Классификация хроматографических методов Газовая хроматография Газовая

Скачать презентацию Классификация хроматографических методов Газовая хроматография Газовая

Газовая хроматография.ppt

Количество слайдов: 85

Классификация хроматографических методов

Газовая хроматография

Газовая хроматография n Газовая хроматография – физико - химический метод разделения летучих компонентов. n В качестве подвижной фазы используют инертный газноситель: H 2, He, Ar, CO 2.

Газовая хроматография n В качестве неподвижной фазы используют адсорбенты с высокой удельной поверхностью (10 – 1000 м 2 • г-1) или жидкие фазы.

Удельная поверхность n Удельная поверхность - усреднённая характеристика размеров внутренних полостей. n Удельную поверхность выражают отношением общей поверхности пористого тела к его массе. n Удельную поверхность чаще всего определяют по количеству адсорбированного инертного газа.

Приборы для определения удельной поверхности

Удельная поверхность

Газовая хроматография n Различают газотвердофазную или газоадсорбционную (неподвижная фаза – твердый носитель: силикагель, уголь, оксид алюминия) и газожидкостную (неподвижная фаза – жидкость, нанесенная на инертный носитель) хроматографию.

Газовая хроматография n Газохроматографическим методом могут быть проанализированы газообразные, жидкие и твердые вещества с молекулярной массой меньше 400 а. е. м. (в основном это органические вещества). Однако не все. n Для этого вещества должны быть летучими и устойчивыми в диапазоне температур 50 - 300 0 С: - все газы; - большинство органических молекул, твердых или жидких веществ, содержащих до 25 атомов углерода; - металлоорганические соединения, для которых можно получить летучие комплексы.

Хроматографические параметры n Исправленный удерживаемый объем (V*R = VR – Vm)

Газовая хроматография n Величина исправленного удержанного объема в газовой хроматографии (V*R) связана с его коэффициентом распределения (D) через объем неподвижной фазы (VS) уравнением: V*R = D • VS. n Из-за сопротивления разделяющей колонки давление газа на входе больше, чем на выходе из нее (существует градиент давления). n Для учета данного фактора используют коэффициент Мартина (j): VN = j • V*R, где VN – чистый удерживаемый объем.

Газовая хроматография n Коэффициент Мартина вычисляется как

Устройство газового хроматографа

Составные части газового хроматографа n Газы - носители: инертные газы – гелий, аргон, азот, диоксид углерода или водород. n Выбор газа - носителя во многом зависит от способа детектирования; газ-носитель должен быть тщательно обезвожен. n Блок введения и испарения пробы: - при анализе газообразных образцов пробу объемом до 20 мкл для набивных колонок непосредственно вводят в поток газа - носителя; - для капиллярных колонок пробу до 0, 001 мкл также непосредственно вводят в поток газа-носителя; - жидкие и твердые пробы следует сначала испарить.

Составные части газового хроматографа (колонки)

Составные части газового хроматографа (колонки) ■ Набивные колонки: диаметр 3 - 8 мм, длина 1 - 5 м (max – 20 м) заполнены зернистым твердым материалом, поверхность которого покрыта тонким слоем жидкости – неподвижной фазы; N < 10 000.

Составные части газового хроматографа (колонки) ■ Капиллярные колонки (1958 г. , Голей): диаметр 0, 15 - 1 мм, длина до 100 м; внутри полые; N ~ 100 000; изготавливают из плавленого кварца высокой чистоты: - тонкопленочные – закрепление жидкой фазы непосредственно на стенках колонки; - тонкослойные - закрепление жидкой фазы в порах твердого материала, нанесенного на стенки колонки и выполняющего функции носителя.

Колонки: : набивная (а), стальная капиллярная (б), стеклянная капиллярная (в) на примере разделения компонентов перечной мяты а б в

Носители неподвижной фазы n Носители неподвижной фазы: маленькие, однородные, химически инертные, термически и механически устойчивые сферические частицы с удельной поверхностью 0, 5 - 4 м 2/ г и размерами 150 - 250 мкм. n Чаще всего используют кизельгур (идеальный хроматографический материал) – ископаемый минерал, на 90 % состоящий из аморфного кремнезема. Это окаменевшие остатки древних водорослей с развитой системой пор. n Кроме того, используют синтетический кремнезем – силикагель, пористые стеклообразные материалы и органические полимеры.

Носители неподвижной фазы - кизельгур

Носители неподвижной фазы - силикагель

Носители неподвижной фазы ■ Универсальным веществом для закрепления жидких фаз является силикон.

Неподвижные жидкие фазы для газовой хроматографии n Основные требования к неподвижным жидким фазам: термическая и химическая устойчивость, малая летучесть, селективность (значительное различие в значениях D для разных веществ). n При выборе жидкой фазы руководствуются общеизвестным химическим правилом - подобное растворяется в подобном: - для разделения полярных веществ (спирты, органические кислоты, амины) используют полярные жидкие фазы, содержащие функциональные –CN, -C=O, -OH или сложноэфирные группы; - для разделения неполярных веществ (насыщенные углеводороды и их галогенопроизводные) используют углеводороды и силиконовые масла;

Неподвижные жидкие фазы для газовой хроматографии - для разделения веществ средней полярности (простые эфиры, кетоны, альдегиды) используют соответствующим образом модифицированные фазы.

Неподвижные жидкие фазы для газовой хроматографии

Формулы некоторых веществ, используемых в качестве неподвижных фаз в газовой хроматографии

Составные части газового хроматографа (детекторы)

Детектор теплопроводности n Детектор теплопроводности (катарометр) – детектирование основано на изменении теплопроводности газа - носителя (как правило, Н или Не) в присутствии определяемых веществ. n Теплопроводность измеряют при помощи термометра сопротивления – нагреваемой электрическим током металлической спирали, сопротивление которой зависит от Т окружающей среды. n При использовании катарометров проба не разрушается; недостаток – чувствительность ниже, а диапазон линейности уже, чем у большинства детекторов.

Детектор теплопроводности n Детектор теплопроводности (катарометр) – разность потенциалов возникает за счёт обдувания нитей накаливания газами с разными коэффициентами теплопроводности:

Детектор теплопроводности

Пламенно-ионизационный детектор ■ Пламенно-ионизационный детектор (ПИД) – в основе работы лежит увеличение электропроводности водородного пламени, помещенного в электрическое поле, в присутствии органических веществ; органика сгорает в водородном пламени с образованием ионов и свободных электронов, что приводит к увеличению ионного тока, регистрируемого при помощи электрода - коллектора. ■ Недостатки: нельзя определять негорючие газы H 2 O, CO 2, SO 2, оксиды азота.

Пламенно-ионизационный детектор

Детектор электронного захвата n Детектор электронного захвата (ДЭЗ) – выходящий газ облучают потоком β-частиц, при этом через ячейку протекает ток постоянной силы. n Органические вещества с электроотрицательными группами (галогенпроизводные, хиноны, нитросоединения) способны захватывать электроны с образованием стабильных анионов, вследствие чего электронный ток уменьшается. ■ Недостаток: к большинству органических соединений (амины, спирты, углеводороды) ДЭЗ нечувствителен.

Детектор электронного захвата

Термоионный детектор ■ Термоионный детектор – высокоселективен к азот- и фосфорсодержащим соединениям, которые образуют радикалы в плазме Pt – электрода (c Rb – содержащим стеклом) с последующим образованием ионов (при взаимодействии с атомами Rb), которые создают электрический ток: • C≡N + • Rb ↔ [C≡N]- + Rb+ ■ Недостаток: только Р- и N – вещества.

Термоионный детектор

Пламенно-фотометрический детектор n Пламенно-фотометрический детектор (ПФД): используется для селективного детектирования фосфора и серы. n Выходящий газ подается в водородно-воздушное пламя, в котором Р- и S – содержащие вещества образуют испускающие излучение радикалы при 526 и 394 нм соответственно. n Это самый простой из спектроскопических детекторов. n Недостаток: только Р- и S – вещества.

Пламенно-фотометрический детектор

Атомно-эмиссионный детектор n Атомно-эмиссионный детектор: выходящий газ подается в Не микроволновую плазму, обладающую значительно более высокой температурой. n С его помощью по испускаемому излучению в диапазоне 170 – 780 нм селективно определяют N, P, S, C, Si, Hg, Br, CI, H (в том числе отдельно D), F, O. n Важное достоинство – возможность элементного анализа в ходе хроматографического процесса. n Недостаток: невысокая точность от 2 до 20 %. n Масс- спектрометрический детектор – будет рассмотрен позднее.

Атомно-эмиссионный детектор

Детекторы

Газотвердофазная (газоадсорбционная) хроматография n Наиболее широко метод применяют для анализа смесей газов и низкокипящих углеводородов, не содержащих активных функциональных групп. n T колонки, как правило программируется (ступенчатое или линейное увеличение Т по мере протекания процесса). n Метод является самым быстрым и удобным для определения воды в неорганических и органических материалах. n Недостаток метода – невозможность определения сильно адсорбирующихся полярных молекул.

Газотвердофазная (газоадсорбционная) хроматография

Газожидкостная хроматография n Механизм распределения компонентов между носителем и неподвижной фазой основан на растворении их в жидкой фазе. n Селективность зависит от упругости пара определяемого вещества и его коэффициента активности в жидкой фазе. n По закону Рауля при растворении упругость пара вещества над раствором pi прямо пропорциональна его коэффициенту активности γ, молярной доле Ni в растворе и давлению паров чистого вещества P 0 i при данной температуре: pi = γ • Ni • P 0 i; можно принять, что pi ~ Cm, а Ni ~ CS; Тогда:

Газожидкостная хроматография n Таким образом, чем ниже Ткип в-ва (чем больше P 0 i), тем слабее оно удерживается в колонке.

Твердые адсорбенты и носители неподвижных жидких фаз

Неподвижные жидкие фазы в газожидкостной хроматографии n Таким образом, чем ниже Ткип в-ва (чем больше P 0 i), тем слабее оно удерживается в колонке.

Сравнение газоадсорбционной и газожидкостной хроматографии n Преимущества:

Сравнение газоадсорбционной и газожидкостной хроматографии n Недостатки:

Области применения газовой хроматографии

Области применения газовой хроматографии (ГХ) n ГХ эффективна при разделении веществ, относящихся к одному классу (углеводороды, органические кислоты, спирты и т. д. ). n ГХ вне конкуренции в нефтехимии (бензины: сотни соединений; керосины и масла: тысячи соединений). Хроматограмма выхлопных газов автомобиля

ГХ разделение спиртов в изотермическом при 175 0 С режиме (а) и в режиме программирования температуры (б)

Качественный газохроматографический анализ n Индекс удерживания Ковача (1958 г): число (I), в 100 раз превышающее число атомов углерода (возможно нецелочисленное) гипотетического алкана, обладающего тем же временем удерживания. n В гомологическом ряду нормальных алканов зависимость между исправленным временем удерживания и числом углеродных атомов описывается линейной функцией. n Исследуемое вещество с t. Rx подвергают анализу в смеси с min 2 нормальными алканами (y) с z и z+y атомами углерода и временами удерживания t. Rz и t. R(z+y)

Газохроматографическое определение с использованием индекса удерживания Ковача n Хроматограмма смеси бензола с н-пентаном и н-гептаном: t. R 5 = 2; t. R(5+2) = 2, 8; t. Rx = 2, 56.

Газохроматографическое определение с использованием индекса удерживания Ковача

Количественные хроматографические измерения n Площадь пиков элюируемых соединений на хроматограмме пропорциональна их концентрации. n Электронные интеграторы, используемые для регистрации хроматограмм в ГХ, позволяют вывести на печать площадь пиков, времена их удерживания и некоторую общую информацию. n Также в отдельных случаях можно построить градуировочный график зависимости высоты пиков от концентрации компонента. n Наиболее часто для градуировки используют метод стандартных добавок.

Количественные хроматографические измерения n Одну или несколько аликвот образца вводят в инжектор вместе с добавкой стандарта известной концентрации. Увеличение площади пика при этом будет пропорционально концентрации добавленного стандарта. n Метод стандартных добавок хорош только тогда, когда время удерживания неизвестного компонента совпадает со временем удерживания стандарта (т. е. это одно и то же вещество). n Более важный метод количественного анализа в ГХ - использование внутреннего стандарта. В этом случае образец и стандарт вводят в инжектор одновременно с равным объемом такого вещества, время удерживания которого близко к времени удерживания определяемого компонента.

Количественные хроматографические измерения n Отношение площадей пиков определяемого вещества к площади пика внутреннего стандарта используют для построения градуировочного графика. n Метод позволяет нивелировать влияние некоторых физических параметров, вызванных ошибками при отборе и вводе объемов образца, изменением скорости потока газаносителя и др. n Пример: определение этанола с помощью алкотестеров не всегда корректно.

Количественные хроматографические измерения n При несчастных случаях, сильных ранениях, наконец, в случае смерти, определяют алкоголь в крови методом ГХ.

Количественные хроматографические измерения n Образец крови в количестве 5, 00 мл перемешивают с добавкой (0, 50 мл) 1 %-го водного раствора пропанола в качестве внутреннего стандарта. n Пробу (10 мкл) вводят в газовый хроматограф и регистрируют хроматографические пики. n Стандартные вещества этанола обрабатывают и хроматографируют в тех же условиях. Получены результаты:

Использование электронных таблиц в градуировке по методу внутреннего стандарта

Определение содержания алкоголя в крови n Под содержанием алкоголя в крови понимается концентрация этанола, выраженная в промилле (тысячных долях объёма). n Так, выражение «концентрация алкоголя в крови 1, 5 ‰ (промилле)» следует понимать так, что в одном литре крови (точнее говоря, в одном литре смеси крови с чистым этанолом), то есть в 1000 миллилитрах, находится 1, 5 миллилитра чистого этанола (и чуть больше 998, 5 миллилитров чистой крови). n Обнаружение в крови алкоголя в концентрации ниже 0. 3 промилле не может достоверно свидетельствовать о факте употребления алкоголя.

Определение содержания алкоголя в крови

Что такое 0, 3 промилле?

Сочетание хроматографии и спектроскопии

Сочетание хроматографии и масс-спектрометрии

Как работает масс-спектрометр?

Сочетание газовой хроматографии с массспектрометрией n Масс-спектрометрия – сложнейший инструментальный метод анализа, основанный на образовании, разделении и определении ионов в газовой фазе. n Проба поступает в систему ввода, работающую в вакууме (10 -4 – 10 -7 мм рт. ст. ) при высокой температуре (до 300 0 С). n Проба испаряется и поступает в ионный источник. n Образующиеся ионы разделяются в масс-анализаторе согласно отношению m/e. n Блок-схема масс-спектрометра

Сочетание газовой хроматографии с массспектрометрией n Одной из наиболее серьезных проблем на ранних этапах развития хромато-масс-спектрометрии было присоединение выхода хроматографической колонки к масс-спектрометру. n С появлением кварцевых капиллярных колонок появилась возможность разработки «стыкующего устройства» для непосредственного ввода элюата в масс-спектрометр. n При мониторинге общего потока ионов (total ion current) масс -спектрометр суммирует потоки от всех фрагментов ионов и молекул для всех хроматографических пиков веществ, и полученный график напоминает хроматограмму с несколькими пиками. n В ион-селективном варианте ведут мониторинг ионов с определенным соотношением m/z.

Сочетание газовой хроматографии и массспектрометрии n Сочетание газовой хроматографии и масс- спектрометрии – очень мощный метод идентификации органических веществ по их масс-спектрам (природные и сточные воды, продукты питания, метаболиты в биологических жидкостях). n Сепаратор для соединения набивной газохроматографической колонки и масс-спектрометра

Сочетание газовой хроматографии и массспектрометрии n Масс-спектры кокаина образца мочи (а) и стандартного образца (б)

Кокаин

Кокаин n Кокаин действует на принципиально значимые для нервной деятельности нейромедиаторные системы, нарушая обмен норадреналина.

Кокаин

Хромато-масс-спектрометр Agilent 7890 диапазон масс 1, 6 -1050 а. е. м. ; чувствительность для 1 пкг октафторнафталина 200: 1; банк данных на 275 000 структурных графических формул. Анализ объектов окружающей среды, лекарственных препаратов, пищевых продуктов, растительного сырья.

Сочетание газовой хроматографии и ИКспектроскопии с фурье-преобразованием n Используют капилляр длиной 10 - 40 см с внутренним диаметром 1 -3 мм и покрытием из золота; газовую кювету обогревают током горячего газа с Т ~ 300 0 C. n Для регистрации ИК-поглощения используют детекторы, например, на основе Te-Cd-Hg при -196 0 C.

Благодарю за внимание!