ΤΜΗΜΑ V Μέθοδοι ιαχωρισµού ΚΕΦΑΛΑΙΟ 27 Αεριοχρωµατογραφία

Transcript

1 ΤΜΗΜΑ V Μέθοδοι ιαχωρισµού ΚΕΦΑΛΑΙΟ 27 Αεριοχρωµατογραφία

2 Βασικά µέρη ενός αεριοχρωµατογράφου Φέρον αέριο και σύστηµα ρύθµισης της ροής Σύστηµα εισαγωγής δείγµατος Χρωµατογραφική στήλη Ανιχνευτής Θερµοστατούµενος φούρνος Σύστηµα καταγραφής και αποθήκευσης δεδοµένων

3 Βασικά χαρακτηριστικά Στην αεριοχρωµατογραφία, το δείγµα εξατµίζεται και εγχέεται στην κεφαλή µιας χρωµατογραφικής στήλης. Η έκλουση πραγµατοποιείται µε ροή αδρανούς αερίου, το οποίο αποτελεί την κινητή φάση. Η κινητή φάση δεν αλληλεπιδρά µε τα µόρια του αναλύτη. Ο µόνος ρόλος της είναι η διακίνηση του αναλύτη κατά µήκος της στήλης Υπάρχουν δύο τύποι αεριοχρωµατογραφίας: Η χρωµατογραφία αερίου-στερεού βασίζεται στη χρήση στερεάς στατικής φάσης, όπου η κατακράτηση των αναλυτών είναι αποτέλεσµα φυσικής προσρόφησης. Η χρωµατογραφία αερίου-υγρού βασίζεται στην κατανοµή του αναλύτη µεταξύ της αέριας κινητής και υγρής φάσης, η οποία είναι ακινητοποιηµένη στην επιφάνεια ενός αδρανούς στερεού.

4 Αρχές της χρωµατογραφίας αερίου-υγρού Οι γενικές αρχές της χρωµατογραφίας ισχύουν, φυσικά, και στην περίπτωση της αεριοχρωµατογραφίας, µε µικρές τροποποιήσεις λόγω της συµπιεστότητας της αέριας κινητής φάσης. Η ταυτοποίηση ενός συστατικού που εκλούεται από τη στήλη ενός αεριοχρωµατογράφου µπορεί να γίνει µε σύγκριση διαφόρων παραµέτρων, όπως: οχρόνοςκατακράτησης (t R ) ο συντελεστής κατανοµής (K), και οόγκοςκατακράτησης (V R ). (V M ) (V R ) V R = t F R V M = t F M (Όγκος) F:Μέση ταχύτητα ογκοµετρικής ροής

5 Όγκοι κατακράτησης Για να ληφθεί υπόψη η επίδραση της πίεσης και της θερµοκρασίας στην αεριοχρωµατογραφία, συχνά είναι προτιµότερη η χρήση των όγκων κατακράτησης και όχι των χρόνων κατακράτησης. Όγκοςσυγκράτησης, V R,είναιοόγκοςτηςκινητήςφάσης που απαιτείται για την πλήρη έκλουση των συστατικών του δείγµατος. Ηµέσηταχύτηταροής, F, δενµπορεί να µετρηθείάµεσα, ωστόσο η ταχύτητα ροής του αερίου κατά την έξοδό του από τη στήλη µετρείται εύκολα, συνήθως χρησιµοποιώντας ροόµετρο φυσαλίδος. Αν F m είναιηµετρούµενηταχύτηταροής, T C ηθερµοκρασία της στήλης, Τ η θερµοκρασία στο ροόµετρο και P η πίεση στην έξοδο της στήλης, ισχύει: V V R M = = t F R t F M F T C = Fm T ( P P ) P H 2O Ροόµετρο σαπωνοδιαλύµατος

6 Όγκοι κατακράτησης Καθώς το φέρον αέριο διέρχεται από τη στήλη, η πίεσή του ελαττώνεται συνεχώς (αλλά όχι γραµµικά) από την πίεση εισόδου, P i, στην πίεση εξόδου, P 0. Πίεση και διατοµές ταχύτηταςαερίου µέσα σε µια χρωµατογραφική στήλη µε P i /P 0 = 1και 10

7 Όγκοι κατακράτησης Καθώς το φέρον αέριο διέρχεται από τη στήλη, η πίεσή του ελαττώνεται συνεχώς (αλλά όχι γραµµικά) από την πίεση εισόδου, P i, στην πίεση εξόδου, P 0. Ο όγκος του αερίου και η ταχύτητα ροής αυξάνονται κατά τρόπο αντίστροφο προς την πίεση. Για να προσδιορίσουµε τις πραγµατικές τιµές των όγκων συγκράτησης, πρέπει να προσδιορίσουµε την µέση πίεση στη στήλη. Πίεση και διατοµές ταχύτητας αερίου µέσα σε µια χρωµατογραφική στήλη µε P i /P 0 = 1και 10

8 ιορθωτικός παράγοντας πτώσης πίεσης Ο διορθωτικός παράγοντας πτώσης της πίεσης, j, χρησιµοποιείται για διόρθωση, που επιβάλλεται λόγω της µη-γραµµικής εξάρτησης της πίεσηςστοεσωτερικότηςστήληςαπότολόγο P i /P. 0 V = j ( t ) ιορθωµένος όγκος συγκράτησης: R RF 0 M ( ) V = j t F M ιορθωτικός παράγοντας: j ( P P) 2 3 / 1 i = 3 2 ( Pi / P) 1 Μέση πίεση στη στήλη: P 2[( P / P ) 1] P = P = 3 i [( Pi / P0 ) 1] j

9 Ειδικός όγκος κατακράτησης Ο ειδικός όγκος κατακράτησης, V g, ορίζεται ως ο καθαρός όγκος κατακράτησης ανά γραµµάριο υγρής φάσης της στήλης. Ειδικός όγκος κατακράτησης V g 0 0 VN VR VM 273 jf( tr tm ) 273 = = = W W T W T C C Όγκος κατακράτησης V R = t F R ιορθωµένος όγκος κατακράτησης V = t F j 0 R R C Ρυθµισµένος όγκος κατακράτησης V = V V = ( t t ) F ' R R M R M C Καθαρός όγκος κατακράτησης V = ( t t ) F j N R M C

10 Σχέση µεταξύ των V g και Κ (σταθερά κατανοµής) V g jf( tr tm ) 273 = W T C Το V g,όπωςκαιτοκ,είναιµιασταθεράισορροπίαςπουεξαρτάταιµόνο από τη φύση της ουσίας και του διαλύτη και από τη θερµοκρασία της στήλης. ρυθµισµένος και διορθωµένος όγκος κατακράτησης 273 V g = βάρος υγρής ουσίας της στήλης Τ C K = συγκέντρωση της ουσίας στην υγρή φάση συγκέντρωση της ουσίας στην αέρια φάση V g VN 273 = W Τ L V V = V = KV 0 0 R M N L C } V g K 273 = ρ Τ S C

11 Επίδραση της ταχύτητας ροής Η επίδραση της ταχύτητας ροής στην αεριοχρωµατογραφία περιγράφεται από την εξίσωση Van Deemter. Ο όρος διαµήκους διάχυσης (B/u) είναι πιο σηµαντικός στη χρωµατογραφία αερίου-υγρού, παρά σε άλλους χρωµατο-γραφικούς µηχανισµούς, λόγω των πολύ µεγαλύτερων ταχυτήτων διάχυσης στα αέρια (10 5 φορέςµεγαλύτερεςαπόότισταυγρά). Η εξίσωση van Deemter B H = A + + Cu u

12 Οργανολογία Σχηµατικό διάγραµµα ενός αεριοχρωµατογράφου µε διαµοιραστή ροής

13 Τροφοδοσία φέροντος αερίου Τα φέροντα αέρια που χρησιµοποιούνται πρέπει να είναι χηµικώς αδρανή (He, N 2, Ar,Η 2 ). Η επιλογή του φέροντος αερίου εξαρτάται από το είδος του ανιχνευτή που χρησιµοποιείται. Ο συντελεστής κατανοµής εξαρτάται µόνο από την πτητικότητα των συστατικών του δείγµατος στην ακίνητη φάση. Το φέρον αέριο παρέχεται συνήθως από κύλινδρο υψηλής πίεσης (200 bar). Το σύστηµα ροής περιλαµβάνει ρυθµιστές πίεσης, ροόµετρακαι,συχνά, «παγίδες»αερίων. µανόµετρα και Πίεση εισόδου: Ταχύτηταροής: psi (1 atm 14.7 psi) ml/min (πληρωµένεςστήλες) 1 25 ml/min (τριχοειδείς στήλες)

14 Σύστηµα έγχυσης δείγµατος Για αποτελεσµατικό διαχωρισµό, πρέπει κατάλληλη ποσότητα δείγµατος να εισαχθεί σαν «βύσµα»ατµού. Η βραδεία εισαγωγή υπερβολικής ποσότητας δείγµατος οδηγεί σε διεύρυνση των ζωνών και σε κακό διαχωρισµό. Μικρός χρόνος και όγκος δείγµατος Αέρια: 1-10 ml Υγρά: µL Τριχοειδείςστήλες: 10-3 µl Γρήγορη εξαέρωση υγρών Άµεση µεταφορά στη στήλη ιατοµή στοµίου άµεσης έγχυσης δείγµατος µε σύστηµα ταχέος µικροεξατµιστή

15 Σύστηµα έγχυσης δείγµατος Για ποσοτικές, αναπαραγώγιµες µετρήσεις αερίων ή υγρών, τα δείγµατα εισάγονται µε περιστροφική βαλβίδα που περιλαµβάνει βρόχο γνωστού όγκου. Στερεά δείγµατα εισάγονται είτε ως διαλύµατα είτε σε λεπτότοιχα µικροφιαλίδια τα οποία υφίστανται διάτρηση στην κορυφή της στήλης. ιάγραµµα «εξάπορτης» περιστροφικής βαλβίδας εισαγωγής αερίου δείγµατος

16 Σύστηµα έγχυσης δείγµατος ιάγραµµα «εξάπορτης» περιστροφικής βαλβίδας εισαγωγής αερίου δείγµατος

17 ιαµορφώσεις στηλών Στην αεριοχρωµατογραφία χρησιµοποιούνται συνήθως δύο γενικοί τύποι στηλών: Οι πληρωµένες και οι στήλες ανοικτού σωλήνα (τριχοειδείς). Γεµισµένες στήλες (packed columns) Εύκολη κατασκευή Χαµηλό κόστος Μεγάλη χωρητικότητα Μεγάλος χρόνος ζωής Κατάλληλες για δύσκολους διαχωρισµούς Τριχοειδείς στήλες (capillary col.) Μικρή πτώση πίεσης Μεγάλο µήκος L= m d= 0,2 1,2 mm Σήµερα, υπάρχει η τάση αντικατάστασης των πληρωµένων στηλών από τις πολύ πιο αποτελεσµατικές ανοικτού σωλήνα.

18 Φούρνοι στηλών Η θερµοκρασία της στήλης είναι µια σηµαντική παράµετρος και πρέπει να ελέγχεται µε ακρίβεια µερικών δεκάτων του βαθµού. Για το λόγο αυτό, η στήλη τοποθετείται µέσα σε θερµοστατούµενο φούρνο.

19 Φούρνοι στηλών Η άριστη θερµοκρασία της στήλης εξαρτάται από το σηµείο βρασµού των συστατικών του δείγµατος και τον απαιτούµενο βαθµό διαχωρισµού. Γενικά, µια θερµοκρασία ίση ή λίγο µεγαλύτερη από το µέσο σηµείο βρασµού οδηγεί σε λογικούς χρόνους έκλουσης (2 30 min). 45 ο C 120 ο C 5 ο C/min Αρ. Ουσία σ.β. ( ο C) 1 n -προπάνιο n βουτάνιο - 0,5 3 n -πεντάνιο 36 4 n -εξάνιο 69 5 n -επτάνιο 98 6 n -οκτάνιο βρωµοφόρµιο m χλωροτολουόλιο m βρωµοτολουόλιο 184

20 Χρήσιµη περιοχή µιας αναλυτικής µεθόδου c m : LOQ: LOL: Όριο ανίχνευσης Όριο ποσοτικοποίησης Όριο γραµµικόητας

21 Συστήµατα ανίχνευσης Επιθυµητά χαρακτηριστικά Καµπύλη απόκρισης ανιχνευτή Ικανοποιητική ευαισθησία Σταθερότητα και αναπαραγωγιµότητα Γραµµική απόκριση σε µεγάλη περιοχή συγκεντρώσεων Θερµοκρασίαλειτουργίας o C Οµοιόµορφη απόκριση για όλες τις ουσίες Απλή ρύθµιση Μικρός χρόνος απόκρισης Μικρός εσωτερικός όγκος Χαµηλός θόρυβος Μεγάλη σταθερότητα Απλός στην κατασκευή Χαµηλού κόστους Ασφαλής στη λειτουργία ΌριοΑνίχνευσης, Q 0 Θόρυβοςτουανιχνευτή, R N Ευαισθησία του Ανιχνευτή, R/ Q Όριογραµµικήςαπόκρισης, Q L

22 Είδη ανιχνευτών Γενικές κατηγορίες (α) ιαφορικοί Ανιχνευτές (β)ολοκληρωµένοιανιχνευτές (i)καταστροφικοίανιχνευτές (ii)μη ΚαταστροφικοίΑνιχνευτές ιαφορική και Ολοκληρωµένη Απόκριση Ανιχνευτή Τύποι ευρύτερα χρησιµοποιούµενων ανιχνευτών Ανιχνευτές ιοντισµού φλόγας (FID) Ανιχνευτές θερµικής αγωγιµότητας (TCD) Ανιχνευτής χηµειοφωταύγειας θείου (SCD) Ανιχνευτές ατοµικής εκποµπής (AED) Θερµιοντικοί ανιχνευτές (TID) Φλογοφωτοµετρικός ανιχνευτής (FPD) Ανιχνευτής φωτοϊοντισµού Φασµατογράφος µαζών Φασµατόµετρο υπερύθρου µε µετασχηµατισµό Fourier

23 Ανιχνευτές ιοντισµού φλόγας (FID) Ο FID είναι ο πιο διαδεδοµένος και γενικότερης χρήσης αεριοχρωµατογραφικός ανιχνευτής. Σε έναν καυστήρα, το έκλουσµα από τη στήλη αναµιγνύεται µε υδρογόνο και αέρα και στη συνέχεια αναφλέγεται µε ηλεκτρικά µέσα. Οι περισσότερες οργανικές ενώσεις, όταν πυρολυθούν στη θερµοκρασία της φλόγας υδρογόνου/αέρα, παράγουν ιόντα και ηλεκτρόνια, τα οποία άγουν τον ηλεκτρισµό µέσω της φλόγας. Απλοποιηµένο διάγραµµα ανιχνευτή FID Εφαρµόζοντας µια διαφορά δυναµικού µεταξύ του ακροφυσίου και ενός ηλεκτροδίου-συλλέκτη, οδηγεί στην παραγωγή ηλεκτρικού ρεύµατος (~10-12 Α), το οποίο εισάγεται σε τελεστικό ενισχυτή υψηλής εµπέδησης για µέτρηση.

24 Ανιχνευτές ιοντισµού φλόγας (FID) Ο αριθµός των παραγόµενων ιόντων είναι χονδρικά ανάλογος µε τον αριθµό των ανηγµένων ατόµων άνθρακα. Χαρακτηριστικές οµάδες, όπως το καρβονύλιο, το αλκοολικό υδροξύλιο, το αλογόνο και η αµινοµάδα, παράγουν λιγότερα ή καθόλου ιόντα. Ο ανιχνευτής δεν αποκρίνεται καθόλου σε µη καύσιµα αέρια όπως τα Η 2 Ο, CO 2, SO 2 και NO x. Ο FID είναι πολύ χρήσιµος για ανάλυση των περισσότερων οργανικών δειγµάτων, περιλαµβανοµένων εκείνων που έχουν µολυνθεί µε οξείδια του αζώτου και του θείου. Είναι ιδιαίτερα χρήσιµος για την ανίχνευση ρυπαντών σε δείγµατα φυσικών υδάτων. Τυπικός ανιχνευτής ιοντισµού φλόγας

25 Ανιχνευτές ιοντισµού φλόγας Ο FID χαρακτηρίζεται από µεγάλη ευαισθησία (~ g/s), µεγάλη γραµµική περιοχή (~ 10 7 ) και χαµηλό θόρυβο. Είναι ανθεκτικός και εύχρηστος. Το µειονέκτηµά του είναι ότι καταστρέφει το δείγµα. Ανιχνευτής ιοντισµού φλόγας προσαρµοσµένος σε στήλη

26 Ανιχνευτές θερµικής αγωγιµότητας (TCD) Η λειτουργία του TCD βασίζεται στις µεταβολές που προκαλεί η παρουσία µορίων αναλύτη στη θερµική αγωγιµότητα ενός ρεύµατος αερίου. Ο αισθητήρας του ανιχνευτή είναι ένα ηλεκτρικά θερµαινόµενο στοιχείο, του οποίου η θερµοκρασία σε συνθήκες κατανάλωσης σταθερής ισχύος εξαρτάται από τη θερµική αγωγιµότητα του περιβάλλοντος αερίου. Το στοιχείο ανίχνευσης αποτελείται από λεπτό σύρµα Pt, Au ή W. Η ηλεκτρική αντίσταση του σύρµατος αποτελεί το µέτρο της θερµικής αγωγιµότητας του αερίου. Ανιχνευτικό στοιχείο θερµικής αγωγιµότητας

27 Ανιχνευτές θερµικής αγωγιµότητας (TCD) Η αρχή λειτουργίας του TCD στηρίζεται στη σύγκριση της θερµικής αγωγιµότητας του αναλύτη µε αυτή του φέροντος αερίου. Μετριέται η µεταφορά θερµότητας από το νήµα σε µια ψυχρή επιφάνεια. Για την ανίχνευση απαιτούνται δύο στοιχεία. Το ένα τοποθετείται στη ροή του εκλούσµατος από τη στήλη (δείγµα) και το άλλο στη ροή του αερίου πρίν από το θάλαµο έγχυσης του δείγµατος (αναφορά). Εναλλακτικά, χρησιµοποιείται διαµοιραστής της ροής. Ανιχνευτής TCD Στους «διαµορφωµένους» ανιχνευτές χρησιµοποιείται ένα µόνο νήµα. Το φέρον αέριο µε το δείγµα και το φέρον αέριο αναφοράς εναλλάσσονται διερχόµενα πάνω από µικροσκοπικό νήµα σε κεραµικό στοιχείο ανίχνευσης όγκου 5µL. Η µεταγωγή της ροής πραγµατοποιείται µε συχνότητα 10 Hz.

28 Ανιχνευτές θερµικής αγωγιµότητας (TCD) Σε έναν σύγχρονο TCD χρησιµοποιούνται τέσσερα ανιχνευτικά στοιχεία, έναζεύγοςγιατοδείγµακαιέναζεύγοςγιατορεύµααναφοράς. Η θερµοκρασία του νήµατος είναι συνάρτηση (α) του ρεύµατος της γέφυρας του ανιχνευτή, (β)της γεωµετρίας του, (γ) της θερµικής αγωγιµότητας του αερίου και (δ) της ταχύτητας ροής του.

29 Ανιχνευτές θερµικής αγωγιµότητας (TCD) Οι θερµικέςαγωγιµότητες του He καιτου Η 2 είναιπερίπου 6 10 φορές µεγαλύτερες των οργανικών ενώσεων. Εποµένως, η παρουσία ακόµη και µικρών ποσοτήτων οργανικών ουσιών προκαλεί µια σχετικά έντονη µείωση της θερµικής αγωγιµότητας του αέριου εκλούσµατος της στήλης και αύξηση της θερµοκρασίας του νήµατος. Ουσία kx10 5 cal/ o C/mol Υδρογόνο 53,4 Ήλιο 41,6 Μεθάνιο 10,9 Άζωτο 7,5 Αιθάνιο 7,3 Προπάνιο 6,3 ιοξείδιο του άνθρακα 5,3 Αιθανόλη 5,3 Αργό 5,2 η-εξάνιο 5,0 Βενζόλιο 4,4 Τετραχλωράνθρακας 2,2 Οι αγωγιµότητες άλλων αερίων είναι παραπλήσιες µε εκείνες των οργανικών ενώσεων και, εποµένως, για µεγαλύτερη ευαισθησία, ο ανιχνευτής TCD θα πρέπει να χρησιµοποιείται µε υδρογόνο ήήλιοωςφέροντααέρια. Θερµικές αγωγιµότητες ουσιών (100 o C)

30 Ανιχνευτές θερµικής αγωγιµότητας (TCD) Πλεονεκτήµατα Απλότητα Μεγάλη δυναµική περιοχή (10 5 ) Γενική απόκριση σε οργανικές και ανόργανες ουσίες Μη καταστρεπτικός χαρακτήρας Είναι δυνατή η συλλογή των εκλουόµενων ουσιών µε τά την ανίχνευση Μειονεκτήµατα Σχετικά περιορισµένη ευαισθησία (~ 10-8 g ουσίας/mlφέροντος αερίου). Λόγω της χαµηλής ευαισθησίας δεν µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε συνδυασµό µε τριχοειδείς στήλες (µικρή ποσότητα δείγµατος)

31 Ανιχνευτές χηµειοφωταύγειας θείου (SCD) Η αρχή λειτουργίας του SCD βασίζεται στην αντίδραση µεταξύ ορισµένων ενώσεων του θείου µε όζον. Η ένταση της παραγόµενης χηµειοφωταύγειας είναι ανάλογη της συγκέντρωσης σε θείο. Ο ανιχνευτής χρησιµοποιείται για τον προσδιορισµό ρυπαντών, όπως είναι οι µερκαπτάνες. 1. Το έκλουσµα αναµιγνύεται µε υδρογόνο και αέρα και καίγεται. 2. Τα παραγόµενα αέρια αναµιγνύονται µε όζον και αντιδρούν 3. Μετράται η ένταση της εκπεµπόµενης ακτινοβολίας

32 Ανιχνευτής σύλληψης ηλεκτρονίων (ΕCD) Οι ανιχνευτές ECD χρησιµοποιούνται ευρέως για την ανάλυση περιβαλλοντικών δειγµάτων. Είναι ιδιαίτερα εκλεκτικοί στις αλογονούχες ενώσεις, όπως τα φυτοφάρµακα και τα πολυχλωριωµένα διφαινύλια. Τοέκλουσµααπότηστήληπερνάαπό ένα β-ραδιενεργό υλικό ( 63 Νi). Τα ηλεκτρόνια που εκπέµπονται από την πηγή προκαλούν ιοντισµό του φέροντος αερίου (Ν 2 ) και την παραγωγή σµήνους ηλεκτρονίων. Το παραγόµενο ρεύµα, το οποίο µετράται µε ένα ζεύγος ηλεκτροδίων, µειώνεται σηµαντικά παρουσία οργανικών µορίων, τα οποία έχουν την τάση να συλλαµβάνουν ηλεκτρόνια. Ο ανιχνευτής ECD είναι ιδιαίτερα ευαίσθητος σε µόρια που περιέχουν δραστικές οµάδες όπως αλογόνα, υπεροξειδικούς δεσµούς, κινόνες και νιτροενώσεις.

33 Ανιχνευτές ατοµικής εκποµπής (AED) Ανιχνευτής ατοµικής εκποµπής (Hewlett-Packard Company)

34 Ανιχνευτές ατοµικής εκποµπής (AED) Χρωµατογραφήµατα δείγµατος βενζίνης αυτοκινήτου µε µικρές συγκεντρώσεις ΜΤΒΕ και διαφόρων αλειφατικών αλκοολών. (α) Με παρακολούθηση της γραµµής εκποµπής του άνθρακα (198 nm) (β) Με παρακολούθηση της γραµµής εκποµπής του οξυγόνου (777 nm)

35 Αεριοχρωµατογραφικές στήλες και στατικές φάσεις Οι πληρωµένες στήλες περιέχουν κονιοποιηµένο, αδρανές υλικό στην επιφάνεια του οποίου υπάρχει δεσµευµένο λεπτό υµένιο (film) της υγρής στατικής φάσης. Στις στήλες ανοιχτού σωλήνα (τριχοειδείς) η στατική φάση είναι ένα υµένιο υγρού πάχους µερικών δεκάτων του µικροµέτρου, το οποίο καλύπτει τα εσωτερικά τοιχώµατα του τριχοειδούς µε οµοιόµορφο τρόπο. Οι στήλες αυτές παρέχουν καλύτερους διαχωρισµούς τόσο όσο αφορά την ταχύτητα όσο και την απόδοση. Προβλήµατα τριχοειδών στηλών Μικρή χωρητικότητα δείγµατος Ευθραυστότητα Μηχανικά προβλήµατα σύνδεσης µε τη στήλη και τον ανιχνευτή υσκολία επικάλυψης µε αναπαραγώγιµο τρόπο Μικρός χρόνος ζωής Έµφραξη ιπλώµατα ευρεσιτεχνίας Τα προβλήµατα που σχετίζονταν µε την παραγωγή και χρήση των τριχοειδών στηλών επιλύθηκαν τα τελευταία χρόνια και, σήµερα, υπάρχει ευρεία διάδοσή τους.

36 Στήλες ανοικτού σωλήνα Οι στήλες ανοιχτού σωλήνα διακρίνονται σε δύο βασικούς τύπους: (α) στήλες ανοικτού σωλήνα µε επικάλυψη τοιχωµάτων (wall-coated open tubular, WCOT),καιτις (β) στήλες ανοικτού σωλήνα µε επικάλυψη υλικού στήριξης (supportcoated, open tubular column, SCOT). Οι στήλες WCOT είναι τριχοειδείς σωλήνες µε εσωτερικό τοίχωµα επικαλυµµένο µε λεπτό στρώµα στατικής φάσης. Οιστήλες SiO 2 κατασκευάζονταιµε εφελκυσµό τήγµατος πυρίτιας. Υφίσταται κατεργασία µε διαβρωτικό αέριο (π.χ. ΗCl) ώστε να αναπτύξει τραχεία επιφάνεια η οποία κατακρατεί αποτελεσµατικότερα τη στατική φάση. ιάµετρος (I.D.): µm Megabore: 530µm Στις στήλες SCOT το εσωτερικό τοίχωµα του τριχοειδούς καλύπτεται µε λεπτό υµένιο (~ 30 µm) υλικού στήριξης, όπως είναι η γη διατόµων. Αυτός ο τύπος στήλης συγκρατεί πολλαπλάσια ποσότητα στατικής φάσης σε σχέση µε τις στήλες WCOT, και για το λόγο αυτό, χαρακτηρίζεται από µεγαλύτερη χωρητικότητα δείγµατος. Μικρότερη απόδοση από ότι οι στήλες WCOT.

37 Πληρωµένες στήλες Κατασκευάζονται από υάλινους, µεταλλικούς ή πλαστικούς σωλήνες. Τυπικά, έχουν µήκος 2-3 m και εσωτερική διάµετρο 2-4 mm. Γεµίζονται µε λεπτόκοκκο και οµοιόµορφα κονιοποιηµένο πληρωτικό υλικό (υλικό στήριξης), το οποίο είναι καλυµµένο µε λεπτό στρώµα ( µm) στατικής φάσης. Τυλίγονται σε σπείρες διαµέτρου 15 cm. Το υλικό στήριξης αποτελείται από µικρά και οµοιόµορφα σωµατίδια µε καλή µηχανική αντοχή και ειδική επιφάνεια > 1 m 2 /g. Το υλικό πρέπει να είναι αδρανές σε υψηλές θερµοκρασίες και να διαβρέχεται µε οµοιόµορφο τρόπο απότηνυγρήφάση. Το συνηθέστερα χρησιµοποιού- µενο πληρωτικό υλικό είναι η γη διατόµων (σκελετοί µονοκύτταρων οργανισµών), οι οποίοι έχουν ικανότητα µοριακής διήθησης. Ελαττώνοντας το µέγεθος των σωµατιδίων αυξάνεται η αποτελεσµατικότητα της στήλης, µε παράλληλη απαίτηση για µεγαλύτερη διαφορά πίεσης (για σταθερή ροή, η πίεση είναι είναι αντιστρόφως ανάλογη του µεγέθους των σωµατιδίων). Λόγω των περιορισµών στην πίεση (< 50 psi), τα συνηθισµένα µεγέθη των σωµατιδίων είναι: µm (60-80 mesh) µm ( mesh)

38 Προσρόφηση ουσιών στις στήλες Η φυσική προσρόφηση πολικών ή πολώσιµων οµάδων στις πυριτικές επιφάνειες των υλικών πλήρωσης ή στα τοιχώµατα των τριχοειδών στηλών αποτελεί σηµαντικό πρόβληµα των µεθόδων αεριοχρωµατογραφίας (παραµορφωµένες και διευρυµένες κορυφές). Η προσρόφηση οφείλεται στην παρουσία οµάδων σιλανόλης που σχηµατίζονται κατά την αντίδρασή των πυριτικών µε υγρασία. CH 3 Si OH + Cl Si Cl Si O Si Cl + HCl CH 3 CH CH 3 3

39 Προσρόφηση ουσιών στις στήλες Η φυσική προσρόφηση πολικών ή πολώσιµων οµάδων στις πυριτικές επιφάνειες των υλικών πλήρωσης ή στα τοιχώµατα των τριχοειδών στηλών αποτελεί σηµαντικό πρόβληµα των µεθόδων αεριοχρωµατογραφίας (παραµορφωµένες και διευρυµένες κορυφές). Η προσρόφηση οφείλεται στην παρουσία οµάδων σιλανόλης που σχηµατίζονται κατά την αντίδρασή των πυριτικών µε υγρασία. Τα υλικά στήριξης µπορούν να απενεργοποιηθούν µε σιλανοποίηση µε διµεθυλοδιχλωροσιλάνιο (DMCS) και ακόλουθη έκπλυση µε µεθανόλη. CH 3 Si OH + Cl Si Cl Si O Si Cl + HCl CH 3 CH CH 3 3 CH 3 3 Si O Si Cl + CH OH Si O Si OCH + HCl CH 3 CH CH 3 3 3

40 Στατική φάση Επιθυµητά χαρακτηριστικά Χαµηλή πτητικότητα (σηµείο βρασµού 100 o C µεγαλύτερο από τη µέγιστη θερµοκρασία λειτουργίας της στήλης) Χηµικήαδράνεια (ναµηναντιδράµετοδείγµα) Θερµική σταθερότητα (να µη διασπάται κατά τη θέρµανση) Να δίνει κατάλληλες τιµές k για όλα τα συστατικά, στην κατάλληλη περιοχή (µικροί χρόνοι κατακράτησης, καλός διαχωρισµός) Να µπορεί να παράγεται µε αναπαραγώγιµο τρόπο. Από τους χιλιάδες διαλύτες που έχουν κατά καιρούς προταθεί, τύποι επαρκούν για όλες τις εφαρµογές. Για να είναι ο χρόνος παραµονής µιας ουσίας στη στήλη ικανοποιητικός θα πρέπει η ουσία αυτή να παρουσιάζει κάποιο βαθµό συµβατότητας (διαλυτότητα) µε τη στατική φάση. Εφαρµόζεται η αρχή «όµοιο διαλύει όµοιο» µε αναφορά στις πολικότητες της ουσίας και του υγρού. Όταν η πολικότητα, που αποδίδει το βαθµό επίδρασης ηλεκτρικού πεδίου στην περιοχή ενός µορίου, ταιριάζει, η σειρά έκλουσης καθορίζεται από το σηµείο βρασµού των ουσιών.

41 Στατικές φάσεις ευρείας χρήσης Τα συνηθέστερα υγρά που χρησιµοποιούνται σαν στατικές φάσεις είναι πολυδιµεθυλοσιλοξάνια µε γενικό τύπο: R R R R Si O Si O Si R R R R Όταν οι οµάδες R είναι όλες CH 3, το υγρό είναι σχεδόν απολικό. Με αντικατάσταση ενός κλάσµατος των µεθυλοµάδων µε δραστικές οµάδες όπως το φαινύλιο (-C 6 H 5 ), το κυανοπροπύλιο (-C 3 H 6 CN) και το τριφθοροπροπύλιο (-C 2 H 4 CF 3 ), επιτυγχάνεται διαφορετικός βαθµός πολικότητας. Άλος τύπος υγρής στατικής φάσης είναι η πολυαιθυλενογλυκόλη (carbowax): ( ) HO CH CH O CH CH OH n

42 Τυπικά χρωµατογραφήµατα Πολυδιµεθυλοσιλοξάνιο Πολυ(φαινυλοµεθυλοδι µεθυλο)σιλοξάνιο (5%) Πολυ(φαινυλοµεθυλοδι µεθυλο)σιλοξάνιο (50%) Πολυ(τριφθοροπροπυλοδι µεθυλο)σιλοξάνιο (50%) Πολυαιθυλενογλυκόλη Πολυ(κυανοπροπυλοδιµεθυλο)σιλοξάνιο

43 Εφαρµογές χρωµατογραφίας αερίου - υγρού Ο ρόλος της χρωµατογραφίας αερίου υγρού είναι διπλός: (α)εργαλείοδιαχωρισµού. Στον τοµέα αυτό, η GLC είναι ασυναγώνιστη, ιδιαίτερα όταν εφαρµόζεται σε πολύπλοκα οργανικά, οργανοµεταλλικά και βιοχηµικά συστήµατα αποτελούµενα από πτητικές ουσίες ή ουσίες που µπορούν να µετατραπούν σε πτητικά παράγωγα. (β) Αναλυτικό εργαλείο. Εφαρµογές στην ποιοτική ανάλυση (ταυτοποίηση µε βάση το χρόνο ή τον όγκο συγκράτησης) και την ποσοτική ανάλυση (ύψος ή εµβαδόν κορυφών). Υπάρχει τάση συνδυασµού της εκπληκτικής διαχωριστικής ικανότητας της GLC µε τις κατά πολύ ανώτερες ικανότητες ταυτοποίησης, που έχουν οι φασµατοσκοπίες µαζών, υπερύθρου και NMR.

44 Ποιοτική ανάλυση Τα αεριοχρωµατογραφήµατα µπορούν να χρησιµοποιηθούν ως: Κριτήρια καθαρότητας οργανικών ενώσεων (ευρύτατη χρήση). Μέσο ταυτοποίησης των συστατικών µιγµάτων (περιορισµοί). Μέσο επιβεβαίωσης της παρουσίας ή απουσίας µιας ένωσης σε δείγµα (ευρεία χρήση). Ο παράγοντας εκλεκτικότητας µιας ουσίας Α ως προς µια πρότυπη ουσία Β, µπορεί να αποτελέσει δείκτη ταυτοποίηση της πρώτης. ( tr) ( ) ( ' t ) R ( ' ) K t a = = = K t t t B B M B A R B M R Για το σκοπό αυτό απαιτείται η κατασκευή πινάκων µε τιµές του παράγοντα εκλεκτικότητας καθαρών ενώσεων ως προς κάποιο κοινό πρότυπο. A

45 Ποιοτική ανάλυση είκτης κατακράτησης Ο δείκτης κατακράτησης, Ι, προτάθηκε από τον Kovats το 1958 ως µια παράµετρος ταυτοποίησης των ουσιών από τα χρωµατογραφήµατα. Σαν πρότυπες ουσίες χρησιµοποιούνται τα κανονικά αλκάνια. Ο δείκτης µιας ουσίας µπορεί να υπολογιστεί από το χρωµατογράφηµα µίγµατος της ουσίας και τουλάχιστον δύο αλκανίων, των οποίων οι κορυφές πρέπει να περιβάλλουν την κορυφή της ουσίας. Εξ ορισµού, ο δείκτης κατακράτησης ενός κανονικού αλκανίου είναι ίσος µε το εκατονταπλάσιο του αριθµού των ατόµων άνθρακα. Ο δείκτης κατακράτησης µιας ουσίας µπορεί να υπολογιστεί είτε γραφικά είτε αριθµητικά από τα δεδοµένα του χρωµατογραφήµατος. Γραφική απεικόνιση του τρόπου προσδιορισµού δεικτών κατακράτησης τριών ουσιών.

46 ιασύνδεση µε φασµατοσκοπικές τεχνικές Η αεριοχρωµατογραφία µπορεί να συνδυαστεί µε εκλεκτικές φασµατοσκοπικές και ηλεκτροχηµικές τεχνικές παρέχοντας τις συζευγµένες τεχνικές, οι οποίες αποτελούν πανίσχυρα αναλυτικά εργαλεία κατάλληλα για την ταυτοποίηση των συστατικών πολύπλοκων µιγµάτων. Στις παλαιότερες συζευγµένες τεχνικές, η συλλογή των εκλουσµάτων από τις χρωµατογραφικές στήλες γινόταν σε χωριστά κλάσµατα σε µια ψυχρή παγίδα, αµέσως µετά την ανίχνευσή τους από ένα µη-καταστρεπτικό ανιχνευτή. Ακολουθούσε εξέταση της σύνθεσης του κάθε κλάσµατος µε κατάλληλες τεχνικές (φασµατοσκοπία πυρηνικού µαγνητικού συντονισµού, φασµατοσκοπία υπερύθρου, φασµατοσκοπία µαζών, κ.λ.) Στις σύγχρονες συζευγµένες τεχνικές, το έκλουσµα της στήλης παρακολουθείται συνεχώς µε εκλεκτικό ανιχνευτή. Η τεχνική προϋποθέτει έλεγχο της οργανολογίας µε υπολογιστή και αποθήκευση των φασµατικών δεδοµένων στη µνήµη του για µετέπειτα παρουσίαση µε τη µορφή φασµάτων ή χρωµατογραφηµάτων.

47 Τεχνική GC/MS Στη µέθοδο αυτή, το έκλουσµα από την αεριοχρωµατογραφική στήλη εισάγεται στο θάλαµο ιοντισµού ενός φασµατοµέτρου µάζας για ανάλυση. Τα περισσότερα όργανα διαθέτουν ψηφιακές βιβλιοθήκες φασµατικών δεδοµένων για ταυτοποίηση των ενώσεων. ιάγραµµα ενός τυπικού αεριοχρωµατογράφου τριχοειδούς στήλης συζευγµένου µε φασµατογράφο µαζών (GC/MS).

48 Τεχνική GC/IR Η σύζευξη αεριοχρωµατογράφων τριχοειδούς στήλης µε φασµατόµετρα υπερύθρου αποτελεί έναν αποτελεσµατικό τρόπο διαχωρισµού και ταυτοποίησης συστατικών πολύ «δύσκολων» µιγµάτων. Τυπικός φωτοαγωγός οργάνων GC/IR.

49 Χρωµατογραφία αερίου - στερεού Ο διαχωρισµός µε GSC είναι παρόµοιος µε το διαχωρισµό µε GLC, µε τη διαφορά ότι η κατανοµή µέσα στη στήλη προκαλείται από µια µερική και εκλεκτική προσρόφηση επάνω σε µια στερεή επιφάνεια, και όχι από τη διαλυτότητα σε µια υγρή φάση. Οι συντελεστές κατανοµής είναι γενικά πολύ µεγαλύτεροι από εκείνους της χρωµατογραφίας αερίου-υγρού. Συνεπώς, η µέθοδος είναι χρήσιµη δια τον διαχωρισµό ουσιών, οι οποίες δεν κατακρατούνται σε στήλες αερίου-υγρού, όπως: o Συστατικά του αέρα o CO, CO 2 o NO x o H 2 S, CS 2 o Ευγενή αέρια

50 Χρωµατογραφία αερίου - στερεού Ο διαχωρισµός πραγµατοποιείται µε πληρωµένες στήλες και µε στήλες ανοιχτού σωλήνα. Στις στήλες ανοιχτού σωλήνα µε πορώδη στιβάδα (PLOT) µια λεπτή στιβάδα προσροφητή προσφύεται στα εσωτερικά τοιχώµατα του τριχοειδούς. Χρησιµοποιούνται δύο τύποι προσροφητών: (i) τα µοριακά κόσκινα και (ii) τα πορώδη πολυµερή. (α)στήλη µε µοριακά κόσκινα (β)στήλη PLOT

51 Άσκηση Χαρακτηριστικά στήλης ιαστάσεις: 1,10 m 1,0 mm Πληρωτικό υλικό: Τύπος: Chromosorb P Βάρος υγρής φάσης: 1,40 g Πυκνότητα: 1,02 g/ml Συνθήκες Πιέσεις: Έξοδος: 748 Torr (0,984atm) Είσοδος: + 26,1 psi (2,76 atm) Θερµοκρασίες: ωµατίου: 21,2 ο C (294,2 K) Στήλης: 102,0 o C (375,0 K) Ταχύτητα ροής στην έξοδο: 25,3 ml/min Χρωµατογράφηµα Αέρας Οξικός Προπιονικός Βουτυρικός µεθυλεστέρας µεθυλεστέρας µεθυλεστέρας Χρόνος κατακράτησης: 18,0 s 1.98 min 4.16 min Εύρος κορυφής στη βάση: (α) Να υπολογιστεί η µέση ταχύτητα ροής στη στήλη F P P P out T C = Fm 2 T ( Pout PH O) P out 1 (21,2 o 0 5 H O C) = 0. 2 in F = 31.4 ml / min 2 atm F 748 Torr = = 0,984 atm 760 Torr / atm = 32.2 ml / min 26,1 psi = 0, 984 atm + = 2,76 atm 14, 67 psi / atm F = 25, 3 ml / min 7.93 min 0.19 min 0.39 min 0.79 min m o T C = 102,0 C= 375 K o T = 21, 2 C = 294, 2 K = =

52 Άσκηση Χαρακτηριστικά στήλης ιαστάσεις: 1,10 m 1,0 mm Πληρωτικό υλικό: Τύπος: Chromosorb P Βάρος υγρής φάσης: 1,40 g Πυκνότητα: 1,02 g/ml Συνθήκες Πιέσεις: Έξοδος: 748 Torr (0,984atm) Είσοδος: + 26,1 psi (2,76 atm) Θερµοκρασίες: ωµατίου: 21,2 ο C (294,2 K) Στήλης: 102,0 o C (375,0 K) Ταχύτητα ροής στην έξοδο: 25,3 ml/min Χρωµατογράφηµα Αέρας Οξικός Προπιονικός Βουτυρικός µεθυλεστέρας µεθυλεστέρας µεθυλεστέρας Χρόνος κατακράτησης: 18,0 s 1.98 min 4.16 min Εύρος κορυφής στη βάση: (β) Να υπολογιστούν οι διορθωµένοι όγκοι κατακράτησηςγιατοναέρακαιτουςτρειςεστέρες 0 18,0 VM = j ( tm F) = 0, 488 min 31, 4 / min 60 0 VM = 4,60 ml 0 V = 30,3 ml 0 R ( ) V = j t F j R ιορθωτικός παράγοντας: ( P P) 2 3 / 1 i = 3 2 ( Pi / P) 1 = ( ) ( ) ,1 1 j= ( ) 2 3 2,76 / ( 2,76 / 0.984) 1 = 3 0,488 R,1 0 R,2 0 R, min 0.19 min 0.39 min 0.79 min V V F ( ml ) = 63,7 ml = 121,5 ml = 31.4 ml / min

53 Άσκηση Χαρακτηριστικά στήλης ιαστάσεις: 1,10 m 1,0 mm Πληρωτικό υλικό: Τύπος: Chromosorb P Βάρος υγρής φάσης: 1,40 g Πυκνότητα: 1,02 g/ml Συνθήκες Πιέσεις: Έξοδος: 748 Torr (0,984atm) Είσοδος: + 26,1 psi (2,76 atm) Θερµοκρασίες: ωµατίου: 21,2 ο C (294,2 K) Στήλης: 102,0 o C (375,0 K) Ταχύτητα ροής στην έξοδο: 25,3 ml/min Χρωµατογράφηµα Αέρας Οξικός Προπιονικός Βουτυρικός µεθυλεστέρας µεθυλεστέρας µεθυλεστέρας Χρόνος κατακράτησης: 18,0 s 1.98 min 4.16 min Εύρος κορυφής στη βάση: (γ) Να υπολογιστούν οι ειδικοί όγκοι κατακράτησης για τους τρεις εστέρες V g 0 0 VR VM 273 = W T C ml Vg,1 = 13,4 g ml Vg,2 = 30,7 g ml Vg,3 = 60,8 g ( ) 30, 3 4, 60 ml 273K = 1, 40g 375K 7.93 min 0.19 min 0.39 min 0.79 min V V V V 0 M 0 R,1 0 R,2 0 R,3 = 4,60 ml = 30,3 ml = 63,7 ml = 121,5 ml

54 Άσκηση Χαρακτηριστικά στήλης ιαστάσεις: 1,10 m 1,0 mm Πληρωτικό υλικό: Τύπος: Chromosorb P Βάρος υγρής φάσης: 1,40 g Πυκνότητα: 1,02 g/ml Συνθήκες Πιέσεις: Έξοδος: 748 Torr (0,984atm) Είσοδος: + 26,1 psi (2,76 atm) Θερµοκρασίες: ωµατίου: 21,2 ο C (294,2 K) Στήλης: 102,0 o C Ταχύτητα ροής στην έξοδο: 25,3 ml/min Χρωµατογράφηµα Αέρας Οξικός Προπιονικός Βουτυρικός µεθυλεστέρας µεθυλεστέρας µεθυλεστέρας Χρόνος κατακράτησης: 18,0 s 1.98 min 4.16 min Εύρος κορυφής στη βάση: (δ) Να υπολογιστεί η σταθερά κατανοµής του κάθε εστέρα V g K 273 = ρ Τ S C K 1 = 18, 8 K 2 = 43,0 K 3 = 85,1 K = 1 ( 13, 4 ml / g)( 1, 02 g / ml)( 375K) 273K (375,0 K) V,1 = 13, 4 ml / g 7.93 min 0.19 min 0.39 min 0.79 min g Vg,2 = 30,7 ml / g Vg,3 = 60,8 ml / g

55 Άσκηση (α) Να υπολογιστεί ο παράγοντας κατακράτησης, k, για κάθε εστέρα k t t t R M ' = M = 18 1,98 min 60 0,3 min ' k 1 = 5,6 ' k 2 = 12,9 ' k 3 = 25,4 Χρωµατογράφηµα Αέρας Οξικός Προπιονικός Βουτυρικός µεθυλεστέρας µεθυλεστέρας µεθυλεστέρας Χρόνος κατακράτησης: 18,0 s 1.98 min 4.16 min Εύρος κορυφής στη βάση: 7.93 min 0.19 min 0.39 min 0.79 min

56 Άσκηση (β) Να υπολογιστεί ο παράγοντας εκλεκτικότητας, ενώσεων α, για κάθε γειτονικό ζεύγος a k ' 2 2,1 = ' k1 = 12,9 5,6 a 2,1 = 2, 3 a k ' 3 3,2 = ' k2 25,4 = a3,2 = 2, 0 12,9 Χρωµατογράφηµα Αέρας Οξικός Προπιονικός Βουτυρικός µεθυλεστέρας µεθυλεστέρας µεθυλεστέρας Χρόνος κατακράτησης: 18,0 s 1.98 min 4.16 min Εύρος κορυφής στη βάση: 7.93 min 0.19 min 0.39 min 0.79 min ' k 1 = 5,6 ' k 2 = 12,9 ' k 3 = 25,4

57 Άσκηση (γ) Να υπολογιστεί ο µέσος αριθµός θεωρητικών πλακών, Ν, και το ύψος πλάκας, Η, της στήλης. N R 16 t = W 2 1,98 min = 16 0,19 min 2 N 1 = 1738 } N 2 = 1820 N = 1720 N 3 = 1612 H = L N 1100 mm = H = 0, mm Χρωµατογράφηµα L= 1,10 m Αέρας Οξικός Προπιονικός Βουτυρικός µεθυλεστέρας µεθυλεστέρας µεθυλεστέρας Χρόνος κατακράτησης: 18,0 s 1.98 min 4.16 min Εύρος κορυφής στη βάση: 7.93 min 0.19 min 0.39 min 0.79 min

58 Άσκηση (δ) Να υπολογιστεί η διαχωριστική ικανότητα για κάθε γειτονικό ζεύγος ενώσεων. R s = ( t,2 t,1) 2 R R W + W 1 2 = ( ) 2 4,16 1, 98 0, R S (1,2) = 7,5 R S(2,3) = 6,4 Χρωµατογράφηµα Αέρας Οξικός Προπιονικός Βουτυρικός µεθυλεστέρας µεθυλεστέρας µεθυλεστέρας Χρόνος κατακράτησης: 18,0 s 1.98 min 4.16 min Εύρος κορυφής στη βάση: 7.93 min 0.19 min 0.39 min 0.79 min