Chromatografia Gazowa i Detektory Jonizacyjne: Szczegółowy Przegląd
- Szczegóły
Chromatografia gazowa (GC) jest techniką analityczną umożliwiającą rozdzielanie składników próbek na poszczególne związki chemiczne. Metoda ta jest szeroko stosowana do analizy składników mieszanin występujących w fazie gazowej lub mogących łatwo odparować.
Chromatografia, znana od 1903 roku, osiągnęła obecnie stopień rozwoju i możliwości, które powodują, że jest ona najbardziej rozpowszechnioną metodą analizy związków organicznych. Umożliwia ona rozdział złożonych jednorodnych mieszanin związków chemicznych organicznych i nieorganicznych - od gazów trwałych do polimerów. Wiązki te mogą być wykryte, zidentyfikowane i oznaczone ilościowo, a nawet wydzielone z mieszaniny w skali od laboratoryjnej do przemysłowej.
W chromatografii gazowej fazą ruchomą jest gaz. Jako fazę ruchomą często wykorzystuje się gaz obojętny, który pełniąc funkcję gazu nośnego, przesuwa próbkę przez kolumnę rozdziału. Rodzaj gazu nośnego ma mały, zwykle pomijalny wpływ na wynik rozdzielania chromatograficznego i jest głównie uzależniony od rodzaju użytego detektora. Jego czystość ma wpływ na pracę detektora i wypełnienie kolumn, które może ulegać dezaktywacji. Czas przejścia poszczególnych cząsteczek gazu w kolumnie jest zależny od ich biegunowości oraz prężności pary.
Po przejściu przez kolumnę detektor rejestruje czas wylotu, czyli tzw. czas retencji. Sygnały elektroniczne generowane przez detektor są zapisywane na chromatogramie, który przedstawia zależność stężenia składników od czasu, w formie pików. Czas retencji pików w stałych warunkach chromatograficznych jest parametrem charakterystycznym dla danego związku. Stanowi to podstawę do jakościowego określania składników zawartych w próbce (analiza jakościowa), co wymaga posiadania wzorca porównawczego dla przypuszczalnych komponentów.
Powierzchnia piku służy do ilościowego określenia stężenia danego składnika (analiza ilościowa). Wysokość i powierzchnia piku są proporcjonalne do ilości oznaczanego składnika.
Przeczytaj także: Filtr LPG: objawy zapchania
Elementy Chromatografu Gazowego
Podstawowe elementy chromatografu gazowego to:
- Injector (urządzenie dozujące)
- Kolumna
- Detektor
Injector jest elementem umożliwiającym wprowadzenie próbki w strumień gazu nośnego, który przenosi ją do kolumny. Sposób wprowadzenia próbki zależy od jej stanu skupienia. Wprowadzona do kolumny próbka musi mieć możliwie najmniejszą objętość. Próbki ciekłe dozuje się za pomocą specjalnych mikrostrzykawek. Próbka powinna odparować lub odsublimować w dozowniku w możliwie jak najkrótszym czasie. W tym celu temperatura dozownika jest zwykle około 20°C wyższa od temp. wrzenia najwyżej wrzącego składnika próbki.
Najważniejszą częścią składową chromatografu, jako że w niej następuje rozdział badanych substancji, jest kolumna. Wypełnienie kolumny ma decydujący wpływ na wynik analizy chromatograficznej. Najczęściej stosowane są kolumny kapilarne i pakowane. Najpopularniejszymi kolumnami są kolumny kapilarne. Charakteryzują się one dużą zdolnością rozdzielczą. Średnica ich wynosi 0,2-0,6 mm, a długość sięga kilkudziesięciu metrów. Mają one postać zwoju i wytwarzane są ze szkła lub topionego kwarcu. W celu zwiększenia wytrzymałości i trwałości mechanicznej kolumny kwarcowe pokrywa się z zewnątrz warstwą tworzywa sztucznego.
Substancje rozdzielone na kolumnie opuszczając ją są wykrywane kolejno za pomocą detektora. Zadaniem detektora jest przetworzenie stężenia substancji w fazie ruchomej w sygnały elektryczne. Powstający sygnał często wymaga dodatkowego wzmocnienia. Detektor chromatograficzny powinien charakteryzować się dużą czułością, niską granicą wykrywalności, dużą stabilnością, dużym zakresem liniowości wskazań oraz dobrą odtwarzalnością.
Detektory Stosowane w Chromatografii Gazowej
Detektor chromatograficzny 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 dokładnie określać procentowe udziały związków chemicznych w analizowanej próbce.
Przeczytaj także: Filtry powietrza do masek gazowych: przegląd
Rozróżnia się detektory uniwersalne (do wykrywania wszystkich substancji) i selektywne (do wykrywania tylko niektórych grup związków). Liczba typów detektorów znajdujących się dzisiaj w praktycznym użyciu wynosi przeszło 30.
Detektory Uniwersalne
- Detektor termokonduktometryczny (TCD) (katarometr) - w którym pomiar stężenia opiera się na zmianach przewodnictwa elektrycznego ze zmianą stężenia "obcego związku" chemicznego w gazie nośnym. Cechą charakterystyczną jest znaczna zmiana przewodności elektrycznej ze zmianą temperatury.
- Detektor płomieniowo-jonizacyjny (FID) - 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. W momencie, gdy do detektora dociera oznaczana substancja organiczna, ulega ona spaleniu, a powstające jony powodują wzrost natężenia prądu między elektrodami. FID jest jednym z najczulszych detektorów uniwersalnych. Jest detektorem uniwersalnym, przydatnym do wykrywania prawie każdego związku organicznego. Ma szczególnie duże znaczenie przy analizie węglowodorów i ich pochodnych. Jego duża czułość, stabilność oraz uniwersalność powoduje, że jest to najbardziej rozpowszechniony detektor. Do jego działania potrzebny jest wodór i powietrze. Stosunek natężenia przepływu tych gazów wpływa na jego czułość i specyficzność. Zasada pomiaru polega na zmianie przewodnictwa elektrycznego płomienia wodoru w polu elektrycznym po wprowadzeniu substancji organicznej.
- Detektor foto-jonizacyjny (PID) - to zamiennik detektora płomieniowo-jonizacyjnego. Źródłem energii potrzebnej do rozpadu analizowanych składników na jony jest lampa ultrafioletowa.
Detektory Selektywne
- 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. Jest detektorem radiojonizacyjnym, w którym jonizacja analizowanych chromatograficznie substancji następuje pod wpływem promieniowania jonizującego. Zasada działania tego detektora polega na zdolności wszystkich substancji (z wyjątkiem gazów szlachetnych) do przyłączania wolnych elektronów w fazie gazowej.
- Detektor masowy - jest specyficznym rodzajem spektrometru masowego. Najczęściej spotykanym jest połączenie ze spektrometrią masową - GC-MS. Na podstawie otrzymanego w wyniku rozdzielenia chromatograficznego i widma masowego można zidentyfikować poszczególne substancje. W spektrometrze masowym zachodzi jonizacja cząstek analizowanych substancji i ich rozpad na fragmenty charakterystyczne dla danej substancji. Wykrywalność i czułość spektrometru masowego jest porównywalna z odpowiednimi wielkościami dla detektora FID. W GC/MS stosowane mogą być jedynie kolumny kapilarne, ze względu na różnicę ciśnień.
Inne Detektory
- Uniwersalny detektor helowy z wyładowaniem przez barierę (BID) - Zapewnia do 2 razy niższy poziom wykrywalności względem FID i odpowiednio do 100 razy względem TCD. Umożliwia analizę wszystkich mikrośladowych substancji dzięki zastosowaniu technologii detekcji plazmowej.
Zastosowanie Chromatografii Gazowej
Chromatografy gazowe należą do najważniejszych urządzeń analitycznych wykorzystywanych zarówno w laboratoriach badawczych, jak i przemysłowych. Umożliwiają one przeprowadzanie analiz jakościowych oraz ilościowych, nawet w przypadku złożonych próbek.
Jako gazy nośne można stosować odpowiednio dobrane gazy obojętne o najwyższym stopniu czystości oraz mieszaniny, optymalnie dopasowane do odpowiedniej konfiguracji detektorów, takich jak GC-FID, GC-WLD, GC-ECD, GC-MS. Oprócz gazu nośnego, w zależności od typu detektora, mogą być wymagane dodatkowe gazy robocze, na przykład gazy do wytworzenia płomienia, gazy palne do spalania lub nawet gazy do procesu jonizacji lub metanizacji. Ponadto, detektory wymagają kalibracji. W tym celu niezbędne jest użycie odpowiednich gazów testowych i gazów kalibracyjnych.
Chromatografia, w celach analitycznych, jest stosowana w laboratoriach oraz bezpośrednio w instalacjach przemysłowych.
Przeczytaj także: Oddychanie płazów
tags: #chromatografia #gazowa #jonizacja #detektory
