CC BY
19
УДК 543.544
Вестник СПбГУ. Сер. 4, 2005, вып. 3
И. Г. Зенкевич, И. О. Климова
О НЕОБХОДИМОСТИ И ПРИЧИНАХ ИЗМЕНЕНИЯ ХАРАКТЕРА СТУДЕНЧЕСКИХ ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ ПО ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ
Лаборатория газовой хроматографии химического факультета и НИИ химии СПбГУ осуществляет подготовку студентов по специализации «органический анализ», включающей теоретический курс «газовая хроматография» и соответствующий цикл практических работ, подробное описание которых приведено в руководстве [1]. Сравнение перечней таких работ в различных университетах России (Московском, Нижегородском, Самарском и др.) свидетельствует об их значительном сходстве. Объективными причинами подобного совпадения являются общие цели и задачи таких практикумов: ознакомление студентов с важнейшими приемами работы на (желательно) современном оборудовании, иллюстрация основных теоретических положений метода, освоение наиболее распространенных способов количественного анализа и хроматографичес-кой идентификации органических соединений и др. Однако, к сожалению, возможности практической реализации перечисленных принципов определяются не только содержанием предмета, но и реальным состоянием науки в стране, в частности приборным оснащением учебного процесса в конкретном учебном заведении.
В соответствии с последним утверждением следует заметить, что бол ьшая часть оборудования указан ной лаборатории представляет собой отечественные приборы выпуска 1970-1980-х годов, безнадежно устаревшие морально и физически. Это закономерно влечет за собой необходимость их частого ремонта. Можно полагать, что если затраты времени на ремонт оборудования становятся соизмеримыми со временем его нормальной эксплуатации, то использование такой техники уже нецелесообразно ни в научном, ни в учебном процессах. Один из авторов (И. 3.) в многочисленных административных документах ранее уже неоднократно отмечал, что поломки оборудования, влекущие за собой необходимость их оперативного устранения во время учебного процесса, крайне неблагоприятно и неадекватно воспринимаются студентами, что в итоге приводит к дискредитации всего учебного заведения.
Улучшение подобного положения вещей в ближайшее время вряд ли возможно.
Тем не менее одним из важнейших условий как научной деятельности, так и учебного процесса следует считать их эффективность по такому критерию, как соотношение результатов и затрат времени. Следовательно, для поддержания эффективности на необходимом уровне прежде всего следует конкретизировать, какие из научных, практических или учебных задач нецелесообразно решать с применением устаревшей техники. Иными словами, разработки, не соответствующие критерию экономии времени [2], излишне трудоемкие или даже недостаточно элегантно решаемые имеющимися техническими средствами, должны быть, если возможно, исключены. Именно устаревшее хроматографическое оборудование заставляет отказаться от выполнения большинства экоаналитических определений и тем более новых разработок в этой области, поскольку такая техника не может обеспечить даже минимально необходимых современных пределов определения экотоксикантов. Встречающиеся попытки скомпенсировать данный недостаток увеличением степени концентрирования определяемых веществ за счет большего объема проб следует расценивать как рекомендацию, лишенную научной элегантности. Дальнейшее развитие или практическое использование подобных рекомендаций маловероятно, и, следовательно, любые действия в таких направлениях по меньшей мере нерациональны. Этот
© И. Г. Зенкевич, И. О. Климова, 2005
же фактор заставляет в настоящее время резко ограничить (если не полностью устранить) изготовление и применение любых самодельных устройств и приспособлений, если только они не обладают уникальными характеристиками.
С учетом изложенных общих положений становится понятной необходимость внесения существенных изменений даже в перечни практических работ для студентов, изучающих хроматог-рафические методы. Так, нерациональность длительного приведения в рабочее состояние устаревшего оборудования закономерно влечет за собой исключение работ, связанных с использованием селективных хроматографических детекторов (ТИД, ПФД, ЭЗД). Однако даже неудовлетворительное приборное оснащение не препятствует иллюстрации большинства основных теоретических закономерностей метода, что в меньшей степени зависит от качества приборов и обычно не требует достижения низких пределов определений. По аналогичным причинам даже на устаревшем оборудовании могут эффективно выполняться все работы, связанные с определением или использованием (для идентификации неизвестных компонентов смесей) хроматографических инвариантов удерживания (прежде всего индексов удерживания ИУ или RI). Более того, именно в «экстремальных» условиях лучше всего проверяется надежность таких хроматографических инвариантов и приемов идентификации. Можно по-иному сформулировать это же правило: если решение задач хроматографической идентификации возможно на устаревших приборах, то на современных моделях оно тем более осуществимо.
Конечно же, столь многозначный критерий, как эффективность научной и учебной деятельности (особенно в современных условиях), требует более подробного обсуждения. В настоящей статье он упоминается в простейшем смысле, т. е. как необходимость минимизации нерациональных затрат времени и усилий на поддержание функционирования имеющегося устаревшего оборудования. В качестве одного из направлений реализации этой концепции рассматриваются новые работы для студенческого практикума по хроматографии, специально ориентированные на применение простейших экспериментальных операций и приборов в их стандартной комплектации, но вместе с тем отражающие современные подходы к организации аналитических определений.
«Традиция» представления новых научно-методических разработок для студенческого практикума по газовой хроматографии в виде специальных публикаций в журнале «Вестник Ленинградского университета» была начата в 1980-х годах проф. Б. В. Столяровым [3-6]. Последней из них была его статья, посвященная методическим вопросам определения никотина и кислородсодержащих соединений в табачном дыме [7]. Предназначение двух обсуждаемых ниже работ «нового поколения» состоит б их соответствии изложенной выше концепции г ювышения эффективности учебного процесса за счет нетривиальных способов подготовки проб, ведущих к упрощению экспериментальных операций, но в то же время концептуальному и вычислительному усложнению заключительных этапов обработки и интерпретации результатов.
Первая из них относится к характеристике аналитов индексами удерживания разных систем в режимах линейного программирования температуры.
Работа №1. Воспроизводимость ИУ различных систем в режимах линейного программирования температуры в зависимости от выбора реперных компонентов для их расчета.
Цели работы: характеристика выбранных органических соединений ИУ в условиях линейного программирования температуры; сравнение различных способов вычисления этих параметров (индексов разных систем), в том числе по разнообразным наборам реперных компонентов, с использованием как стандартного программного обеспечения (ПО «МультаХром», ЗАО «Ам-персенд», Москва), так и простейших программ на QBasic; выбор наиболее воспроизводимых способов вычисления ИУ.
Известные системы логарифмических (Ковача) (RI^) и линейных ИУ (Шлкн) рекомендованы для использования в изотермических режимах хроматографического анализа и линейном программировании температуры соответственно. Их объединением является универсальная система линейно-логарифмических индексов (RI_), применимая в любых температурных условиях разделения.
Индексы всех типов вычисляют по одинаковым интерполяционным соотношениям
RI, = RI„ + {RIn+k - RIn)[/(/J- f(tR,n )" /('*,)], (1)
где fltR) = log(/« - t0) - индексы Ковача (для изотермических или изократических условий (в ВЭЖХ)) [8]; fitR) = tR- линейные индексы (для режимов программирования температуры или градиентногоэлюирования) [9]; J{tR) =tR+ q\og(iR-i0) - линейно-логарифмические индексы (для любых условий хроматографического разделения) [10-12]. Подстрочные индексы х, п и п + А соответствуют характеризуемому аналиту и реперным и-алканам с числом атомов углерода п и п + к и временами удерживания t„<tx<i„, ь t0 - время удерживания несорбируемого компонента. Системы Шлог и К1лин1лог допускают расчет экстраполированных значений ИУ в областях tx < t„ и tx > /„. ь при некотором возрастании погрешностей Их значений.
Для расчета переменного параметра q, входящего в соотношение для вычисления линейно-логарифмических индексов, необходимы времена удерживания минимум трех реперных компонентов (//-алканов) [12]. Его использование позволяет обеспечить линейность функции Ш(/л) при любом выборе реперов в любых участках хроматограмм. Следовательно, главное преимущество индексов RI„ состоит в их максимальной воспроизводимости, которая существенно выше, чем для других систем.
Практика общения авторов не только со студентами, но и со специалистами показывает, что достаточно часто встречается формальное отношение к известным рекомендациям по расчёту ИУ. Реальные же аналитические задачи предполагают не столько проведение несложных арифметических вычислений по формуле (1), сколько характеристику аналитов максимально воспроизводимыми значениями ИУвне зависимости от условий анализа и любых мешающих их определению факторов. Так, например, не всегда удается обеспечить выполнение таких условий расчета ИУ, как t„<tx<t„,kuk=\, так как часть реперных компонентов может оказаться недоступной, их хроматографические сигналы могут быть перекрыты с пиками других веществ и т. д. В таких условиях необходимо проводить вычисление ИУ не в идеализированных «стандартных», а в реальных условиях по наборам данных для имеющихся в наличии или фактически обнаруженных на хроматограммах реперных компонентов.
Другим не менее важным замечанием является объем арифметических расчетов по формулам вида (1). Если для линейных ИУ могут быть использованы даже простейшие калькуляторы, то расчет логарифмических и тем более линейно-логарифмических ИУ гораздо эффективнее проводить с помощью простейших программ (QBasic, Excel и др.). Как показывает учебная практика даже других стран"}, пренебрежение этим фактом приводит к нерациональным затратам времени на вычисления (о важности фактора экономии времени см. [2]) и резко снижает «популярность» ИУ как формы представления хроматографической информации.
Изложенные выше цели работы и ожидаемые результаты можно проиллюстрировать следующим примером.
Определение R1 диизобутилена (I) на полярном неорганическом сорбенте Силипор 600 в режиме программирования температуры от 50 до 220 °С со скоростью 8 град./мин. Времена удерживания (мин): н-Q - 12,70; н-С- ~ 15,94; н-С* - 18,73; (I) - 20,16; н-С,0 - 23,74, /0 « 1,0. Результаты расчета по разным наборам н-алканов иллюстрируют наибольшую воспроизводимость именно RIMH.llor (табл. 1).
Ожидаемый результат состоит в том, что средние значения ИУ всех известных систем перекрываются в пределах их стандартных отклонений, но для линейно-логарифмических ИУ ошибки, связанные с вычислением
этих констант по разным наборам реперных компонентов, минимальны.
»
ч University of Hohenheim, Stuttgart, Germany. Private communication Dr. G. Morlock.
Таблица 1. Определение 1*1 диизобутилена по разным наборам н-алканов
Набор я-алканов Ш,ин R-I.nn- Набор н-алканов 1.1НН-ЛОГ
7,8 851 846 6, 7, 8 855
7, 10 862 877 6. 8. 10 855
8, 10 857 862 7, 8, 10 855
Среднее 857 ±6 862 ± 15 Среднее 855 ± 0 (!)
Аппаратура, условия анализа и объекты конкретно приведены в методических указаниях по выполнению работы и могут быть выбраны, например, следующими:
хроматограф «Цвет 500» с пламенно-ионизационным детектором;
стеклянная насадочная колонка размерами 2 м х 2 мм с неподвижной фазой 5% ОУ-225 на Хроматоне температурный режим анализа: программирование температуры от 60 до 110 °С со скоростью 5 °С/мин; газ-носитель: азот, расход (30 мл/мин) установлен на приборе и в ходе работы не требует изменения; вспомогательные газы: водород, расход 35 мл/мин; воздух 300 мл/мин (то же); объекты анализа: смеси характеризуемых органических соединений и реперных н-алканов; • подготовка пробы для анализа: не требуется;
дозирование осуществляют микрошприцем МШ-1; доза 0,06-0,1 мкл;
обработка результатов: использование программного обеспечения (ПО) «МультиХром» для расчета логарифмических (Ковача) и линейных индексов удерживания; ^программы ОНя?1е дпя расчета линейно-логарифмических индексов удерживания.
Выполнение работы. Пробу образца, состоящего из смеси я-алканов (С8, СКь Сп, С,2, СП), дозируют в испаритель газового хроматографа. Одновременно включают программирование температуры. Получают и обрабатывают хроматограмму образца с использованием ПО «МультиХром». Затем проводят анализ характеризуемых веществ в смеси с этим же набором реперных компонентов. Получают несколько хроматограмм, при регистрации которых можно не добиваться точного совпадения абсолютных времен удерживания аналитов, так как такие интерполяционные характеристики, как ИУ, характеризуются воспроизводимостью практически вне зависимости от воспроизводимости времен удерживания.
Обработка результатов. Рассчитывают логарифмические (Я1лог) и линейные (Я1ЛИН) ИУ при помощи ПО «МультиХром», а линейно-логарифмические (Я1лин-лог) — с использованием программы на ОВаБ^ [1], выбирая разные наборы реперных компонентов. При этом различия в ИУ выбранных реперных компонентов не должны превышать 300 ед. индекса, что в формуле (1) соответствует к < 3.
Полученные результаты представляют в виде таблиц - отдельно для любого соединения и для каждого типа ИУ (табл. 2).
Таблица 2. Значения ИУ, полученные разными способами (пример оформления
результатов)
Набор реперных н-алканов Я1 Среднее значение "5Г
№ 1* №2*
'' Номера хроматограмм.
По этим данным необходимо оценить, какие именно ИУ являются наиболее воспроизводимыми в выбранных условиях газохроматографического анализа при применении для расчета различных наборов реперных компонентов.
При оформлении протокола по работе студентам предлагается ответить на следующие контрольные вопросы (примерный перечень):
1. Чему равны значения параметра необходимого для расчета линейно-логарифмических ИУ в выбранных условиях анализа?
2. В каких случаях параметр <7 = 0?
3. В каких случаях q < 0?
4. Какие значения принимает параметр q в изотермических условиях хроматографического разделения?
5. Для ИУ каких систем (линейных или логарифмических) воспроизводимость их значений при расчете по разным наборам реперных компонентов оказывается хуже и почему?
6. Какие источники погрешностей определения ИУ следует считать основными для выбранных условий?
В следующей работе студенты знакомятся с одним из недавно предложенных нетривиальных способов количественного анализа образцов сложного состава.
Работа № 2. Определение содержания мятного масла в зубной пасте методом стандартной добавки образца сравнения в гетерофазную систему
Цели работы: количественный анализ реального объекта сложного состава с использованием метода стандартной добавки в модификации для гетерофазных систем; проверка правильности результатов повторным введением стандартной добавки в ту же систему; количественное определение содержания не индивидуального компонента, а смеси веществ (мятное масло) при наличии образца сравнения несколько иного состава.
Прямой газохроматографический анализ сложных матриц (таких, как зубные пасты) на содержание летучих веществ невозможен, ибо они содержат большое количество компонентов, в том числе мелкодисперсный карбонат кальция, несколько ПАВ и эмульгаторов, а также ароматизаторы (мятное масло). Основными компонентами эфирных масел мяты являются ментон, ментол, а также (реже) ментилацетат и пулегон. Количественное извлечение (исчерпывающая экстракция) мятного масла из таких смесей для последующего газохроматографического определения представляет собой сложную задачу и потому нерационально.
Оптимальный способ подготовки проб подобных образцов включает их превращение в гетерогенные двухфазные системы, в одном из слоев которых (гидрофильный, обычно водный) сосредоточена большая часть мешающих компонентов. Целевые же аналиты распределены между водным и органическим слоями в соответствии с их коэффициентами распределения Kf = С, / С, - const.
Количественный анализ гетерофазных систем без информации о коэффициентах распределения компонентов невозможен почти ни одним из известных методов, за исключением метода стандартной добавки (образцы анализируют дважды: до и послс введения известных количеств определяемых веществ). Закономерности количественного анализа таким способом для гомогенных и гетерофазных систем идентичны. Расчет абсолютных значений коэффициентов распределения Кр при этом не требуется, необходимо лишь обеспечить их постоянство на всех стадиях определений. Кроме того, объемы сосуществующих фаз не должны существенно меняться в ходе работы. Для контроля правильности результатов рекомендуется использовать такой прием, как повторное введение еще одной добавки образца сравнения в гетерофазную систему. Однако при всей рациональности такого способа подготовки проб и количественного анализа сложных систем, он был введен в аналитическую практику только в 1998 г. [ 13]. Альтернативным способом анализа подобных образцов является их дискретная жидкостная экстракция равными объемами подходящих органических растворителей [14], что требует гораздо больших затрат времени.
Аппаратура, условия и объекты хроматографирования могут быть выбраны, например, следующими:
хроматограф «Цвет-500» с пламенно-ионизационным детектором;
стеклянная насадочная колонка размерами 3 м х 2 мм (неподвижная фаза - 5% полярной фазы Карбовакс 20М на Хроматоне N-AW-DMCS);
температура термостата колонок - 120 °С, термостата детектора - 150 °С, испарителя - 250 °С;
газ-носитель: азот, расход (30 мл/мин) установлен на приборе и в ходе работы не требует изменения; вспомогательные газы: водород, расход 35 мл/мин; воздух, расход 300 мл/мин (то же); объект анализа: зубная паста, содержащая ароматическую добавку (мятное масло); подготовка пробы для анализа: добавка к навеске зубной пасты известных количеств воды и н-гексана для создания гетерофазной системы;
анализируемый образец: гексановый слой полученной гетерофазной системы; дозирование осуществляют микрошприцем MLIJ-1; доза 0,5-1,0 мкл.
Выполнение работы. В пенициллиновый флакон емкостью 10 мл отобрать точную навеску анализируемого образца (зубная паста) (около 0,8 г), добавить 2 мл дистиллированной воды, тщательно перемешать до однородной консистенции. К полученной смеси добавить 1 мл н-гексана. В течение 1 мин аккуратно встряхивать смесь, избегая образования трудно расслаивающейся эмульсии. Оставить флакон в покое на 15 мин, дожидаясь хотя бы частичного расслоения двух несмешивающихся фаз (полное расслоение фаз не требуется). Верхний (гексановый) слой дозируют в испаритель хроматографа. Записать и обработать хроматограмму при помощи ПО «МультиХром». Повторить ввод пробы, добиваясь воспроизводимых результатов. Определить суммарную площадь пиков на хроматограмме, принадлежащих компонентам мятного масла (исключая пик растворителя).
После этого взвесить на аналитических весах флакон с полученной гетерофазной смесью и ввести в него добавку образца сравнения - мятного масла (приблизительно 2 капли, т. е. около 10 мг). Определить точную массу добавки. Встряхнуть флакон, дождаться расслоения двух фаз и снова проанализировать гексановый слой до получения воспроизводимых результатов (дозируемое количество должно быть тем же самым). Установить суммарную площадь пиков на хроматограмме, исключая пик растворителя.
Контроль точности результатов с помощью повторной стандартной добавки. Снова взвесить на аналитических весах флакон с анализируемой смесью с добавкой и повторно ввести в него примерно 1 капли (т.е. около 10 мг) мятного масла. Определить точную массу второй добавки. Встряхнуть флакон, дождаться расслоения двух фаз, проанализировать гексановый слой до получения воспроизводимых результатов. Установить суммарную площадь пиков на хроматограмме, исключая пик растворителя.
Обработка результатов. Рассчитать содержание мятного масла в анализируемом образце по следующей формуле:
А/= -IS,,), (2)
где М - содержание мятного масла в анализируемой пробе (г); /идоб1 - масса первой добавки мятного масла в образец (г); - суммарная площадь пиков определяемых компонентов на хроматограмме образца без добавки мятного масла (за исключением сигнала растворителя); ££доб1 - площадь пиков на хроматограмме образца с первой добавкой образца сравнения (мятного масла).
Контроль точности результатов проводят с помощью второй стапХГартной-добавки, используя аналогичную формулу:
М = Ко6, + »7„в2)^0/(15двв1+2 - SSJ , (3)
в которой М - содержание мятного масла в анализируемой пробе (г); тао6, - масса первой добавки (г); «гдоб2 - масса второй добавки (г); £ S0 - то же, что в формуле (2); Z 5доб |+2 - суммарная площадь пиков определяемых компонентов на хроматограмме образца с двумя добавками мятного масла.
Концентрацию мятного масла в анализируемом образце рассчитывают по результатам определений с использованием как одной, так и двух добавок:
С=\00хМ/Мо6р, (4)
где С- концентрация мятного масла в образце зубной пасты (масс. %); М-содержание мятного масла в пробе (г), вычисленное по формулам (2) и (3); М^ - масса навески зубной пасты, взятой для анализа (г),
Текущие и усредненные результаты, полученные в ходе анализа, оформляют, например, так, как показано в табл. 3.
Результаты определений с использованием одной и двух стандартных добавок могут не совпадать. Это может быть вызвано выходом за пределы концентрационной области постоянства Кр при использовании излишне больших добавок образцов сравнения, когда С, / С, * const. В
Таблица 3. Результаты определения содержания мятного масла в зубной пасте (пример оформления результатов)
№ добавки С, масс % "S "S, Сср±д
'I
" 1 + II
этом случае все определения следует повторить с меньшими добавками определяемых веществ или с увеличением количеств применяемых растворителей (воды или гексана).
Контрольные вопросы для студентов по выполненной работе (примерный перечень):
1. Какие иные варианты количественного определения содержания мятного масла в зубной пасте можно предложить? В чем их преимущества и недостатки?
2. Чем обусловлена необходимость контроля результатов, полученных методом стандартной добавки, введением повторной добавки мятного масла?
3. Компонентные и количественные составы мятного масла, используемого в качестве образца сравнения и входящего в состав зубной пасты, могут отличаться. К каким возможным ошибкам определений могут приводить такие различия?
4. Какие растворители можно использовать вместо н-гексана при преобразовании анализируемого образца в гетерофазную систему?
5. В каком порядке выходят из хроматографической колонки с используемой фазой основные компоненты мятного масла?
Таким образом, обе рассмотренные работы базируются на достаточно современных рекомендациях по подготовке проб для хроматографического анализа и интерпретации его результатов, еще не получивших отражения не только в учебных пособиях, но даже и в монографиях. Последующие планируемые изменения содержания практических работ для студентов также предполагается проводить в соответствии с рассмотренной общей концепцией минимизации нерациональных потерь времени, связанных с эксплуатацией устаревшего оборудования.
Summary
Zenkevich I. G., Klimova I. O. On the necessity and reasons for modification of students experimental works on gas chromatography.
Two new experimental works on gas chromatography for students are proposed and considered. Both of them are elaborated in accordance with a general concept of simplification of manual operations accompanied by more . sophisticated data processing and interpretation of results. This reconsideration of commonly accepted traditions is caused by the necessity of minimization of useful time waste needed for keeping in order the obsolete chromatographic equipment.
Литература
I. Столяров Б. В., Савинов И. М., Витенберг А. Г. и др. Практическая газовая и жидкостная хроматография. СПб., 2002. 2. Зенкевич И. Г. II Партнеры и конкуренты. Лабораториум. 2004. № 5. С. 18-25. 3. Столя-ровБ. В., Карпова Л. А. II Вестн. Ленингр. ун-та. Сер. 4: Физика, химия. 1982. Вып. 4. С. 88-92. 4. Столяров Б. В., Нагимуллина А. Г. II Вестн. Ленингр. ун-та. Сер. 4: Физика, химия. 1984. Вып. 4. С. 55-60. S. Столяров Б. В., Еникеева А. Г. II Вестн. Ленингр. ун-та. Сер. 4. Физика, химия. 1989. Вып. 3. С. 71-77. 6. Еникеева А. Г., Столяров Б. В. II Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 4: Физика, химия. 1997. Вып. 3 (№ 16). С. 62-68. 7. Столяров Б. В., Богданова Л. П. II Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 4: Физика, химия. 2002. Вып. 1 (№ 4). С. 88-96. 8. KovatsE. И Helv. Chim. Acta. 1958. Bd 41. S. 1915-1932. 9. Van den Dool H., Krat= P. D. И J. Chromatogr. 1963. Vol. II. P. 463-471: 10. Зенкевич И. Г. II Журн. аналит. химии. 1984. Т. 39, № 7. С. 1297-1307. И. Zenkevich I.G., loffe В. V. II J. Chromatogr. 1988. Vol. 439. P. 185-194. 12. Зенкевич И. Г., Щепаняк Л. II Журн. аналит. химии. 1992. Т. 47, №"3. С. 507-513. 13. Зенкевич И. Г., Рагозина Т. Н. !! Журн. прикл. химии. 1998. Т. 34, вып. 10. С. 1458-1462. 14. Зенкевич И. Г., Пименов А. И., Макаров В. Г. II Лаб. журн. 2002. Вып. 1. С. 10-15.
Статья поступила в редакцию 14 декабря 2004 ,г.
