27.4: Застосування газової хроматографії
- Page ID
- 27260
Кількісні програми
Газова хроматографія широко використовується для аналізу різноманітного масиву зразків в екологічних, клінічних, фармацевтичних, біохімічних, криміналістичних, харчових та нафтохімічних лабораторіях. У таблиці Template:index наведено деякі репрезентативні приклади програм.
| площа | застосування |
|---|---|
| екологічний аналіз |
парникові гази (CO 2, CH 4, NO x) в повітрі пестициди у воді, стічних водах та ґрунті викиди транспортних засобів тригалометани в питній воді |
| клінічний аналіз |
наркотики спирти крові |
| криміналістичний аналіз |
аналіз прискорювачів підпалу виявлення вибухових речовин |
| споживчі товари |
летюча органіка в спеціях і ароматах простежити органіку в віскі мономери в латексній фарбі |
| нафтохімічна та хімічна промисловість |
чистота розчинників нафтопереробний газ склад бензину |
Кількісні розрахунки
При аналізі ГК площа під піком пропорційна кількості аналіту, що вводиться на колону. Площа піку визначається інтеграцією, яка зазвичай обробляється комп'ютером приладу або електронним інтеграційним реєстратором. Якщо два піки вирішені повністю, визначення їх відповідних областей є простим.
Перед електронними інтеграційними реєстраторами та комп'ютерами використовувалися два методи для пошуку площі під кривою. Один із методів використовував ручний планувальник; коли ви використовуєте планіметр для відстеження периметра об'єкта, він записує площу. Другим підходом для пошуку площі піку є метод вирізання та зважування. Хроматограма записується на аркуш паперу і кожен пік інтересу вирізається і зважується. Якщо припустити, що папір рівномірна по товщині і щільності волокон, співвідношення ваг для двох піків таке ж, як і співвідношення площ. Звичайно, такий підхід руйнує вашу хроматограму.
Однак, що перекриваються піки вимагають вибору між одним з декількох варіантів поділу площі, розділеної двома піками (Рисунок Template:index). Який метод ми використовуємо, залежить від відносного розміру двох піків та їх роздільної здатності. У деяких випадках використання пікових висот дає більш точні результати [(а) Бікінг, М.К. л. хроматографія онлайн, квітень 2006; (б) Бікінг, М.К. хроматографія онлайн, червень 2006].
Для кількісної роботи нам потрібно встановити калібрувальну криву, яка пов'язує реакцію детектора з концентрацією аналіта. Якщо обсяг ін'єкції ідентичний для кожного стандарту та зразка, то зовнішня стандартизація забезпечує як точні, так і точні результати. На жаль, навіть за найкращих умов відносна точність реплікації ін'єкцій може відрізнятися на 5%; часто це значно гірше. Для кількісної роботи, що вимагає високої точності і точності, рекомендується використання внутрішніх стандартів.
Marriott і Карпентер повідомляють наступні дані для п'яти повторюваних ін'єкцій суміші, яка містить 1% v/v метил-ізобутилкетон і 1% v/v р -ксилолу в дихлорметані [Marriott, PJ; Carpenter, PD J Chem. Едук. 1996, 73, 96—99].
| ін’єкція | пік | пікова площа (арб. одиниць) |
|---|---|---|
| Я | 1 | 48075 |
| 2 | 78112 | |
| II | 1 | 85829 |
| 2 | 135404 | |
| III | 1 | 84136 |
| 2 | 132332 | |
| IV | 1 | 71681 |
| 2 | 112889 | |
| V | 1 | 58054 |
| 2 | 91287 |
Припустимо, що р -ксилол (пік 2) є аналітом, і що метил-ізобутилкетон (пік 1) є внутрішнім стандартом. Визначте 95% довірчий інтервал для одноточкової стандартизації з використанням внутрішнього стандарту і без нього.
Рішення
Для одноточкової зовнішньої стандартизації ми ігноруємо внутрішній стандарт і визначаємо залежність між піковою площею для р -ксилолу, А 2, і концентрацією, С 2, р -ксилолу.
\[A_{2}=k C_{2} \nonumber \]
Підставляючи відому концентрацію на р -ксилол (1% v/v) і відповідні пікові площі, дає наступні значення для постійної k.
\[78112 \quad 135404 \quad 132332 \quad 112889 \quad 91287 \nonumber \]
Середнє значення для k - 110 000 при стандартному відхиленні 25 100 (відносне стандартне відхилення 22,8%). Довірчий інтервал 95%
\[\mu=\overline{X} \pm \frac{t s}{\sqrt{n}}=111000 \pm \frac{(2.78)(25100)}{\sqrt{5}}=111000 \pm 31200 \nonumber \]
Для внутрішньої стандартизації взаємозв'язок між піковою площею аналіта, A 2, піковою площею внутрішнього стандарту, A 1 та їх відповідними концентраціями, C 2 та C 1, становить
\[\frac{A_{2}}{A_{1}}=k \frac{C_{2}}{C_{1}} \nonumber \]
Підстановка в відомих концентраціях і відповідних пікових областях дає наступні значення для константи k.
\[1.5917 \quad 1.5776 \quad 1.5728 \quad 1.5749 \quad 1.5724 \nonumber \]
Середнє значення для k - 1,5779 при стандартному відхиленні 0,0080 (відносне стандартне відхилення 0,507%). Довірчий інтервал 95%
\[\mu=\overline{X} \pm \frac{t s}{\sqrt{n}}=1.5779 \pm \frac{(2.78)(0.0080)}{\sqrt{5}}=1.5779 \pm 0.0099 \nonumber \]
Хоча існує суттєва різниця в окремих пікових областях для цього набору реплікації ін'єкцій, внутрішній стандарт компенсує ці варіації, забезпечуючи більш точну і точну калібрування.
На малюнку Template:index показані хроматограми для п'яти стандартів і для одного зразка. Кожен стандарт і зразок містять однакову концентрацію внутрішнього стандарту, яка становить 2,50 мг/мл. Для п'яти стандартів концентрації аналіту становлять 0,20 мг/мл, 0,40 мг/мл, 0,60 мг/мл, 0,80 мг/мл та 1,00 мг/мл відповідно. Визначте концентрацію аналіту в зразку шляхом (а) ігнорування внутрішніх стандартів та створення кривої калібрування зовнішніх стандартів та (б) створення внутрішньої стандартної калібрувальної кривої. Для кожного підходу повідомте про концентрацію аналіта та довірчий інтервал 95%. Використовуйте пікові висоти замість пікових областей.
- Відповідь
-
Наступна таблиця підсумовує мої вимірювання пікових висот для кожного стандарту та зразка, а також їх співвідношення (хоча ваші абсолютні значення для пікових висот будуть відрізнятися від моїх, залежно від розміру вашого монітора або роздруківки, ваші відносні коефіцієнти пікової висоти повинні бути схожі на мої).
[стандарт] (мг/мл) висота піку стандартної (мм) пікова висота аналіту (мм) коефіцієнт висоти піку 0,20 35 7 0,20 0,40 41 16 0,39 0,60 44 27 0,61 0,80 48 39 0,81 1.00 41 41 1.00 зразок 39 21 0,54 На малюнку (а) показана крива калібрування та рівняння калібрування, коли ми ігноруємо внутрішній стандарт. Підстановка пікової висоти зразка в калібрувальне рівняння дає концентрацію аналіту в зразку 0,49 мг/мл. Довірчий інтервал 95% становить ± 0,24 мг/мл. Калібрувальна крива показує досить багато розкиду даних через невизначеність обсягів впорскування.
На малюнку (b) показана крива калібрування та рівняння калібрування, коли ми включаємо внутрішній стандарт. Заміна коефіцієнта пікової висоти зразка в калібрувальне рівняння дає концентрацію аналіту в зразку 0,54 мг/мл. Довірчий інтервал 95% становить ± 0,04 мг/мл.
Дані для цієї вправи були створені таким чином, що фактична концентрація аналіта становить 0,55 мг/мл. З огляду на дозвіл шкали мого правителя, моя відповідь досить розумна. Ваші вимірювання можуть дещо відрізнятися, але ваші відповіді повинні бути близькі до фактичних значень.
Якісні програми
Крім кількісного аналізу, ми також можемо використовувати хроматографію для виявлення компонентів суміші. Як зазначалося раніше, при використанні FT-IR або мас-спектрометра в якості детектора ми маємо доступ до повного спектру елюента протягом будь-якого часу утримання. Інтерпретуючи спектр або шукаючи бібліотеку спектрів, ми можемо визначити аналіт, відповідальний за кожен хроматографічний пік.
Окрім визначення компонента, що відповідає за певний хроматографічний пік, ми також можемо використовувати збережені спектри для оцінки пікової чистоти. Якщо за хроматографічний пік відповідає лише один компонент, то спектри повинні бути однаковими по всьому елюції піку. Якщо спектр на початку елюції піку відрізняється від спектра, прийнятого поблизу кінця елюції піку, то принаймні дві складові є спільною елюцією.
При використанні неспектроскопічного детектора, такого як детектор іонізації полум'я, ми повинні знайти інший підхід, якщо ми хочемо ідентифікувати компоненти суміші. Одним із підходів є шип зразка з підозрюваним з'єднанням і шукати збільшення висоти піку. Ми також можемо порівняти піковий час утримання з часом утримання відомого з'єднання, якщо ми використовуємо однакові умови експлуатації.
Оскільки час зберігання сполуки на двох однакових стовпцях, швидше за все, не буде однаковим - відмінності в ефективності упаковки, наприклад, вплинуть на час зберігання розчиненої речовини на упакованому стовпці - створення таблиці стандартних термінів зберігання неможливе. Індекс утримання Kovat забезпечує одне рішення проблеми відповідності часу утримання. В ізотермічних умовах скориговані терміни утримання для нормальних алканів збільшуються логарифмічно. Ковата визначив індекс утримання, I, для нормального алкану як 100 разів більше кількості атомів вуглецю. Наприклад, показник утримання становить 400 для бутану, С 4 Н 10, а для пентану 500, С 5 Н 12. Для визначення індексу утримання з'єднання, I cpd, використовуємо наступну формулу
\[I_{cpd} = 100 \times \frac {\log t_{r,cpd}^{\prime} - \log t_{r,x}^{\prime}} {\log t_{r, x+1}^{\prime} - \log t_{r,x}^{\prime}} + I_x \label{12.1} \]
де\(t_{r,cpd}^{\prime}\) скоригований час утримання\(t_{r,x+1}^{\prime}\) сполуки\(t_{r,x}^{\prime}\) та скоригований час утримання для нормальних алканів, які елутуються безпосередньо перед сполукою та безпосередньо після з'єднання, відповідно, а I x - індекс утримання для нормального алкан, який елюює безпосередньо перед з'єднанням. Індекс утримання сполуки для певного набору хроматографічних умов - стаціонарної фази, рухомої фази, типу колони, довжини колони, температури тощо - є розумно узгодженим з дня на день та між різними колонами та приладами.
Таблиці індексів утримання Ковата доступні; див., наприклад, веб-книгу NIST Chemistry. Пошук толуолу повертає 341 значення I для більш ніж 20 різних стаціонарних фаз, як для упакованих колонок, так і для капілярних колонок.
При розділенні суміші вуглеводнів вимірюють наступні скориговані терміни утримання: 2,23 хв для пропану, 5,71 хв для ізобутану і 6,67 хв для бутану. Який показник утримання Ковата для кожного з цих вуглеводнів?
Рішення
Індекс утримання Ковата для нормального алкана в 100 разів перевищує кількість вуглеців; таким чином, для пропану I = 300, а для бутану I = 400. Для пошуку індексу утримання Ізобутану Ковата використовується Equation\ ref {12.1}.
\[I_\text{isobutane} =100 \times \frac{\log (5.71)-\log (2.23)}{\log (6.67)-\log (2.23)}+300=386 \nonumber \]
При використанні стовпчика з тією ж стаціонарною фазою, як у прикладі Template:index, ви виявили, що час утримання пропану та бутану становить 4,78 хв та 6,86 хв відповідно. Який очікуваний час утримання ізобутану?
- Відповідь
-
Оскільки ми використовуємо той самий стовпець, ми можемо припустити, що індекс утримання ізобутану 386 залишається незмінним. Використовуючи рівняння\ ref {12.1}, ми маємо
\[386=100 \times \frac{\log x-\log (4.78)}{\log (6.86)-\log (4.78)}+300 \nonumber \]
де x - час утримання ізобутану. Вирішуючи для х, ми знаходимо, що
\[0.86=\frac{\log x-\log (4.78)}{\log (6.86)-\log (4.78)} \nonumber \]
\[0.135=\log x-0.679 \nonumber \]
\[0.814=\log x \nonumber \]
\[x=6.52 \nonumber \]
час утримання ізобутану становить 6,5 хв.