Cromatografia gazoasă
Cromatografia gazoasă , cunoscută și sub numele de GC , este o tehnică cromatografică utilizată în scopuri analitice. Este o tehnică de chimie analitică destul de răspândită, care se bazează pe distribuția componentelor unui amestec care urmează să fie analizate între o fază staționară și o fază mobilă gazoasă [1] , în funcție de afinitatea diferită a fiecărei substanțe din amestec cu faze.
Instrumental, în forma cea mai de bază, se bazează pe un cuptor mic care poate fi termostatat cu precizie, în care este adăpostită coloana cromatografică. Este format sumar dintr-o înfășurare formată dintr-un tub capilar subțire de sticlă, lung de câțiva metri, pe ai cărui pereți interni a fost depus un strat subțire din faza fixă (o substanță suficient de stabilă pentru care amestecul care urmează să fie analizat arată un anumit grad de afinitate). Eșantionul este introdus cu un flux de gaz inert (He, H 2 , N 2 ) la un capăt (al injectorului), iar după un anumit timp componentele separate ies cu fluxul de gaz de la capătul opus (al senzorului ), unde este amplasat un detector adecvat capabil să le semnaleze.
Astăzi, prin termenul de cromatografie gazoasă se înțelege în realitate cromatografia gazelor de înaltă rezoluție descrise anterior sau HRGC (cromatografia gazelor de înaltă rezoluție), adică cromatografia gazoasă cu o coloană capilară, tehnică introdusă la începutul anilor optzeci și că este practic doar unul folosit astăzi. Anterior se folosea cromatografia gazoasă cu o coloană ambalată (PGC, cromatografie cu gaz coloană ambalată), pe baza coloanelor cu diametru mai mare, mai scurte și cu caracteristici diferite, din a căror geometrie a fost inventat cu precizie termenul de „coloană”, care este în prezent utilizat și pentru capilarele foarte subțiri utilizate în prezent.
Principiu
Ca toate cromatografiile, se bazează pe distribuția diferită a diferitelor substanțe între o fază staționară și o fază mobilă, în funcție de afinitatea fiecărei substanțe cu faza staționară.
Cu această tehnică este posibilă analiza probelor gazoase , lichide sau solide . GC a experimentat marele său boom în anii șaizeci și păstrează încă o poziție de lider printre tehnicile de separare a amestecurilor complexe.
Singura limitare majoră a gazului de cromatografie este reprezentată de faptul că eșantionul trebuie să fie volatil într-un interval de temperatură între ambiant și 350 ° C, temperatura atinsă de cuptoarele obișnuite ale instrumentelor de pe piață și compatibilă cu coloanele cromatografice utilizate. Cu toate acestea, există o serie lungă de aplicații (începând cu analiza compușilor volatili și a gazelor în sine) care fac prezența cromatografului gazos foarte utilă în fiecare laborator de analize.
Mecanismele de bază de separare care sunt exploatate în cromatografia de gaze sunt adsorbția și distribuția (între faze ):
- adsorbție : faza staționară este un solid pe a cărui suprafață există situsuri active capabile să stabilească o serie de legături secundare (dipol-dipol, punte de hidrogen, Van der Waals, dipol-dipol indus etc.) cu diferitele molecule ale amestecului pentru a fi rezolvat, vorbim deci de cromatografie gazo -solidă (GSC).
- distribuție : dacă faza staționară este lichidă, are loc o solubilizare reală a substanțelor în faza staționară, care sunt împărțite între cele două faze nemiscibile. Vorbim despre cromatografie gaz-lichid (GLC).
Faza staționară constă în general dintr-un lichid nevolatil sprijinit pe o pulbere care umple uniform o coloană („coloană ambalată”) sau distribuită ca o peliculă subțire cu câțiva micrometri grosime pe peretele intern al unei coloane în mod normal mai mare de 10 metri și în diametru mai mic de un milimetru („coloană capilară”). Acest lichid poate varia în funcție de aplicație, adică de tipul de compuși de analizat.
Faza mobilă este un gaz , numit și gaz purtător , gaz purtător sau gaz purtător. În general, sunt selectate gaze inerte chimic, cu vâscozitate scăzută și care pot fi obținute la puritate ridicată (99,9%), cum ar fi azotul , heliul sau argonul ; hidrogenul sau dioxidul de carbon sunt de asemenea utilizate pentru unele aplicații. Derivatizarea permite creșterea volatilității anumitor analiți, astfel încât aceștia să poată fi supuși analizei cromatografice gazoase într-un mod adecvat. Prezența apei trebuie limitată, deoarece poate contribui la deteriorarea fazei staționare sau poate deteriora detectorul, desigur, totul depinde de tipul de analiză, de coloană și de solventul utilizat.
Instrumentaţie
Proba, plasată în partea de sus a coloanei și supusă fluxului constant al gazului purtător (gaz purtător), este separată în componentele sale în funcție de cât de asemănătoare sunt (de obicei prin polaritate) cu faza staționară; o altă variabilă care este adesea utilizată pentru a îmbunătăți separarea este temperatura coloanei, care poate fi menținută constantă ("izotermă") sau poate varia în funcție de gradientul dorit (temperatura programată).
Când eșantionul iese din capătul coloanei (se spune că a fost eluat ), acesta este colectat de un detector. Diagrama care reprezintă semnalul generat de detector în funcție de timp - momentul în care proba a fost introdusă în coloana setată la zero - este cromatograma probei. Cromatograma apare ca o secvență de vârfuri de diferite lățimi și înălțimi distribuite de-a lungul axei timpului.
Din timpul de retenție al fiecărui vârf este posibil să se deducă identitatea compusului eluat; din aria sau înălțimea vârfurilor este posibil să se deducă concentrațiile sau cantitățile absolute ale diferiților compuși prezenți în proba analizată, în funcție de detectorul utilizat.
Exemplu de introducere
Proba este, în general, introdusă în coloană la o rată de câteva micrograme ( 10-6 g ), adesea dizolvată anterior într-un solvent adecvat, folosind o seringă și, prin urmare, cu un volum de la 10 la 0,5 microlitri.
În tehnică, analiza spațiului de cap menționat , pe de altă parte, nu eșantionul, ci vaporii dezvoltați de acesta, sunt introduși în coloană într-un flacon închis expus la o temperatură definită pentru un timp prestabilit.
În tehnica analitică numită desorbție termică, proba sau un flacon care conține materialul pe care proba a fost absorbită, este rapid încălzită, iar vaporii sunt trimiși în totalitate sau parțial în partea de sus a coloanei, fără intervenția unui solvent.
Eșantionul poate fi introdus direct în partea de sus a coloanei (introducere pe coloană ) sau „depus” într-un injector, unde este vaporizat și eventual distribuit astfel încât doar o parte din acesta să intre în coloana analitică în timp ce partea rămasă este eliminat din linia split ( split sau splitless injection).
Autosamplerul este instrumentul pentru introducerea automată a probei în cromatograful de gaze. În timp ce introducerea manuală a eșantionului este întotdeauna posibilă, este adesea preferată introducerea automată a eșantionului. Introducerea automată asigură o mai bună reproductibilitate și optimizare a timpilor de lucru în comparație cu operatorul uman.
Există diferite tipuri de autosamplere care pot fi catalogate în raport cu diferiți parametri, cum ar fi: numărul de eșantioane gestionate (care distinge auto-injectoarele de autosamplere, unde auto-injectoare înseamnă instrumente care au o autonomie de câteva eșantioane), tehnologia robotică (Roboți cartezieni sau roboți cilindrici - cei mai frecvenți) sau tipul de tehnică analitică:
- Lichide
- Spațiu pentru cap (prin transfer de seringă)
- Headspace (prin transfer către linia de transfer)
- SPME
În mod tradițional, companiile specializate în producția de autosamplere sunt distincte de cele care produc cromatografe cu gaz și chiar și astăzi puțini producători de GC produc o gamă completă de autosamplere. În istoria autosamplatoarelor de cromatografie cu gaze, cele mai active state în dezvoltarea tehnologiei au fost Statele Unite, Italia și Elveția.
Injectoare
Injectorul, absent în cazul analizei pe coloană , împreună cu coloana și detectorul completează structura cromatografului de gaze. Compus în esență dintr-o cutie închisă și stabilizată termic, găzduiește un insert de sticlă (care nu este prezent în coloanele ambalate, deoarece este înlocuit de coloana însăși) și un bloc de încălzire. Pentru ca analiza să aibă succes, proba trebuie să fie cât mai omogenă și starea sa trebuie să fie gazoasă; injectorul servește pentru a garanta aceste condiții.
În cazul menționat anterior al analizei pe coloană , datorită degradabilității termice a componentelor, proba lichidă este depusă în interiorul coloanei cu o parte a solventului nu evaporată, dar aproape de fierbere, această tehnică pe lângă evitarea crăparii termice și prin urmare degradarea substanțelor, îmbunătățește și separarea de amestec.
Există două tipuri de injecție, split și splitless . Divizarea este utilizată atunci când eșantionul, datorită concentrației sale ridicate, ar putea satura răspunsul detectorului și, în afara intervalului, falsifica rezultatul analizei; împărțirea diluează proba în gazul purtător, eliberează o parte din aceasta (reglabilă) spre exterior cu ajutorul unui respirator și după o anumită perioadă de timp (măsurată empiric) o alimentează în coloană. Acest tip de analiză se efectuează de obicei în cazul esențelor (bergamotă, lămâie, portocală, cimbru, oregano).
Injecția splitless trimite în schimb întreaga probă direct în coloană - de fapt este echivalentă cu o injecție pe coloană - în acest caz solventul ar trebui să fie întotdeauna primul care ajunge și să creeze un vârf vizibil și inconfundabil (acest tip de analiză este utilizat de exemplu pentru identificarea acizilor grași volatili care identifică maturarea sau putrefacția sau pentru medicamente).
La injectoarele PTV (cu temperatură programabilă) cantitatea de lichid poate fi modulată în funcție de o rată prestabilită. Temperatura inițială a căptușelii este aleasă puțin sub temperatura de fierbere a solventului. Acest lucru permite dispersarea unei părți bune a acestuia (în exces) folosind modul split fără a provoca degradarea termică a substanțelor dizolvate. Ulterior temperatura poate fi ridicată corespunzător. De obicei, pentru injector se stabilește o temperatură peste punctul cel mai înalt de fierbere a componentelor amestecului.
Coloane
Coloanele sunt împărțite în două clase distincte: ambalate și capilare.
Coloanele împachetate sunt similare cu cele ale cromatografiei coloane tradiționale; sunt tuburi din teflon, oțel sau sticlă borosilicată dezactivată cu un diametru de ordinul unui centimetru și cu o lungime care poate varia de la un metru până la 10 metri, îndoite în spirală sau în U și umplute cu faza staționară constând din un solid suport și un lichid nevolatil.
Solidul suport este adesea silicagel , alumină sau carbon , care este impregnat cu lichidul care constituie faza staționară efectivă. Alegerea lichidului depinde de compușii care trebuie separați. De obicei scualen , silicon ulei sau unsoare, polietilen glicoli (Carbowax), Vaselină sau trietanolamina sunt uleiurile folosite , dar alegerea este extrem de largă.
Coloanele capilare sunt coloane tubulare deschise din siliciu topit foarte subțire (FSOT), în general, nu mai mult de 0,53 mm în diametru și nu mai puțin de 10 metri (până la 150-200 m) în lungime înfășurată în spirală pe un suport metalic. Faza staționară este răspândită uniform pe suprafața internă a coloanei, unde formează o peliculă cu grosime constantă care, în funcție de capacitatea de încărcare a coloanei, variază în general între 0,5 și 2,5 µm.
Există mai multe tipuri de coloane capilare, dintre care cele mai importante sunt:
- WCOT ( Wall Coated Open Tubular ): unde faza staționară este aderată la pereții capilarului;
- SCOT ( Support Coated Open Tubular ): în care faza staționară este ancorată de un suport;
- PLOT ( Porous Layer Open Tubular): în care faza staționară solidă acoperă peretele intern al capilarului.
Filmul este adesea alcătuit din metil-siloxani ( siliconi ) modificați pe care sunt inserate diferite grupuri funcționale , în funcție de clasa de compuși care urmează să fie analizați. Diferitele faze staționare diferă în primul rând prin polaritatea diferită. În această privință, trebuie luat în considerare faptul că interacțiunile dintre solut și faza staționară sunt mai mari cu cât polaritatea lor este mai asemănătoare. Tocmai din acest motiv, substanțele care par să aibă o polaritate similară fazei staționare vor fi mai reținute în coloană (timpi de retenție mai mari). Selectivitatea unei faze staționare constă în diferitele interacțiuni care au loc în prezența diferiților analiți.
Utilizarea coloanelor având o fază staționară chirală permite analiza amestecurilor de enantiomeri . Analiza distribuției enantiomerice a diferiților compuși permite, de exemplu, caracterizarea esenței bergamotei pe baza procesului de producție și permite descoperirea oricărei contrafaceri a esenței. [2]
Detectoare sau detectoare
Există diferite tipuri, în funcție de principiul fizic utilizat pentru a detecta ieșirea substanțelor din coloană și de specificitate. Ele pot fi distructive (FID) sau nedistructive (ECD, TCD). Detectoarele nedistructive pentru moleculele analizate permit trimiterea ulterioară a acestora la alte grade de analiză (de exemplu analiza de masă).
Cele mai frecvente trei clase sunt cele ale detectoarelor de conductivitate termică , a detectoarelor de ionizare a flăcării (sau FID ) și a detectoarelor de captare a electronilor (sau ECD ).
- Un detector de conductivitate termică (TCD, Thermal Conductivity Detector) este constituit din două filamente încălzite electric și menținute la o temperatură constantă. Pe unul curge gazul pur purtător, pe celălalt curge gazul care iese din coloană. Atunci când o substanță este eluată, cel de-al doilea filament va suferi o răcire sau o încălzire comparativ cu primul, datorită căldurii mai mult sau mai puțin ușor îndepărtată din gazul care conține substanța eluată. Această modificare a temperaturii se reflectă într-o schimbare a rezistenței , care este amplificată și reprezintă semnalul detectorului.
- Într-un detector de ionizare cu flacără (FID, Flame Ionization Detector) gazul purtător care iese din coloană este amestecat cu hidrogen și oxigen (sau aer). În flacără, atunci când o substanță este eluată, vaporii arși sunt încărcați electric producând ioni care sunt colectați pe suprafața detectorului producând un curent electric care, atunci când este amplificat, reprezintă semnalul detectorului. În ciuda faptului că este orb de toate substanțele care nu ard (de exemplu, apă ), FID este unul dintre cei mai populari detectoare, deoarece este foarte robust ( limita sa de detecție rămâne scăzută chiar și după multe ore de muncă).
- Într-un detector de captare de electroni (ECD, Electron Capture Detector), se utilizează ca sursă un radioizotop , de obicei 63 Ni (raze beta). Compușii care conțin atomi electronegativi , absorbind puternic fluxul de electroni între sursă și un detector de electroni, pot fi vizualizați pe măsură ce eluează din coloana de cromatografie gazoasă. În general, aceste molecule nu ar fi vizibile cu alți detectoare: de exemplu, mulți compuși halogenați , pe lângă faptul că nu ard, sting chiar flacăra și ar pune probleme pentru un FID.
- Într-un fotoionizare detector (PID, Photo Ionization Detector), fotonii de mare energie, de obicei ultraviolete de la o lampă cu hidrogen de 10,2 eV sau argon de 11,7 eV ionizează pozitiv moleculele compușilor eluați. Astfel de surse ionizează specii care au un potențial de ionizare sub energia lămpii. Compușii cu un potențial mai mare nu absorb energie și, prin urmare, nu sunt detectați, după care curentul electric produs este colectat de o pereche de electrozi polarizați, amplificați și măsurați: cu cât este mai mare concentrația componentei, cu cât sunt produși mai mulți ioni, cu atât este mai mare curentul detectabil. Detectorul este mai sensibil la hidrocarburi și organosulfuri aromatice sau la compuși organofosforici care sunt ușor fotoionizați. Intervalul liniar atinge 6 ordine de mărime.
- Detectorul fotometric cu flacără (FPD, Flame Photometric Detector) și detectoarele termionice (TSD, Thermionic Specific Detector) sunt dispozitive echipate cu specificitate ridicată pentru obiecte precum azotul , fosforul și sulful . Detectorul de flacără fotometric exploatează emisia de radiații de chemiluminescență produse de arderea într-o flacără de hidrogen a compușilor care conțin sulf și fosfor. Detectorul termionic exploatează o piroliză parțială efectuată întotdeauna cu ajutorul unui arzător cu flacără de hidrogen / aer, dar în acest caz curentul produs de radicalii CN și PO, derivat din compuși care conțin azot și fosfor, care formează ioni CN - și PO - este măsurat, dobândind electroni dintr-o mică bilă de metal alcalin (cum ar fi rubidiu ) care constituie un catod plasat deasupra flăcării. [3]
În cele din urmă, la ieșirea unei coloane cromatografice, un spectrometru de masă poate fi plasat direct sau în serie cu un detector care efectuează o analiză nedistructivă, pentru a obține indicații privind structura fiecărei substanțe eluate.
- Sistemele de masă a gazelor ( GC-MS ) , după cum sa menționat, se bazează pe faptul că la ieșirea unei coloane cromatografice un spectrometru de masă poate fi plasat direct sau în serie pentru a efectua o analiză nedistructivă, pentru a avea informații despre structura fiecărei substanțe eluate. Această tehnică împreună cu LC-MS constituie una dintre cele mai avansate metode cromatografice și permite identificarea și cuantificarea substanțelor organice într-o varietate de matrice. Implementarea tehnicilor GC și MS necesită o adaptare a caracteristicilor instrumentației cromatografice și spectrometrice pentru a atinge un grad suficient de compatibilitate. Spectrometrul de masă constă dintr-o cameră de ionizare ca sursă de ioni urmată de un analizor de masă (de obicei un analizor de quadrupol sau tehnologii derivate) și un detector de ioni; toate ținute sub vid ridicat de pompe de difuzie susținute de pompe moleculare.
Operatorii sunt în prezent susținuți de un computer sau un integrator care calculează suprafețele vârfurilor individuale.
Este posibil să se creeze standarde ad hoc care să conțină amestecuri variabile de substanțe cercetate la concentrații prestabilite. Analizate mai întâi, acestea constituie un eșantion standard la care se face referire prin crearea unei curbe de calibrare cu un standard extern sau un standard intern în care se adaugă o probă de referință cantitativă la eșantion, care nu este absolut conținută în eșantion.
Notă
- ^ (RO) IUPAC Gold Book, „gaz cromatografie (GC)” , pe goldbook.iupac.org. Adus pe 7 august 2014 .
- ^ L. Mondello, A. Verzera, P. Previti, F. Crispo și Giovanni Dugo Capilar multidimensional GC - GC pentru analiza eșantioanelor complexe. 5. Distribuția enantiomerică a hidrocarburilor monoterpene, a alcoolilor monoterpenici și a acetatului de linalil al bergamotei (Citrus bergamia Risso și Poiteau) Uleiuri J. Agric. Food Chem., 1998, 46 (10), pp 4275-4282 [1] DOI : 10.1021 / jf980228u
- ^(RO) Paul L. Patterson, Robert L. Howe, Ahmad. Abu-Shumays Un detector fotometric cu două flăcări pentru compuși de sulf și fosfor în efluenții cromatografici gazoși [2] Anal. Chem., 1978, 50 (2), pp. 339-344 DOI : 10.1021 / ac50024a042
- ^ ( RO ) Inventatori: Shibamoto, Shigeaki (Kyoto-shi, JP) Detector fotometric cu flacără Cerere de brevet SUA 20020024672 [3] [4]
Bibliografie
- Giancarlo Amandola, Virginio Terreni, Analiză chimică instrumentală și tehnică , ed. VI, ZANICHELLI, 1997, ISBN 978-88-08-09507-7
- Daniel C. Harris,XXIV: Cromatografia gazelor, în analiza chimică cantitativă (capitol), V ed, WH Freeman and Company, 1999, pp. 675-712, ISBN 0-7167-2881-8 .
- KA Rubinson, JF Rubinson, Chimie analitică instrumentală , ediția I, Bologna, Zanichelli, iulie 2002, ISBN 88-08-08959-2 .
- DA Skoog, JJ Leary, Chimie analitică instrumentală , EdiSes ISBN 88-7959-066-9
Elemente conexe
- Cromatografie
- Cromatografie gaz-lichid
- Cromatografie gazo-solidă
- Indicele de retenție Kovats
- Gaz purtător
Alte proiecte
-
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre cromatografia de gaze
linkuri externe
- ( EN ) Cromatografia gazelor / Cromatografia gazelor (altă versiune) , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
- ( EN ) IUPAC Gold Book, „gaz cromatografie (GC)” , la goldbook.iupac.org .
| Controlul autorității | Thesaurus BNCF 19298 · LCCN (RO) sh85053278 · GND (DE) 4019330-5 · BNF (FR) cb12125040g (data) · NDL (RO, JA) 00562270 |
|---|
