VYHODNOCOVÁNÍ CHROMATOGRAFICKÝCH DAT

Transkript

1 VYHDNCVÁNÍ CHRMATGRAFICKÝCH DAT umístění práce: laboratoř č. S31 vedoucí práce: Ing. J. Krupka 1. Cíl práce: Seznámení s možnostmi, které poskytuje GC chromatografie pro kvantitativní a kvalitativní analýzu. svojení samostatné práce s plynovým chromatografem na inženýrské úrovni. 2. Zadání a úkoly: Máte přiděleny 3 vzorky reakční směsi určitého reálného reakčního systému (např. vzorky reakčních směsí odebrané během laboratorního experimentu sledujícího kinetiku reakce). d vedoucího práce dostanete charakteristiku zadaného reakčního systému a další informace, které jsou nezbytné pro správné rozhodování při řešení zadaných úkolů. Vašimi úkoly jsou: Úkol 1 - Nalézt vhodný způsob stanovení složek daného reakčního systému v reakčních směsích tj.: Úkol 1a - Zhodnotit použití dvou různých kapilárních kolon pro daný reakční systém Úkol 1b - Vybrat optimální teplotní program kolony a vhodnou teplotu injektoru Úkol 1c - Zvolit správnou metodiku pro výpočet složení vzorků, popř. vypočíst příslušné korekční (kalibrační) faktory Úkol 1d - Určit složení reálných směsí v hmotnostních procentech pomocí zvolené metodiky Úkol 2 - Zjistit povahu neznámých složek v reálné směsi na základě porovnání jejich chování na polární a nepolární kapiláře. K dispozici jsou analytické standardy některých látek, které se vyskytují ve vašem reakčním systému, a dále několik dalších čistých látek pro případné použití jako rozpouštědla či standardů. 3. Přístrojové vybavení: K dispozici jsou plynové chromatografy SHIMADZU-GC 9A a Hewlett-Packard 5890 s kapilárami DB-5 (J&W. Scientific) a Stabilwax-DB (Restec Corp.). Kapilára DB-5 obsahuje jako zakotvenou fázi téměř nepolární polysiloxan (95% methylpolysiloxan, 5% fenylpolysiloxan), složky dělí převážně podle jejich molekulových hmotností. Stabilwax-DB je polární kapilára, jako zakotvenou fázi obsahuje polyethylenglykol modifikovaný pro analýzu aminů, na dělení má největší vliv polarita složek. ba chromatografy pracují v režimu SPLIT N, což znamená, že jen menší část nastříknutého vzorku vstupuje po vypaření v injektoru do kolony. U obou chromatografů je k detekci jednotlivých rozdělených složek vystupujících z kolony v proudu nosného plynu použito plameno-ionizačního detektoru označovaného zkratkou FID. Ke zpracování signálu z detektoru jsou chromatografy vybaveny integrátory Shimadzu C-R3A a C-R5A. Výstupem z integrátoru je chromatogram s vypočteným procentuálním zastoupením ploch jednotlivých píků. Na integrátoru lze nastavit integraci bez rozpouštědla. 4. Výběr metody kvantitativní analýzy: (kvantitativní vyhodnocení chromatogramů) Je třeba si uvědomit, že stejná váhová množství strukturně různých chemických sloučenin poskytují za stejných pracovních podmínek na stejném detektoru obecně různou celkovou odezvu. becným vztahem pro zjištění celkového množství látky prošlé detektorem (m i ) je : m i = K i x A i kde A i je plocha píku složky i, K i je konstanta úměrnosti za daného pracovního režimu. 1

2 Pro řešení daného analytického problému a s ohledem na požadovaný rozsah analýzy je možno použít některý z následujících postupů: a) Metoda vnitřní normalizace 1,3 Nutným základním předpokladem pro použití této metody je jistota, že všechny složky jsou eluovány a posléze detekovány. Výhodou této metody je, že není potřeba znát přesné objemy dávkovaných vzorků. b) Metoda vnitřního standardu 1,3 Metoda není závislá na znalosti přesného objemu dávkovaného vzorku a další výhodou je možnost stanovení chromatograficky nedetekovaných podílů ve směsi. c) Metoda absolutní kalibrace 1,3 Metoda zakládající se na experimentálním zjištění relace mezi množstvím vzorku a jeho odezvou. Jedná se o univerzální metodu, jejíž nevýhodou je však nutnost znát objemy dávkovaných vzorků. d) Metoda standardního přídavku 1,2,3 Metoda umožňuje eliminovat ztráty nebo změny složení během úpravy a čištění vzorku. Základním rysem všech variant této techniky je nutnost provedení dvou nástřiků (zpravidla nástřik původního vzorku a vzorku s přidaným známým množstvím čisté stanovované složky). Nevýhodou metody je nutnost znát množství vzorku dávkovaného do chromatografu. 5. Pracovní postup Přezkoušení elementárních znalostí o chromatografii 3. Seznámení s manipulací s GC chromatografy. Nastavení vhodné teploty injektoru pro analýzu daného reakčního systému. Zjišťování, zda se stanovované složky dělí na obou kapilárách a při jaké nejvyšší teplotě kolony ještě dochází k jejich dokonalé separaci. Vyzkoušejte teploty kolony 200 C, 150 C, 100 C a 40 C. Postupujte od nejvyšší teploty k nižším. Analýzami čistých standardů látek řešeného reakčního systému na obou kolonách zjistěte, které z chromatografických píků na chromatogramech analyzovaného vzorku odpovídají těmto látkám. Zhodnoťte použití obou kapilárních kolon pro daný reakční systém a pro následnou kvantitativní analýzu vyberte jednu z nich. Pokud obě kapiláry budou vyhovující z hlediska kvalitní separace složek reakčního systému, dejte přednost nepolární kapiláře. Na základě informací o reakčním systému zvolte jednu z metod pro kvantitativní analýzu a vysvětlete proč. U vybrané metody určete korekční faktory k referenční látce (tj. k jedné ze složek přítomné ve směsích či ke standardu). V případě, že budete uvažovat o metodě vnitřního standardu, jsou jako potenciální standardy k dispozici látky cyklohexan, toluen, 1-butanol, 1,2-ethylendiamin, aceton a 1- pentanol. Pomocí zvolené metody určete složení vzorků reálných směsí (v hmotnostních procentech). Reálné směsi mohou obsahovat několik neznámých složek, určete kolik a srovnáním jejich elučních časů na obou kapilárách s ostatními látkami odhadněte jejich přibližnou molekulovou hmotnost (resp. bod varu) a polaritu. Laboratorní protokol zpracujte na počítači a osobně odevzdejte vytištěnou kopii nejpozději do zahájení následující práce. Pro úspěšné absolvování této typové práce musí protokol obsahovat následující body: zdůvodnění všech rozhodnutí jednak při hledání optimálních podmínek analýz a jednak při výběru vyhodnocovací metody; hodnoty korekčních faktorů; složení vzorků v hmotnostních procentech (pokud vzorky obsahují Vám neznámé látky, uveďte i jejich koncentraci) ; příklady výpočtů; tabulku s přehledem elučních časů všech složek nalezených ve Vašich vzorcích; počet a charakteristika neznámých složek. 2

3 6. Zadaný reakční systém Kysele katalyzovanou reakcí v plynné fázi na jistém modifikovaném katalyzátoru s prostorovou selektivitou vzniká z monoethanolaminu převážně piperazin a morfolin. 2 NH 2 -H NH 2 -NH -H HN NH 2 NH 2 -H - NH 3 NH 2 - -NH 2 HN 2 NH 2 -H - NH 3 H -NH -H HN Do reaktoru s pevným ložem katalyzátoru je za teploty 300 C nastřikován monoethanolamin (MEA), popř. jeho vodný roztok. Nosným plynem je amoniak, popř. dusík. Konverze MEA je %. Piperazin a morfolin vznikají deaminačními a dehydratačními reakcemi. Upřednostňována je tvorba cyklu. Mimo těchto dvou hlavních produktů vzniká za daných reakčních podmínek několik dalších látek komplikovaným sledem následných a bočných reakcí. Přehled možných reakčních cest ilustruje obr.1 v příloze. Mohou vznikat i látky se značně vysokým bodem varu, které při GLC analýzách na Vámi používaných kapilárách nebudou za daných chromatografických podmínek eluovat. Tabulka I.: Body varu surovin a některých možných produktů syntézy piperazinu a morfolinu Látka bod varu [ C] (literární údaje) 1,4-diazabicyklo[2,2,2]oktan (DABC) 174 N-(2-hydroxyethyl)piperazin (HEPIP) 246 N,N -bis(2-hydroxyethyl)piperazin (BHEPIP) 278 N-(2-aminoethyl)piperazin (AEPIP) monoethanolamin (MEA) 170 diethanolamin (DEA) 271 triethanolamin (TEA) ,2-diaminoethan (EDA) 118 diethylentriamin (DETA) piperazin (PIP) N-methylpiperazin N,N -dimethylpiperazin 131 N-ethylpiperazin 157 N,N -diethylpiperazin N-methyl-N -ethylpiperazin ,3-dimethylpiperazin ,5-dimethylpiperazin ,6-dimethylpiperazin 162 pyrazin ,3-dimethylpyrazin 156 2,6-dimethylpyrazin 154 N-(2-aminoethyl)morfolin (AEMR) morfolin (MR) (2-hydroxyethyl)morfolin 227 3

4 7. Specifikace chromatografů Tabulka IIa.: Specifikace plynového chromatografu SHIMADZU-GC 9A (lab. 67) integrátor SHIMADZU C-R3A detektor FID kolona kapilární, DB-5 délka kolony 30 m vnitřní průměr kolony 0,53 mm tloušťka filmu 5 μm teplota kolony teplota injektoru split 60 ml/min tlak dusíku 5 kpa tlak vodíku 70 kpa tlak vzduchu 40 kpa přetlak dusíku 80 kpa nástřik [μl] 0,2 μl maximální pracovní teplota kolony 250 C Tabulka IIb.: Specifikace plynového chromatografu Hewlett Packard 5890 (lab. S 31) integrátor SHIMADZU C-R5A Chromatopac detektor FID kolona kapilární Stabilwax-DB délka kolony 30 m vnitřní průměr kolony 0,53 mm tloušťka filmu 1μm teplota kolony teplota injektoru splitovací poměr 15 tlak vodíku 110 kpa tlak vzduchu 270 kpa přetlak dusíku 300 kpa nástřik [μl] 0,4 μl maximální pracovní teplota kolony 210 C 4

5 8. Metody kvantitativní analýzy (kvantitativní vyhodnocení chromatogramů) Je třeba si uvědomit, že stejná váhová množství strukturně různých chemických sloučenin poskytují za stejných pracovních podmínek na stejném detektoru obecně různou celkovou odezvu. becným vztahem pro zjištění celkového množství látky prošlé detektorem (m i ) je : m i = K i x A i kde A i je plocha píku složky i, K i je konstanta úměrnosti za daného pracovního režimu. V chromatografické praxi je nejběžnější korigovat experimentální velikosti ploch píků na rozdílné odezvy sloučenin vynásobením ploch korekčními faktory tak, aby plochy byly navzájem v relaci s hmotnostmi sloučenin. Pro složky i a k o hmotnostech m i a m k a plochách píků A i a A k musí být tyto korekční faktory zvoleny tak, aby platilo m i / m k = (k i A i ) / (k k A k ) Pro řešení daného analytického problému a s ohledem na požadovaný rozsah analýzy je možno použít některý z následujících postupů: Metoda vnitřní normalizace Jedná se o zjištění všech individuálních píků a jejich vztažení na celkovou plochu všech píků. Hmotnostní procenta složky jsou pak vypočtena podle vztahu k i A i w i = k j A j Korekční (kalibrační) faktory je nutno experimentálně stanovit. Pokud zvolíme jednu ze sloučenin za referenční s korekčním faktorem k k = 1, pak je možné vypočítat ostatní korekční faktory vzhledem k této látce podle k i = (A k m i ) / (A i m k ) Nutným základním předpokladem pro použití této metody je jistota, že všechny složky jsou eluovány a posléze detekovány. Výhodou této metody je, že není potřeba znát přesné objemy dávkovaných vzorků. Metoda vnitřního standardu Tato metoda se od předchozí liší tím, že referenční látkou není jedna ze složek analyzované směsi, ale látka - vnitřní standard, která ve směsi není přítomna a má eluční čas různý od složek v analyzované směsi. Základem této metody je vztah mezi hmotnostmi a plochami píků jedné složky a vnitřního standardu vyjádřený takto: m i / m st = (k i A i ) / (k st. A st ), k st = 1 Postupujeme tak, že ke známému množství analyzovaného vzorku přidáme přesně známé množství standardu m st a po určení plochy jeho píku A st a píku stanovované složky A i počítáme hmotnost hledané složky podle vztahu : k i A i m i = m st (k st = 1) k st A st Kalibrační faktory vzhledem k vnitřnímu standardu je nutno experimentálně stanovit předem. To znamená přesně navážit kalibrační směsi (standard + jednotlivé složky), ty pak chromatografovat, zjistit plochy píků a vypočítat kalibrační faktory podle již uvedeného vzorce. Metoda není závislá na znalosti přesného objemu dávkovaného vzorku a další výhodou je možnost stanovení chromatograficky nedetekovaných podílů ve směsi. 5

6 Metoda absolutní kalibrace Metoda zakládající se na experimentálním zjištění relace mezi množstvím vzorku a jeho odezvou. Nejčastější variantou této metody je použití kalibračních grafů (metoda kalibrační křivky). Ten sestrojíme tak, že připravíme řadu roztoků o stoupající koncentraci v uvažovaném oboru analýz, nastřikujeme do chromatografu známé stejné objemy a vyhodnotíme plochy píků. Získáme tak graf závislosti m i na A i,tj. m i = k i A i, (k i může být konstanta i funkce). Jedná se o univerzální metodu, jejíž nevýhodou je však nutnost znát objemy dávkovaných vzorků. Metoda standardního přídavku Metoda je příbuzná metodě vnitřního standardu. Pokud jde o postup při přípravě vzorků k nástřiku, je jediný rozdíl v tom, že jako standard se nepřidává nová složka, ale samotná stanovovaná látka. Skutečnost, že přidaný standard se při chromatografii neseparuje od stanovované složky, však vede k podstatně odlišné a složitější interpretaci chromatogramu. Základním rysem všech variant této techniky je nutnost provedení dvou nástřiků (zpravidla nástřik původního vzorku a vzorku s přidaným známým množstvím čisté stanovované složky). Jednotlivé varianty jsou popsány ve skriptech 1, výpočtové vztahy a jejich odvození se nachází v článku 2 J. Nováka. Výpočtové vztahy jsou poměrně komplikované, ale za určitých předpokladů je lze zjednodušit na jednoduchý vztah. Do kolony se dávkuje definovaný objem analyzovaného vzorku o neznámé koncentraci stanovované složky c i a z chromatogramu se stanoví plocha A i. K definovanému objemu analyzovaného vzorku se přidá definované množství složky i jako standardu. Do chromatografu se nadávkuje stejný objem vzniklé směsi a opět se změří zvětšená plocha A i,s. Za předpokladu, že přidaný objem roztoku standardu nezpůsobí významnou změnu objemu vzorku, můžeme neznámou koncentraci složky c i vypočítat z jednoduchého vztahu c i = (c s. A i )/(A i,s A i ). kde c s je koncentrace přidaného standardu ve vzorku. Metoda umožňuje eliminovat ztráty během úpravy a čištění vzorku. Na začátku analýzy rozdělíme vzorek na dvě části a k jedné z nich přidáme známé množství složky, která má být stanovena a tím je dána koncentrace c s. Na konci analýzy dostaneme z těchto dvou částí dva signály, které se liší intenzitou: větší A i,s a menší A i. Nevýhodou metody je nutnost znát množství vzorku dávkovaného do chromatografu. 9. Doporučená literatura: 1. Kolektiv autorů: Laboratoř oboru - organická technologie, SNTL, Praha J. Novák, Kvantitativní analýza plynovou chromatografií V., Chem. listy, 62, 1281 (1968) 3. K. Volka: Analytická chemie II, VŠCHT Praha,