docChromatografia gazowa
download 
Reklamacja Transkrypt
Chromatografia gazowa
opracował opracował Tomasz Łojewski metody chromatograficzne analiza instrumentalna techniki • separacyjne • spektroskopowe • elektrochemiczne • inne metody chromatograficzne: • gazowa (GC) • ciekła (LC) • nadkrytyczna (SFC) • cieńkowarstwowa (TLC) • Ŝelowa (GPC/SEC) • bibułowa • jonowymienna (IC) metody elektroforetyczne: • elektroforeza kapilarna (CZE) • micelarna elektrokinetochromatografia (MEKC) • elektroforeza w Ŝelu poliakrylamidowym (PAGE) inne: • destylacja • ekstrakcja • dializa i wymiana jonowa • rozdzielanie w polu sił • wirowanie i ultraw. metody chromatograficzne wprowadzenie do technik chromatograficznych chromatografia gazowa sposoby przygotowania i dozowania próbek rodzaje stosowanych kolumn detektory spektrometr masowy inne przykłady zastosowań chromatografii gazowej metody chromatograficzne Michaił Siemionowicz Cwiet (1872-1919) 21.03.1903, Wydział Biologii UW “On a New Category of Adsorption Phenomena and Their Application in Biochemical Analysis”. 1906 r. - termin chromatografia rozdział barwników roślinnych na kolumnie wypełnionej węglanem wapnia, eter naftowy jako rozpuszczalnik “Like light rays in the spectrum, the different components of a pigment mixture, obeying a law, are resolved on the calcium carbonate column and then can be qualitatively and quantitatively determined. I call such a preparation a chromatogram and the corresponding method the chromatographic method.” M.S. Tswett, Khromofilly v Rastitel’nom i Zhivotnom Mire (Chromophylls in the Plant and Animal Kingdom) (Karbasnikov Publishers, Warsaw, 1910). metody chromatograficzne chromatografia technika rozdzielania składników mieszaniny, wykorzystująca ich róŜny podział pomiędzy poruszającym się strumieniem płynu, zwanym fazą ruchomą i sąsiadującą fazą stacjonarną układ ciało stałe (faza stacjonarna) – ciecz (faza ruchoma) metody chromatograficzne chromatografia technika rozdzielania składników mieszaniny, wykorzystująca ich róŜny podział pomiędzy poruszającym się strumieniem płynu, zwanym fazą ruchomą i sąsiadującą fazą stacjonarną stan skupienia fazy ruchomej: chromatografia gazowa, cieczowa, fluidalna stan skupienia fazy stacjonarnej: ciecz lub ciało stałe • ch. planarna • ch. kolumnowa metody chromatograficzne podział ze względu na typ oddziaływań pomiędzy cząsteczkami rozdzielanych substancji - fazą stacjonarną – fazą ruchomą: • róŜne zdolności adsorpcyjne (ch. bibułowa, TLC) • róŜnych właściwości kwasowo-zasadowych (ch. jonowymienna) • róŜna rozpuszczalności składników w obu fazach (ch. podziałowa) • róŜnych wymiarów cząsteczek (sączenie molekularne - SEC) • róŜnic lotności (ch. gazowa) chromatografia gazowa metoda rozdziału i analizy mieszanin związków lotnych metodą GC moŜna rozdzielać substancje, które w zastosowanych warunkach chromatografowania mają postać gazów lub par, tj. substancje gazowe, ciekłe lub stałe, których temperatura wrzenia nie przekracza 400oC chromatografia gazowa podstawowe pojęcia charakteryzujące rozdział chromatograficzny czas retencji tR całkowity czas jaki dana substancja spędza w kolumnie parametr charakterystyczny dla układu: substancja – faza ruchoma - faza nieruchoma – temperatura – -prędkość przepływu fazy ruchomej dla danej kolumny i ustalonych warunków analizy czas retencji jest charakterystyczny dla analizowanej substancji czas retencji całkowity (niepoprawiony) substancji chemicznej - czas od wprowadzenia mieszaniny do rozdziału, do pojawienia się na chromatogramie maksimum piku, odpowiadającego tej substancji czas retencji martwy - objętość czas retencji zredukowany VR -(zerowy) całkowita retencji jest to czas retencji substancji substancji chemicznej pomiędzy t a V istnieje zaleŜność: R R róŜnica między całkowitym obojętnej względem fazy rozdzielczej, czyli takiej, która nie czasem retencji substancji a VR = F 0 t R martwym czasem retencji oddziałuje chemicznie z tą fazą i gdzie to szybkość objętościowa dyfunduje przez nią bez F Ŝadnych 0 przeszkód; w konsekwencji wypływu fazy ruchomej substancja ta pojawia się w eluacie jako pierwsza chromatografia gazowa podstawowe pojęcia charakteryzujące rozdział chromatograficzny liczba półek teoretycznych (N N) - miara sprawności kolumny w rozdziale mieszaniny wyznacza się ją z kształtu piku na chromatogramie t N = R σ 2 2 t N = 16 R wB 2 tR N = 5,54 w1 2 gdzie s to szerokość piku na wysokości 0,882h, w1/2 w połowie piku, wB u podstawy chromatografia gazowa schemat układu stosowanego w chromatografii gazowej iniektor (inŜektor) dozownik próbki rejestrator, kontroler detektor regulator przepływu gaz nośny kolumna piec kolumny źódło rys.: Linde chromatografia gazowa schemat układu stosowanego w chromatografii gazowej gazy nośne w GC: hel wodór azot argon źódło rys.: Linde gaz nośny powinien: • być obojętny chemicznie w stosunku do rozdzielanych składników i fazy stacjonarnej • uwzględniać wymagania stosowanego detektora(ów) • być ultra czysty (suszki, filtry O2, oleju) • w przypadku H2 – generator wodoru chromatografia gazowa tryby pracy kolumny (pieca) • izotermicznie • w programie temperaturowym rampa temp. np. 10°/min czas analizy źródło rys.: www.chem.univ.gda.pl/analiza/dydaktyka/slady_gc.pdf GC – pobór próbki 1. próbki gazowe • pobó pobór bez zatęŜ zatęŜania ęŜania pró pró bek – stosuje się w przypadku gdy stęŜenie analizowanych substancji w gazie jest wystarczająco wysokie. Próbki gazu pobiera się do worków gazoszczelnych, pipet gazowych, kanistrów. • absorpcja analitó analitów w cieczy – wykorzystywana w przypadku gdy analit obecny w gazie wymaga zatęŜenia. Gaz z badanymi związkami przepuszcza się przez płuczkę wypełnioną odpowiednio dobranym rozpuszczalnikiem lub roztworem, który dobrze pochłania badane substancje lub reaguje z nimi. • adsorpcja analitó analitów – pozwala na zatęŜenie analizowanych związków. Adsorpcja badanych substancji następuje na sorbencie umieszczonym wewnątrz stalowej lub szklanej rurki. Sorbent znajdujący się w rurce powinien być hydrofobowy, jego powierzchnia właściwa oraz zdolność sorpcji powinny być dostosowane do charakteru badanych substancji. GC – pobór próbki 2. próbki ciekłe mogą występować w roztworze wodnym lub w rozpuszczalniku organicznym • ekstrakcja w ukł uk ładzie ciecz – ciecz – wykorzystuje się w tym przypadku podział analitu między wodę i nie mieszający się z nią rozpuszczalnik organiczny. Po zakończeniu ekstrakcji nadmiar rozpuszczalnika naleŜy odparować. • ekstrakcja w ukł uk ładzie ciecz – gaz – w metodzie tej wykorzystuje się fakt, Ŝe substancje lotne obecne w fazie ciekłej obecne są równieŜ w znajdującej się nad nią fazie gazowej (tzw. fazie nadpowierzchniowej). Bezpośrednia analiza tej fazy moŜliwa jest tylko w przypadku odpowiednio wysokich stęŜeń występujących w niej analitów. Analiza fazy nadpowierzchniowej Head Space - HS statyczna dynamiczna z gazową fazą ruchomą z ciekłą fazą ruchomą odpędzanie Purge HS odpędzanie i wyłapywanie Purge and Trap HS zzgazową ciekłąfazą faząruchomą ruchomą gazową i ciekła przeciwprądowa Thin Layer HS współprądowa GC – pobór próbki 2. próbki ciekłe mogą występować w roztworze wodnym lub w rozpuszczalniku organicznym gaz przemywają przemywaj ący się w tym • ekstrakcja w ukł – wykorzystuje uk ładzie ciecz – ciecz przypadku podział analitu między wodę i nie mieszający się z nią rozpuszczalnik organiczny. Po zakończeniu ekstrakcji nadmiar rozpuszczalnika naleŜy odparować. • ekstrakcja w ukł tej uk ładzie ciecz – gaz – w metodzie gaz noś nośny gaz noś nośny + analit wykorzystuje się fakt, Ŝe substancje lotne obecne w fazie ciekłej obecne są równieŜ w znajdującej się nad nią fazie gazowej (tzw. fazie nadpowierzchniowej). Bezpośrednia analiza tej fazy moŜliwa jest rurka tylko sorpcyjna w przypadku odpowiednio wysokich stęŜeń występujących w niej analitów. suchy gaz noś nośny septa igł igła z gazem przemyw. przemyw. Analiza fazy nadpowierzchniowej Head Space - HS statyczna dynamiczna z gazową fazą ruchomą z ciekłą fazą ruchomą pró próbka odpędzanie Purge HS odpędzanie i wyłapywanie Purge and Trap HS Purge and Trap Head Space pró próbka zzgazową ciekłąfazą faząruchomą ruchomą blok gazową i ciekła grzewczy przeciwprądowa Thin Layer HS współprądowa Purge Head Space GC – pobór próbki 2. próbki ciekłe, cd. mogą występować w roztworze wodnym lub w rozpuszczalniku organicznym • ekstrakcja w ukł uk ładzie ciecz – ciał ciało stał stałe – stosowana do ekstrakcji substancji mało lotnych z cieczy. Substancje te są w pierwszej kolejności adsorbowane i zatęŜane na złoŜu adsorbentu, a następnie są z niego desorbowane niewielką ilością rozpuszczalnika organicznego. Typ stosowanego sorbentu naleŜy dobrać do rodzaj badanych analitów. • mikroekstrakcja do fazy stał stałej – (SSolid P hase M icroe e xtraction, SPME) SPME – metoda szybka, bezpuszczalnikowa, prosta i moŜliwa do automatyzacji. W tym przypadku ekstrakcję analitów moŜna prowadzić bezpośrednio zarówno z cieczy jak i z gazów. Badane związki są adsorbowane i/lub absorbowane na/w sorbencie umieszczonym na końcu cienkiej igły. W tym przypadku typ sorbentu równieŜ dobiera się do rodzaju analizowanych substancji. Metody do próbek ciekłych i gazowych. GC – pobór próbki 3. próbki stałe anality z ciał stałych moŜna wyodrębnić gazem (przepuszczanie gazu nad ciałem stałym umieszczonym w zamkniętym podgrzewanym naczyniu) lub rozpuszczalnikiem. Najczęściej stosuje się ekstrakcję rozpuszczalnikiem: • zanurzenie ciał ciała stał stałego w rozpuszczalniku i przeprowadzenie ekstrakcji (proces ekstrakcji moŜna przyspieszyć poprzez podgrzanie lub działanie ultradźwiękami) • w aparacie Soxhleta (wielokrotna ekstrakcja cykliczna) • piroliza GC – nastrzyk próbki 1. próbki gazowe • mikrostrzykawki gazowe • • o objętości 1000 -5 µlitrów metody pośrednie (SPME, rurki sorpcyjne, inne) zawór dozujący - 6 lub więcej portowy, wyposaŜony w pętlę dozującą źódło rys.: Linde GC – nastrzyk próbki 2. próbki ciekłe • Dozownik z dzieleniem strumienia (spli splitt injector) – wyposaŜony jest on w zawór, który pozwala na podział próbki wstrzykniętej do komory dozownika. Strumień gazu nośnego, który porywa próbkę odparowaną w komorze ulega przed kolumną podziałowi, tak iŜ jego główna cześć usuwana jest na zewnątrz aparatu, natomiast tylko niewielka ilość próbki trafia do kolumny. Ten sposób dozowania posiada kilka wad: tzw. efekt gorącej igły, efekt szoku termicznego, czy obniŜanie czułości analizy • Dozownik bez dzielenia strumienia (splitless injection) - moŜna go stosować do próbek ciekłych tylko w przypadku gdy: • próbka jest silnie rozcieńczona rozpuszczalnikiem o temp. wrzenia niŜszej o co najmniej 100oC od tem. wrzenia najmniej lotnego analitu • temperatura kolumny w czasie dozowania próbki jest niska • • Dozowanie do zimnej kolumny – polega na nastrzyknięciu próbki bezpośrednio do kolumny Dozownik z częś częściow eliminacją rozpuszczalnika – dozownik ten pozwala na odprowadzenie ęściową ciową eliminacją nadmiaru rozpuszczalnika, poniewaŜ w pewnej odległości od czoła kolumny zamontowany jest zawór, który umoŜliwia przeprowadzenie tego zabiegu • Dozownik z programowalną programowalną temperaturą temperaturą odparowania kolumny w GC podział kolumn stosowanych w chromatografii gazowej • pakowane (F= 2 – 6mm; L =1-3m) • mikropakowane (F= 0,8 – 1,2mm; L =kilkanaście m) • kapilarne (F= 0,2 – 0,6mm; L =kilkadziesiąt m) • preparatywne (F > 6mm; L = kilka m) • mikrokapilarne (F < 0,1 mm; L = kilkadziesiąt m) faza stacjonarna szkł szkło kwarcowe warstwa poliimidu kolumna pakowana stal nierdzewna kolumna pakowana kolumna kapilarna kolumna pakowana szkł szkło krzemowa stal nierdzewna kolumny w GC wypełnienia kolumn chromatograficznych (wg. składu chemicznego): • • • • nieorganiczne (głównie sita molekularne – glinokrzemiany, głównie wapnia) polimerowe organiczne (polimery porowate - Porapak, HayeSep, Chromosorb, Tenax GC węglowe (sadze grafityzowane, głównie Carbopak) ciekł ciekłe fazy stacjonarne osadzone na stałych nośnikach (typ Chromosorb): węglowodory (alkany – Skwalan, i węglowodory aromatyczne) silikony (głównie metylosilikony i metylofenylosiloksany PDMS, nitrylosilikony OV 225) poliglikole (glikole polietylenowe -Carbowax, polialkilenoglikole – Ucon) estry (tetrachloroftalany, bursztynian glikolu dietylowego, LAC) • cyklodekstryny (6,7 lub 8 jednostek D-glukozy, Dextropac) W kolumnie do rozdzielania substancji niepolarnych naleŜ naleŜy stosować stosować fazy niepolarne, niepolarne, a do rozdzielania substancji polarnych – fazę fazę polarną polarną chromatograficznej przebiega właściwy proces rozdziału i dlatego wybór rodzaju kolumny, a zwłaszcza jej wypełnienia, ma decydujący wpływ na jakość rozdzielania składników mieszaniny, czyli na wynik analizy chromatograficznej. kolumny w GC układ z 2 kolumnami detektory w GC pomiar ilości analitu i identyfikacja kategorie: detektory uniwersalne i specyficzne detektory nieniszczące i niszczące waŜne pojęcia: czułość (LLOD) selektywność zakres dynamiczny liniowość detektory w GC pomiar ilości analitu i identyfikacja detek etektor wymagany gaz selektywność selektywność poziom detekcji zakres płomieniowojonizac. (FID FID) FID H2 + air węglowodory 100 pg 107 przew. ciepl. (TCD TCD) TCD referencyjny uniwersalny 1 ng 107 wychwytu elektronów (ECD ECD) ECD + N2 lub 95%Ar+5%CH4 chlorowcopochodne 50 fg 105 termojonowy (NPD NPD) NPD H2 + air zw. azotowe i fosforowe 10 pg 106 płomieniowofotometr. (FPD FPD) FPD H2 + air (+ O2) zw. zaw. S, P, Sn, B, As, Cr, Se, Ge 100 pg 103 nazwa femtogram oznaczenie fg g 10−15 g pikogram nanogram mikrogram miligram pg ng µg mg 10−12 g 10−9 g 10−6 g 10−3 g centygram decygram gram cg dg g 10−2 g 10−1 g 1g detektor TCD detektor FID spektrometr masowy jako detektor w GC Spektometria masowa – jest odrębną metodą analityczną, w której analizowane są zjonizowane cząsteczki (jony molekularne) lub ich fragmenty (jony fragmentaryczne). Spektrometr masowy składa się z następujących części: • • • • • • układ dozowania próbki układ utrzymywania wysokiej próŜni komora jonizacji cząstek układ przyspieszania zjonizowanych cząstek układ rozdziału jonów róŜniących się stos. masy do ładunku (m/z) detektor Związki wykryte przy uŜyciu spektrometru masowego mogą być szybko zidentyfikowane na podstawie widm m/z otrzymanych dla kilkunastu tysięcy związków, które są zapisane w bibliotece widm programu obsługującego urządzenie pentan spektrometr masowy jako detektor w GC jonizacja pró próbki wią wiązka elektronó elektronów rozdział rozdzia ł jonó jonów wg. wg. m/z katoda ((- ) prę pr ęty kwadrupola GC jony nie w rezonansie jony w rezonansie – do detektora anoda (+) do pompy pró próŜniowej (rot.+turbo=UHV) rot.+turbo=UHV) detekcja interpretacja chromatogramów Chromatografia gazowa moŜe być wykorzystana zarówno do analizy jakościowej jak i ilościowej. analiza jakościowa moŜe być wykonana: • w oparciu o parametry retencji • w oparciu o fizykochemiczną identyfikację z zastosowaniem zaawansowanych detektorów Podstawą identyfikacji substancji rozdzielanych jest porównanie ich parametrów retencji z parametrami retencji wzorców (otrzymanymi na tej samej kolumnie, w tej samej temperaturze i przy takiej samej szybkości przepływu gazu). interpretacja chromatogramów analiza ilościowa Przy oznaczeniu ilościowym danego składnika wykorzystuje się prostoliniową zaleŜność pomiędzy powierzchnią lub wysokością piku dla danej substancji a jej stęŜeniem w nastrzykniętej próbce. Analiza ilościowa wymaga przeprowadzenia kalibracji jedną z trzech najczęściej stosowanych metod: • metoda kalibracji zewnętrznej • metoda wzorca wewnętrznego • metoda normalizacji wewnętrznej interpretacja chromatogramów analiza ilościowa Przy oznaczeniu ilościowym danego składnika wykorzystuje się prostoliniową zaleŜność pomiędzy powierzchnią lub wysokością piku dla danej substancji a jej stęŜeniem w nastrzykniętej próbce. Analiza ilościowa wymaga przeprowadzenia kalibracji jedną z trzech najczęściej stosowanych metod: • metoda kalibracji zewnętrznej • metoda wzorca wewnętrznego • metoda normalizacji wewnętrznej kalibracja przez ekstrapolację ekstrapolację dopasowania do punktó punktów uzyskanych dla wzorcó wzorców – wyniki wą wątpliwe! ? GC w CH • badanie skł składu atmosfery (pomieszczenia muzealne, magazyny, gabloty wystawowe) • identyfikacja substancji lotnych emitowanych z ró róŜnych obiektó obiektów • identyfikacja substancji zastosowanych w danym obiekcie np. pobó pobór spoiwa z obrazu i jego analiza rurka sorpcyjna z pompką pompką – pobó pobór powietrza z ró r ównoczesnym zatęŜ zatęŜenie ęŜenie lotnych zwią związkó zków organicznych do pó późniejszej analizy technik
