GC
Gázkromatográfia A kromatográfia a többfokozatú, nagyhatékonyságú, dinamikus elválasztási módszerek gyűjtőneve: közös alapjuk az, hogy az elválasztandó komponensek egy állófázis és egy azon, meghatározott irányban átáramló mozgófázis (eluens) között megoszlanak. A komponensek – általában valamilyen szorpción alapuló – megkötődése az állófázison és visszajutása a mozgófázisba dinamikusan ismétlődik. A mozgófázisban a komponensek eltérő sebességgel haladnak, így egymástól elválnak. Az állófázis egy meghatározott pontján (általában a végén) egy érzékelő (detektor) jelzi a komponenseket, valamilyen fizikai vagy kémiai tulajdonságuk mérésével. A detektor által előállított jel kiértékelése teszi lehetővé az elválasztott komponensek azonosítását (minőségi analízis) és mennyiségük meghatározását (kvantitatív analízis). A kromatográfiás módszerek többféleképpen csoportosíthatók. A mozgófázis halmazállapota alapján beszélhetünk gázkromatográfiáról vagy folyadékkromatográfiáról, a megkötődés alapjául szolgáló fizikai-kémiai folyamat szerint adszorpciós (az állófázis szilárd anyag), abszorpciós vagy megoszlásos (az állófázis folyadék), illetve ion(csere) kromatográfiáról. Technikai kivitelezéstől függően beszélhetünk oszlop- vagy sík(vékonyréteg-, papír-) kromatográfiáról. A gázkromatográfia mozgófázis halmazállapota szerint gázkromatográfia, a megkötődés alapjául szolgáló fizikai-kémiai folyamat szerint lehet adszorpciós (töltetes kolonna-szilárd anyag) vagy abszorpciós (kapilláris kolonna-felületen kötött folyadék), technikai kivitelezéstől függően oszlop kromatográfia. A mintát, amely szobahőmérsékleten gyakran folyadék, hirtelen elpárologtatva juttatjuk a kolonnára, amelyet olyan hőmérsékleten tartunk, hogy a minta az analízis egész ideje alatt gáz- (gőz-) halmazállapotú legyen. A gázkromatográfia tehát bomlás nélkül gőzzé, ill. gázzá alakítható vegyületek elválasztására és analízisére szolgáló módszer. Teljesítőképessége mind az elválasztás, mind a gyorsaság szempontjából igen nagy. A gázkromatográfiás készülék felépítése a 169. ábrán látható.
A két rajz közül válassz egyet…
1
GC
Vivőgáz A vivőgázt (eluenst) rendszerint nagynyomású palackból vesszük, megválasztása elsősorban az alkalmazott detektortól függ. Ionizációs detektor használata esetén nitrogén vagy argon, hővezető képesség mérésén alapuló detektálásnál pedig hidrogén- vagy héliumgáz a megfelelő. A gáz nyomáscsökkentőn keresztül jut a készülékbe. Mintaadagolás A mintaadagolás kritikus pontja a kromatografálásnak. Nagyon fontos, hogy a minta bejuttatása az eluensbe pillanatszerű legyen. Gázkromatográfiánál további követelmény, hogy ha a minta folyadék, az a bejuttatás után közvetlenül gáz- (gőz-) halmazállapotba kerüljön. A mintaadagolás hegyes végű Hamilton-fecskendővel történik.
Kolonnák (kromatográfiás oszlopok) A kromatográf elválasztást végző része a kolonna. Az állófázis lehet adszorbens vagy megosztófolyadék. A megosztófolyadék szilárd hordozó felületén vagy nagyon vékony cső (kapilláris) belső felületén helyezkedik el. Napjainkban döntően megoszlásos gázkromatográfiás állófázisokat alkalmaznak. 2
GC
Szilárd adszorbensek lehetnek az aktív szén, aluminíum-oxid, szilikagél, molekulaszűrők (4A, 5A, 13X) vagy szerves polimerek (pl. Porapak). Általában nagy fajlagos felülettel rendelkeznek. A gázkromatográfiában rendelkezésre álló számos megosztófolyadék közül az elválasztandó komponensek kémiai tulajdonságának (elsősorban polaritásának) megfelelőt választjuk. Poláros mintakomponensek esetén poláros, pl. polietilén-glikolok, míg apoláros anyagok elválasztására apoláros megosztófolyadékot pl. polipropilén használunk. Adszorbenst vagy hordozót tartalmazó töltelékes kolonnának (mi ugy használtuk, hogy töltetes kolonnák) 2-6 mm belső átmérőjű, 1-5 m hosszúságú acél- vagy üvegcsövet használnak. A kolonna hordozó töltete megfelelő mechanikai szilárdságú, egyenletes szemcseméretű, nagy fajlagos felületű és kémiailag inert anyag. Az állófázist képező anyagot alacsony forráspontú oldószerben (pentán, diklór-metán, aceton) oldják, az oldatba belekeverik a szilárd hordozót és fokozatosan elpárologtatják az oldószert. Az oldott anyag vékony film formájában borítja be a hordozó felületét. Az így előkészített állófázissal töltjük meg a kolonnát. Kapilláris kolonnákban a megosztófolyadékot nagyon vékony cső belső falára viszik fel. A kapilláris kolonnák kb. 0,2-0,5 mm belső átmérőjű és 15-60 m hosszúságú acél- vagy üvegcsövek. A kiválasztott állófázist alacsony forráspontú oldószerben oldják és ezt az oldatot nyomás alatt átpréselik a kapillárison. A cső belső falán folyadékréteg tapad meg, amelyből az oldószert gáz átvezetésével elpárologtatják. A kapilláris kolonnák töltetet nem tartalmaznak, vivőgázzal szemben ellenállásuk kicsi és így hosszúságuk nagy lehet, elméleti tányérszámuk 50000-100000 vagy ennél is nagyobb. A nagy N érték miatt a kromatogam csúcsai extrém keskenyek, ezért elválasztóképességük kiváló, segítségükkel akár 100 mintakomponens egymás melletti analízise is elvégezhető. A töltelékes kolonnákhoz viszonyítva a kapilláris kolonnákban az állófázis mennyisége kicsi, ezért csak kevés (0,001 - 1 µl) minta befogadására képesek. A kicsiny mintamennyiségek kellően érzékeny detektálási mód alkalmazását követeli meg. Az elválasztás hatékonysága a kolonna hőmérsékletének változtatásával is befolyásolható. A kolonna hőmérsékletének meghatározott program szerinti megválasztásával elérhető, hogy sok komponensű mintáknál a nagy retenciós idejű alkotók kellően rövid idő alatt eluálhatók és megbízhatóan értékelhetők. Kicsiny illékonyságú anyagokat kémiai művelettel (ún. származékképzéssel) illékonyabb származékaikká való átalakítás után mérhetjük. Észterek képezhetők pl. a következő csoportok acilezésével -OH, - NH2, -CONH2, -SH, -SO2, -NH-R. Acilezőszerként savanhidrideket és savkloridokat használnak. Széleskörűen alkalmazzák a szililszármazékokat is, amelyeket általában alkil-klórszilánokkal (pl. trimetil-klórszilán) vagy más szililezőszerekkel (pl. hexametil-diszilazán) hoznak létre. A módszerrel pl. -OH, -SH, -NH2, -COOH, -CONH2 csoportokat tartalmazó vegyületek alakíthatók át gázkromatográfiásan analizálható származékokká. A származékképzésnek nemcsak az anyagok illékonnyá tételében, hanem szelektív és hatékony detektálhatóságukban is szerepe lehet. Detektorok A kolonnán elválasztott komponenseket a vivőgáz a detektorba juttatja, amely vivőgázbeli koncentrációjukkal arányos elektromos jelet ad. Ezt a jelet értelmezi és értékeli a jelfeldolgozó egység. A hővezetőképesség-mérő detektor érzékelője egy kicsiny térfogatú cellában elhelyezett elektromosan fűtött volfrámszál, amely körül áramlik a vivőgáz. A működés elve, hogy fűtött drótról a hőelvezetés sebessége – állandó eluens áramlási sebesség mellett – az azt körülvevő gáz molekulatömegével arányos. A gázok közül a hidrogén és a hélium hővezetőképessége a legnagyobb. Ennek megfelelően ezek egyike a vivőgáz. A detektorcellában lévő 3
GC
fűtött szál hőmérséklete és így elektromos ellenállása mindaddig nagyobb mint a tiszta vivőgázban mérté, amíg a cellában mintakomponens tartózkodik.
A lángionizációs detektor a gázkromatográfok standard, nagyon érzékeny, és sokoldalúan alkalmazható detektora. Tulajdonképpen egy hidrogén/levegő eleggyel táplált mikroégő, amely fölé elektródpárt helyeznek el. Erre a nem ionizálható eluens (nitrogén vagy argon) átütését még éppen el nem érő feszültséget kapcsolnak. A kolonnát elhagyó szerves komponensek a lángba jutva többlépéses reakcióban, oxigén közreműködésével ionizálódnak. Az elektródok között, a bejutó ionok hatására áram folyik, ami erősítés után mérhető. Az elektronbefogási detektor ß-sugárzó radioaktív forrást (pl. 63Ni) tartalmaz, amely a vivőgázt (általában argont) ionizálja és állandó elektromos áramot hoz létre a megfelelő feszültségre kapcsolt elektródok között. Nagy elektronegativitású elemet tartalmazó 4
GC
komponensek az elektromos térben a nagy mozgékonyságú és így az áramvezetésben döntő szerepet játszó elektronokat befogják és így jelentősen csökkentik az áramot. A detektorból jövő jeleket a számítógép feldolgozza, amiből mi egy detektorjel-idő függvényt kromatogramot kapunk. A kromatogram egyik legfontosabb jellemzője a retenciós (visszatartási) idő (tR), amely a minta mozgófázisba (eluensbe) történő bevitelének pillanatától (adagolásától) a komponens maximális koncentrációban való megjelenéséig eltelt idő. Ez az idő minden mintaalkotóra más és más. A tR tartalmazza azt az időt is, amit az eluens a mintaadagolóban, a kolonnaszemcsék közötti térben és a detektorban (a jel képzéséig) eltölt. Ezzel ún. holtidővel (tM) csökkentve a tR értékét a redukált (nettó) retenciós időt kapjuk: tR’=tR - tM. (A tM értékét például a gázkromatográfiában a kolonnán nem kötődő gáz áthaladásának idejével lehet meghatározni.) Kapacitásaránynak (kapacitási tényezőnek):
a mérendő komponens állófázisában (nS) és mozgófázisában (nM) lévő anyagmennyiségei.
5
GC
Megoszlási hányados:
Szelektivitási tényező:
Az elválasztás hatékonyságának jellemzése Elmélet tányérszám:
Felbontás:
R = 1,0 értékén a csúcsterületek átfedése kb. 2%. Ahhoz, hogy az átfedés ne legyen több 0,1 %-nál, R > 1,5 feltételnek kell teljesülnie. Az elválasztást a retenciós idők változtatásával tudjuk befolyásolni. A retenciós időket pedig elsősorban a megoszlási hányados határozza meg. A megoszlási hányadosra ható kísérleti tényezők a következők: 1. Hőmérséklet. A hőmérséklet növelésével csökken a megoszlási hányados és csökken a retenciós idő. A legalacsonyabb forráspontú anyag eluálódik először. 2. Az állófázis fizikai, kémiai tulajdonságai. Az állófázis cseréje a megoszlási hányados megváltozását okozhatja, ami a kromatográfiás elválasztások hatékonyságát javíthatja. 3. Az állófázis mennyiségétől Minőségi analízis 6
GC
1. A legegyszerűbb módszer a retenciós idők (pontosabban a redukált retenciós idők) összehasonlítása ismert vegyületek retenciós idejével. Az anyagok azonosításának ez a módja azonban nagyon munkaigényes, különösen, ha a minta összetevőiről nincs előzetes információnk, hiszen a retenciós idők több paramétertől (kolonnahosszúság, áramlási sebesség, hőmérséklet, stb.) függenek. Megbízhatóbb azonosítást nyerhetünk, ha az ismert anyagok retenciós (vagy relatív retenciós) idejével való összehasonlítást két, különböző állófázist tartalmazó kolonnán is elvégezzük. Különösen a gázkromatográfiában használható eredményesen a szintén relatív retenciós adatokon alapuló ún. homológ sorok módszere. Az a tapasztalat ugyanis, hogy szénhidrogén-származékok homológ sorában a retenciós idők a szénatomszámmal exponenciálisan növekednek. Ennek megfelelően a lg tR’ értékeit a szénatomszám függvényében ábrázolva, egy homológ soron belül egyenest nyerünk. Csak említés szintjén: 2. A minőségi azonosítás megbízhatóbb módja, ha akromatográf szelektív detektorhoz, tömegspektrométerhez, infravörös spektrométerhez, esetleg induktív csatolású plazmát (ICP) alkalmazó spektrométerhez csatlakozik közvetlenül (on line). Ezekkel a kombinált módszerekkel az átfedő kromatográfiás csúcsok is kellő biztonsággal analizálhatók. Mennyiségi értékelés A mennyiségi analízis alapja az, hogy a kromatográfiás csúcsok területe arányos a mintakomponensek mennyiségével, ill. koncentrációjával. Csak aki érti, és biztos a dolgában: A mennyiségi értékelésnél a mért csúcsterülethez (A) keressük az anyagmennyiséget (m). Ehhez viszont ismernünk kell az arányossági tényezőt (a), amit a műszeres analitikában érzékenységnek neveznek. A=a.m A detektorok érzékenysége komponensenként más és más lehet, és az minden anyag esetében külön-külön meghatározandó. Egy adott komponenstől származó jelet akkor fogadunk el értékelhetőnek, ha az a háttér szórásának (zajszint) háromszorosát meghaladja. Ez tekinthető az adott komponens kimutatási határának, ami a módszerrel mérhető legkisebb anyagmennyiség.
7
GC
A kromatográfiában is alkalmazzák a műszeres mérési módszereknél jól ismert kalibrációs (hitelesítési) eljárásokat (úgymint kalibrációs görbe felvétele, addíciós és belső standard módszer). Kalibrációs módszer: A standardból 1-5 tagú oldatsorozatot készítünk, azokat kromatografáljuk, és meghatározzuk az adott koncentrációkhoz tartozó csúcs alatti területeket (csúcsterületek meghatározására elektronikus integrátorok, illetve számítógépes programok szolgálnak). Az ismeretlen mintát azonos körülmények között kromatografáljuk, és az előbbi standardokból készített kalibrációs görbe segítségével ismeretlenünk koncentrációja meghatározható. Belső standard módszer: A vizsgálandó mintához egy olyan anyagot keverünk, amelyet a minta eredetileg nem tartalmaz, de a kromatografálás során jól elváló csúcsot ad. A kiértékelés során a belső standardra kapott jelet hasonlítjuk az ismeretlenhez. A gázkromatográfia alkalmazása A gázkromatográfiát számos különböző feladat megoldására alkalmazzák, a szénhidrogének és származékainak analízisétől kezdve kozmetikumok, élelmiszeraromaanyagok, gyógyszerek minősítésén át növényvédőszerek és maradékaiknak meghatározására és a környezetvédelmi analízisben. Előnye, egyszerűsége mellett hatékonysága, szelektivitása, kicsiny mintaigénye, sorozatelemzésre való alkalmassága, automatizál-hatósága, továbbá az, hogy az elválasztás során a minta nem roncsolódik, így kapcsolt mód-szerekkel (MS, IR) – igény szerint – az analízis tovább folytatható. Hátránya, hogy csak illékony mintákra használható, hőérzékeny anyagok az elválasztás során elbomolhatnak, eltérő kémiai tulajdonságú komponenseket tartalmazó minták analízisénél változtatni kell az állófázist és viszonylag drága a berendezés.
8
