CHROMATOGRAFIA GAZOWA
PODSTAWY CHROMATOGRAFI GAZOWEJ, APARATURA, DETEKTORY ORAZ MOŻLIWOŚCI ANALITYCZNE
Co to jest chromatografia gazowa?
Chromatografia gazowa (GC) jest szeroko stosowaną metodą rozdziału i analizy związków organicznych. Istnieje wiele zastosowań chromatografii gazowej w każdym laboratorium oraz w różnorodnych procesach w wielu gałęziach przemysłu. Przykładowo, w przemyśle chemicznym, petrochemicznym oraz farmaceutycznym: w badaniu wszelkiego rodzaju związków organicznych, zarówno kontroli procesu jak i kontroli produktu. Znajduje ona zastosowanie również w badaniach środowiska, takich jak: badania zanieczyszczenia powietrza i wody związkami aromatycznymi, wykrywanie i oznaczanie pestycydów itp. Są to tylko nieliczne przykłady zastosowań, w których GC odgrywa istotną rolę. Ogólnie mówiąc, zakres zastosowań jest w zasadzie nieograniczony.
Podstawowe założenia GC
Chromatografia jest procesem rozdzielania mieszaniny na poszczególne składniki. W trakcie procesu rozdziału każdy ze składników można zidentyfikować (jakościowo) i oznaczyć (ilościowo). Istnieje kilka rodzajów technik chromatograficznych, w których wykorzystuje się odpowiednie instrumenty. Jedną z tych technik jest chromatografia gazowa (GC). GC jest wykorzystywana w przypadku związków, które są lotne, lub które można przekształcić w lotne i które są stabilne termicznie. Ze względu na swą prostotę, czułość i skuteczność w rozdzielaniu składników mieszanin, GC jest jednym z najważniejszych narzędzi analitycznych w chemii.
Podstawowa zasada działania GC obejmuje odparowanie próbki w ogrzewanej komorze wlotowej (komorze nastrzykowej), rozdzielenie składników mieszaniny na specjalnie przygotowanej kolumnie i detekcję każdego ze składników w detektorze. Na zakończenie procesu, wzmocnione sygnały z detektora są zapisywane i oceniane za pomocą integratora przeliczającego wyniki analityczne. Próbkę wprowadza się do strumienia gazu obojętnego, po czym jest ona przenoszona przez kolumnę dzięki przepływowi gazu nośnego. Kolumna może być kolumną z wypełnieniem lub kolumną kapilarną, zależnie od właściwości próbki. W miarę, jak strumień gazu przepływa przez kolumnę, składniki próbki przemieszczają się z prędkościami, na które wpływa stopień oddziaływania poszczególnych składników z fazą stacjonarną w kolumnie. Na skutek tego, różne składniki ulegają rozdzieleniu. Ponieważ procesy te są zależne od temperatury, kolumnę zazwyczaj umieszcza się w piecu sterowanym za pomocą termostatu. W miarę, jak składniki mieszaniny wypływają z kolumny, można je oznaczać ilościowo za pomocą odpowiedniego detektora i/lub zbierać do dalszej analizy.
Aparatura
Chromatograf gazowy składa się z następujących części: zbiornik gazu nośnego, regulator przepływu gazu, dozownik, kolumna, termostat, detektor, przepływomierz, komputer lub rejestrator + integrator.
Gazy nośne
Gaz nośny odgrywa istotną rolę w przenoszeniu próbki przez kolumnę do detektora. Gaz nośny musi być obojętny lub, co najmniej nie może reagować z fazą stałą w kolumnie. Powszechnie stosowanymi gazami nośnymi są hel, azot, argon i wodór. Wybór zależy od typu detektora, kolumny, zastosowania i względów bezpieczeństwa (wodór ma właściwości wybuchowe). Wybór gazu nośnego zależy także od wymagań dotyczących skuteczności i szybkości rozdziału. Ze wszystkich gazów, wodór cechuje się najniższą lepkością, a tym samym daje największą szybkość przepływu fazy ruchomej, czyli najkrótszy czas analizy. Z drugiej strony, dla wielu zastosowań, hel zapewnia najlepszą sprawność ogólną i rozdział pików, co czyni go optymalnym gazem nośnym w tych przypadkach.
Innym istotnym czynnikiem jest czystość gazu nośnego. Zanieczyszczenia, zwłaszcza węglowodory, są przyczyną szumów w linii podstawowej, obniżonej czułości i mogą podwyższyć wartość granicy wykrywalności. Śladowe ilości wody i tlenu mogą także powodować rozkład fazy stacjonarnej, co prowadzi do przedwczesnego zniszczenia kolumny.
Dozownik
Dozownik jest elementem chromatografu umożliwiającą wprowadzenie próbki w strumień gazu nośnego, który przenosi ją do kolumny. Próbka ciekła lub stała powinna w dozowniku odparować lub odsublimować w jak najkrótszym czasie i dlatego jego temperaturę ustawia się zwykle ok. 20°C powyżej temperatury wrzenia najwyżej wrzącego składnika próbki. Dzięki temu unika się długiego wprowadzania próbki do kolumny, które może być powodem rozmycia i asymetrii pików oraz pogorszenia rozdziału. Z tego samego względu czas wprowadzania próbki do dozownika powinien być jak najkrótszy, a jej objętość możliwie mała. Zbyt wysoka temperatura dozownika może także spowodować termiczny rozkład analityków.
Próbki gazowe dozuje się przy pomocy odpowiednich strzykawek lub zaworów dozujących z pętlami dozowniczymi o objętości kilku kilkunastu cm³.
Kolumna chromatograficzna
W kolumnie chromatograficznej zachodzi właściwy proces rozdziału chromatogrowanych mieszanin. Najczęściej stosowane są kolumny kapilarne i pakowane. Obecnie najpopularniejszymi kolumnami są kolumny kapilarne tzn. kolumny o średnicy 0,2-0,6 mm i długości do kilkudziesięciu metrów. Charakteryzują się one dużą zdolnością rozdzielczą. Mają postać zwoju i wytwarzane są ze szkła lub topionego kwarcu. Fazy stacjonarne w kolumnach kapilarnych mogą być zarówno adsorbentami jak i cieczami. Kolumny do chromatografii gazowej dzielimy na kolumny z gładkimi ścianami pokrytymi ciekłą fazą stacjonarną (WCOT), kolumny z warstwą porowatą (adsorbentem) na ściankach (PLOT), oraz kolumny, na ścianki których naniesiono nośnik nasycony ciekłą fazą stacjonarną (SCOT). Grubość warstwy stacjonarnej wynosi zwykle 0,1-0,3 μm. Cieńsza warstwa powoduje, że kolumna ma większą sprawność, a czasy rozdzielania są krótsze; grubsza - daje większą pojemność sorpcyjną.
Kolumny pakowane wypełnia się cząsteczkami adsorbentu lub nośnika z osadzoną na nim fazą ciekłą. Cząstki adsorbentu lub nośnika powinny mieć rozmiary rzędu części milimetra, wąski zakres frakcji sitowej oraz kształt kulisty lub zbliżony do kulistego. W ten sposób zapewnia się małe opory przepływu gazu nośnego przez kolumnę i ograniczone rozmycie dyfuzyjne pasm chromatograficznych rozdzielanych substancji, uzyskując w efekcie piki wąskie i dobrze rozdzielone.
Detektory
Detektor jest elementem chromatografu odpowiedzialnym za wykrywanie substancji rozdzielonych w kolumnie chromatograficznej. Istota działania detektorów stosowanych w chromatografii gazowej polega na tym, że reagują one na różnice we właściwościach fizykochemicznych czystego gazu nośnego i gazu zawierającego substancję eluowaną z kolumny. Detektor powinien charakteryzować się dużą czułością, niską granicą wykrywalności, stabilnością, dobrą odtwarzalnością oraz szerokim zakresem liniowości wskazań. Rozróżnia się detektory uniwersalne i detektory selektywne do wykrywania tylko niektórych grup związków (np. halogenopochodnych lub zawierających siarkę).
Istnieje wiele rodzajów detektorów, a wybór zależy od rodzaju składników, które mają być wykrywane i oznaczane. Najpowszechniej stosowanymi detektorami są: detektor płomieniowo-jonizacyjny (FID), detektor cieplno-przewodnościowy (TCD), detektor wychwytu elektronów (ECD), alkaliczny detektor płomieniowo-jonizacyjny, zwany również detektorem azotowo-fosforowym (NPD), detektor płomieniowo-fotometryczny (FPD) i detektor fotojonizacyjny (PID).
Detektor płomieniowo-jonizacyjny (FID)
Jest detektorem masowym, 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 on najbardziej rozpowszechnionym w użyciu detektorem w chromatografii gazowej. Do jego działania oprócz gazu nośnego potrzebne są linie z gazami: wodorem i powietrzem. Czułość detektora FID zależy od stosunku natężenia przepływów doprowadzanych do niego gazów i jest maksymalna dla stosunku gaz nośny: wodór: powietrze - 1: 1: 10. W detektorze spalany jest wodór, przy czym płomień znajduje się między dwoma elektrodami. Jeżeli do płomienia z kolumny dochodzi tylko gaz nośny, to wytwarzane są termojony tego gazu, które powodują pojawienie się w układzie stałego prądu jonowego o bardzo małym natężeniu odpowiadającego linii podstawowej chromatografu. Gdy do płomienia wodorowego wraz z gazem nośnym wprowadza się substancję wymywaną z kolumny, wówczas jest ona spalana i w detektorze pojawia się większa liczba termojonów. W układzie płynie prąd o natężeniu proporcjonalnym do masy wprowadzonej do płomienia substancji, a na chromatografie pojawia się pik.
Gazy stosowane do detektorów
Praca detektorów wymaga różnych gazów pomocniczych, zależnie od stosowanego procesu detekcji. Do uzyskania płomienia, detektory FID, NPD i FPD wymagają mieszaniny syntetycznego powietrza i wodoru, podczas gdy detektor ECD potrzebuje mieszaniny metanu z argonem i/lub z azotem. W przypadku detektora ECD, gaz stosowany do detekcji jest tożsamy z gazem nośnym. Czystość gazu nośnego jest istotna dla skuteczności działania, niezawodności i trwałości detektora.
Możliwości analityczne
Technika ta pozwala na identyfikację związków chemicznych oraz ich mieszanin na podstawie widm masowych nawet gdy związki te znajdują się w śladowych ilościach. Chromatograf rozdziela analizowaną próbkę na pojedyncze związki chemiczne, które są kolejno kierowane do spektrometru mas celem ich jednoznacznej identyfikacji. Chromatograficzne techniki rozdziału badanych związków sprzężone ze spektrometrią masową się obecnie standardem w badaniu przypraw i aromatów, dodatków do żywności, pozostałości leków w żywności, produktów transestryfikacji w oleju jadalnym, zafałszowań olejów i tłuszczów (skład kwasów tłuszczowych, triacylogliceroli, steroli, witamin itp.), spirytusu i produktów mleczarskich, ilościowym i jakościowym oznaczaniu pozostałości pestycydów oraz innych związków organicznych, wykrywaniu napromieniowania żywności.
Bibliografia
D. Kealey, P.J. Haines, Krótkie wykłady. Chemia analityczna, PWN, Warszawa 2006
J. Brandys (red.), Toksykologia - wybrane zagadnienia, WUJ, Kraków 1999