4 Методы количественного анализа в газовой хроматографии

Общие сведения

Количественный анализ в газовой хроматографии полагается на зависимость сигнала детектора от концентрации определяемого вещества. В большинстве случаев эта зависимость линейна и для таких детекторов, как пламенно-ионизационный имеет широкий линейный диапазон (до 10⁷), уникальный не только для газовой хроматографии.

Метод внешнего стандарта

В простом случае можно приготовить серию стандартных растворов (минимально — один раствор) с различным содержанием определяемого компонента (или даже нескольких компонентов) и провести их хроматографирование. График зависимости площади компонента пика от его концентрации в стандартном растворе называется абсолютной градуировкой — это самый простой из градуировочных методов. Поскольку анализируемый раствор может иметь иной состав, по сравнению с градуировочным (другой растворитель, примеси), описанный способ градуировки называют также методом внешнего стандарта.

Рисунок 4.1: Градуировка методом внешнего стандарта

В области градуировки площадь пика $S$ и концентрация компонента $c$ связаны линейным соотношением:

$S = K_{1} c + K_{0},$ где $K_{1}$ , $K_{0}$ — параметры прямой, определяемые графически или с помощью расчёта методом наименьших квадратов на компьютере («линия тренда» в MS Excel). Расчёт концентрации для площади пика вещества $S_{x}$ на хроматограмме в этом случае производят по формуле:

$c_{x} = (S_{x} - K_{0}) / K_{1} .$

Метод внешнего стандарта применим для анализа проб, состав которых близок к составу градуировочных растворов и в случае, если погрешности дозирования проб ниже остальных погрешностей определения.

Метод внутреннего стандарта

Пробоподготовка, часто включающая стадии экстракции, ухудшает воспроизводимость ввода. Для её улучшения в газовой хроматографии часто применяют метод внутреннего станадарта: к градуировочным растворам определяемого компонента добавляют известные концентрации вещества (внутренний стандарт), отсутствующего в пробах, но похожего по свойствам на определяемые компоненты и имеющего чётко отделённый от определяемых веществ и возможных примесей пик на хроматограмме. В случае погрешности дозирования массы веществ, попавших в колонку, будут различными, однако отношения масс определяемого вещества и стандарта в каждой пробе сохранятся неизменными.

Градуировочную зависимость в методе внутреннего стандарта строят в координатах $S_{i} / S_{s t}$ от $m_{i} / m_{s t}$ (или даже $c_{i} / c_{s t}$ ), где индекс $i$ относится к определяемому компоненту, а $s t$ — к веществу-стандарту. По градуировочной зависимости находят отношение $c_{x} / c_{s t}$ , соответствующее отношению площадей пиков определяемого вещества и стандарта $S_{x} / S_{s t}$ , далее, по известной $c_{s t}$ , находят концентрацию определяемого вещества:

$c_{x} = \frac{S_{x} / S_{s t} - K_{0}}{K_{1}} c_{s t}$

Лабораторная работа №2. Количественный анализ в газовой хроматографии. Метод внутреннего стандарта

В работе в качестве определяемого вещества используется нонан, а в качестве вещества-стандарта — октан.

Выполнение работы

Работа выполняется на газовом хроматографе, оборудованном пламенно-ионизационным детектором или катарометром и колонкой, позволяющей провести разделение смеси углеводородов гексан–декан в изотермическом или политермическом режиме. Режим хроматографирования задаётся по указанию преподавателя.

Построение градуировочной зависимости

График градуировочной зависимости может быть построена в любой из подходящих для этой цели программ (например, MS Excel) или на миллиметровой бумаге.

Приготовление градуировочных смесей

В 7 сухих и чистых хроматографических виал с помощью дозатора поместите по 1 мл гексана (растворитель) и по 50 мкл октана (внутренний стандарт). Добавьте в виалы необходимый объём ( $V_{i}$ ) нонана, руководствуясь таблицей:

Состав градуировочных смесей
№	$V_{i}$ , мкл	$c_{i}$ , мг/мл	$c_{i} / c_{s t}$	$S_{i}$	$S_{s t}$	$S_{i} / S_{s t}$
0	0
1	10
2	20
3	40
4	60
5	80
6	100

Плотно закройте виалы крышками и хорошо перемешайте содержимое встряхиванием. Виала «0» не содержит определяемого вещества (нонана) и является холостой пробой: наличие пика на месте нонана указывает на загрязнение растворителя (гексана) этим компонентом.

Используя плотности нонана (0.718 г/см³) и октана (0.703 г/см³), рассчитайте концентрации октана и нонана в каждой из виал в мг/мл (не забудьте просумировать объёмы сливаемых компонентов!) и $c_{i} / c_{s t}$ .

Хроматографирование

Задайте режим хроматографирования по указанию преподавателя. При появлении сигнала хроматографа «Готовность» введите 0.2 мкл смеси из первой виалы в испаритель, запустите запись хроматограммы и дождитесь её окончания. Аналогичным образом выполните хроматографирование остальных смесей.

Расчёт и построение градуировочной зависимости

Выполните интегрирование пиков на каждой из полученных хроматограмм в программе «Хроматэк-Аналитик» и выпишите площади пиков нонана и октана в таблицу. Рассчитайте отношение площадей для построения градуировочной зависимости.

Градуировочная зависимость в методе внутреннего стандарта строится в координатах $S_{i} / S_{s t}$ от $c_{i} / c_{s t}$ .

Решение задачи

К 1 мл выданного преподавателем раствора добавьте 50 мкл внутреннего стандарта и введите 0.2 мкл полученного раствора в испаритель хроматографа. Рассчитайте площади пиков определяемого вещества и стандарта, а затем — их отношение. Воспользуйтесь градуировкой для нахождения отношения концентраций определяемого компонента и стандарта.

Лабораторная работа №3. Определение состава воздуха методом газоадсорбционной хроматографии с детектором по теплопроводности

При хроматографическом анализе воздушных проб на колонках, заполненных молекулярными ситами-цеолитами типа NaX или CaA, содержащиеся в воздухе азот и кислород хорошо разделяются и регистрируются детектором (катарометром) в виде отдельных пиков. Четкость разделения обусловливает весьма высокую точность результатов количественного анализа. Из-за близкой поляризуемости молекул кислорода и аргона эти газы в указанных условиях не разделяются и выходят одним пиком. Углекислый в условиях разделения газ поглощается молекулярными ситами необратимо, а все другие компоненты из-за ничтожной их концентрации не улавливаются катарометром. Определение углекислого газа производится на отдельной колонке, заполненной мелкопористым силикагелем марки АСМ.

Состав атмосферного воздуха
Газ	% по массе	% по объему
Азот	75.60	78.08
Кислород	23.10	20.95
Аргон	1.286	0.9325
Диоксид углерода	0.046	0.030
Гелий	0.00007	0.0005
Неон	0.0012	0.0018
Криптон	0.0003	0.000108
Ксенон	0.0004	0.000008
Озон	—	1•10^-6
Радон	-	6•10^-13
Водород	—	0.00005

Выполнение работы

Определение соотношения кислорода и азота

Шприцем или краном-дозатором отбирают 1 мл атмосферного воздуха и вводят в испаритель хроматографа. После окончания хроматографирования производят разметку пиков в программе и записывают площади пиков O₂+Ar и N₂. Хроматографирование повторяют минимум еще один раз, результаты записывают в таблицу:

Компонент	Площадь пика, $S_{i}$	$K_{i} S_{i}$	$C_{i}$ , %
O₂ + Ar
N₂

Расчёт концентраций азота и кислорода производят методом простой нормировки площадей пиков с учётом чувствительности катарометра к различным компонентам. Концентрация компонента $i$ газовой смеси, выраженная в объёмных (мольных) процентах вычисляется по формуле:

$C_{i} = \frac{K_{i} S_{i}}{\sum_{i} K_{i} S_{i}} \cdot 100 % .$

Относительная чувствительность ( $K_{i}$ ) катарометра к некоторым газам, входящим в состав атмосферного воздуха (стандарт — $н$ -бутан)
Газ	Водород	Гелий
Азот	1.76	2.02
Аргон	—	1.93
Бутан	1.00	1.00
Водород	—	58.60
Гелий	2.22	—
Диоксид углерода	1.55	2.02
Кислород	1.95	2.12
Оксид углерода	1.87	1.77

Определение мольной доли углекислого газа

Важное уведомление

Работу выполняют на второй колонке, поэтому перед началом работы необходимо переключить полярность сигнала!

Шприцем или краном-дозатором отбирают 1 мл атмосферного воздуха и вводят в испаритель второй колонки хроматографа. После окончания хроматографирования производят разметку пиков в программе и записывают площади пиков N₂+O₂+Ar и CO₂. Расчёт объемной (мольной) доли CO₂ выполняют аналогично. Определение повторяют дважды. Полученные результаты усредняют.