Chromatografia gazowa
(GC)
Najpowszechniej stosowana metoda do szybkiej analizy
złożonych mieszanin związków chemicznych oraz oceny
czystości tych związków.
ChromatografiÄ™ gazowÄ… stosuje siÄ™ m.in. w:
-przemyśle petrochemicznym
-przemyśle gazowniczym,
-przemyśle spożywczym
- przemyśle tytoniowym
- przemyśle opakowaniowym
- przemyśle tworzyw sztucznych
- ochronie środowiska
- kryminalistyce, kontroli antydopingowej
Podstawy teoretyczne procesu
chromatograficznego w HPLC
- takie jak dotyczące HPLC (1 część wykładu)
" Zasada rozdziału chromatograficznego;
współczynnik podziału
" Podział i charakterystyka metod
chromatograficznych
" Podstawowe pojęcia i definicje;parametry retencji,
" Jakość rozdziału chromatograficznego: teoria
półek, teoria kinetyczna
Chromatografia gazowa
(GC)
GC obejmuje metody, w których fazą ruchomą jest gaz, a fazą
stacjonarną ciało stałe (adsorpcyjna GC) lub ciecz naniesiona na
nośnik (podziałowa GC).
FAZA RUCHOMA FAZA STACJONARNA RODZAJ GC
gaz ciecz (na nośniku) Podziałowa GC
gaz ciało stałe Adsorpcyjna GC
Na kolumnie chromatograficznej następuje rozdział
mieszaniny związków niesionej przez gaz nośny
" W jaki sposób następuje rozdział?
 Gaz-ciecz: podział składników pomiędzy
gazową fazę ruchomą a nielotną ciekłą fazę
stacjonarną naniesioną na ścianki wewnętrzne
kolumny lub stały nośnik
 Gaz-ciało stałe: adsorpcja składników na stałej
fazie stacjonarnej (adsorbencie)
" Jakie związki można oznaczać?
 Gazowe, ciekłe lub stałe o temperaturze wrzenia
lub sublimacji < 400oC (substancje, które w
warunkach chromatograficznych mają postać
gazów lub par)
Aparatura (GC)
Regulator
przepływu
gazu
Dozownik
Detektor
Kolumna
Rejestrator lub
integrator
Gaz nośny Termostat (piec)
(N2, He, Ar, H2)
Schemat blokowy chromatografu gazowego
Kolumny w GC
Wybór rodzaju kolumny ma decydujący wpływ
na wynik analizy chromatograficznej
Kolumny (GC)
" Kapilarne (o przekroju otwartym; ang. open tubular - OT):
 z naniesioną na ściankach
kapilary ciekłą, nielotną fazą
stacjonarną (1 źm) (ang. wall-
coated open tubular  WCOT),
 z naniesionym na ściankach
kapilary nośnikiem nasyconym
ciekłą fazą stacjonarną (ang.
support coated open tubular 
SCOT)
 z porowatÄ… warstwÄ… adsorbentu
na ściankach (ang. porous layer open
tubular  PLOT),
 0.1 - 0.5 mm ID; długość 10 -
100 m
" Pakowane (z wypełnieniem)
 adsorbenty lub nośniki stałe pokryte cienką
warstwą (1 źm) cieczy
 analityczne i mikropakowane 1 - 8 mm ID;
długość 1 - 10 m
 preparatywne 2,5 - 5 cm ID; długość 1  16 m
Przekrój poprzeczny kolumn kapilarnych
a) z naniesioną na ściankach kapilary ciekłą fazą stacjonarną
b) z naniesionym na ściankach nośnikiem nasyconym ciekłą
fazÄ… stacjonarnÄ…
c) z porowatą warstwą adsorbentu na ściankach
d) kolumny pakowane
Wypełnienia kolumn (GC)
Rodzaj chromatografii GC Wypełnienie kolumn
gaz - ciało stałe Adsorpcyjna GC - adsorbenty
gaz-ciecz na nośniku Podziałowa GC - ciekłe fazy stacjonarne
(naniesione na nośnik)
Adsorbenty (GC)
" Adsorbenty węglowe
- węgle aktywowane,
- sadze grafityzowane,
- węglowe sita molekularne,
- karbosile (adsorbenty krzemionkowo-węglowe).
" Żele krzemionkowe
" Sita molekularne (glinokrzemiany)
" Polimery porowate.
Nośniki ciekłych faz stacjonarnych
Przed umieszczeniem w kolumnie osadza się ciekłą fazę stacjonarną
na nośniku
gaz
ciecz
nośnik
Rys. Schemat układu gaz  ciecz na nośniku (ch. podziałowa)
Nośniki ciekłych faz stacjonarnych - właściwości
Ciekłe fazy stacjonarne w GC
" Zdolność rozpuszczania składników mieszaniny.
" Duża selektywność w stosunku do składników mieszaniny.
" Chemiczna obojętność względem nośnika i składników
mieszaniny.
" Stabilność termiczna.
" Mała lotność, mała lepkość.
Ciecze stosowane jako fazy stacjonarne można podzielić na:
polarne (np. glikol polietylenowy (Carbowax) - stosowane do rozdziału
związków polarnych,
średniopolarne (silikony (dimetylo-, fenylo-, cyjanoalkilosilikony)
- do rozdziału związków niepolarnych lub polarnych,
niepolarne (1-skwalen, spolimeryzowane węglowodory, olej parafinowy),
selektywne w stosunku do związków niepolarnych.
Rozdział na kolumnach kapilarnych z naniesioną na ściankach
cieklÄ… fazÄ… stacjonarnÄ… (polarnÄ… i niepolarnÄ…)
Rozdział mieszanin w GC
" Izotermiczny
" Z programowanÄ… temperaturÄ…
 Wzrost temperatury kolumny
" Skrócenie czasów retencji
" Poprawa kształtu pików
Detektory w GC
Cechy dobrego detektora
" Dobra czułość i wykrywalność
" Selektywność lub uniwersalność wskazań
 selektywność  możliwość rozróżnienia różnych substancji
" Szybka reakcja
" Liniowość wskazań- zakres stężeń, dla których
mierzony sygnał jest proporcjonalny
" Stabilność wskazań i niski poziom szumów linii
zerowej
" Niski koszt
Detektory GC
" Uniwersalne
 Katarometr/termokonduktometryczny (TCD) (ang. thermal
conductivity detector)
 PÅ‚omieniowo-jonizacyjny (FID) (ang. flame ionization detector)
 Spektrometr mas (MS) - (ang. mass spectrometer)
" Selektywne
 Wychwytu elektronów (ECD) (ang. electron capture detector)
 Detektor termojonowy (TID)/alkaliczny FID
(AFID)/NPD (ang. thermionic/alkali flame detector/nitrogen-phosphorus)
 PÅ‚omieniowo-fotometryczny (FPD) (ang. flame photometry
detector)
Rodzaj detektora Typowe próbki Zakres czułości
FID Węglowodory 10  100 pg
TCD Zastosowanie ogólne 5  100 ng
ZwiÄ…zki chlorowcopochodne,
ECD 0,05  1 pg
chlorowane rozpuszczalniki
ZwiÄ…zki azotowe i
NPD 0,1  10 pg
fosforoorganiczne
FPD
ZwiÄ…zki siarki 10  100 pg
(393 nm)
FPD
ZwiÄ…zki fosforu 1  10 pg
(526 nm)
" Katarometr (TCD)
Mierzy różnicę przewodnictwa cieplnego gazu nośnego
bez i z wykrywanymi substancjami
 zmieniony skład gazu nośnego powoduje zmianę temp
opornika. Pod wpływem zmiany temperatury nast.
zmiana oporności opornika = pomiar.
 czułość = 10-6 - 10-8 g/sec
Mostek Wheastone a detektora TCD
gaz
pr
O-regul.
samopis
gaz
pr
regul. prÄ…du
Strumień gazu Strumień gazu
z kolumny odniesienia
" Detektor płomieniowo-jonizacyjny (FID)
Wykorzystuje zmianę przewodnictwa elektr. atmosfery płomienia
przez gazy zawierajÄ…ce karbojony
 Eluowane z kolumny
zwiÄ…zki org.spalajÄ… siÄ™ w
płomieniu palnika
 Powstałe karbojony
wędrują do elektrody 
prÄ…d jonowy
 Wykrywa zwiÄ…zki
zawierajÄ…ce CH
 Nie jest czuły w stosunku
do związków
nieorganicznych i
organicznych, jak H2O,
Ar, He, H2 CO, CO2,
CS2, HCOOH, COCl2
 czułość H" 10-12 g/sec
" Detektor termojonowy (TID; NPD)
 zmodyfikowany FID
 jony halogenków metali alkalicznych (np. ze
sprasowanego RbCl) wprowadzone do
płomienia oddziałują z termojonami związków
rozdzielonych na kolumnie; wzrasta prÄ…d 
jonizacja wzrasta w obecności związków
zawierajÄ…cych N lub P
 wykrywa zwiÄ…zki zawierajÄ…ce N or P
 czułość H" 10-12 g/sec
" Detektor wychwytu elektronów (ECD)
Zasada: gwałtowny spadek prądu tła w komorze jonizacyjnej
po wprowadzeniu do niej subst o dużym powinowactwie el.
 wychodzÄ…ce z kolumny zwiÄ…zki wychwytujÄ… elektrony
emitowane z radioaktywnego z
ródła (np., Ni-63) = spadek
natężenia prądu tła
 wykrywa związki, które są silnie elektroujemne (o dużym
powinowactwie elektronowym) np. halogenozwiÄ…zki
 czułość = 10-12 -10-14 g/sec
" Detektor płomieniowo-fotometryczny (FPD)
Wykorzystuje zjawisko emisji promieniowania,
powstającego w trakcie spalania w płomieniu związków P i S
 spalanie czÄ…steczek daje niskoczÄ…steczkowe
produkty w stanie wzbudzonym:
" P-zwiÄ…zki - HPO*
" S-zwiÄ…zki - S2*
 powrót tych niestabilnych fragmentów do stanu
podstawowego i emisja światła o określonej 
 wykrywa zwiÄ…zki zawierajÄ…ce P lub S
 czułość H" 10-11 g/sec
Pułapka jonowa
jest spektrometrem mas:
 jonizacja związków i rozdział na jony w zależności od stosunku m/e
- powstaje widmo mas
 identyfikacja związków na podstawie masy cząsteczkowej i widma
mas
Jonizacja-strumieniem elektronów
żarzące się soczewka
włókno
Jony utrzymywane sÄ… w
przestrzeni między elektrodami
elektroda
górna
(pułapka) a następnie
śluza
elektronowa rozdzielane wg wartości m/z za
elektroda
centralna
pomocÄ…, odpowiednio
pierścieniowa
dobranego, zmiennego napięcia
elektroda
o częstotliwości radiowej (RF)
dolna
katoda
przyłożonego do elektrody
wzmocniony prÄ…d jonowy skierowany
elektronowy
do obwodu miernika elektrycznego
powielacz
pierścieniowej.
anoda
napiecia
Specjalne detektory GC
" Spektrometr mas
 Dostarcza istotnych informacji o strukturze
rozdzielonych metodą GC związków - identyfikacja
związków na podstawie masy cząsteczkowej i widma
mas)
 czułość H" 10-9 g/sec
Sprzężenie spektrometrii mas (MS) z :
- chromatografem gazowym (GC) = GS-MS,
- chromatografem cieczowym (HPLC) = LC-MS
Sprzężenie GC-MS
- chromatograf gazowy rozdziela mieszaniny i wprowadza do spektrometru mas
czyste związki o odpowiedniej lotności i z szybkością dostosowaną do
szybkości procesów zachodzących w MS;
- spektrometr mas identyfikuje związek eluowany (pełni funkcję detektora
jakościowego) i oznacza poszczególne składniki ilościowo.
Interpretacja wyników GC i HPLC
" identyfikacja składników mieszaniny
" oznaczenie stężenia składników
Przykład: chromatogram soku jabłkowego
4
1
2
10
5
3
9
6
7
11
8
12
0 10 20 30 40
Retention time [min]
Figure . Representative HPLC chromatogram of apple juice:
(1) chlorogenic acid, (2) caffeic acid, (3) p-coumaroyl glucose, (4) p-coumaroylquinic
acid, (5) p-coumaric acid, (6) ferulic acid, (7) hyperin, (8) isoquercitrin, (9) phloretin-2-
xyloglocoside, (10) phloridzin, (11) quercetin, (12) kaempferol.
Identyfikacja związków w GC i HPLC
" Czas retencji
 Porównanie czasów retencji (tR) rozdzielonych związków
z czasami retencji wzorców badanych w tych samych
warunkach chromatograficznych co rozdzielane zwiÄ…zki
 Wzbogacanie próbki wzorcem (fortyfikacja)
" Użycie odpowiedniego detektora
 np., płomieniowo-fotometrycznego (N, P) lub
termojonowego (P,S) w GC; photodiode-array,
fluorescencyjnego w HPLC
" Sprzężenie GC/HPLC do MS
 Informacje o masie czÄ…steczkowej i strukturze zwiÄ…zku
 Porównanie widma mas bad. związku z widmem wzorca
lub widmem związków zebranych w tzw. bibliotece
widm
Absorbance at 320 nm [a.u.]
Analiza ilościowa
- jest oparta na liniowej zależności pomiędzy
sygnałem z detektora, którego miarą jest
powierzchnia piku na chromatogramie, a stężeniem
substancji analizowanej w fazie ruchomej
Metoda kalibracji bezwzględnej (wzorca
zewnętrznego)
- Chromatografuje się oddzielnie próbkę i wzorzec
każdego związku lub mieszaninę wzorców w różnych
stężeniach
- Wzorcem jest substancja oznaczana w analizowanej
próbce; zakres stężeń wzorca powinien obejmować
stężenia substancji w próbce (eliminacja błędów
wynikających z nieliniowości pracy detektora)
1. Określenie pola pod powierzchnia piku (lub
wysokości)- integracja elektroniczna
Pole =
h × wh/2
lub
h
wh/2
h
h' × wb
2
wb
2. Przygotowanie krzywej wzorcowej (zależność pola
powierzchni piku wzorca od jego stężenia; rozdział w
tych samych warunkach chromatograficznych, w których
rozdzielono badane zwiÄ…zki).
Kwas kawowy (280 nm)
2500000
y = 101766 x
R= 0.9997
2000000
1500000
1000000
500000
0
0 5 10 15 20 25
Stężenie [źg/ml]
Ple powierzchni piku
 Metoda wzorca wewnętrznego
1. wzorcem wewn. jest subst nieobecna w analiz próbce
(2. wzorcem wewn. jest analizowana substancja)
Ad 1.
 Piki odpowiadające poszczególnym związkom nie
muszą być rozdzielone
 Konieczność stosowania współczynników korekcyjnych
Wzorzec wewnętrzny musi:
- być strukturalnie i chemicznie podobny do rozdzielanych
substancji.
 być trwały i o dużej czystości.
- eluować z kolumny blisko badanych związków.
 rozdzielać się z badanymi związkami.
 nie reagować z żadnym ze składników badanej próbki.
1. Ściśle określoną ilość wzorca dodaje się do znanej
ilości próbki (znane jest stężenie wzorca
wewnętrznego w próbce). Stosuje się często różne
stężenia wzorca
2. Porównuje się pole powierzchni piku substancji
badanej z polem piku wzorca wewnętrznego lub
wykreśla krzywą wzorcową na podstawie pól
powierzchni piku wzorca wewnętrznego o różnym
stężeniu
 uwzględnienie współczynników korekcyjnych (różny
sygnał detektora dla różnych związków)
 Metoda z dodatkiem substancji oznaczanej
- Wzorcem jest oznaczany zwiÄ…zek
- Analiza próbki bez dodatku i z dodatkiem ściśle
określonego stężenia wzorca (2 chromatogramy)
- Jeśli stosuje się różne stężenia wzorca krzywa
wzorcowa (zależność pola powierzchni piku wzorca
od jego stężenia)
Chromatografia
gazowa (GC) i cieczowa (HPLC)
Zagadnienia:
(2010/2011):
" Zastosowanie chromatografii gazowej i cieczowej.
" Zasada rozdziału chromatograficznego; współczynnik
podziału
" Podział i charakterystyka metod chromatograficznych
" Podstawowe pojęcia i definicje; parametry retencji
" Chromatografia gazowa (GC): charakterystyka metody,
sposób rozdziału składników -mieszaniny w
chromatografii gazowej adsorpcyjnej i podziałowej,
zastosowanie metody.
" Chromatograf gazowy (GC): schemat blokowy, zasada
działania, kolumny i wypełnienia kolumn, fazy
stacjonarne, fazy ruchome, rozdział izotermiczny i z
programowanÄ… temperaturÄ…, detektory.
Zagadnienia (cd):
" Wysokosprawna chromatografia cieczowa (HPLC):
charakterystyka metody, sposób rozdziału składników
mieszaniny w HPLC adsorpcyjnej i podziałowej,
zastosowanie metody.
" Chromatograf cieczowy (HPLC): schemat blokowy,
zasada działania, kolumny, wypełnienia kolumn (fazy
stacjonarne), fazy ruchome, elucja izokratyczna i
gradientowa, detektory.
" Analiza jakościowa i ilościowa w chromatografii gazowej i
cieczowej.
Zastosowanie chromatografii gazowej
(GC)
ChromatografiÄ™ gazowÄ… stosuje siÄ™ dla mieszanin substancji,
które bez rozpadu można przeprowadzić w stan pary ; wiele
substancji nielotnych można przeprowadzić w stan lotny po
zsyntezowaniu ich pochodnych (np. na drodze sililowania).
" Analityczne  rozdział, analiza jakościowa
" Analityczne
(identyfikacja) i analiza ilościowa składników
mieszaniny
" Preparatywne  wydzielenie i oczyszczenie
" Preparatywne
jednego lub więcej składników w mieszaninie
Metoda bardzo szybka (czas analizy s min).
i bardzo czuła (masa próbki 10-14 - 10-6g)
Zastosowanie:
rozdzielanie i identyfikacja związków organicznych
i nieorganicznych,
ilościowe oznaczanie składników w próbie,
kontrola czystości związków i mieszanin (żywności,
zanieczyszczenie środowiska  gleby, wody, powietrza),
oczyszczanie i wydzielanie związków,
kontrola i regulacja procesów technologicznych