Ενόργανη Ανάλυση Εργαστήριο Αέρια Χρωματογραφία (Gas Chromatography, GC) Πέτρος Α. Ταραντίλης Χρήστος Παππάς
Αέρια - Στερεή Χρωματογραφία (Gas Solid Chromatography, GSC) Στατική φάση: στερεό Κινητή φάση: αέριο Χρωματογραφία στερεού-αέριου, Προσρόφησης (Gas-Solid, Adsorption) Αέρια - Υγρή Χρωματογραφία (Gas Liquid Chromatography, GLC) Στατική φάση: υγρό σε στερεό φορέα Κινητή φάση: αέριο Χρωματογραφία υγρού-αέριου, Κατανομής (Gas-Liquid, Partition) 2
Οργανολογία αέριας χρωματογραφίας 1. Οβίδα ή φιάλη φέροντος αερίου (κινητής φάσης), Ρυθμιστής πίεσης - Ροόμετρο 2. Σύστημα εισαγωγής δείγματος 3. Θερμοστατούμενος κλίβανος, Στήλη χρωματογραφίας 4. Ανιχνευτής, Ενισχυτής 5. Καταγραφέας ή ηλεκτρονικός υπολογιστής - εκτυπωτής 3
Οργανολογία αέριας χρωματογραφίας Φέρον αέριο - Kινητή φάση Ροόμετρο σαπωνοδιαλύματος Χρησιμοποιούνται κυρίως 1. άζωτο (N 2 ), 2. ήλιο (He) και 3. αργό (Ar). Η επιλογή του φέροντος αερίου γίνεται με βάση το τύπο του χρησιμοποιούμενου ανιχνευτή Ταχύτητα ροής του φέροντος αερίου πληρωμένες στήλες (packed columns) 10-60 ml/min, ενώ όταν χρησιμοποιούνται τριχοειδής στήλες (capillary columns) 1-6 ml/min 4
Οργανολογία αέριας χρωματογραφίας Σύστημα εισαγωγής δείγματος Μικροσύριγγα Θάλαμος εξαέρωσης Όγκος του δείγματος: 0,5-2 ml για αέρια 1-10 μl για υγρά Το μέγεθος του δείγματος καθορίζεται από: διαθέσιμη ποσότητα, χωρητικότητα της στήλης, ευαισθησία ανιχνευτή κ.λ.π. πληρωμένες στήλες (packed columns) 1-10 μl τριχοειδείς στήλες (capillary columns) 0,1-1μL 5
Οργανολογία αέριας χρωματογραφίας Συστήματα εισαγωγής δείγματος Μικροσύριγγες Automatic liquid sampler (ALS) Ηeadspace sampler 6
Οργανολογία αέριας χρωματογραφίας Συστήματα εισαγωγής δείγματος τεχνική HS-SPME (Head Space Solid-Phase Micro Extraction) 7
Οργανολογία αέριας χρωματογραφίας Θερμοστατούμενος κλίβανος - Στήλη Θερμοκρασία: σταθερή, ισόθερμη ανάλυση μεταβαλλόμενη κατά τη διάρκεια της ανάλυσης Στήλη: επιμήκης σωλήνας με μορφή σπειράματος, Υλικό: ανοξείδωτος χάλυβας, γυαλί ή πλαστικό, Διαστάσεις: μήκος 1-3 m και διάμετρος 3-10 mm πληρωμένες στήλες (packed columns) μήκος 10-50 m και διάμετρος 0,2-1,2 mm για τις τριχοειδείς στήλες (capillary columns) ή πληρωμένες με επικάλυψη (coated). 8
Οργανολογία αέριας χρωματογραφίας Στήλες α) Πληρωμένες στήλες (packed columns). β) Τριχοειδής στήλες (capillary columns). 9
Οργανολογία αέριας χρωματογραφίας Στήλες Οι στατικές φάσεις μπορούν να ταξινομηθούν σε τρεις κατηγορίες ανάλογα με την πολικότητα τους: α) πολικές, β) σχετικά πολικές και γ) μη πολικές. Διαχωρισμός Η καταλληλότερη στατική φάση για δεδομένο δείγμα είναι εκείνη, η οποία είναι χημικά παρόμοια με αυτό (ίδιας πολικότητας). 10
Οργανολογία αέριας χρωματογραφίας Στατική (Υγρή) φάση Εφαρμογές Πολικότητα Μέγιστη θερμοκρασία 0 C Squalane Υδρογονάνθρακες Ν 125 Apiezon L Methyl silicone Υδρογονάνθρακες μεγάλου σ.ζ., εστέρες, αιθέρες Στερεοειδή, αλκαλοειδή εστέρες, εντομοκτόνα Ν 300 Ν 300 Dinonul phthalate Όλα τα είδη Ι 175 Silicone oil Όλα τα είδη Ι 275 Diethyleneglycol Succinate Carbowax 20M Eστέρες Ρ 200 Αλκοόλες, αρωματικά αμίνες, κετόνες Ρ 250 Polymid Resin Αμινο ενώσεις Ρ 300 q.q -Oxydipropio - nitrile AgNO 3 in propylene Glycol Oλεφίνες, αλκοόλες Αλδεϋδες Ολεφίνες, κυκλικοί Υδρογονάνθρακες Ρ 100 Ρ 50 Ν = μη πολική, Ι = λίγο πολική, Ρ = πολική 11
Οργανολογία αέριας χρωματογραφίας Ανιχνευτές Οι συνηθέστερα χρησιμοποιούμενοι ανιχνευτές είναι: α) ανιχνευτής ιονισμού φλόγας (Flame Ionization Detector, FID) β) ανιχνευτής θερμικής αγωγιμότητας (Thermal Conductivity Detector, TCD), και γ) ανιχνευτής συλλήψεως ηλεκτρονίων (Electron Capture Detector, ECD). 12
Ανιχνευτές Σύγκριση ανιχνευτών αέριας χρωματογραφίας Ανιχνευτής Όριο Ανίχνευσης g Περιοχή γραμμικότητας Όριο θερμοκρασίας o C Παρατηρήσεις Θερμικής αγωγιμότητας TCD Ιονισμού φλόγας, FID Συλλήψεως ηλεκτρονίων, ECD 10-6 10 5 450 10-11 10 8 400 10-3 10 2 350 Δεν καταστρέφει το δείγμα. Χρησιμοποιείται για ανόργανες και οργανικές ουσίες. Ευαίσθητος σε μεταβολές θερμοκρασίας και ροής αερίου Καταστρέφει το δείγμα. Πολύ σταθερός. Χρησιμοποιείται για οργανικές ενώσεις. Δεν ανταποκρίνεται σε πολλά ανόργανα αέρια: Η 2 Ο, CO 2, CO, H 2 S, SO 2, NH 3 Δεν καταστρέφει το δείγμα. Χρησιμοποιείται για ενώσεις που περιέχουν O, P,S, -NO 2, αλογόνα, ανάλυση εντομοκτόνων 13
Οργανολογία αέριας χρωματογραφίας Ενισχυτής S/N > 2 Καταγραφέας ή ηλεκτρονικός υπολογιστής-εκτυπωτής 14
Τυπικό χρωματογράφημα Detector Response time
Έλεγχος Θερμοκρασίας Θερμοκρασία θαλάμου εισαγωγής του δείγματος: 50 o C πάνω από το σημείο βρασμού των συστατικών. Θερμοκρασία κλιβάνου-στήλης: 50-250 o C σταθερή, ισόθερμη ανάλυση μεταβαλλόμενη κατά τη διάρκεια της ανάλυσης Θερμοκρασία ανιχνευτή: πιο πάνω από τη θερμοκρασία της στήλης 16
Έλεγχος Θερμοκρασίας 17
Έλεγχος Θερμοκρασίας Θερμοκρασία κλιβάνου-στήλης: σταθερή 45 o C, ισόθερμη ανάλυση σταθερή 120 o C, ισόθερμη ανάλυση μεταβαλλόμενη κατά τη διάρκεια της ανάλυσης από 30 σε 180 o C, Αριθμός κορυφής Ουσία Σημείο ζέσεως 0 C 1 n-προπάνιο -42 2 n-βουτάνιο -0.5 3 n-πεντάνιο 36 4 n-εξάνιο 69 5 n-επτάνιο 98 6 n-οκτάνιο 126 7 Βρωμοφόρμιο 150 8 m-χλωροτολουόλιο 162 9 m-βρωμοτολουόλιο 184 18
Έλεγχος Θερμοκρασίας 4,8 100oC-->200oC 4,6 4,4 4,2 Arb 4,0 3,8 3,6 3,4 3,2 3,0 4,8 150oC 4,6 4,4 4,2 Arb 4,0 3,8 3,6 3,4 3,2 3,0 100 200 300 400 500 Arbitrary units 19
Ποιοτική Ανάλυση Σύγκριση του t Rχ της άγνωστης ουσίας με το t Rs συγκεκριμένης πρότυπης ουσίας. Με τη μέθοδο του εμβολιασμού (spiking) Σύγκριση του t Rχ της άγνωστης ουσίας με το t RΑ αλκανίων (Kovats index).
Ποιοτική Ανάλυση Όλοι οι προαναφερθέντες ανιχνευτές δεν κάνουν ταυτοποίηση των συστατικών ενός δείγματος. Ο χρόνος συγκράτησης (retention times) από μόνος του δεν μπορεί να ταυτοποίηση ένα συστατικό Για να γίνει ταυτοποίηση χρειάζεται Φασματόμετρο Μαζών (Mass spectrometer) Φασματόμετρο Υπερύθρου (Fourier Transform Infrared Spectrometer) Σύγκριση των φασμάτων με φάσματα γνωστών συστατικών (fingerprint)
Ποιοτική Ανάλυση Όλοι οι προαναφερθέντες ανιχνευτές δεν κάνουν ταυτοποίηση των συστατικών ενός δείγματος. Για να γίνει ταυτοποίηση χρειάζεται Αέριο Χρωματογράφος (GC) συνδεδεμένος με Φασματόμετρο Μαζών (MS) Φασματόμετρο Υπερύθρου (Fourier Transform Infrared Spectrometer) 22
Αέρια χρωματογραφία - φασματομετρία μαζών Gas Chromatography - Mass Spectrometry (Detector), GC-MS (D) Η αέρια χρωματογραφία σε συνδυασμό με τη φασματομετρία μαζών, γίνεται ισχυρότατο μέσο ταυτοποίησης πολύπλοκων δειγμάτων
Αέρια χρωματογραφία - φασματομετρία μαζών Gas Chromatography - Mass Spectrometry (Detector), GC-MS (D) 24
Αέρια χρωματογραφία - φασματομετρία μαζών Gas Chromatography - Mass Spectrometry (Detector), GC-MS (D) 25
Αέρια χρωματογραφία - φασματομετρία μαζών Gas Chromatography - Mass Spectrometry (Detector), GC-MS (D) 26
Ποσοτική Ανάλυση Το εμβαδόν της κάθε κορυφής του χρωματογραφήματος σχετίζεται με την ποσότητα του αντίστοιχου συστατικού μέσα στο δείγμα 1. Προσδιορισμός της % αναλογίας των συστατικών του δείγματος (percentage of total). 2. Προσδιορισμός της συγκέντρωσης των συστατικών του δείγματος i. Μέθοδος εσωτερικού προτύπου( internal standard). ii. Μέθοδος εξωτερικού προτύπου (external standard).
Εφαρμογές Καύσιμα Καυσαέρια Ταυτοποίηση Φυσικών Προϊόντων Έλεγχο διεργασιών Ποιοτικό έλεγχο (τροφίμων, φαρμάκων κλπ) Βιο-ιατρικές εφαρμογές 'Yes, love is a potent drug indeed...but I still don't think we can analyze it using gas chromatography... «Ναι, η αγάπη είναι ένα ισχυρό φάρμακο όντως... αλλά εγώ ακόμα δεν πιστεύω ότι μπορούμε να το αναλύσουμε με αέρια χρωματογραφία» 28
Ρίγανη VS Θυμάρι Χημική σύσταση αιθερίων ελαίων τυχαίων εμπορικών δειγμάτων Ρίγανης και Θυμαριού (% του συνολικού αιθερίου ελαίου) % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 OH Καρβακρόλη Ρίγανη 9,9 12,7 Θυμόλη; 63,3 Καρβακρόλη; 7,8 23,5 4,3 Θυμόλη; 63,6 Καρβακρόλη; 2,2 6,6 4,7 Θυμόλη; 17,7 Καρβακρόλη; 61,9 Θυμόλη Θυμάρι 2,6 5,4 Θυμόλη; 0,2 Ρίγανη 1 Θυμάρι 1 Ρίγανη 2 Θυμάρι 2 Καρβακρόλη; 81,5 π-κυμένιο γ-τερπινένιο Θυμόλη Καρβακρόλη 29 OH
Άσκηση 3 η : Πρακτική εφαρμογή Ποιοτικός και ποσοτικός προσδιορισμός συστατικών αιθερίων ελαίων με αέρια χρωματογραφία φασματομετρία μαζών (Gas Chromatography - Mass Spectrometry, GC - MS) Σκοπός Εισαγωγή - Θεωρία Πειραματικό μέρος Δείγμα Περιγραφή Συσκευές-Όργανα (Εταιρεία Μοντέλο κλπ) Συνθήκες ανάλυσης (Θερμοκρασίες, ροή κινητής φάσης κλπ) Αποτελέσματα - Συζήτηση - Συμπεράσματα Χρωματογράφημα, δεδομένα ανάλυσης Δημιουργείστε ένα πίνακα με τα 5 κύρια συστατικά του δείγματος (αυτά με το μεγαλύτερο % ποσοστό). Ταυτοποιήστε τα συστατικά, δώστε τα ονόματα τους (κατά IUPAC, ή εμπειρικό) και τις δομές τους. Σχολιάστε τα αποτελέσματα. Βιβλιογραφία Υπεύθυνοι Άσκησης: Δρ. Δήμητρα Δαφερέρα και Δρ. Χάρης Κανάκης