CC BY
39
ХИМИЯ
Вестник Омского университета, 2002. №3. С. 39-41. © Омский государственный университет
УДК 543.061
ВНУТРИЛАБОРАТОРНАЯ ВОСПРОИЗВОДИМОСТЬ ХАРАКТЕРИСТИК УДЕРЖИВАНИЯ В РАЗНЫХ ВАРИАНТАХ ГАЗО-ЖИДКОСТНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ"
В.И. Вершинин, И.И. Медведовская, Ю.Б. Осечкина
Омский государственный университет, кафедра аналитической химии и химии нефти
644077, Омск, пр.Мира, 55а
Получена 15 мая 2002 г.
On the basis of the great statistic data concerning to the chromatographic analysis of the set-up mixtures (hydrocarbons, alcohols) it is shown that retention times and Covach indexes may be considered as random variables with Gaussian distribution. The standard deviations of retention time change appropriately for various components from the same sample in contrast to the Covach indexes. With other conditions being equal, the transfer from isotermal mode to programming one results in some worsening of convergence. The recommendations are given for using of the computer identification systems within chromatographic analysis.
В газо-жидкостной хроматографии (ГЖХ) получили широкое распространение системы компьютерной идентификации (СКИ), сопоставляющие в режиме on line положение пиков на хрома-тограмме пробы с эталонными характеристиками предполагаемых компонентов [1,2]. Соответствующие базы данных (БД) входят в программное обеспечение хроматографов высшего класса. В качестве характеристик используют времена удерживания (t) или, чаще, индексы Ковача (I). Этот метод качественного анализа имеет принципиальные ограничения и не всегда надежен, поэтому СКИ лучше применять для предварительного отнесения пиков, а для окончательных выводов пользоваться дополнительными признаками [3]. К сожалению, при создании и применении СКИ недостаточно учитывается воспроизводимость характеристик удерживания. Статистическая оценка внутрилабораторной воспроизводимости (сходимости) для конкретных условий разделения позволила бы оптимизировать методами теории вероятностей критерии совпадения пиков, добиваясь заданной надежности идентификации [4]. Однако в публикациях, посвященных данной проблеме [5-7], нет однозначного ответа на ряд вопросов: а) какому статистическому распределению подчиняются характеристики удерживания в разных вариантах ГЖХ; б) одинакова или различна сходимость для
*Работа выполнена при поддержке Минобразования РФ (в рамках единого заказ-наряда).
разных компонентов пробы; в) можно считать сходимость постоянной для данного хроматографа или она зависит от методики разделения и концентрации сорбата? Целью работы было получение ответов на перечисленные вопросы, а также разработка рекомендаций хроматографистам, использующим СКИ.
Исследования проводили на модельных смесях углеводородов и спиртов, разделяя их в изотермическом режиме или в режиме программирования (два основных варианта ГЖХ). На данном этапе работы мы намеренно пользовались рядовой хроматографической аппаратурой, дающей относительно невысокую сходимость. Анализы модельных смесей проводились на хроматографе ЛХМ-8МД с катарометром. Применяли трехметровые насадочные колонки, заполненные хроматоном-К (фракция 0,31-0,41 мм). Неподвижные жидкие фазы: в колонке 1 - неполярный 8Е-301 (15% по массе), в колонке 2 - среднеполяр-ный карбовакс 20М (10%). Газ-носитель - гелий. Объем вводимой в колонку смеси - 1-2 мкл. Время удерживания компонентов отмечалось интегратором И-02 с точностью до 1 с. Модельные смеси составляли из эталонных индивидуальных веществ, они содержали от 5 до 15 компонентов (н-алканы, моноциклические арены, предельные одноатомные спирты). Концентрации компонентов были, как правило, величинами одного порядка (5-15% по массе). Логарифмические индексы Ковача для аренов и спиртов рассчиты-
вали относительно н-алканов, непосредственно присутствовавших в исследуемой смеси. Каждую смесь хроматографировали N раз (К =10-30) в одинаковом режиме разделения. Арены делили на колонке 1, спирты - на колонке 2. На хрома-тограммах все пики были хорошо разрешены и симметричны (рис.1). Совокупности значений т и I, полученных для одного и того же пика на N однотипных хроматограммах, статистически обрабатывали на компьютере, как описано в [8]. В частности, вычисляли выборочное стандартное отклонение Я и коэффициент вариации W.
Таблица 1
Воспроизводимость времен удерживания при разделении смеси н-алканов в изотермическом режиме (колонка 1, 140°С, N=24)
н-алкан 1, с Я, с W,% Нормальность
Декан 95 3,9 4,1 +
Ундекан 143 5,9 4,1 +
Додекан 222 9,6 4,3 +
Тридекан 360 15 4,2 +
Пентадекан 958 42 4,4 +
В качестве примера (табл. 1) приведены данные по вопроизводимости времен удерживания некоторых н-алканов. Характер статистического распределения т и I проверяли, используя критерии асимметрии и эксцесса. Знак (+) в табл. 1 означает, что данные не противоречат гипотезе о нормальном распределении (критический уровень значимости - 0,05). Аналогично обрабатывали серии хроматограмм, полученных в других условиях разделения или относящихся к другим смесям. Всего таким образом получено и обработано свыше 250 хроматограмм.
В изотермическом режиме нормальное распределение времен удерживания наблюдалось для всех исследованных соединений, в том числе при изменении состава смеси и при переходе к другим колонкам или температурам. Во всех режимах программирования температуры нормальное распределение наблюдалось для подавляющего большинства хроматографических пиков. Это согласуется с данными, полученными нами ранее на прецизионной аппаратуре при разделении бензинов [9], а также с данными других авторов [6]. Таким образом, можно считать установленным, что в методе ГЖХ при повторении анализов время удерживания - нормально распределенная случайная величина.
Сопоставление данных по разным пикам одной и той же модельной смеси показывает, что стандартное отклонение величины т увеличивается пропорционально росту т, а коэффициент
Хроматограмма модельной смеси н-алканов и предельных одноатомных спиртов (1-4)
вариации оказывается приблизительно одинаковым для всех пиков. Эта закономерность проявлялась независимо от режима разделения и от природы смеси, но она не универсальна: ранее на хроматографах Регкт-Е1шег Ли1о8ув1еш мы наблюдали обратную картину, т.е. приблизительное постоянство Я (т) и снижение W для более тяжелых компонентов пробы [8,9]. По-видимому, в ходе хроматографирования пробы на ЛХМ-8МД идет постепенное накопление абсолютных случайных погрешностей, а на прецизионной аппаратуре эти погрешности возникают однократно, при вводе пробы или измерении времени выхода. Подобные закономерности, установленные для конкретного хроматографа, должны учитываться при оптимизации работы комплекса хроматограф-СКИ, в частности, при выборе критериев совпадения пиков.
Установить характер статистического распределения индексов Ковача труднее ввиду высокой воспроизводимости этой характеристики. Тем не менее можно сделать вывод, что при многократном ввводе пробы измеренные значения индексов Ковача также распределяются нормально, в том числе при разделении смесей в режиме программирования (табл. 2). Лишь для очень немногих пиков полученные данные не соответствовали гипотезе о нормальном характере распределения индексов, распределение оказывалось несколько несимметричным. По-видимому, вероятностные алгоритмы, основанные на гипотезе нормального распределения, могут использоваться и в тех СКИ, где в качестве идентификационных призна-
I I иууI ьи
ков применяются времена удерживания, и там, где используются индексы Ковача.
Таблица 2
Воспроизводимость индексов Ковача при разделении спиртов в режиме программирования (колонка 2, подъем температуры от 40 до 130оС со скоростью 3°0/мин, N = 22)
Спирт
I
8
Нормальность
Насколько надежные результаты дают системы СКИ при хроматографической идентификации микропримесей, пока не ясно.
Таблица 3
Коэффициенты вариации (%) разных характеристик удерживания при разделении аренов на колонке 1 в изотермическом режиме (А) и в режиме программирования (Б)
Изопропанол
937
1,3
0,14
+
Бутанол-1
1141
1,0
0,09
+
Гексанол-1
1336
1,3
0,10
+
Арен
Время удерживания АБ
Индекс Ковача АБ
Гептанол-1
1434
1,4
0,10
+
Бензол
0,83 2,1
0,15 0,21
Мы не выявили закономерного изменения воспроизводимости индексов Ковача в зависимости от времени выхода пика или от температуры кипения компонента. При повторном хроматогра-фировании пробы в разные дни положение любого пика в шкале индексов воспроизводилось в изотермическом режиме с погрешностью, не превышающей 3 единиц индекса, а в режиме программирования - 5-7 единиц. Соответственно коэффициент вариации был на уровне 0,1-0,2%. Хорошая воспроизводимость индексов говорит о применимости соответствующих СКИ даже при использовании хроматографов невысокого класса (ЛХМ-8МД и аналоги). Однако применять СКИ, работающие с временами удерживания, в таких случаях не следует.
Сопоставление данных, полученных при многократном разделении одних и тех же смесей в разных режимах (табл. 3), показывает, что сходимость данных в большей степени зависит от выбора характеристики (I или т), чем от выбора режима разделения (изотермический или программируемый). Использование индексов вместо времен удерживания при прочих постоянных условиях уменьшало коэффициент вариации примерно на порядок. С другой стороны, при переходе от изотермического режима к программированию температуры коэффициент вариации любой характеристики удерживания возрастал лишь вдвое (в среднем). По-видимому, для обработки хроматограмм, полученных и в изотермическом режиме, и в режиме программирования, применимы одни и те же СКИ. То же относится к выбору критериев совпадения.
По нашим данным, при прочих постоянных условиях сходимость характеристик удерживания слабо связана с концентрацией разделяемых соединений. При снижении их концентрации на 12 порядка (до 0,05%) изменение воспроизводимости оставалось статистически не значимым. Однако эта проблема требует отдельного изучения воспроизводимости характеристик удерживания.
Толуол
0,83 2,5
0,12 0,13
Этилбензол
0,94 2,4
0,08 0,20
Кумол
1,1 2,3
0,17 0,38
Псевдокумол
1,1 2,1
0,12 0,22
В среднем:
1,0 2,3
0,13 0,23
Режим А: г = 140оС, N = 10; режим Б: изменение г от 50 до 1200С со скоростью 3°С/мин, N = 20.
Авторы благодарят О. Матвейчеву и Е. Дзич-ковскую за помощь в проведении эксперимента.
Вершинин В.И., Дерендяев Б.Г., Лебедев К.С. Компьютерная идентификация органических соединений. М.: Академкнига, 2002. 192 с. Вигдергауз М.С., Колосова Е.А., Курбатова С.В. // Заводская лаборатория. 1993. № 6. С. 7-10. Другов Ю.С., Родин А.А. Газохроматографиче-ская идентификация загрязнений воздуха, воды и почвы: Практическое руководство. СПб.: Теза, 1999. 622 с.
Вершинин В.И., Топчий В.А., Медведовская И.И. // ЖАХ. 2001. Т. 56. № 4. С. 363-373. Гоишон Ж., Гийемен К. Количественная газовая хроматография для лабораторных анализов и промышленного котроля. М.: Мир, 1991. Т.2. 395 с.
Вигдергауз М.С., Петрова Е.Н., Шатских С.Я. // ЖАХ. 1989. Т.44. № 4. С.712-720. ПапазоваД. // Нефт. и хим. 1989. Т.23. № 3. С.11-13.
Соколова О.В., Ильичева Н.Б., Медведовская И.И., Вершинин В.И. // Вестник Омского университета. 2000. № 1. С.33-35. Соколова О.В., Ильичева Н.Б., Вершинин В.И. // Аналитика и контроль. 2000. №4. С.363-369.
