Gaasikromatograafia

1. Gaasikromatograafia Anastasiia Kovtun B - 31

2. Sissejuhatus • Analüütilises keemias tuleb tegemist teha erinevates agregaatolekutes ainetega. Selleks, et edukalt sooritada kromatograafilist analüüsi, peaksid proovi komponendid ja liikuv faas olema samas agregaatolekus. • Kui liikuv faas on gaas, tegemist on gaasikromatograafiaga • Gaasikromatograafia jagatakse kasutatava liikumatu faasi järgi: 1) gaasi-adsorptsioonkromatograafiaks ja 2) gaasi-vedelikukromatograafiaks

3. Sissejuhatus II • gaasi-adsorptsioonkromatograafia : ainete lahutamist kolonnis põhjustab proovi molekulide erinev adsorptsioon liikumatu faasi pinnal • gaasi-vedelikukromatograafia : ainete lahutamist kolonnis põhjustabproovi molekulide erinev jaotustegur likkuvaks faasiks oleva gaasi ja liikumatuks faasiks oleva vedeliku vahel

4. Gaasikromatograafia • Gaasikromatograafias on liikuvaks faasiks inertgaas. Gaaside valik on väike, piirdudes vesiniku, heeliumi, lämmastiku ja argooniga. Mõnel juhul saab kasutada ka õhku, kuid hapniku reaktiivsuse tõttu pole see soovitav. • Liikumatu faasina kasutatakse kas adsorbente (tseoliit, Al2O3, polümeerid) või vedelikku, mis on kantud kas inertse kandja osakestele või kapillaari sisepinnale.Liikumatu faasi modifikatsioone on rohkem kui 700. Toatemperatuuril on liikumatu faasina kasutatavad ühendid enamasti tahked ained.

5. Gaasikromatograafia II • Proovi lahutamine toimub temperatuuril 50-350 ˚C. • Analüüsitavate ainete molekulmass ei ole suurem kui 400.

6. Aparatuur • Tüüpiline gaasikromatograaf koosneb liikuva faasi (inertgaasi) balloonist, proovi sisestusseadmest (dosaatorist), kolonnist, mis on paigutatud termostaati, ja detektorist, mille ülesandeks on teisendada informatsioon kolonnist väljuvate ainete kontsentratsiooni kohta elektriliseks signaaliks, detektori sinaali võimendajast ja registraatorist, milleks on isekirjutaja või arvuti.

7. Aparatuur II Gaasikromatograafia plokkskeem

8. Liikuv faas • Kandegaas ei tohi olla vastastikmõjus prooviga, vaid peab täitma kolonnis inertse transportiva aine osa (siit tulebki liikuva faasi nimetus – kandegaas). Kandegaas peab olema suhteliselt väikese viskoossusega. Gaasi valik sõltub ka detektorist – eri tüüpi detektorid nõuavad erinevaid gaase. • Parim gaas on vesinik, kuid plahvatusohtlikkus piirab tema kasutamist.Vesiniku asemel kandegaasina kasutatakse enamasti heeliumi, mille puuduseks on kõrge hind. Lämmastik sobib nii hinna kui ka ohutuse seisukohalt, kuid ei sobi soojusjuhtivusdetektori korral. • Lisandid põhjustavad detektoris müra, seega peab ballooni ja proovi sisestusseadme vahele paigutama molekulaarsõeltega täidetud filtri.

9. Kolonnid • Gaasikromatograafias kasutatakse pakitud ja kapillaarkolonne. Viimased on nüüdisajal valdavad, kuna nad on suurema efektiivsusega kui pakitud kolonnid. Liikumatud faasid on mõlema kolonni korral põhimõtteliselt samad. • Kapillaarkolonn 10 - 50 m pikkune kvartstoru siseläbimõõduga 0.05–5 mm. Toru venitatakse 6–8 mm läbimõõduga kvartstorust ja ta välispind kaetakse valmistamise käigus polüamiidkilega. Selline toru on tugev ja elastne ning temaga on hõlbus töötada. Vajalik liikumatu faas seotakse keemiliselt kolonni sisepinnale. Metallkolonnid ei ole eriti populaarsed, kuna nad ei ole keemiliselt nii inertsed kui kvartskolonnid.

10. Kolonnid II • Täidiskolonni pikkus on 1 - 3 m ja siseläbimõõt 1 - 5 mm. Kolonn on valmistatud enamasti roostevabast terasest või klaasist. Liikumatu faas kantakse mingi inertse materjali (tulekindla tellise puru, teflon, klaas) 0.1 - 0.3 mm läbimõõduga osakestele, millega kolonn hiljem pakitakse. • Pakitud kolonnid sada korda vähem efektiivsed kui kapillaarkolonnid. Ka analüüsi aeg on pakitud kolonnide korral umbes kolm korda pikem kui sama pika kapillaarkolonni puhul. Pakitud kolonne kasutatakse põhiliselt anorgaaniliste gaaside (H2, He, N2, CO, CO2) analüüsil, kuna kapillaarkolonne selliste objektide analüüsiks on raske valmistada.

11. Liikumatu faas • Adsorbendid gaasi analüüsiks - aktiveeritud süsi, molekulaarsõelad ja polümeersed sorbendid. Aktiveeritud sütt kasutatakse põhiliselt väga madala molekulmassiga gaasi analüüsil ( H2, He, Ar). Polümeersetest sorbentidest on populaarseim nimetuse poropak all tuntud materjal, mis endast stürooldivinüülkopolümeeri. • Polaarsed ja mittepolaarsed faasid - on kõrge molekulmassiga hargnenud ahelaga aromaatsed ja mittearomaatsed süsivesinikud, ftalaadid, fosfaadid, polüestrid ja siloksaanid. • Kasutades mittepolaarseid liikumatuid faase, elueeruvad proovi komponendid samas järjekorras, kuidas kasvavad nende ainete keemistemperatuurid. • Polaarsed faasid lahutavad molekule spetsiifiliste vastastikmõjude tõttu proovi ja liikumatu faasi funktsionaalsete gruppide vahel.

12. Detektorid • Detektori ülesanne on teisendada informatsioon proovi kontsentratsiooni kohta kolonni lõpus elektriliseks signaaliks, mida on lihtne võimendada ja registreerimisseadmel näidata. • Eristatakse selektiivseid ja mitteselektiivseid detektoreid. • Selektiivsed detektorid on mõeldud kindlat tüüpi ainete määramiseks. • Mitteselektiivsed reageerivad enam-vähem ühtemoodi kõigile ühenditele.

13. Gaasikromatograafiline analüüs • Kvalitatiivne analüüs • Ainete retentsiooniajad on põhimõtteliselt individuaalsed - piigi retentsiooniaja järgi saab kindlaks teha aine, mis sellele piigile vastab. Võrreldakse mõõdetud retentsiooniaega tuntud aine retentsiooniajaga. Usaldusväärsus tõuseb, kui kromatograafiliste piikide identifitseerimiseks registreeritakse uuritava proovi kromatogramme kaks korda: kõigepealt mõõdetakse proovi kromatogramm, nagu ta on, siis lisatakse proovile eeldatavat ühendit ja sooritatakse uus analüüs. See piik, mille kõrgus kasvab, vastab eeldatavale ühendile. See on kõige tõhusam meetod piikide identifitseerimiseks. • Meetodi puudused: kui arvestada, et proovid, mida gaasikromatograafias analüüsitakse, sisaldavad tavaliselt sadu ühendeid ning seepärast sisaldavad ka kromatogrammid sadu piike. Pealegi on standardi lisamise meetod töömahukas ning sageli ei oska ka analilüütik oma segus ühendeid ära arvata ja eeldatavate ühendite puhtad standardid võivad laboratooriumis ka üleüldse puududa.

14. Gaasikromatograafiline analüüs: kvalitatiivne analüüs II • Piikide identifitseerimise usaldusväärsust saab oluliselt tõsta, juhtides kolonnist elueeruvad ühendid infrapunase (IP) spektromeetri küvetti või massispektromeetri (MS) ionisatsioonikambrisse. Spektroskoopiliste identifitseerimismeetodite puhul on oluline, et spektri registreerimine (skaneerimine) toimuks palju lühema aja jooksul, kui on vaja mingi ainetsooni elueerimiseks kolonnist. • Kromatograafilise analüüsi käigus skaneeritakse kolonnist väljuva liikuva faasi voospektrit ühesekundiliste intervallide järel. Analüüsi lõppedes on olemas massispektrid igale piigile vastava aine jaoks. Uuritav aine identifitseeritakse tema massispektri võrdlemise teel kataloogis olevate spektritega, kui vastavat spektrit pole, tuleb kasutada standardainete spektreid või tuletada uuritava aine struktuur teoreetiliselt massispektrit analüüsides. • Spektromeetrilised meetodid kromatograafiliste piikide identifitseerimiseks on väga võimsad ning nende abil saab enamasti panna nimi kõigile kromatogrammi piikidele. Meetodite puuduseks on ülikõrge hind.

15. Gaasikromatograafiline analüüs • Kvantitatiivne analüüs • Gaasikromatograafiline kvantitatiivne analüüs põhineb asjaolul, et detektori reaktsioon sõltub lineaarselt ainekogusest, mis täidab antud hetkel detektorit. Kuna detektor konstrueeritakse nii, et tema ruumala on palju väiksem kui kromatograafilise tsooni ruumala, siis võib öelda, et kolonni lõpus olev detektor registreerib väljuva tsooni hetkekontsentratsiooni kolonni lõpus, teisendades selle registraatoris piigikujuliseks kõveraks. Mõõteskromatograafilise piigi pinda, saab suuruse, mis on proportsionaalne kromatograafi sisestatud proovi komponendi kogusega. • Tuleb arvestada, et detektor registreerib aineid erinevalt.

16. Gaasikromatograafiline analüüs: kvantitatiivne analüüsII • Tihti on proovis vaja teada ainete absoluutseid koguseid. Siis kasutatakse sise-javälisstandardimeetodit. Sisestandardi korral lisatakse proovile ainet, mille kogus mson teada ja mille piik kromatogrammil ei kattu teiste piikidega. Mõõtes selle aine pindala Ss,saab teise aine x hulka määrata lihtsa seose mx= fxSxms / fsSsabil. Välise standardi meetod on analoogiline, kuid standardipiigi pindala mõõtmiseks sooritatakse kromatograafiline analüüs, kus prooviks on ainult standard. • Sisestandardi meetod on eelistatavam, kuna analüüsi tingimused on ühesugused nii proovi komponentide kui ka standardi jaoks, kuid alati ei ole võimalik leida standardit, mille piik ei kattuks teiste proovi komponentide piikidega.

17. Kromatograafiline andmetöötlusja piikide pindalade määramine • Arvuti annab kromatografistile palju võimalusi detektori signaali töötlemiseks, võimaldab näiteks signaali detektorimürade mahasurumiseks numbriliselt filtreerida, korrigeerida detektori nulljoont jms, et sooritada täpsemalt piikide pindala mõõtmist. Kromatogramme saab võrrelda monitori ekraanil, seal saab suurendada või vähendada kromatogrammi osasid • Digitaalne andmetöötlus võimaldab lahendada kattunud piikide pindala probleemi. Kromatograafiatsoonide kattumine on sage nähtus, kuna alati ei õnnestu realiseerida analüüsi tingimusi selliselt, et kõik ainetsoonid oleksid üksteisest täiesti eraldatud. Kattunud piikide täpse pindala arvutamine on raskendatud.Kui kromatogramm on registreeritud arvuti mälus, siis kasutatakse väga mitmesuguse keerukusega algoritme. Näiteks algoritme, mis on välja töötatud fotode digitaalseks töötlemiseks.

18. Kromatograafiline andmetöötlusja piikide pindalade määramine II Joonis 2. Piikide kattumine kromatogrammil. Pideva jämejoonega on tähistatud detektori signaal, pideva peenjoonega on tähistatud individuaalsete tsoonide signaalid, mis on eraldatud maksimumentroopia meetodi abil

19. Kokkuvõte • Gaasikromatograafia – kromatograafia, mille liikuvaks faasiks on gaas (inertgaas). • Gaasikromatograafia on erinevate segude universaalne lahutusmeetod. Segu (proovi) komponendid transporditakse kolonnis kandegaasiga.Kandegaas ei tohi olla vastastikmõjus prooviga, vaid peab täitma kolonnis inertse transportiva aine osa. • Gaasikromatograaf koosneb liikuva faasi balloonist, dosaatorist, kolonnist, mis on paigutatud termostaati, ja detektorist.Kasutatakse pakitud ja kapillaarkolonne. Viimased on nüüdisajal valdavad. • Kromatograafia – üks levinumaid füüsika- ja keemilisi uurimismeetodeid. See leiab kasutust keskkonnauuringutes, meditsiinis, keemias, toidu- ja farmaatsiatööstuses ning tema kasutuspiirid pidevalt kasvavad.

20. Tänan!