Zastosowanie chromatografii w ochronie środowiska ćw 4.

Chromatografia gazowa GC-MS

Sprzężenie chromatografii gazowej ze spektrometria masową GC/MS

W klasycznej wersji spektrometrii gazowej związek doprowadza się do jonizacji i rozpadu na naładowane fragmenty, które przyspiesza się w polu elektrycznym, a uzyskany strumień jonów rozdziela się różnymi metodami wg stosunku ich masy do ładunku (m/z), po czym mierzy się natężenie prądu jonowego odpowiadające poszczególnym jonom.

Widmo masowe zawiera szereg pików obrazujących zależności natężenia prądu jonowego od stosunku m/z (masy jonu do jego ładunku).

Nomenklatura: jon molekularny- jon o masie równej masie badanego związku powstały przez oderwanie (lub znacznie rzadziej przyłączanie) elektronu przez cząsteczkę, składający się z izotopów pierwiastków najbardziej rozpowszechnionych w przyrodzie. Jon główny- jon o największej intensywności na widmie masowym jony fragmentacyjne- jony powstałe przez rozpad (dysocjacje) jonu molekularnego lub jonów izotopowych jony izotopowe- jony składające się z innych niż najbardziej rozpowszechnione izotopów pierwiastków (zazwyczaj maja mniejszą intensywność na widmie)jony pseudomolekularne- jony powstałe w wyniku przyłączania prostego fragmentu (najczęściej H+, Na+, Cl-) do badanej cząsteczki lub oderwanie jonu H+ od tej cząsteczki.

Budowa układu GC/MS Spektrometr masowy

…

Jonizacja elektronowa (EI)- jonizacja próbki strumieniem elektronów, emitowanym z włókna żarowego (filamentu)i maja znormalizowana energię (70 eV). Intensywność procesu jonizacji zależy od energii jaka posiadają uderzające w cząsteczkę elektrony. Im większą energie dostarczymy tym większa nastąpi fragmentacja jonizowanych związków. Dzięki stosowaniu standardowej energii 70eV intensywność procesu fragmentacji zależna jest jedynie od właściwości jonizowanego analitu, dzięki czemu możliwe jest porównywanie powstałych widm. Kolejnym powodem stosowania takiej energii jest fakt, że elektrony mające energię ok. 60-70eV wykazują najwyższą wydajność jonizacji (ok1%). Po wprowadzeniu analitu w strefę jonizacji nastepuje na skutek zderzenia wybicie elektronu z jednej z powłok elektronowych związku. A + e- → *A•+ + 2e- Pierwsza energia jonizacji związków organicznych wynosi 20-30eV, druga natomiast ok 140eV co pozwala na wybicie tylko jednego elektronu i powstanie kationorodnika „A●+”. Dodatkowo cząsteczce przekazywana jest część energii uderzającego elektronu skutkiem czego jest powstanie wzbudzonego układu o zwiększonej energii wewnętrznej „*A” . Układ ten jest bardzo nietrwały i nadmiar energii jest emitowany w postaci kwantu energii hʋ *A●+ → A•+ + hʋ (powstaje wówczas jon molekularny „A●+”) lub jest przyczyna rozpadu (fragmentacji) związku *A●+ → B+ + E● ; *A●+ → C●+ + F (powstają wówczas jony fragmentacyjne „B+” ; „C●+”). Fragmentacja związku może przebiegać z wydzieleniem cząsteczki obojętnej lub rodnika i może biec wieloetapowo aż do uzyskania energetycznie stabilnego produktu. Sposób emisji energii zależy od tego skąd wybity został elektron i w konsekwencji gdzie w cząsteczce została umiejscowione energia. Do spektrometru pomimo małej masy wprowadzane są olbrzymie ilości cząsteczek. Po jonizacji każda z nich może zostać zarejestrowana jako tylko jeden jon o konkretnym stosunku masy do ładunku (m/z) w zależności od drogi rozpadu jaka przeszedł. Widmo masowe jest statycznym zestawieniem charakterystycznym dla danego związku mówiącym o tym na jakie jony w danych warunkach rozpada się związek i jaki jest ich wzajemny stosunek ilościowy. Wygląd widma masowego ject charakterystyczny dla danego związku i zależy jedynie od energii jonizacji. Jonizacja elektronowa jest twarda technika jonizacji ze względu na duża ilość energii przekazywanej cząsteczce i w efekcie duża fragmentacje związku (duża ilość jonów na widmie, często brak jonu molekularnego. Ponieważ w metodzie tej stosuje się znormalizowana energie jonizacji otrzymane widma porównuje się z widmami wzorcowymi co jest podstawą analizy jakościowej w CG/MS.

Jonizacja chemiczna (CI) W metodzie jonizacji chemicznej do jonizacji wykorzystuje się tz. Jony pierwotne powstałe w wyniku bombardowania elektronami cząsteczek wprowadzonego do źródła jonów gazu reakcyjnego . Źródło jonów ma bardzo podobną budowę do źródła w jonizacji elektronowej EI z tym ze posiada dodatkowe wejście gazu reakcyjnego. Gazem reagującym jest najczęściej metan, izobutan lub amoniak. Reakcje tworzenia kationów w źródle jonów np. dla metanu wyglądają następująco: W pierwszym etapie jonizowany jest gaz reakcyjny analogicznie do jonizacji EI z wytworzeniem jonów pierwotnych ([CH4]+, [CH3]+, [CH2]+, [CH]+)

CH4 + e- → [CH4]•+ ( [CH3]+, [CH2]+, [CH]+) następnie powstałe jony pierwotne dalej reagują z obojętnym gazem tworząc jony wtórne ([CH5]+, C2H5]+) [CH4] •+ CH4 → [CH5]+ = CH3• [CH5]+ + CH4 → [C2H5]+ + 2H2 powstałe jony wtórne sa dopiero przyczyna właściwej jonizacji chemicznej przebiegającej w nastepujacy sposób [CH5]+ + M → [M-H]+ + CH4 [C2H5]+ + M → [M-H]+ + C2H4 W wyniku jonizacji chemicznej Tworza się jony pseudomolekularne ([M-H]+) nazwane tak gdyż ich masa jest popwiększona o masę przyłączonego protonu. Jest to metoda miękkiej jonizacji. Oznacza to że energia przekazywana jonizowanemu analitowi przez jony wtórne jest znacznie mniejsza niż w przypadku jonizacji elektronowej EI, skutkiem czego nastepuje znacznie mniejsza fragmentacjai powstanie praktycznie tylko jonu pseudomolekularnego. Metode tą wykorzystuje się przede wszystkim do ustalenie masy cząsteczkowej związku na podstawie masy jonu pseudomolelekularnego, nie mamy jednak w tej metodzie możliwości identyfikacji jakościowej.

Ujemna jonizacja chemiczna. W ujemnej jonizacji chemicznej (NCI) jony ujemne powstają głównie w procesie wychwytu elektronu. Do przeprowadzenia tej metody jonizacji również wymagany jest gaz reakcyjny (taki jak dla CI), tyle tylko, że spełnia on tu nieco inna rolę. Elektrony emitowane z włókna żarowego nieustannie zderzają się z gazem reakcyjnym z źródle jonów i tracą przy tym energię ( są spowalniane), dzięki czemu cząsteczka o właściwościach elektrofilowych (związki chlorowcopochodne) może taki elektron przyłączyć z wytworzeniem ujemnego jonu. Generalnie jony ujemne tworzą się w procesie zwanym wychwytem elektronu, w którym elektrony mające energię 5eV lub mniejszą są wychwytywane przez analizowana cząsteczkę. Jeżeli elektrony posiadają wyższą energię niż 5 eV =, molekuła ulega fragmentacji i proces taki nazywamy wychwytem dysocjacyjnym, dlatego tez ważne jest aby spowodować maksymalne spowolnienie elektronu. Wysokie ciśnienie gazu reakcyjnego zwiększa liczbę spowolnionych elektronów poprzez zwiększenie ilości kolizji a tym samym podnosi wydajność procesu jonizacji, ale mogą towarzyszyć temu efekty uboczne takie jak zwiększenie szumów, zanieczyszczenie źródła jonów, zmniejszenie próżni (większe zakłócenia na drodze jonów do detektora) oraz szybsze zużycie detektora. Obniżenie temperatury źródła jonów również sprzyja efektywności procesu, należy jednak uważać na możliwe zanieczyszczenia źródła przy zbyt niskiej temperaturze. NCI stosuje się głównie w analizach ilościowych związków chlorowcopochodnych, gdzie wymagana jest wysoka czułość. Im, cięższy chlorowiec (i oczywiście im większa jego ilość), tym bardziej selektywny i efektywny jest wychwyt elektronów, a co za tym idzie coraz czulsze staje się oznaczenie.

Analizatory

…

Analizator sektorowo magnetyczny duże rozmiary i wysokie koszty. Segregacja jonów wystepuje przez przepuszczenie ich przez pole magnetyczne . Zakrzywienie toru lotu naładowanej cząsteczki w polu magnetycznym zależy od stosunku m/z, natężenie pola magnetycznego (siły Lorenza), oraz od szybkości jonu (napięcia przyspieszającego). Możemy tak dobrać parametry selekcji, aby tor ruchu konkretnego jonu o danym stosunki m/z odpowiadał dokładnie znana krzywiźnie prowadzącej do detektora. Wszystkie pozostałe jony nie ulegną detekcji. W trakcie pracy zmienia się natężenie pola magnetycznego albo napięcie przyspieszające i tym samym analizuje cały zakres występujących jonów. Detektory tego rodzaju są aparatami wysokorozdzielczymi, które umożliwiają oddzielenie jonów różniących się masą nawet do piątego miejsca po przecinku, dzięki czemu możemy rozróżnić cząstki jak CO czy N2. (masa nominalna = 28g,/mol)

Analizator kwadrupolowy wiązka jonów przechodzi pomiędzy czterema elektrodami w kształcie równoległych prętów. Elektrody połączone w pary do których przykłada się zmienne napięcie. Kwadropul charakteryzuje się małym rozmiarem, dużą szybkością przemiatania widma i niską rozdzielczością.

Metody zbierania danych w układach GC/MS Dwie główne techniki zbierania danych: SCAN i SIM. W metodzie SCAN zbiera się cały zakres jonów występujący w analizowanych mieszaninach. Jeżeli np. w analizowanej mieszaninie występują anality o masie 300 to zakres zbieranych jonów należy ustawić powyżej tej masy czyli np. do m/z = 310. Wynikiem takiego procesu jest otrzymanie zarówno widma masowego jak i chromatogramu na podstawie których można dokonać identyfikacji jakościowej i ilościowej. W metodzie SIM analizuje się tylko kilka charakterystycznych jonów (najczęściej o największych intensywnościach), w wyniku czego brak jest całego widma masowego( na widmie znajduje się tylko kilka analizowanych pików. Z tego powodu nie jesteśmy w stanie zrobić analizy porównawczej a więc i i jakościowej. Zbieranie danych metoda SIM podnosi nam jednak bardzo czułość analiz, dzięki czemu możemy dokonać oznaczeń ilościowych na dużo niższym poziomie stężeń niż metoda SCAN.