Chromatografia Gazowa CHROMATOGRAFIA GAZOWA GC Gas Chromatography Chromatografia

Chromatografia Gazowa

CHROMATOGRAFIA GAZOWA (GC – Gas Chromatography) Chromatografia gazowa umożliwia rozdzielanie próbek, które w warunkach chromatografowania przechodzą w parę lub gaz Mogą to być substancje gazowe, ciekłe bądź stałe, których temp. wrzenia lub sublimacji nie przekracza 350 -400 o. C. faza ruchoma gaz ciało stałe faza stacjonarna ciecz osadzona na nośniku

SCHEMAT BLOKOWY CHROMATOGRAFU GAZOWEGO Gaz nośny ze zbiornika płynie przez regulator, oczyszczalnik oraz przepływomierz do dozownika, a następnie przez kolumnę i detektor do atmosfery. Do dozownika wprowadza się próbkę badaną. Jeżeli próbka jest ciekła odparowuje się ją w dozowniku, a następnie w strumieniu gazu nośnego przenosi się do kolumny.

CHROMATOGRAF GAZOWY

FAZA RUCHOMA – GAZ NOŚNY Jako gazy nośne stosuje się: w argon, w azot, w hel, w wodór. Rodzaj gazu nośnego ma znikomy wpływ na wynik chromatografowania. Ma za to wpływ jego natężenie. Wybór gazu nośnego zależy głównie od zastosowanego detektora. Przy zastosowaniu kolumn kapilarnych korzystniejsze może być zastosowanie H 2 lub He. Gaz nośny powinien być chemicznie obojętny względem wypełnienia kolumny i składników rozdzielanej mieszaniny. Na pracę detektora ma wpływ czystość gazu nośnego. Zanieczyszczenia mogą też dezaktywować fazę stacjonarną. Gaz nie powinien zawierać przede wszystkim tlenu, pary wodnej i węglowodorów. Do osuszania gazu nośnego stosuje się żel krzemionkowy, sita molekularne (glinokrzemiany (zeolity), szkła porowate, węgle aktywne) lub ich mieszaninę. Sita molekularne są lepsze ponieważ oprócz wody pochłaniają dwutlenek węgla, dwutlenek siarki, dwutlenek azotu i chlorowodór.

KOLUMNY 1. Kolumny pakowane Wypełnione są w całej objętości sorbentem lub nośnikiem z osadzoną na nim cieczą. Kolumny są wykonane z materiałów nieaktywnych chemicznie i katalitycznie w stosunku do wypełnienia i analitu np. ze stali nierdzewnej, teflonu, szkła, aluminium i miedzi. W zależności od zastosowania rozróżnia się kolumny: w preparatywne – średnica > 6 mm, długość 1 -16 m, w analityczne – średnica 2 -6 mm, długość 1 -3 m, w mikropakowane – średnica 0. 8 -1. 2 mm, długość do kilkunastu metrów.

KOLUMNY PAKOWANE

KOLUMNY 2. Kolumny kapilarne (o przekroju otwartym) Fazę stacjonarną mają osadzoną tylko na ściankach. Mogą to być zarówno ciała stałe jak i ciecze osadzone na nośniku. Kolumny kapilarne są wykonywane ze szkła lub topionego kwarcu pokrytego warstwą tworzywa sztucznego bądź aluminium. Im średnica kapilary jest mniejsza tym jest ona dłuższa. Kolumny ze stopionej krzemionki w przeciwieństwie do szklanych są elastyczne dlatego są wygodne w użyciu. W zależności od średnicy rozróżnia się: w kapilary – średnica 0. 2 -0. 6 mm, długość 10 -300 m, w mikrokapilary – średnica poniżej 0. 1 mm, długość do kilkudziesięciu metrów.

KOLUMNY KAPILARNE c. d. W zależności od sposobu wypełnienia rozróżnia się kapilary: w z porowatą warstwą sorbentu na ściankach (PLOT – Porous Layer Open Tubular), w z ciekła fazą stacjonarną naniesiona na ścianki (WCOT – Wall-Coated Open Tubular). w z naniesionym na ścianki nośnikiem nasyconym ciekła fazą stacjonarną (SCOT – Support Coated Open Tubular),

KOLUMNY KAPILARNE c. d.

DOZOWNIK umożliwia wprowadzenie próbki w strumień gazu nośnego, który przenosi ją do kolumny. W dozowniku, w krótkim czasie następuje odparowanie próbki ciekłej bądź sublimacja próbki stałej. Temperatura dozownika powinna być o ok. 20 o. C wyższa od temp. wrzenia najwyżej wrzącego składnika próbki. Temperatura nie może być zbyt wysoka, aby nie nastąpił rozkład próbki. Temperatura nie może być też zbyt niska ponieważ proces odparowania przebiega wtedy zbyt wolno i otrzymane piki są rozmyte, niesymetryczne, a rozdzielenie mieszaniny nie jest całkowite. Dobór dozownika w pewnym stopniu jest uzależniony od rodzaju stosowanej kolumny.

DOZOWNIKI do kolumn pakowanych membranowe mikrostrzykawki zawory dozujące do kolumn kapilarnych bezsplitowe splitery z ruchomą igłą

DOZOWNIKI 1. Dozowniki do kolumn pakowanych: w dozownik membranowy Próbka jest nastrzykiwana za pomocą strzykawki bezpośrednio na kolumnę pakowaną. Bezpośredni nastrzyk wymusza niewielką objętość próbki, zwykle 1 -10 ml. Za pomocą strzykawki dozuje się najczęściej próbki ciekłe - ciecze lub roztwory ciał stałych w lotnych rozpuszczalnikach.

DOZOWNIKI do kolumn pakowanych c. d. Próbki gazów można dozować również za pomocą strzykawek o pojemności rzędu m. L. Korzystniej jednak jest stosować: w zawory dozujące Zawór dozujący ma wymienną pętlę dozowniczą o objętości od części do kilku mililitrów. W zależności od położenia dźwigni zaworu pętle można napełnić analizowanym gazem lub wprowadzić go do strumienia nośnego.

DOZOWNIKI 2. Dozowniki do kolumn kapilarnych Kolumny kapilarne wymuszają stosowanie próbek o masach rzędu mikrograma lub mniejszych. Objętość próbki, która może zostać wprowadzona na mikrokolumnę wynosi zwykle 1 -10 ml. Niezwykle trudne bądź niemożliwe jest nastrzykiwać tak małe objętości na kolumnę za pomocą mikrostrzykawki dlatego też stosuje się inne sposoby dozowania próbek do tego typu kolumn.

DOZOWNIKI do kolumn kapilarnych c. d. w splittery Głównym zadaniem tego dozownika jest zredukować ilość próbki, wstrzykiwanej do kolumny. Próbka jest ogrzewana, przeprowadzana w stan gazowy, a następnie strumień gazu jest dzielony i tylko część próbki (1%, czasem mniej) zostaje wprowadzona na kolumnę. W przypadku próbek zawierających śladowe ilości analizowanych substancji ich ilość wprowadzona na kolumnę może być niewystarczająca do wykrycia przez detektor. Ponieważ dyfuzja poszczególnych składników próbki w gazie nośnym jest różna, część analitu wprowadzona na kolumnę może nie odzwierciedlać oryginalnego składu próbki. Otrzymywane wyniki mogą być niepowtarzalne. W konsekwencji ten typ dozowania jest rzadko stosowany, zawłaszcza w przypadku oznaczeń ilościowych.

DOZOWNIKI do kolumn kapilarnych c. d. w dozownik bezsplitowy (splitless injector) Dozowniki bezsplitowe są przeważnie wykorzystywane w przypadku analizy śladów ponieważ w tym przypadku konieczne jest wprowadzenie do kolumny jak największej ilości próbki. Aby uniknąć strat próbki początkowo zatrzymuje się przepływ gazu nośnego i wprowadza się próbkę. Ponieważ gaz nośny nie przepływa, próbka migruje do kolumny. Po 30 -60 s. (delay time) wznawia się przepływ gazu, który wymywa nadmiar próbki na zewnątrz dozownika.

DOZOWNIKI do kolumn kapilarnych c. d. w dozownik z ruchoma igłą Dozowniki tego typu są szczególnie przydatne gdy oznaczane substancje są mało lotne. W rurce dozownika znajduje się platynowa, grafitowa bądź kwarcowa igła. Próbkę nanosi się za pomocą mikrostrzykawki przez membranę na koniec uniesionej igły. Najpierw odparowany zostaje rozpuszczalnik, a następnie po opuszczeniu igły do wylotu ogrzanej kolumny próbka.

FAZA STACJONARNA - ADSORBENTY organiczne polimery porowate nieorganiczne węglowe żele krzemionkowe sita molekularne Cechy charakteryzujące adsorbent: w powierzchnia właściwa rzędu kilkudziesięciu do kilkuset m 2/g, w sorbent nie może adsorbować oznaczanych substancji nieodwracalnie, w powierzchnia powinna być jednorodna bez fragmentów o większej aktywności sorpcyjnej i katalitycznej. w cząstki adsorbentu powinny mieć kształt kulisty, rozmiary części milimetra i wąską frakcję sitową np. 0. 2 -0. 25 mm.

FAZA STACJONARNA – ADSORBENTY c. d. Adsorbenty organiczne 1. Polimery porowate Mają charakter hydrofobowy, dzięki czemu można na nich analizować roztwory wodne. Można syntezować polimery: w w postaci perełek o jednorodnym uziarnieniu, w charakteryzujące się strukturą porowata o różnej średnicy porów i różnej powierzchni, w różnym składzie chemicznym - najczęściej są to kopolimery np. diwinylobenzenu i styrenu. 2. Adsorbenty węglowe w węgle aktywowane, w sadze grafityzowane, w węglowe sita molekularne, w karbosile – adsorbenty krzemowo-węglowe, otrzymane przez zwęglenie na powierzchni krzemionki substancji organicznych. Mają niewielkie zastosowanie. Stosuje się je do rozdzielania mieszanin gazów takich jak: H 2, O 2, N 2, CO 2, CH 4, C 2 H 6, C 2 H 2.

FAZA STACJONARNA – ADSORBENTY c. d. Adsorbenty nieorganiczne 1. Żele krzemionkowe Są używane do analizy mieszanin gazów zawierających alkany i alkeny C 1 -C 4, fosgen, HCl i Cl 2, a także gazowe związki siarki, takie jak tlenosiarczek węgla, H 2 S, CS 2, SO 2. 2. Sita molekularne Naturalne bądź syntetyczne glinokrzemiany (zeolity). Sita stosuje się do analiz mieszanin zawierających np. N 2, O 2, H 2, CH 4, CO, a także mieszanin gazów szlachetnych.

FAZA STACJONARNA – CIEKŁA CIEKŁE FAZY STACJONARNE Ciekła faza stacjonarna powinna się charakteryzować: w dobrym rozpuszczaniem składników analitu, w termiczna stabilnością w warunkach pracy kolumny – podaje się zakres temperatur stosowania fazy ciekłej, w odpornością na działanie gazu nośnego, w odpornością na działanie składników analitu, w dużą selektywnością względem składników analitu – miarą selektywności jest różnica w czasach retencji dwóch związków o identycznych temperaturach wrzenia, a różnej budowie, w małą lepkością, małą lotnością. Najważniejszą cechą ciekłej fazy stacjonarnej mającą wpływ na rozdział jest jej polarność.

FAZA STACJONARNA – CIEKŁA c. d. 1. Węglowodory alifatyczne i aromatyczne Stosowane do rozdzielania: jedno-, dwu- i trzeciorzędowych alkoholi od innych związków tlenoorganicznych oraz polarnych domieszek z mieszanin związków niepolarnych o podobnych temperaturach wrzenia. 2. Silikony o różnej masie cząsteczkowej należą do najczęściej stosowanych faz ciekłych. Silikony charakteryzują się: w dużą odpornością termiczną, w dużą trwałością chemiczną – reagują z chlorowcami, chlorowodorem, niektórymi mocnymi zasadami i tlenem w wysokiej temperaturze. w małą lotnością, w szerokim zakresem temperaturowym -50 - 350 o. C, w małą różnicą lepkości.

FAZA STACJONARNA – CIEKŁA c. d. W zależności od podstawników obecnych w łańcuchu siloksanowym silikony mogą być: w słabo polarne metylosilikony selektywność względem związków tlenoorganicznych wyższe kwasy tłuszczowe, fenole, terpeny, steroidy, pestycydy metylofenylosilikony selektywność względem związków ołowiowoorganicznych i halogenowęglowodorów w średnio fluoroalkilosilikony oddzielanie olefin i węglowodorów aromatycznych od alkanów i cykloalkanów, o podobnych temp. wrzenia polarne halogenki, steroidy pochodne cukrów, diastereoizomery, związki metaloorganiczne w polarne nitrylosilikony selektywność względem węglowodorów aromatycznych cykloheksany, cykloolefiny, ketony, alkohole I-rzędowe, estry, etery, halogenowęglowodory, fenole, aminy aromatyczne, steroidy, nienasycone kwasy tłuszczowe

FAZA STACJONARNA – CIEKŁA c. d. 3. Poliglikole Zawierają grupy: hydroksylowe, karboksylowe, pierwszo-, drugo- i trzeciorzedowe aminowe oraz heterocykliczne związki tlenu i azotu. Mają zdolność rozdzielania n-parafin od parafin rozgałęzionych i węglowodorów nasyconych od nienasyconych. 4. Estry kwasów karboksylowych i fosforowych Monomery jak ich polimery np. : adypiniany, bursztyniany, ftalany, sebacyniany. 5. Fazy optycznie czynne Pozwalają na rozdzielenie mieszaniny racemicznej na poszczególne enancjomery. Fazy takie aminokwasów. 6. Fazy ciekłokrystaliczne Pozwalają na rozdzielenie izomerów np. fenantrenu i antracenu, benzo(a)pirenu i benzo(e)pirenu.

FAZA STACJONARNA – CIEKŁA c. d. 7. Cyklodekstryny Są cyklicznymi oligosacharydami zbudowanymi z 6, 7 lub 8 jednostek D-glukozy. Ich budowa umożliwia rozdzielenie diastereoizomerów i izomerów strukturalnych. Cyklodekstryny są również optycznie czynne co pozwala na rozdzielanie enencjomerów. 8. Inne fazy stacjonarne takie jak: alkohole, sacharydy, etery aromatyczne, nitryle, nitrozwiązki, aminy alifatyczne i aromatyczne, amidy, heterocykle, związki siarki i fluoru, kwasy tłuszczowe i ich sole oraz sole kwasów nieorganicznych (np. azotan srebra).

FAZA STACJONARNA – CIEKŁA c. d. Nośniki faz ciekłych w nośniki diatomitowe, w teflon, w szklane kulki, w chlorofluorowęglowodory. Nośnik powinien: w być obojętny chemicznie w stosunku do fazy ciekłej i rozdzielanych substancji, w silnie utrzymywać naniesiona ciekła fazę, w mieć dobrą wytrzymałość mechaniczną i termiczną, w nieadsorbować składników mieszaniny, w mieć umiarkowanie rozwiniętą powierzchnię, w charakteryzować się jednorodnością ziaren.

DETEKTORY uniwersalne selektywne do wykrywania wszystkich substancji do wykrywania określonych grup związków Detektor stosowany w GC powinien się charakteryzować: w dobrą czułością i wykrywalnością, w szerokim zakresem liniowości wskazań, w stabilnością wskazań i niskim poziomem szumów linii zerowej, w selektywnością, w dużą odtwarzalnością sygnału, w małą stałą czasową, która charakteryzuje opóźnienie sygnału detektora w stosunku do rzeczywistej ilości wykrywanej substancji. w uniwersalnością wskazań, w łatwością obsługi.

DETEKTORY UNIWERSALNE 1. Detektor cieplno-przewodnościowy (TCD - Thermal Conductivity Detector) Wykrywa on wszystkie substancje o przewodnictwie cieplnym różnym od przewodnictwa cieplnego gazu nośnego. wylot grzałka próbka gaz nośny

DETEKTORY UNIWERSALNE c. d. 2. Detektor płomieniowo-jonizacyjny (FID – Flame Ionization Detector) Jest najbardziej rozpowszechnionym detektorem w GC. Detektor ten działa w oparciu o zmiany natężenia prądu jonizacyjnego związane z pojawieniem się w detektorze substancji oznaczanej. Detektor ten sprawdza się szczególnie przy wykrywaniu węglowodorów i ich pochodnych. Nie nadaje się do wykrywania gazów szlachetnych, O 2, N 2, CO 2, H 2 S, NH 3, H 2 O, CS 2 chlorowców, chlorowcowodorów, tlenków azotu, aldehydu i kwasu mrówkowego, . miernik prądu jonizacyjnego gaz utleniający płomień jonizujący gaz palny próbka

DETEKTOR c. d. DETEKTORY SELEKTYWNE 1. Detektor płomieniowo-fotometryczny (FPD – Flame Photometric Detector) Jest stosowany do selektywnego wykrywania z dużą czułością związków siarki i fosforu. Działanie tego detektora opiera się na zjawisku emisji promieniowania (chemiluminescencji), które występuje gdy związki siarki ( =394 nm) lub fosforu ( =526 nm) spalają się w płomieniu redukującym wodorowo-tlenowym. Bardzo małe ilości związków siarki można wykrywać za pomocą siarkowego detektora chemiluminescencyjnego. miernik wyemitowanego promieniowania tlen płomień palnika wodór próbka

DETEKTORY SELEKTYWNE c. d. 2. Detektor wychwytu elektronów (ECD – Electron Capture Detector) Detektor ten działa w oparciu o zmiany natężenia prądu związane z pojawieniem się w detektorze substancji o dużym powinowactwie jonowym. Umożliwiaja wykrywanie śladowych ilości związków o dużym powinowactwie elektronowym np. tlenu, sześciofluorku siarki, tlenków azotu, halogenowęglowodorów, azotanów, nitryli, związków metaloorganicznych, pestycydów halogenoorganicznych, związków policyklicznych. Nie jest przydatny do oznaczania węglowodorów alifatycznych, estrów i eterów. katoda pokryta radioizotopem 63 Ni emitującym elektrony miernik prądu e e e przeciwelektroda e e próbka

DETEKTOR c. d. 3. Detektor termojonowy (TID - Thermoionic Detector) Stosowany do wykrywania śladowych ilości związków fosforu i azotu oraz związków halogenoorganicznych. Do płomienia wprowadza się jony metali alkalicznych: rubidu, cezu, potasu lub sodu, które powodują obniżenie jonizacji węglowodorów i jednoczesny wzrost jonizacji związków zawierających azot i fosfor, które są wykrywane. Inne detektory w fotojonizacyjny, w emisji atomowej, w jonizacji elektronowej.

SPRZĘŻENIE CHROMATOGRAFII GAZOWEJ Z TECHNIKAMI SPEKTROSKOPOWYMI Chromatografia gazowa jest techniką umożliwiającą bardzo dobry rozdział mieszaniny na czyste składniki, nie daje jednak jednoznacznych informacji odnośnie składu analitu. Techniki spektroskopowe pozwalają na wszechstronną analizę, wymagają jednak wysokiej czystości analitu. Sprzężenie chromatografu gazowego ze spektrometrami pozwala wykorzystać zalety obu technik, znosząc ich wady. Najczęściej chromatograf gazowy łączy się ze spektrometrem: w masowym (MS, MS-MS), w podczerwieni z transformacja Fouriera (FTIR), w emisyjnej spektroskopii atomowej (ESA).