GÁZKROMATOGRÁFIA 1952 James és Martin -gáz-folyadék kromatográfia; -Nobel díj a megoszlási kromatográfia kidolgozásáért. típus
állófázis
mozgófázis
mechanizmus
gáz-szilárd GSC
szilárd
gáz
adszorpció
gázfolyadék GLC
folyadék
gáz
megoszlás
A gázkromatográfiás készülék oszlop
detektor
gázpalack mintabemérő egység injektor betét és mintaadagoló
rekorder
A gázkromatográfia bomlás nélkül gázzá alakítható, illékony vegyületek elválasztására alkalmas
A gázkromatográfiás készülék
Vívőgázrendszer
Biztosítja a minta komponenseinek áthaladását az oszlopon Részei: Gázpalack (nyomáscsökkentő reduktor), N2, Ar (FID), H2, He Gáztisztító (aktív szenes, molekulaszűrős) Áramlásszabályozó - állandó áramlási sebesség kell, 1-100 cm3/perc hőmérséklet nő → gáz viszkozítása nő → nyomásprogramozás oszlop töltet „öregszik” → ellenállása nő
Gáztisztítók (víz, oxigén, szénhidrogének)
H (mm)
Vívőgázok
Lineáris áramlási sebesség (cm/s)
Mintaadagoló Feladata: gázból, vagy folyadékból gyorsan
és dugószerűen, kis mennyiségeket (1001000 μl gázoknál, 1-10 μl folyadékoknál) az oszlopra injektálni. Folyadékminta esetén biztosítani kell a gyors és teljes elgőzölögtetést → fűthető mintakamra (30-50 0C > oszlop T, 350 0C véghőmérséklet). Egyöntetű és bomlás nélküli elpárologtatás.
Gáz minták a, gázfecskendő b, gázbemérő hurok
minta be
minta be minta ki
minta ki
oszlop
vivőgáz
vivőgáz
Liner, insert – injektor betét
Injektálási technikák 1, Direkt az oszlopra – Flash injection Töltetes és wide bore (makrokapilláris) oszlopoknál Teljes minta mennyisége pillanatszerűen az oszlopra kerül.
2, Split injektálás – lefuvatás, megosztás
Kapilláris oszlopoknak kisebb a kapacitása (10 mg!). Split: Minta elgőzölőgtetése, vivőgázba adagolása, majd elágaztatása (pl. 1/100-1/1000 arányban → 0,01 μl és 0,001 μl injektálásának felel meg. Split ág végig nyitva, arány: 20-200.
Liner
Split arány
Septum purge
Elpárologtatás hőmérséklete > oldószer forráspontja Gyors minta transzfer → éles kromatográfiás csúcs
3, Split-splitless (Grob) injektálás Cél: nagyobb mintamennyiségek injektálása a kapilláris oszlopra, a hatékonyság csökkenésének minimalizálásával. Feltételek: Oldószer forráspontja legyen a legkisebb az elválasztandó anyagok között. Injektor T-je > a legnagyobb fp-ú anyag fp-jánál. Oszlop T-je az oldószer fp-jánál 10-20 fokkal – kondenzáció az oszlop elején, állófázis telítődése. Ezek teljesülésével csak egy kis része az oldószernek kerül be az oszlopra és így koncentrálódik a minta!
Kivitelezés: Split ág 0,5 - 1 percig zárva (= splitless idő, vagy purge time),utána indul a lefuvatás, miközben az oszloptermosztát felfűtési programja is elindul és fp-juknak megfelelően eluálódnak a komponensek.
http://ull.chemistry.uakron.edu/chemsep/animations/
Problémák
Split technika diszkriminál – split arány szerint
20-200
Forráspont diszkrimináció Splitless technika diszkriminál – splitless idő ( purge time) alapján
4, Programozható hőmérsékletű injektor (Programable Temperature Vaporization- PTV)
Olyan split/splitless injektor, melyben a hőmérséklet is programozható. Alacsony T-ről gyors felfűtés, mely hatására a komponensek fp-juknak megfelelő sorrendben párolognak el. Nagy mennyiségű minta injektálása lassan (100200 μl ). Oldószer lefuvatása az injektálás elején. Hő hatására bomló anyagok elválasztására is jó.
Kriogén hűtés
Liq. N2 -1500C Liq. CO2 – 500C Peltier hűtő hőcserélő: etil-alkohol+víz – szoba T-200C
Hőmérsékleti- és oldószer fókuszálás Spitless idő csúcskiszélesedést okoz. 1, „Hideg csapda” a magas forráspontú komponensekre Oszlop fejben negatív hőmérsékleti gradiens: (2500C→ 400C) → „befagyás” Optimális rekoncentrálás: 150 0C különbség a komponens forráspontja és az oszlop T-je között
2, Oldószer hatás Az alacsony forráspontú komponensek az oldószerrel együtt kondenzálódnak az oszlop elején (dT = min. 20 esetén). Az állófázis telítődik. Hőmérséklet emelés + vívőgáz a hátsó front kezd el párologni először. Fokuszáló hatás.
Oldószer hatása az injektálásra
http://www.chromacademy.com/gc_troubleshooting_separations_Essential_Guide.asp?tpm=1_2
Normál alkánok kromatogramja metanolban oldva, apoláris állófázison
Szeptum probléma
Kolonna
Fajtái: 2-6 mm belső d-s, töltetes. 0,1-0,5 mm belső d-s kapilláris. 1, Töltetes kolonna (1-5 m) Anyaga: üvegcső, vagy saválló acél. Hordozója: diatomaföld (nagy mechanikai szilárdság, nagy fajlagos felület, kémiailag inert anyag) Megosztófolyadék + alacsony forráspontú oldószer + szilárd hordozó (0,1-0,3 mm-es átlagos szemcseméret) → oldószer elpárologtatása Kapacitásuk nagy (pár μl injektálható).
2, Kapilláris kolonna
Hossza: 10-100 m, átmérője: 1, <0,15 mm mikrokapilláris 2, 0,15-0,50 mm standard kapilláris 3, > 0,50 makrokapilláris (wide bore) Hordozó nincs. Anyaga kvarc. Poliamid bevonattal. A megosztófolyadékot közvetlenül a cső belső falára viszik fel (d = 0,1-10 μm), nyomás alatt préselik át. Élettartama növelhető, ha a megosztófolyadékot valamilyen kémiai kötéssel (szilanizálással) rögzítik. Kapacitásuk kicsi (μl törtrésze).
Megosztó (nedvesítő) folyadék = állófázis Olyan makromolekuláris anyag, amely az elemzési T-n folyékony, de kellően hőstabil és gőztenziója is elhanyagolható. T max. 350 0C < oszlop „vérzés” (bleeding) Hasonlóság elve: Apoláris komponensekhez apoláris Poláris komponensekhez poláris
Töltetes és kapilláris kolonna
Előtét oszlopok (guard column, retention gap) Megosztó fázis nélküli kapilláris darab, mely adszorbeálja a minta szennyezőit. Retenciós idő függetlenítése az oszlop hosszától, szervízelés alatt.
Kapilláris vágási éle
Gáz-szilárd kromatográfia (GSC) állófázisai 1) Szilikagél 2) Aluminium-oxid 3) Aktív szén 4) Sztirol-divinil-benzol kopolimer CH3 Gáz-folyadék kromatográfia (GLC) Si O n * * 1) Polisziloxán vázuak (szilikonok) CH3 Apoláris és poláris csoportokkal szubsztituált változatai mind apoláris, mind poláris vegyületek elválasztására alkalmasak. Szubsztituensek: alkil-, aril-, nitril-, vinil csoportok, vagy ezek keveréke.
Fenilezett polisziloxán
C 6H 5
CH 3 *
Si O CH 3
n
Si
O
m*
C 6H 5
2, Polietilén-glikolok Carbowax. Poláris állóHO fázis. Polaritásuk a lánchossz növekedésével csökken. 3, Poliglikol-észterek Előbbiek észterezett változatai, észterek elválasztására.
H
H O
H
H
n
H
Kapilláris töltési technikák dinamikus
statikus
Termosztát
Az elválasztás hatékonyságát a megfelelő hőmérséklet program biztosítja. Célunk a minél jobb elválasztás (Rf > 1,5), minél gyorsabban. Komponensek növekvő forráspontjuk szerint eluálódnak. Fűtési tartomány: 0-400 0C Fűtési sebesség: 0,5-40 0C /perc
Hőmérséklet programozott elúció
Hőmérséklet programozás
a, kezdeti T b, T ugrás c, végső T T nő → gázok oldhatósága csökken
T nő → gázok viszkozítása nő → u csökken Ennek kompenzálására nyomásprogramozást kell alkalmazni a felfűtés során. Ez növeli a vivőgáz lineáris áramlási sebességét, és gyorsabb retenciós időket eredményez.
Módosított van Deemter egyenlet Eredeti: H = 2 λdp + 2γDm + 8 k df2 u u π2 (1+k)2 Ds Módosított: H = B + Cm u + Cs u u
Dm = a komponens diffúziós állandója a mozgófázisban u = az eluens lineáris áramlási sebessége df = a megosztófolyadék rétegvastagsága Ds = a komponens diffúziós állandója az állófázisban Cm ~ rc2/Dm
T hatása az elválasztásra
Oszlophossz hatása az elválasztásra
Az oszlopátmérő hatása az elválasztásra
A filmvastagság hatása
T
Column ID (mm)
Film Thickness (μm) 0.1
0.25
0.5
1.0
0.10
10ng
30-40ng
50-70ng
100-200ng
0.18
20-30ng
60-80ng
100-150ng
250-350ng
Phase ratio = 125/2/0.25 = 250 0.25
30-40ng
125-175ng
175-250ng
400-500ng
0.32
50-70ng
200-250ng
250-350ng
600-800ng
0.45
80-100ng
300-400ng
400-500ng
800-1000ng
0.53
100-120ng
400-500ng
500-700ng
1000-1500ng
Analízis idejének csökkentése a gyors elválasztás érdekében
Illékony minta Vékony állófázis (minőség!) Kis oszlop átmérő Rövidebb oszlop Hidrogén vívőgáz, nagy áramlási sebesség Meredek hőmérséklet gradiens
