J. MuN~clx n. C. C. M. F~RIE: Genauigkeit gas-chromatographischer Analysen 51

bei der q u a n t i t a t i v e n Ana lyse wird kurz die Verwendung yon Digi ta l - in t eg ra t ion besproehen u n d so dann ausffihrl icher die neueren En twick - lungen bei der Anwendung yon Dig i t a l eompu te rn behandel~.

Re~erenees 1. A~EL, K., and F. W. NO,hE: Anal. Chem. 86, 1856 (1964); el. Z. Anal. Chem.

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Dr. A. B. LITTLEWOOD Department of Inorganic Chemistry, The University Newcastle-upon-Tyne, England

EinfluB yon Peakiiberlagerungen auf die Genauigkeit gas-chromatographischer Analysen

J . ~ c ~ m und C. C. ~ . FAB~IE

Zentrallaboratorium, Staatsmijnen/DSM, Geleen, Niederlande

Eingegangen am 9. Januar 1968

Summary. The influence of peak overlapping in gas chromatography on the accuracy of the results has been investigated. A double-peak simulator has been developed by means of which a chromatogram can be obtained with two real peaks overlapping to any desired degree. The height and width of each peak, as also the degree of asym- metry (tailing), may be varied at will.

4*

52 J. iViuNNIK u. C. C. ]~. FIBI~IE:

The chromatogram thus simulated is representative of the real gas chromatograms, provided that the sample components in the column do not influence one another, and the detector performance is additive. The size of the errors made in the integration by means of an Introfonies-CRS-ll- Integrator and in the peak-height measurements has been determined. The results of the quantitative evaluation are explained with reference to six series of different peak combinations. The principal conclusions are: 1. in the case of partial overlapping, measurement of the peak height is to be pre- ferred to integration, because it yields more exact results; 2. measurements of the peak height with reference to a rather arbitrary separation line is less reproducible than measurement with reference to the base line and may lead to less accurate results.

Bei gas.ehromatographisehen Analysen wird man manehmal vor das Problem gestellt, wie sieh iiberlappende Peaks quantitativ auswerten lassen. Die fibHehen Auswertungsmethoden beruhen, wie bekannt, auf der Messung der PeakhShen oder der 1Vfessung der Peakfl/~ehen. Weft sieh aber die Peaks iiberlappen, werden den Messungen naeh diesen Standardmethoden systematisehe Fehler anhaften. Man hat dariiber vie1 diskutier~, und es wurden bereits mehrere 1Vlethoden zur Beriehtigung des Einttusses einer Peakiiberlagerung vorgeselffagen. Bisher abet hat man sieh, soweit uns bekannt, wenig durum bemiiht, den Einfiu$ einer Peak- iiberlagerung auf die Genauigkeit quantitativer Analysen wirklieh zu messen. Die offenbar auf diesem Gebiet bestehenden Lfieken haben uns dazu veranlaSt, diese Untersuehung durehzufiihren. Well eine rein gas-chromatograplffsehe Ann~herung an alas gestellte Problem sehr zeitraubend ist, wurde ein weitaus sehnelleres Verfahren bevorzugt; hierbei wird mit elektronisehen Kilfsmitteln das Detektor- signal simuliert. Ein Vergleich zwisehea den auf diese Weise erzielten Ergebnisse und wirkliehen gas-ehromatographisehen ~berlagerungs- erseheinungen ist nur dana mSglieh, wenn naehfolgenden drei Bedin- gungen Folge geleistet wird: Erstens sollen die auf elektronisehem Wege erzeugf~n Signale mit wirk- lichen gas-ehromatograplffsehen Peakformen iibereinstlmmen. Die zweite Bedingung ist, dug die Detektorwirkung ffir Gemisehe als additiv zu betraehten ist. Drittens : Die I{omponenten sollen sich auf ihrem Weg dutch die S/~ule unabhingig voneinander verhalten; dies ist bei Gas-Fliissigkeits-Chro- matographie wolff, bei Gas-Adsorptlons-Chromatographie jedoeh nieht der Fall. Um alas gewfinsehte Ziel zu erreiehen, wurde ein Doppelpeaksimulator ent- worfen und gebaut. Dabei wurde yon vier Reehenverstarkern der Fa. Heath ausgegangen, die hi einem Sehrank eingebaut sind. Dieser Doppelpeaksimulator, auf den wit nieht ausfiihrlieh eingehen kSnnen, 1/~$t sich kurz folgendermaBen eharakterisieren:

Genauigkeit gas-chromatographischer Analysen 53

1. Das Ger/~t besteht im wesentHch aus zwei gleichen, einfaehen Peak- simulatoren, welehe unabh/~ngig voneinander arbeiten.

2. Jeder Simulator liefert ein peakf6rmiges Gleichspannungssignal als Funktion der Zeit. 3. Die tt6he und Breite sowie die Sehwanzbildung (,,Tailing") k6nnen ffir beide Peaks gesondert eingestellt werden. 4. Die Ausgangssignale der beiden Simulatorh/tlften werden summiert; das summierte Signal kann den Klemmen entnommen werden. Auf diese Weise entsteht ein Chromatogramm, das aus zwei Peaks besteht. Die Simulatorh~lften k6nnen mit~els der Druekkn6pfe gesonde~ und unabh~ngig voneinander gestartet werden, so alas unter Aufrecht-

erhaltung tier Form und der Gr6$e der einzelnen Peaks jede Trennung und jede ~berlagerung verw-irklieht werden kann. Das Ausgangssignal des Peaksimulators wurde gleiehzeitig aufgezeiehnet und integriert. Abb. 1 zeigt das mit dem Simulator erzielte Ergebnis. Der zweite Peak wurde 90 see naeh dem ersten gestartet. Man kann also sagen, dab tier Unterschied in den Retentionszeiten 90 see betr/~gt. Die H6he der Peaks wurde, mit Hilfe einer Ableselupe mit Skalenteilung, yon tier Basislinie aus mit einer absoluten Genauigkeit yon etwa 0,05 mm gemessen. Die Peakfl~ehenermittlung erfolgte durch Integrierung mit Hilfe des In- fotronies CRS t l Integrators. Jede Messung wurde dreimal wiederholt. Bei diesem Peak

k_.. I [ ' I , wurde im Durchsehnitt eine l~eproduzierbarkeit

Abb. 1. ~imuliertes 0hro- von etwa 0,01 ~ relativ erreieht. matogramm Sowohl H6he wie Fl~ehe der beiden Peaks

sind jetzt bekannt. Man kann dutch ein verfriihtes Starten des zweiten Peaks daffir sorgen, da$ sieh die beiden Peaks teflweise iiberlagem; ansehHel]end werden aufs neue HShe und Oberfl/~ehe bestimmt. Das l~esultat zeigt Abb. 2. Das letzte Peakpaar zeig~, dal~ ein Zeituntersehied yon 5 see noeh keinen erkermbaren Doppelpeak ergibt. Die HShe abet ist, bei gleicher Empfmd- liehkeit, urn 58 ~ grSBer als beim einfaehen Peak. Beim zweiten Paar, dessen Trennung als gut zu bezeiehnen ist, ha~ sieh die tI5he nieht mel3bar ge/~nderC, die F1/~ehe abet wolff. Das fiinfte Paar zeigt dies abermals deutlieh. Diese Erseheinung 1/~l~t sieh aueh bei den anderen MeBreihen feststellen. Es kann somit gefolgert werden, dab bei

54 J. I~I~-~K u. 0. O. M. F ~ :

sieh iiberlappenden Peaks die HShenmessung weit~aus zuverl~ssiger ist als die Fl~chenmessung. Dies gilt insbesondere fiir Peaks yon e~wa gleieher GrSBe und mi~ gerin- ger Schwanzbfldung. AuBerdem lassen diese und aueh die anderen Me6reihen die Schlu]- folgerung zu, dal3 die HShe des ersten Peaks nahezu nicht durch die Uberlappung beeinflul]t wird. Aufsehenerregend is~ diese Feststellung zwar nieht, best~tigt aber dasjenige, was man bereits l~ngst angenommen hat.

H I

H2

ol 02

sec

I I 0,00 I 0,00 -0,15 +0,14

0,00 +0,08 ~1,5 1,4

20

~11 If

0,00 .,0,92

+4,3 -4,1

15

i l l

x2

5

Abb.2. Chromatogramme mi~ zwei gleichen, symme~risehen, schmalen Peaks. Die vier oberen Zahlenreihen zeigen die Prozen~ualabweichung der Mel~grSBen yon den fiir die volls~ndig getrennten Peaks gefundenen Wer~n. H 1 H6he des ers~en Peaks; H 2 HShe des zweiten Peaks; 01 Oberfl~che des ers~en Peaks; 0 2 Oberfl~ehe des zweRen Peaks. Die unterste Zahlenreihe bezeiehnet den Untersehied in Reten- tionszeiten zwischen dem ers~en und dem zweiten Peak

Das vierte Paar (Abb.2) zeigt, dab fiir eine Genauigkei~ yon z.B. etwa 1/~~ relativ ein Trennfaktor 1 yon 1--1,5 ausreieht, vorausgesetzt, dab die PeakhShe gemessen wird. Fiir eine Integrierung ist es jedoch not- wendig, dab zwischen den beiden Peaks die Basislinie deutlieh erreieht wird. Beim dritten Peakpaar wird die Basislinie gerade noch erreieh~; bier is~ der Einflu6 der •berlagerung auf den Fls zu vernach- l~ss]gen. Dies geh~ aueh aus Abb. 3 hervor.

A tR 1 R ~ 0,5 2 : ~ ' wobei A tR Unterschied in den Retentionszeiten und W~ Basis-

brei~e, d.h. Abstand zwisehen den SehnR%punk%en der Tangen%e mib der Basislinie.

Gen~uigkeit gas-chromatographischer Analysen 55

Dieses Bfld zeigt eine MeBreihe mit zwei fast identisehen, je~zt aber stark asymmetrisehen Peaks. Die Trermung des ersten Paares ergibt schon einen systematisehen Fehler yon z/~~ gegenfiber den F1/~ehen der einzelnen Peaks. Aueh hier wird best~tigt, dab die HShe des ersten Peaks kaum beeinfluBt wird und dab beim zweiten Peak die H6henmessung im allgemeinen einen geringeren systematisehen Fehler ergibt als die Fl~i- ehenmessung.

H 1 +0,1 -0,1 H 2 +0,6 +5,7

O 1 -0,6 -8,7 02 +0,5 +8,2

-0,1 §

-21 +20

] , , I , l , I , T I ~ I ~ T T I I , , I , T ~ I T Abb. 3. Chromatogramme mit zwei gleichen, asymmetrisehen Peaks. Bedeu~ung der Buchstaben und Zahlen wie in Abb. 2

H 1 0,0 0,0 0,0 H 2 +lh +98 +170

01 -1,1 -7,0 -9j0 0 2 *17 +109 +140

T , i 1 i ] i I [ 1 1 r i I T [ I I F [ I [ T ~ I I F I r I I i 1 1 $ I s I [ T I r

Abb.4. Wie Lu Abb.3: der zwei~e Peak is~ edoch um 16ma] ged~mpf~

Der Untersehied erweis~ sieh jedoch f/Jr stark asymmetrisehe Peaks als weitaus geringer als f/ir symmetrisehe Peaks. Was geschieht, wenn der zweite Peak klein ist, geht aus Abb.4 hervor. Die Peaks in diesem Bfld sinr die gleiehen als auf dem vorigen Bfld; in diesem i~all ist jedoeh das Signal des zweiten Peaks um seehzehnmal ged~mpft. Zun~chst fifllt auf, dab die relativen Fehler fOr die kleinen Peaks weir gr6Ber geworden sind. HvB~R [1] hat gezeigt, dab man nieht nur den

56 J. M u ~ x u. C. C. ~. FAB~t~:

Trenrffaktor, sondern aueh das GrSBenverh~ltnis der beiden Peaks angeben soll. Es werden bier zwei MeBreihen gegeben, die seine Behaup- tung unterstiitzen. Der absolute Fehler wird jedoeh kaum dureh die Gr6Be des zweiten Peaks beding~. Ferner sehen mdr wieder, dab sich die H6he des ersten Peaks nieht ~kuder~. Bei stark asymmetrischen Peaks ist die H6henmessung zwar nieht viel, immerhin aber einigermaBen besser als die l~l~chenmessung. Wir k6nnen also folgendermaBen zusammenfassen: Erstens: Die H6henmessung ergib~ bei den iiblichen Methoden einen kleineren systematisehen Fehler als die l~l~chenmessung, besonders wenn die sich iiber]appenden Peaks keine starke Sohwanzbildung aufweisen. Zweitens: Die HShe eines bes~immten Peaks ws dutch einen n~chst- folgenden Peak kaum beeinfluBt. Drittens: Eine genaue Fl~ehenmessung~beding~ eine gute Trennung.

sec

I ,

m

I t 1 1 1 1 1 I I f T I l l l

Abb. 5. Chroma~ogramme mi~ zwei Peaks. Erkl~rung siehe Text

Die vierte SchluBfolgerung ist, dal~ sieh aus der Peakform auf keinerlei Weise auf das Zusammengehen versehiedener Komponenten sehlieBen l~l~t, wenn der Unterschied in den Retentionszeiten nieht mehr als die Halbwertsbreite betrs dies trifft aueh dann zu, wenn die sich fiber- ]appenden Peaks gleich groB sind. R ist in diesem l%lle kleiner oder gleich 0,3. Dies ist aueh deutlich in Abb. 5 zu sehen. Es handelt sieh bier ohne Aus- nahme um Doppelpeaks.

Gen~uigkeit gas-chromafographischer Aaalysen 57

Der ersfe Peak besteht aus zwei gleichgTo~en asymmetrischen Peaks mi$ einem Unterschied in den Retentionszeiten yon 10 see. Der zweite Peak enthi~lt einen grol~en und einen kleinen asymmetrischen Peak mib einem Un~erschied in den Re~en~ionszeiten yon 20 sec. Der dritte Peak besteh~ aus einem breiten, symmetrisehen Peak mad einem um den Fakfor 16 ged~mpften Peak mit einem Untersehied in den Reten~ionszeiten yon 35 see. Probeweise warden drei sehr erfahrenen Laboranten fiinf Doppelpeaks vorgelegt. Die Abmessungen der Peaks in getrermtem Zustand waren ihnen selbs~verst~ndlieh nicht bekann~. Der Auftrag war, die HShe jedes

A 0,7 0,5 0,7 0,4- 0,5 B 1,03 0,7 0,9 0,6 C 0i83 0,8 1,0 0,7 H b 1,03 2,0 1,06 1,14

1,12 1,12 1,08 1,14

Abb. 6. Me~ergebnisse der yon 3 Laboranten ausgewerteten Doppelpeaks

zweiten Peaks auf die nach ihrer Meinung beste Weise zu messen. Es zeigte sieh, dab jeder der drei Laboranten den Einflul~ einer Uberlappung zu beriehtigen versuehte, indem er die l~lankenllnie aufs Geratewohl durchzog und ausgehend yon dem so eingezeichneten Schwanz des ersten Peaks die tIShenmessung durehffihrte. Die betreffenden Doppelpeaks zeigt Abb. 6. Aui3erdem sind hier die Me~ergebnisse der drei Laboranten A, B und C, ausgedrfiekt in der wirkliehen HShe des zwei~en Peaks, angegeben. Die letzte Zefle Hb bezeiehnet die yon der Basislinie aus gemessene HShe des zweiten Peaks, ausgedrfickt in gleichen Einheiten. Die Ergebnisse dieser HShenmessungen fiihrten zu nachfolgenden SehluBfolgerungen:

l . ttShenmesstmgen am zweiten Peak jedes Peakpaares, wobei man yore Schwanz des ers~en Peaks ausgeht, ergeben Werte, die sieh als zu niedrig erweisen, ausgenommen bei starker Sehwanzbildung (siehe das zweite

58 J. MUlVm:K u. C. C. 1~. F2~B~I~: Genauigkeit gas-chromatographischer Analysen

Peakpaar, Abb. 6). Die yon der Basislinie aus gemessenen H6hen sind ausnahmslos zu groB. 2. Die genannten Werte sind stark abh/~ngig yon der persSnliehen Ein- stellung des Laboranten. 3. Die yore Schwanz aus gemessenen H6hen liegen, was die hier durch- geffihrten Messungen betrifft, im Durchschnitt welter yon den wirkliehen H6hen entfernt als die yon der Basislinie aus gemessenen H6hen, oder mit anderen Worten: die yon erfahrenen Laboranten wegen ~berlappung vor- genommene Berichtigung der Peakh6hen bedeutet im Durchschnitt meistens eine Verschleehterung der MeBergebnisse. Zusammenfassend k6nnen wit also sagen: 1. Die Integrierung verursacht die grSBten systematisehen Fehler; fiir genaue 1VieBergebnisse ist eine sehr gute Trennung erforderlich. 2. Eine tt6henmessung yon der Basislinie aus ffihrt zu kleineren syste- matischen Fehlern un4 ergibt immerhin noeh gut reproduzierbare Werte, unabh~ngig yon der persSnliehen Einstellung des Laboranten. Ffir genaue l~eBergebnisse kann man sich mit einer weniger guten Trennung begnii- gen z.B. R ~ 1--1,5. 3. Eine Korrektur f/Jr ~berlappung auf gut Glfick, d.h. die I~essung der Peakh6he yon einer Linie aus,welehe, wie man annimmt, den Schwanz des vorangehenden Peaks darstellt, ffihrt zu Ergebnissen, die systematisehe Fehler zeigen, ferner weitgehend yon der pers6nllchen Einstellung des Beobaehters abhi~ngig sind, und im Durehsehnltt ungenauer sind als die yon der Basislinie aus gemessenen Werten. Diese Beriehtigungsmethode hat also wenig Sinn. Eine gute 1Y[6gliehkeit zur Verbesserung der H6henmessung bietet die allerdings umst~ndliehere Beriehtigungsmethode, wie sie K~sE~ [2] anfi~nglieh f~r Fls gedaeht hat. Nit Hilfe dieser Methode kann gleiehsam die Trennlinie zwischen den Peaks konstruiert werden. Sic eignet sich aber nur fiir ein wirkliehes Chromatogramm mit nicht zu sehmalen Peaks, in dem mindestens ein gut getrennter Peak vorkommen muB; auBerdem muB die Form dieses Peaks mit der der zwei sieh iiber- lappenden Peaks zu vergleiehen sein. 4. Ffir all diese 1Y[ethoden grit, dab die Fehler, welche yon einer gas- ehromatographisehen Ss mit ungenfigendem Trennverm6gen ver- ursaeht werden, sogar durch Anwendung teurer elektroniseher Apparatu- ren oder yon sehr erfahrenen Laboranten nieht behoben werden k6nuen.

Zusammenfassung Der EinfluB yon Peakiiberlagerungen auf die Genauigkeit gas-chromate- graphiseher Analysen wurde untersucht. Ffir die Untersuchungen ist ein Doppelpeaksimilator entwiekelt worden, mit dem die M6gliehkeit gege- ben ist, ein Chromatogramm mit zwei reellen Peaks in jedem gewiinsehten

R. J. E. ESSER: Effect of Detector Volume on Recorded Shape of Chromat. Peaks 59

l~berlappungsgrad zu simulieren. HShe und Breite der Peaks, sowie Umfang der Asymme~rle (Schwanzbfldung) kSnnen hierbei fiir jeden einzelnen Peak wil]kfirlich variiert werden. Das so kfinstlich hergestellte Chromatogramm ist repri~sentativ fiir die in der PraMs erhaltlichen Gas-Chromatogramme, vorausgesetzt dab die Probebestandtefle in der Saule sich nieht gegenseitig beeinflussen und dab der Detektor additiv arbeitet. Es wurde festgestellt, wie gToB die auftretenden Fehler bei der Integra- tion mittels eines Infotronics-CRS-11-Integrators und bei der Peak- hShenmessung sind. Die Ergebnisse der quantiSativen Auswertung wer- den an seehs Reihen yon verschiedenen Peakkombina~ionen erlautert. Die wiehtigsten SehluBfolgerungen sind: 1. Bei einer teflweisen l~berlagerung ist die PeakhShenmessung der Integration vorzuziehen, da erstere zu genaueren Ergebnissen ffihrt. 2. GegeniiberderlV[essungderPeakhShe, ausgehend vonderBasislinie, ist die PeakhShenmessung, ausgehend yon der ziemlieh wfllkfirlieh eingezeich- neten Trennlinie, weniger reproduzierbar un4 kann zu einer geringeren Genauigkei$ ffihren.

Literatur 1. Hv-~v.tr g. F. i . : erscheint demn~chst. 2. K ~ s ~ , R.: Chromatographic in der Gasphase, Vierter Tell. Mannheim: Biblio-

graphisehes Institut 1965.

Dr. J. l~wv~iK NV Nederlandse Staatsmijnen, Central Laboratory, P.O. Box 18 Geleen/Niederlande

Effect of Detector Volume on Recorded Shape of Chromatographic Peaks Obtained by Spectrophotometric Detection

R. J. E. E s s ~

N. u Philips-Duphar, Weesp, The Netherlands

Received December 18, 1967

Summary. The inhomogeneity of the detector conten~ at peak passage causes non- linearity of the relationship between mean concentration in the detector and absorb- ante. Mixing of the detector content restores the linearity but alters the shape of the peak. General formulas for recorded absorbance during the passage of Gaussian concentration peaks are given. If no mixing in the detector occurs the recorded peak area is 1~ (3~ low and the peak volume 0.40/0 (1~ high at a detector volume of 0.5 (1) true peak standard deviation. If the detector content is continuously and