3  Методы качественного анализа в газовой хроматографии

Общая информация

Газовая хроматография является прежде всего аналитическим методом и используется как для качественного, так и для количественного определения состава сложных смесей.

Качественный хроматографический анализ заключается в разделении сложной смеси и расшифровке хроматограмм, т.е. идентификации пиков на хроматограмме. Функция колонки в газовой хроматографии сводится лишь к разделению смеси на индивидуальные компоненты, а функция детектора — к регистрации выхода компонентов. Однако какой именно компонент в данный момент проходит детектор, последний не указывает.

Принципиально существуют два способа качественного анализа разделенной в хроматографической колонке смеси:

  1. По характеристикам удерживания. В этом случае основой качественного анализа служит зарегистрированная детектором хроматограмма.
  2. С использованием других аналитических приемов: компоненты смеси на выходе из колонки направляются в какой-либо анализатор, где и устанавливается их природа химическим или физическим методом.

Возможно сочетание обоих способов идентификации.

Идентификация веществ по характеристикам удерживания

Метод тестеров

При строго определенных условиях работы удельный удерживаемый объем или время удерживания являются вполне определенными характеристиками компонента. Часто идентификация веществ основана на сравнении времени удерживания неизвестного компонента и известного вещества-тестера, подвергнутого хроматографированию в тех же условиях. Тестер можно вводить непосредственно в анализируемую смесь при повторном хроматографировании. Если тестер идентичен анализируемому веществу, то на повторной хроматограмме число пиков остается без изменения, однако площадь одного из них увеличивается. Возможности применения метода тестеров в значительной степени зависят от наличия хроматографически чистых веществ-тестеров, и хотя бы приблизительных данных о составе анализируемой смеси.

Применение абсолютных величин удерживания, например удельного удерживаемого объёма или времени удерживания, может привести к получению ненадёжных результатов из-за воздействия случайных факторов. Это исключается при использовании для идентификации веществ относительного удерживаемого объема.

Относительный удерживаемый объем представляет собой отношение исправленных удерживаемых объемов анализируемого вещества и стандарта: \[ V_{R,i}^\text{отн} = V_{R,i}/V_{R,\text{ст}}. \]

Поскольку \(V_R = Ft_R\) (\(F\) — скорость потока газа-носителя, мл/мин), то \[ V_{R,i}^\text{отн} = t_{R,i}/t_{R,\text{ст}}. \]

В качестве стандартов наибольшее распространение получили пентан (для предельных углеводородов), масляная кислота (для жирных кислот), метиловый эфир миристириновой кислоты (для эфиров жирных кислот) и др.

Для различных систем сорбент–сорбат обычно табулируются именно относительные объемы удерживания, которые и используются для идентификации. Разумеется все условия опыта должны совпадать с табличными.

Внутри одного класса соединений график \(\lg V_{R,i}^\text{отн} = f(n)\) (\(n\) — число атомов углерода) обычно представляет прямую линию.

Если какой-либо член гомологического ряда, необходимый в качестве тестера, отсутствует, то его относительный удерживаемый объем (или время удерживания) можно найти интерполяцией из графика \(\lg V_{R,i}^\text{отн} = f(n)\).

Если в анализируемой смеси содержатся компоненты различных классов соединений, то для их идентификации нужно построить несколько калибровочных графиков, полученных из данных удерживания соединений этих классов как на полярной, так и неполярной НЖФ.

Графики \(\lg V_{R,i}^\text{отн} = f(n)\) для полярной и неполярной НЖФ можно совместить: на оси абсцисс отложить \(\lg V_{R,i}^\text{отн}\) на полярной НЖФ, на оси ординат - эту же величину на неполярной жидкой фазе. Полученная зависимость прямолинейна для каждого гомологического ряда. Она позволяет производить идентификацию с большой достоверностью, причем прямые ложатся параллельно друг другу.

Для самих удерживаемых объемов, а не их логарифмов, наблюдаются прямые, исходящие из начала координат. Наклон этих прямых при одинаковом масштабе является характеристикой различных функциональных групп.

Идентификацию проводят следующим образом: сначала устанавливают принадлежность компонента анализируемой смеси к тому или иному гомологическому ряду. Для этого сопоставляют логарифмы объемов удерживания или сами объемы удерживания компонента, измеренные по хроматограммам на колонках с двумя различными жидкими фазами. Совмещение измеренных по хроматограммам на обеих колонках величин удерживания с точкой на той или иной прямой на графике указывает на принадлежность компонента к соответствующему этой прямой гомологическому ряду. Положение же точки на прямой дает ответ на вопрос, что это за вещество.

Линейной обычно является также зависимость \(\lg V_{R,i}^\text{отн} = f(z)\), где \(z =T_\text{кип}/T_\text{кол}\). Такая зависимость установлена для членов гомологических рядов неполярных соединений.

Индексы удерживания

Наибольшее распространение получил способ идентификации веществ по индексам удерживания, предложенный Эрвином Ковачем (1958). Суть его заключается в использовании линейной зависимости между логарифмом объёма удерживания (чаще — исправленного объёма удерживания, \(V'_R = V_R-V_0\)) и числом атомов углерода нормальных парафинов.

Индексы н-алканов

Индексы удерживания нормальных углеводородов равны числу углеродных атомов, умноженному на 100, и характеризуют адсорбируемость или растворимость. Они составляют так называемую шкалу индексов индексов удерживания \(І\) (или \(RI\) — Retention Index). Нулевое значение индекса приписывается водороду — гипотетическому углеводороду с нулевым числом атомов углерода: \(I(\ce{H}) = 0\); индекс удерживания метана — \(І(\ce{CH4}) = 100\), гексана — \(І(\ce{C6H14})\) = 600.

Индексы удерживания Ковача (известные также как логарифмические индексы удерживания) различных классов соединений І находят по формуле: \[ I(i) = 100\left(n+\frac{\lg V'_R(i)-\lg V'_R(n)}{\lg V'_R(n+1)-\lg V'_R(n)}\right), \] где \(V'_R(i)\) — измеренный исправленный объем удерживания анализируемого вещества \(i\); \(V'_R(n)\) — исправленный объем удерживания нормального парафина с числом \(n\) атомов углерода; \(V'_R(n+1)\) — исправленный объем удерживания нормального парафина с числом \((n + 1)\) атомов углерода.

Эти два н-алкана играют роль стандартов и должны выходить из колонки до и после анализируемого вещества.

Чаще, однако, для расчётов применяют не удерживаемые объёмы, а времена удерживания: \[ I(i) = 100\left(n+\frac{\lg t'_R(i)-\lg t'_R(n)}{\lg t'_R(n+1)-\lg t'_R(n)}\right), \tag{3.1}\] где обозначения индексов те же, что и для объёмов удерживания, \(t'_R = t_R-t_0\)

В случае хроматографирования в режиме программирования температуры используют значения температуры \(T\) колонки в момент выхода из неё веществ и рассчитывают линейный индекс удерживания (\(LI\)): \[ LI(i) = 100\left(n + \frac{T(i) - T(n))}{T(n+1) - T(n)}\right). \]

Температуры рассчитывают по программе. Например, если программирование температуры начинают со значения \(T_0\) и повышают со скоростью \(v\) ℃/мин, температура колонки в момент выхода пика вещества \(t_R\) может быть рассчитана по формуле: \[ T = T_0 + vt_R, \] соответственно: \[ \begin{aligned} LI(i) &= 100\left(n+\frac{(T_0+vt_R(i)) - (T_0+vt_R(n))}{(T_0+vt_R(n+1)) - (T_0+vt_R(n))}\right) =\\ &= 100\left(n+\frac{t_R(i) - t_R(n)}{t_R(n+1) - t_R(n)}\right). \end{aligned} \tag{3.2}\]

Метод индексов удерживания по сравнению с другими методами идентификации имеет следующие преимущества:

  • в качестве тестеров используются доступные н-алканы:
  • индексы удерживания мало зависят от температуры;
  • в любом гомологическом ряду при переходе от одного гомолога к другому \(I\) увеличивается на 100 единиц;
  • при введении в молекулы близких по строению веществ одинаковых функциональных групп \(I\) увеличивается на одну и ту же величину;
  • при наличии литературных данных по индексам удерживания можно проводить качественный анализ без применения индивидуальных веществ.
Индексы Ли

Индексы Ли рассчитываются аналогично индексам н-алканов, но эталонными соединениями являются полиядерные ароматические углеводороды (ПАУ) ангулярного строения, первые представителями которых:

  • бензол (одно ядро, индекс 100),
  • нафталин (двя ядра, 200),
  • фенантрен (три ядра, 300),
  • хризен (четыре ядра, 400).

Индексы Ли находят применение для идентификации полиароматичнеских углеводоров и их гомологов.

Индексы удерживания соединений для большого числа соединений могут быть найдены в базе данных NIST1.

Нехроматографические методы идентификации

Наиболее важными из них являются следующие:

  • инфракрасная спектроскопия. Для проведения ИК спектроскопии разделенные хроматографически и выделенные отдельные компоненты помещают в газовую или жидкостную кювету спектрографа и снимают спектр. По каталогу спектров или по эталонным веществам идентифицируют анализируемые вещества;
  • масс-спектроскопия. При идентификации методом масс-спектроскопии хроматографическую колонку соединяют с масс-спектрометром. Такое сочетание называют обычно хромато-масс-спектроскопией (ГХ/МС). Выходящие из колонки компоненты анализируемой смеси поступают поочередно в быстро-действующий масс-спектрометр. Полученные масс-спектры сравниваются с имеющимися в каталогах. На основе такого сравнения идентифицируют компоненты анализируемой смеси. В настоящее время это наиболее распространённый метод идентификации;
  • идентификация с использованием химических реакций до и после хроматографической колонки. Эти реакции могут быть общими, т.е. применяющимися для многих соединений, и специфическими, с помощью которых можно определить соединение одного типа или даже одну функциональную группу;
  • идентификация, основанная на селективном удалении некоторых соединений. В этом случае используются реагенты (сорбенты) селективно удерживающие компонент или несколько компонентов на входе в хроматографическую колонку или на выходе из нее. Проведя хроматографический анализ до и после удаления, сравнивают хроматограммы, и по разности хроматограмм производят идентификацию;
  • идентификация с использованием специальных детекторов. Например, электроно-захватный детектор (ДЭЗ), действие которого основано на измерении электронного сродства молекул, позволяет идентифицировать определенные функциональные группы. Особенно сильное сродство к электрону проявляется у галоген-, кислород- и азотсодержащих веществ.

Существуют и другие менее распространенные нехроматографические методы идентификации

Лабораторная работа №1. Качественный анализ в газовой хроматографии. Идентификация вещества по индексу удерживания

В работе необходимо рассчитать индекс удерживания неизвестного вещества на НЖФ (диметилполисилоксановый каучук SE-30) и произвести его идентификацию.

Выполнение работы

Приготовление эталонной смеси н-алкнов

В сухую чистую хроматографическую виалу слейте с помощью дозатора по 200-300 мкл эталонных н-алканов: гексана, гептана, октана, нонана и декана. Плотно закройте виалу крышкой и хорошо перемешайте содержимое встряхиванием.

Хроматографирование

Запишите не менее 2 хроматограмм полученной смеси для расчёта средних времён выхода пиков.

Запись хроматограммы в изотермическом режиме (хроматограф ЛХМ-8МД)
Предупреждение

Перед началом работы удостоверьтесь, что:

  • Входное давление в обеих колонках больше 0. Запишите давление в тетрадь!
  • Температура термостата стабилизировалась: показания ртутного термометра термостата 70-90℃ и не меняются в течение нескольких минут. Запишите температуру в тетрадь!
  • Показания детектора (АЦП-1) в панели управления больше 0, но меньше 10 мВ (в идеале — 2–10 мВ) и не меняются во времени (выберите АЦП-1 во вкладке «Сигнал»).

В случае невыполнения этих условий, немедленно сообщите об этом преподавателю или инженеру! Помните, что спирали детектора по теплопроводности (катарометра) очень чувствительны к перегреву и быстро перегорают в отсутствие потока газа-носителя (нулевое давление на вход)!

Для расчёта логарифмических индексов удерживания необходимо знать время выхода неудерживаемого компонента (\(t_0\)). Для этой цели воспользуйтесь пиком воздуха, который попадает в испаритель с каждым вколом пробы и обычно хорошо различим в начале хроматограммы в виде «всплеска» небольшой амплитуды.

  • Введите 0.2 мкл эталонной смеси в испаритель, нажмите кнопку «Старт» для начала записи хроматограммы.
  • Удостоверьтесь, что в течение 5-6 минут на экране вышли все 5 пиков эталонных алканов, а в начале хроматограммы заметен в виде «всплеска» небольшой амплитуды пик воздуха. Пики должны быть достаточно узкими, хорошо разделёнными.
  • По окончании записи хроматограммы после её интегрирования выпишите времена выхода всех 5 н-алкнов и пика воздуха. Если при автоматической разметке пиков оказались неразмеченными какие-либо пики, разметьте их вручную: удерживая нажатой клавишу Ctl щёлкните левой кнопкой мыши в начале пика и, не отпуская Ctl и кнопку мыши, протяните курсор в конец пика. Отпустите кнопку мыши. Пик размечен.
  • Повторите хроматографирование смеси минимум ещё один раз.

Для записи результатов воспользуйтесь таблицей:

Компонент \(t_{R,1}\) \(t_{R,2}\) \(t_{R,3}\) \(\bar{t}_R\)
Воздух
н-C6
н-C7
н-C8
н-C9
н-C10
Опред. в-во
Запись хроматограммы в режиме программирования температуры (хроматограф Цвет-500М)
Предупреждение

Перед началом работы удостоверьтесь, что:

  • Показания детектора (ПИД-1) в панели управления больше 0 (пламя детектора горит).
  • Температура термостата стабилизировалась: на блоке управления сигнал «Готовность» горит не менее 2 минут!
  • Введите 0.1–0.2 мкл эталонной смеси в испаритель, нажмите одновременно кнопку «Старт» на блоке сбора данных для начала записи хроматограммы и «Старт/Стоп» на блоке управления температурой хроматографа для запуска температурной программы.
  • Удостоверьтесь, что в течение 5-6 минут на экране вышли все 5 пиков эталонных алканов.
  • По окончании записи хроматограммы после её интегрирования выпишите времена выхода всех 5 н-алкнов.
  • Повторите хроматографирование смеси минимум ещё один раз.

Температурную программу запишите в тетрадь!

Для записи результатов воспользуйтесь таблицей:

Компонент \(t_{R,1}\) \(t_{R,2}\) \(t_{R,3}\) \(\bar{t}_R\)
н-C6
н-C7
н-C8
н-C9
н-C10
Опред. в-во

Аналогичным образом запишите не менее двух хроматограмм выданного преподавателем раствора неизвестного вещества в гексане.

Расчёт индексов удерживания и идентификация вещества

Для расчёта индексов удердивания неизвестного вещества воспользуйтесь формулой (3.1) для изотермического индекса или (3.2) — для режима программирования температуры.

  1. NIST Chemistry WebBook: https://webbook.nist.gov/chemistry/.↩︎