Instrukcja Ćwiczenie nr 2.

Instrukcja
do ćwiczeń laboratoryjnych
dla studentów specjalizacji Technologia Organiczna
Przedmiot: LABORATORIUM TECHNOLOGICZNE
Semestr VII
Ćwiczenie nr 2.
Optymalizacja rozdziału mieszanin gazowych
w chromatografii gazowej
Miejsce ćwiczenia:
Katedra Technologii Chemicznej Organicznej i
Petrochemii
Gliwice, ul. B. Krzywoustego 4, III p.309
Prowadzący : dr inż. Krzysztof Skutil (pokój nr 308)
Instrukcję opracował: dr inż. Krzysztof Skutil
Gliwice, 2002 r. (zmodyfikowano 2007 r.)
1
Część ogólna
Wstęp
Chromatografia gazowa należy obecnie do podstawowych sposobów ilościowej
i jakościowej analizy substancji chemicznych. Znajduje szczególnie powszechne zastosowanie
w przypadku konieczności oznaczenia składu złożonych mieszanin substancji (np. produktów
reakcji chemicznej) zarówno w pracach badawczych jak i do bieżących lub ciągłych analiz
przemysłowych. Podstawowa cecha tej metody analitycznej polegająca na selektywnym
rozdzieleniu złożonych mieszanin na pojedyncze, indywidualne składniki daje także
możliwości wydzielenia substancji ze złożonych mieszanin i wytwarzanie na tej drodze czystych
składników (tzw. chromatografia preparatywna).
W większości przypadków technikę chromatograficzną stosuje się w celach oznaczeń
ilościowych. Możliwość zidentyfikowania poszczególnych składników analizowanej mieszaniny
(analiza ilościowa), choć jest możliwa, rzadko odbywa się wyłącznie przy użyciu
techniki chromatograficznej. W przypadku konieczności jakościowego oznaczenia składu
mieszanin o zupełnie nieznanym charakterze, stosuje się na ogół doskonalsze techniki
identyfikacyjne (np. spektroskopię masową, NMR, UV, IR itp.) lub sprzęga chromatograf
gazowy z wyżej wymienionymi metodami identyfikacyjnymi. W takim przypadku rola
chromatografu sprowadza się w zasadzie do rozdzielenia mieszaniny na pojedyncze składniki,
a informacje dotyczące rodzaju i budowy substancji uzyskuje się w oparciu o wymienione
techniki (w praktyce najczęściej stosuje się układ złożony z chromatografu gazowego
i spektroskopu masowego). Bardzo często użytkownik chromatografu z góry wie lub z dużym
prawdopodobieństwem może przewidzieć jakościowy skład analizowanej mieszaniny. Wówczas
istnieje prosta metoda identyfikacyjna polegająca na porównaniu prostych parametrów
identyfikacyjnych substancji wzorcowej (czystej) z wielkościami uzyskanymi dla poszczególnych
składników rozdzielanej mieszaniny (bardziej szczegółowo opisano to w pkt. III). Taka
metodyka jest obecnie powszechnie stosowana.
I. Istota techniki chromatograficznej
Istota metody chromatografii gazowej polega na wykorzystaniu różnic
w powinowactwie składników rozdzielanej mieszaniny w stosunku do tzw. fazy nieruchomej
wypełniającej podstawowy element chromatografu - kolumnę rozdzielczą. W strumieniu gazu
nośnego przepływającego w sposób ciągły przez kolumnę następuje selektywne, zróżnicowane
zatrzymywanie składników na powierzchni aktywnego wypełnienia. Wykorzystywane jest
zjawisko różnic właściwości adsorpcyjnych fazy stałej w odniesieniu do poszczególnych
składników rozdzielanej mieszaniny lub różnic w absorpcji składników w aktywnej cieczy
naniesionej na stałą powierzchnię wypełnienia kolumny. W tym pierwszym przypadku o sile
powiązania rozdzielanej substancji z fazą aktywną wypełnienia kolumny (z fazą nieruchomą)
decyduje wartość współczynnika adsorpcji i mówi się wówczas o tzw. chromatografii
adsorpcyjnej. Częściej jako fazę aktywną stosuje się różne substancje ciekłe (o małej lotności)
naniesione na powierzchnię (zwykle celowo silnie rozwiniętą) porowatego ciała stałego
(chromatografia absorpcyjna), a o sile powiązania z fazą nieruchomą decyduje współczynnik
podziału.
Zjawiska powierzchniowe zachodzące w fazie stacjonarnej mają charakter dynamiczny - składają
się z wielokrotnie następujących po sobie zjawisk adsorpcji (lub absorpcji) i desorpcji ,
a dynamikę i ruch substancji wzdłuż kolumny chromatograficznej i towarzyszący mu stopniowy
rozdział mieszaniny wywoływany jest przepływem strumienia gazu, tzw. nośnego. Po
rozdzieleniu mieszaniny na składniki, już po wyjściu z kolumny chromatograficznej znajduje się
urządzenie zwane detektorem, którego zadaniem jest wytwarzanie dynamicznego sygnału
2
(zwykle elektrycznego) będącego reakcją na obecność (i ilość) analizowanej substancji. Sygnał
ten może być przetwarzany, wzmacniany i przesyłany do odpowiednich urządzeń rejestrujących
(samopiszące rejestratory mechaniczne) i integrujących (często sprzężonych z pamięcią
komputera).
II. Podstawowe elementy chromatografu gazowego
Każdy chromatograf gazowy musi składać się z kilku podstawowych, niezbędnych
elementów warunkujących prawidłową pracę urządzenia: kolumna wraz z odpowiednim
wypełnieniem (fazą stacjonarną), detektor, rejestrator (lub integrator sygnałów), urządzenie do
wprowadzania gazu nośnego, elementy dozowania próbek substancji oraz cały szereg układów
pomocniczych ułatwiających obsługę, zwiększających precyzję i powtarzalność analiz.
W ostatnich latach nastąpił burzliwy rozwój w doskonaleniu techniki chromatografii gazowej
wskutek szerokiego i wszechstronnego zastosowania nowoczesnej elektroniki i metod
komputerowych.
1) Kolumna chromatograficzna. Najczęściej konstruowana w postaci rury zwykle zwiniętej
w kręgi lub w kształt litery „U” (w celu zmniejszenia gabarytów) o bardzo zróżnicowanych
wymiarach. W zależności od wymiarów rozróżnia się 2 podstawowe typy stosowanych kolumn
chromatograficznych:
a) tzw. kolumny pakowane, o stosunkowo dużej średnicy wewnętrznej (zwykle kilka mm)
i niezbyt dużej długości (raczej nie przekraczającej kilku metrów)
b) tzw. kolumny kapilarne, o bardzo małej średnicy (ułamki mm) i długości kilkudziesięciu
a nawet kilkuset metrów.
W kolumnach kapilarnych substancja aktywna (na której odbywa się właściwy rozdział
składników mieszaniny) nanoszona jest na powierzchnię wewnętrzną ścianki kolumny (kapilary).
Duża długość kolumny i dzięki temu silne „rozwinięcie” powierzchni czyni ściankę kolumny
kapilarnej swoistym nośnikiem. W praktyce po prostu powleka się ściankę kapilary cienką
warstwą, ciekłej substancji aktywnej w rozdziale mieszanin. W przypadku kolumn pakowanych
substancja aktywna (na ogół ciecze wysokowrzące) nanoszona jest na powierzchnię ciała stałego
tzw. nośnika, zwykle substancji o silnie rozwiniętej powierzchni. W przypadku tzw.
chromatografii adsorpcyjnej sam nośnik może spełniać rolę substancji aktywnej i na jego
powierzchni zachodzą zjawiska rozdziału (na zasadzie selektywnej adsorpcji składników
mieszaniny). Jako nośniki wykorzystywane są najczęściej różne postaci tlenku glinowego, węgle
aktywne, żele krzemionkowe, zeolity (tzw. sita molekularne), a także rozmaite substancje
polimeryczne o różnym składzie i strukturze.
Substancje aktywne to przeważnie wysokowrzące ciecze organiczne (estry, alkohole, kwasy,
wyższe węglowodory typu olejów itp.) o różnych właściwościach fizykochemicznych
pozwalających na selektywne zróżnicowanie rozpuszczalności (absorpcji) składników
rozdzielanej mieszaniny. Nie istnieje uniwersalny sposób doboru odpowiednich rodzajów
wypełnienia kolumny dla rozwiązania konkretnego problemu analitycznego. Podstawową
wskazówką jest powszechnie znana ogólna zasada doboru podobieństwa fazy aktywnej
w stosunku do rozdzielanej mieszaniny (podobne rozpuszcza się w podobnym). Zgodnie z tą
regułą dla rozdzielenia mieszaniny zawierającej składniki o dużej polarności dobiera się na ogół
fazy silnie polarne (estry, kwasy itp.), a dla niepolarnych układy typu wysokowrzących olejów
lub wręcz rezygnuje z ciekłej fazy aktywnej i do selektywnej adsorpcji wykorzystuje się same
nośniki o silnie rozwiniętej powierzchni (np. Al2O3, węgiel aktywny, silikażel, sita molekularne
itp.). Istnieje wiele firm zajmujących się wytwarzaniem najróżnorodniejszych nośników i faz
aktywnych lub nawet gotowych wypełnień kolumn. W ostatnich latach coraz częściej produktami
sprzedaży są gotowe (tj. wypełnione) kolumny chromatograficzne ze specjalnymi atestami
prezentującymi możliwości zastosowania danej kolumny. Dotyczy to zwłaszcza kolumn
kapilarnych, których właściwe napełnienie wymaga na ogół profesjonalnego przygotowania.
3
2.Detektory chromatografu. Po rozdzieleniu mieszaniny konieczne jest „wykrycie” obecności
poszczególnych indywidualnych składników i przekształcenie w sygnał umożliwiający ilościową
ocenę i dalszą obróbkę (wzmocnienie, rejestrowanie, integrowanie itp.). Tę rolę spełniają
detektory chromatografu, które będąc wrażliwe na pewne cechy analizowanej substancji
przekształcają mierzoną wielkość na sygnał elektryczny dobrze nadający się do dalszej obróbki.
Istnieje znaczna ilość różnych typów detektorów stosowanych w chromatografii gazowej,
podstawową jednak rolę ze względu na uniwersalność odgrywają: detektor cieplnoprzewodnościowy zwany też katarometrem (TCD) oraz detektor płomieniowo- jonizacyjny
(FID).
Zasada działania detektora katarometrycznego polega na wykorzystaniu różnicy
w przewodnictwie cieplnym pomiędzy parami analizowanej substancji a gazem odniesienia
(gazem nośnym). Konstrukcja detektora TCD oparta jest na idei elektrycznego mostka
Whestona. Część czujnika omywana jest (i na tej drodze chłodzona) stałym strumieniem gazu
nośnego (tzw. cela porównawcza), przez drugie ramię mostka przepływać może gaz nośny wraz
z rozdzielaną próbką. Różnica w przewodnictwie cieplnym powoduje zmianę temperatury
czujników, zmieniają się zatem ich opory elektryczne i indukowany jest sygnał elektryczny
będący miarą ilości wykrywanej substancji.
Detektor FID zbudowany jest na zasadzie palnika wodorowego (wodór spalany w strumieniu
powietrza) o wysokiej temperaturze płomienia. Większość substancji organicznych może ulegać
w tych warunkach jonizacji (rozpadowi na naładowane elektrycznie fragmenty). Jony
analizowanej substancji „zbierane” są przez różnoimiennie naładowane elektrody, a przepływ
jonów generuje prąd będący miarą ilości oznaczanej substancji. Zaletą detektora TCD jest jego
stosunkowo duża uniwersalność (można oznaczać także substancje o wysokim potencjale
jonizacyjnym np. gazy „trwałe”) natomiast poważną wadą jest ograniczona czułość. Istnieje
jeszcze cała gama innych detektorów, zwykle specjalnych zastosowań np. wychwytu elektronów
(ECD), detektor termojonizacyjny, detektor płomieniowo- fotometryczny (FPD) itd.
3. Urządzenia do wprowadzania analizowanej substancji. W chromatografii gazowej mogą być
poddawane analizie substancje o różnych stanach skupienia, istotne jest to by w trakcie w trakcie
rozdziału znajdowały się w stanie gazowym (parowej). Próbki gazowe można dozować za
pomocą odpowiednich strzykawek gazoszczelnych lub częściej specjalnych zaworów dozujących
zapewniających dużą powtarzalność dozowanych ilości. Wielkość wprowadzanej próbki zależna
jest od gabarytów tzw. pętli dozującej (zwanej też naczyńkiem chromatograficznym).
wl
o
no t ga
śn zu
eg
o
w
do ylot
kol gaz
um u
ny
Pętla dozująca
t
wlo ki
b
pró
b) Faza analizy próbki
Rys. 1. Schemat działania zaworu dozującego do wprowadzania próbek gazowych
t
wlo ki
b
pró
lot i
wy óbk
pr
w
do ylot
kol gaz
um u
ny
wl
o
no t ga
śn zu
eg
o
lot i
wy óbk
pr
Pętla dozująca
a) Faza płukania (napełniania pętli)
4
Urządzenie do dozowania zbudowane jest na zasadzie zaworu 6-drogowego. W jednym z jego
położeń ( tzw. faza płukania) analizowana próbka wypełnia naczyńko, przepłukuje je nie łącząc
się przy tym się ze strumieniem gazu nośnego (rys.1a). w położeniu - „analiza”(rys.1 b)
wewnętrzne kanały zaworu zostają tak ustawione, że gaz nośny przepływa do kolumny przez
pętlę dozującą wcześniej napełnioną analizowaną próbką. Każdorazowe przekręcenie zaworu
w położenie - „analiza” po uprzednim napełnieniu pętli jest równoznaczne z wprowadzeniem
próbki do kolumny (jest to zwykle moment startowy - rozpoczęcie analizy). Takie rozwiązanie
zapewnia prostotę operacji wprowadzania gazów lub par do analizy i bardzo dużą
powtarzalność.
Próbki ciekłe dozuje się za pomocą odpowiednich, wycechowanych mikrostrzykawek. Ich
pojemność najczęściej nie przekracza 1- 10 l (10-3 cm3). Próbka jest pobierana do strzykawki za
pomocą cienkiej igły, a następnie po przekłuciu membrany z gumy silikonowej dozownika
wprowadzana do kolumny chromatograficznej. Najczęściej istnieje specjalnie wydzielona
ogrzewana i termostatowana komora nastrzykowa (injektor) umożliwiająca szybkie odparowanie
ciekłej próbki, tak aby gaz nośny mógł ją transportować w postaci par. Powtarzalność dozowania
przy tej technice zależna jest głównie od jakości strzykawki i dokładności „operatora”
chromatografu. Ten sposób wymaga już nieco większej wprawy dla zapewnienia powtarzalności
analiz.
Więcej problemów nastręcza oznaczenie próbek ciał stałych. Czasem możliwe jest
przesublimowanie substancji stałej w komorze dozownika. Znacznie częściej stosuje się
rozpuszczanie analizowanej substancji w odpowiednio dobranym rozpuszczalniku, a dalej
wprowadzenie próbki odbywa się już w sposób analogiczny jak w przypadku próbek ciekłych.
4.Gaz nośny. Spełnia rolę czynnika wymuszającego dynamiczne zjawiska adsorpcji (absorpcji) desorpcji w trakcie rozdziału na powierzchni fazy aktywnej, a także umożliwia przesuwanie
próbki wzdłuż kolumny chromatograficznej. Zapewnia również przemieszczania analizowanej
substancji z dozownika do kolumny rozdzielczej i dalej do systemu detekcji. W detektorach typu
TCD spełnia rolę czynnika „porównawczego” w czujniku katarometru. Podstawowe cechy jakie
musi posiadać odpowiedni gaz nośny to jego neutralność wobec środowiska, w którym jest
stosowany (próbka, kolumna, wypełnienie, detektor itp.). Jako gazy nośne stosuje się najczęściej
obojętne gazy (argon, azot, hel), czasami także wodór ze względu na bardzo wysokie
przewodnictwo cieplne i dużą różnicę tej właściwości w porównaniu z większością substancji
chemicznych. Jednak z powodu szerokich granic wybuchowości wymaga zachowania specjalnej
ostrożności, dlatego często zastępowany jest bezpieczniejszym helem o podobnych
właściwościach cieplnych (lecz znacznie droższym). Czasami w charakterze gazu nośnego
stosowane jest powietrze lub dwutlenek węgla (detektor Janacka). Szczególnie ważny jest
właściwy dobór gazu nośnego przy zastosowaniu detektora TCD - należy użyć gaz nośny o
możliwie jak najbardziej różnym przewodnictwie cieplnym w porównaniu z analizowanymi
substancjami. Wpływa to w sposób decydujący na czułość przyrządu i ograniczenie błędów
pomiarowych.
5. Elementy pomocnicze chromatografu. Wymienione wyżej elementy chromatografu są
absolutnie niezbędne dla umożliwienia pracy analizatora. Istnieje jednak cały szereg dodatkowych
urządzeń, które usprawniają, poprawiają i ułatwiają obsługę, a przede wszystkim ograniczają
możliwość błędów pomiarowych i zwiększają dokładność oznaczeń.
a) komora termostatująca. Zapewnia możliwość utrzymania określonej (zwykle eksperymentalnie
dobranej) optymalnej temperatury rozdziału. Ma to decydujący wpływ na jakość rozdziału
i powtarzalność analiz, a także całkowity czas trwania oznaczenia. Na ogół analizy
chromatograficzne prowadzi się w podwyższonych temperaturach i współczesne chromatografy
zaopatrzone są zawsze w sprawnie pracujące komory termostatujące. W zależności od
konkretnego problemu analitycznego stosowane są różne reżimy temperaturowe w trakcie
5
prowadzenia rozdziału mieszanin. W najprostszym przypadku prowadzi się analizę w stałej,
optymalnej temperaturze (rys. 2a).
Czasem, zwłaszcza dla bardziej złożonych mieszanin, zawierających składniki znacznie różniące
się powinowactwem do aktywnej fazy stacjonarnej stosuje się zmienną temperaturę w trakcie
rozdziału (rys 2b). Wówczas po pewnym czasie (tzw. izoterma początkowa p ) podnosi się
temperaturę w kontrolowany, zwykle liniowy sposób z określoną (dobraną eksperymentalnie
szybkością) do temperatury końcowej (tzw. izoterma końcowa k ). W rezultacie takiego
postępowania trudniej rozdzielające się składniki wymywane są w początkowej fazie analizy przy
niższej temperaturze, a czas silniej zatrzymywanych w kolumnie substancji ulega skróceniu
wskutek przyspieszającego wyjście oddziaływania podwyższonej temperatury (patrz wpływ
temp. na rozdział pkt. V.2). W niektórych typach chromatografów możliwy jest wielostopniowy
narost temperatury (rys. 2c) stosowany w szczególnie złożonych analizach wieloskładnikowych
mieszanin.
Komory termostatujące najczęściej ogrzewane są elektrycznie, a w celu uzyskania
równomiernego pola temperatur stosuje się nadmuch gorącego powietrza (wentylatory).
Chłodzenie kolumn (w celu powrotu do warunków początkowych) na ogół odbywa się przez
otwarcie komory termostatu i (lub) nadmuch strumienia zimnego powietrza. Sterowanie
przebiegiem zmian temp. najczęściej realizowane jest przy użyciu systemu elektronicznych
regulatorów temperatury i pneumatycznych układów otwierania i zamykania klapy komory
termostatującej.
b) Zawory regulujące przepływ gazu nośnego. Stabilną pracę chromatografu warunkuję stałe
natężenie przepływu gazu nośnego. Szczególnie ważne jest to w przypadku detektorów TCD
bardzo wrażliwych na wszelkie zmiany w odbiorze ciepła (np. wskutek zmiany przepływu gazu
nośnego). W większości chromatografów stosuje się układ iglicowego zaworu regulacyjnego
i pneumatycznego regulatora przepływu, którego zadaniem jest utrzymanie żądanego, stałego
natężenia przepływu gazu nośnego. Pomiar rzeczywistego natężenia przepływu gazu nośnego
(a także gazów pomocniczych) dokonuje się najczęściej przy pomocy prostego przepływomierza
z „bańką mydlaną” (pomiar objętości wypływu gazu w jednostce czasu). W niektórych
chromatografach istnieją układy zwężki pomiarowej wyposażone w elektroniczny odczyt
przepływu dla danego typu gazu lub ciśnienia panującego przed kolumną. Istnieją także
rozwiązania pozwalające na pracę przy zmiennym, programowanym natężeniu przepływu gazu
nośnego,
c) Urządzenia rejestrujące i integrujące. Sygnał z detektora musi być rejestrowany aby możliwa
była ilościowa i jakościowa obróbka wyników analizy. W tym celu stosuje się urządzenia
samopiszące (tzw. rejestratory), w których sygnał elektryczny zamieniany jest na mechaniczny
ruch pisaka. w nowoczesnych urządzeniach sygnał elektryczny przetwarza się na wartości
cyfrowe i w takiej postaci może podlegać komputerowej „obróbce”. Współczesne chromatografy
6
wyposażone są zwykle w specjalne programy integrujące (mierzą pole pod krzywą sygnału
składnika) i dokonujące szereg dalszych przeliczeń pozwalających na usprawnienie analizy
jakościowej i ilościowej.
d) Dodatkowe „akcesoria” - w zależności od rodzaju chromatografu, a także zaleceń nabywcy
producenci wyposażają urządzenia w cały szereg elementów usprawniających prace
chromatografu, np. układy do oczyszczania gazów nośnych i pomocniczych, do pomiaru ich
natężeń przepływu, do napełniania kolumn chromatograficznych, niektóre typowe mieszaniny
wzorcowe substancji itp.
III Analiza jakościowa w chromatografii gazowej
W przypadku złożonej mieszaniny składników o zupełnie nieznanym charakterze użycie
samego chromatografu do celów identyfikacyjnych jest bardzo trudne i rzadko kończy się pełnym
powodzeniem. Jak wspomniano wcześniej znane są znacznie doskonalsze i bardziej niezawodne
techniki analizy jakościowej. W prostszych sytuacjach gdy znany jest jakościowy skład
rozdzielanej mieszaniny lub przynajmniej jej charakter (rodzaj występujących substancji) możliwa
jest identyfikacja metodami chromatograficznymi. Podstawową cechą identyfikacyjną jest
parametr zwany objętością retencji - objętość gazu nośnego jaka przepływa przez kolumnę od
momentu zadozowania próbki do chwili zarejestrowania tzw. maksimum piku.
Wielkość sygnału
tr
tm
t'r
Linia
podstawowa
p
k
Czas trwania analizy
Rys. 3. Interpretacja pojęcia czasu retencji (czasu wyjścia) analizowanego składnika
Przy stałym przepływie gazu nośnego (tak jak to ma zwykle miejsce) znacznie bardziej wygodną
wielkością pomiarową jest czas retencji t r (patrz rys 3) czyli czas jaki upływa od chwili
zadozowania do momentu pojawienia się maksimum piku. Często wykorzystuje się tzw.
zredukowany czas retencji t’r (rys. 3) reprezentujący efektywny czas zatrzymywania danego
składnika na powierzchni fazy aktywnej (odejmuje się tzw. czas martwy t m niezbędny do
przemieszczenia się przez kolumnę bez zatrzymywania na powierzchni fazy aktywnej). Czasy
retencji są jednak bardzo silnie uzależnione od podstawowych parametrów pracy chromatografu:
temperatury, przepływu gazu nośnego, a przede wszystkim rodzaju wypełnienia i długości
kolumny chromatograficznej. Istnieją specjalne tablice, w których zebrane są główne dane
chromatograficzne dla typowych wypełnień i różnych grup substancji. Stablicowane zostały
7
również tzw. indeksy retencji, które w oparciu o pewne prawidłowości chromatograficzne
(porównywanie czasów retencji z grupą subst. wzorcowych) pozwalają na identyfikację
substancji. Należy jednak stwierdzić, że bardzo trudne jest precyzyjne odtworzenie warunków
analizy w różnych aparatach, dlatego takie zabiegi identyfikacyjne (często bardzo żmudne) są na
ogół niepewne. Zwykle postępuje się w ten sposób, że wiedząc jakiego typu substancje znajdują
się w analizowanej mieszaninie wyklucza się lub potwierdza obecność danej substancji przez
porównanie czasów retencji danego związku i substancji „podejrzanej” o obecność. Zgodność
czasów retencji jest podstawą identyfikacji, pełny dowód można uzyskać potwierdzając
identyczność czasów retencji w drastycznie zmienionych warunkach analizy (najlepiej używając
do potwierdzenia zupełnie inne w swym charakterze wypełnienie kolumny np. zastępując
aktywną fazę polarną wypełnieniem niepolarnym).
IV. Analiza ilościowa.
W tym przypadku opisywana technika chromatografii gazowej oddaje szczególnie cenne
usługi i stanowi dobrą, wygodną, a co najważniejsze dokładną metodę analityczną. Podstawową
cechą jaką się wykorzystuje jest zależność pomiędzy wielkością sygnału, a ilością (stężeniem)
oznaczanego składnika. W większości przypadków w chromatografii gazowej miarą wielkości
sygnału pochodzącego od obecności danego składnika jest pole powierzchni pod pikiem (pole
pod krzywą Gaussa). A zatem, określenie ilości analizowanego składnika musi obejmować 2
czynności:
a) wyznaczenie sumarycznej wielkości sygnału (najczęściej pola powierzchni pod pikiem)
b) określenie korelacji pomiędzy wielkością sygnału a ilością oznaczanej substancji.
Wyznaczanie wielkości sygnału odbywa się najczęściej przez zmierzenie (całkowanie) pola
powierzchni pod krzywą piku metodami graficznymi (metoda wysokości, trójkątów,
planimetrowania, itp.) lub całkowania przy użyciu systemów cyfrowych (tzw. integratory).
W tym drugim przypadku konieczna jest zamiana sygnału analowego (zwykle elektrycznego) na
cyfrowy i „obróbka” przy użyciu specjalnych programów obliczeniowych. Obecnie bardzo często
rolę integratorów spełniają komputery osobiste sprzężone z systemami analitycznymi.
Większe trudności sprawia zwykle poprawne i precyzyjne wyznaczenie korelacji pomiędzy
wielkością sygnału a ilością analizowanej próbki. Istnieje cały szereg różnych metod i ich
właściwy dobór decyduje o poprawności i precyzji oznaczenia. Przy ich wyborze należy
uwzględnić najistotniejsze cechy zależne m.inn. od rodzaju analizowanej próbki, typu użytego
systemu analitycznego (zwłaszcza detektora) oraz zakresu stężeń oznaczanej substancji. Należy
przy tym pamiętać, że:
1. Nie musi występować prostoliniowa zależność pomiędzy wielkością sygnału a ilością próbki
w całym obszarze stężeń. Wiele detektorów wykazuje nieliniowość w szerokim obszarze stężeń
i konieczne jest często wyznaczenie obszaru liniowości.
2. Nawet te same ilości (np. masy, stężenia) różnych substancji mogą dawać różne wielkości
sygnału chromatograficznego. Detektory są bowiem wrażliwe nie tylko na ilość substancji, ale
także na specyficzne właściwości detekcyjne danego związku. Np. detektor TCD reaguje na
przewodnictwo cieplne substancji (ściślej na różnicę pomiędzy przewodnictwem cieplnym danej
subst. a gazem nośnym), detektor FID na ilość tworzących się jonów, potencjał jonizacyjny itp.
Dlatego na ogół nie jest możliwe proste wyznaczenie uniwersalnej zależności pomiędzy
wielkością sygnału a ilością wykrywanej próbki.
Najczęściej stosuje się następujące metody:
a) metoda krzywej kalibracyjnej - polega na eksperymentalnym wyznaczeniu funkcyjnej lub
graficznej zależności pomiędzy wielkością sygnału (polem powierzchni pod pikiem) a ilością (lub
stężeniem) danego składnika próbki. Dla sporządzonych i precyzyjnie znanych ilości próbki
uzyskuje się chromatogramy i sporządza odpowiedni wykres. Punkty na krzywej powinny
obejmować zakres ilości substancji oznaczanej. W dobrej klasy chromatografach i przy właściwie
8
dobranych warunkach analizy uzyskuje się na ogół zależność zbliżoną do prostoliniowej.
Następnie po wprowadzeniu oznaczanej próbki i określeniu odpowiadającego jej pola
powierzchni pod pikiem odczytuje się ilość substancji z wykresu lub w oparciu o wyznaczoną
wcześniej z kalibracji zależność funkcyjną:
S = f (x)
[1]
(S - pole pod pikiem, x - ilość (lub stężenie) oznaczanej substancji.
Zaletą tej metody jest duża niezawodność oznaczenia i dobra dokładność (jedynie w przypadku
poprawnie sporządzonej kalibracji). Wadą jest natomiast duża pracochłonność, zwłaszcza
w przypadku dużej liczby oznaczanych składników w próbce.
b) metoda normalizacji wewnętrznej - szczególnie chętnie stosowana do wyznaczania stężeń
złożonych wieloskładnikowych mieszanin. Wychodząc z definicyjnej zależności na stężenie
(wyrażone w % objętościowych lub molowych)
X
i

V
V
ia
[2]
i n
i w oparciu o
i
i 1
znane, względne relacje pomiędzy stężeniem danej subst. a odpowiadających im wielkościom
sygnału poszczególnych składników mieszaniny (tzw. współczynniki odpowiedzi), oraz
zakładając liniowość tej zależności w w stosowanym obszarze stężeń uzyskuje się względnie
prosty wzór na stężenie substancji (w %) :
Xi 
 S i k
  100 [3]
i
i n
 S k
i
gdzie:
i
i 1
S
k
- wielkość sygnału składnika (pole powierzchni piku)
i
i
- współczynniki odpowiedzi składnika
Metoda pozwala na bardzo szybkie oznaczenie składu złożonych mieszanin, lecz wymaga
wcześniej, precyzyjnego wyznaczenia współczynników odpowiedzi. W sposobie tym zakłada się
oznaczenie ilości wszystkich składników mieszaniny. W sytuacji, gdy nie jest to możliwe (np.
pewne składniki nie są wykrywane) należy oznaczyć ich ilość innymi sposobami. Wówczas wzór
ulega modyfikacji do postaci:
Xi 
 S i k
 100 X n
i
i n
S k
i
[4]
i
i 1
X
n
- ilość (stężenie) składników niewykrywanych (lub oznaczonych inną metodą lub w innym
aparacie).
Czasami w prostych przypadkach, gdy współczynniki odpowiedzi wszystkich składników są
bardzo zbliżone stosuje się uproszczoną postać:
X
i

S  (100)
S
i
(tzw. udział pola w sumie pól)
[5]
i
c) metoda wzorca wewnętrznego - polega na wprowadzeniu do analizowanej mieszaniny
(zwykle ciekłej) znanej ilości substancji (wzorcowej). Znając relacje pomiędzy współczynnikami
odpowiedzi wzorca i substancji analizowanej określa się skład ilościowy mieszaniny:
Si  ki 
k i - współczynnik odpowiedzi danej substancji (względem
Xi 
X wz [6]
S
wz
substancji wzorcowej)
9
Najczęściej jako wzorzec wprowadza się substancję, której sygnał (pik) nie nakłada się
z analizowanymi składnikami mieszaniny.
Pewną odmianą tej metody jest dodatek znanej ilości substancji występującej w mieszaninie.
Wówczas z wielkości przyrostu pola powierzchni piku i znanych względnych współczynnikach
odpowiedzi można wyznaczyć stężenie (lub ilość) analizowanych substancji w mieszaninie.
d) metoda porównania z wzorcem. Przy założeniu (po uprzednim sprawdzeniu) liniowej
zależności pomiędzy wielkością sygnału a ilością analizowanej substancji zamiast wyznaczania
całej krzywej (prostej) kalibracyjnej wprowadza się tylko 1 punkt stężeniowy dla danej
mieszaniny (tzw. wzorzec zewnętrzny), a skład próbki wyznacza się w oparciu o proporcję:
Si 
[7]
X i   X wz
S
wz
Wybór metody zależy od konkretnego problemu analitycznego, a przede wszystkim od
złożoności rozdziału mieszaniny (np. liczby składników), żądanej dokładności i powtarzalności
wyników, czasochłonności itp.
V. Wpływ parametrów na rozdział składników i jakość oznaczenia
1)
Podstawowy wpływ na jakość rozdziału mieszanin w chromatografii gazowej odgrywa
dobór odpowiedniej kolumny chromatograficznej, a więc w pierwszym rzędzie decyzja co do
typu zastosowanego systemu : kolumn kapilarnych lub pakowanych. Na ogół kolumny kapilarne
zapewniają lepszy rozdział, jednak są znacznie droższe, a praca z ich użyciem bardziej
kłopotliwa. Kolumny pakowane są wygodniejsze w użyciu i na ogół nie ma też większych
problemów z samodzielnym ich przygotowaniem. Przy doborze kolumn najistotniejszy jest wybór
właściwego wypełnienia (zarówno substancji aktywnej jak i nośnika), a także długość kolumny.
Czym większa długość tym lepszy rozdział składników lecz nadmiernie długie kolumny
przedłużają czas trwania analizy, piki stają się szersze, często bardziej „rozmyte”, wzrastają też
opory przepływu (ciśnienie) w elementach chromatografu. Należy zatem tak dobrać długość
kolumny aby przy niezbyt dużych oporach przepływu zapewnić pełny rozdział wszystkich
składników oznaczanej mieszaniny.
2) Temperatura rozdziału.
Zjawiska decydujące o rozdzieleniu składników oznaczanej
mieszaniny silnie zależą od temperatury, w której odbywa się analiza. W wyższej temperaturze
następuje zwiększenie intensywności desorpcji składników z fazy stacjonarnej i skrócenie czasu
przebywania na powierzchni fazy aktywnej. W konsekwencji skróceniu ulegają czasy retencji
wszystkich składników i całkowity czas trwania analizy. Nadmierne skrócenie tych czasów może
spowodować nakładanie się pików i pogorszenie jakości oznaczenia. Dlatego parametr ten należy
tak optymalizować aby maksymalnie skrócić całkowity czas trwania analizy ale jednocześnie nie
dopuścić do pogorszenia jakości analizy. Bardzo ważnym i pozytywnym efektem wzrostu temp.
w trakcie rozdziału jest zmiana kształtu pików - zwiększenie wysokości kosztem szerokości,
a przede wszystkim możliwość zlikwidowania lub ograniczenia tworzenia rozmytych końcowych
faz sygnałów (tzw. ogonów pików). W przypadku analiz mieszanin wieloskładnikowych i dla
substancji o bardzo zróżnicowanych czasach retencji najczęściej stosuje się programowany
przebieg zmian temp., dobór odpowiednich parametrów termicznych staje się typowym zadaniem
optymalizacyjnym.
3) Szybkość przepływu gazu nośnego. Wpływa na przebieg analizy podobnie jak wzrost
temperatury. Jednak pozytywne oddziaływanie jest w tym przypadku mniej widoczne (mniej
intensywne likwidowanie ogonów), ponadto nadmierny wzrost szybkości przepływu gazu
nośnego wpływa na wzrost oporów przepływu, zwiększa zużycie gazu nośnego (czasem
drogiego - np. hel) i utrudnia jego wstępne oczyszczenie. W praktyce dobiera się optymalne
natężenie przepływu gazu nośnego pod kątem zwiększenia czułości detekcji (istnieje pewien
10
optymalny przepływ, przy którym uzyskuje się największe sygnały). W wyjątkowych sytuacjach
stosuje się programowane zmiany natężenia przepływu gazu nośnego dla optymalizacji przebiegu
oznaczeń złożonych mieszanin (b. skomplikowane i drogie urządzenia regulacyjne).
4) Wpływ ilości dozowanej próbki. Z oczywistych względów wielkość dozowanej próbki musi
być tak dobrana aby uzyskiwany sygnał nadawał się do ilościowej interpretacji. Zbyt mała ilość
(lub stężenie) wpływa na pogorszenie dokładność analizy (zbyt duży udział „własnych szumów”
urządzenia zakłócających właściwy sygnał) i zwiększa błąd pomiaru. Nadmierna ilość może
spowodować trudności w ilościowej interpretacji sygnału (np. wejście w obszar nieliniowości
detektora), a w każdym przypadku pogarsza rozdział (zbyt długi czas dozowania próbki
powoduje „rozciągnięcie piku”). Często obserwuje się wówczas zjawisko tzw. przeciążenia
kolumny polegające na silnym rozciągnięciu początkowej, wznoszącej części sygnału
chromatograficznego.
5) Inne czynniki. Na przebieg analizy chromatograficznej mogą mieć wpływ także takie czynniki
jak: wielkość ciśnienia w kolumnie, rodzaj użytego gazu nośnego (głównie jego współczynniki
dyfuzji i adsorpcji) lecz ich rola na jakość rozdziału jest na ogół niewielka. Nieco większy wpływ
obserwuje się w przypadku występowania nadmiernych, pustych (tzw. martwych) przestrzeni na
drodze przepływu próbki.
Część eksperymentalna
I) Cel ćwiczeń. Celem zajęć jest praktyczne doskonalenie umiejętności studentów w zakresie
techniki chromatografii gazowej.
Na przykładzie konkretnego problemu analitycznego powinny zostać opracowane i wykonane
podstawowe czynności niezbędne do właściwego i sprawnego oznaczenia składu złożonej
mieszaniny gazowej.
II) Zakres ćwiczeń. W ramach prac laboratoryjnych powinny zostać wykonane następujące
czynności analityczne:
1) analiza jakościowa mieszaniny (oznaczenie czasów retencji i na tej podstawie identyfikacja
indywidualnych składników).
2) dobór optymalnych parametrów rozdziału składników mieszaniny gazowej na wytypowanej
kolumnie rozdzielczej
3) wybranie odpowiedniej metodyki analizy ilościowej
4) wykonanie oznaczenia zawartości składników mieszaniny gazowej o nieznanym składzie
ilościowym.
III. Wykonanie ćwiczenia
Jako próbka do oznaczeń użyta zostanie mieszanina zawierająca gazowe składniki jakie mogą
tworzyć się w trakcie różnorodnych procesów rafineryjno-petrochemicznych. Zawiera ona
węglowodory nasycone (C1 - C4), alkeny: etylen, propylen, izomeryczne buteny, butadien,
a także wodór jako typowy produkt procesów termokatalitycznych oraz składniki powietrza tlen i azot (jako możliwe domieszki lub efekt „zapowietrzenia” pobieranych próbek gazowych).
Tak duża ilość składników o różnych właściwościach utrudnia prosty wybór metodyki analizy.
Obecność składników „trwałych” o wysokim potencjale jonizacyjnym (H2, N2, O2), uniemożliwia
użycie czułego detektora FID do oznaczeń tych składników i niezbędne jest użycie detektora
katarometrycznego. Z kolei możliwość bardzo niskich stężeń niektórych składników
węglowodorowych (np. butanów) narzuca potrzebę wykorzystanie bardziej czułego detektora
płomieniowo-jonizacyjnego. W tej sytuacji muszą być użyte oba typy detektorów. Duża liczba
składników o zróżnicowanych właściwościach utrudnia zastosowanie tylko jednej kolumny
chromatograficznej do rozdzielenia tak złożonej mieszaniny i w związku z tym celowe wydaje się
zastosowanie 2 odrębnych układów analitycznych:
11
a) kolumny do rozdziału składników węglowodorowych detektorem FID
b) kolumny do rozdziału pozostałych skł. („gazy trwałe”- H2 i składniki powietrza)
współpracujące z detektorem TCD.
Wszystkie oznaczane substancje mają w zasadzie charakter niepolarny i narzucają potrzebę
użycia niepolarnych wypełnień kolumny. Do rozdziału składników o najniższej temp. wrzenia
(H2, składniki powietrza, CH4) użyta zostanie kolumna z wypełnieniem o bardzo silnych
właściwościach adsorpcyjnych (węgiel aktywny o dużej powierzchni właściwej). Taki układ
pozwala oddzielić wodór od powietrza (w stosowanych warunkach praktycznie niemożliwe jest
na tym wypełnieniu oddzielenie O2 od N2) oraz metanu. Wyższe węglowodory są tak silnie
zatrzymywane, że ich sygnały (na ogół bardzo rozmyte) nie nadają się do precyzyjnego
ilościowego oznaczenia. Jako detektor musi być w tym przypadku użyty katarometr, zaś
optymalnym gazem nośnym argon (duża różnica w przewodnictwie cieplnym w stosunku do H2
i stosunkowo znaczna w odniesieniu do składników powietrza).
Węglowodory mogą być rozdzielone na różnych typach kolumn, w ramach zajęć przygotowane
zostało specjalne wypełnienie z tlenku glinowego dezaktywowanego alkaliami (5% K2CO3). Faza
aktywna rozdziela węglowodorowe składniki mieszaniny także w tym przypadku na zasadzie
zjawisk adsorpcyjnych. Jako detektor użyty będzie wysokoczuły detektor FID. Dobór gazu
nośnego ma w tym przypadku mniejsze znaczenie - dla uproszczenia zastosowany będzie także
argon (gazy pomocnicze - powietrze i wodór do zasilania palnika detektora). Gazowe próbki
należy dozować do układów chromatograficznych za pomocą specjalnych zaworów (pętli)
dozujących. Dla umożliwienia zastosowania odmiennych warunków temperaturowych do
rozdziału węglowodorów i pozostałych składników (odrębne komory termostatujące) użyte
zostaną 2 oddzielne chromatografy gazowe.
Parametry pracy chromatografu:
Temperatury: termostatu -353 K (80 0C), detektora - 423 K (1500C), dozownika- 393 K
(1200C), przepływ gazu nośnego: detektor FID - 40 cm3/min., katarometr 40 cm3/min., gazy
pomocnicze: wodór 40 cm3/min., powietrze 200 cm3/min.
ad IIa Analiza ilościowa (oznaczanie czasów retencji poszczególnych składników).
W tym celu należy zgromadzić próbki czystych, indywidualnych składników analizowanej
mieszaniny, a więc węglowodory, wodór i powietrze.
Przeprowadzając analizę w warunkach izotermicznych (FID - 80 0C, TCD 100 0C) należy
wprowadzać każdorazowo przy pomocy zaworu dozującego do kolumny chromatograficznej
wybrane, pojedyncze substancje. W momencie zadozowania gazu (po przepłukaniu zaworu
i przekręceniu w położenie „analiza”) uruchomić klawiszem „start” rozpoczęcie zbierania danych
przez integrator chromatografu. Równocześnie należy rozpocząć zbieranie danych w pamięci
komputera (w programie ”Peak Simple” obsługującym komputerowe zbieranie i przetwarzanie
danych). Zwrócić uwagę i zanotować czasy rozpoczęcia (r) i zakończenia wyjścia (z) piku
danego składnika oraz zaprogramować odpowiednie „okno” identyfikujące dany pik składnika.
W identyczny sposób wykonać analizę wszystkich indywidualnych substancji (wodór i powietrze
na chromatografie z detektorem TCD).
Zwrócić uwagę na tendencję zmian czasów retencji poszczególnych substancji i kształt (zmiany
szerokości) uzyskiwanych pików.
Ad II b. Dobór optymalnej temperatury w trakcie rozdziału
Na podstawie uzyskanych danych zaproponować program zmian temperatury termostatu
w trakcie oznaczenia dla usprawnienia analizy - skrócenia czasu jej trwania bez pogorszenia
jakości rozdziału. Podać wartości czasu trwania izotermy początkowej (p), szybkości liniowego
narostu temperatury (V - 0C/min), temperatury końcowej termostatu i czasu trwania izotermy
końcowej (k). (Dla rozdziału wodoru od powietrza w chromatografie z detektorem TCD
optymalizacja temperatury nie powinna być potrzebna). Zaprogramować parametry programu
12
temperaturowego komory chromatografu i sprawdzić przebieg rozdziału całej oznaczanej
mieszaniny w zaproponowanych warunkach. Ocenić efekty związane z zastosowaniem wzrostu
temperatury i przydatność zastosowanego reżimu do dalszych analiz, ewentualnie zaproponować
nowe warunki i ponownie sprawdzić. Wytypowany sposób prowadzenia analizy „wpisać” do
pamięci programu po wybraną nazwą i wybranym katalogu. Uzyskane nowe czasy retencji
zapisać i użyć do celów identyfikacyjnych przy wykonywaniu właściwych oznaczeń.
Ad II c Analiza ilościowa.
W tej części ćwiczenia należy wykonać analizę ilościową (oznaczyć skład w % obj.)
przygotowanej przez prowadzącego mieszaniny gazowej o nieznanym składzie. Duża ilość
składników węglowodorowych (8 - 9) praktycznie narzuca zastosowanie metody normalizacji
wewnętrznej. Należy założyć, że w stosowanym zakresie stężeń substancji istnieje liniowa
zależność pomiędzy wielkością sygnału a ilością (stężeniem) składnika próbki, ponadto znane są
względne współczynniki odpowiedzi (tzw. współczynniki korekcyjne). Dla detektora FID
wielkość sygnału zależy od ilości fragmentów, na które rozpada się cząsteczka węglowodoru
w trakcie jonizacji. Na ogół przyjmuje się, że ilość ta jest prostą funkcją liczby atomów węgla
w cząsteczce węglowodoru. Można więc posłużyć się teoretycznymi wartościami wsp.
korekcyjnych i obliczyć je ze wzoru
1
[8]
n - liczba atomów węgla w cząsteczce węglowodoru
ki  n
Dla określenia pełnego składu oznaczanej mieszaniny przy użyciu metody normalizacji
wewnętrznej niezbędne jest wcześniejsze oznaczenie składników nie wykrywanych w detektorze
FID (np. wodór, składniki powietrza). W tym celu należy wykonać analizę zawartości tych
składników wykorzystując chromatograf z detektorem TCD z kolumną wypełnioną węglem
aktywnym. Z uwagi na małą liczbę składników, podlegających oznaczeniu w tym chromatografie
wygodnie jest posłużyć się metodą porównania z wzorcem (patrz pkt. V met.d), w tym celu
należy:
a) dokonać tzw. kalibracji chromatografu. Wprowadzić na kolumnę przy pomocy zaworu
dozującego specjalnie przygotowaną mieszaninę wzorcową zawierającą wodór i azot (o znanym
składzie) i wykonać analizę. Dokonać integracji sygnałów, a następnie wybrać przy pomocy
lewego przycisku myszy opcję kalibracji i wykalibrować poszczególne składniki analizowanej
mieszaniny wzorcowej podając zawartość danego składnika w odpowiedniej tablicy kalibracyjnej.
b) wykonać oznaczenie składu oznaczanej próbki (na zawartość H2 i powietrza) w oparciu o
sporządzoną kalibrację. W tym celu należy wprowadzić do chromatografu analizowaną próbkę
i wykonać analizę podobnie jak przy mieszaninie wzorcowej. Należy jednak przy tym pamiętać,
że po wyjściu piku powietrza (można wówczas zakończyć analizę) kolumnę będą opuszczały
także składniki węglowodorowe jednak ich poprawne oznaczenie dokonane zostanie przy użyciu
chromatografu z bardziej czułym detektorem FID. Po zakończeniu i zapisaniu analizy pod
odpowiednią wybraną nazwą dokonać integracji składników oznaczanej mieszaniny i obliczenia
ich zawartości. W tym celu należy wybrać opcję rezultaty i przy wyborze „formatu”
przedstawiania wyników wybrać metodę wzorca zewnętrznego („External”) - program
samoczynnie oblicza i prezentuje uzyskane wartości stężeń integrowanych składników. Po
sprawdzeniu poprawności przebiegu całkowania (przeanalizować wykres wyznaczania pól
pików) zapisać wyniki do pliku danych pod wybraną nazwą (np. w programie Excel. Wartość
sumy stężeń XH2 + XN2 = Xn jest niezbędna przy zastosowaniu metody normalizacji wewnętrznej
w trakcie oznaczeń zawartości składników węglowodorowych.
c) oznaczenie zawartości węglowodorów. Analizę próbki wykonać w sposób identyczny jak
wcześniejsze próby przy optymalizacji programu temperaturowego. Po wyjściu ostatniego
z oznaczanych składników analizę zatrzymać (przycisk – spacji). Po takim wymuszonym
13
zatrzymaniu chromatograf sam powraca do początkowych warunków temperaturowych
(nadmuch zimnego powietrza do uzyskania temp. izotermy początkowej). W tym czasie można
wykonać działania zmierzające do pełnego oznaczeniu składu mieszaniny.
1. Obliczanie składu przy pomocy integratora chromatografu.
Zastosowany do zajęć chromatograf gazowy wyposażony jest w mikroprocesor
umożliwiający wykorzystanie prostych procedur obliczeniowych składu mieszanin (m. in. metodę
normalizacji wewnętrznej). w celu zastosowania procedur obliczeniowych należy wprowadzić do
pamięci dane identyfikacyjne poszczególnych składników (czasy retencji i ewentualny obszar
tolerancji przesunięć tych czasów dla danej analizy) oraz niezbędne wartości współczynników
odpowiedzi. w tym celu używa się procedury „DET”, dzięki której można każdemu składnikowi
przypisać odpowiedni czas retencji, obszar tolerancji zmian tego czasu (tzw. okno poszukiwań)
oraz liczbową wartość współczynnika odpowiedzi. W tym celu należy wykonać następujące
operacje przy pomocy klawiatury integratora chromatografu: naciskać kolejno przyciski: „DET”
„0” „ENT” i podać liczbę, która w % względnych czasu retencji danego składnika wyznacza
obszar poszukiwań (identyfikacji) substancji. Np. podanie pod pozycją „DET” „0” liczby 10
oznacza, że czasy retencji różniące się o mniej niż 10% od wprowadzonego czasu retencji będą
nadal identyfikowane jako dany składnik. Pod kolejnymi numerami czynników „DET”
wprowadzane są numery kolejnych składników, ich czasy retencji i przypisane im współczynniki
odpowiedzi np. dla etylenu: „DET” „3” „ENT” „1.30” „ENT” „1” „ENT” oznacza, że pole piku
wychodzącego w 3-ciej kolejności, o czasie retencji 1 min, 30 sek. (lub różniący się od tej
wartości o mniej % niż zgłoszono w „oknie poszukiwań”) będzie pomnożone przez liczbę 1. Całą
procedurę DET można na trwałe wpisać do numeru stosowanej metody analitycznej. Dla
zastosowania odpowiedniej metody obliczenia składu należy z istniejącego w integratorze
zestawu dostępnych procedur wybrać właściwą (np. wybór „NORM” oznacza, że mikroprocesor
zastosuje sposób normalizacji wewnętrznej - wzór [3]). Chcąc obliczyć właściwe stężenie
składników wg. skorygowanego wzoru [4] należy po podaniu dyspozycji użycia procedury
„NORM” wprowadzić mnożnik XN - sumę stężeń składników nie oznaczanych w danym
chromatografie (np. sumę stężeń wodoru i powietrza). Zapis czynności : „NORM” „0” „ENT”
„liczba (XN)” „ENT” spowoduje przeliczenie analizy wg. wzoru [4] i uwzględnieniem stężeń
składników oznaczonych na chromatografie z detektorem TCD. Chromatograf pozwala także na
wykorzystanie metody wzorca wewnętrznego, zewnętrznego i sposobów kalibracyjnych.
2. Obliczanie składu przy pomocy programu komputerowego „Peak Simple”.
Podobną procedurę obliczeniową wykorzystuje się stosując komputerowy program
obliczeniowy. W celu dokonania właściwych obliczeń i sporządzenia dokumentu raportu analizy
należy:
a) wybrać opcję „Components” (prawy przycisk myszy), następnie uaktywnić funkcję „Calibrate”
i wprowadzić w pozycję „Injected” liczbę atomów węgla w kalibrowanym składniku (np. dla
propylenu – liczbę 3,0), a w pozycji „Area/height” liczbę 1. Zapisać kalibrację pod odpowiednią
nazwą (np. FID propylen) i zamknąć okno kalibracyjne. Podobnie czynności wykonać dla
wszystkich analizowanych składników węglowodorowych. Tablica taka staje się integralną
częścią danego typu analizy i może być wykorzystana w różnych procedurach obliczania składu.
c) w celu obliczenia składu met. normalizacji wewn. należy najpierw przeprowadzić integrację, i
sprawdzić poprawność całkowania powierzchni pików (przeglądnąć wykres zaznaczonych pól do
integracji pików). W razie stwierdzenia nieprawidłowości dobrać właściwe parametry całkowania
lub dokonać tzw. integracji ręcznej (Opcja „Manual integration”). Następnie wybrać opcję
„Integration” (prawy przycisk myszy) i w pozycjach „Standard weight” i „Simple weight” wpisać
liczby 1,00. Dokonać obliczeń. Uzyskaną (fałszywą) wartość sumarycznego stężenia wpisać w
pozycję „Standard weight”, natomiast właściwą wartość sumaryczną (100-Xn) w pozycję „Simple
weight”, sprawdzić poprawność uzyskanych w trakcie ponownej integracji rezultatów i
skopiować do arkusza kalkulacyjnego Excel cały raport wyników.
14
3) Raport analizy należy uzupełnić przez dołączenie chromatogramów analiz (wykresy analiz
należy poddać odpowiedniej„obróbce” wprowadzając dane dotyczące wykonywanej analizy w
programiePaek Simple).
IV. Sposób zaliczenia ćwiczenia
1) Pozytywnie zdać kolokwium poprzedzające prace laboratoryjne
2) Właściwie dobrać warunki temperaturowe analizy
3) Poprawnie wykonać analizę jakościową i ilościową przygotowanej próbki gazowej
4) Przedstawić po zakończeniu zajęć (w umówionym terminie) pisemne sprawozdanie
z przebiegu zajęć laboratoryjnych. Sprawozdanie powinno zawierać:
a) krótki wstęp ogólny dotyczący techniki i metodyki chromatografii gazowej
b) podstawowe informacje dotyczące czasów wyjścia poszczególnych składników (r, z i czas
retencji) uzyskane w warunkach izotermicznych i przy zaproponowanym reżimie zmian
temperatury w trakcie analizy.
c) przedstawić parametry zaproponowanego programu temperatury i opisać jego zalety (w porównaniu z przebiegiem analizy w warunkach izotermicznych).
d) przedstawić obliczenia składu przy użyciu komputerowego programu obliczeniowego „Peak
Simple”.
e) załączyć opisane wykresy analizy (chromatogramy).
f) podać krótkie, podstawowe wnioski z ćwiczeń.
V. Literatura
1. Edwin Orion Schupp III „Chromatografia gazowa” . Warszawa PWN, 1972
2. W. Rödel, G. Wölm : „Chromatografia gazowa”. Warszawa PWN, 1992
3. Z. Witkiewicz, J. Hepter : „Chromatografia gazowa”. Warszawa WNT, 2001
4. Inne monografie i skrypty dotyczące chromatografii gazowej lub metod instrumentalnych
w analizie chemicznej.