Plynová chromatografie

Plynová chromatografie

Instrumentace

Základní přednáška

RNDr. Radomír Čabala, Dr.

Univerzita Karlova v Praze

Přírodovědecká fakulta Katedra analytické chemie

GC - Definice

Plynová chromatografie

– fyzikálně-chemická metoda separace směsi látek na základě jejich rozdělování mezi dvě fáze, z

nichž jedna je plynná a pohybuje se a druhá je pevná nebo kapalná a je nepohyblivá

– lze ji použít na separaci plynných látek nebo

látek, které lze definovaným způsobem převést

do plynného stavu

Blokové schéma plynového chromatografu

Zdroj nosného plynu

Regulace průtoku nosného plynu

Vyhodnocovací a řídící

zařízení Regulace

teploty

Detektor Kolona Dávkovač

Termostaty

Vzorek

tok nosného plynu signál

řídící signály

analytická dělič toku

Plynový chromatograf

1 2

3

1. GC PU 4500

klasický, s mechanickou regulací plynů

2. GC Shimadzu 2100

plně řízený PC s elektronickou regulací plynů

3. GC-MS Shimadzu QP5050

plně řízený PC s elektronickou regulací plynů

Nosný plyn

Mobilní fáze v GC - nosný plyn

Kritéria volby nosného plynu

– typ detektoru – inertnost

– čistota (min. 99,99% až 99,9999%) – hustota

– viskozita – bezpečnost

Používané plyny

– dusík – helium – vodík – argon

Nosný plyn - vlastnosti

Plyn Hustota

g.cm^-3

Viskozita

µPa.s

Tepená vodivost

J.m^-1.s^-1.K^-1

Vodík 0,0899 8,44 175,0

Helium 0,178 18,6 143,6

Dusík 1,250 16,58 23,86

Argon 1,784 21,2 16,75

Zdroj nosného plynu

Tlakové láhve (1) Redukční ventily (2)

– A. vstupní tlak: 5 - 220 atm – B. výstupní tlak: 0,5 - 10 atm

Rozvod plynů (3)

1 1

2

3 3

4

A B

Čistota nosného plynu

Běžně používané čistoty

– 99,99% (4N) až 99,9999% (6N)

– nedostatečně čisté plyny lze dočišťovat

Odstraňování stopových nečistot

– voda

• molekulová síta – kyslík

• v N₂: Cu za zvýšené teploty

• v H₂: na Pt katalyzátoru za laboratorní teploty – stopy organických látek

• aktivní uhlí

• katalytické spalování na CO₂ a jeho sorpce – zbytkové koncentrace

• řádově ppb v závislosti na znečištění

Čištění nosného plynu

Katalytický čistič (kyslík a voda) Indikační adsorbér

(kyslík a voda)

Systémy indikačních adsorbérů:

- vícestupňový (1)

- pro více druhů plynu (2)

1

2

Čištění nosného plynu

Systém adsorbérů pro GC Unicam 4500 v laboratoři 114A

Regulace a měření průtoku nosného plynu

Dávkovač (Injektor)

Dělič (Splitter)

Kolona

Detektor F_i - průtok injektorem F_spl - průtok děličem

F_opl - průtok oplachu septa F_c - průtok kolonou

F_d - průtok detektorem

F_mg - průtok pomocného plynu P_i

F_i

F_spl

F_c

F_d F_mg

Množství vzorku na koloně, m_c

= =

+ +

c c

c a a

c spl opl i

F F

m m m

F F F F

m - dávkované množství analytu

= + +

i c spl opl

F F F F

= +

P_i - tlak na vstupu P₀ - tlak na výstupu

F_opl

Regulace a měření průtoku nosného plynu

Konstantní tlak na vstupu

– Izotermální analýza

(teplota kolony konstantní)

• průtok plynu na výstupu kolony konstantní

– Analýza s teplotním programem

(nárůst teploty kolony s časem podle definovaného programu)

• s rostoucí teplotou klesá průtok (roste viskozita plynu)

Konstantní průtok kolonou

– Izotermální a teplotní program

• změny viskozity plynu kompenzovány regulátorem

průtoku

Redukční ventil - princip funkce

f - napětí pružiny

P₁, P₂ - vstupní a výstupní tlaky S1 - průřez jehlového ventilu

S2 - plocha membrány

f P +

⋅ S

= P S

+ ( P P S

−

)

Úkol: snížit tlak a udržovat konstantní výstupní tlak nezávisle na průtoku Princip

- tlak je regulován proměnným odporem toku tvořeným jehlou v kuželovém v sedle - jehla se pohybuje nahoru a dolu vlivem kombinace mechanického napětí pružiny a tlaku působícího na membránu

Regulátor průtoku - princip funkce

Diferenciální regulátor průtoku

(mass-flow controller) Elektronický regulátor průtoku

Úkol: udržovat konstantní průtok nezávisle na vstupním a výstupním tlaku Princip

- udržuje konstantní tlakový spád (P2-P3) na jehlovém ventilu (V)

- tlaky P2 a P3 jsou regulovány proměnným odporem toku tvořeným jehlou v kuželovém v sedle

- jehla se pohybuje nahoru a dolu vlivem kombinace mechanického napětí pružiny a tlaku působícího na membránu

- průtoková rychlost je nastavována ventilem V

- velikost jehly a kuželového sedla určuje rozsah průtokových rychlostí

Dávkování vzorků

Úkoly

– reprodukovatelně a rychle převést kapalný či tuhý vzorek do plynné fáze beze změny jeho relativního složení

– zavedení malého definovaného objemu plynné fáze vzorku do kolony

Podmínky

– nesmí se měnit tlakové a teplotní podmínky v systému

– dle teorie je pro dosažení maximální účinnosti je nutno dávkovat objem vzorku odpovídající objemu jednoho HETP

Dávkovaná množství vzorku

– náplňové kolony: až 100 µg v 1 - 10 µl rozpouštědla – kapilární kolony: max. 1 µg

Dávkování vzorků Plynné vzorky

– dávkovací smyčky a ventily – "headspace"

– "purge and trap"

Kapalné vzrorky a roztoky

– Náplňové kolony

• přímo do kolony (on-column) – Kapilární kolony

• s děličem toku (split/splitless)

• přímo do kolony (on-column)

• s programovanou teplotou (PTV)

• velkoobjemové (LVI)

• termodesorpce (TDI)

• pyrolýza

Dávkování vzorků - plynné vzorky

Dávkovací smyčky a ventily

– dvoupolohové šesticestné ventily s dávkovací smyčkou

1. Plnění smyčky 2. Dávkování vzorku Sample in Waste

mf

Column

Sample in Waste

mf

Column

Dávkování vzorků - Náplňové kolony

©R.P.W.Scott-GasChromatography

Náplňové kolony

– dávkované objemy: 1 - 10 µl – koncentrace: 5 - 10 % (v/v) Metoda - přímo do kolony (on-

column)

– celý dávkovaný objem vzorku stříkačkou zaveden přes septum přímo na začátek kolony nebo

"lineru"

"liner"

– skleněný a deaktivovaný

– zabraňuje styku vzorku s horkým kovovým povrchem a zabraňuje tak jeho rozkladu

– zadržuje netěkavé složky vzorku aby nekontaminovaly kolonu

Dávkování vzorků - Linery Liner

– skleněný, křemenný či kovový, deaktivovaný – s náplní (A) a bez náplně (B,C)

– umožňuje zplynění vzorku

– zabraňuje styku vzorku s horkým kovovým povrchem a zabraňuje tak jeho rozkladu

– zadržuje netěkavé složky vzorku aby nekontaminovaly kolonu

B C

A

Dávkování vzorků - Kapilární kolony - Split F

F

F

F

Kapilární kolony

– dávkované objemy: 0,1 - 2 µl – koncentrace: 5 - 10 % (v/v)

Dávkování s děličem toku (Split)

– celý dávkovaný objem vzorku stříkačkou zaveden přes

septum do lineru

– pouze část objemu vzorku je zavedena do kolony

– zbylá část objemu vzorku odchází děličem do atmosféry Dělící poměr

– udává jaká část vzorku je zavedena do kolony

– F_c/F_i

– rozsah: 1/500 - 1/10

Dávkovací parametry

– celkový průtok (10 - 300 ml/min) – průtok kolonou (0,1 - 2 ml/min) – objem lineru (100 µl - 1 ml)

Dávkování vzorků - Kapilární kolony - Split

Dávkování s děličem toku (Split)

Výhody

– pro relativně koncentrované vzorky – pro poměrně "špinavé" vzorky

– lze automatizovat

– velmi ostrá zóna vzorku na kokloně

Nevýhody

– může docházet k rozkladu vzorků

– diskriminační efekt (diskriminace vysokých M_r) – "backflash"

– nelze sledovat stopová množství

Dávkování vzorků - Kapilární kolony - Splitless

Dávkování bez děliče toku (Splitless)

– celý dávkovaný objem vzorku stříkačkou zaveden přes septum do lineru

– v momentě dávkování uzavřen dělič, celý tok mf jde do kolony F_i = F_c+F_opl

– velká část objemu vzorku je zavedena do kolony

– po definovaném čase je

otevřen dělič, F_i = F_c+F_spl+F_opl – zbytky vzorku odchází

děličem do atmosféry

Dávkovací parametry

– celkový průtok F_i (10 - 300 ml/min) – průtok kolonou F_c (0,1 - 2 ml/min) – objem lineru (100 µl - 1 ml)

– objem par vzorku/rozpouštědla po jeho odpaření nesmí překročit 50% objemu lineru (nebezpečí vzniku "backflash")

F

F

F

F

Dávkování vzorků - Splitless - Čas dávkování

Čas dávkování (Hold time)

– doba uzavření děliče, kdy páry vzorku vstupují na kolonu

– liner se chová jako logaritmický zřeďovač (koncentrace klesá exponenciálně s časem) – po jeho uplynutí se zbytky vzorku vypláchnou mf do atmosféry, pík rozpouštědla

nechvostuje

Teplota kolony

– musí být min. 20°C pod bodem varu použitého rozpouštědla

– vhodná jsou rozpouštědla s bv nad 60°C (chlazení termostatu kolony pod 40°C je dlouhé)

ID kolony (mm) Půtoková rychlost He (ml/min)

Přibližná doba dávkování

0,18 0,3 3 min

0,25 0,7 1,5 min

0,32 1,2 45 s

0,53 2,6 30 s

2 µl CH₂Cl₂, 68,94 kPa, 250°C

Dávkování vzorků - Splitless

Dávkování bez děliče toku (Splitless)

Výhody

– pro velmi zředěné vzorky, stopová analýza – pro poměrně čisté vzorky

– lze automatizovat

– použití stejného injektoru jako s děličem

Nevýhody

– může docházet k rozkladu vzorků vzhledem k delší době pobytu vzorku v lineru

– "backflash"

– potřeba refokusace zóny vzorku (bez něj jsou píky velmi rozmyté a silně chvostují)

– nutná optimalizace (čas, objem vzorku, refokusace)

Dávkování vzorků - Backflash

Známky výskytu backflash

– špatná reprodukovatelnost ploch píků – chvostující píky

– "ghost" píky

– nelineární závislost plochy píků na dávkovaném objemu vzorku – typické pro splitless a on-column dávkování

Objem par (µl) Dávkovaný

objem (µl) H₂O CS₂ CH₂Cl₂ Hexan Isooktan

0,5 710 212 200 98 78

1,0 1420 423 401 195 155

2,0 2840 346 802 390 310

5,0 7100 2120 2000 975 775

Dávkování vzorků - Kapilární kolony - On column

©R.P.W.Scott-GasChromatography

Dávkování přímo do kolony

– celý dávkovaný objem vzorku stříkačkou zaveden přes septum (a příp. i liner) do kolony

– relativně velký objem par rozpouštědla způsobí velké rozmytí píků

– rozmytou zónu vzorku nutno opět zakoncentrovat

("refocusing")

Podmínky

– kompatibilita polarity vzorku/rozpouštědla a sf – nutná refokusace

Dávkování vzorků - Refokusace

Metoda "Retention Gap"

Průběh dávkování

A - retention gap = počáteční část kolony bez sf, teplota kolony (většinou nízká na začátku teplotního programu)

B - dávkování kapalného vzorku C - rozdělení kapalného vzorku na

části

D - odpaření všech částí vzorku E - začátek akumulace na sf

F - vzorek bodově zakoncentrován na sf

© R.P.W.Scott - Gas Chromatography

A B C D E F

mf

Dávkování vzorků - Refokusace

Metoda "Solute Focusing"

Průběh dávkování A - obě zóny chlazeny

B - dávkování kapalného vzorku do zóny 1

C - rozdělení kapalného vzorku na části

D - odpaření a odstranění

těkavého rozpouštědla, složky vzorku rozprostřeny v zóně 1 E - začátek ohřevu zóny 1,

odpaření složek vzorku,

akumulace na sf chlazené zóny 2, vzorek zakoncentrován v úzkém pásy sf

F - začátek ohřevu zóny 2 a

migrace složek vzorku, začátek

analýzy © R.P.W.Scott - Gas Chromatography

A B C D E F

Zóna 1 Zóna 2

Separační kolony

Seaparační kolona

– srdce celého GC systému – místo průběhu separace – parametry separace

• účinnost

• selektivita

• doba analýzy

– volba kolony

• druh SF

• rozměry

Špatná volba kolony zaručeně zkazí analýzu!

Náplňové kolony Náplňové

Trubice plněné náplní tvořenou adsorbentem (GSC) nebo nosičem pokrytým kapalnou stacionární fází (GLC)

– Analytické (HETP ≈ 1 mm)

• klasické

– materiál: sklo, nerez, teflon, Al – délka: 30 cm - 5 m

– průměr (ID - internal diameter): 2 - 4 mm

• mikronáplňové – materiál: sklo

– délka: 50 cm - 4 m – ID: 1 mm

– Preparativní

– délka: 2 - 6 m – ID: 8 - 100 mm

Kapilární kolony Kapilární

Trubice pokryté na vnitřní stěně stacionární fází (SF)

– materiál: tavený křemen (fused silica) potažený ochrannou vrstvou polyimidu – délka: 5 - 100 m

– ID: 0,53 mm (Megabore), 0,32 mm, 0,25 mm, 0,1 mm (Fast GC)

– druh a způsob umístění SF

• WCOT (Wall Coated Open Tubular)

– kapalná polymerní SF zakotvená na vnitřní stěně kapiláry

– tloušťka filmu SF (d_f): 0,001 - 5 µm

• SCOT (Support Coated Open Tubular)

– částice nosiče pokryté kapalnou fází zachyceny na vnitřní stěně kapiláry – tloušťka SF: 1 - 5 µm

• PLOT (Porous Layer Open Tubular)

– adsorbent (SF) zachycen na vnitřní

Náplňové kolony - Nosiče SF Vlastnosti nosiče SF

– inertnost, chemická stabilita

• úpravy pro zvýšení inertnosti – kyselé praní (acid wash - AW) – alkalické praní

– silanizace povrchu dimethyldichlorsilanem (DMCS) nebo hexamethyldisiazanem (HMDS)

– mechanické vlastnosti

• tvrdost: nesmí se drobit

• malý specifický povrch: 0,5 - 20 m²/g (nesmí vykazovat adsorpční vlastnosti)

• zrnitost: 0,1 - 0,2 mm, 60 - 200 Mesh

• porozita: ID pórů 0,1 - 1,5 µm, specifický objem pórů 1 ml/g

Náplňové kolony - Nosiče SF

Materiál nosičů

– křemelina

• Chromosorb (AW, AW DMCS), Gas-Chrom, Chromaton, Inerton, Celite

– pálené cihly

• Chromosorb P, Diatoport P, Anakrom P, Chezasorb, Rysorb

– skleněné kuličky

– teflonové kuličky

Stacionární fáze - Adsorbenty

Adsorbenty pro GSC

relativně veliký specifický povrch (1 - 100 m²/g)

– molekulová síta na bázi aktivního uhlí (Carbosieve B)- permanentní plyny, voda, uhlovodíky

– grafitizovaný uhlík (graphitized carbon, Carbopack B a C) - karboxylové kyseliny, aminy, alkoholy

– silikagel (SiO₂, Porasil, Spherosil) - permanentní plyny, COS, H₂S, CS₂, SO₂, thioly

– alumina (Al₂O₃) - nižší uhlovodíky

– molekulová síta (3A - permanentní plyny, CO₂, 4A ^{- H}2S, SO₂, 5A ^{- HCl, Cl}2) – polymery

• polystyren (Chromosorb 103) - aminy, amidy, alkoholy, aldehydy, ketony

• styren-divinylbenzen (Chromosorb 102, Porapak P) - permanentní plyny, voda, alkoholy

• ethylvinyl-divinylbenzen (Porapak Q) - uhlovodíky, vodné roztoky org. látek, NO_x

• polyvinylpyrolidon (Porapak R) - voda, HCl, Cl₂, C₁-C₆alkany

• polyvinylpyridin (Porapak S) ^{- alkoholy}

• 2,6-difenyl-p-fenylenoxid (Tenax) - alkoholy, glykoly, ethanolamin

• ethylenglykol-dimethylakrylát (Porapak T) - formaldehyd, voda

Kapalné stacionární fáze

Požadavky na kapalné SF

– dobrá ale rozdílná rozpustnost pro separované látky

(rozdělovací konstanta, podobné se rozpouští v podobném)

– nízká těkavost

– teplotní stálost

• teplotní rozsah: dolní mez - teplota tání, horní mez - teplotní stabilita+těkavost+citlivost použitého detektoru)

– chemicky inertní

– nízká viskozita při pracovní teplotě

– dobrá smáčivost nosiče

Dosud popsáno více než 1000 druhů kaplaných SF

Stacionární fáze - kapacitní poměr

Kapacitní poměr β

– poměr objemu MF a SF v koloně

– s rostoucí tloušťkou filmu df klesá β a roste retence na koloně

– pro kapilární kolony k

K V

β V

SF MF

=

=

f c

d β r

= 2

V_MF - objem MF, V_SF - objem SF,

K_D - distribuční konstanta, k - separační faktor

r_c - poloměr kolony, d_f - tloušťka filmu SF

Kapalné stacionární fáze - selektivita

Selektivita

– schopnost SF rozdělit dvě látky – vyjádření selektivity

• separační faktor α

• první člen udává relativní těkavost látek a závisí jen na teplotě

• druhý člen vyjadřuje rozdíly interakcí látek se SF - selektivní interakce

,1 ,1 ,1

12

,2 ,2 ,2

r D r

r D r

t K V

t K V

α = ^′ = = ^′

′ ′

0 0

2 2

12 0 0

1 1

log log p log p

α γ

= + γ

Kapalné stacionární fáze - polarita

Polarita kapalných SF

Lze ji výjádřit ve formě příspěvků jednotlivých mezimolekulárních sil k interakci molekula látky - molekula SF

Látka Orientační J/mol

Indukční J/mol

Disperzní J/mol

Součet J/mol

Dipólmoment 10³⁰ C/m

Polarizo- vatelnost 10²⁴/cm

Ar 0,0 0,00 8500 8500 0,00 1,63

CO 0,4 8,36 8730 8738 0,40 1,99

HI 25 113 25800 25938 1,27 5,40

HBr 685 500 21900 23085 2,61 3,58

HCl 3300 1000 16800 21100 3,44 2,63

NH₃ 13300 1550 14700 29550 5,01 2,21

H₂O 36300 1920 9000 47220 6,15 1,48

Kapalné stacionární fáze - polarita

Klasifikace SF dle polarity

Rohrschneider a McReynolds

– využití Squalanu jako referenční SF

– McReynoldsovy indexy

• ∆I_tl = I_tl - I_sq , kde I - Kovatsův index

– sada testovacích látek

• benzen (∆I = X) - disperzní, indukované dipóly, π-π

• butanol (∆I = Y) - H-můstky, donor e-páru

• 2-pentanon (∆I = Z) - orientační, akceptor el.páru

• nitropropan (∆^{I = U)} - donor el.páru,

• pyridin (∆^{I = S) - H+-akceptor}

– polarita SF: P = X+Y+Z+U+S – příspěvky nosiče k P

1

log log

100 100

log log

r n

n n

t t

I n

t ₊ t

′ − ′

= +

′ − ′

Kapalné stacionární fáze - polarita

Příklady komerčních SF

McReynoldsovy indexy Název SF Pracovní teplota,

°C X Y Z U S P

Apiezon L

směs vyšších uhlovodíků

50-300 32 22 15 32 42 143

OV-17

fenyl-methylsilikon

0-350 119 158 162 243 202 884

OV-210

kyanopropyl-methylsilikon

0-275 146 238 358 468 310 1520

Carbowax 20M

polyethylenglykol

60-250 322 536 368 572 510 2308

DEGS

diethylenglykolvínan

20-200 492 733 581 833 791 3430

OV-275

dikyanoalkylsilikon

0-275 629 872 763 1106 849 4219

Příprava náplňových kolon

Plnění kolon náplní

– použitím přetaku – použitím vakua

– použitím ultrazvuku

– skleněná či křemenná vata slouží k zachycení

– po malých dávkách náplně, ~ 0,5 ml

– rovnoměrnost plnění

• sklo - vizuální kontrola

• ocel - kontrola v GC

Příprava kapilárních kolon

Předúprava kolon - příprava vnitřního povrchu

– odmaštění

• detergenty

• organická rozpouštědla

• vyhřátí na vysokou teplotu v proudu inetrního plynu

– zvýšení smáčivosti

• kovové kolony

• skleněné kolony

– plynný HCl, HF nebo methyltrifluorchlorethyleter – vodný roztok HCl při zvýšené teplotě

• křemenné kolony

– vodný roztok HCl při zvýšené teplotě

Příprava WCOT kolon - dynamická metoda

Dynamická metoda

– roztok SF v těkavém

rozpouštědle protlačován

kolonou konstantní rychlostí 0,5 - 10 cm/s přetlakem inertního plynu za laboratorní teploty

– objem roztoku SF je asi 10% objemu kolony – nelze kontrolovat homogenitu filmu SF

– rychlá metoda

– zjištění tloušťky filmu obtížné, empirický odhad

2

c r

f

r

r u

d η

= γ

u - střední rychlost toku, γ_r - viskozita roztoku SF, η_r - povrchové napětí roztoku SF

Příprava WCOT kolon - statická metoda

Statická metoda

– celá kapilára naplněna zředěným roztokem SF v těkavém rozpouštědle

– jeden konec kapiláry se uzavře a druhý se připojí k vakuu za laboratorní či zvýšené teploty

– zdlouhavá metoda

– dobře definovaná tloušťka filmu SF

200

c f

d = r c

Příprava PLOT kolon

– obtížná příprava v laboratoři

Chemická příprava

– leptáním vnitřního povrchu

• skleněné kolony

– plynný HCl, HF nebo methyltrifluorchlorethyleter – vodný roztok HCl při zvýšené teplotě

• křemenné kolony

– vodný roztok HCl při zvýšené teplotě

Ze suspenze adsorbentu

– zakotvení na vnitřní stěně kapiláry ze stabilní suspenze adsorbentu nebo nosiče SF

• statický způsob

• dynamický způsob

Chemicky vázané fáze

Chemicky vázané (imobilizované) SF

– snížené těkání SF z kolony za vyšších teplot (bleeding)

– zvýšení teplotního rozsahu kolony

– vazby na povrchové silanolové skupiny skla či křemene

• ~Si-O-C-

• ~Si-O-Si-

• ~Si-C-

– kolony lze proplachovat rozpouštědly při jejich

čištění

Termostaty

Termostaty plynového chromatografu

– požadavky

• přesnost ±0,2°C izotermálně, ±0,5°C s programovanou teplotou

• minimální tepelná kapacita

• minimální tepelná vodivost vnitřních částí

• minimální tepelná vodivost izolací

• minimální odpor převodu tepla od zdroje – druhy

• udržující konstantní teplotu - kontaktní ohřev

– nástřikový systém: laboratorní teplota - 350°C (400°C) – detektory: 110 - 350°C (400°C)

• s programovatelnou teplotou - teplovzdušné

– kolonový systém: laboratorní teplota - 350°C (450°C)

– rychlý a reprodukovatelný ohřev a chlazení - 0,5 - 20°C/min

– lineární (exponenciální, logaritmický) nárůst teploty (temperature ramp)

• speciální

Detektory

Úkoly

– detegovat v nosném plynu složky opouštějící kolonu

Požadavky

– rychlá odezva – velká citlivost

– stabilita základní linie

– velký lineární dynamický rozsah – nulová odezva na MF

– zanedbatelný šum

Detektory - charakteristika

Charakteristika měřícího zařízení

Citlivost Selektivita RMR Linearita

Koeficient linearity

Lineární dynamický

rozsah

Chyba linearity LOD, LOQ

Šum

Detektory - Klasifikace

Hlediska klasifikace

– Časová závislost odezvy ve frontální a eluční chromatografii

• integrální detektor(b, e)

• diferenciální detektor(c,f)

Vstupní koncentrační

profil Integrální detektor Diferenciální detektor

©J.Novák: Quantitative Analysis by Gas Chromatography, M. Dekker Inc., NY, 1988

Detektory - Klasifikace

Hlediska klasifikace

– Typ odezvy

• koncentrační detektor (Flow sensitive, a)

• hmotnostní detektor (Mass sensitive, b)

Snížení průtokové rychlosti Snížení průtokové rychlosti

©N. Dyson:Chromatographic Integration Methods, RSC Chromatography Monographs, UK, 1996

Zastavení průtoku MF

Detektory - Klasifikace

Hlediska klasifikace

– Destrukce analytu

• destruktivní

– analyty jsou chemicky změněny

– lze je umístit jen na konec měřící sady detektorů

• nedestruktivní

– analyty zůstávají nezměněny – lze je řadit libovolně za sebou

Detektory - Signál

Signál detektoru, S

– změna hodnoty analytické vlastnosti látek, které do detektoru vstupují

• k - konstrukční konstanta měřícího zařízení

• a_a- konstanta specifická pro analyt a

– efektivní objem detektoru

• prostor, ve kterém probíhá měření

• nemusí být shodný s geometrickým objemem detektoru

– v efektivním prostoru detektoru se mohou nacházet i jiné látky vykazující stejnou analytickou vlastnost

– celkový měřený signál S:

eluované látky S_S , nosného plynu S_C a přítomných nečistot S_I

– signál základní linie (základní proud - basic current, bc)

I C

S

S S

S

S = + +

+

=

S k a c = ⋅ ⋅

Detektory - Odezva

Odezva detektoru, R

– koncentrační detektor

• signál je lineární funkcí koncentrace analytu

– c_m- hmotnostní koncentrace (= m/V) je konstantní

• průtoková rychlost F

• odezva R je přímo úměrná hmotnosti analytu m a nepřímo úměrná průtokové rychlosti F

– nutnost analýzy za konstantního průtoku MF

( )

2 2

2 1

1 1

t t

c a m c a

t t

R S dt k a c dt k a m t t

= ∫ ⋅ = ⋅ ⋅ ∫ = ⋅ ⋅ ⋅ V −

c a m

S k a c = ⋅ ⋅

c a

k a m

F V R

t F

= ⇒ = ⋅ ⋅

∆

Detektory - Odezva

Odezva detektoru, R

– hmotnostní detektor

• signál je lineární funkcí hmotnostního toku analytu – dm/dt - hmotnostní tok je konstantní

• člen je roven ploše píku A integrovaného v mezích s-e (start-end)

• odezva R je přímo úměrná hmotnosti analytu m a nezávislá na průtokové rychlosti F

2 2

1 1

t t

m a m a

t t

R S dt k a dm dt k a m

= ∫ ⋅ = ⋅ ∫ dt = ⋅ ⋅

m a

S k a dm

= ⋅ ⋅ dt

∫

=

s

dt

S

A

Detektory - Odezva Specifická odezva, k

– odezva detektoru

vztažená na jednotkovou hmotnost analytu

– R ... odezva, A ... plocha píku, m ... hmotnost

analytu ve vzorku

Molární odezva, MR

– odezva detektoru

vztažená na jednotkové látkové množství analytu

– R ... odezva, A ... plocha píku, n ... látkové

množství analytu ve vzorku

i i

i

i i

R A

k = m ≈ m

i i

R A

MR = n ≈ n

Detektory

Citlivost

– odpovídá směrnici závislosti odezvy na

• koncentraci (koncentrační d.)

• hmotnostním toku (hmotnostní d.)

c a

m

k a S

⋅ = c

m a

k a S

dm dt

⋅ =

⎛ ⎞

⎜ ⎟

⎝ ⎠

y = 9.9189x + 1.5077 R² = 0.9999

0 2 4 6 8 10 12

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Koncentrace (mmol/l)

Signál (a.u.)

S = a*c + b

c S

0.01 1.66

0.02 1.67

0.05 2.01

0.1 2.45 0.5 6.51

1 11.41

,

c m a

S k = ⋅ ⋅ a c

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Citlivost

S = a*c + b

Citlivost: a = (S - b) / c

+5%

-5%

Detektory

Linearita

– koeficient linearity, l

• k

- konstrukční konstanta měřícího zařízení

• a

- konstanta specifická pro analyt a

– směrnice funkční závislosti – určení l

• logaritmické souřadnice

– lineární měřící zařízení má l =1

l a a

a

a

k a c

S = ⋅ ⋅

log S

= log( k a

⋅

) + ⋅ l log ⋅ c

y a x b = ⋅ +

log( ) S = f (log ) c

Detektory

Linearita

– vliv linearity na signál

Vliv linearity na signál

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 50 100

Koncentrace

Signál

1 0,5

Vliv linearity na signál

0 500 1000 1500 2000 2500

0 50 100

Koncentrace

Signál

1 1,5

Vliv linearity na signál

0,00 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 1000,00

0 0 0,01 0,1 1 10 100 1000

Koncentrace

Signál

1 0,5 1,5

Detektory

Lineární dynamický rozsah (LDR)

– rozsah koncentrace (množství) analytu v němž je koeficient linearity l konstantní v rámci zvolené chyby linearity

– měřící zařízení může mít více LDR podle hodnoty chyby linearity – citlivost detektoru je v něm konstantní

Chyba linearity

– předem dohodnutá hodnota odchylky koeficientu linearity, zpravidla do 5%

– určuje lineární dynamický rozsah detektoru – s její rostoucí hodnotou roste LDR detektoru

0 2 4 6 8 10 12 14 16

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Koncentrace (mmol/l)

Citlivost

S = a*c + b

Citlivost: a = (S - b) / c

+5%

-5%

Chyba liearity Chyba

linearity

log (k_a·a_a)

LDR

log c

l

©J.G.K.Ševčík: Plynováchromatografie a jejíaplikace v organickéanalýze

Detektory

Šum

nechtěné výchylky signálu detektoru kolem základní linie

– původ

• chemický

• elektronický

– vlastnosti

• frekvence, f_n

• amplituda

– druhy

• bílý

– součet + a - výchylek je nulový v intervalu našeho měření

• náhodný

– součet + a - výchylek není nulový

• drift

– součet + a - výchylek vykazuje

– druhy

• krátkodobý - f_n > 1 Hz

– srovnatelný s velmi úzkými píky

• dlouhodobý - f_n = 1.67 - 16.7·10^-3Hz

– srovnatelný s píky

Chyby způsobované šumem

– záměna šumu za signál analytu – nesprávné určení začátku a konce

píku

– rozštěpení píku na dva zdánlivé píky

ŠUM ROZHODUJE O LIMITECH DETEKCE A

STANOVITELNOSTI

Detektory

Poměr signálu a šumu (S/N)

– určuje nejmenší pík, který je možno jdenoznačně odlišit od šumu

– porovnání výšky píku a šumu v jeho blízkosti

Mez detekce

(limit of detection, LOD)

– určuje minimální výšku píku, která je odlišitelná od šumu pro S/N = 3

– pod tuto mez nelze

jednoznačně rozhodnout, zda je analyt přítomen

Mez stanovitelnosti

(limit of quantitation, LOQ)

– určuje minimální výšku píku, jehož výšku či plochu lze změřit s dostatečnou

přesností při S/N = 10 – pod tuto mez nelze určit

množství analytu, pouze jeho přítomnost

Detektory Signál analytu

Signál měřícího zařízení

Analyt není detegován

S/N < 3

Analyt je

detegován nelze ho

stanovit 3 < S/N <10

Analyt lze stanovit S/N > 10

0 S_bc S_bc + 3σ S_bc + 10σ

0 LOD LOQ

Detektory

Selektivita, Γ

– vlastnost měřícího zařízení vyjadřující poměr citlivostí dvou analytů – kde k₁a₁ > k₂a₂ ,

index 2 - standard – je vždy závislá na volbě standardu

Relativní molární odezva detektoru (RMR)

– kde a je analytická vlastnost analyt – poměr molárních odezev analytu (1) a standardu (2)

1 1

12

2 2

k a k a Γ = ⋅

⋅

1 1

12

2 2

MR a

RMR = MR = a

Detektory Zkreslení signálu detektoru

– skoková změna koncentrace látky v detektoru vyvolá změnu signálu až po určité době

– analogový signál zkreslen – objemem detektoru

• zesilovačem signálu

•

•

• systémem zpracování signálu

– každý z dějů zkreslujících signál charakterizován časovou konstantou – celková časová konstanta měřícího zařízení je kombinací časových

konstant jednotlivých dějů

– dílčí časové konstanty prakticky nezjistitelné – čas odezvy měřícího zařízení

Detektory Zkreslení signálu detektoru

– časová konstanta detektoru τ

• signál je exponenciální funkcí času

• 3τ - doba dosažení 96% konečné hodnoty signálu

• reálné systémy se zřídka chovají takto exponenciálně

Detektory

Čas odezvy měřícího zařízení

– odpovídá času dosažení 90% konečné hodnoty signálu – složen z

• zpoždění - čas dosažení 10% konečné hodnoty signálu

• intervalu vzrůstu/poklesu - čas odpovídající nárůstu z 10% do 90% konečné hodnoty signálu

• nárůst a pokles signálu bývají často nesymetrické (např. biosenzory)

Detektory - TCD

Tepelně vodivostní detektor (TCD, katarometr)

Typ: nedestruktivní, koncentrační, neselektivní (univerzální)

Princip

– odvod tepla od elektricky vyhřívaného odporového vlákna (Pt, W, Ni), termistoru nebo tranzistoru efluentem kolony

• čistá MF - konstantní odvod tepelné energie - konstantní odpor čidla ve Wheastonově kompenzačním můstku - ten je vyvážen - nulová linie signálu

• MF s analytem - mění se tepelná vodivost efluentu a současně i odvod tepelné energie - čidlo mění teplotu a odpor - rozvážení W. můstku - signál analytu

Ochlazení vlákna - hustota tepelného toku ψ

– úměrná tepelné vodivosti prostředí λ [ J/m.s.K]

a teplotnímu gradientu dT/dx [K/m]

Tepelná vodivost plynů λ

– aditivní vlastnost

• x ... látkový zlomek

dT ψ λ = dx

AB A

x

x

λ = λ ⋅ + λ ⋅

Detektory - TCD

MF

– vhodné plyny s vysokou tepelnou vodivostí - H₂ a He

Odezva

– všechny látky mající rozdílnou tepelnou vodivost od nosného plynu

Citlivost TCD

– roste s rozdílem teploty čidla a stěn detektoru

– roste se žhavícím proudem čidla - ale roste i šum a klesá životnost čidla – vysoká citlivost pro plyny s nízkou

molekulovou hmotností – oproti FID a ECD nízká

– závisí velmi na tlaku a průtoku – okolo 1 µg/ml

Lineární dynamický rozsah

Detektory - FID

Plamenoionizační detektor (FID)

Typ: destruktivní, hmotový, málo selektivní

Princip

– měření vodivosti plamene - čistý plamen H₂-vzduch obsahuje velmi málo iontů (10⁷/cm³) - je nevodivý (zákl. proud asi 10 pA, šum asi 0,1 pA)

– v přítomnosti stop uhlovodíků počet iontů a elektronů silně roste a tudíž i vodivost plamene vzrůstá

Mechanismus ionizace

– tepelná energie hoření štěpí chemické vazby organických látek (velmi nízká ionizační účinnost - 0,002% ~ 2 ionty na 100 000 molekul)

– vznikají radikály reagující v redukční části plamene s H₂ za vzniku CH^• – CH^• v oxidační části plamene oxidují CH^• + O = CHO⁺ + e^-

– dále vznikají i neutrální částice CH^• + O₂ = CHO + O CH^• + O₂ = CO + OH

– ionty také zanikají rekombinací CHO⁺ + OH^- = CHO + OH CHO⁺ + H₂O = CO + H₃O⁺ H₃O⁺ + e^- = H₂O + H

– tyto reakce silně ovlivňují heteroatomy - halogeny, P, S, N

MF

– N₂, H₂, He

Detektory - FID

Odezva

– závisí na počtu efektivních C atomů v molekule - poskytují CH^•

Atom Typ vazby Počet efekt. atomů C

C jednoduchá v alifatických uhlovodících 1,0

C násobná v aromatických uhlovodících 1,0

C násobná v alkenech 0,95

C násobná v alkinech 1,30

C C=O 0,0

C -C N 0,3

O C-O-C -1,0

O C-OH v primárních alkoholech -0,6

O C-OH v sekundárních alkoholech -0,75

O C-OH v terciárních alkoholech -0,25

Cl C-Cl v alifatických uhlovodících -0,12

Cl C-Cl v alkanech 0,05

≡

Detektory - FID

Odezva

– RMR lze považovat za aditivní:

a - počet funkčních skupin A, b - počet funkčních skupin B, ∆RMR - příspěvek funkční skupiny

– nedávají látky neposkytující termickým štěpením radikál CH^• - H₂O, CO₂, CS₂, permanentní plyny

– heteroatomy většinou snižují

Citlivost

– závislá na

• konstrukci

• průtocích H₂, vzduchu a MF

• ionizačním napětí (100 - 300 V)

a b

....

RMR a = ⋅ ∆ RMR + ⋅ ∆ b RMR +

Funkční skupina Příspěvek RMR

-CH₂-OH 55

-CO-CH₃ 100

-CH₂-CO- 135

-CH=O 0

-CO-CO- 90

-CO-CH₂-CO- 170

-O-CH₂- 0

primární -OH -45

sekundární -OH -65

Detektory - FID

Citlivost

– závislá na

• konstrukci

• průtocích H₂, vzduchu a MF

• ionizačním napětí (100 - 300 V) – řádově 10 pg/s

LDR

– je jeden z největších známých – až 6 řádů

• je zapotřebí několika zesilovačů

Detektory - AFID

Termoionizační detektor (TID, AFID, NPD)

Typ: destruktivní, hmotnostní, selektivní

Princip

– měření vodivosti plamene - v blízkosti plamene H₂-vzduch je umístěna elektroda z halogenidu alkalického kovu (CsBr)

– účinkem tepelné energie se halogenid rozpadá – excitovaný atom alkalického kovu

deaktivuje nebo ionizuje

– v přítomnosti stop látek obsahujících heteroatomy (N, P, S, Cl) se tvoří v plameni radikály, které specificky reagují s ionty alkalického kovu - dochází ke změně proudu

MF

– jako u FID

CsBr ⎯⎯

→ Cs

+ Br

*

*

Cs Cs h Cs Cs e

ν

+ −

→ +

→ +

Odezva

– silně závislá na

• průtocích plynů

• pozici halogenidové elektrody

Detektory - AFID

Citlivost

– asi 1 pg P/s, 10 pg N/s

Selektivita

– P(110) > N(10) > S(5) ≥ Cl(5) > As(1) ≥ Bi(1)

LDR

– 1000 (F a N) až 1 000 000 (Cl)

Linearita

– od -1 do 1

Detektory - ECD

Detektor elektronového záchytu (ECD)

Typ: nedestruktivní, hmotový, selektivní

Princip

– pokles ionizačního proudu detektoru při průchodu eluované látky detektorem

– průtok čisté MF

• mezi sběrnými elektrodami prochází ionizační proud (1 - 10 nA, šum asi 1 pA)

• je daný ionizací N₂ β částicemi emitovanými

– ⁶³Ni (poločas rozpadu 120 let, max. energie β-částic je 67 keV) – ³H ( poločas rozpadu 12,3 let,

max. energie β-částic 18 keV)

• proud generovaných elektronů (primárních - 1, sekundárních - 3, ..., termální - t) mezi elektrodami se měří v pravidelných intervalech pomocí napěťových pulsů (2 - 100 V)

2 2 1

2 1 2 2

2 2 2 3

2 2

2 2

n 2 t

N N e

N e N e

N e N e

N e N e

β + −

− + −

− + −

− + −

⎯⎯→ + + → + + → + + → +

Detektory - ECD

Princip

– průtok MF s analytem obsahujícím elektronegativní skupiny

• záchyt pomalých (termálních elektronů) a tvorba podstatně těžších aniontů

• těžké anionty nepřispívají k měřenému proudu protože v krátké době napěťového pulzu nestačí doletět ke sběrné

elektrodě (anodě)

e

+ AB → AB