1.7. Качественный и количественный анализ
Качественный анализ предполагает сбор всей необходимой информации о пробе для идентификации ее компонентов. По общему виду хроматограммы можно сразу сделать вывод о сложности анализируемой смеси. Времена удерживания компонентов смеси позволяют провести их классификацию в соответствии с летучестью. Специфические детекторы, в первую очередь масс-спектрометр, дают информацию о составе и структуре компонентов анализируемой пробы. Качество этих данных определяется эффективностью разделения, поэтому внедрение в лабораторную практику капиллярных колонок существенно повысило ценность газовой хроматографии как метода качественного анализа.
Современная высокоэффективная газовая хроматография характеризуется чрезвычайно высокой воспроизводимостью определения времен удерживания. Это обусловлено прежде всего природой самих колонок. В насадочных колонках со временем насадка уплотняется, а следовательно, изменяется газопроницаемость колонки. Этого недостатка лишены кварцевые капиллярные колонки, которые имеют низкую теплоемкость, поэтому они быстро нагреваются и охлаждаются. Как правило, неподвижные фазы в кварцевых колонках иммобилизованы, что препятствует перераспределению фазы и снижает ее унос из колонки. Улучшенные характеристики капиллярных колонок стали стимулом для улучшения качества самих хроматографов в первую очередь в узлах термического и пневматического управления. Результатом стало появление более совершенных хроматографических систем.
Высокая воспроизводимость времен удерживания в современной газовой хроматографии для идентификации пиков позволяет использовать индексы удерживания Ковача, по предложению которого в качестве стандартного вещества сравнения используется нормальный углеводород. Каждому нормальному углеводороду присвоен индекс удерживания, равный числу атомов углерода в его молекуле умноженной на 100. Индексы удерживания для других соединений получают путем логарифмической интерполяции исправленных времен удерживания по уравнению:
,
(1.29)
где N число атомов углерода в молекуле н-алкана с меньшей молекулярной массой; n разность чисел атомов углерода у двух н-алканов, между которыми расположено определяемое соединение.
Для того чтобы провести такую интерполяцию, необходимо знать времена удерживания стандартных соединений, которые часто определяют путем анализа смеси, содержащей только нормальные углеводороды. Проведение логарифмической, а не линейной интерполяции объясняется тем, что в условиях изотермической газовой хроматографии исправленные времена удерживания возрастают экспоненциально с ростом числа атомов углерода в молекуле.
По этой причине при анализе смесей, содержащих компоненты с широким диапазоном температур кипения, используют программирование температуры. При линейном программировании температуры времена удерживания компонентов гомологического ряда увеличиваются линейно с ростом числа атомов углерода. Идея использования для идентификации веществ индексов удерживания в сочетании с программированием температуры была предложена Ван ден Дулом и Кратцем. Расчет индексов удерживания упрощен, так как проводится линейная интерполяция, и можно использовать неисправленные времена удерживания
,
(1.30)
где T, T(N) и T(N+n) температуры удерживания определяемого компонента и двух н-алканов, между которыми находится определяемый компонент.
Система индексов удерживания Ковача (в изотермических условиях) имеет следующие преимущество: индексы удерживания зависят от типа неподвижной фазы и температуры. Это облегчает сопоставление величин удерживания, найденных в различных лабораториях. Напротив, сопоставление индексов удерживания определенных в условиях программирования температуры, требует обязательного точного соблюдения параметров эксперимента: размеров колонки, типа газа-носителя, его объемной скорости и профиля программирования температуры.
С помощью уже известных индексов удерживания можно провести идентификацию соединений. Составлены специальные библиотеки табличных данных по индексам удерживания. Так, например, создана база данных индексов удерживания 2000 соединений, полученных с использованием четырех неподвижных фаз [Sprouse J.F., Varano A.1984. Amer. Lab., 16, 54-68.]. Эта база данных специально предназначена для работы с пакетами программ, осуществляющих расчеты и автоматический поиск в базе данных.
Аналогичный принцип лежит в основе использования гибридных методов, сочетающих капиллярную газовую хроматографию и масс-спектрометрию или ИКспектрометрию. Данные, получаемые при сочетании нескольких методов, более надежны, чем те, которые основаны на применении одного метода.
Количественный анализ с использованием капиллярных колонок по точности не уступает анализу на насадочных колонках. Применение капиллярных колонок позволяет улучшить разделение, уменьшить продолжительность анализа и достигнуть более высокой чувствительности. Однако результаты анализа зависят от выбранного метода ввода пробы, который в свою очередь определяется типом анализируемой пробы и имеющимся в наличии оборудованием. Прямой ввод пробы используется для колонок, внутренний диаметр которых составляет не менее 0,5 мм. Применение колонок меньшего диаметра обуславливает использование более совершенных систем ввода пробы. Ввод пробы без деления потока используется при определении следовых количеств; при определении макрокомпонентов применяют ввод пробы с делением потока. Непосредственный ввод пробы в колонку универсален и особенно удобен при определении соединений низкой летучести.
Оптимальное проведение анализа при введении пробы с делением потока, характеризуется понятием “линейности”. Линейность это линейная зависимость сигнала системы от концентрации или количества введенного вещества. Критерий линейности предполагает следующее:
Относительный размер пика, полученный при вводе пробы с делением потока, должен быть идентичен размеру пика, полученному без деления потока или рассчитанному.
Площадь пика компонента смеси должна быть пропорциональна концентрации последнего, а также объему введенной пробы.
Площадь пика должна быть обратно пропорциональна коэффициенту деления потока.
Желательно, чтобы линейность выполнялась при проведении количественного анализа, однако на практике достигнуть этого удается не всегда.
Определение следовых количеств методом капиллярной хроматографии основано на введении пробы без деления потока или непосредственным вводе в колонку. При вводе пробы без деления потока испарение ее должно произойти практически мгновенно, однако и в этом случае данные могут искажаться за счет различий в молекулярной массе определяемых веществ. Ввод пробы непосредственно в колонку, осуществляемый при относительно низких температурах, позволяет получать более правильные и воспроизводимые данные. Кроме того, в этом случае можно определять термически неустойчивые соединения, которые разлагаются в нагреваемом узле ввода пробы. Ввод пробы без деления потока обладает одним преимуществом по сравнению с непосредственным вводом: в первом случае тяжелые не испарившиеся компоненты остаются в легко очищаемом узле ввода, во втором накапливаются в колонке.
Необходимо также внимательно отнестись к выбору детектора. В большинстве случаев предпочтение отдают пламенно-ионизационному детектору, поскольку он характеризуется высокой чувствительностью и линейностью сигнала в широком интервале концентраций. При определении следовых количеств желательно использовать селективные детекторы электроннозахватный и пламенно-фотометрический. При тщательной оптимизации условий анализа эти детекторы обеспечивают очень высокую чувствительность определения. Однако при использовании этих детекторов, как правило, имеет место нелинейность сигнала, поэтому для получения точных результатов необходимо проводить многоуровневую градуировку.