліброваних ємностей для дозування окремих компонентів суміші в балон ПГС виключає необхідність використання рівнянь стану для суміші газів при грубій атестації за процедурою приготування. Точна атестація проводиться зразковими газоаналізаторами.
–– Гравіметричний метод, при якому ПГС атестують по процедурі приготування шляхом зважування порожнього і заповненого компонентами газової суміші балона з ПГС на вагах підвищеної точності.
Динамічні ГСУ засновані на вимірюванні параметрів витрати вихідного газу та газу-розріджувача. Цим методом готують ПГС, які не можна зберігати в балонах під тиском. Це можуть бути різноманітного роду парогазові суміші, суміші агресивних і реакційноздатних компонентів і т.д. Неможливість зберігання таких сумішей в балонах в значній мірі визначається сорбційними і реакційними процесами між компонентами суміші і матеріалом балона, що призводить до зміни складу ПГС.
Одним з найбільш поширених динамічних методів приготування сумішей з низькими концентраціями речовин є запропонованийний Ловлоком метод експоненціального розведення. На малюнку 4 наведена схема приладу, що включає посудину з мішалкою, який заповнюється сумішшю з концентрацією домішок . При безперервному перемішуванні через посудину пропускають потік газу—розріджувача. Концентрація домішок у вихідному з посудини газі визначається з виразу 6:
Рис.4. Приготування газоподібних сумішей методом експоненціального розбавлення: 1 - магнітна мішалка, 2 - введення газу; 3 - змішувальні посудину, 4 – вихід
C=
де F - витрата газу, t - час, виміряний від моменту початку пропускання газу, V - об'єм посудини.
Для приготування ПГС динамічним методом використовують наступні принципи дозування компонентів в потік газу-розріджувача:
–– Дозування за допомогою каліброваних обсягів, коли в потік газу-розріджувача автоматично за допомогою шприцевих дозаторів впорскують з певною частотою фіксований обсяг досліджуваного компонента.
- Пристрою звуження (див. рис.5). При цьому витрати змішуються газів визначають з використанням законів гідравліки (Дарсі і Паузейля). В якості пристроїв звуження потоку застосовують капілярні трубки або пневмоопору (дроселі).
–– Принцип електролізу, заснований на дозуванні в потік газу-розріджувача виділяються на електродах газів пропорційно кількісті електричного струму, пропущеного через систему відповідно до законів електролізу Фарадея;
–– Дифузійний метод, заснований на законах Фіка. При цьому струм газу-розріджувача пропускають над кінцем трубки, в якій знаходиться рідина. Пари цієї рідини, дифундують, насичують газовий потік (Див. мал. 6).
Рис. 5. Пристрій для розведення газів з використанням су-лишнього пристроїв: 1 - введення газу-розріджувача, 2 - введення дозуючи-мій домішки, 3 - скидання, 4 - потік в
систему, 5 - потік повітря; 6 – капіляри
Рис. 6. Дозування парів за рахунок дифузії з циліндричної трубки:
1 - газ-розчинник, 2 - термостатна циліндрична трубка з рідиною, 3 - вихід газової суміші
Використовують також дифузію через стінки полімерних трубок або полімерні капсули з дозованим речовиною (див. рис. 7).
Рис. 7 Дозування парів за рахунок дифузії через пористу перегородку:
1 - газ-розчинник, 2 - пориста полімерна перегородка, 3 - вихід газової суміші, 4 - дозується речовина
–– Дозування з використанням закономірностей хімічного рівноваги в гетерогенних системах. Це насамперед рівновагу в системі «Рідина-пар»; рівноважний розподіл летючих речовин між газовою і рідкою фазами, проведення різних хімічних реакцій в розчин, що супроводжуються виділенням газоподібних або легколетких речовин тощо.
На цьому принципі засновані методи кількісного аналізу одно-навесні парової фази або «Headspase - аналіз», що знайшли останнім часом широке застосування в хроматографічної практиці при досліджування складу летючих сполук, що виділяються з харчових продуктів, для контролю вмісту шкідливих речовин у воді, грунті, полімерних і біологічних матеріалах.
Парофазний аналіз заснований на техніці і прийомах газової екстракції. Залежно від умов застосування розрізняють дискретну газову екстракцію, здійснювану окремими порціями газу в замкнутій системі, зазвичай в статиці, і безперервну (динамічну) газову екстракцію потоком інертного газу-розріджувача, що проходить через рідину або над поверхнею конденсованої фази.
На малюнку 8 наведена динамічна ГСУ, що розробляється на кафедрі загальної хімії та хроматографії СамГУ, в якій летючі речовини дозуються в потік газу-розріджувача з використанням константи розподілу цих речовин між газовою і рідкою фазами. Рівняння матеріального балансу установки можна представити у вигляді:
*d+
де - концентрації летючої речовини в газовій фазі в судинах 2 і 3 відповідно; і - об’єми газової і рідкої фаз в 3-й посудині.
Рис.8 Динамічна газосумісна установка
а - принципова схема дозування летючих речовин з леткий рідини в потік газу-розріджувача:
1, 2 і 3 - барботер, що містять розчин летких речовин в малолеткому розчиннику, 4 - введення газу-розріджувача, 5 - вихід газової суміші
б - залежність концентрації летких речовин в газі-розріджувачі від часу барботування; Δt - час підтримки постійної концентрації на виході ГСУ
7. Методи підготовки проби для хроматографічного аналізу
Одним з головних завдань пробопідготовки при аналізі домішок є досягнення прийнятної ступеня збагачення (концентрування) домішки в досліджуваній пробі для наступного здійснення хромато-графічного аналізу. Для цього широко використовують методи газової екстракції, рідкофазної і твердофазної екстракції домішок з аналізуючих зразків.
Деякі принципи й пристрої для газової екстракції були розглянуто у шостому розділі посібника. У зв'язку з цим у цьому розділі буде приділено увагу методам рідкофазної і твердофазної екстракції.
7.1. Рідкофазна екстракція
Для рідкофазної екстракції часто використовують апарат Сокслета. При нагріванні колби пари розчинника піднімаються вгору і конденсуються в холодильнику. Утворений конденсат потрапляє в екстрактор, у який попередньо поміщають екстрагованих речовин. Коли рідина в екстракторі досягне певного рівня, вона знову стікає в колбу і процес триває. Зазвичай обсяг одержуваного екстракту занадто великий для прямого введення в хроматограф, тому, з метою підвищення концентрації домішок в екстракті, використовують додаткову операцію - випарювання (переважно, в апарат-Раті Кудерна -. Даниш, (див. рис 9), рекомендуючим агентством з охорони навколишнього середовищаСША)
Рис. 9. Безперервний рідинно-рідинний екстрактор з колбою Кудерна – Даниш: 1 - зворотний холодильник, 2 - колонка Снайдера, 3 - колба Кудерна – Даниш, 4 - приймач; 5 - нагрівач.
Особливу увагу при екстракції розчинником і концентруванні необхідно приділяти тому, щоб уникнути забруднення проби.
7.2. Твердофазна екстракція
Широке застосування для хроматографічного аналізу знайшли методи концентрування домішок адсорбентами з високорозвиненою поверхнею. Аналізовані речовини збираються в пастках, що містять невелику кількість сорбенту (силікагель, активоване вугілля, полімерні сорбенти), а потім десорбуются в хроматографічну колонку. Цей спосіб придатний для вилучення з різних досліджуваних об'єктів забруднювачів як малої і середньої, так і високої полярності (залежно від характеристик використовуваного сорбенту). Твердофазна екстракція домішок може бути здійснена або на картриджі (патроні, заповненому сорбентом), або на мембранних дисках . Проби великого обсягу можуть бути оброблені з використанням порівняно малих кількість твердої фази, що, у свою чергу, вимагає малого об'єму розчинника для подальшої десорбції сконцентрованих сполук, знімає необхідність додаткового випарювання і суттєво зменшує ризик забруднення зразка.
Термічна десорбція іноді може замінити елюювання розчинник, при цьому забезпечується найбільш висока ступінь збагачення проби. Обмеження методу пов'язано з недостатньо високою термічною стабільністю полімерних сорбентів, що істотно звужує область його застосування.
Схематичне зображення сучасної системи для видування домішок і їх збору в пастці з подальшою термодесорбції приведена на рис. 10.
Рис. 10. Система продувки з проміжним уловлюванням домішок води
А - продування і уловлювання; Б - десорбція: 1 - пастка з адсорбції тому, 2 - піч, 3 - посудина з пробою, 4 - скляний фрит (пористий фільтр), 5 - продувочний газ; 6 - шестипозиційний газовий кран; 7 - додатковий осушувач і / або кріогенна пастка, 8 - до роздільної колонки хроматографа; 9 - газ-носій від хроматографа
Варіантом методу є циркуляційна продування (метод «замкнутої петлі»). За допомогою такої системи, зображеної на малюнку 11, можуть бути проаналізовані забруднення при дуже низькому їх утримуючи - на рівні нг/дм3 (частина на трильйон). Домішки вловлюють на активованому вугіллі та піддають мікроекстракція 50-100 мкл сірковуглецю або хлористого метилену.
Рис. 11. Пристрій для уловлювання забруднювачів за методом замкнутої петлі: 1 - насос, 2 - адсорбційна пастка, 3 - активоване вугілля, 4 - направлення потоку газу, 5 - проба води, 6 - термостат
На малюнку 12 наведена схема установки для адсорбційного концентрування з криогенним фокусуванням, реалізована в капілярному газовому хроматографі КГХ-100 (СКБ АН ЕССР, м. Таллінн). Проба вводиться шприцом в потік газу-носія, напрямок якого вказано стрілками (2 клапани відкриті, закриті клапани 3). Постійні пневмоопори, які розподіляють потік газу між колонкою і конентратором, підбирають попередньо. Потік газу перемикається на зворотний (клапани закриті 2, 3 - відкриті) і розчинник видувається в атмосферу при помірному нагріванні концентратора. Потім напрямок по-струму відновлюється, закривається запірний клапан 5 і проба десорбується в криогенну пастку 9, з якої вона переноситься в хроматографічну колонку 12 шляхом нагрівання пастки.
На малюнку 13 показана конструкція криогенного концентратора хроматографа «Сіхромат - 2» фірми «Сіменс» (Бельгія), в якому одне-тимчасово може бути здійснено перенесення проби з аналітичної колонки 1 в капілярну 9 і додаткове фокусування проби в пастці 8 на вході капілярної колонки. Концентрування проводиться на сорбенті в кварцовою трубці 11, яка може охолоджуватися рідким азотом і нагріватися за допомогою нагрівача 6. Тиск додаткових потоків А і В встановлюється таким чином, щоб контролювати напрямок і витрати потоку газу-носія.
Рис. 12 Пневматична схема адсорбційного концентрування:
1 - вхід газу-носія, 2, 3 - клапани, 4 - скидання газу з концентратора; 5 - запірний клапан, 6 - введення проби; 7 - концентратор, 8 - нагрівач; 9 - пастка, 10 - хладоагент (рідкий азот), 11 - термостат, 12 - колонка; 13 – детектор
Рис.13 Конструкція пристрою для криогенного концентрування проби:
1 - аналітична колонка, 2 - ущільнення, 3 - кришка, 4, 7 - вихід рідкого азоту, 5 - корпус, 6 - нагрівач; 8 - додаткова пастка; 9 - капілярна колонка, 10 - пастка, 11 - перехідна кварцова трубка з адсорбентом