Terpeny (izoprenoidy) – organiczne związki chemiczne o wzorze ogólnym (C₅H₈)_n, których główny szkielet powstał w wyniku połączenia pięciowęglowych jednostek izoprenowych. Najczesciej spotykanymi substancjami zapachowymi SA monoterpeny C10H16 i seskwiterpeny C15H34.

Terpeny należą do najbardziej rozpowszechnionych związków naturalnych. Spełniają wiele różnych funkcji u roślin i zwierząt, a w produktach żywnościowych są bardzo ważne jako związki zapachowe. Na przykład, zapach cytrusowy, cynamonowy i wielu innych przypraw, tworzy kilkanaście terpenów. Do popularnych terpenów należą: limonen ,citral (oba występują w owocach cytrusowych), kamfora, pinen (sosna), eugenol (goździki) anetol (koper, anyż),tymol (tymianek, oregano), geraniol (róże) i mentol.

Przykłady zastosowań chromatografii gazowej oraz spektrometrii mas w analizie Zywności

Chromatografia gazowa (ang. Gas chromatography, GC) - technika analitycznachromatograficzna, w której fazą ruchomą jest gaz (najczęściej hel, argon, azot wysokiej czystości, coraz rzadziej wodór), a fazą stacjonarną adsorbent lubabsorbent, pokrywający nośnik (wypełnienie kolumny lub jej ścianki). Technika GC umożliwia ustalenie procentowego składu mieszanin związków chemicznych, w których występuje ich nawet kilkaset.

• Analiza jakościową i ilościową złożonych mieszanin lotnych związków organicznych występujących w normalnych warunkach jako gazy ciecze i ciała stałe.

• Automatyczna kontrola i sterowanie procesami przemysłowymi

• Preparatywne wydzielanie składników mieszanin

• Badania fizykochemiczne

• kontroli procesów technologicznych

• badania kinetyki reakcji

Spektrometria mas (MS, z ang. mass spectrometry) – technika analityczna zaliczana do metod spektroskopowych, której podstawą jest pomiar stosunku masy do ładunku elektrycznego danego jonu.

Spektrometria mas służy do:

• identyfikacji związków chemicznych i ich mieszanin

• ustalania struktury związków chemicznych

• ustalania ich składu pierwiastkowego,

• ustalania składu izotopowego analizowanych substancji, co m.in. umożliwia określenie ich źródła pochodzenia

• precyzyjnego ustalania składu złożonych mieszanin związków o dużych masach molowych w proteomice, metabolomice, badaniach materiałowych i chemii polimerów.

Zasada Działania chromatografu gazowego:

1. Gaz nośny ze zbiornika (butli) lub wytwornicy płynie przez regulator przepływu, filtr oraz przepływomierz do dozownika, a następnie przez kolumnę i detektor do atmosfery. 2. Do dozownika próbkę wprowadza się strzykawką (gazy, ciecze i roztwory ciał stałych)lub zaworem dozującym (gazy). 3. Próbka wchodząca do kolumny musi mieć postać gazu lub pary. 4. Składniki próbki ciekłej lub stałej w postaci roztworu, rzadko w postaci ciała stałego, odparowują w dozowniku i w strumieniu gazu nośnego są przenoszone do kolumny. 5. W kolumnie następuje rozdzielenie składnika próbki, które wynoszone z kolumny trafiają kolejno do detektora, generując w nim sygnał elektryczny. 6. Sygnał po wzmocnieniu we wzmacniaczu może być rejestrowane w postaci piku (chromatografu, który przedstawia zależność wielkości pików od czasu wymycia składników).

Spektrometr mas

Zbudowany jest z czterech elektrod do których parami przyłożone jest napięcie elektryczne. Między elektrody wprowadzany jest strumień jonów. Do elektrod przykłada się stałe napięcie U i pole elektryczne o częstotliwości radiowej. Dobierając odpowiednio te parametry można część jonów wydzielić na elektrodach a inne przepuścić przez układ. Zmieniając w czasie napięcia przyłożone do elektrod, rejestruje się jony o określonej masie. W ciągu ułamka sekundy można zebrać pełne widmo badanego związku. Analizator kwadrupolowy ma zatem właściwości filtrujące i dlatego nazywany jest często filtrem mas. Jest najczęściej stosowanym analizatorem w układach GC-MS

Zasada działania

ECD Cząstka promieniowania jonizującego β powoduje jonizację gazu nośnoego z uwolnieniem elektronu. Źródłem cząstek β jest izotop 63Ni i detektor z tym źródłem może być ogrzewany do temperatury 350’C. N2 + β → N2 + e W skutek powstawania w tej reakcji elektronów, płynie prąd, który jest prądem podstawowym detektora i na taśmie rejestratora otrzymuje się linię prostą. Jeśli z kolumny eluowana jest substancja wykazująca powinowactwo elektronowe to wychwytuje ona elektrony tworząc jony ujemne. M + e → M- Te jony zderzając się z jonami dodatnimi gazu nośnego, tworzą cząsteczki obojętne: M + N→ M + N W wyniku tych przemian natężenie prądu podstawowego detektora ulega zmniejszeniu. Gdy elucja substancji z kolumny się zakończy wówczas natężenie prądu powraca do stanu początkowego a na chromatografie przebieg opisywanych zjawisk jest zapisywany w postaci piku.

Zasada działania FID

Do działania detektora płomieniowo-jonizacyjnego konieczny jest wodór i powietzrze sprężone, które można w razie konieczności zastąpić tlenem. W detektorze spalany jest wodór, przy czym płomień znajduje się między dwoma elektrodami (niekiedy jedną z elektrod jest palnik). Jeżeli do płomienia z kolumny dochodzą tylko gaz nośny, to wytwarzan są termojony tego gazu, które powodują pojawienie się w układzie stałego prądu jonowego o bardzo małym natężeniu. Efektem tego jest prosta linia podstawowa zapisywana na chromatogramie. Gdy do płomienia wodorowego wraz z gazem nośnym wprowadza się substancję wymywaną z kolumny, wówczas jest ona spalana i w detektorze pojawia się więsza liczba termojonów. Prąd jonowy wzrasta i po wzmocnieniu we wzmacniaczu elektrycznym jest zapisywany w postaci piku w czasie odpowiadającym czasowi spalania się eluowanej substancji w płomieniu detektora

Analiza jakościowa w chromatografii gazowej Analizę jakościową rozdzielanych w kolumnie substancji można wykonać dwoma sposobami 1) Na podstawie parametrów retencji, ponieważ w takich samych warunkach chromatograficznych analizowana substancja ma zawsze taką samą retencję. 2) Na podstawie fizykochemicznego badania frakcji z zastosowaniem detektorów jakościowych np. połączenie z metodami spektroskopowymi (MS, IR) Analiza ilościowa w chromatografii gazowej

Analiza ilościowa jest oparta na liniowej zależności między sygnałem z detektora, którego miarą jest wysokość piku lub jego powierzchnia, a stężeniem substancji analizowanej w gazie nośnym O dokładności i precyzji oznaczeń ilościowych metodą GC w dużym stopniu decydują: - stałe warunki pracy oraz stała prędkość przepływu gazu nośnego - dobra odtwarzalność techniki dozowania próbek - dobór właściwego detektora

Kolumny

W kolumnie chromatograficznej zachodzi właściwy proces chromatografowania i dlatego wybór rodzaju kolumny, a szczególnie jej wypełnienia ma decydujący wpływ na jakość rozdzielania składników mieszaniny, czyli na wynik analizy chromatograficznej. Wypełnienie, długość i średnica-są oceniane przy wyborze kolumny.

Rozróżnia następujące rodzaje kolumn:

- zwykłe analityczne pakowane o średnicy wewnętrznej 2-6 mm i długości kilku metrów(zwykle 1-3m)

- mikropakowane o średnicy 0,8-1,2 mm i długości do kilkunastu metrów

- kapilarne o średnicy 0,2-0,6 mm i długości do kilkudziesięciu metrów

- preparatywne o średnicy ponad 6 mm i długości kilku metrów

- mikrokapilarne o średnicy powyzej 0,1 mm i długości do kilkudziesięciu metrów.

Standardowa handlowa długość kolumn kapilarnych wynosi 15, 30 i 60 m a standardowe średnice mają wymiary 15, 25, 32 i 53 µm(najczęściej)

Kolumny o średnicy

- 25 µm mają lepszą zdolność rozdzielczą

- 32 µm mają ok. 4 razy większą pojemność sorpcyjną, można do nich dozować większe próbki i oznaczać mniejsze ilości analizowanych substancji

- 15 µm są zalecane do analizy przy połączeniu chromatografii gazowej ze spektrometrią mas

Wypełnienie kolumny

- w wysokosprawnej chromatografii cieczowej kolumnowej – rozmiar ziaren 5-10μm

- cząsteczki mniejsze od 3μm nie są stosowane, gdyż powodują zbyt duże opory fazy ruchomej

Jonizacja i fragmentacja

Jon dodatni może zostać wytworzony z cząsteczki poprzez proste usunięcie jednego elektronu – proces destrukcyjny. Proces jonizacji można przedstawić równaniem:

M → M + + e

Jon M+ jest nazywany jonem molekularnym (lub jonem macierzystym) i jest charakteryzowany dwoma parametrami: ładunkiem (z) i masą (m).

W spektrometrach masowych jony są analizowane wg stosunku masy do ładunku (m/z). Jeżeli utworzony jon będzie miał ładunek jednostkowy, wówczas z będzie równy +1 i stosuenk masy do ładunku będzie równy liczbowo masie jonu. W celu wytworzenia jonu molekularnego z obojętnej cząsteczki niezbędne jest dostarczenie energii przynajmniej równej pierwszemu potencjałowi energetycznemu cząsteczki. Wartość ta zależy od natury pierwszego orbitalu, gdyż zazwyczaj z niego urywany jest elektron. W spektrometrii mas w większości metod jonizacji stosuje się energie wyższe niż pierwszy potencjał jonizacyjny. Jony z nadmiarem energii wewnętrznej łatwo ulegają dysocjacji. Proces ten powszechnie nazywany jest fragmentacją. Prowadzi on do powstania nowych jonów i cząstek obojętnych.

Jon molekularny może ulegać rozpadowi na:

- parzystoelektronowy jon i nieparzystoelektronową cząstkę obojętną.

- nieparzystoelektronowy jon i parzystoelektronową cząstkę obojętną.

Procesy fragmentacyjne mogą przebiegać z oderwaniem parzyto- lub nieparzystoelektronowych cząstek obojętnych, a powstałe jony i cząstki mogą się dalej rozpadać wg ustalonych schematów. Taki proces fragmentacji prowadzi do powstania szeregu jonów, które tworzą widmo masowe danego związku. Wszystkie drogi fragmentacji tworzą schemat fragmentacji charakterystyczny dla danego związku.

Detektory w chromatografii gazowej

Istota działania detektorów stosowanych w chromatografii gazowej polega na tym, że reagują one na różnice właściwości fizykochemicznych gazu nośnego i tego gazu, w którym znajdują się substancje eluowane z kolumny. Rejestrowane zmiany właściwości mogą być proporcjonalne albo do stężenia albo do natężenia masowego przepływu wymywanego składnika w gazie nośnym. Jeżeli do detektora wchodzi sam gaz nośny to jego właściwości nie ulegają zmianie i wskazania detektora są rejestrowane w postaci linii prostej (podstawowej).

Detektor powinien charakteryzować się:

-dużą czułością tzn. sygnał o trzymany z detektora przy przechodzeniu przez ten detektor wykrywanego składnika powinien być możliwie najwyższy.

-wykrywalnością (granicą wykrywalności) określoną przez najmniejszą ilość substancji wywpłującej sygnał, którego amplituda jest dwa razy większa od poziomu szumów detektora.

- dużą stabilnością linii podstawowej, czyli sygnału otrzymanego przy przepływie przez detektor samego gazu nośnego.

- jak najszerszy zakresem liniowości wskazań, który charaktetyzuje się proporcjonalnością• wielkości sygnału detektora do ilości (stężenia) substancji wykrywanej.

Rozróznia się detektory:

- uniwersalne, które reagują na wszystkie substancje wymywane z kolumny np. detektor cieplnoprzewodnościowy (TCD), GC-MS(w trybie całkowitego prądu jonowego)

- selektywne, które reagują wzmożoną odpowiedzią na niektóre specyficzne rodzaje substancji np. związki chalogenopochodne lub zawierające siarkę albo fosfor. Np. detektor płomieniowojonizacyjny(FID), detektor wychwytu elektronów (ECD), detektor foto-jonizacyjny(PID)

- specyficzne, to te które są tak selektywne, że potrafią rozróżnić poszczególne struktury lub pierwiastki zapewniając przy tym wysoki stopień pewności np. detektor płomieniowofotometryczny(FPD)

Budowa Zbiorniki lub generatory gazu nośnego (Hel-najczęściej używany gaz nośny) Regulatory Filtry gazów Dławiki Połączenia rurowe Chromatograf o Dozownik (wlot) miejsce w którym wprowadza się substancje badaną o Kolumna chromatograficzna która znajduje się w piecu o Piec –komora w której możemy regulować temperaturę o Detektor o Rejestrator lub komputer z oprogramowaniem

Wszystkie spektrometry mają natomiast wspólny schemat blokowy, w którym są ujęte podstawowe elementy składowe: - źródło jonów – urządzenie w którym następuje jonizacja cząsteczek przy użyciu różnorodnych technik. - analizator – w którym wcześniej powstałe jony ulegają rozdziałowi na podstawie stosunku ich masy do ładunku - detektor – urządzenie „zliczające” jony napływające z analizatora