Chromatografia gazowa

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 niedozwolonych substancji w krwi, pocie, moczu i ekstrakcie z włosów sportowców.

Zaletą chromatografii gazowej jest możliwość użycia bardzo niewielkiej próbki analizowanej substancji - od nawet 0,01 µl do maksymalnie 100 µl.

[edytuj] Zasada działania

Chromatografia gazowa, jak każda metoda chromatograficzna, opiera się na zjawisku występowania oddziaływań międzycząsteczkowych między związkami chemicznymi będącymi składnikami analizowanej mieszaniny i wypełnieniem kolumn. W przypadku chromatografii gazowej, analizowana mieszanina jest najpierw przeprowadzana w fazę gazową w odparowywaczu stanowiącym kluczowy element układu nastrzykowego. Gdy analizowana próbka jest gazem - możną ją podać na kolumnę z pominięciem odparowywacza. Następnie próbka jest porywana przez gaz nośny (zwykle hel lub wodór) i przechodzi przez długą kolumnę, gdzie następuje rozdział mieszaniny na poszczególne związki chemiczne. Na wyjściu znajduje się detektor, za pomocą którego wykrywa się i mierzy stężenie kolejnych składników mieszaniny w gazie nośnym. Czas przejścia danego związku chemicznego przez całą kolumnę jest nazywany czasem retencji. Na czas retencji bardzo silny wpływ mają warunki przeprowadzania analizy, takie jak temperatura oraz szybkość przepływu gazu nośnego, wymuszanego przez ciśnienie podawane na szczyt kolumny.

Czas retencji w danych warunkach jest wartością specyficzną dla każdego składnika analizowanej mieszaniny. 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 próbkę analizie na kilku różnych kolumnach. Najpewniejszy wynik uzyskuje się łącząc chromatografię gazową z innymi technikami analitycznymi, najczęściej ze spektrometrią mas.

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 związki chemiczne. W szczególnym przypadku analizowane związki mogą być zawarte w trudno lotnej matrycy, stosuje się wówczas technikę dozowania head-space.

[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.

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 autodozownika lub też autodozownika typu headspace.

Pierwszy typ autodozownika to urządzenie, w którym wstawia się fiolki z analizowanymi mieszaninami w odpowiednich miejscach na tzw. karuzeli lub taśmociągu a specjalny manipulator pobiera do strzykawki odpowiednią objętość analizowanej próbki i nastrzykuje ją do aparatu.

W przypadku autodozownika typu headspace do analizy pobierana jest próbka par znad powierzchni analizowanej substancji. Aby zachować powtarzalność wyników, próbkę termostatuje się w zamkniętej fiolce w ustalonej, określonej temperaturze przez ustalony, określony czas. W przypadku tego rodzaju dozownika 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 (głównie wykorzystywane w analizach ilościowych) i dynamiczne (przede wszystkim stosowane w badaniach kinetycznych). Z systemu dozownika typu headspace określona objętość gazu podawana jest przy pomocy gazu nośnego bezpośrednio na chromatograf gazowy poprzez linię transferową, bez konieczności stosowania strzykawek.

Dozowniki typu headspace wykorzystuje się np. w laboratoryjnych analizach etanolu we krwi^[1], analizie zawartości benzenu i toluenu w woskach węglowodorowych ^[2]

Najważniejszą częścią układu nastrzykowego jest miejsce, do którego trafia próbka po pobraniu jej przez autodozownik lub strzykawkę. Wyróżnia się następujące układy nastrzykowe:

• dozownik typu split - nastrzyknięta próba trafia do specjalnego rozdzielacza, w którym tylko ściśle ustalona część nastrzyku jest kierowana do odparowywacza, zaś reszta trafia do tzw. martwej pętli; system ten gwarantuje, że do kolumny dostaje się zawsze powtarzalna ilość próbki.
• dozownik on-column - cała próbka trafia od razu na kolumnę.

Uwagi. Aby uzyskać dobry rozdział mieszaniny, powinno się dozować jak najmniejsze ilości próbek.

Dozownik split umożliwia pomniejszenie ładunku poprzez ustawienie dużych stosunków podziału (przykładowo 50:1, 100:1, nawet 500:1, czyli zostaje odrzucone 50 części próbki, 100 części próbki czy też 500, jedna część próbki trafia na kolumnę)

Dozownik on-column stosuje się zwykle w przypadku gdy badana próbka jest niestabilna termicznie, przez co mogłaby ulec rozkładowi w temperaturze dozownika typu split. Aby pomniejszyć ilość zadozowanej próbki, bardzo mocno się ją rozcieńcza

Piecyk chromatografu z dozownikiem i kolumną kapilarną

Piec w chromatografie gazowym to 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.

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 ziemiami okrzemkowymi) 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 krzemionki topionej 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, 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.

Detektor w chromatografie gazowym mierzy stężenie wypływających związków w gazie nośnym. 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.

[edytuj] Rodzaje detektorów

Detektory uniwersalne

• Katarometr (TCD] - 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 (FID) - 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 foto-jonizacyjny [PID]. Stosunkowo rzadko stosowany zamiennik detektora płomieniowo-jonizacyjnego. Źródłem energii potrzebnej do rozpadu analizowanych składników na jony jest lampa ultrafioletowa.

Zalety względem detektora FID:

• eliminacja potencjalnie niebezpiecznego wodoru,
• możliwa detekcja formaldehydu,
• poprzez zastosowanie odpowiednich lamp o różnej energii wzbudzania detektor ten można wykorzystać zarówno jako detektor uniwersalny (lampa o wysokiej energii wzbudzania pozwala na wykrycie większości związków organicznych - podobnie jak klasyczny FID), jak i specyficzny (lampa o odpowiednio dobranej energii pozwala na wykrycie ograniczonej liczby związków)

Wady:

• trwałość lampy - konieczna okresowa wymiana lampy
• niższa czułość

• 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 jednoznaczną 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 pomiarze gwałtownego spadku natężenia prądu płynącego w komorze jonizacyjnej (której elementem jonizującym jest zwykle izotop niklu Ni63), 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.

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.

Przykładowy chromatogram

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.

Przypisy