CC BY
105
УДК 543.544 Вестник СПбГУ. Сер. 4, 2007, вып. 1
И. Г. Зенкевич, Е. Д. Макаров, А. А. Макаров, И. О. Климова, Э. П. Бубнов
ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ХРОМАТОГРАФОВ УСТАРЕВШИХ МОДЕЛЕЙ.
ХАРАКТЕРИСТИКА ИНЕРТНОСТИ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Введение. Современная газовая хроматография является эффективным методом разделения соединений с температурами кипения (при нормальных условиях) до 400-500 °С и более [1]. Это означает, что им могут быть проанализированы все вещества, охарактеризованные температурами кипения не только при атмосферном давлении, но и в вакууме (до 0,01-0,001 мм рт. ст.) [2, 3]. Однако хроматография (как газовая, так и высокоэффективная жидкостная) относится к инструментальным методам, потому реализация всех ее возможностей зависит не только от искусства экспериментаторов, но и от характеристик используемых приборов. В связи с этим одной из важнейших проблем представляется объективная характеристика недостатков хроматографического оборудования (особенно устаревшего), поскольку такие вопросы относятся к редко обсуждаемым в современной научной литературе.
Актуальность данной проблемы в условиях лаборатории газовой хроматографии НИИ химии СПбГУ обусловлена тем, что имеющиеся в ней приборы выпущены в 1970-1990-х годах и давно не соответствуют современным требованиям. В специальной публикации [4] двое из авторов настоящей статьи уже отмечали, что если затраты времени на ремонт или, хотя бы, на поддержание хроматографов в рабочем состоянии становятся соизмеримыми со временем их целевой эксплуатации, то использование такой техники уже нецелесообразно ни в научном, ни в учебном процессах. Устранение их неисправностей в ходе работы весьма неблагоприятно воспринимается студентами, что в итоге ведет к дискредитации учебного заведения. Подобные причины привели (и будут приводить в дальнейшем) к исключению из учебных программ работ, ориентированных на возможности современных приборов, и к замене их инструментально более простыми.
Однако существенные особенности эксплуатации устаревшего оборудования в публикации [4] остались не рассмотренными. Между тем они представляют несомненный интерес не столько для представления реальных условий работы университетской лаборатории, сколько для обсуждения приемов преодоления недостатков имеющейся техники с целью продолжения ее эксплуатации. Основные из них на примере девяти хроматографов перечислены в табл. Г}, которая предназначена не только для информирования читателей, но (что немаловажно) уже служит практическим руководством для авторов при необходимости использования ими разных приборов. Перечисленные в ней особенности объясняют некоторые специфические действия сотрудников лаборатории в ходе выполнения студенческих практических работ. Так, например, пришлось практически исключить такую операцию как включение хроматографов самими студентами, поскольку она обычно требует чрезмерно большого времени. Кроме того, объяснение причин частичной разборки детектора для зажигания в нем пламени с помощью спичек вряд ли можно назвать конструктивным и полезным в учебном процессе.
Тем не менее перечисленные в табл. 1 особенности не означают полной невозможности эксплуатации устаревших хроматографов по их назначению, хотя и приводят к бесполезным потерям времени. По нашему мнению, эта таблица иллюстрирует искусство и квали-
В формировании табл. 1 принимали участие студенты К. М. Королев, Н. Д. Лоик, И. Ю. Макарова и бакалавр А. А. Бушусва.
© И. Г. Зенкевич, Е. Д. Макаров, А. А. Макаров, И. О. Климова, Э. П. Бубнов, 2007
Таблица 1. Особенности эксплуатации некоторых газовых хроматографов 1973-1995 гг. выпуска
Хроматограф (год выпуска) Отличительные особенности
1 2
I. Цвет-100 (1973)* Для зажигания пламени в детекторе давление водорода необходимо увеличить (в 2 раза), после чего уменьшить до рабочего значения. Регистрация сигналов возможна только в диапазоне шкал электрометра 20-200-10"'° А вместо 2-Ю~12-200-10~8, т. е. используется всего 0,001 % (одна тысячная процента!) возможностей хроматографа. На остальных шкалах фоновый сигнал не компенсируется и, следовательно, регистрация полезных сигналов невозможна. Изношенный механический программатор температуры не обеспечивает автоматический возврат к начальной температуре; эту операцию приходится выполнять вручную
II. Цвет-100 (1973) Для зажигания пламени в детекторе давление водорода необходимо увеличить, после чего уменьшить до рабочего значения. Звук, издаваемый работающим вентилятором термостата колонок, лучше всего соответствует выражению «душераздирающее дребезжание». Причина -изношенный за давностью лет подшипник; ремонт нецелесообразен. Наблюдаются самопроизвольные отказы интегратора в процессе работы. Причина не установлена, самое вероятное предположение - «когда работает прибор соседа». Заданные температуры термостата колонок отличаются от установленных «всего» на 3-5 °С (см. далее). Выявлено эмпирическое правило: «чем выше температура - тем больше несоответствие»
III. Цвет-100 (1973) Не работает измеритель температуры испарителя. Установление причин и ремонт нецелесообразны. Шум работающего вентилятора термостата громче, чем у прибора, указанного под номером II. Литературное выражение для описания издаваемых им звуков подобрать не удалось. Высокий уровень шумов электрометра не позволяет использовать интегратор. Обработка данных возможна с применением ПО «МультиХром»
IV. Цвет-100 (1979)* Механический программатор температуры обеспечивает нагрев термостата колонок с невоспроизводимой скоростью. Выявлен единственный приемлемый режим (задано 20 град./мин), при котором реальная скорость нагрева составляет приблизительно 11 град./мин, но хотя бы постоянна. Пирамида из неисправных блоков программирования температуры делает хроматограф похожим на небоскреб
V. Биохром-1 (1980)* Куски силиконовой резины при дозировании проб «проваливаются» в испаритель, достигая капиллярной колонки. Устранено дополнительной заглушкой из стекловаты, что увеличивает эффекты сорбции (конструктивный недостаток прибора). Нагрев детектора и испарителя до рабочих температур 240-250 °С можно проводить только ступенчато (по 20-40 °С). Это означает, что процедура запуска хроматографа требует постоянного контроля и занимает вместо 10-15 мин около часа. Зажигание пламени в детекторе требует его частичной разборки и осуществляется лучинкой от вьетнамского коврика (подходит по длине и минимизирует риск засыпания пепла в детектор). Вместо одного вышедшего из строя электрометра используют два: один для подачи напряжения на детектор, второй - для регистрации сигнала. Конструкция уникальна и не имеет аначогов
Окончание табл. I
I 2
Кнопка общего выключателя хроматографа имеет тенденцию самопроизвольно выключаться в ходе работы, что приводит к необходимости проводить уникальную процедуру нагрева испарителя и детектора (см. выше) заново. Для предотвращения этого эффекта кнопку подпирают любым подручным тяжелым предметом (хорошо подходит гаечный ключ). Диаграммную ленту для самописца приходится вырезать вручную из диаграммной ленты большей ширины
VI. Цвет-500 (1990) Установленные температуры не соответствуют заданным: для термостата колонок в среднем на 20-25 °С, для испарителя - на 30 °С, для детектора -проверка невозможна. В режиме программирования температуры разности установленных и заданных температур плавно увеличиваются с ее повышением. Справка: точность задания и поддержания температуры на современных хроматографах должна быть не хуже ±0,1-1 °С. Зажигание пламени осуществляется спичками. Регистрация сигнала на шкале электрометра 109 невозможна из-за сильного уровня шумов. На шкалах 10s и 10'° этого не наблюдается. Интегратор «не воспринимает» сигнал первые 10-15 мин после включения
VII. Цвет-500 М(1992)** Блок управления при включении выдаст сигнал «авария», который удастся успешно устранить после повторения процедуры включения несколько раз. Установленные температуры НИЖЕ заданных на несколько десятков градусов (!) (см. справку по требуемой точности задания температур в комментариях к прибору VI). Например, при задании температуры термостата колонок 200 °С ее реальное значение составляет около 150 °С. Уровень шумов электрометра в 10-30 раз выше допустимого. Отмечены случаи «залипания» кнопки «Пуск/стоп» режима программирования температуры на панели блока управления, что приводит к отключению всех функций блока. Проблема решается интенсивным беспорядочным нажатием всех кнопок без разбора до достижения желаемого результата
VIII. Цвст-500 М (1993)** Установленные температуры ВЫШЕ заданных на несколько десятков градусов (!). Например, при задании температуры термостата колонок 70 °С ее реальное значение около 100 °С. Время выхода на рабочий режим около 2 -2,5 ч
IX. Цвст-500 М (1995) Реагирует на всех проходящих мимо, причем даст сигналы разной полярности. Интерпретацию эффекта не проводили. При длительном использовании (в течение рабочего дня) возрастает уровень шумов усилителя. Причина неизвестна и, следовательно, неустранима
' На указанных трех приборах обработку информации проводят с помощью интегратора ТЯ 2213 фирмы Та-ксс!а Р^кеп (Япония, 1970 г.), оснащенного цифровым печатающим устройством. Если ленту для пишущих машинок шириной 13 мм еще удастся найти в магазинах канцтоваров, то бумагу для печати необходимо вырезать вручную из бумаги большей ширины.
" Хроматографы списаны ЦЗЛ комбината «КИНЕФ» (г. Кириши) и любезно подарены лаборатории газовой хроматографии НИИ химии СПбГУ. Причина списания неизвестна, скорее всего - это отмеченные несоответствия заданных температур реально установленным. Еще два хроматографа, аналогичным образом предоставленные другой организацией, привести в рабочее состояние так и не удалось.
Практически на всех хроматографах, оснащенных самописцами КСП, для записи сигналов на диафаммную ленту используют стержни от шариковых авторучек.
фикацию работающих с такими приборами специалистов. Конечно же, нельзя забывать, что их терпение по поддержанию работы в таких условиях не безгранично.
В целом же, рассматривая табл. 1 и делая из нее соответствующие выводы, низкие по международной классификации ранги ведущих российских университетов представляются совсем не удивительными. Так, по данным сайта World Universities' ranking on the Web (http://www.webometrics.info/top3000.asp, май 2006 г.), МГУ занимает 426 место, Новосибирский государственный университет - 1081, а СПбГУ - всего лишь 1130.
С перечисленными в табл. 1 неприятными особенностями устаревших хроматографиче-ских приборов еще можно было бы как-то смириться, если бы недостатки оборудования не сказывались на процессах хроматографического разделения. Потому целесообразно специально рассмотрегь такую сложно формализуемую приборную характеристику как инертность хроматографических систем, хотя именно по этому критерию устаревшие приборы существенно уступают современным моделям.
Одним из основных предназначений хроматографических методов является количественное определение компонентов анализируемых образцов. Для достижения приемлемой точности измерений используемые для решения задачи хроматографические системы должны отвечать ряду требований [5]. К числу важнейших из них следует отнести работу в линейных диапазонах детекторов, что обеспечивает пропорциональность параметров регистрируемых пиков (Р - площади, реже высоты) или количествам веществ в хроматографических зонах (т) или, при соответствующей градуировке, массам (М) или концентрациям (С) веществ в анализируемых образцах:
т = кР либо М=к'Р или С=к"Р. (1)
На соотношениях (1) основаны все известные методы количественного хроматографического анализа [1,6, 7]. Дополнительные критерии включают оценку пределов обнаружения, стабильности показаний во времени, селективности (при использовании элемент-специфических детекторов) и т. д. Оценка данных параметров входит в стандартные процедуры метрологической поверки хроматографических приборов, однако, как ни парадоксально, их определения не включены в число официально признанных в хроматографии [8]. При этом столь важная характеристика как инертность хроматографических систем, несмотря на известные попытки ее формализации, не имеет в настоящее время общепринятых способов контроля и чаще всего воспринимается на интуитивном уровне. Получившие наибольшую известность для характеристики адсорбционной активности капиллярных колонок тест-смеси (Grob test mixtures [9-11]) часто предполагают визуальную оценку хроматограмм единичных образцов на качественном уровне. Однако решение этой задачи представляется необходимым для того, чтобы отчетливо представлять, какие именно задачи количественного хроматографического анализа и какими способами целесообразно или нецелесообразно решать с использованием тех или иных приборов, особенно устаревших моделей.
В настоящей работе рассматривается способ контроля инертности газохроматографиче-ских систем с помощью минимального набора простейших тест-смесей, применимых для любых приборов в различных условиях анализа.
Приготовление тест-смесей для контроля инертности хроматографических систем. В отличие от ранее известных рекомендаций, предполагающих использование фиксированных наборов довольно большого (более 10) числа компонентов (различные варианты рассмотрены в монографии [12]), предлагаемый принцип контроля инертности хроматографических систем не связан жестко с какими-либо конкретными веществами. К общим рекомендациям следует отнести минимальное количество компонентов в таких образцах (три) и их химическую природу. Один из них (условное обозначение NP) должен обладать минимальной полярностью (следовательно, максимальной химической инертностью), т. е. относиться к ряду алканов. В качестве второго целесообразно выбрать полярное
соединение, не имеющее активных атомов водорода (Р), тогда как третье должно представлять собой полярное соединение с активными атомами водорода (РН) (предпочтительнее - в составе гидроксиль-ных групп). Разности их индексов удерживания (ИУ или по международной терминологии RI) должны быть достаточно большими, что дает возможность использовать такие смеси при работе не только капиллярными, но и с насадочными колонками. Для более отчетливого выявления возможных эффектов сорбции, компоненты должны обладать достаточно высокими температурами кипения (не ниже 150 °С). С учетом этих требований три соединения, использованные в настоящей работе, представляют собой «-тридекан (NP), нитробензол (Р) и бутилцеллозольв (РН). Некоторые свойства данных соединений, перечисленных в порядке возрастания их RI на стандартных неполярных полидиметилси-локсановых неподвижных фазах, указанных вместе с их межлабораторными стандартными отклонениями (sri), приведены в табл. 2.
Таблица 2. Характеристики исследуемых соединений
Компонент Условное обозначение Мол. масса Мол. формула т °с 1 КП1И ^ Л 20 «4 RI±SR1
Бутилцеллозольв РН 118 с6н,,о. 170 0,902 900+ 14
Нитробензол Р 123 c6h5no2 211 1,204 1062+1 1
н-Тридекан NP 184 cUhIS 235,5 0,756 1300
Для приготовления тест-смеси 1 с концентрациями компонентов 58-92 мг/мл по 150 мкл каждого из перечисленных веществ растворяли в 1,5 мл этанола (для пересчета объемных концентраций в мас-со-объемные использовали справочные значения плотностей). Далее к 0,5 мл полученного раствора добавляли 4,5 мл этанола, что дает тест-образец II (разбавление 1:10). Таким же образом из образца II готовили образец III (разбавление 1:100). Концентрации компонентов в образце III (0,58-0,92 мг/мл) находятся на уровне концентраций компонентов в ранее рекомендованных [9 -11] тест-смесях (Grob test mixtures, 0,28-0,53 мг/мл), однако низкокипящий хлористый метилен (Г*,,,, = 40 °С) заменен менее летучим этанолом.
Одинаковые количества образцов I—III (табл. 3) дозировали в разные хроматографы с пламенно-ионизационными детекторами (в режиме 3 использован термоионный детектор), различными колонками и разнообразными системами обработки данных, перечисленными ниже. Для оценки воспроизводимости относительных площадей пиков методом внутренней нормализации достаточно трехкратных измерений для каждого из них.
A. Цвет-500М (1993 г.); стеклянная насадочная колонка 3 м х 2 мм с 5% OV-225 на Хроматоне N; режим программирования температуры от 80 до 190 °С со скоростью 10 град./мин; доза 0,1 мкл, температура детектора 180 °С, шкала электрометра 109 Ом; система обработки данных ПО «Мульти-Хром» (версия 1.52).
Б. Цвет-500М (1995 г.); стеклянная насадочная колонка 3 м х 2 мм с 5% SE-30 на Инертоне AW; режим программирования температуры от 65 до 200 °С со скоростью 6 град./мин; доза 0,4 мкл, температура детектора 175 °С, шкала электрометра 108-109 Ом; система обработки данных ПО «Мульти-Хром» (версия 1.7).
B. Цвет-500М (1992 г.); стеклянная насадочная колонка 1 м х 2 мм с 5% SE-30 на Хроматоне N-AW-DMCS; режим программирования температуры от 80 (3 мин) до 170 °С со скоростью 10 град./мин; доза 0,02 мкл, температура детектора 180 °С, шкала электрометра 1010 Ом; система обработки данных ПО «МультиХром» (версия 1.52).
Г. Цвет-500 (1990 г.); стеклянная насадочная колонка 2 м х 4 мм с 5% SE-30 на Инертоне AW; изотермический режим (120 °С); доза 0,2 мкл, установленная температура детектора 220 °С, шкала электрометра 109 Ом; система обработки данных - интегратор CI-105 (Чехия).
Компонент Относительные площади пиков, 51,01" ±
I II III
А. Хроматограф Цвет-500 М (1993 г.), насадочная колонка
26,3 ± 0,2 24,5 ± 0,2 24,0 ±0,1
Р 32,7 ±0,7 35,3 ±0,1 35,7 ±0,1
РН 40,9 ± 1,0 40,2 ±0,2 40,3 ±0,1
Критерий соответствия: й (I, II) = все -значения менее 4 3,2 > 1,3; й (II, III) = 0,6 > 0,3; О (1, III) = 3,8 » 1,2;
Б. Хроматограф Цвет-500 М (1995 г.), насадочная колонка
РН 23,3 ± 0,7 20,1 ±0,4 14,0 ±0,4
Р 40,6 ±0,1 40,9 ±0,2 34,8 ±2,0
ЫР 36,1 ±0,7 39,0 ± 0,4 51,1 ± 1,6
Критерий соответствия: И (I, II) = 4,3 > 1,2; О (И, III) = 4,9 »2,7; О (1,111)- 18,6 »2, 8
В. Хроматограф Цвет-500 М (1992 г.), насадочная колонка
РН 24,9 ± 0,3 15,9 ±0,6 **
Р 41,2 ±0,2 45,7 ±0,5
1\!Р 34.0 ±0,6 38.4 ± 1,0 -
Критерий соответствия: И (I, 11) = 11,0 > 1,4
Г. Хроматограф Цвет-500 (1990 г.), насадочная колонка
РН 33,7 ± 1.1 30,4 ± 4,0 24,2 ± 1,2
Р 43,1 ± 1,4 41,8 ± 0,8 38,8 ±2,1
К'Р 23,3 ±2,5 27,8 ±4,0 37,1 ±3,1
Критерий соответствия: й (I, II) = 5,7 < 6,5***; О (11, III) = 11,6 > 6,9; й (I. III) = 17,3 > 5,0
Д. Хроматограф Цвет-100 (1973 г.), насадочная колонка
РН 27,9 ±0,9 23,4± 1,1 0****
Р 38,6 ± 1,2 37,5 ± 1,2 26,9 + 4,1
1МР 34,1 ±0,6 39,1 ±2,2 73,1 ±4,1
Критерий соответствия: О (I, II) = 6,4 > 3,2; £> (II, III) = 42,6 » 6,4; Э (I, III) = 49,0 » 6,0
Е. Хроматограф Цвет-100 (1973 г.), капиллярная колонка
РН 30,3 ±0,5 24,6 ±0,1 17,2 ±2,0
Р 39,9 ±0.7 38,6 ± 1,6 39,3 ± 1,2
ЫР 29,8 ± 1,2 36,8 ± 1,5 43,5 ± 1.2
Критерий соответствия: Б (I, II) = 9,1 > 2,6; О (И, 111) = 0,0 > 3,4; й (I, III) = 26,9 »3,0
Окончание табл. 3
Компонент Относительные площади пиков, S°™ ± sSi
I 1 II 1 III
Ж. Хро РН Р NP чатограф Биохром-1 (198( 30,0 ±0,4***** 39,8 ±0,6***** 30,2 + 0,3***** г.), капиллярная колонк 27,6 ±0,1 39,4 ± 0,6 33,0 + 0,8 а 0**** 13,4 ±7,5 86,6 ±7,5
Критерий соответствия: D (I, II) = 3,7 > 1,3; D (II, III) = 65,7 » 10,6; D (I, III) = 69,1 » 10.6
3. Хромат РН р * * * * * * NP ограф Кристалл 2000М (2( 26,6 42,0 31,4 )02 г.), капиллярная коле 29,8 37,7 32,5 нка 27,9 35.5 36.6
Критерий соответствия: D (I, II) = 8,6; D (II, III) = 8,2; D (I, III) = 14,0; все значения > 4
' Обратный порядок элюирования компонентов обусловлен использованием колонки с полярной неподвижной фазой OV-225.
" При дозе 0,02 мкл сигналы не удалось зарегистрировать из-за высокого уровня шумов.
"' Единственный случай невыполнения условия (4) выделен жирным шрифтом.
' Соответствует «размытым» хроматографичсским пикам, не обрабатываемым интегратором.
.....Перегрузка капиллярной колонки.
Анализ проведен с использованием термоионного детектора, дающего для азотсодержащего компонента тсст-смссн (нитробензол, Р) примерно в 100 раз более интенсивный сигнал, чем для остальных (NP, РН). Для соотнесения таких хроматограмм с другими площади пиков нитробензола учитывали с коэффициентом 10~г.
Д. Цвет-100 (1973 г.); стеклянная насадочная колонка 3 м х 2 мм с 10% SE-30 на Хроматоне N; режим программирования температуры от 50 до 180 °С со скоростью 8 град./мин; доза 1 мкл, нагрева детектора нет, шкала электрометра 20-200x10"'° А; система обработки данных - интегратор TR 2213 (Япония).
Е. Цвет-100 (1973 г.); кварцевая капиллярная колонка 25 м х 0,32 мм Chrompack CP Sil 13 СВ (толщина слоя неподвижной фазы 0,1 мкм); режим программирования температуры от 65 до 200 °С со скоростью 6 град./мин; доза 0,2 мкл, деление потока 1:10, нагрева детектора нет, шкала электрометра 10s-! О10 Ом; система обработки данных ПО «МультиХром» (версия 1.7).
Ж. Биохром-1 (1980 г.); кварцевая капиллярная колонка 25 м х 0,20 мм с OV-lOl (толщина слоя неподвижной фазы 0,1 мкм); режим программирования температуры от 60 до 200 °С со скоростью 6 град./мин; доза 1 мкл, деление потока 1:30, температура детектора 250 °С, шкала электрометра ЮхЮ"'2 А; система обработки данных - интегратор TR 2213 (Япония).
3. Кристалл 2000М (2002 г.); кварцевая капиллярная колонка 30 м х 0,32 мм с НР-1 (толщина слоя неподвижной фазы 0,25 мкм); режим программирования температуры от 100 (1 мин) до 280 °С со скоростью 25 град./мин; деление потока 1:6; температура детектора 380 °С; система обработки данных ХромаТек. Данные для этого режима предоставлены О.К.Остроуховой (Всероссийский институт защиты растений, г. Пушкин).
Контроль инертности хроматографических систем (результаты и их обсуждение). Как отмечено во введении, наиболее известными тест-смесями для характеристики капиллярных хроматографических колонок являются Grob test mixtures (их русскоязычное название не получило распространения, что косвенно подтверждает низкую популярность этого подхода), предложенные более 30 лет назад [9-11]. Краткие сведения о таких смесях можно найти в монографии [12] и справочнике [13]; современные примеры их использования достаточно подробно представлены в сети Internet. Такие смеси обычно содержат около 10 компонентов (известны вариации их состава). В их состав входят неполярные н-алканы
(н-декан и к-ундекан, иногда заменяемый «-додеканом; реже набор н-алканов расширяют до Сю—С]»), несколько метиловых эфиров алканкарбоновых кислот (обычно C10-Ci2, реже - до пентадекановой) в качестве слабополярных компонентов, не имеющих активных атомов водорода, нейтральные компоненты с активными атомами водорода (1-октанол и 2,3-бутандиол), «кислые» компоненты (2,6-диметилфенол и 2-этилгексановая кислота), а также компоненты с основными свойствами (2,6-диметиланилин и дициклогексиламин). Реже в состав смесей включают альдегид (нонаналь) и нафталин. Небезынтересно отметить, что, по данным монографии [12], подобный состав тест-смесей задолго до работ [9-11] был предложен российскими авторами [14].
При детальной интерпретации хроматограмм таких тест-смесей сигналы алканов и ме-тилалканоатов используют для оценки эффективности капиллярных колонок (числа теоретических тарелок), по сигналам 1-октанола и нонаналя предложено оценивать влияние адсорбции за счет остаточных силанольных групп. Ключевыми же в оценке инертности (точнее - кислых или основных свойств поверхности) хроматографических колонок являются отношения площадей (высот) пиков слабого основания и слабой кислоты (2,6-диметиланилин и 2,6-диметилфенол) и более сильных основания и кислоты (дициклогексиламин и 2-этилгексановая кислота) [15]. Однако если такая детальная интерпретация и была предусмотрена при разработке тест-смесей, то в итоге их использование фактически свелось к визуальной оценке присутствия на хроматограммах и степени размывания пиков всех входящих в их состав компонентов. Главной проблемой представляется то, что отношения параметров пиков на единичных хроматограммах тест-смесей можно сравнивать только с их заданным составом.
Суть предложения авторов настоящей работы состоит в упрощении состава подобных тест-смесей минимум до трех компонентов: неполярного (NP), полярного без активных атомов водорода (Р) и полярного с активными атомами водорода (РН). Такие ограничения на химическую природу составляющих не являются принципиально новыми, так как предложения оставить в составе тест-смесей только спирты и алканы были известны и ранее [16-18]. Однако при этом такие образцы должны быть не единичными, а представлять собой серию растворов с разными абсолютными концентрациями компонентов (например, с разбавлениями 1:1, 1:10 и 1:100, а при необходимости и более), поскольку сорбционные эффекты хроматографических систем обычно мало заметны для концентрированных растворов и должны проявляться только при минимальных содержаниях компонентов. Именно сравнение результатов для нескольких тест-образцов позволяет выявить тот уровень концентраций компонентов, при котором начинает сказываться недостаточная инертность хроматографических систем.
Следующее отличие от ранее известных рекомендаций состоит в обязательной количественной обработке результатов. При контроле инертности хроматографических систем характеристика воспроизводимости абсолютных площадей хроматографических пиков не требуется. Достаточно ограничиться оценками воспроизводимости относительных площадей пиков, рассчитываемых методом внутренней нормализации:
S,0™ = Si/1 s¡.
В результате для каждого из тест-образцов, отличающихся абсолютными концентрациями компонентов при постоянстве их отношений, получаем набор значений S?™ с соответствующими стандартными отклонениями, т. е. 5,отн ± ss . Для гипотетически абсолютно
инертных хроматографических систем все наборы значений 5,тн должны были бы быть одинаковыми (близкими), но в действительности из-за неидеальности реальных приборов они статистически значимо отличаются. При переходе к более разбавленным растворам в первую очередь подвержены дискриминации относительные площади пиков полярных 98
компонентов, имеющих активные атомы водорода (РН). Причина этого - их сорбция элементами газовых линий, что особенно проявляется при использовании приборов устаревших моделей.
Результаты анализа тест-образцов 1-Ш на восьми приборах разного времени выпуска (1973-2002 гг.) представлены в табл. 3. В их число входят хроматографы как с насадочны-ми, так и с капиллярными колонками. Относительные площади пиков компонента (РН) при переходе от образца I к образцу II и далее к образцу III в большинстве случаев убывают. Соответственно этому возрастают величины 5/огн неполярного н-тридекана. Сравнение нескольких наборов относительных площадей хроматографических пиков, безусловно, является более наглядным по сравнению с интерпретацией данных для их единичного набора, как было рекомендовано ранее. Однако и в данном случае для «интегральной» оценки наблюдаемых искажений, обусловленных отсутствием инертности хроматографических систем, необходим критерий сравнения совокупностей значений б',01" между собой.
Для этих целей может быть использован известный алгоритм сравнения наборов N чисел - так называемая евклидова метрика - расстояние между соответствующими точками в Л^-мерном пространстве:
О = [Х(5*-5/')2],/2. (2)
Для предлагаемых трехкомпонентных тест-образцов N = 3. Ранее подобный критерий был эффективно применен для сравнения наборов констант Мак-Рейнольдса (Ы = 5) индивидуальных фаз и их различных бинарных комбинаций при характеристике их хроматографических свойств [19].
Дифференцирование формулы (2) дает выражение для оценки случайных составляющих значений В в зависимости от случайных составляющих погрешностей определения всех значений Я* и 5?:
АВ = [(ХД О2 + (ХД V)2]1/2 / В. (3)
С учетом (3) критерием соответствия результатов анализа двух тест-образцов (и, следовательно, принятия гипотезы об инертности хроматографической системы на данном уровне концентраций компонентов) оказывается следующее неравенство:
В < ДД
или, после несложных преобразований,
X - 5/')2 < [(ХД 5,х)2 + (ХД ¿У)2]1'2.
Обратное неравенство В > ДВ является, таким образом, критерием отсутствия инертности.
Средние стандартные отклонения относительных площадей пиков на разных приборах для образцов 1-Ш составляют ±0,8, ±1,0 и ±2,4 % соответственно. Закономерное возрастание погрешностей определения 5,а1Н при уменьшении концентраций компонентов также связано с проявлением эффектов сорбции полярных веществ. Учитывая указанные средние значения можно оценить минимальные значения критерия В, позволяющие считать хро-матографические системы инертными, а именно В (I, И) < 3,1, В (II, III) <4,5 и В (I, III) < 4,4 ( в среднем около 4 %).
Данные табл. 3 весьма наглядны и позволяют выявить степень искажения результатов анализа смесей, содержащих полярные компоненты, однако их не следует считать окончательной оценкой инертности хроматографических систем, так как абсолютные дозируемые количества компонентов тест-образцов (т) на разных приборах существенно отличаются. Например, для компонента РН при использовании образца I они варьируют от 1,4 до 69 мкг в пробе, т. е. в 40 раз. При этом излишняя стандартизация концентраций растворов и их дозируемых количеств нежелательна, ибо может сделать предлагаемый способ неудобным на практике. Поэтому полученные результаты целесообразно рассматривать в виде зависимо-
стей m(D) с целью приблизительной оценки количеств полярного компонента, при котором величины параметра D не превышают предельного значения, равного примерно 4. Для этого можно использовать простейшее соотношение для линейной экстраполяции (интерполяции):
т = D (w„ - mm)[D (I, II) - D (I, III)] + [mmD (I, III) - muD (I, III)] / [D (I, II) - D (I, III)]. (4) Учитывая, что отношения концентраций компонентов в образцах I—III кратны 10, соотношение (4) предпочтительнее использовать в логарифмической шкале (lgт вместо т). Полученные оценки допустимых величин ттт приведены в табл. 4.
Таблица 4. Оценка минимальных количеств полярного компонента Р в пробах, при которых можно пренебречь неидеальностью хроматографическнх систем
Режим анализа Абсолютное количество полярного компонента в пробе образца I, тт<„, мкг Оценка Шп,т (D = 4) по зависимости Igm =./(£>), мкг
А 6,9 0,03
Б 27.6 2,9
В 1,4 *
Г 13,9 2,6
д 69,4 7,9
Е 1,4 0,17**
Ж 2,3 0,22**
" Оценка невозможна (нет данных для образца III). " С учетом деления потока при дозировании в капиллярные колонки.
Заключение. Оценивая полученные результаты, следует заметить, что говорить об отсутствии инертности хроматографических систем по отношению к отдельным компонентам анализируемых образцов безотносительно указания их концентраций (точнее - абсолютных количеств этих компонентов в пробах) нельзя. Визуальные эффекты искажения результатов на разных приборах могут быть весьма заметными (от незначительного уменьшения относительных площадей пиков до полного исчезновения сигналов полярных компонентов на хроматограммах; см. режимы анализа Д и Ж). Однако приведение всех данных к единой шкале >птт показывает, что на характеризуемых устаревших хроматографах эффекты сорбции полярных компонентов начинают заметно сказываться начиная с 2-3 мкг в пробе для насадочных колонок и около 0,2 мкг - для капиллярных. Аномально высокое значение (7,9 мкг) зарегистрировано для хроматографа Цвет-100 (1973 г. выпуска, режим Д) и обусловлено его конструктивными особенностями: стеклянная насадочная колонка крепится в термостате на плате и соединена с испарителем и детектором достаточно протяженными газовыми линиями из нержавеющей стали. Главное же то, что на нем не предусмотрен нагрев детектора. Эти два фактора и приводят к заметной сорбции наиболее полярных компонентов анализируемых проб.
Данные для режима 3 показывают, что подобные эффекты наблюдаются даже для современных газовых хроматографов, но при существенно меньших значениях тт|п.
Отдельных комментариев заслуживает режим А, для которого выявлено минимальное значение я?тш « 0,03 мкг при применении насадочной хроматографической колонки. Причиной столь существенных отличий следует считать использование колонки с полярной неподвижной фазой ОУ-225. Это привело к изменению порядка элюирования компонентов ^Р < Р < РН вместо РН < Р < №), вследствие чего наиболее полярный компонент (бутил-целлозольв) оказался выходящим из колонки при максимальной по сравнению с другими
соединениями температуре, что обусловило подавление эффектов сорбции. Таким образом, понятие «инертность» следует относить не столько к конкретному прибору, сколько к выбранным условиям разделения в целом (включая температурный режим и полярность неподвижной фазы в колонке).
Можно полагать, что большинству специалистов в газовой хроматографии подобные эффекты знакомы в результате практической работы, что выражается, например, в предпочтении современного хроматографического оборудования приборам устаревших моделей. Цель же настоящей работы состояла прежде всего в формализации критериев оценки инертности хроматографических систем.
Положительным итогом результатов, представленных в табл. 4, является то, что для приборов даже устаревших моделей существуют области концентраций определяемых соединений в образцах, при которых хроматографические системы можно считать достаточно инертными. Верхние пределы анализируемых количеств ограничены перегрузкой хроматографических колонок (капиллярные) или выходом за пределы линейности детектора (наса-дочные), что также может приводить к искажениям получаемых результатов. С учетом этого более корректно говорить не об односторонних границах, а о диапазонах инертности. К сожалению, на устаревших приборах такие диапазоны нередко оказываются чрезмерно узкими. Например, для хроматографа Биохром-1 (1980 г. выпуска, режим Ж) дозирование 1 мкл тест-смеси I приводит к перегрузке колонки, а образца III - к выходу за пределы диапазона инертности. Следовательно, этот устаревший прибор фактически пригоден для анализа проб с вариациями содержания определяемых компонентов в пределах не более одного порядка.
Таким образом, важнейшие особенности эксплуатации устаревшего хроматографического оборудования состоят в следующем. Его использование не препятствует проведению количественных определений любыми методами при условии обязательного контроля работы в диапазонах инертности хроматографических систем. Это предъявляет особые требования к квалификации специалистов и, к сожалению, чаще всего приводит к нерациональным потерям времени.
Многие детали работы в таких условиях являются авторскими приемами. Так, например, недавно предложенный способ количественного хроматографического анализа модифицированным методом двойного внутреннего стандарта [20] позволяет компенсировать любые потери анализируемых соединений на всех стадиях подготовки проб и, тем самым, обеспечить правильность результатов вне зависимости от степени искажения состава образцов. Однако этот же способ одновременно компенсирует все погрешности анализа, обусловленные недостаточной инертностью хроматографических систем. Интрига состоит в том, что данное преимущество такого метода впервые представлено только в настоящей статье. Его нельзя было высказать в работе [20], поскольку оно было бы эквивалентно признанию авторов в непригодности используемого ими хроматографического оборудования на международном уровне.
В заключение следует отметить, что такая операция как контроль инертности хроматографических систем представляет не теоретический интерес, а должна рассматриваться как рутинная процедура тестирования используемых приборов (особенно устаревших моделей). Состав тест-смесей не следует считать раз и навсегда заданным; его можно варьировать в зависимости от природы определяемых соединений. Критерий инертности следует из сравнения результатов анализа нескольких (минимум трех) образцов, содержащих одни и те же компоненты в разных концентрациях. При этом количественной мерой инертности хроматографических систем являются как постоянство относительных количеств полярных компонентов в пробах, так и диапазоны вариаций их абсолютных содержаний, при которых результаты анализа статистически значимо не отличаются друг от друга.
Summary
Zenkevich I. G., Makarov E. D., Makarov A. A., Klimova 1. O., Bubnuv E. P. Features of exploitation of obsolete chromatographic equipment. Characterization of the inertness of chromatographic systems.
[t is established that one of the principal disadvantages of exploitation of obsolete chromatographic equipment is its insufficient inertness. The method of evaluation of this criterion is proposed. It is based on the comparison of results of analyses of simplest test-mixtures, containing the same compounds in equal ratios, but different absolute concentrations.
Литература
1. Столярив Б. В., Савинов И. М., Витенберг А. Г. и др. Практическая газовая и жидкостная хроматография. СПб., 2002. 2. Beilslein Handbuch dcr Organishen Chemie. 4-tc Auflagc. Berlin, 1918. Bd I-XXXI. 3. CRC Handbook of Chemistry and Physics (CD-ROM) / Ed. by D. R. Lide. Version 2006. London, 2006. 4. Зенкевич И. Г., Климова И. О. И Всстн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 4: Физика, химия. 2005. Вып. 3. С. 78-84. 5. ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002-ГОСТ Р ИСО 5725-6-2002. Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Повторяемость. М., 2002. 6. Новак Й. Количественный анализ методом газовой хроматографии / Пер. с анпл. К. И. Сакодынского. М., 1978. 7. Количественный анализ хроматографичсскими методами / Ред. Э. Кэц; Пер. с англ. А. В. Родионова и Д. Н. Соколова; Под ред. В. Г. Березкина. М., 1990. 8.Хроматография. Основные понятия. Терминология // Сб. науч,-нормативной терминологии / Отв. ред. В. А. Даванков. Вып. 114. М., 1997. 9. Grob К., Grob G. II Chromatographia. 1971. Vol. 4. P. 422-424. 10. Grob К. Jr., Grob G., Grob K. // J. Chromatogr. 1978. Vol. 156. P. 1-20. 11. Grob K. Jr., Grob G., Grob К. 11 J. High Resolut. Chromatogr. & Chromatogr. Commun. 1978. Vol. 1. P. 149-155. 12. Тесаржик К., Комарек К. Капиллярные колонки в газовой хроматографии / Пер. с чешек. М. М. Гофмана; Под ред. В. Г. Берез-кина. М., 1987. 13. Пецев //., Коцев И. Справочник по газовой хроматографии / Пер. с болг. В. М. Муллера; Под ред. В. Г. Бсрсзкина и К. И. Сакодынского. М., 1987. 14. Жданов С. //., Калмановский В. И., Киселев А. В. и др. // Журн. физ. химии. 1962. Т. 36. С. 595-599. 15. Pierce 1987 Handbook & General Catalog. Performance Evaluation. Amsterdam, 1987. P. 173. 16. Goretti G., Liberti A. // J. Chromatogr. 1978. Vol. 161. P. 89-95. 17. Schieke J. D., Pre tonus V. II J. Chromatogr. 1977. Vol. 132. P. 217-222. 18. Schomburg G„ Husmann H„ Weeke F. // Chromatographia. 1977. Vol. 10. P. 580-587. 19. Зенкевич И. Г., Макаров А. А. II Журн. аналит. химии. 2005. Т. 60, № 9. С. 952-957. 20. Zenkevich I. G., Makarov Е. D. // J. Chromatogr. А. 2006 (в печати).
Статья принята к печати 19 сентября 2006 г.
