Plynová chromatografie

Plynová chromatografie Instrumentace Základní přednáška RNDr. Radomír Čabala, Dr. Univerzita Karlova v Praze Přírodovědecká fakulta Katedra analytické chemie

ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha

Plynová chromatografie

1

GC - Definice

Plynová chromatografie – fyzikálně-chemická metoda separace směsi látek na základě jejich rozdělování mezi dvě fáze, z nichž jedna je plynná a pohybuje se a druhá je pevná nebo kapalná a je nepohyblivá – lze ji použít na separaci plynných látek nebo látek, které lze definovaným způsobem převést do plynného stavu



2

Blokové schéma plynového chromatografu Zdroj nosného plynu

Vzorek Dávkovač dělič toku

Regulace průtoku nosného plynu Kolona

Regulace teploty

signál

Detektor

Vyhodnocovací a řídící zařízení

řídící signály

Termostaty

tok nosného plynu


analytická informace Plynová chromatografie

3

Plynový chromatograf 1

2

1. GC PU 4500

3

klasický, s mechanickou regulací plynů

2. GC Shimadzu 2100 plně řízený PC s elektronickou regulací plynů

3. GC-MS Shimadzu QP5050 plně řízený PC s elektronickou regulací plynů



4

Nosný plyn Mobilní fáze v GC - nosný plyn (účastní se přenosu látek kolonou) Kritéria volby nosného plynu – – – – – –

typ detektoru inertnost čistota (min. 99,99% až 99,9999%) hustota viskozita bezpečnost

– – – –

dusík helium vodík argon

Používané plyny



5

Nosný plyn - vlastnosti

Plyn

Hustota

Viskozita

Tepená vodivost

g.cm-3

µPa.s

J.m-1.s-1.K-1

Vodík

0,0899

8,44

175,0

Helium

0,178

18,6

143,6

Dusík

1,250

16,58

23,86

Argon

1,784

21,2

16,75



6

Zdroj nosného plynu 3

3 A

1

1

4

2 B

Tlakové láhve (1) Redukční ventily (2) – A. vstupní tlak: 5 - 220 atm – B. výstupní tlak: 0,5 - 10 atm

Rozvod plynů (3) Uchycení tl. lahví (4) ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


7

Čistota nosného plynu Běžně používané čistoty – 99,99% (4N) až 99,9999% (6N) – nedostatečně čisté plyny lze dočišťovat

Odstraňování stopových nečistot – voda • molekulová síta

– kyslík • v N2: Cu za zvýšené teploty • v H2: na Pt katalyzátoru za laboratorní teploty

– stopy organických látek • aktivní uhlí • katalytické spalování na CO2 a jeho sorpce

– zbytkové koncentrace • řádově ppb v závislosti na znečištění



8

Čištění nosného plynu Systémy indikačních adsorbérů: - vícestupňový (1) - pro více druhů plynu (2) Indikační adsorbér (kyslík a voda) 1 Katalytický čistič (kyslík a voda)

2 ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


9

Čištění nosného plynu Systém adsorbérů pro GC Unicam 4500 v laboratoři 114A



10

Regulace a měření průtoku nosného plynu Pi Fi

Dávkovač (Injektor)

Pi - tlak na vstupu P0 - tlak na výstupu

Fopl Dělič (Splitter) Fc

Fi - průtok injektorem Fspl - průtok děličem Fopl - průtok oplachu septa Fc - průtok kolonou Fd - průtok detektorem Fmg - průtok pomocného plynu

Fspl

Fi = Fc + Fspl + Fopl Kolona

Množství vzorku na koloně, mc

mc = ma

Fc Fc + Fspl + Fopl

= ma

Fc

Detektor

Fi

ma - dávkované množství analytu ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha

Fmg

Fd = Fc + Fmg Plynová chromatografie

Fd P0

11

Regulace a měření průtoku nosného plynu

Konstantní tlak na vstupu – Izotermální analýza (teplota kolony konstantní)

• průtok plynu na výstupu kolony konstantní

– Analýza s teplotním programem (nárůst teploty kolony s časem podle definovaného programu)

• s rostoucí teplotou klesá průtok (roste viskozita plynu)

Konstantní průtok kolonou – Izotermální a teplotní program • změny viskozity plynu kompenzovány regulátorem průtoku ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


12

Redukční ventil - princip funkce

f - napětí pružiny P1, P2 - vstupní a výstupní tlaky S1 - průřez jehlového ventilu S2 - plocha membrány

f + Patm ⋅ S2 = P2S2 + ( P1 − P2 ) S1

Úkol: snížit tlak a udržovat konstantní výstupní tlak nezávisle na průtoku Princip - tlak je regulován proměnným odporem toku tvořeným jehlou v kuželovém v sedle - jehla se pohybuje nahoru a dolu vlivem kombinace mechanického napětí pružiny a tlaku působícího na membránu - výstupní tlak je nastavován napětím pružiny ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


13

Regulátor průtoku - princip funkce Diferenciální regulátor průtoku (mass-flow controller)

Elektronický regulátor průtoku

Úkol: udržovat konstantní průtok nezávisle na vstupním a výstupním tlaku Princip - udržuje konstantní tlakový spád (P2-P3) na jehlovém ventilu (V) - tlaky P2 a P3 jsou regulovány proměnným odporem toku tvořeným jehlou v kuželovém v sedle - jehla se pohybuje nahoru a dolu vlivem kombinace mechanického napětí pružiny a tlaku působícího na membránu - průtoková rychlost je nastavována ventilem V - velikost jehly a kuželového sedla určuje rozsah průtokových rychlostí ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


14

Dávkování vzorků Úkoly – reprodukovatelně a rychle převést kapalný či tuhý vzorek do plynné fáze beze změny jeho relativního složení – zavedení malého definovaného objemu plynné fáze vzorku do kolony

Podmínky – nesmí se měnit tlakové a teplotní podmínky v systému – dle teorie je pro dosažení maximální účinnosti je nutno dávkovat objem vzorku odpovídající objemu jednoho HETP

Dávkovaná množství vzorku – náplňové kolony: až 100 µg v 1 - 10 µl rozpouštědla – kapilární kolony: max. 1 µg



15

Dávkování vzorků Plynné vzorky – dávkovací smyčky a ventily – "headspace" – "purge and trap"

Kapalné vzrorky a roztoky – Náplňové kolony • přímo do kolony (on-column)

– Kapilární kolony • • • • • •

s děličem toku (split/splitless) přímo do kolony (on-column) s programovanou teplotou (PTV) velkoobjemové (LVI) termodesorpce (TDI) pyrolýza



16

Dávkování vzorků - plynné vzorky Dávkovací smyčky a ventily – dvoupolohové šesticestné ventily s dávkovací smyčkou

1. Plnění smyčky


Sample in

mf

Waste

Column

Waste

Column

Sample in

2. Dávkování vzorku


mf

17

Dávkování vzorků - Náplňové kolony Náplňové kolony – dávkované objemy: 1 - 10 µl – koncentrace: 5 - 10 % (v/v)

Metoda - přímo do kolony (oncolumn) – celý dávkovaný objem vzorku stříkačkou zaveden přes septum přímo na začátek kolony nebo "lineru"

© R.P.W.Scott - Gas Chromatography

"liner" – skleněný a deaktivovaný – zabraňuje styku vzorku s horkým kovovým povrchem a zabraňuje tak jeho rozkladu – zadržuje netěkavé složky vzorku aby nekontaminovaly kolonu ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


18

Dávkování vzorků - Linery Liner – – – –

skleněný, křemenný či kovový, deaktivovaný s náplní (A) a bez náplně (B,C) umožňuje zplynění vzorku zabraňuje styku vzorku s horkým kovovým povrchem a zabraňuje tak jeho rozkladu – zadržuje netěkavé složky vzorku aby nekontaminovaly kolonu

A

© Restek ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha

B

C

© Restek Plynová chromatografie

© Restek 19

Dávkování vzorků - Kapilární kolony - Split Kapilární kolony – dávkované objemy: 0,1 - 2 µl – koncentrace: 5 - 10 % (v/v)

Fi Fspl

Dávkování s děličem toku (Split) – celý dávkovaný objem vzorku stříkačkou zaveden přes septum do lineru – pouze část objemu vzorku je zavedena do kolony – zbylá část objemu vzorku odchází děličem do atmosféry

Dělící poměr – udává jaká část vzorku je zavedena do kolony – Fc/Fi – rozsah: 1/500 - 1/10 ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha

Fopl

Fc Dávkovací parametry – celkový průtok (10 - 300 ml/min) – průtok kolonou (0,1 - 2 ml/min) – objem lineru (100 µl - 1 ml)


20

Dávkování vzorků - Kapilární kolony - Split

Dávkování s děličem toku (Split) Výhody – – – –

pro relativně koncentrované vzorky pro poměrně "špinavé" vzorky lze automatizovat velmi ostrá zóna vzorku na kokloně

Nevýhody – – – –

může docházet k rozkladu vzorků diskriminační efekt (diskriminace vysokých Mr) "backflash" nelze sledovat stopová množství



21

Dávkování vzorků - Kapilární kolony - Splitless Dávkování bez děliče toku (Splitless) – celý dávkovaný objem vzorku stříkačkou zaveden přes septum do lineru – v momentě dávkování uzavřen dělič, celý tok mf jde do kolony Fi = Fc+Fopl – velká část objemu vzorku je zavedena do kolony – po definovaném čase je otevřen dělič, Fi = Fc+Fspl+Fopl – zbytky vzorku odchází děličem do atmosféry

Fi

Fopl

Fspl

Fc

Dávkovací parametry – – – –

celkový průtok Fi (10 - 300 ml/min) průtok kolonou Fc (0,1 - 2 ml/min) objem lineru (100 µl - 1 ml) objem par vzorku/rozpouštědla po jeho odpaření nesmí překročit 50% objemu lineru (nebezpečí vzniku "backflash")



22

Dávkování vzorků - Splitless - Čas dávkování Čas dávkování (Hold time) – doba uzavření děliče, kdy páry vzorku vstupují na kolonu – liner se chová jako logaritmický zřeďovač (koncentrace klesá exponenciálně s časem) – po jeho uplynutí se zbytky vzorku vypláchnou mf do atmosféry, pík rozpouštědla nechvostuje

ID kolony (mm)

Půtoková rychlost He (ml/min)

Přibližná doba dávkování

0,18

0,3

3 min

0,25

0,7

1,5 min

0,32

1,2

45 s

0,53

2,6

30 s

2 µl CH2Cl2, 68,94 kPa, 250°C

Teplota kolony – musí být min. 20°C pod bodem varu použitého rozpouštědla – vhodná jsou rozpouštědla s bv nad 60°C (chlazení termostatu kolony pod 40°C je dlouhé)



23

Dávkování vzorků - Splitless

Dávkování bez děliče toku (Splitless) Výhody – – – –

pro velmi zředěné vzorky, stopová analýza pro poměrně čisté vzorky lze automatizovat použití stejného injektoru jako s děličem

Nevýhody – může docházet k rozkladu vzorků vzhledem k delší době pobytu vzorku v lineru – "backflash" – potřeba refokusace zóny vzorku (bez něj jsou píky velmi rozmyté a silně chvostují) – nutná optimalizace (čas, objem vzorku, refokusace) ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


24

Dávkování vzorků - Backflash Známky výskytu backflash – – – – –

špatná reprodukovatelnost ploch píků chvostující píky "ghost" píky nelineární závislost plochy píků na dávkovaném objemu vzorku typické pro splitless a on-column dávkování Dávkovaný objem (µl)

Objem par (µl) H2O

CS2

CH2Cl2

Hexan

Isooktan

0,5

710

212

200

98

78

1,0

1420

423

401

195

155

2,0

2840

346

802

390

310

5,0

7100

2120

2000

975

775

Objem lineru 1 ml, teplota 250°C, tlak 68,95 kPa ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


25

Dávkování vzorků - Kapilární kolony - On column Dávkování přímo do kolony

© R.P.W.Scott - Gas Chromatography

– celý dávkovaný objem vzorku stříkačkou zaveden přes septum (a příp. i liner) do kolony – relativně velký objem par rozpouštědla způsobí velké rozmytí píků – rozmytou zónu vzorku nutno opět zakoncentrovat ("refocusing")

Podmínky – kompatibilita polarity vzorku/rozpouštědla a sf – nutná refokusace



26

Dávkování vzorků - Refokusace Metoda "Retention Gap" Průběh dávkování A - retention gap = počáteční část kolony bez sf, teplota kolony (většinou nízká na začátku teplotního programu) B - dávkování kapalného vzorku C - rozdělení kapalného vzorku na části D - odpaření všech částí vzorku E - začátek akumulace na sf F - vzorek bodově zakoncentrován na sf

A

mf

B C D E F © R.P.W.Scott - Gas Chromatography



27

Dávkování vzorků - Refokusace Metoda "Solute Focusing" Průběh dávkování A - obě zóny chlazeny B - dávkování kapalného vzorku do zóny 1 C - rozdělení kapalného vzorku na části D - odpaření a odstranění těkavého rozpouštědla, složky vzorku rozprostřeny v zóně 1 E - začátek ohřevu zóny 1, odpaření složek vzorku, akumulace na sf chlazené zóny 2, vzorek zakoncentrován v úzkém pásy sf F - začátek ohřevu zóny 2 a migrace složek vzorku, začátek analýzy ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha

Zóna 1

Zóna 2

A B C D E F © R.P.W.Scott - Gas Chromatography


28

Separační kolony

Seaparační kolona – srdce celého GC systému – místo průběhu separace – parametry separace • účinnost • selektivita • doba analýzy

– volba kolony • druh SF • rozměry

Špatná volba kolony zaručeně zkazí analýzu! ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


29

Náplňové kolony Náplňové Trubice plněné náplní tvořenou adsorbentem (GSC) nebo nosičem pokrytým kapalnou stacionární fází (GLC)

– Analytické (HETP ≈ 1 mm) • klasické – materiál: sklo, nerez, teflon, Al – délka: 30 cm - 5 m – průměr (ID - internal diameter): 2 - 4 mm

• mikronáplňové – materiál: sklo – délka: 50 cm - 4 m – ID: 1 mm

– Preparativní – délka: 2 - 6 m – ID: 8 - 100 mm



30

Kapilární kolony Kapilární (HETP ≈ 0,3 - 0,5 mm) Trubice pokryté na vnitřní stěně stacionární fází (SF) – – –

materiál: tavený křemen (fused silica) potažený ochrannou vrstvou polyimidu délka: 5 - 100 m ID: 0,53 mm (Megabore), 0,32 mm, 0,25 mm, 0,1 mm (Fast GC)

–

druh a způsob umístění SF • WCOT (Wall Coated Open Tubular) – kapalná polymerní SF zakotvená na vnitřní stěně kapiláry – tloušťka filmu SF (df): 0,001 - 5 µm

• SCOT (Support Coated Open Tubular) – částice nosiče pokryté kapalnou fází zachyceny na vnitřní stěně kapiláry – tloušťka SF: 1 - 5 µm

• PLOT (Porous Layer Open Tubular) – adsorbent (SF) zachycen na vnitřní stěně kapiláry ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


31

Náplňové kolony - Nosiče SF Vlastnosti nosiče SF – inertnost, chemická stabilita • úpravy pro zvýšení inertnosti – kyselé praní (acid wash - AW) – alkalické praní – silanizace povrchu dimethyldichlorsilanem (DMCS) nebo hexamethyldisiazanem (HMDS)

– mechanické vlastnosti • tvrdost: nesmí se drobit • malý specifický povrch: 0,5 - 20 m2/g (nesmí vykazovat adsorpční vlastnosti) • zrnitost: 0,1 - 0,2 mm, 60 - 200 Mesh • porozita: ID pórů 0,1 - 1,5 µm, specifický objem pórů 1 ml/g



32

Náplňové kolony - Nosiče SF

Materiál nosičů – křemelina (křemičitany a hlinitokřemičitany) • Chromosorb (AW, AW DMCS), Gas-Chrom, Chromaton, Inerton, Celite

– pálené cihly (podstatně tvrdší ne křemelina) • Chromosorb P, Diatoport P, Anakrom P, Chezasorb, Rysorb

– skleněné kuličky (silanizované) – teflonové kuličky (max. do 250°C) ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


33

Stacionární fáze - Adsorbenty Adsorbenty pro GSC relativně veliký specifický povrch (1 - 100 m2/g)

– molekulová síta na bázi aktivního uhlí (Carbosieve B) - permanentní plyny, voda, uhlovodíky

– grafitizovaný uhlík (graphitized carbon, Carbopack B a C) - karboxylové kyseliny, aminy, alkoholy

– – – –

silikagel (SiO2, Porasil, Spherosil) - permanentní plyny, COS, H S, CS , SO , thioly alumina (Al2O3) - nižší uhlovodíky molekulová síta (3A - permanentní plyny, CO , 4A - H S, SO , 5A - HCl, Cl ) polymery 2

2

• • • • • • •

2

2

2

2

2

polystyren (Chromosorb 103) - aminy, amidy, alkoholy, aldehydy, ketony styren-divinylbenzen (Chromosorb 102, Porapak P) - permanentní plyny, voda, alkoholy ethylvinyl-divinylbenzen (Porapak Q) - uhlovodíky, vodné roztoky org. látek, NO polyvinylpyrolidon (Porapak R) - voda, HCl, Cl , C -C alkany polyvinylpyridin (Porapak S) - alkoholy 2,6-difenyl-p-fenylenoxid (Tenax) - alkoholy, glykoly, ethanolamin ethylenglykol-dimethylakrylát (Porapak T) - formaldehyd, voda


x

2

1

6


34

Kapalné stacionární fáze

Požadavky na kapalné SF – dobrá ale rozdílná rozpustnost pro separované látky (rozdělovací konstanta, podobné se rozpouští v podobném)

– nízká těkavost (1-10 Pa za pracovních podmínek) – teplotní stálost (min do 200°C) • teplotní rozsah: dolní mez - teplota tání, horní mez - teplotní stabilita+těkavost+citlivost použitého detektoru)

– chemicky inertní (nesmí reagovat se separovanými látkami) – nízká viskozita při pracovní teplotě (nesmí téci) – dobrá smáčivost nosiče

Dosud popsáno více než 1000 druhů kaplaných SF ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


35

Stacionární fáze - kapacitní poměr

Kapacitní poměr β – poměr objemu MF a SF v koloně

β=

VMF VSF

=

KD

VMF - objem MF, VSF - objem SF, KD - distribuční konstanta, k - separační faktor

k

– s rostoucí tloušťkou filmu df klesá β a roste retence na koloně – pro kapilární kolony

β=

rc 2d f

rc - poloměr kolony, df - tloušťka filmu SF



36

Kapalné stacionární fáze - selektivita

Selektivita – schopnost SF rozdělit dvě látky – vyjádření selektivity tr′,1 K D ,1 Vr′,1 • separační faktor α12 α12 = = = tr′,2 K D ,2 Vr′,2 p20 γ 20 log α12 = log 0 + log 0 p1 γ1 • první člen udává relativní těkavost látek a závisí jen na teplotě • druhý člen vyjadřuje rozdíly interakcí látek se SF - selektivní interakce ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


37

Kapalné stacionární fáze - polarita

Polarita kapalných SF Lze ji výjádřit ve formě příspěvků jednotlivých mezimolekulárních sil k interakci molekula látky - molekula SF Látka Orientační Indukční Disperzní J/mol J/mol J/mol

Součet Dipólmoment PolarizoJ/mol 1030 C/m vatelnost 1024/cm

Ar

0,0

0,00

8500

8500

0,00

1,63

CO

0,4

8,36

8730

8738

0,40

1,99

HI

25

113

25800

25938

1,27

5,40

HBr

685

500

21900

23085

2,61

3,58

HCl

3300

1000

16800

21100

3,44

2,63

NH3

13300

1550

14700

29550

5,01

2,21

H 2O

36300

1920

9000

47220

6,15

1,48



38


Klasifikace SF dle polarity Rohrschneider a McReynolds – využití Squalanu jako referenční SF (100°C, 10% pokrytí nosiče) – McReynoldsovy indexy • ∆Itl = Itl - Isq , kde I - Kovatsův index

– sada testovacích látek • • • • •

log tr′ − log tn′ I = 100 + 100 n ′ ′ log tn +1 − log tn

benzen (∆I = X) - disperzní, indukované dipóly, π-π butanol (∆I = Y) - H-můstky, donor e-páru 2-pentanon (∆I = Z) - orientační, akceptor el.páru nitropropan (∆I = U) - donor el.páru, pyridin (∆I = S) - H+-akceptor

– polarita SF: P = X+Y+Z+U+S – příspěvky nosiče k P ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


39


Příklady komerčních SF Název SF

Pracovní teplota, °C

Apiezon L

McReynoldsovy indexy X

Y

Z

50-300

32

22

15

0-350

119

158

0-275

146

60-250

U

S

P

32

42

143

162

243

202

884

238

358

468

310 1520

322

536

368

572

510 2308

20-200

492

733

581

833

791 3430

0-275

629

872

763 1106

849 4219

směs vyšších uhlovodíků

OV-17 fenyl-methylsilikon

OV-210 kyanopropyl-methylsilikon

Carbowax 20M polyethylenglykol

DEGS diethylenglykolvínan

OV-275 dikyanoalkylsilikon



40

Příprava náplňových kolon

Plnění kolon náplní – – – –

použitím přetaku použitím vakua použitím ultrazvuku skleněná či křemenná vata slouží k zachycení – po malých dávkách náplně, ~ 0,5 ml – rovnoměrnost plnění • sklo - vizuální kontrola • ocel - kontrola v GC



41

Příprava kapilárních kolon

Předúprava kolon - příprava vnitřního povrchu – odmaštění • detergenty • organická rozpouštědla • vyhřátí na vysokou teplotu v proudu inetrního plynu

– zvýšení smáčivosti (zvýšení drsnosti povrchu) • kovové kolony - většinou není třeba • skleněné kolony – plynný HCl, HF nebo methyltrifluorchlorethyleter – vodný roztok HCl při zvýšené teplotě

• křemenné kolony – vodný roztok HCl při zvýšené teplotě ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


42

Příprava WCOT kolon - dynamická metoda

Dynamická metoda – roztok SF v těkavém rozpouštědle protlačován kolonou konstantní rychlostí 0,5 - 10 cm/s přetlakem inertního plynu za laboratorní teploty – objem roztoku SF je asi 10% objemu kolony – nelze kontrolovat homogenitu filmu SF – rychlá metoda – zjištění tloušťky filmu obtížné, empirický odhad

rc df = 2

u ηr

γr


df - tloušťka filmu SF, rc - poloměr kapiláry, u - střední rychlost toku, γr - viskozita roztoku SF, ηr - povrchové napětí roztoku SF


43

Příprava WCOT kolon - statická metoda

Statická metoda – celá kapilára naplněna zředěným roztokem SF v těkavém rozpouštědle – jeden konec kapiláry se uzavře a druhý se připojí k vakuu za laboratorní či zvýšené teploty – zdlouhavá metoda – dobře definovaná tloušťka filmu SF

rc c df = 200 ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha

df - tloušťka filmu SF, rc - poloměr kapiláry, c - koncentrace roztoku SF v %


44

Příprava PLOT kolon – obtížná příprava v laboratoři

Chemická příprava – leptáním vnitřního povrchu • skleněné kolony – plynný HCl, HF nebo methyltrifluorchlorethyleter – vodný roztok HCl při zvýšené teplotě

• křemenné kolony – vodný roztok HCl při zvýšené teplotě

Ze suspenze adsorbentu – zakotvení na vnitřní stěně kapiláry ze stabilní suspenze adsorbentu nebo nosiče SF • statický způsob • dynamický způsob



45

Chemicky vázané fáze

Chemicky vázané (imobilizované) SF – snížené těkání SF z kolony za vyšších teplot (bleeding) – zvýšení teplotního rozsahu kolony – vazby na povrchové silanolové skupiny skla či křemene • ~Si-O-C• ~Si-O-Si• ~Si-C-

– kolony lze proplachovat rozpouštědly při jejich čištění ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


46

Termostaty Termostaty plynového chromatografu – požadavky • • • • •

přesnost ±0,2°C izotermálně, ±0,5°C s programovanou teplotou minimální tepelná kapacita minimální tepelná vodivost vnitřních částí minimální tepelná vodivost izolací minimální odpor převodu tepla od zdroje

– druhy • udržující konstantní teplotu - kontaktní ohřev – nástřikový systém: laboratorní teplota - 350°C (400°C) – detektory: 110 - 350°C (400°C)

• s programovatelnou teplotou - teplovzdušné – kolonový systém: laboratorní teplota - 350°C (450°C) – rychlý a reprodukovatelný ohřev a chlazení - 0,5 - 20°C/min – lineární (exponenciální, logaritmický) nárůst teploty (temperature ramp)

• speciální – pro velmi rychlé ohřevy - 50 - 1000°C/min - PTV, flash-GC ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


47

Detektory

Úkoly – detegovat v nosném plynu složky opouštějící kolonu

Požadavky – rychlá odezva – velká citlivost – stabilita základní linie – velký lineární dynamický rozsah – nulová odezva na MF – zanedbatelný šum ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


48

Detektory - charakteristika Charakteristika měřícího zařízení

LOD, LOQ

Citlivost

Selektivita

Šum

RMR Linearita

Koeficient linearity


Lineární dynamický rozsah Plynová chromatografie

Chyba linearity

49

Detektory - Klasifikace

Hlediska klasifikace – Časová závislost odezvy ve frontální a eluční chromatografii • integrální detektor(b, e) • diferenciální detektor(c,f)

Vstupní koncentrační profil

Integrální detektor

Diferenciální detektor

©J.Novák: Quantitative Analysis by Gas Chromatography, M. Dekker Inc., NY, 1988



50


Hlediska klasifikace – Typ odezvy • koncentrační detektor (Flow sensitive, a) • hmotnostní detektor (Mass sensitive, b)

Snížení průtokové rychlosti

Snížení průtokové rychlosti

Zastavení průtoku MF


© N. Dyson:Chromatographic Integration Methods, RSC Chromatography Monographs, UK, 1996


51


Hlediska klasifikace – Destrukce analytu • destruktivní – analyty jsou chemicky změněny – lze je umístit jen na konec měřící sady detektorů

• nedestruktivní – analyty zůstávají nezměněny – lze je řadit libovolně za sebou



52

Detektory - Signál

Signál detektoru, S – změna hodnoty analytické vlastnosti látek, které do detektoru vstupují • k - konstrukční konstanta měřícího zařízení • aa - konstanta specifická pro analyt a

S = k ⋅ aa ⋅ c

– efektivní objem detektoru • prostor, ve kterém probíhá měření • nemusí být shodný s geometrickým objemem detektoru

– v efektivním prostoru detektoru se mohou nacházet i jiné látky vykazující stejnou analytickou vlastnost – celkový měřený signál S:

S = S S + SC + S I eluované látky SS , nosného plynu SC a přítomných nečistot SI – signál základní linie (základní proud - basic current, bc)

bc = S C + S I



53

Detektory - Odezva

Odezva detektoru, R

S = kc ⋅ aa ⋅ cm

– koncentrační detektor

• signál je lineární funkcí koncentrace analytu – cm- hmotnostní koncentrace (= m/V) je konstantní t2

t2

t1

t1

R = ∫ S ⋅ dt = kc ⋅ aa ⋅ cm ∫ dt = kc ⋅ aa ⋅ • průtoková rychlost F

F=

V ∆t

m V

⋅ ( t2 − t1 )

⇒ R=

kc ⋅ aa ⋅ m F

• odezva R je přímo úměrná hmotnosti analytu m a nepřímo úměrná průtokové rychlosti F

– nutnost analýzy za konstantního průtoku MF



54

Detektory - Odezva

Odezva detektoru, R S = km ⋅ aa ⋅

– hmotnostní detektor

• signál je lineární funkcí hmotnostního toku analytu

dm dt

– dm/dt - hmotnostní tok je konstantní t2

t2

t1

t1

R = ∫ S ⋅ dt = km ⋅ aa ∫

dm dt

dt = km ⋅ aa ⋅ m

e

• člen

A = ∫ S dt

je roven ploše píku A integrovaného

s

v mezích s-e (start-end) • odezva R je přímo úměrná hmotnosti analytu m a nezávislá na průtokové rychlosti F



55

Detektory - Odezva Specifická odezva, ki – odezva detektoru vztažená na jednotkovou hmotnost analytu

ki =

Ri mi

≈

Ai mi

– R ... odezva, A ... plocha píku, m ... hmotnost analytu ve vzorku


Molární odezva, MRi – odezva detektoru vztažená na jednotkové látkové množství analytu

MRi =

Ri ni

≈

Ai ni

– R ... odezva, A ... plocha píku, n ... látkové množství analytu ve vzorku


56

Detektory S = kc ,m ⋅ aa ⋅ c

– odpovídá směrnici závislosti odezvy na

S

0.01

1.66

0.02

1.67

0.05

2.01

0.1

2.45

0.5

6.51

1

11.41

12

S = a*c + b 10

y = 9.9189x + 1.5077 2

R = 0.9999

8

Signál (a.u.)

Citlivost

c

6 4 2

• koncentraci (koncentrační d.)

0 0

kc ⋅ aa =

S

0.6

0.8

1

14 12

Citlivost

+5% 10

-5%

8 6 4

S = a*c + b

2

Citlivost: a = (S - b) / c

0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

Koncentrace (mmol/l)


1.2

16

cm

S ⎛ dm ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ dt ⎠

0.4


• hmotnostním toku (hmotnostní d.)

km ⋅ aa =

0.2


57

1

Detektory

Linearita – koeficient linearity, l

S a = k a ⋅ aa ⋅ c

l a

• ka - konstrukční konstanta měřícího zařízení • aa - konstanta specifická pro analyt a

– směrnice funkční závislosti – určení l

log( S ) = f (log c)

• logaritmické souřadnice

log S a = log(ka ⋅ aa ) + l ⋅ log⋅ ca y = a⋅x+b – lineární měřící zařízení má l =1 ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


58

Detektory

Linearita 35

1 0,5

30 25 20 15

1000,00

Vliv linearity na signál

1,5

10


100,00

1

2000

Signál

Signál

2500


1 0,5 1,5

10,00

1500

Signál

40

1000

500

1,00 0,10 0,01

5 0,00

0

0 0

50

100

0

Koncentrace

50

100

Koncentrace

0

0

0,01 0,1

1

10

Koncentrace

– vliv linearity na signál



59

100 1000

Detektory Lineární dynamický rozsah (LDR) – rozsah koncentrace (množství) analytu v němž je koeficient linearity l konstantní v rámci zvolené chyby linearity – měřící zařízení může mít více LDR podle hodnoty chyby linearity – citlivost detektoru je v něm konstantní

Chyba linearity – předem dohodnutá hodnota odchylky koeficientu linearity, zpravidla do 5% – určuje lineární dynamický rozsah detektoru – s její rostoucí hodnotou roste LDR detektoru

l log (ka·aa) LDR log c ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha

14

Chyba liearity

12

+5%

Citlivost

Chyba linearity

© J.G.K.Ševčík: Plynová chromatografie a její aplikace v organické analýze

16

10

-5%

8 6 4

S = a*c + b

2

Citlivost: a = (S - b) / c

0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1



60

Detektory

Šum nechtěné výchylky signálu detektoru kolem základní linie – původ • chemický • elektronický

– vlastnosti • frekvence, fn • amplituda

– druhy • bílý – součet + a - výchylek je nulový v intervalu našeho měření

• náhodný – součet + a - výchylek není nulový

• drift – součet + a - výchylek vykazuje časovou závislost


– druhy • krátkodobý - fn > 1 Hz – srovnatelný s velmi úzkými píky

• dlouhodobý - fn = 1.67 - 16.7·10-3 Hz – srovnatelný s píky

Chyby způsobované šumem – záměna šumu za signál analytu – nesprávné určení začátku a konce píku – rozštěpení píku na dva zdánlivé píky

ŠUM ROZHODUJE O LIMITECH DETEKCE A STANOVITELNOSTI Plynová chromatografie

61

Detektory Poměr signálu a šumu (S/N) – určuje nejmenší pík, který je možno jdenoznačně odlišit od šumu – porovnání výšky píku a šumu v jeho blízkosti

Mez detekce (limit of detection, LOD) – určuje minimální výšku píku, která je odlišitelná od šumu pro S/N = 3 – pod tuto mez nelze jednoznačně rozhodnout, zda je analyt přítomen

Mez stanovitelnosti (limit of quantitation, LOQ) – určuje minimální výšku píku, jehož výšku či plochu lze změřit s dostatečnou přesností při S/N = 10 – pod tuto mez nelze určit množství analytu, pouze jeho přítomnost ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


63

Detektory Signál analytu 0

LOD

Analyt je detegován nelze ho stanovit 3 < S/N <10

Analyt není detegován S/N < 3

0

Sbc

LOQ

Sbc + 3σ

Analyt lze stanovit S/N > 10

Sbc + 10σ

Signál měřícího zařízení ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


64

Detektory Selektivita, Γ12 – vlastnost měřícího zařízení vyjadřující poměr citlivostí dvou analytů

k1 ⋅ a1 Γ12 = k2 ⋅ a2

kde k1a1 > k2a2 , index 2 - standard – je vždy závislá na volbě standardu –

Relativní molární odezva detektoru (RMR) MR1 a1 = – RMR12 = kde a je analytická vlastnost analyt MR2 a2 – poměr molárních odezev analytu (1) a standardu (2)



65

Detektory Zkreslení signálu detektoru – skoková změna koncentrace látky v detektoru vyvolá změnu signálu až po určité době – analogový signál zkreslen – objemem detektoru • zesilovačem signálu • • • systémem zpracování signálu

– každý z dějů zkreslujících signál charakterizován časovou konstantou – celková časová konstanta měřícího zařízení je kombinací časových konstant jednotlivých dějů – dílčí časové konstanty prakticky nezjistitelné – čas odezvy měřícího zařízení



66

Detektory Zkreslení signálu detektoru – časová konstanta detektoru τ • signál je exponenciální funkcí času • 3τ - doba dosažení 96% konečné hodnoty signálu

• reálné systémy se zřídka chovají takto exponenciálně ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


67

Detektory Čas odezvy měřícího zařízení – odpovídá času dosažení 90% konečné hodnoty signálu – složen z • zpoždění - čas dosažení 10% konečné hodnoty signálu • intervalu vzrůstu/poklesu - čas odpovídající nárůstu z 10% do 90% konečné hodnoty signálu • nárůst a pokles signálu bývají často nesymetrické (např. biosenzory)

© J.G.K.Ševčík: Plynová chromatografie a její aplikace v organické analýze



68

Detektory - TCD Tepelně vodivostní detektor (TCD, katarometr) Typ: nedestruktivní, koncentrační, neselektivní (univerzální)

Princip – odvod tepla od elektricky vyhřívaného odporového vlákna (Pt, W, Ni), termistoru nebo tranzistoru efluentem kolony • čistá MF - konstantní odvod tepelné energie - konstantní odpor čidla ve Wheastonově kompenzačním můstku - ten je vyvážen - nulová linie signálu • MF s analytem - mění se tepelná vodivost efluentu a současně i odvod tepelné energie - čidlo mění teplotu a odpor - rozvážení W. můstku - signál analytu

Ochlazení vlákna - hustota tepelného toku ψ – úměrná tepelné vodivosti prostředí λ [ J/m.s.K] a teplotnímu gradientu dT/dx [K/m]

Tepelná vodivost plynů λ – aditivní vlastnost

dT ψ =λ dx

λAB = λA ⋅ x A + λB ⋅ xB

• x ... látkový zlomek ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


69

Detektory - TCD MF – vhodné plyny s vysokou tepelnou vodivostí - H2 a He

Odezva – všechny látky mající rozdílnou tepelnou vodivost od nosného plynu

Citlivost TCD – roste s rozdílem teploty čidla a stěn detektoru – roste se žhavícím proudem čidla - ale roste i šum a klesá životnost čidla – vysoká citlivost pro plyny s nízkou molekulovou hmotností – oproti FID a ECD nízká – závisí velmi na tlaku a průtoku – okolo 1 µg/ml

Lineární dynamický rozsah – lineární dynamický rozsah asi 500 ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


70

Detektory - FID Plamenoionizační detektor (FID) Typ: destruktivní, hmotový, málo selektivní

Princip – měření vodivosti plamene - čistý plamen H2-vzduch obsahuje velmi málo iontů (107/cm3) - je nevodivý (zákl. proud asi 10 pA, šum asi 0,1 pA) – v přítomnosti stop uhlovodíků počet iontů a elektronů silně roste a tudíž i vodivost plamene vzrůstá

Mechanismus ionizace – tepelná energie hoření štěpí chemické vazby organických látek (velmi nízká ionizační účinnost - 0,002% ~ 2 ionty na 100 000 molekul) – vznikají radikály reagující v redukční části plamene s H2 za vzniku CH• – CH• v oxidační části plamene oxidují CH• + O = CHO+ + e– dále vznikají i neutrální částice CH• + O2 = CHO + O CH• + O2 = CO + OH – ionty také zanikají rekombinací CHO+ + OH- = CHO + OH CHO+ + H2O = CO + H3O+ H3O+ + e- = H2O + H – tyto reakce silně ovlivňují heteroatomy - halogeny, P, S, N

MF – N2, H2, He ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


71

Detektory - FID Odezva – závisí na počtu efektivních C atomů v molekule - poskytují CH• Atom

Typ vazby

Počet efekt. atomů C

C

jednoduchá v alifatických uhlovodících

1,0

C

násobná v aromatických uhlovodících

1,0

C

násobná v alkenech

0,95

C

násobná v alkinech

1,30

C

C=O

0,0

C

-C

0,3

O

C-O-C

-1,0

O

C-OH v primárních alkoholech

-0,6

O

C-OH v sekundárních alkoholech

-0,75

O

C-OH v terciárních alkoholech

-0,25

Cl

C-Cl v alifatických uhlovodících

-0,12

Cl

C-Cl v alkanech

0,05

≡N



72

Detektory - FID Odezva – RMR lze považovat za aditivní:

RMR = a ⋅ ∆RMRa + b ⋅ ∆RMRb + ....

a - počet funkčních skupin A, b - počet funkčních skupin B, ∆RMR - příspěvek funkční skupiny – nedávají látky neposkytující termickým CH•

štěpením radikál - H2O, CO2, CS2, permanentní plyny – heteroatomy většinou snižují

Citlivost – závislá na • konstrukci • průtocích H2, vzduchu a MF • ionizačním napětí (100 - 300 V)


Funkční skupina

Příspěvek RMR

-CH2-OH

55

-CO-CH3

100

-CH2-CO-

135

-CH=O

0

-CO-CO-

90

-CO-CH2-CO-

170

-O-CH2-

0

primární -OH

-45

sekundární -OH

-65


73

Detektory - FID Citlivost – závislá na • konstrukci • průtocích H2, vzduchu a MF • ionizačním napětí (100 - 300 V)

– řádově 10 pg/s

LDR – je jeden z největších známých – až 6 řádů • je zapotřebí několika zesilovačů



74

Detektory - AFID Termoionizační detektor (TID, AFID, NPD) Typ: destruktivní, hmotnostní, selektivní

Princip – měření vodivosti plamene - v blízkosti plamene H2-vzduch je umístěna elektroda z halogenidu alkalického kovu (CsBr) ∆ * – účinkem tepelné energie se halogenid rozpadá

CsBr ⎯⎯ → Cs + Br

Cs* → Cs + hν

– excitovaný atom alkalického kovu deaktivuje nebo ionizuje

Cs* → Cs + + e −

– v přítomnosti stop látek obsahujících heteroatomy (N, P, S, Cl) se tvoří v plameni radikály, které specificky reagují s ionty alkalického kovu - dochází ke změně proudu

MF – jako u FID

Odezva – silně závislá na • průtocích plynů • pozici halogenidové elektrody



75

Detektory - AFID Citlivost – asi 1 pg P/s, 10 pg N/s

Selektivita – P(110) > N(10) > S(5) ≥ Cl(5) > As(1) ≥ Bi(1)

LDR – 1000 (F a N) až 1 000 000 (Cl)

Linearita – od -1 do 1



76

Detektory - ECD Detektor elektronového záchytu (ECD) Typ: nedestruktivní, hmotový, selektivní

Princip – pokles ionizačního proudu detektoru při průchodu eluované látky detektorem – průtok čisté MF • mezi sběrnými elektrodami prochází ionizační proud (1 - 10 nA, šum asi 1 pA) β • je daný ionizací N2 β částicemi emitovanými N 2 ⎯⎯ → N 2+ + e1− –

63Ni

(poločas rozpadu 120 let, max. energie β-částic je 67 keV) – 3H ( poločas rozpadu 12,3 let, max. energie β-částic 18 keV)

N 2 + e1− → N 2+ + 2e2− N 2 + e2− → N 2+ + 2e3− N 2 + en− → N 2+ + 2et−

• proud generovaných elektronů (primárních - 1, sekundárních - 3, ..., termální - t) mezi elektrodami se měří v pravidelných intervalech pomocí napěťových pulsů (2 - 100 V) ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


77

Detektory - ECD Princip – průtok MF s analytem obsahujícím elektronegativní skupiny • záchyt pomalých (termálních elektronů) a tvorba podstatně těžších aniontů − −

et + AB → AB

• těžké anionty nepřispívají k měřenému proudu protože v krátké době napěťového pulzu nestačí doletět ke sběrné elektrodě (anodě)



78

Detektory - ECD MF – hlavně N2, ale i He a směs 10% CH4 v Ar

Odezva – závislá na délce, frekvenci a amplitudě napěťových pulsů

Citlivost – nejcitlivější detektor (mimo MS), 0,1 pg/s pro halogenované sloučeniny

LDR – v pulzním režimu od 10 000 do 100 000

Linearita – od 0,5 do 1



79

Detektory - PID Fotoionizační detektor (PID) Typ: nedestruktivní, hmotový, neselektivní

Princip – měření změn ionizačního proudu mezi elektrodami hν – ionizace fotony o energii od 10 do 20 eV A ⎯⎯ → A+ + e − – zdroj fotonů • doutnavý výboj plynu (Ar, He, H2) za nízkého tlaku (0,01 - 1 kPa) • proud fotonů optickým systémem veden do měřící cely se sběrnými elektrodami kudy prochází nosný plyn z kolony

– použité fotony nejsou schopny ionizace nosného plynu – vstupem eluované látky do detektoru dojde k její fotoionizaci – vzniklé nabité částice jsou zachytávány v elektrickém poli na sběrných elektrodách, čímž vzniká měřený proud



80

Detektory - PID MF – N2, He

Odezva – PID poskytuje negativní signál pro převážnou většinu organických látek.

Citlivost – necitlivý na malé změny průtokové rychlosti nosného plynu – základní proud detektoru velmi nízký ( pod 10 pA, šum pod 0,1 pA) – ionizovat lze pouze takové látky, které mají ionizační potenciál nižší než je energie fotonů (11,2 eV, většina organických látek) – běžné nečistoty nosného plynu (voda a kyslík) nevadí - jejich ionizační potenciál je vyšší než energie fotonů

LDR – kolem 4 řádů koncentrace – snižuje se s růstem koncentrace elektronegativních látek v důsledku rostoucího vlivu elektronového záchytu ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha


81

Detektory - HeD a ArD Heliový a argonový detektor (HeD, ArD) Typ: nedestruktivní, hmotový, neselektivní

Princip – měření změn ionizačního proudu – ionizace analytů metastabilními stavy He a Ar He + e1− → He* + e2− – atomy plynu převáděny do metastabilního stavu srážkami s částicemi β, elektrickým výbojem nebo fotochemicky – energie metastabilního stavu He je 20,6 eV, Ar 11,8 eV

Odezva – He* je schopno ionizovat prakticky He* + A → He + A+ + e − všechny látky, kromě Ne – Ar* dovoluje detekci pouze těch látek s ionizačním potenciálem pod 11,8 eV – ionizace primárními elektrony radioaktivního zdroje přispívá k ionizačnímu proudu − + −

A + e1 → A + 2 e2



82

Detektory - HeD a ArD MF – vysoce čisté He a Ar (99,9999%)

Citlivost – HeD velmi citlivý na přítomnost nečistot v nosném plynu – nejvyšší ze všech ionizačních detektorů, 0,1 pg/s – HeD je univerzální detektor – ArD není schopen detegovat jen málo organických látek

LDR a linearita – silně závislé na experimentálních podmínkách



83

Plynová chromatografie

Recommend Documents