Folie 1 - cuni.cz

ZS2008 Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie 1

Plynová chromatografieInstrumentace

Základní přednáška

RNDr. Radomír Čabala, Dr.

Univerzita Karlova v PrazePřírodovědecká fakultaKatedra analytické chemie


GC - Definice

Plynová chromatografie

– fyzikálně-chemická metoda separace směsi látek na základě jejich rozdělování mezi dvě fáze, z nichž jedna je plynná a pohybuje se a druhá je pevná nebo kapalná a je nepohyblivá

– lze ji použít na separaci plynných látek nebo látek, které lze definovaným způsobem převést do plynného stavu


Blokové schéma plynového chromatografu

Zdroj nosnéhoplynu

Regulace průtokunosného plynu

Vyhodnocovacía řídícízařízení

Regulaceteploty

Detektor

Kolona

Dávkovač

Termostaty

Vzorek

tok nosnéhoplynu

signál

řídícísignály

analytickáinformace

dělič toku


Plynový chromatograf

1 2

31. GC PU 4500klasický, s mechanickou regulací plynů

2. GC Shimadzu 2100plně řízený PC s elektronickou regulací plynů

3. GC-MS Shimadzu QP5050plně řízený PC s elektronickou regulací plynů


Nosný plyn

Mobilní fáze v GC - nosný plyn (účastní se přenosu látek kolonou)

Kritéria volby nosného plynu– typ detektoru– inertnost– čistota (min. 99,99% až 99,9999%)– hustota– viskozita– bezpečnost

Používané plyny– dusík– helium– vodík– argon


Nosný plyn - vlastnosti

Plyn Hustotag.cm-3

ViskozitaµPa.s

Tepená vodivostJ.m-1.s-1.K-1

Vodík 0,0899 8,44 175,0

Helium 0,178 18,6 143,6

Dusík 1,250 16,58 23,86

Argon 1,784 21,2 16,75


Zdroj nosného plynu

Tlakové láhve (1)Redukční ventily (2)

– A. vstupní tlak: 5 - 220 atm– B. výstupní tlak: 0,5 - 10 atm

Rozvod plynů (3)Uchycení tl. lahví (4)

1 1

23 3

4

A B


Čistota nosného plynu

Běžně používané čistoty– 99,99% (4N) až 99,9999% (6N)– nedostatečně čisté plyny lze dočišťovat

Odstraňování stopových nečistot– voda

• molekulová síta– kyslík

• v N2: Cu za zvýšené teploty• v H2: na Pt katalyzátoru za laboratorní teploty

– stopy organických látek• aktivní uhlí• katalytické spalování na CO2 a jeho sorpce

– zbytkové koncentrace• řádově ppb v závislosti na znečištění


Čištění nosného plynu

Katalytický čistič (kyslík a voda)

Indikační adsorbér(kyslík a voda)

Systémy indikačních adsorbérů:

- vícestupňový (1)- pro více druhů plynu (2)

1

2


Čištění nosného plynuSystém adsorbérů pro GC Unicam 4500 v laboratoři 114A


Regulace a měření průtoku nosného plynu

Dávkovač(Injektor)

Dělič(Splitter)

Kolona

Detektor

Fi - průtok injektoremFspl - průtok děličemFopl - průtok oplachu septaFc - průtok kolonouFd - průtok detektoremFmg - průtok pomocného plynu

Pi

Fi

Fspl

Fc

Fd

Fmg

P0

Množství vzorku na koloně, mc

= =+ +

c cc a a

c spl opl i

F Fm m mF F F F

ma - dávkované množství analytu

= + +i c spl oplF F F F

d c mgF F F= +

Pi - tlak na vstupuP0 - tlak na výstupu

Fopl


Regulace a měření průtoku nosného plynu

Konstantní tlak na vstupu– Izotermální analýza

(teplota kolony konstantní)

• průtok plynu na výstupu kolony konstantní– Analýza s teplotním programem

(nárůst teploty kolony s časem podle definovaného programu)

• s rostoucí teplotou klesá průtok (roste viskozita plynu)

Konstantní průtok kolonou– Izotermální a teplotní program

• změny viskozity plynu kompenzovány regulátorem průtoku


Redukční ventil - princip funkce

f - napětí pružinyP1, P2 - vstupní a výstupní tlakyS1 - průřez jehlového ventiluS2 - plocha membrány ( )2 2 2 1 2 1atmf P S P S P P S+ ⋅ = + −

Úkol: snížit tlak a udržovat konstantní výstupní tlak nezávisle na průtoku

Princip- tlak je regulován proměnným odporem toku tvořeným jehlou v kuželovém v sedle- jehla se pohybuje nahoru a dolu vlivem kombinace mechanického napětí pružiny a tlaku působícího na membránu- výstupní tlak je nastavován napětím pružiny


Regulátor průtoku - princip funkceDiferenciální regulátor průtoku(mass-flow controller) Elektronický regulátor průtoku

Úkol: udržovat konstantní průtok nezávisle na vstupním a výstupním tlaku

Princip- udržuje konstantní tlakový spád (P2-P3) na jehlovém ventilu (V)- tlaky P2 a P3 jsou regulovány proměnným odporem toku tvořeným jehlou v kuželovém v sedle- jehla se pohybuje nahoru a dolu vlivem kombinace mechanického napětí pružiny a tlaku působícího na membránu- průtoková rychlost je nastavována ventilem V- velikost jehly a kuželového sedla určuje rozsah průtokových rychlostí


Dávkování vzorků

Úkoly– reprodukovatelně a rychle převést kapalný či tuhý vzorek do plynné

fáze beze změny jeho relativního složení– zavedení malého definovaného objemu plynné fáze vzorku do kolony

Podmínky– nesmí se měnit tlakové a teplotní podmínky v systému– dle teorie je pro dosažení maximální účinnosti je nutno dávkovat

objem vzorku odpovídající objemu jednoho HETP

Dávkovaná množství vzorku– náplňové kolony: až 100 µg v 1 - 10 µl rozpouštědla– kapilární kolony: max. 1 µg


Dávkování vzorků

Plynné vzorky– dávkovací smyčky a ventily– "headspace"– "purge and trap"

Kapalné vzrorky a roztoky– Náplňové kolony

• přímo do kolony (on-column)

– Kapilární kolony• s děličem toku (split/splitless)• přímo do kolony (on-column)• s programovanou teplotou (PTV)• velkoobjemové (LVI)• termodesorpce (TDI)• pyrolýza


Dávkování vzorků - plynné vzorky

Dávkovací smyčky a ventily– dvoupolohové šesticestné ventily s dávkovací smyčkou

1. Plnění smyčky 2. Dávkování vzorku

Sample in Waste

mf

Col

umn

Sample in Waste

mfC

olum

n


Dávkování vzorků - Náplňové kolony

©R

.P.W

.Sco

tt-G

asC

hrom

atog

raph

y

Náplňové kolony– dávkované objemy: 1 - 10 µl– koncentrace: 5 - 10 % (v/v)

Metoda - přímo do kolony (on-column)– celý dávkovaný objem vzorku

stříkačkou zaveden přes septum přímo na začátek kolony nebo "lineru"

"liner"– skleněný a deaktivovaný– zabraňuje styku vzorku s horkým

kovovým povrchem a zabraňujetak jeho rozkladu

– zadržuje netěkavé složky vzorku aby nekontaminovaly kolonu


Dávkování vzorků - Linery

Liner– skleněný, křemenný či kovový, deaktivovaný– s náplní (A) a bez náplně (B,C)– umožňuje zplynění vzorku– zabraňuje styku vzorku s horkým kovovým povrchem a zabraňuje tak

jeho rozkladu– zadržuje netěkavé složky vzorku aby nekontaminovaly kolonu

© Restek

B

© Restek

C

© Restek

A


Dávkování vzorků - Kapilární kolony - Split

Fi

Fc

FoplFspl

Kapilární kolony– dávkované objemy: 0,1 - 2 µl– koncentrace: 5 - 10 % (v/v)

Dávkování s děličem toku (Split)– celý dávkovaný objem vzorku

stříkačkou zaveden přes septum do lineru

– pouze část objemu vzorku je zavedena do kolony

– zbylá část objemu vzorku odchází děličem do atmosféry

Dělící poměr– udává jaká část vzorku je

zavedena do kolony– Fc/Fi

– rozsah: 1/500 - 1/10

Dávkovací parametry– celkový průtok (10 - 300 ml/min)– průtok kolonou (0,1 - 2 ml/min)– objem lineru (100 µl - 1 ml)


Dávkování vzorků - Kapilární kolony - Split

Dávkování s děličem toku (Split)

Výhody– pro relativně koncentrované vzorky– pro poměrně "špinavé" vzorky– lze automatizovat– velmi ostrá zóna vzorku na kokloně

Nevýhody– může docházet k rozkladu vzorků– diskriminační efekt (diskriminace vysokých Mr)– "backflash"– nelze sledovat stopová množství


Dávkování vzorků - Kapilární kolony - Splitless

Dávkování bez děliče toku(Splitless)

– celý dávkovaný objem vzorkustříkačkou zaveden přes septum do lineru

– v momentě dávkování uzavřendělič, celý tok mf jde do kolonyFi = Fc+Fopl

– velká část objemu vzorku jezavedena do kolony

– po definovaném čase jeotevřen dělič, Fi = Fc+Fspl+Fopl

– zbytky vzorku odcházíděličem do atmosféry

Dávkovací parametry– celkový průtok Fi (10 - 300 ml/min)– průtok kolonou Fc (0,1 - 2 ml/min)– objem lineru (100 µl - 1 ml)– objem par vzorku/rozpouštědla po jeho odpaření nesmí překročit 50% objemu lineru

(nebezpečí vzniku "backflash")

Fi

Fc

FoplFspl


Dávkování vzorků - Splitless - Čas dávkováníČas dávkování (Hold time)

– doba uzavření děliče, kdy páry vzorku vstupují na kolonu– liner se chová jako logaritmický zřeďovač (koncentrace klesá exponenciálně s časem)– po jeho uplynutí se zbytky vzorku vypláchnou mf do atmosféry, pík rozpouštědla

nechvostuje

Teplota kolony– musí být min. 20°C pod bodem varu použitého rozpouštědla– vhodná jsou rozpouštědla s bv nad 60°C (chlazení termostatu kolony pod 40°C je

dlouhé)

ID kolony (mm) Půtoková rychlost He (ml/min)

Přibližná doba dávkování

0,18 0,3 3 min0,25 0,7 1,5 min0,32 1,2 45 s0,53 2,6 30 s

2 µl CH2Cl2, 68,94 kPa, 250°C


Dávkování vzorků - Splitless

Dávkování bez děliče toku (Splitless)

Výhody– pro velmi zředěné vzorky, stopová analýza– pro poměrně čisté vzorky– lze automatizovat– použití stejného injektoru jako s děličem

Nevýhody– může docházet k rozkladu vzorků vzhledem k delší době pobytu

vzorku v lineru– "backflash"– potřeba refokusace zóny vzorku (bez něj jsou píky velmi rozmyté a

silně chvostují)– nutná optimalizace (čas, objem vzorku, refokusace)


Dávkování vzorků - Backflash

Známky výskytu backflash– špatná reprodukovatelnost ploch píků– chvostující píky– "ghost" píky– nelineární závislost plochy píků na dávkovaném objemu vzorku– typické pro splitless a on-column dávkování

Objem par (µl)Dávkovaný objem (µl) H2O CS2 CH2Cl2 Hexan Isooktan

0,5 710 212 200 98 78

1,0 1420 423 401 195 155

2,0 2840 346 802 390 310

5,0 7100 2120 2000 975 775

Objem lineru 1 ml, teplota 250°C, tlak 68,95 kPa


Dávkování vzorků - Kapilární kolony - On column

©R

.P.W

.Sco

tt-G

asC

hrom

atog

raph

y

Dávkování přímo do kolony

– celý dávkovaný objem vzorkustříkačkou zaveden přes septum (a příp. i liner) do kolony

– relativně velký objem par rozpouštědla způsobí velkérozmytí píků

– rozmytou zónu vzorku nutno opět zakoncentrovat("refocusing")

Podmínky– kompatibilita polarity

vzorku/rozpouštědla a sf– nutná refokusace


Dávkování vzorků - RefokusaceMetoda "Retention Gap"Průběh dávkováníA - retention gap = počáteční část

kolony bez sf, teplota kolony (většinou nízká na začátku teplotního programu)

B - dávkování kapalného vzorkuC - rozdělení kapalného vzorku na

částiD - odpaření všech částí vzorkuE - začátek akumulace na sfF - vzorek bodově zakoncentrován

na sf

© R.P.W.Scott - Gas Chromatography

A

B

C

D

E

F

mf


Dávkování vzorků - RefokusaceMetoda "Solute Focusing"Průběh dávkováníA - obě zóny chlazenyB - dávkování kapalného vzorku

do zóny 1C - rozdělení kapalného vzorku na

částiD - odpaření a odstranění

těkavého rozpouštědla, složky vzorku rozprostřeny v zóně 1

E - začátek ohřevu zóny 1, odpaření složek vzorku, akumulace na sf chlazené zóny 2, vzorek zakoncentrován v úzkém pásy sf

F - začátek ohřevu zóny 2 a migrace složek vzorku, začátek analýzy © R.P.W.Scott - Gas Chromatography

A

B

C

D

E

F

Zóna 1 Zóna 2


Separační kolony

Seaparační kolona– srdce celého GC systému– místo průběhu separace– parametry separace

• účinnost• selektivita• doba analýzy

– volba kolony• druh SF• rozměry

Špatná volba kolony zaručeně zkazí analýzu!


Náplňové kolonyNáplňovéTrubice plněné náplní tvořenou adsorbentem (GSC) nebo nosičem pokrytým kapalnou stacionární fází (GLC)

– Analytické (HETP ≈ 1 mm)• klasické

– materiál: sklo, nerez, teflon, Al– délka: 30 cm - 5 m– průměr (ID - internal diameter): 2 - 4 mm

• mikronáplňové– materiál: sklo– délka: 50 cm - 4 m– ID: 1 mm

– Preparativní– délka: 2 - 6 m– ID: 8 - 100 mm


Kapilární kolony

Kapilární (HETP ≈ 0,3 - 0,5 mm)Trubice pokryté na vnitřní stěně stacionární fází (SF)

– materiál: tavený křemen (fused silica) potažený ochrannou vrstvou polyimidu– délka: 5 - 100 m– ID: 0,53 mm (Megabore), 0,32 mm, 0,25 mm, 0,1 mm (Fast GC)

– druh a způsob umístění SF• WCOT (Wall Coated Open Tubular)

– kapalná polymerní SF zakotvenána vnitřní stěně kapiláry

– tloušťka filmu SF (df): 0,001 - 5 µm• SCOT (Support Coated Open Tubular)

– částice nosiče pokryté kapalnou fázízachyceny na vnitřní stěně kapiláry

– tloušťka SF: 1 - 5 µm• PLOT (Porous Layer Open Tubular)

– adsorbent (SF) zachycen na vnitřnístěně kapiláry


Náplňové kolony - Nosiče SF

Vlastnosti nosiče SF– inertnost, chemická stabilita

• úpravy pro zvýšení inertnosti– kyselé praní (acid wash - AW)– alkalické praní– silanizace povrchu dimethyldichlorsilanem (DMCS) nebo

hexamethyldisiazanem (HMDS)

– mechanické vlastnosti• tvrdost: nesmí se drobit• malý specifický povrch: 0,5 - 20 m2/g (nesmí vykazovat adsorpční

vlastnosti)• zrnitost: 0,1 - 0,2 mm, 60 - 200 Mesh• porozita: ID pórů 0,1 - 1,5 µm, specifický objem pórů 1 ml/g


Náplňové kolony - Nosiče SF

Materiál nosičů– křemelina (křemičitany a hlinitokřemičitany)

• Chromosorb (AW, AW DMCS), Gas-Chrom, Chromaton, Inerton, Celite

– pálené cihly (podstatně tvrdší ne křemelina)

• Chromosorb P, Diatoport P, Anakrom P, Chezasorb, Rysorb

– skleněné kuličky (silanizované)

– teflonové kuličky (max. do 250°C)


Stacionární fáze - Adsorbenty

Adsorbenty pro GSCrelativně veliký specifický povrch (1 - 100 m2/g)

– molekulová síta na bázi aktivního uhlí (Carbosieve B) - permanentní plyny, voda, uhlovodíky

– grafitizovaný uhlík (graphitized carbon, Carbopack B a C) - karboxylovékyseliny, aminy, alkoholy

– silikagel (SiO2, Porasil, Spherosil) - permanentní plyny, COS, H2S, CS2, SO2, thioly

– alumina (Al2O3) - nižší uhlovodíky

– molekulová síta (3A - permanentní plyny, CO2, 4A - H2S, SO2, 5A - HCl, Cl2)– polymery

• polystyren (Chromosorb 103) - aminy, amidy, alkoholy, aldehydy, ketony

• styren-divinylbenzen (Chromosorb 102, Porapak P) - permanentní plyny, voda, alkoholy

• ethylvinyl-divinylbenzen (Porapak Q) - uhlovodíky, vodné roztoky org. látek, NOx

• polyvinylpyrolidon (Porapak R) - voda, HCl, Cl2, C1-C6 alkany

• polyvinylpyridin (Porapak S) - alkoholy

• 2,6-difenyl-p-fenylenoxid (Tenax) - alkoholy, glykoly, ethanolamin

• ethylenglykol-dimethylakrylát (Porapak T) - formaldehyd, voda


Kapalné stacionární fáze

Požadavky na kapalné SF– dobrá ale rozdílná rozpustnost pro separované látky

(rozdělovací konstanta, podobné se rozpouští v podobném)

– nízká těkavost (1-10 Pa za pracovních podmínek)

– teplotní stálost (min do 200°C)• teplotní rozsah: dolní mez - teplota tání, horní mez - teplotní

stabilita+těkavost+citlivost použitého detektoru)

– chemicky inertní (nesmí reagovat se separovanými látkami)

– nízká viskozita při pracovní teplotě (nesmí téci)

– dobrá smáčivost nosiče

Dosud popsáno více než 1000 druhů kaplaných SF


Stacionární fáze - kapacitní poměr

Kapacitní poměr β– poměr objemu MF a SF v koloně

– s rostoucí tloušťkou filmu df klesá β a roste retence na koloně

– pro kapilární kolony

kK

VVβ D

SF

MF ==

f

c

drβ

2=

VMF - objem MF, VSF - objem SF,KD - distribuční konstanta, k - separační faktor

rc - poloměr kolony, df - tloušťka filmu SF


Kapalné stacionární fáze - selektivita

Selektivita– schopnost SF rozdělit dvě látky– vyjádření selektivity

• separační faktor α12

• první člen udává relativní těkavost látek a závisí jen na teplotě

• druhý člen vyjadřuje rozdíly interakcí látek se SF - selektivníinterakce

,1 ,1 ,112

,2 ,2 ,2

r D r

r D r

t K Vt K V

α′ ′

= = =′ ′

0 02 2

12 0 01 1

log log logpp

γαγ

= +


Kapalné stacionární fáze - polarita

Polarita kapalných SFLze ji výjádřit ve formě příspěvků jednotlivých mezimolekulárních sil k interakci molekula látky - molekula SF

Látka OrientačníJ/mol

IndukčníJ/mol

DisperzníJ/mol

SoučetJ/mol

Dipólmoment1030 C/m

Polarizo-vatelnost1024/cm

Ar 0,0 0,00 8500 8500 0,00 1,63

CO 0,4 8,36 8730 8738 0,40 1,99

HI 25 113 25800 25938 1,27 5,40

HBr 685 500 21900 23085 2,61 3,58

HCl 3300 1000 16800 21100 3,44 2,63

NH3 13300 1550 14700 29550 5,01 2,21

H2O 36300 1920 9000 47220 6,15 1,48



Klasifikace SF dle polarityRohrschneider a McReynolds

– využití Squalanu jako referenční SF (100°C, 10% pokrytí nosiče)

– McReynoldsovy indexy• ∆Itl = Itl - Isq , kde I - Kovatsův index

– sada testovacích látek• benzen (∆I = X) - disperzní, indukované dipóly, π-π• butanol (∆I = Y) - H-můstky, donor e-páru• 2-pentanon (∆I = Z) - orientační, akceptor el.páru• nitropropan (∆I = U) - donor el.páru, • pyridin (∆I = S) - H+-akceptor

– polarita SF: P = X+Y+Z+U+S– příspěvky nosiče k P

1

log log100 100log log

r n

n n

t tI nt t+

′ ′−= +

′ ′−



Příklady komerčních SFMcReynoldsovy indexyNázev SF Pracovní teplota,

°C X Y Z U S P

Apiezon Lsměs vyšších uhlovodíků

50-300 32 22 15 32 42 143

OV-17fenyl-methylsilikon

0-350 119 158 162 243 202 884

OV-210kyanopropyl-methylsilikon

0-275 146 238 358 468 310 1520

Carbowax 20Mpolyethylenglykol

60-250 322 536 368 572 510 2308

DEGSdiethylenglykolvínan

20-200 492 733 581 833 791 3430

OV-275dikyanoalkylsilikon

0-275 629 872 763 1106 849 4219


Příprava náplňových kolon

Plnění kolon náplní

– použitím přetaku– použitím vakua– použitím ultrazvuku– skleněná či křemenná vata

slouží k zachycení– po malých dávkách

náplně, ~ 0,5 ml

– rovnoměrnost plnění• sklo - vizuální kontrola• ocel - kontrola v GC


Příprava kapilárních kolon

Předúprava kolon - příprava vnitřního povrchu– odmaštění

• detergenty• organická rozpouštědla• vyhřátí na vysokou teplotu v proudu inetrního plynu

– zvýšení smáčivosti (zvýšení drsnosti povrchu)

• kovové kolony - většinou není třeba

• skleněné kolony– plynný HCl, HF nebo methyltrifluorchlorethyleter– vodný roztok HCl při zvýšené teplotě

• křemenné kolony– vodný roztok HCl při zvýšené teplotě


Příprava WCOT kolon - dynamická metoda

Dynamická metoda– roztok SF v těkavém

rozpouštědle protlačovánkolonou konstantní rychlostí 0,5 - 10 cm/s přetlakem inertního plynu za laboratorní teploty

– objem roztoku SF je asi 10% objemu kolony– nelze kontrolovat homogenitu filmu SF– rychlá metoda– zjištění tloušťky filmu obtížné, empirický odhad

2c r

fr

r ud ηγ

=df - tloušťka filmu SF, rc - poloměr kapiláry,u - střední rychlost toku, γr - viskozita roztoku SF, ηr - povrchové napětí roztoku SF


Příprava WCOT kolon - statická metoda

Statická metoda

– celá kapilára naplněna zředěným roztokem SF v těkavém rozpouštědle

– jeden konec kapiláry se uzavře a druhý se připojí k vakuu za laboratorní či zvýšené teploty

– zdlouhavá metoda– dobře definovaná tloušťka filmu SF

200c

fr cd = df - tloušťka filmu SF, rc - poloměr kapiláry,

c - koncentrace roztoku SF v %


Příprava PLOT kolon

– obtížná příprava v laboratořiChemická příprava

– leptáním vnitřního povrchu• skleněné kolony

– plynný HCl, HF nebo methyltrifluorchlorethyleter– vodný roztok HCl při zvýšené teplotě

• křemenné kolony– vodný roztok HCl při zvýšené teplotě

Ze suspenze adsorbentu– zakotvení na vnitřní stěně kapiláry ze stabilní suspenze

adsorbentu nebo nosiče SF• statický způsob• dynamický způsob


Chemicky vázané fáze

Chemicky vázané (imobilizované) SF– snížené těkání SF z kolony za vyšších teplot

(bleeding)– zvýšení teplotního rozsahu kolony– vazby na povrchové silanolové skupiny skla či

křemene• ~Si-O-C-• ~Si-O-Si-• ~Si-C-

– kolony lze proplachovat rozpouštědly při jejich čištění


Termostaty

Termostaty plynového chromatografu– požadavky

• přesnost ±0,2°C izotermálně, ±0,5°C s programovanou teplotou• minimální tepelná kapacita• minimální tepelná vodivost vnitřních částí• minimální tepelná vodivost izolací• minimální odpor převodu tepla od zdroje

– druhy• udržující konstantní teplotu - kontaktní ohřev

– nástřikový systém: laboratorní teplota - 350°C (400°C)– detektory: 110 - 350°C (400°C)

• s programovatelnou teplotou - teplovzdušné– kolonový systém: laboratorní teplota - 350°C (450°C)– rychlý a reprodukovatelný ohřev a chlazení - 0,5 - 20°C/min– lineární (exponenciální, logaritmický) nárůst teploty (temperature ramp)

• speciální– pro velmi rychlé ohřevy - 50 - 1000°C/min - PTV, flash-GC


Detektory

Úkoly– detegovat v nosném plynu složky opouštějící

kolonuPožadavky

– rychlá odezva– velká citlivost– stabilita základní linie– velký lineární dynamický rozsah– nulová odezva na MF– zanedbatelný šum


Detektory - charakteristika

Charakteristikaměřícího zařízení

Citlivost Selektivita

RMRLinearita

Koeficientlinearity

Lineárnídynamický

rozsah

Chybalinearity

LOD, LOQ

Šum


Detektory - Klasifikace

Hlediska klasifikace– Časová závislost odezvy ve frontální a eluční chromatografii

• integrální detektor(b, e)• diferenciální detektor(c,f)

Vstupní koncentračníprofil Integrální detektor Diferenciální detektor

©J.Novák: Quantitative Analysis by Gas Chromatography, M. Dekker Inc., NY, 1988



Hlediska klasifikace– Typ odezvy

• koncentrační detektor (Flow sensitive, a)• hmotnostní detektor (Mass sensitive, b)

Snížení průtokové rychlostiSnížení průtokové rychlosti

© N. Dyson:Chromatographic Integration Methods,RSC Chromatography Monographs, UK, 1996Zastavení průtoku

MF



Hlediska klasifikace– Destrukce analytu

• destruktivní– analyty jsou chemicky změněny– lze je umístit jen na konec měřící sady detektorů

• nedestruktivní– analyty zůstávají nezměněny– lze je řadit libovolně za sebou


Detektory - Signál

Signál detektoru, S– změna hodnoty analytické vlastnosti látek, které do detektoru vstupují

• k - konstrukční konstanta měřícího zařízení• aa - konstanta specifická pro analyt a

– efektivní objem detektoru• prostor, ve kterém probíhá měření• nemusí být shodný s geometrickým objemem

detektoru– v efektivním prostoru detektoru se

mohou nacházet i jiné látky vykazujícístejnou analytickou vlastnost

– celkový měřený signál S:

eluované látky SS , nosného plynu SCa přítomných nečistot SI

– signál základní linie (základní proud- basic current, bc)

ICS SSSS ++=

IC SSbc +=

aS k a c= ⋅ ⋅


Detektory - Odezva

Odezva detektoru, R– koncentrační detektor

• signál je lineární funkcí koncentrace analytu– cm- hmotnostní koncentrace (= m/V) je konstantní

• průtoková rychlost F

• odezva R je přímo úměrná hmotnosti analytu m a nepřímo úměrná průtokové rychlosti F

– nutnost analýzy za konstantního průtoku MF

( )2 2

2 11 1

t t

c a m c at t

mR S dt k a c dt k a t tV

= ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ −∫ ∫

c a mS k a c= ⋅ ⋅

c ak a mVF Rt F

⋅ ⋅= ⇒ =

∆


Detektory - Odezva

Odezva detektoru, R– hmotnostní detektor

• signál je lineární funkcí hmotnostního toku analytu– dm/dt - hmotnostní tok je konstantní

• člen je roven ploše píku A integrovaného

v mezích s-e (start-end)

• odezva R je přímo úměrná hmotnosti analytu m a nezávislá na průtokové rychlosti F

2 2

1 1

t t

m a m at t

dmR S dt k a dt k a mdt

= ⋅ = ⋅ = ⋅ ⋅∫ ∫

m admS k adt

= ⋅ ⋅

∫=e

s

dtSA


Detektory - Odezva

Specifická odezva, ki– odezva detektoru

vztažená na jednotkovou hmotnost analytu

– R ... odezva, A ... plocha píku, m ... hmotnost analytu ve vzorku

Molární odezva, MRi– odezva detektoru

vztažená na jednotkovélátkové množství analytu

– R ... odezva, A ... plocha píku, n ... látkovémnožství analytu ve vzorku

i ii

i i

R Akm m

= ≈ i ii

i i

R AMRn n

= ≈


Detektory

Citlivost

– odpovídá směrnici závislosti odezvy na

• koncentraci (koncentrační d.)

• hmotnostním toku (hmotnostní d.)

c a

m

Sk ac

⋅ =

m aSk admdt

⋅ =⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

y = 9.9189x + 1.5077R2 = 0.9999

0

2

4

6

8

10

12

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Koncentrace (mmol/l)

Sign

ál (a

.u.)

S = a*c + bc S

0.01 1.66

0.02 1.67

0.05 2.01

0.1 2.45

0.5 6.51

1 11.41

,c m aS k a c= ⋅ ⋅

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Koncentrace (mmol/l)C

itliv

ost

S = a*c + b

Citlivost: a = (S - b) / c

+5%

-5%


Detektory

Linearita– koeficient linearity, l

• ka - konstrukční konstanta měřícího zařízení• aa - konstanta specifická pro analyt a

– směrnice funkční závislosti– určení l

• logaritmické souřadnice

– lineární měřící zařízení má l =1

laaaa cakS ⋅⋅=

log log( ) loga a a aS k a l c= ⋅ + ⋅ ⋅

y a x b= ⋅ +

log( ) (log )S f c=


Detektory

Linearita

– vliv linearity na signál

Vliv linearity na signál

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 50 100Koncentrace

Sign

ál

10,5


0

500

1000

1500

2000

2500

0 50 100

Koncentrace

Sign

ál

11,5


0,00

0,01

0,10

1,00

10,00

100,00

1000,00

0 0 0,01 0,1 1 10 100 1000

Koncentrace

Sign

ál

10,51,5


DetektoryLineární dynamický rozsah (LDR)

– rozsah koncentrace (množství) analytu v němž je koeficient linearity l konstantní v rámci zvolené chyby linearity

– měřící zařízení může mít více LDR podle hodnoty chyby linearity– citlivost detektoru je v něm konstantní

Chyba linearity– předem dohodnutá hodnota odchylky koeficientu linearity, zpravidla do 5%– určuje lineární dynamický rozsah detektoru– s její rostoucí hodnotou roste LDR detektoru

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Koncentrace (mmol/l)

Citl

ivos

tS = a*c + b

Citlivost: a = (S - b) / c

+5%

-5%

Chyba liearity

Chyba linearity

log (ka·aa)

LDR

log c

l

©J.

G.K

.Ševčí

k: P

lyno

vách

rom

atog

rafie

a je

jíap

likac

e v

orga

nick

éan

alýz

e


Detektory

Šumnechtěné výchylky signálu detektoru kolem základní linie

– původ• chemický• elektronický

– vlastnosti• frekvence, fn• amplituda

– druhy• bílý

– součet + a - výchylek je nulový v intervalu našeho měření

• náhodný– součet + a - výchylek není nulový

• drift– součet + a - výchylek vykazuje časovou závislost

– druhy• krátkodobý - fn > 1 Hz

– srovnatelný s velmi úzkými píky

• dlouhodobý - fn = 1.67 - 16.7·10-3 Hz– srovnatelný s píky

Chyby způsobované šumem– záměna šumu za signál analytu– nesprávné určení začátku a konce

píku– rozštěpení píku na dva zdánlivé píky

ŠUM ROZHODUJE O LIMITECH DETEKCE A

STANOVITELNOSTI


Detektory

Poměr signálu a šumu (S/N)– určuje nejmenší pík, který je

možno jdenoznačně odlišit od šumu

– porovnání výšky píku a šumu v jeho blízkosti

Mez detekce(limit of detection, LOD)

– určuje minimální výšku píku, která je odlišitelná od šumu pro S/N = 3

– pod tuto mez nelze jednoznačně rozhodnout, zda je analyt přítomen

Mez stanovitelnosti(limit of quantitation, LOQ)

– určuje minimální výšku píku, jehož výšku či plochu lze změřit s dostatečnou přesností při S/N = 10

– pod tuto mez nelze určit množství analytu, pouze jeho přítomnost


Detektory

Signál analytu

Signál měřícího zařízení

Analytnení

detegovánS/N < 3

Analytje

detegovánnelze hostanovit

3 < S/N <10

Analytlze

stanovitS/N > 10

0 Sbc Sbc + 3σ Sbc + 10σ

0 LOD LOQ


Detektory

Selektivita, Γ12– vlastnost měřícího zařízení vyjadřující poměr citlivostí dvou analytů

– kde k1a1 > k2a2 ,index 2 - standard

– je vždy závislá na volbě standardu

Relativní molární odezva detektoru (RMR)

– kde a je analytická vlastnost analyt

– poměr molárních odezev analytu (1) a standardu (2)

1 112

2 2

k ak a

⋅Γ =

⋅

1 112

2 2

MR aRMRMR a

= =


Detektory

Zkreslení signálu detektoru– skoková změna koncentrace látky v detektoru vyvolá změnu signálu

až po určité době– analogový signál zkreslen– objemem detektoru

• zesilovačem signálu••• systémem zpracování signálu

– každý z dějů zkreslujících signál charakterizován časovou konstantou– celková časová konstanta měřícího zařízení je kombinací časových

konstant jednotlivých dějů– dílčí časové konstanty prakticky nezjistitelné– čas odezvy měřícího zařízení


Detektory

Zkreslení signálu detektoru– časová konstanta detektoru τ

• signál je exponenciální funkcí času• 3τ - doba dosažení 96% konečné hodnoty signálu

• reálné systémy se zřídka chovají takto exponenciálně


DetektoryČas odezvy měřícího zařízení

– odpovídá času dosažení 90% konečné hodnoty signálu– složen z

• zpoždění - čas dosažení 10% konečné hodnoty signálu• intervalu vzrůstu/poklesu - čas odpovídající nárůstu z 10% do 90% konečné

hodnoty signálu• nárůst a pokles signálu bývají často nesymetrické (např. biosenzory)

© J.G.K.Ševčík: Plynová chromatografie a její aplikace v organické analýze


Detektory - TCD

Tepelně vodivostní detektor (TCD, katarometr)Typ: nedestruktivní, koncentrační, neselektivní (univerzální)

Princip– odvod tepla od elektricky vyhřívaného odporového vlákna (Pt, W, Ni),

termistoru nebo tranzistoru efluentem kolony• čistá MF - konstantní odvod tepelné energie - konstantní odpor čidla ve

Wheastonově kompenzačním můstku - ten je vyvážen - nulová linie signálu• MF s analytem - mění se tepelná vodivost efluentu a současně i odvod tepelné

energie - čidlo mění teplotu a odpor - rozvážení W. můstku - signál analytu

Ochlazení vlákna - hustota tepelného toku ψ– úměrná tepelné vodivosti prostředí λ [ J/m.s.K]

a teplotnímu gradientu dT/dx [K/m]

Tepelná vodivost plynů λ– aditivní vlastnost

• x ... látkový zlomek

dTdx

ψ λ=

AB A A B Bx xλ λ λ= ⋅ + ⋅


Detektory - TCDMF

– vhodné plyny s vysokou tepelnouvodivostí - H2 a He

Odezva– všechny látky mající rozdílnou tepelnou

vodivost od nosného plynuCitlivost TCD

– roste s rozdílem teploty čidlaa stěn detektoru

– roste se žhavícím proudem čidla - ale roste i šum a klesá životnost čidla– vysoká citlivost pro plyny s nízkou

molekulovou hmotností– oproti FID a ECD nízká– závisí velmi na tlaku a průtoku– okolo 1 µg/ml

Lineární dynamický rozsah– lineární dynamický rozsah asi 500


Detektory - FID

Plamenoionizační detektor (FID)Typ: destruktivní, hmotový, málo selektivní

Princip– měření vodivosti plamene - čistý plamen H2-vzduch obsahuje velmi málo iontů

(107/cm3) - je nevodivý (zákl. proud asi 10 pA, šum asi 0,1 pA)– v přítomnosti stop uhlovodíků počet iontů a elektronů silně roste a tudíž i vodivost

plamene vzrůstáMechanismus ionizace

– tepelná energie hoření štěpí chemické vazby organických látek (velmi nízká ionizačníúčinnost - 0,002% ~ 2 ionty na 100 000 molekul)

– vznikají radikály reagující v redukční části plamene s H2 za vzniku CH•

– CH• v oxidační části plamene oxidují CH• + O = CHO+ + e-

– dále vznikají i neutrální částice CH• + O2 = CHO + OCH• + O2 = CO + OH

– ionty také zanikají rekombinací CHO+ + OH- = CHO + OHCHO+ + H2O = CO + H3O+

H3O+ + e- = H2O + H– tyto reakce silně ovlivňují heteroatomy - halogeny, P, S, N

MF– N2, H2, He


Detektory - FID

Odezva– závisí na počtu efektivních C atomů v molekule - poskytují CH•

Atom Typ vazby Počet efekt. atomů CC jednoduchá v alifatických uhlovodících 1,0C násobná v aromatických uhlovodících 1,0C násobná v alkenech 0,95C násobná v alkinech 1,30C C=O 0,0C -C N 0,3O C-O-C -1,0O C-OH v primárních alkoholech -0,6O C-OH v sekundárních alkoholech -0,75O C-OH v terciárních alkoholech -0,25Cl C-Cl v alifatických uhlovodících -0,12Cl C-Cl v alkanech 0,05

≡


Detektory - FID

Odezva– RMR lze považovat za aditivní:

a - počet funkčních skupin A, b - početfunkčních skupin B, ∆RMR - příspěvekfunkční skupiny

– nedávají látky neposkytující termickýmštěpením radikál CH• - H2O, CO2, CS2,permanentní plyny

– heteroatomy většinou snižují

Citlivost– závislá na

• konstrukci• průtocích H2, vzduchu a MF• ionizačním napětí (100 - 300 V)

....a bRMR a RMR b RMR= ⋅ ∆ + ⋅ ∆ +

Funkční skupina Příspěvek RMR

-CH2-OH 55

-CO-CH3 100

-CH2-CO- 135

-CH=O 0

-CO-CO- 90

-CO-CH2-CO- 170

-O-CH2- 0

primární -OH -45

sekundární -OH -65


Detektory - FID

Citlivost– závislá na

• konstrukci• průtocích H2, vzduchu a MF• ionizačním napětí (100 - 300 V)

– řádově 10 pg/s

LDR– je jeden z největších známých– až 6 řádů

• je zapotřebí několika zesilovačů


Detektory - AFID

Termoionizační detektor (TID, AFID, NPD)Typ: destruktivní, hmotnostní, selektivní

Princip– měření vodivosti plamene - v blízkosti plamene H2-vzduch je umístěna elektroda z

halogenidu alkalického kovu (CsBr)– účinkem tepelné energie se halogenid rozpadá

– excitovaný atom alkalického kovudeaktivuje nebo ionizuje

– v přítomnosti stop látek obsahujících heteroatomy (N, P, S, Cl) se tvoří v plameni radikály, které specificky reagují s ionty alkalického kovu - dochází ke změně proudu

MF– jako u FID

*CsBr Cs Br∆⎯⎯→ +

*

*

Cs Cs hCs Cs e

ν+ −

→ +

→ +

Odezva– silně závislá na

• průtocích plynů• pozici halogenidové elektrody


Detektory - AFID

Citlivost– asi 1 pg P/s, 10 pg N/s

Selektivita– P(110) > N(10) > S(5) ≥ Cl(5) > As(1) ≥ Bi(1)

LDR– 1000 (F a N) až 1 000 000 (Cl)

Linearita– od -1 do 1


Detektory - ECD

Detektor elektronového záchytu (ECD)Typ: nedestruktivní, hmotový, selektivní

Princip– pokles ionizačního proudu detektoru při průchodu eluované látky

detektorem– průtok čisté MF

• mezi sběrnými elektrodami prochází ionizační proud(1 - 10 nA, šum asi 1 pA)

• je daný ionizací N2 β částicemi emitovanými– 63Ni (poločas rozpadu 120 let,

max. energie β-částic je 67 keV)– 3H ( poločas rozpadu 12,3 let,

max. energie β-částic 18 keV)

• proud generovaných elektronů (primárních - 1, sekundárních - 3, ..., termální - t) mezi elektrodami se měří v pravidelných intervalech pomocínapěťových pulsů (2 - 100 V)

2 2 1

2 1 2 2

2 2 2 3

2 2

2

2

2n t

N N e

N e N e

N e N e

N e N e

β + −

− + −

− + −

− + −

⎯⎯→ +

+ → +

+ → +

+ → +


Detektory - ECD

Princip– průtok MF s analytem obsahujícím elektronegativní skupiny

• záchyt pomalých (termálních elektronů) a tvorba podstatně těžších aniontů

• těžké anionty nepřispívají k měřenémuproudu protože v krátké době napěťovéhopulzu nestačí doletět ke sběrnéelektrodě (anodě)

te AB AB− −+ →


Detektory - ECD

MF– hlavně N2, ale i He a směs 10% CH4 v Ar

Odezva– závislá na délce, frekvenci a amplitudě napěťových pulsů

Citlivost– nejcitlivější detektor (mimo MS), 0,1 pg/s pro halogenované

sloučeniny

LDR– v pulzním režimu od 10 000 do 100 000

Linearita– od 0,5 do 1


Detektory - PID

Fotoionizační detektor (PID)Typ: nedestruktivní, hmotový, neselektivní

Princip– měření změn ionizačního proudu mezi elektrodami– ionizace fotony o energii od 10 do 20 eV– zdroj fotonů

• doutnavý výboj plynu (Ar, He, H2) za nízkého tlaku (0,01 - 1 kPa)• proud fotonů optickým systémem veden do měřící cely se sběrnými

elektrodami kudy prochází nosný plyn z kolony– použité fotony nejsou schopny ionizace nosného plynu– vstupem eluované látky do detektoru dojde k její fotoionizaci– vzniklé nabité částice jsou zachytávány v elektrickém poli na

sběrných elektrodách, čímž vzniká měřený proud

hA A eν + −⎯⎯→ +


Detektory - PID

MF– N2, He

Odezva– PID poskytuje negativní signál pro

převážnou většinu organických látek.

Citlivost– necitlivý na malé změny průtokové

rychlosti nosného plynu– základní proud detektoru velmi nízký

( pod 10 pA, šum pod 0,1 pA)– ionizovat lze pouze takové látky, které

mají ionizační potenciál nižší než je energie fotonů (11,2 eV, většina organických látek)– běžné nečistoty nosného plynu (voda a kyslík) nevadí - jejich ionizační potenciál je

vyšší než energie fotonů

LDR– kolem 4 řádů koncentrace– snižuje se s růstem koncentrace elektronegativních látek v důsledku rostoucího vlivu

elektronového záchytu


Detektory - HeD a ArD

Heliový a argonový detektor (HeD, ArD)Typ: nedestruktivní, hmotový, neselektivní

Princip– měření změn ionizačního proudu– ionizace analytů metastabilními stavy He a Ar– atomy plynu převáděny do metastabilního

stavu srážkami s částicemi β, elektrickým výbojem nebo fotochemicky– energie metastabilního stavu He je 20,6 eV, Ar 11,8 eV

Odezva– He* je schopno ionizovat prakticky

všechny látky, kromě Ne– Ar* dovoluje detekci pouze těch látek s ionizačním potenciálem pod

11,8 eV– ionizace primárními elektrony radioaktivního zdroje přispívá k

ionizačnímu proudu

*1 2He e He e− −+ → +

*He A He A e+ −+ → + +

1 22A e A e− + −+ → +


Detektory - HeD a ArD

MF– vysoce čisté He a Ar (99,9999%)

Citlivost– HeD velmi citlivý na přítomnost

nečistot v nosném plynu– nejvyšší ze všech ionizačních

detektorů, 0,1 pg/s– HeD je univerzální detektor– ArD není schopen detegovat jen

málo organických látek

LDR a linearita– silně závislé na experimentálních

podmínkách

Documents

Folie 1 - cuni.cz