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, coraz rzadziej wodór). Technika ta umożliwia procentowe ustalenie składu mieszanin związków chemicznych, w których występuje ich nawet kilkaset. Nie umożliwia natomiast bezpośredniej identyfikacji struktury chemicznej związków, za wyjątkiem aparatów 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 lub żelowym, a 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 jego retencją. Przy odpowiednio długiej i cienkiej kolumnie czasy retencji związków są na tyle różne, że wychodzą one z kolumny osobno, przy czym cała objętość związku wychodzi w stosunkowo krótkim czasie.

Próbka analizowanej mieszaniny jest wstrzykiwana do tzw. odparowywacza, gdzie panuje na tyle wysoka temperatura, aby wszystkie jej składniki przeszły w stan gazowy. Następnie próbka jest porywana przez gaz nośny i kierowana na kolumnę. Na końcu kolumny znajduje się detektor, który mierzy stężenie związków w gazie nośnym, które wychodzą z kolumny.

Próbki analizowane metodą chromatografii gazowej muszą być lotne oraz nie ulegać rozpadowi w podwyższonej temperaturze. Najczęściej są to rozmaite mieszaniny gazów i roztwory zawierająca lotne (zdolne do parowania) związki chemiczne. 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.

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, 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), 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 0,033 mm i mniej. Są one wykonywane ze specjalnych gatunków szkła 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 polisiloksany.

[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:

• Katarometr - w którym pomiar stężenia zasadza się na zmianach przewodnictwa elektrycznego ze zmianą stężenia "obcego związku" chemicznego w gazie nośnym.
• Detektor płomieniowo-jonizacyjny - który jest specyficznym rodzajem spektrometru płomieniowo-jonizacyjnego

Jest to jeden z najczęściej stosowanych detektorów w chromatografi gazowej. Jego działanie polega na jonizacji (rozkład na jony) częsteczek w płonieniu oraz rejestracjizmian potencjału. Podstawowym elementem tego detektora jest płomień (najczęściej wodorowo - powietrzny, wodorowo - tlenowy), płonień otacza elektroda zbiorcza. Podczas pracy, gdy przez detektor przepływa san gaz nośny (ulegający jonizacji) ustala się stały potencjał między płomieniem, a elektrodą. W momencie gdy do detektora dotrze oznaczana substancja, także zostanie zjonizowany w wyniku czego mierzony potencjał zmieni się (wzrośnie) co zostanie zarejestrowane jako sygnał pomiarowy.

• 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).
• Detektor płomieniowo fotometryczny - wykorzystujący zjawisko chemiluminescencji.
• Detektor wychwytu elektronów - którego działanie polega na gwałtownym spadku natężenia prądu płynącego w komorze jonizacyjnej po wproeadzeniu do niej substancji o dużym powinowactwie elektronowym.
• Detektor termojonowy - będący modyfikacją detektora płomieniowo-jonizacyjnego.

[edytuj] Rejestrator

Niegdyś jako rejestratory stosowano anologowe 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 stężeniu wychodzącego z kolumny związku chemicznego, a pole pod pikiem można przeliczyć na całowite stężenie danego związku chemicznego w całej analizowanej próbce.

Współcześnie jako rejestratory stosuje się komputery PC, zaopatrzone w odpowiednią kartę i oprogramowanie umożliwające zarówno sterowanie parametrami pracy całego aparatu jak i automatyczne gromadzenie oraz analizowanie chromatogramów. Najczęściej, komputer, karta i oprogramowanie są dostarczane przez producenta aparatu, choć możliwy jest też zakup oprogramowania i kart od niezależnych producentów.