Gaasikromatograafia aparatuur

1. Gaasikromatograafiaaparatuur • Vaatleme gaasikromatograafia sõlmesid, mis ei ole seotud statsionaarse faasiga: • Gaasisüsteemid • Sisestussüsteemid • Detektorid

2. Gaasikromatograafia aparatuur Tüüpiline gaasikromatograaf koosneb järgmistest osadest: • Gaasisüsteem Siia kuuluvad peale gaasiballoonide ja gaasitrasside ka veel gaasiphastid ja ning gaasi voolukiiruse regulaatorid ning mõõtjad • Proovisisestussüsteem Selle kaudu sisestatakse proov kromatograafi • Kolonn Siin toimub analüüsitava segu lahutamine komponentideks • Kolonni termostaat Vajalik kolonni temperatuuri reguleerimiseks • Detektor Siin toimub lahutatud ainete detekteerimine • Võimendi ja registraator (andmetöötlus)

3. Kandegaas Kandegaasina on kasutusel põhiliselt järgmised gaasid - He, N2 võiH2 • Kandegaasi ja uuritavate molekulide vahel peab vastasmõju puuduma • Kandegaas • peab olema inertne, et tohi reageerida ei proovi ega ka statsionaarse faasiga • peab olema väga puhas • peab sobima detektoriga

4. Gaaside puhtus • Kõigist kasutatavatest “kemikaalidest” on gaasid ühed puhtaimad • Tehnilised: 99.0% .. 99.9% (2.0 .. 3.0) • Erigaasid: 99.9% .. 99.99999% (3.0 .. 7.0) • Kandegaasiks võiks kasutada vähemalt 5.0 gaasi, kusjuures seda oleks tark veel täiendavalt puhastada

5. Detektoriga sobivus • FID: N2 ja He • MS: He • TCD: He, H2 (N2) • ECD: He, N2 • TID (NPD): He

6. “Kraanid”gaasiballoonidel Madalrõhu-sektsiooni manomeeter(rõhk madalrõhu-sektsioonis) Kulu/voolukiiruse regulaator (võib puududa)lahti: vastupäeva Kõrgrõhusektsiooni manomeeter (rõhk balloonis) Peakraan e. peaventiil- Töötab kinni-lahti sulgurina, mitte regulaatorina- lahti: vastupäeva Membraanreduktor Gaasi väljund Reduktori regulaator - reguleerib rõhku madalsurvesektsioonis- “lahti”: päripäeva

7. Membraanreduktor • Töötab rõhkude tasakaalustamise põhimõttel • Membraanile vedru poolt avaldatav rõhk on tasakaalus gaasi rõhuga madalsurvesektsioonis • Kui gaasi on liiga vähe, surub vedru membraani ülesse ja avab ventiili, kust gaasi tuleb juurde

8. Gaasipuhastuspadrunid • Veeauru ärastamine • Eeskätt molekulaarsõelad • Sageli segatud mõne värvust muutva agendiga, näiteks koobaltsoolaga värvitud silikageel • Sinine: kuivatil on veel ressurssi • Punane: kuivati on ammendunud • Hapniku ärastamine • Suure eripinnaga, vesinikuga redutseeritud metallid ja madala oksüdatsiooniastmega oksiidid: Cu, CrO, Fe, Mn, ...

9. Sisestussüsteemid • Gaasikromatograafias on kasutusel järgmised proovisisestusviisid: • Täidiskolonnide puhul süstitakse proov aurustisse ja KOGU proov läheb edasi kolonni • Kapillaarkolonni puhul reeglina vaid osa • Split-sisestus • Splitless-sisestus • Programmtemperatuurne sisestus (PTV) • Purge-and-trap-sisestus • (Silmusega sisestus)

10. “Split/splitless” sisestussüsteem • Split-sisestuse ja splitless-sisestuse korral on kasutatav üks ja sama proovi sissesüstimis-kamber (e. aurusti) • Võib sisaldada klaas/kvarts-vatti ja/või helmeid • Pinnad peavad olema silaniseeritud

11. “Split/splitless” sisestussüsteem • Split-sisestus • Kasutusel selliste proovide korral, kus analüüdi kontsentratsioon on suurem kui 0.1% • Vaid 0.2-10% sisestatud proovist jõuab kolonni • Sissesüstimiskambri temperatuur on reeglina suhteliselt kõrge (mõnikümmend kraadi üle kõrgeima keemistemperatuuriga aine keemistemperatuuri)

12. “Split/splitless” sisestussüsteem • Split-sisestus • Proov süstitakse kiirelt läbi septumi aurustuskambrisse, kus siis kõrge temperatuuri tõttu proov aurustub kiiresti. • Kandegaasi vooluga kantakse proovi edasi ning lõpptulemusena siseneb kolonni vaid väike osa sisestatud proovist • Ülejäänu juhitakse sisestuskambrist välja vastava trassi kaudu. Split-ratio (ehk siis see osa proovist, mis kolonni ei jõua) on tavaliselt vahemikus 20:1 kuni 600:1

13. “Split/splitless” sisestussüsteem Split-sisestus • Eelised: • Kitsad analüüdi piigid • Sobib nii kvalitatiivse kui ka kvantitatiivse analüüsi läbiviimiseks • Solvendi mõjud vähenevad • Puudused: • Analüüdi kontsentratsioon peab olema suhteliselt kõrge • Ei sobi termolabiilsete analüütide jaoks

14. “Split/splitless” sisestussüsteem • Splitless-sisestus • Kasutusel jälgede analüüsi korral - analüüdi kontsentratsioon on väiksem kui 0.01% • Sissesüstitavad proovikogused on suurusjärgus 2ul ning süstimine toimub ca 2 sekundi jooksul (aeglane sisestamine) • Sissesüstimiskambri temperatuur on reeglina 200°C • Eelised: • Sobiv madalate sisalduste jaoks • Puudused: • Solvendipiik on lai • Retentsiooniajad sõltuvad solvendi aurustumise kiirusest • Solvent mõjutab piikide kuju

15. On-Column Injection • Süstimine otse kolonni, kuuma sissesüstimiskambrit läbimata • Kolonni temperatuur on alguses madal ning proovi komponendid kondenseeruvad alguses • Temperatuuriprogrammi käivitamisega proov aurustatakse ning algab lahutamine.

16. On-Column Injection • Eelised: • Küllalt kitsad piigid • Sobiv kvantitatiivse analüüsi teostamiseks • Proov ei lagune temperatuuri toimel – saab analüüsida ebastabiilseid aineid • Puudused: • Mittelenduvad komponendid võivad kolonni kahjustada • Piikide kuju sõltub solvendist • Mõnevõrra kapriisne

17. Programmtemperatuurne aurustamine (PTV) • Programmed-temperature vaporization • Proov süstitakse aurustisse allpool solvendi keemistemperatuuri • Seejärel käivitatakse temperatuuriprogramm, et esmalt solvent aurustuks • Seejärel muudetakse aurusti temperatuuri nii, et ka muud proovi koostisosad liiguksid aurustist edasi ja algab lahutamine. • Proovisisestussüsteem on ümbritsetud jahutus- ja kuumutamissüsteemiga temperatuuri kiireks muutmiseks ning temperatuurijuhtimissüsteemiga • Jahutamist teostatakse õhu, vedela lämmastiku, CO2 või siis ka elektriliste meetodite abil

18. Programmtemperatuurne aurustamine (PTV) Eelised: • Saab sisestada suuri proovi ruumalasid • Võimalik takistada mittelenduvate komponentide kolonni jõudmist • Võimalik on analüütide kontsentreerimine (nii orgaanilistest kui ka vesilahustest ja ka gaasiliste proovide puhul) Puudused: • Meetod nõuab päris põhjalikku uurimistööd vajalike parameetrite paikasaamiseks • Nõuab spetsiaalset sisestussüsteemi • Ei sobi, kui analüüdid on lenduvamad kui solvent

19. “Purge and trap” sisestus • Dynamic Headspace • Inertgaasi (He, N2) juhitakse läbi uuritava lahuse • põhiliselt vesilahused • Selle tulemusena lähevad lenduvad ühendid lahusest gaasifaasi ning edasi juhitakse gaasisegu adsorbenti sisaldavasse või madala temperatuurini jahutatud “lõksu” • Järgneb lõksu kuumutamine selles sisalduvate ainete desorbeerimiseks ning nende juhtimine kolonni kandegaasi abil

20. “Purge and trap” sisestus • Kasutusel lenduvate orgaaniliste ühendite eraldamiseks ning kontsentreerimiseks • Eriti kasulik selliste ühendite korral, mis • vees ei lahustu (või lahustuvad halvasti) • mille keemistemperatuur on allpool 200°C • Saab analüüsida ka vees lahustuvaid aineid, kuid sel juhul on kvantiseerimispiirid oluliselt kõrgemad halvema eraldatavuse tõttu

21. Detektorid • Ideaalne detektor võiks: • olla piisavalt tundlik • olla stabiilne • detekteerida uuritavaid aineid laiades kontsentratsioonivahemikes • omada lineaarset karakteristikut • omada töötemperatuuri vahemikus toatemperatuurist kuni mõnesaja kraadini • “reageerima” detektorisse jõudnud ainetele kiiresti • olla lihtne kasutada • Mitte karta “solvendipiiki”

22. Detektorid • Leekionisatsioondetektor (flame-ionization detector,FID) • Massispektromeetriline detektor (mass-spectrometer, MS) • Soojusjuhtivusdetektor (thermal conductivity detector, TCD) • Elektronhaardedetektor (electron-capture detector, ECD) • Lämmastiku-fosfori detektor (nitrogen-phosphorus detector, NPD), tuntud ka kui termoionisatioon-detektor (thermoionic detector, TID) • Fotoionisatsioondetektor (photoionization detector, PID)

23. Leek-ionisatsioondetektor • Kõige enam kasutatav detektor gaasikromatograafias • Tööpõhimõte: Kolonnist tulev gaasisegu segatakse vesiniku ja õhuga ning süüdatakse elektriliselt. Leegis enamik orgaanilisi molekule pürolüüsub ning tekkivad osakesed laetakse polarisatsioonielektroodiga ning kogutakse seejärel leegi kohal olevale kollektorelektroodile. • On massitundlik detektor • On tundlik kõigile ühenditele, mis sisaldavad C-H (ka C-C) sidemeid Mida rohkem neid sidemeid ühendis on, seda tugevama signaali saame. Seega edukalt kasutatav orgaaniliste ühendite määramiseks • Ei ole tundlik vee ning õhu (ja CO,CO2, O2, N2, NOx...) suhtes Seega väga hästi kasutatav igasuguste (orgaaniliste) lisandite määramisel õhus ning vees

24. Leek-ionisatsioondetektor Skeem:

25. Leek-ionisatsioondetektor • Tundlikkus on üsna kõrge (~ 10-12 g/ml kandegaasi kohta) • Funktsionaalrühmad (karbonüül, alkohol, halogeenid...) signaali ei anna ning seetõttu näiteks asendatud alkaanide korral signaal väheneb asendamata alkaanidega võrreldes • Lineaarne ala lai: kuus kuni seitse suurusjärku • Maksimaalne töötemperatuur 400°C • Sobivad kandegaasid N2 või He • Lihtne ja töökindel seade

26. Massispektromeetriline detektor • Annab struktuurialast infot kolonnis lahutatud piikidele vastavate ainete kohta • On muutunud standard-detektoriks • levimuselt järgneb FID-le • Gaasikromatograafias on kasutusel põhiliselt järgmist tüüpi massispektromeetrid: • Ioonlõks-massispektromeeter • Kvadrupool-massispektromeeter • (Sektor-massispektromeeter) • (FT-massispektromeeter)

27. Soojusjuhtivusdetektor • Põhimõte • Detektori põhikomponendiks on elektriliselt kuumutatav element (reeglina Au, Pt, W traat) • Selle temperatuur ja seega takistus sõltub ümbritseva gaasi soojusjuhtivusest • See on ühendatud võrdluselemendiga silda • Mõõdetakse väikeste takistuse muutuste poolt põhjustatud madalaid voolusid • Kandegaasina kasutatakse He või H2 – kõrgeima soojusjuhtivusega gaasid • Signaalid negatiivsed

28. Soojusjuhtivusdetektor

29. Soojusjuhtivusdetektor • Lihtne ja odav detektor • Kõlbab peaaegu kõikide ühendite (nii orgaanilised kui ka anorgaanilised) detekteerimiseks • Eriti kasutatakse gaaside ja lihtsate anorgaaniliste ühendite analüüsil • Tundlikkus suhteliselt madal (~10-8g/ml kandegaasi kohta) • Lineaarne ala 5 suurusjärku

30. Elektronhaardedetektor • Kandegaas koos prooviga voolab läbi detektorikambri, milles on b-radioaktiivne (st elektrone kiirgav) allikas (enamasti 63Ni) • Kandegaas (N2 v He) haarab elektrone, tekivad ioonid • Detektoris on elektroodid, milledele on rakendatud vahelduvpinge • Mõõdetakse voolu, st sisuliselt kambris asuva gaasi juhtivust

31. Elektronhaardedetektor • Kandegaasi molekulidest tekkinud ioonid N2- ja He- on kõrge liikuvusega • st juhtivus kõrge • Kui proovis on elektronegatiivseid aatomeid sisaldavad ained, siis need haaravad eelistatult elektrone • polühalogenoühendid, nitro- ja tsüanoühendid • Proovimolekulid on suured, nendest tekkinud ioonide liikuvus on madal • Esineb juhtivuse langus • Detekteeritakse signaali langust

32. Elektronhaardedetektor: rakendused • Pestitsiidid, Lõhkeained, Polüfluoroühendid • Tundlikkus sõltub elektronegatiivsete rühmade arvust, mida rohkem, seda tundlikum • Ka avastamispiir on sellega otseselt seotud • Polühalogenoühendite jaoks madalaima avastamispiiriga detektor, pikogrammi suurusjärgus • Rakendusala mõnevõrra piiratud

33. Lämmastiku-fosfori detektor (Termoioondetektor, TID)

34. Lämmastiku-fosfori detektor • Tööpõhimõte: • Kolonnist tulev gaasisegu segatakse vesinikuga • P jaoks süüdatakse, N jaoks ei • Tekkinud kuum gaasisegu juhitakse üle elektriliselt kuumutatava rubiidium- või tseesiumhelme • Osaliselt põlenud produktid sadestuvad • Alaneb elektronide väljumistöö metallist ja selle tulemusena eraldab metall rohkem elektrone • Need kogutakse ning tekkiv voolu kasv registreeritakse • Tööpõhimõtet ei mõisteta lõpuni

35. Lämmastiku-fosfori detektor • Avastamispiir madal (P: ~10-12g/ml kandegaasi kohta, N ca 10x kõrgem) • Lineaarne ala 5 suurusjärku • Helmes vajab regulaarset vahetamist • Kasutusvaldkond: • P-orgaanilised pestitsiidid • Farmatseutilised ühendid