🗊Презентация Cromatografia de gaze

Cromatografia de gaze

Compuşii amestecului supus separării nu trebuie să fie neapărat gaze, ci pot fi şi lichide sau chiar solide volatile. Compuşii amestecului supus separării nu trebuie să fie neapărat gaze, ci pot fi şi lichide sau chiar solide volatile. Substanţele de analizat se introduc în coloana de separare, la o temperatură potrivită, prin intermediul unui dispozitiv de introducere a probei.

Schema de principiu a unui cromatograf de gaze Astfel gazul purtător (eluentul), de exemplu hidrogenul sau heliul, părăseşte cilindrul sub presiune, 1, în care acesta se găseşte iniţial şi pătrunde în coloană, la o presiune de intrare, cu ceva peste cea atmosferică (1 - 3 atm), prin intermediul unui reductor 2. Apoi gazul se ramifică (opţional) prin două conducte. O parte intră în coloană, în mod continuu iar cealaltă ramură, direct în detector. Coloana, 4, se află într-o etuvă - termostat, 3, izolată termic şi prevăzută în exterior cu un dispozitiv pentru introducerea probei (care de regulă include şi o microseringă), notat S, etuvă care mai este dotată în interior cu un ventilator V şi cu un dispozitiv electric de încălzire - termostatare, R. În coloana cromatografică se produce separarea probei. Aceasta se introduce în coloană doar după ce instrumentul este în regim de funcţionare continuă şi a fost adus la temperatura de lucru. După ce părăseşte coloana, 4, gazul purtător intră, antrenând pe rând componentele separate, în celula de măsură din detector de unde iese în atmosferă sau se colectează separat.

Faza mobilă în această tehnică este un gaz: hidrogenul, heliul, azotul sau argonul. Faza mobilă în această tehnică este un gaz: hidrogenul, heliul, azotul sau argonul. Gazul nu trebuie să conţină urme de apă, oxigen sau dioxid de carbon care pot prejudicia fazele staţionare. De aceea se mai intercalează filtre cu dublu rol: uscare, respectiv, reducerea oxigenului, dispozitive situate imediat după sursa de gaz.

Aspectul unei seringi micrometrice folosite în GC Introducerea probei se realizează cu aşa-numitele seringi micrometrice în cazul probelor care au volumele în domeniul 0,1 - 10 µl. Cu acestea, după umplerea cu volumul de probă necesar, apăsând pistonul, se injectează conţinutul prin cauciucul siliconic sau garnitura inelară a unui “septum” din dispozitivul de introducere a probei.

Dispozitivele pentru injecţie Dispozitivele pentru injecţie au rolul de a permite introducerea seringii şi totodată, de a provoca volatilizarea probei în curentul de gaz purtător cât mai aproape de intrarea în coloană. Aceste dispozitive sunt diferite în funcţie de coloanele utilizate.

Incinta termostatată în care se află coloana, numită etuvă-termostat, are temperatura reglabilă într-un domeniu larg (40 – 450 °C) fiind foarte precis stabilizată ("0,1 °C) şi totodată ventilată, pentru o egalizare rapidă a temperaturii. Incinta termostatată în care se află coloana, numită etuvă-termostat, are temperatura reglabilă într-un domeniu larg (40 – 450 °C) fiind foarte precis stabilizată ("0,1 °C) şi totodată ventilată, pentru o egalizare rapidă a temperaturii. La anumite cromatografe, se pot executa “programe de temperatură”, adică încălziri controlate ale coloanei, în timp, pe parcursul efectuării analizei. Are loc în acest fel o volatilizare treptată a compuşilor - la început ies cei volatili şi la urmă, cei mai puţin volatili. Programele se stabilesc prin încercări experimentale.

Detectorii gaz cromatografici Detectorii sunt instrumentele analitice propriu zise din gaz cromatografe, având rolul de a sesiza în mod continuu, rapid şi cu o mare sensibilitate, componentele din proba supusă analizei.

Detectorii gaz cromatografici

Principiul de funcţionare al detectorului catarometric

Rezistenţa este un filament metalic spiral (asemănător cu cel din becurile electrice) izolat electric faţă de incintă, prin care circulă gazul purtător. Detectorul are două celule: una de măsură, R1, căreia îi variază rezistenţa în funcţie de componentul intrat şi alta - numită celulă de referinţă, R2, prin care trece doar gazul purtător (a cărei rezistenţă rămâne constantă). Volumul celulelor diferă, fiind cuprins între 2,5 - 100 µl. Cea mai ridicată conductivitate termică dintre toate gazele o au hidrogenul şi heliul. De aceea acest detector este preferat când gazul purtător este unul dintre acestea. Catarometrul (TCD) este de altfel singurul detector capabil să analizeze gazele permanente: N2, O2, CO, CO2, CH4, etc., motiv pentru care nu lipseşte aproape din nici un gaz -cromatograf.

Detectorul bazat pe ionizare în flacără Acesta este unul din cei mai folosiţi detectori, în special datorită sensibilităţii sale ridicate la compuşii cu carbon, practic nelipsiţi din orice tip de gaz-cromatograf dedicat analizei substanţele organice. Funcţionarea sa are la bază modificarea conductibilităţii electrice a gazelor în prezenţa unor particule încărcate (de regulă molecule ionizate). Dacă la presiunea şi temperatura ambiantă un gaz aflat între doi conductori este un izolator foarte bun, în momentul când între cei doi electrozi apar particule încărcate electric, în urma deplasării acestora în câmpul creat, apare un curent electric. Ionizarea moleculelor probei este intensificată de prezenţa unei flăcări de hidrogen, care arde într-o incintă aflată în aer, flacără ce atinge temperaturi de 2000 -2200oC. Cele mai slabe semnale, care nu pot servi unei analize chimice, le dau substanţele alcătuite din moleculele covalente simple: N2, O2, CO, CO2, H2O, CS2, NH3, CCl4, SiCl4, oxizi de azot, He şi alte gaze rare.

Detectorul bazat pe ionizare în flacără De acea gazul purtător în cromatografia de gaze este N2, He sau Ar, condiţii în care detectorul dă un semnal de bază minim, foarte stabil În momentul apariţiei in flacără a unor molecule organice, de exemplu hidrocarburi sau derivaţi, ionizarea duce la un semnal (curent) specific fiecăreia dintre acestea. Curentul se transformă în tensiune pe rezistenţa cu valoare ridicată R. Şi aici debitele gazelor trebuie să fie riguros constante. Sensibilitatea FID la fluctuaţiile debitului şi ale temperaturii sunt ceva mai mici decât la detectorul bazat pe conductibilitatea termică În gazul purtător provenit din coloană, se adaugă hidrogenul necesar şi un alt gaz inert (N2, Ar), gaz ce sporeşte sensibilitatea detectorului, din motivul amintit anterior.

Detectorul cu captură de electroni Gazul purtător este în acest caz azotul. La pătrunderea în detector, acesta este ionizat de către o sursă β – radioactivă. Gazul, trece apoi printre doi electrozi, între care se asigură o cădere de tensiune de o sută de volţi de regulă între un electrod central, pozitiv şi corpul electrodului - negativ. În lipsa oricărei molecule organice în gazul purtător, există un curent de bază redus datorat moleculelor de azot (N2) - ionizate negativ. La apariţia în detector a unei molecule organice M, care conţine elemente electronegative (ca Cl sau F) - cu mare afinitate pentru electroni, aceasta va “capta” o parte dintre electronii radiaţiei β -. Va apărea, în consecinţă, o diminuare a curentului de recombinare a ionilor de semne contrare.

Au loc aşadar transformările:

Detectorul bazat pe fotoionizare Detectorul bazat pe fotoionizare (PID) este un detector deopotrivă sensibil şi specific pentru hidrocarburi aromatice şi cu heteroatomi (P şi S) în moleculă. Dispozitivul se bazează pe capacitatea razelor UV de a ioniza moleculele organice, care părăsesc coloana o dată cu gazul purtător. Analog cu metoda precedentă, bazată tot pe ionizare, ionii produşi sunt colectaţi pe doi electrozi, cel pozitiv fiind cel demontabil (permiţând astfel întreţinerea periodică). Deoarece fracţiunea moleculelor ionizate este mică, PID se consideră un detector nedistructiv şi poate fi înseriat cu alţi detectori.

Coloanele gaz cromatografice

Coloanele sunt inima oricărui cromatograf de gaze şi sediul separării respectiv al corectitudinii rezultatului analizei chimice. Iniţial au existat două tipuri de coloane: cu umplutură şi coloane capilare. Coloanele sunt inima oricărui cromatograf de gaze şi sediul separării respectiv al corectitudinii rezultatului analizei chimice. Iniţial au existat două tipuri de coloane: cu umplutură şi coloane capilare. Din anii 1990 a mai apărut un tip - coloanele “530 µm” (whide bore) - care deşi nu mai sunt coloane capilare, în adevăratul sens al cuvântului, păstrează geometria şi tipurile de umplutură ale coloanelor capilare. Coloanele cu umplutură – primele coloane cunoscute în GC -sunt confecţionate din tuburi (oţel, sticlă sau alte materiale), având diametre cuprinse între 2 – 8 mm - şi conţin adsorbenţi, site moleculare sau un suport inert pe care se găseşte depus sau legat chimic un film subţire dintr-o fază staţionară.

Umplutura coloanei constă dintr-o anumită fază staţionară-activă care se depune pe granulele umpluturii inerte şi poroase, în afara coloanei (după dizolvarea acesteia într-un solvent potrivit ales) prin amestecare urmând apoi evaporarea solventului într-o etuvă. Umplutura coloanei constă dintr-o anumită fază staţionară-activă care se depune pe granulele umpluturii inerte şi poroase, în afara coloanei (după dizolvarea acesteia într-un solvent potrivit ales) prin amestecare urmând apoi evaporarea solventului într-o etuvă. Doar apoi umplutura se introduce în coloană şi coloana se montează în cromatograf, prin intermediul unor racorduri filetate.

Coloanele capilare sunt, la rândul lor, de cel puţin două tipuri: cu fază staţionară depuse chiar pe peretele coloanei capilare sau cu faza staţionară depusă pe un suport solid, poros, aderent, format în prealabil pe peretele acesteia. Coloanele capilare sunt, la rândul lor, de cel puţin două tipuri: cu fază staţionară depuse chiar pe peretele coloanei capilare sau cu faza staţionară depusă pe un suport solid, poros, aderent, format în prealabil pe peretele acesteia. Au diametre 0,1 - 0,35 mm şi lungimi între 5 - 100 m, separarea durând ceva mai mult decât la cele cu umplutură. Cu cât coloana este mai lungă durata analizei creşte. Coloanele capilare se confecţionează în ultimul timp mai ales din sticlă de cuarţ. În exterior acestea sunt îmbrăcate într-un polimer - poliamidă -pentru a rezista mai bine la şocuri mecanice respectiv la coroziune (în acelaşi scop se mai foloseşte aluminiul).

Fazele staţionare Fazele staţionare sunt şi ele de mai multe feluri: polare, de exemplu polietilenglicoli, nepolare de exemplu cauciucuri siliconice, intermediare şi în sfârşit cele cu punţi de hidrogen sau cele specifice (de exemplu cele destinate separării amestecurilor racemice). Fazele staţionare sunt lichide sau solide. Fazele staţionare lichide sunt formate din lichide nevolatile având o compoziţie chimică foarte variată (peste 100 de tipuri).

Analiza calitativă În GC analiza calitativă se poate realiza fie pe baza utilizării timpilor de retenţie ajustaţi, tR' fie pe baza volumelor de retenţie ajustate, VR' măsurate experimental în cazul probei necunoscute şi comparate cu valorile similare ale unor probe cunoscute. Deci pentru orice analiză calitativă este nevoie de substanţa pură, lucru nu întotdeauna accesibil. De aceea cuplajul cu spectrometria de masă a depăşit acest neajuns, devenind una dintre cele mai bune tehnici de analiză calitativă. Dar pentru că ambii parametri depind, în mare măsură, de o serie de condiţii experimentale ca temperatura, debitul gazului purtător, cantitatea de fază lichidă etc, identificarea substanţelor se face în mod obişnuit prin utilizarea indicilor de retenţie Kováts. Aceşti indici, notaţi în continuare cu I, sunt practic independenţi de factorii amintiţi. Astfel, pentru orice substanţă se caută o pereche de n-alcani care dau picuri situate ca timp de retenţie unul înainte, altul după substanţa amintită. Din cele trei valori tR’ se calculează valorile I. Indicii de retenţie Kováts exprimă retenţia relativă a unei substanţe oarecare, fie cunoscută, fie necunoscută, raportată la cea a unor alcani normali, luaţi drept substanţe de referinţă (sau etalon). Formula de calcul, propusă de autorul metodei, pentru indicii amintiţi este:

unde t'R,X, t'R,n şi t'R,n+1 sunt timpii de retenţie ajustaţi pentru substanţa necunoscută X respectiv alcanii cu n respectiv n+1 atomi de carbon. Valoarea n se alege astfel ca t'R,n < t'R,X <t'R,n+1 adică, în aşa fel ca timpul de retenţie al substanţei necunoscute să fie cuprins între timpii de retenţie ai celor doi alcani. unde t'R,X, t'R,n şi t'R,n+1 sunt timpii de retenţie ajustaţi pentru substanţa necunoscută X respectiv alcanii cu n respectiv n+1 atomi de carbon. Valoarea n se alege astfel ca t'R,n < t'R,X <t'R,n+1 adică, în aşa fel ca timpul de retenţie al substanţei necunoscute să fie cuprins între timpii de retenţie ai celor doi alcani.

Analiza cantitativă În anumite condiţii (pe porţiuni liniare ale răspunsului detectorului, condiţii experimentale identice etc), suprafaţa dintre linia de bază şi curba picului cromatografic - semnalul analitic - este proporţională cu cantitatea de component injectată. Deci, pe domeniul liniar al detectorului, oricare ar fi acesta, există relaţia: Masa injectată = K· (Aria picului)

Analiza cantitativă Această proprietate poate servi pentru construirea unei curbe de etalonare fiind general valabilă atât în cazul GC cât şi în celelalte tehnici cromatografice. Se poate şi aici aplica metoda adausului standard, mai ales la domenii liniare largi.