Хроматографический способ идентификации и измерения массовой концентрации компонентов смеси неизвестного состава по временам удерживания
CHROMATOGRAPHIC METHOD OF IDENTIFYING AND MEASURING MASS CONCENTRATION OF MIXTURE COMPONENTS OF UNKNOWN COMPOSITION BY RETENTION TIMES

Изобретение относится к хроматографии и может быть использовано для количественного определения отдельных компонентов многокомпонентных смесей неизвестного состава в различных отраслях народного хозяйства.
Основой хроматографии является то, что время, за которое вещество проходит через хроматографическую колонку стабильно при сохранении всех внешних условий. Поэтому время выхода (время появления вершины хроматографического пика вещества) используется для идентификации - соотнесения пика на хроматограмме и конкретного вещества. Для решения задач качественного газохроматографического анализа (идентификации веществ в смеси) используют различные методы: метод добавки чистых веществ, сравнение параметров удерживания (метод внешнего стандарта), метод идентификации по графикам удерживания. Однако для реализации этих методов, как правило, требуется операторы высокой квалификации. Методы мало пригодны для проведения массовых серийных анализов.
Чаще всего используют прямую градуировку прибора по исследуемым веществам, а идентификацию проводят по времени выхода пиков на хроматограмме. Данный метод (также, как и другие) имеет стандартные для хроматографии проблемы: абсолютно точно соблюсти стабильность условий невозможно, поэтому времена выхода веществ «гуляют» по хроматограмме; времена выхода различных веществ могут быть близки и даже совпадать, это является очень большой проблемой при анализе многокомпонентной или неизвестной смеси, например воздуха.
Для решения первой проблемы анализируемые пики можно идентифицировать не по точному времени выхода пика вещества, а по диапазону - «окну», ширина которого зависит от возможностей прибора. Вторая проблема сложнее и проявляется при любых методах идентификации. Известен способ хроматографического определения компонентов сложных смесей путем введения в анализируемую смесь известного количества вещества стандарта, которое выходит из колонки, и его регистрируют между двумя неизвестными веществами. Путем расчета отношений времен выхода стандарта и анализируемого компонента определяют индекс удерживания вещества и по табличным данным идентифицируют анализируемый компонент(Авторское свидетельство СССР 842575, G01N 31/08, 1981). Недостатком этого способа является малая точность определения при наличии в смеси нескольких веществ с близкими характеристиками удерживания в выбранных условиях разделения.
Известен хроматографический способ определения концентраций компонентов, при котором компоненты анализируемой смеси хроматографируют совместно с тремя и более стандартными веществами или добавками фиксируемого количества и определяют концентрацию каждого компонента интерполяционным методом двойного внутреннего стандарта относительно детектируемых сигналов пары соседних стандартных веществ или добавок. Согласно изобретению, анализируемую смесь разделяют на колонке дважды при различных количествах вводимой пробы, определяют ориентировочные концентрации компонентов по разности сигналов детектора относительно каждой пары соседних стандартных веществ или добавок и выбирают соответствующую пару стандартных веществ или добавок по величине минимального отклонения от единицы зависимости усредненных коэффициентов чувствительности для анализируемых компонентов относительно каждого стандартного вещества или добавки от числа углеродных атомов в молекулах стандартных веществ или добавок, а искомые концентрации компонентов определяют интерполяцией ориентировочных значений концентраций относительно выбранной соответствующей пары соседних стандартных веществ или добавок к значению усредненного поправочного коэффициента, равного единице (патент РФ 2044317 G01N 31/06, 1992) Данный способ имеет ряд недостатков, касающихся осуществление способа и точности получаемых результатов.
Невозможность однозначного определения хроматографическим методом различных функциональных групп вызывает необходимость привлечения к хроматографическим методам идентификации ряд других инструментальных методов, например, ИК-спектрометрию, масс-спектрометрию и др. Однако, они очень дороги и требуют персонала очень высокой квалификации. Технической задачей заявленного технического решения является упрощение процедуры идентификации веществ при проведении серийного хроматографического анализа неизвестной смеси веществ, например, при мониторинге загрязненности атмосферного воздуха, и повысить достоверность хроматографического анализа неизвестной смеси веществ.
Поставленная задача решается в осуществлении хроматографического способа идентификации и измерения массовой концентрации компонентов смеси неизвестного состава по временам удерживания, путем одновременного ввода пробы из одного дозирующего устройства в не менее, чем два канала, имеющих хроматографические колонки разной полярности, с предварительной градуировкой хроматографа по каждому каналу, а идентификацию ведут до однозначного присутствия каждого идентифицированного вещества во всех каналах в равных количествах.
Для осуществления способа использовали хроматограф, обеспечивающий одновременный ввод анализируемой пробы в две (или более) различные хроматографические колонки из одного дозирующего устройства.
Предварительно провели градуировку хроматографа по всем каналам по максимально возможному перечню веществ, детектируемых с используемыми детекторами и разделительными колонками. Последовательно изучали все полученные хроматограммы на присутствие всех претендентов по всем пикам. Анализ проводили в предположении двух вариантов:
1. «Один пик - одно вещество», т.е. исключали случай, когда два и более веществ имеют одинаковое время удерживания на какой-либо колонке.
1
2
2
ij
j
nk
По каждому из i претендентовна идентификацию каждого пика j первой хроматограммы находили эти претенденты на втором (и/или других) канале. Этот претендент исключали при отсутствии его среди претендентов на других каналах или обнаружения его, но с измеренной концентрацией, отличающейся от измеренной концентрации данного вещества на первом канале более установленного норматива (например, 25%). Если это вещество обнаружено в качестве претендента на идентификацию пика k на другом канале, но этот пик имеет и другие n претендентов, то проводили обратный поиск этих других n претендентов на первом канале. Такая «перекрестная» идентификация проводили до тех пор пока каждый пик на каждом канале не будет однозначно идентифицирован и его присутствие не будет подтверждено на других каналах. В качестве измеренной концентрации каждого идентифицированного вещества принимали среднее арифметическое результатов измерений на всех каналах.
2. В случае, один пик может быть образован присутствием в исследуемой пробе нескольких веществ, имеющих схожее время удерживания.
2
j
Тогда, по каждому из i претендентов 1ij на идентификацию каждого пика j первой хроматограммы находили эти претенденты на втором (и/или других) каналах. Этот претендент исключали только при полном его отсутствии на другом канале среди претендентов на других каналах или его измеренная концентрация на этом канале менее установленного норматива (например, нижней границы измерения согласно используемой методики анализа). Если это вещество обнаружено в качестве претендента на идентификацию пика к на другом канале, но его измеренная концентрация отличается (более установленного норматива) от концентрации данного вещества на первом канале, принимается, что пик (j на первом канале или к на втором), соответствующий большей концентрации образован присутствием не только вещества i, но и других претендентов. Проводили поиск и выше описанный анализ по всем этим новым претендентам на всех каналах.
Идентификацию пиков можно улучшить, только если провести анализ одной и той же пробы на двух и более колонках разной полярности и потом совместно проанализировать результаты.
Анализируемая проба, например, воздуха, может изменить состав при ее длительном хранении даже в специализированных пробоотборных устройствах. Поэтому промежуток времени между этими анализами должен быть минимален, а запись одной хроматограммы может продолжаться более часа. Самым точным вариантом является анализ, когда проба из одного устройства ввода одновременно поступает в две (или более) параллельные колонки и анализируется одновременно с учетом всех претендентов по всем веществам на каждой хроматограмме. Именно такой вариант реализован в хроматографе ФГХ-1-2 и соответствующий программный модуль называется «перекрестная идентификация».
Хроматограф ФГХ-1-2 имеет: 1 - встроенный баллон 0,4 л с азотом; 2 - система подготовки газа-носителя (редукторы, фильтр); 3 - кран-дозатор; 4 - входной штуцер для отбора проб в кран-дозатор; 5 - встроенный компрессор; 6 - термостат колонок; 7 - колонка 1; 8 - колонка 2; 9 - ФИД 1; 10 - ФИД 2.
Пример. В двухколоночном хроматографе ФГХ-1-2 (КК) используют две капиллярные колонки и два идентичных (но независимых) детектора, Градуировка каналов производится независимо друг от друга.
На рисунке 1 приведена принципиальная схема хроматографа.
Программные решения ФГХ-1-2.
В приборе реализованы независимые обработки хроматограмм двух каналов (по сути два полноценных хроматографа с разными колонками). По каждому из каналов имеется независимая таблица стандартов (файл с градуировочными данными).
При выборе пункта «Совместная обработка двух каналов» появляется третья вкладка, на которой выводятся результаты «перекрестной идентификации», (рисунок 2. Таблица 1).
В таблице 1 на рис. 2 вверху вкладки приведены результаты перекрестной идентификации с указанием найденных совпавших веществ на обеих хроматограммах и величины измеренных концентраций.
На вкладке имеется флажок «нет полностью слившихся пиков». Снятие его включает режим анализа, при котором предполагается, любой пик может быть сформирован при прохождении через детектор одновременно двух и более веществ (то есть пики этих веществ полностью «слились»).
В таблице 2, рис. 3 показан этот режим (флажок снят) и различными цветами обозначены пики и соответствующие им названия веществ в таблице:
- красным цветом выделен Бензол: пик на хроматограмме первого канала;
- зеленым цветом выделен Бутиловый спирт: пик на хроматограмме первого канала;
- синим цветом выделен слившийся пик Бутилового спирта и Бензола на хроматограмме второго канала. Как видим, все вещества и примеси идентифицированы верно. Программа анализировала не только наличие или отсутствие пиков каждого из возможных претендентов на каждом из каналов, но и результаты определения концентрации по каждому претенденту, при этом оба канала градуируются независимо.