Chromatografia gazowa

Z Wikipedii

chromatograf gazowy (HP 7600), własność CBMiM PAN. Przez otwarte drzwi od piecyka widać wentylator, odparowywacz i kolumnę kapilarną

Chromatografia gazowa to analityczna technika chromatograficzna, w której fazą nośną jest gaz (najczęściej hel, argon, coraz rzadziej wodór). Technika ta umożliwia procentowe ustalenie składu mieszanin związków chemicznych, w których występuje ich nawet kilkaset. Stosując klasyczną detekcję umożliwia przybliżoną identyfikację składników mieszaniny, pełną identyfikację z detektorem masowym.

Chromatografia gazowa jest najczęściej stosowaną metodą do szybkiej analizy złożonych mieszanin związków chemicznych oraz oceny czystości tych związków, zarówno w przemyśle jak i w rozmaitych laboratoriach. Chromatografię gazową stosuje się m.in. w:

• przemyśle petrochemicznym - np. do oceny składu chemicznego produkowanej benzyny;
• ochronie środowiska - do oceny stopnia zanieczyszczenia, gleby, powietrza i wody;
• kryminalistyce - np. do analizy źródła pochodzenia narkotyków na podstawie składu zawartych w nich zanieczyszczeń;
• kontroli antydopingowej - gdzie aparaty GC-MS (Gas chromatography - mass spectrometry) stanowią podstawową metodę wykrywania niedzwolonych substancji w krwi, pocie, moczu i ekstrakcie z włosów sportowców.

[edytuj] Zasada działania

Metoda ta jest oparta na rozdzielaniu mieszanin na długich i cienkich kolumnach z odpowiednim wypełnieniem stałym następnie detekcji stężenia kolejno wychodzących związków na wylocie kolumny. Mechanizm rozdziału oparty jest na występowaniu oddziaływań międzycząsteczkowych między związkami rozdzielanych mieszanin i wypełnieniem kolumn. Oddziaływania te hamują przepływ związków chemicznych przez kolumnę. Czym są one silniejsze, tym czas przejścia związku chemicznego przez kolumnę jest dłuższy. Czas przejścia danego związku chemicznego przez całą kolumnę jest nazywany czasem retencji. Przy odpowiednio długiej kolumnie, zawierającej odpowiednie wypełnienie, czasy retencji związków są na tyle różne, że wychodzą one z kolumny osobno, przy czym cała objętość związku wychodzi w stosunkowo krótkim czasie.

Czas retencji w danych warunkach (program temperaturowy kolumny, przepływ i rodzaj gazu nośnego, rodzaj i długość kolumny i określony aparat) jest wartością specyficzną dla eluującego związku chemicznego. Pozwala to na bardzo przybliżoną identyfikację składnika, poprzez porównanie ze znaną, czystą substancją. Identyfikację otrzymaną w ten sposób należy traktować bardzo ostrożnie, gdyż może się zdarzyć, że istnieje także inna substancja o takim samym czasie retencji. Pewniejszy wynik można uzyskać poddając analizowaną próbkę chromatografowaniu na kilku różnych kolumnach. Niemniej najpewniejszy wynik uzyska się stosując jako detektor: detektor masowy.

Próbka analizowanej mieszaniny jest wstrzykiwana do jednego z dwóch rodzajów dozownika. W pierwszym tzw. odparowywaczu, panuje na tyle wysoka temperatura, aby wszystkie jej składniki przeszły w stan gazowy. Często tego typu dozownik wyposażony jest w układ dzielący strumień wprowadzanej próbki (tylko drobna część próbki trafia na kolumnę), zwany z ang. split/splitless. Inny rodzaj dozownika (tzw. z ang. on-column) umożliwia zadozowanie próbki bezpośrednio na kolumnę, gdzie poszczególne składniki są odparowywane pod wpływem panującej w piecu temperatury. Następnie pary próbki są porywane przez gaz nośny i kierowane na kolumnę. Na końcu kolumny znajduje się detektor, który mierzy stężenie związków w gazie nośnym, które wychodzą z kolumny.

Składniki próbki analizowane metodą chromatografii gazowej muszą być lotne oraz nie ulegać rozpadowi w podwyższonej temperaturze. Najczęściej są to rozmaite mieszaniny gazów i roztwory zawierające lotne (zdolne do parowania) związki chemiczne. W szczególnym przypadku analizowane związki mogą być zawarte w trudno lotnej matrycy - patrz niżej (dozowanie head-space) Zaletą chromatografii gazowej jest możliwość użycia bardzo niewielkiej próbki analizowanej substancji (od nawet 0,01 µl do maksymalnie 100 µl).

[edytuj] Konstrukcja chromatografu gazowego

Chromatograf gazowy składa się ogólnie z następujących podstawowych elementów:

1. Układ nastrzykowy
2. Termostatowany piec
3. Kolumna chromatograficzna
4. Detektor
5. Rejestrator

[edytuj] Układ nastrzykowy

Tradycyjny układ nastrzykowy składa się zwykle z membrany, którą nakłuwa się specjalną strzykawką chromatograficzną oraz odparowywacza, w którym następuje odparowanie wszystkich składników analizowanej próbki. Odparowywacz to krótka (5-10 cm) rurka metalowa lub szklana otoczona spiralą grzejną, która umożliwia rozgrzanie rurki do ponad 200°C. W niektórych aparatach odparowywacz pracuje w stale tej samej temperaturze, zaś w innych istnieje możliwość szerokiego regulowania jego temperatury.

Nastrzyki wykonuje się ręcznie lub automatycznie. Ręczny nastrzyk można wykonać przy pomocy specjalnej strzykawki. Automatyczne nastrzyki wykonuje się przy pomocy autosamplera lub też autosamplera typu headspace.

Pierwszy typ autosamplera to sampler w którym wstawia się fiolki w odpowiednich miejscach a sprzęt automatycznie pobiera do strzykawki odpowiednią objętość analizowanej próbki. W przypadku autosamplera headspace do analizy pobierana jest próbka gazu znad powierzchni analizowanej substancji. W przypadku tego rodzaju autosamplera aparaty są często pozbawione odparowywacza, gdyż nastrzykiwana próbka jest już od razu w formie gazowej. Systemy do analizy fazy napowierzchniowej dzielą się na dwie grupy statyczne i dynamiczne. Z systemu autosamplera Headspace okreslona objętość gazu podawana jest przy pomocy gazu nośnego bezpośrednio na chromatograf gazowy poprzez linię transferową.

Najważniejszą częścią układu nastrzykowgo jest układ dozownika do którego trafia próbka po pobraniu jej przez autosampler lub strzykawkę. Wyróżniamy takie oto dozowniki: dozownik typu split i dozownik on-column. W dozowniku typu split próbka pobrana do nastrzyku jest dzielona poprzez dzielenie strumienia gazu trafiającego na kolumnę. Dozownik on-column to dozownik, w któym cała próbka trafia od razu na kolumnę. W przypadku kolumn kapilarnych stosuje się najczęściej dozowniki typu split.

[edytuj] Piec

Piecyk chromatografu z dozownikiem i kolumną kapilarną

Piec w chromatografie gazowym to szczelny, odizolowany od otoczenia i wysokowydajny grzejnik z bardzo dokładną kontrolą temperatury. Wewnątrz pieca umieszczona jest zwinięta w pętlę kolumna. Piece, aby zapewnić możliwość szybkiej zmiany temperatury w czasie, posiadają zwykle wymuszony obieg powietrza. W większości współczesnych chromatografów istnieje możliwość liniowej zmiany temperatury w czasie pomiaru, co pozwala na wykonywanie analiz w tzw. gradiencie, co zwykle ją przyspiesza. Czasami jednak analizy wykonuje się w tzw. izotermie czyli stałej, ściśle określonej temperaturze.

[edytuj] Kolumna

Kolumny chromatograficzne występują w trzech rodzajach:

• Tradycyjne kolumny z wypełnieniem stałym - są to kolumny o długości 1-5 m i średnicy wewnętrznej ok. 2-3 mm, wykonywane ze specjalnych stopów metali kolorowych. Wypełnia się je substancjami porowatymi takimi jak mika, pokruszona cegła, modyfikowana chemicznie ziemia okrzemkowa, rozmaite kserożele. Rozdział substancji analizowanych odbywa się w nich na granicy gaz-ciało stałe.
• Tradycyjne kolumny z wypełnieniem stało-ciekłym - są to kolumny o podobnej długości i średnicy jak kolumny do wypełnienia stałego. Wypełnia się je jednak specjalnymi porowatymi kserożelami (zwykle silikażelami lub ziemie okrzemkowe) tu zwanymi nośnikami fazy, które przed napełnieniem nasącza się roztworami polimerów lub innych nielotnych substancji ciekłych o wysokiej lepkości. Rozdział substancji analizowanych odbywa się w nich na granicy gaz-ciecz.
• Kolumny kapilarne - są to kolumny o długości nawet do 50-60 m i średnicy wewnętrznej rzędu 0,32 mm i mniej. Są one wykonywane z kwarcu i z wyglądu przypominają światłowody. Wypełnia się je roztworami polimerów lub innych nielotnych substancji ciekłych o wysokiej lepkości. Roztwory te po odparowaniu pozostawiają na ściankach kolumny cienki film polimeru, który w warunkach analizy jest bardzo lepką cieczą. Rozdział substancji analizowanych odbywa się w nich na granicy gaz-ciecz. Najczęściej stosowanymi polimerami w tego rodzaju kolumnach są modyfikowane chemicznie polisiloksany lub modyfikowane chemicznie polietylenoglikole o wysokiej masie cząsteczkowej.

[edytuj] Detektor

Detektor w chromatografie gazowym mierzy stężenie wypływających związków w eluencie. Idealny detektor powinien być wrażliwy tylko na samo stężenie niezależnie od struktury chemicznej analizowanego związku. W praktyce jednak detektory mają różną czułość na różne związki chemiczne, co wymaga ich kalibrowania i ustalania tzw. współczynników odpowiedzi dla każdego związku chemicznego osobno o ile chce się mierzyć dokładny skład procentowy związków chemicznych w analizowanej próbce.

Rodzaje detektorów

Detektory uniwersalne:

• Katarometr - w którym pomiar stężenia zasadza się na zmianach przewodnictwa elektrycznego wynikającego ze zmian przewodnictwa cieplnego atmosfery wokół termoelementu (chłodzenie rozgrzanego termoelementu) ze zmianą stężenia "obcego związku" chemicznego w gazie nośnym. Jego czułość zależy od stosowanego gazu nośnego, a dokładnie od różnicy w ciepłach właściwych gazu nośnego i składników próbki. Pozwala na detekcję zarówno związków organicznych, jak i nieorganicznych (np. woda, gazy takie jak tlen, azot, argon itp)
• Detektor płomieniowo-jonizacyjny - który jest specyficznym rodzajem spektrometru płomieniowo-jonizacyjnego

Jest to jeden z najczęściej stosowanych detektorów w chromatografii gazowej. Jego działanie polega na jonizacji (rozkład na jony) cząsteczek w płomieniu oraz rejestracji zmian potencjału. Podstawowym elementem tego detektora jest płomień (najczęściej wodorowo - powietrzny, wodorowo-tlenowy), płomień otacza elektroda zbiorcza. Podczas pracy, gdy przez detektor przepływa sam gaz nośny (ulegający jonizacji) ustala się stały, niewielki potencjał między płomieniem, a elektrodą. W momencie gdy do detektora dotrze oznaczana substancja, ulegnie ona w wysokiej temperaturze degradacji, w wyniku czego powstałe jony spowodują zmianę potencjału (wzrost). Zmiana ta zostanie zarejestrowana jako sygnał pomiarowy. Jeden z najczulszych detektorów uniwersalnych. Wykrywa praktycznie większość związków organicznych za wyjątkiem formaldehydu.

• Detektor masowy - który jest z kolei specyficznym rodzajem spektrometru masowego. Tego rodzaju detektor nie pozwala na dokładnie mierzenie stężeń związków w mieszaninie, ale za to umożliwia jednoznaczą identyfikację struktury chemicznej tych związków. Aparaty z detektorem masowym są często nazywane GC-MS (Gas chromatography - mass spectrometry).

Detektory specyficzne

• Detektor płomieniowo fotometryczny (FPD) - wykorzystujący zjawisko chemiluminescencji, zwykle stosowany do wykrywania śladów związków siarko-organicznych
• Detektor wychwytu elektronów (ECD)- którego działanie polega na gwałtownym spadku natężenia prądu płynącego w komorze jonizacyjnej po wprowadzeniu do niej substancji o dużym powinowactwie elektronowym. Stosowany do wykrywania śladowych ilości chlorowcopochodnych
• Detektor termojonowy (NPD - będący modyfikacją detektora płomieniowo-jonizacyjnego. Stosowany do wykrywania śladowych ilości związków organicznych zawierających azot lub fosfor.

[edytuj] Rejestrator

Niegdyś jako rejestratory stosowano analogowe urządzenia pisakowe, czasami zaopatrzone w integrator, które po prostu "rysowały" zmiany napięcia elektrycznego generowanego przez detektor. Wykresy te nazywa się tradycyjnie chromatogramami. Chromatogramy przyjmują zwykle kształt serii ostrych pików, których wysokość odpowiada chwilowemu stężeniu wychodzącego z kolumny związku chemicznego, a powierzchnię pola pod pikiem można przeliczyć na całkowite stężenie danego związku chemicznego w całej analizowanej próbce.

Współcześnie jako rejestratory stosuje się komputery PC (niekiedy zaopatrzone w odpowiednią kartę) oraz oprogramowanie umożliwiające zarówno sterowanie parametrami pracy całego aparatu jak i automatyczne gromadzenie oraz analizowanie chromatogramów. Oprogramowanie takie metodami numerycznymi, poprzez wyznaczenie pochodnej określa maksimum piku (czas retencji) oraz początek i koniec piku, następnie poprzez całkowanie w granicach początku i końca piku, wylicza powierzchnię pola. Najczęściej, komputer, karta i oprogramowanie są dostarczane przez producenta aparatu, choć możliwy jest też zakup oprogramowania i kart od niezależnych producentów.