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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren von
Materialien und genauer ein Verfahren zur exakten Messung der wirksamen
Temperatur innerhalb eines geschlossenen Behälters, wie eines Gasraumbehälters bzw.
eines Headspace-Gläschens.
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Hintergrund der Erfindung
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Das
Verfahren der Gleichgewichts-Gasraumextraktion beinhaltet das Einbringen
einer flüssigen
oder festen Probe in einen geeigneten geschlossenen Behälter und
das Warten, bis flüchtige
Analyse innerhalb der Probe einen Gleichgewichtszustand der Konzentration
zwischen der Probenmatrix und dem Dampf darüber (d.h. dem Gasraum) erreichen.
Ein festes Dampfvolumen wird dann zur Analyse in einen Gaschromatographen überführt. Im
Gleichgewichtszustand ist die Konzentration jedes Analyten im Gasraum
durch die Menge des vorhandenen Analyten, die Volumina der beiden
Phasen und den Aufteilungskoeffizienten für diesen Analyten zwischen
den beiden Phasen definiert. Der Aufteilungskoeffizient, der eine
thermodynamische Eigenschaft ist, hängt stark von der Temperatur
ab und muss daher innerhalb der Instrumente sorgfältig gesteuert werden,
wenn eine gute analytische Genauigkeit erreicht werden soll.
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Die
derzeit verfügbaren
Gasraum-Probenehmer des Standes der Technik, wie das TurboMatrix
Automatic Headspace Sampler-Modell, das von PerkinElmer Instruments
LLC auf dem Markt ist, sind dafür
ausgelegt, eine sehr stabile Gläschentemperatur
beizubehalten, indem sie einen großen, thermostatisierten metallischen
Ofenblock verwenden. Trotz der Tatsache, dass stabile Gläschentemperaturen
aufrechterhalten werden können,
bleiben jedoch noch eine Reihe von Problemen im Hinblick auf die
Temperatursteuerung.
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Beispielsweise
kann die wahre Temperatur des Gläschens
möglicherweise
nicht exakt gemessen werden. Der elektronische Sensor, der verwendet
wird, um die Tempe ratur zu überwachen,
befindet sich in der Regel innerhalb eines Heizbandes, das den Ofenblock
umgibt und von dem Gläschen
entfernt ist. So gesehen, gibt die Temperaturablesung möglicherweise
nicht in allen Einstellungen die wahre Gläschentemperatur wieder. Außerdem könnte es
sein, dass nicht an allen Stellen im Gläschen die gleiche Temperatur
herrscht.
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Ein
weiteres Problem könnte
entstehen, wenn ein neues (kaltes) Gläschen in den Ofenblock eingebracht
wird. In diesem Fall könnte
es in einem oder mehreren der anderen Gläschen zu einem Temperaturabfall
kommen, der anhand bekannter Verfahren nicht sofort erfasst werden
kann. Ferner berücksichtigen
bekannte Verfahren der Temperaturmessung möglicherweise nicht die Tatsache,
dass die Gläschentemperatur sich
im Lauf der Zeit verändern
kann.
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Ein
anderes mögliches
Problem besteht darin, dass bestimmte Anforderungen, wie GLP (Good
Laborstory Practices)-Zertifizierungsstandards und FDA (Fond and
Drug Administration)-Zulassungsanforderungen, verlangen könnten, dass
die Gläschentemperatur überwacht
und/oder kalibriert wird.
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Außerdem sind
manche Instrumente, die nicht dem Stand der Technik entsprechen,
möglicherweise nicht
gut für
das Gebiet der Gläschentemperatursteuerung
geeignet. So gesehen kann es wünschenswert sein,
die Leistung dieser Instrumente anhand eines einfachen Verfahrens
der Temperaturmessung zu bewerten.
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Üblicherweise
würde ein
Thermoelement oder eine ähnliche
Temperaturmesssonde in das Gläschen eingeführt. Dieses
Verfahren ist jedoch umständlich,
unterbricht den normalen Betrieb des Instruments und erfordert Spezialgeräte. Außerdem gibt
eine Ablesung von einem einzigen Punkt innerhalb des Gläschens die „wirksame" Temperatur des ganzen
Gläschens
möglicherweise
nicht wahr an. Stattdessen wäre
es besser, eine geeignete Probe in einem Gläschen zu verwenden und Chromatographie
zu nutzen, um die Temperatur zu bestimmen – schließlich ist es dieses Verfahren,
für das
eine Standardisierung angestrebt wird.
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Was
gewünscht
wird, ist daher ein Verfahren zur Messung der wirksamen Temperatur
innerhalb eines geschlossenen Behälters, das die wahre Behältertemperatur
bei allen Instrumenteneinstellungen exakt wiedergibt, das Temperaturschwankungen über verschiedene
Stellen im Behälter
berücksichtigt,
das die Temperatur jedes Behälters
getrennt von anderen Behältern
misst, wenn eine Vielzahl von Behältern verwendet wird, das die
Tatsache berücksichtigt,
dass die Behältertemperatur
sich im Lauf der Zeit verändern
kann, das eine Temperaturkalibrierung erlaubt, das verwendet werden
kann, um die Temperatursteuerleistung eines Instruments zu bewerten,
das leicht durchgeführt
werden kann, das den normalen Betrieb des Instruments nicht unterbricht,
das keine Spezialwerkzeuge erfordert und das Chromatographie nutzt,
um die Temperatur zu bestimmen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Somit
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Messung
der wirksamen Temperatur innerhalb eines geschlossenen Behälters zu
schaffen, das die wahre Behältertemperatur
bei allen Instrumenteneinstellungen exakt wiedergibt.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
Verfahrens zur Messung der wirksamen Temperatur innerhalb eines
geschlossenen Behälters,
das die oben genannten Eigenschaften aufweist und die Temperaturschwankungen über verschiedene
Behälterpositionen
berücksichtigt.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
Verfahrens zur Messung der wirksamen Temperatur innerhalb eines
geschlossenen Behälters,
das die oben genannten Eigenschaften aufweist und die Temperatur
jedes Behälters
getrennt von anderen Behältern
misst, wenn eine Vielzahl von Behältern verwendet wird.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
Verfahrens zur Messung der wirksamen Temperatur innerhalb eines
geschlossenen Behälters,
das die oben genannten Eigenschaften aufweist und die Tatsache berücksichtigt,
dass die Behältertemperatur
sich im Lauf der Zeit verändern
kann.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
Verfahrens zur Messung der wirksamen Temperatur innerhalb eines
geschlossenen Behälters,
das die oben genannten Eigenschaften aufweist und eine Temperaturkalibrierung
ermöglicht.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
Verfahrens zur Messung der wirksamen Temperatur innerhalb eines
geschlossenen Behälters,
das die oben genannten Eigenschaften aufweist und verwendet werden
kann, um die Temperatursteuerleistung eines Instruments zu bewerten.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
Verfahrens zur Messung der wirksamen Temperatur innerhalb eines
geschlossenen Behälters,
das die oben genannten Eigenschaften aufweist und leicht durchzuführen ist.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
Verfahrens zur Messung der wirksamen Temperatur innerhalb eines
geschlossenen Behälters,
das die oben genannten Eigenschaften aufweist und das den normalen
Betrieb des Instruments nicht unterbricht.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
Verfahrens zur Messung der wirksamen Temperatur innerhalb eines
Behälters,
das die oben genannten Eigenschaften aufweist und keine Spezialausrüstung erfordert.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
Verfahrens zur Messung der wirksamen Temperatur innerhalb eines
geschlossenen Behälters,
das die oben genannten Eigenschaften aufweist und Chromatographie
nutzt, um die Temperatur zu bestimmen.
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Diese
und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch die
Schaffung eines Verfahrens zur Messung der Temperatur innerhalb
eines geschlossenen Behälters
mit einem Gasraum erreicht. Ein flüssiges Lösungsmittel wird in den Behälter gegeben,
und eine feste Verbindung wird dem flüssigen Lösungsmittel zugesetzt, um eine
gesättigte
Lösung
zu erzeugen. Man lässt
den Dampf der gesättigten
Lösung
den Gleichgewichtszustand im Gasraum des geschlossenen Behälters erreichen,
und ein Volumen davon wird auf eine Chromatographiesäule übertragen,
wo chromatographische Ablesungen des äquilibrierten Dampfs vorgenommen
werden. Eine Temperatur im geschlossenen Behälter wird dann auf der Basis
der chromatographischen Ablesungen des äquilibrierten Dampfs berechnet,
wobei die Temperaturablesung auf der Konzentration des flüssigen Lösungsmittels
und der festen Verbindung im äquilibrierten
Dampf beruht.
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Vorzugsweise
umfassen die chromatographischen Ablesungen Ablesungen von Peak-Flächen des flüssigen Lösungsmittels
und der festen Verbindung. Am meisten bevorzugt umfasst der Berechnungsschritt den
Schritt der Berechnung einer Temperatur im geschlossenen Behälter aufgrund
eines Verhältnisses
der Ablesungen von Peak-Flächen des
flüssigen
Lösungsmittels
und der festen Verbindung.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das flüssige
Lösungsmittel
n-Dodecan und die
feste Verbindung umfasst Naphthalen. In einer anderen Ausführungsform
umfasst das flüssige
Lösungsmittel n-Octadecan,
und die flüssige
Verbindung umfasst Anthracen.
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Die
Erfindung und ihre speziellen Merkmale und Vorteile werden aus der
folgenden ausführlichen
Beschreibung in Zusammenschau mit der begleitenden Zeichnung deutlicher.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 ist
eine schematische Darstellung eines geschlossenen Gläschens,
für das
die Temperatur gemäß der vorliegenden
Erfindung gemessen werden kann;
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2 ist
eine graphische Darstellung des idealen Dampfdruckverhaltens für eine binäre Mischung
gemäß dem Raoult'schen Gesetz, wie
von der vorliegenden Erfindung angewendet;
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3 ist
eine graphische Darstellung eines Chromatogramms einer Testmischung
aus n-Dodecan und Naphthalen, die über einen Temperaturbereich
thermostatisiert ist, und erläutert
einen Teil der Theorie, die der vorliegenden Erfindung zugrunde
liegt;
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4 ist
ein Plot eines Flächenverhältnisses
(Naphthalen/n-Dodecan) gegen eine eingestellte Temperatur in °C und erläutert einen
Teil der Theorie, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt;
und
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5 ist
ein Plot einer linearen Beziehung zwischen den Naphthalen- und n-Dodecan-Flächen, der einen
Teil der Theorie darstellt, die der vorliegenden Erfindung zugrunde
liegt.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Auf
dem Weg zur vorliegenden Erfindung wurden Überlegungen angestellt, sich
die Temperaturabhängigkeit
von Aufteilungskoeffizienten zunutze zu machen, um die wirksame
Temperatur in einem Gläschen
zu bestimmen. Gemäß einem
solchen Verfahren würde
eine Lösung
aus zwei zu lösenden
Stoffen in einem geeigneten Lösungsmittel
hergestellt. Die zu lösenden
Stoffe und das Lösungsmittel
würden
so gewählt,
dass ihre Aufteilungskoeffizienten unterschiedliche Temperaturprofile
zeigen. Ihre relativen Konzentrationen (somit die Größen ihrer
chromatographischen Peaks) wären
ein Maß für die Temperatur.
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Es
wurde jedoch gefunden, dass dieser Ansatz ungünstig sein kann, da er von
einer sehr genauen Steuerung der Konzentrationen und Volumina abhängt. Außerdem müssten die
Komponenten chemisch ähnlich
sein, damit ihre relativen Ansprechfaktoren auf dem GC-Detektor
konstant wären,
und daher wären
Unterschiede in den Aufteilungskoeffizientprofilen nur klein.
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Es
wurde auch überlegt,
sich die Temperaturabhängigkeit
von Dampfdrücken
zunutze zu machen, um die wirksame Temperatur in einem Gläschen zu
bestimmen. Entsprechend diesem Verfahren würde ein Überschuss an einer geeigneten
Verbindung, die in einem thermostatisierten Headspace-Gläschen vorhanden
wäre, den
Gasraum mit verdampfter Verbindung sättigen. Die Konzentration des
Dampfs am Sättigungspunkt wäre proportional
zum Dampfdruck. Der Dampfdruck hängt
von der Temperatur ab, und daher ist die Dampfkonzentration im Gasraum
temperaturabhängig.
Durch Wählen
von zwei Verbindungen mit unterschiedlichen Dampfdruckkurven wäre das Verhältnis ihrer
Konzentrationen (somit der Größen ihrer
chromatographischen Peaks) ein Maß für die Temperatur.
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Es
wurde jedoch gefunden, dass dieser Ansatz ungünstig sein kann, da sich die
Dampfdrücke
von zwei Verbindungen, wenn diese zusammengemischt werden, jeweils ändern, weil
sie konzentrationsabhängig sind,
und somit Ergebnisse schwierig vorauszusagen sind.
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Um
die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und um die Bedenken
hinsichtlich der oben beschriebenen Ansätze zu vermeiden, wurde entschieden,
sich die Temperaturabhängigkeit
von Löslichkeit und
Dampfdruck zunutze zu machen.
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Unter
Bezug auf 1 beruht das Verfahren auf der
Löslichkeit
einer festen Verbindung 10 in einem geeigneten flüssigen Lösungsmittel.
Eine ausreichende Menge Feststoff 10 wird zugegeben, um
sicherzustellen, dass eine gesättigte
Lösung 12 erzeugt
wird. Die Sättigungskonzentration
ist stark von der Temperatur abhängig,
sollte aber bei jeder gegebenen Temperatur jeweils gleich sein.
Diese Wirkung bedeutet auch, dass die Konzentration beider Verbindungsdämpfe im
Gasraum 14 innerhalb eines geschlossenen Gläschens 16, das
die gesättigte
Lösung 12 enthält, bei
jeder gegebenen Temperatur vorhersagbar ist. Die Verbindungskonzentrationen
im Gasraum 14 hängen
nun sowohl von der Löslichkeit
in Flüssigkeit
als auch dem Dampfdruck ab und sollten eine verstärkte Temperaturwirkung
liefern.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wurden Naphthalen als feste Verbindung und n-Dodecan als flüssiges Lösungsmittel
gewählt.
Diese Verbindungen haben sich aus einer Reihe von Gründen als
geeignet erwiesen, beispielsweise aufgrund der Tatsache, dass sie
beide Kohlenwasserstoffe sind und eine relative Ansprechfaktor-Reproduzierbarkeit
auf allen Flammenionisierungsdetektoren liefern sollten. Außerdem wird n-Dodecan
bei Konzentrationen von etwa 30 % bei Umgebungstemperatur mit Naphthalen
gesättigt,
was den Messvorgang vereinfacht. Darüber hinaus sind die Dampfdrücke von
reinem n-Dodecan und reinem Naphthalen ähnlich, es sind chromatographie-freundliche
Verbindungen, die durch fast jede Säule geschickt werden können, und
ihre Dampfdruckkurven unterscheiden sich deutlich.
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Jedoch
sei darauf hingewiesen, dass die Kombination aus n-Dodecan und Naphthalen
in keiner Weise beschränkend
aufgefasst werden soll und dass die Verwendung zahlreicher Kombinationen
von Verbindungen mit der erfindungsgemäßen Messung in Betracht gezogen
wird. Genauer haben Versuche gezeigt, dass die Verwendung von n-Dodecan
und Naphthalen auf Temperaturen im Bereich von etwa 40 bis 70°C (Naphthalen schmilzt
bei 800°C)
beschränkt
sein kann. Für
höhere
Temperaturen können
andere Verbindungen, wie eine Kombination aus n-Octadecan und Anthracen,
verwendet werden, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Das
allgemeine Verfahren, das mit der vorliegenden Erfindung angewendet
wird, beinhaltet die folgenden Schritte. Erstens wird ein Gläschen, das
eine etwa 10/90-Mischung von n-Dodecan und Naphthalen enthält, in einen
Headspace Sampler gegeben und bei der eingestellten Temperatur thermostatisieren
gelassen (d.h. in der Regel für
etwa 20 Minuten). Dann wird ein geeignetes Volumen des äquilibrierten
Gasraumdampfs auf eine Chromatographiesäule zur Bestimmung überführt. Schließlich wird
die Temperatur des Headspace-Gläschens
von dem Verhältnis
der beiden Peak-Flächen
abgeleitet, wie nachstehend ausführlicher
erörtert
wird.
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Theoretisches Modell
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Der
Dampfdruck einer Komponente in einer binären Mischung kann zweckmäßig anhand
des Raoult'schen
Gesetzes als
beschrieben werden.
Wobei:
- p0
- der Dampfdruck der
Verbindung in der Mischung ist
- p
- der Dampfdruck der
reinen Verbindung ist
- x
- die Molfraktion der
Verbindung in der Mischung ist
- n1
- die Molzahl der anderen
Verbindung ist
- n2
- die Molzahl der untersuchten
Verbindung ist
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2,
welche das ideale Dampfdruckverhalten für eine binäre Mischung gemäß dem Raoult'schen Gesetz darstellt,
zeigt, wie der relative Dampfdruck, somit die Dampfphasenkonzentration,
jeder Komponente von der Konzentration dieser Komponente in der
flüssigen
Mischung und dem Dampfdruck der reinen Verbindung abhängt. Falls
der Dampf chromatographisiert werden würde, dann würde das Peakflächenverhältnis für die beiden
Verbindungen sowohl von ihren flüssigen
Konzentrationen als auch ihren reinen Dampfdrücken abhängen.
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Die
Konzentration einer gesättigten
Lösung
von Naphthalen in n-Dodecan ist temperaturabhängig und kann wiederum durch
eine andere Form des Raoult'schen
Gesetzes folgendermaßen
beschrieben werden:
Wobei:
- Lf
- die Molfusionswärme ist
- R
- die Gaskonstante ist
- T0
- die absolute Temperatur
des Erstarrungspunkts der Verbindung ist
- T
- die absolute Temperatur
der Lösung
ist
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Die
Abhängigkeit
des Dampfdrucks einer reinen Substanz von der Temperatur kann anhand
der Clapeyron-Clausius-Gleichung folgendermaßen beschrieben werden:
Wobei:
- Lv
- die molare Verdampfungswärme ist
- C
- eine Konstante ist
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Es
sei jedoch darauf hingewiesen, dass in der Praxis aufgrund von intermolekularen
Kräften
Abweichungen von den Gleichungen 1, 2 und 3 zu erwarten sind. Daher
sollten diese Beziehungen nur als Richtlinien verwendet werden.
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Die
Gleichungen 1, 2 und 3 können
kombiniert werden, was die Gleichungen 4 und 5 ergibt, die den vorhergesagten
Dampfdruck p
0 für eine Komponente in einer
gesättigten
Mischung mit der Temperatur T in Beziehung setzt, wie folgt:
Wobei:
- a
- eine Konstante ist
- b
- eine Konstante ist
- c
- eine Konstante ist
- d
- eine Konstante ist
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Das
Verhältnis
der beobachteten Dampfdrücke
wäre:
Wobei:
- p0'
- der vorhergesagte
Dampfdruck für
die zweite Verbindung ist
- a'
- eine Konstante ist,
die auf die zweite Verbindung bezogen ist
- b'
- eine Konstante ist,
die auf die zweite Verbindung bezogen ist
- c'
- eine Konstante ist,
die auf die zweite Verbindung bezogen ist
- d'
- eine Konstante ist,
die auf die zweite Verbindung bezogen ist
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Die
Gleichung 6 kann auf die endgültige
Form
reduziert werden.
Wobei:
- a
- eine Konstante ist
- b
- eine Konstante ist
- c
- eine Konstante ist
- d
- eine Konstante ist
- f
- eine Konstante ist
- g
- eine Konstante ist
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Da
die Verbindungskonzentration und damit die chromatographische Peak-Fläche somit
proportional zum Dampfdruck ist, gilt Gleichung 7 auch für das Peakflächenverhältnis, wie
nachstehend ausführlicher
beschrieben.
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3 zeigt
Chromatogramme der Testmischung aus n-Dodecan und Naphthalen, die über einen
Temperaturbereich thermostatisiert wurde. Die Versuchsbedingungen
sind in Tabelle 1 angegeben.
4 zeigt
einen Plot des Flächenverhältnisses
(Naphthalen/n-Dodecan, um eine positive Steigung zu ergeben) gegen
eine eingestellte Temperatur in °C.
Die mangelnde Gleichmäßigkeit
des Plots kann durch Messfehler bewirkt sein oder kann ein echter
Hinweis auf variierende Temperaturen im Gläschen sein (die Ablesungen
wurden mit verschiedenen Gläschen
in unterschiedlichen Karussellpositionen und zu unterschiedlichen
Zeiten durchgeführt).
Chromatograph | AutoSystem
X1 (PerkinElmer Instruments) |
Säule | 30
m × 0,32
mm × 1,0 μm PE-5 (PerkinElmer
Instruments) |
Ofen | 200°C isothermisch |
Trägergas | Helium
bei 12,5 psig mit PPC |
Schnittstelle | Split
Injector bei 250°C
mit Liner mit geringem Totvolumen |
Detektor | FID
bei 300°C,
Bereich × 1,
Dämpfung × 4 |
Gasraum | HS40
XL (PerkinElmer Instruments) |
Thermostattemp. | 44°C bis 72°C in 4°-Schritten |
Thermostatzeit | 20
min |
Druck | 15
psig mit PPC |
Druckdauer | 1
min |
Einspritzdauer | 0,5
min |
Entnahmedauer | 0,5
min |
Probe | 180
mg Naphthalen und 20 mg n-Dodecan in 22 ml-Gläschen |
TABELLE
1 – Versuchsbedingungen
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Durch
Umkehren der Flächenverhältnisse
scheinen die Daten sich der folgenden einfachen linearen Beziehung
anzunähern,
die auch in
5 aufgezeichnet ist:
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Durch
Lösen von
Gleichung 8 für
T kann somit die Temperatur des Gläschens durch Verwendung eines
Chromatographen zur Messung der Peak-Flächen für n-Dodecan und Naphthalen
bestimmt werden.
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Die
vorliegende Erfindung liefert somit ein Verfahren zur Messung der
wirksamen Temperatur innerhalb eines geschlossenen Behälters, das
exakt die wahre Behältertemperatur
bei allen Instrumenteneinstellungen wiedergibt, Temperaturvariationen über verschiedene
Behälterpositionen
berücksichtigt,
die Temperatur jedes Behälters
separat von anderen Behältern
misst, wenn ein Vielzahl von Behältern
verwendet wird, die Tatsache, dass die Behältertemperatur sich im Lauf
der Zeit ändern
kann, berücksichtigt,
eine Kalibrierung ermöglicht,
zur Bewertung der Temperatursteuerleistung eines Instruments verwendet
werden kann, einfach in der Anwendung ist, den normalen Betrieb
des Instruments nicht unterbricht, keine Spezialausrüstung erfordert und
Chromatographie nutzt, um die Temperatur zu bestimmen.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezug auf eine spezielle Anordnung der Teile,
Merkmale usw. beschrieben wurde, soll dies nicht alle möglichen
Anordnungen oder Merkmale umfassen, und der Fachmann kann in der Tat
auf andere Modifikationen und Variationen kommen.