Gasna hromatografija 2010 - elektron.tmf.bg.ac.rselektron.tmf.bg.ac.rs/organskahemija/Gasna hromatografija 2010.pdf · hroma (boja) HROMATO GRAFIJA ... Gasna hromatografija teorija

GGGGasnasnasnasnaaaa hromatografijhromatografijhromatografijhromatografijaaaa

Autor prof. dr DuAutor prof. dr DuAutor prof. dr DuAutor prof. dr Duššššan G. Antonovian G. Antonovian G. Antonovian G. Antonović

TehnoloTehnoloTehnoloTehnološššškokokoko----metalurmetalurmetalurmetaluršššški fakultetki fakultetki fakultetki fakultet

UniverUniverUniverUniverzitet u Beograduzitet u Beograduzitet u Beograduzitet u Beogradu

2020202010101010

Gasna hromatografija uvod

�Šta je hromatografija?�Definicija: Analitička instrumentalna metoda

kojom se razdvaja smeša hemijskih jedinjenja na osnovu raspodele izmeñu dve faze: pokretne i nepokretne.�Pored razdvajanja pomoću hromatografije

može da se izvrši i identifikacija hemijskih jedinjenja.

Gasna hromatografija istorijat

�Prvo hromatografsko razdvajanje izveo je i objasnio ruski botaničar Mihail Cvet 1906. godine.�Izvršio je ekstrakciju pigmenta iz svežeg

lišća pomoću organskog rastvarača (petrol etra) i dobio zeleni rastvor.


�Pomoću apsorptivne hromatografije na koloni izvršio je separaciju zelenog i žutog pigmenta.�(slika iz knjige)


�Definisao je da je ”hromatografija postupak u kome se komponente smeše razdvajaju na adsorbensu u koloni kao protočnom sistemu ”.


�Nepokretna faza: Fino sprašeni kalcijum-karbonat.�Pokretna faza: Ekstahovane supstance iz

biljnog materijala i organski rastvarač.


�Propuštanjem kroz kolonu izvršio je razdvajanje smeše organskih materija i dobio različito obojene zone u koloni.� hroma (boja)�HROMATOGRAFIJA� grafos (pisati)

Gasna hromatografija teorija

�Hromatografija se koristi za razdvajanje komponenata iz veoma komplikovanih smeša (nafta, brojne sinteze, eterična ulja) u različitim oblastima tehnologije (petrohemija, farmacija, sinteze, naučni rad) koje ne moraju da budu obojene, a zbog konstrukcije instrumenta se i ne vide u analizi.


�Analitičke metode hromatografije su:�A. Hromatografija na koloni (CC)�B. Hromatografija na papiru (PC)�C. Tankoslojna hromatografija (TLC)�D. Gasna hromatografija (GC)�E. Tečna hromatografija (LC)�F. Hromatografija pod visokim pritiskom (HPLC)


�A. Hromatografija na koloni (CC)


�B. Hromatografija na papiru (PC)


�C. Tankoslojna hromatografija (TLC)


�D. Gasna hromatografija (GC)


�E. Tečna hromatografija (LC)


�F. Hromatografija pod visokim pritiskom (HPLC)


�Definicija: Analitička metoda kojom se razdvajaju smeše organskih jedinjenja različitog porekla u gasovitoj fazi na osnovu njihove raspodele izmedju nepokretne i pokretne faze.


Uzorak se�ubacuje u zagrejani zagrejani injector,injector,�prolazi kroz kolonu za razdvajanjekolonu za razdvajanje nošen

pomoću inertinertnognog gasgasaa ii��ddeteetekkttuje kaouje kao seriserija signala na pisaja signala na pisaččuu kada

komponente izlaze iz kolone.

Gasna hromatografija instrument


�Sistem za analizu je prikazan na primeru modela Varian 3400, proizvoñača iz USA, Palo Alto, CA.


NoseNoseććii gas/gas/RegulatorRegulatorii

Varian 3Varian 340400 0 ggasasnini hromatograhromatograff

KKomputeromputerskaska kkontrolontrolaammetodetode ie i izlazaizlaza


�Novi model CP 3800


�Hromatografsko razdvajanje uključuje upotrebu stastaccionarionarne fazene faze i mobilmobilnne e ffaazzee. �Komponente smeše, koja se razdvaja, se

nose inertnim gasom u mobilnoj fazi i razlirazliččito se vezuju za stacionarnu fazuito se vezuju za stacionarnu fazu itako se krekrećću kroz stacionarnu fazu u kroz stacionarnu fazu razlirazliččitim brzinamaitim brzinama.


T=0

T=10’

T=20’

InjeInjekktortor DeteDetekktortor

NajveNajveććaa iinteranterakcija sakcija sa sstataccionarionarnom fnom faazomzom NajmanjaNajmanja

Tok mTok mobilobilnne e ffaazzee


U gasnoj hromatografiji

��mobilmobilnana ffaazaza je inertinertnini nosenoseććii gasgas i

��sstataccionarionarna fna faazaza je ččvrstavrsta ili teteččnost nost prevuprevuččena preko ena preko ččvrstih vrstih ččesticaestica koje se nalaze u koloni.

Gasna hromatografija kolone


�Kolone mogu biti metalne ili od kvarcnog stakla, velikog unutračnjeg prečnika koje se nazivaju pakovane kolone ili od termostabilnog polimera dugačke, sa veoma malim unutrašnjim prečnikom koje se nazivaju kapilarne kolone.

�Obe vrste imaju odredjene prednosti i mane.



�Pakovane kolone: metalne (čelik ili bakar) staklene (kvarc)dužina 1-4 mid 2-4 mmlaboratorijski punjeneadsorbens + tečna faza


�Kapilarne kolone: polimerni materijaltermostabilnedužina 30-60-120 mid 0,125-0,256 mmfabrički pravljenetečna faza: unutrašnji zidovi kolone


�Pakovane kolone su punjene sa čvrstim nasačem koji je prevučen tečnom fazom.�Čvrsti nosač: male, jednake porozne čestice

bez adsorptivnih karakteristikabez katalitičke oksidacijetermički i hemijski stabilanvelika efikasnost koloneveliki kapacitet kolone


� Čvrsti nosač: DIJATOMEJSKA ZEMLJA

Sitnozrnasti laki i porozni prah koji se sastoji od 70-90% amorfnog SiO2, 3-7% vode i male količine organskih primesa. Nastao od skeleta uginulih algi, jednoćelijskih vodenih biljaka mikroskopske veličine.

Materijal se mrvi do željene veličine uz zagrevanje.

Komercijalno ime GHROMOSORB.


Chromosorb

G P W

Boja Siva Roze Bela

Gustina pakovanja, g/cm3

0,58 0,47 0,24

Površina,m2/g ili m3/cm3

0,5 (0,29) 4,0 (1,88) 1,0 (0,29)

Max. punjenja tečne faze, %

12 35 25


�Veličina zrna se izražava u mesh-ima:

60/80 = 177-250 µm80/100 = 149-177 µm100/120 = 125-149 µm120/140 = 105-125 µm


�Površina čvrste čestice se deaktivira silaniziranjem sa dimetildihlorsilanom(DMCS) ili trimetilhlorsilanom (TMCS), a zatim se pere jakom kiselinom (zbog uklanjanja metalnih mečistoća).

Chromosorb G-AW/DMCSChromosorb G-HP


� Izbor tečne faze: a. Selektivnostb. Termička stabilnostc. Mala isparljivostd. Nizak viskozitete. Hemijska inertnost


�A. Selektivnost tečne faze- Sposobnost da se razdvoje jedinjenja- Polarna i nepolarna jedinjenja

CH3OH CH2CH2OH CH3CH2CH2OH

veoma polaran malo polaran

A B C


�B. Isparljivost prema rastvorljivosti- Razdvajanje na osnovu TK jedinjenja

C. Polarnost tečne faze- GC analiza zavisi od

Gasna hromatografija princip

�Mobilna faza ili noseći gas koji protiče kroz instrument je iz boca pod pritiskom ili generatora gasa.

�Veličina protoka se kontroliše pomoću dvostepenog regulatora pritiska koji se nalazi na boci i dodatnim kontrolama na instrumentu.


�Razdvajanje je na površini tečne faze.�Vezujuće sile su elektrostatične prirode:

Van Der-Waals-ove vezeLondon-ove vezedipolne interakcijedipol-indukovani dipol interakcije


�Uspostavlja se dinamička ravnoteža izmedju gasne i tečne faze.

�Koeficijent raspodele: K=Ct/Cg(particioni koeficijent)


Dvostepeni regulatorDvostepeni regulatorpritiska na bocipritiska na boci

Kontroleri protoka u Kontroleri protoka u GCGC


�Generator azota


�Generator vodonika


�Generator vazduha


�Kolona se nalazi u komori koja se greje i jednim krajem je povezana sa zagrejanim injektorskim ulazom, a sa drugim krajem sa zagrejanom detektorskom jedinicom koja prikazuje izlazne komonente.

�Brojni setovi prethodno definisanih parametara temperaura su regulisani da sistem optimalno funkcioniše.



�Prikaz injektora, zagrejane komore sa kolonom i delova detektora kod Varian 3400 gasnog hromatografa su mogu da se prikažu na sledeći način.

Gasna hromatografija

InjeInjekktortor DeteDetekktortor

Column in OvenColumn in Oven


�Prethodno definisani programirani parametri se nazivaju separaseparaccionionii metodmetod i oni kontrolišu rad sistema gasnog hromatografa.

Gasna hromatografijaKontolniKontolni ppanel anel za podeza podeššavanjeavanje

sseparaeparaccionionee mmetodetodee


�Kolone su najvažniji deo u gasnoj hromatografiji


�Struktura tečne fazea. OV-101 (metilsilikon) – malo polaran

OV-1, SE-30, DC-200, SF-96, JXR, SP-2100

CH3 Si O Si O Si CH

3

CH3 CH

3 CH3

CH3 CH

3 CH3


�Struktura tečne fazeb. OV-17 (fenilmetilsilikon) – polarnija faza

CH3 Si O Si O Si

CH3

CH3 CH

3

O Si CH3

CH3


� Koristi se u farmaciji, biohemiji, hemiji pesticida.� Veća supstitucija Ph grupama povećava polarnost:

OV-25 (75% Ph grupa)OV-22 (65% Ph grupa)OV-11 (35% Ph grupa)OV-61 (33% Ph grupa)OV-7 (20% Ph grupa)OV-3 (10% Ph grupa)SE-52 (5% Ph grupa + 1% vinil grupa)


�Struktura tečne fazec. OV-225, OV-275 (cijanopropilmetilsilikon)

izrazito polarna kolona.

CH3 Si O Si O Si

CH3

CH3 CH

3

CH3

(CH2)3

O Si CH3

CH3

CH3

CH3

N


�Struktura tečne fazed. OV-210, QF-1 (trifluorpropilmetilsilikon)

umereno polarna kolona.

CH3 Si O Si O Si

CH3

CH3 CH

3

CH3

(CH2)3

O Si CH3

CH3

CH3

CH3

CF3


�Struktura tečne fazee. Carbowax 20M (polietilenglikol)

visoko polarna kolona.

20M – 20 000 srednja molekulska masa polimera.Za razdvajanje alkohola, fenola i jedinjenja koja grade vodonične veze.

OH CH2 CH

2 O CH2 CH

2 OH


�Struktura tečne fazef. Squalan – ugljovodonični lanac sa malo bočnih

grupa (C30H62)- najnepolarnija kolona.- niska tempeaturna granica rada- nizak viskozitet- referentna tečna faza

�Mešane tečne faze: dobijanje željene polarnosti.


�Kod pakovanih kolona tečna faza je na čvrstim česticama koje služe kao nosači.�Kod kapilatnih kolona tečna faza je na

unutrašnjem zidu kolone.


�Kolone mogu da se spajaju (kupluju) i tako da se povećava njihova dužina ili da se povezuju kolone različite polarnosti.


�Uzorak se ubacuje u kolonu preko injektora koji je zagrejan do teperature koja je dovoljna da sva jedinjenja i rastvarač koji se koristi prelaze u parno stanje.

Gasna hromatografija injektor

�Osnovna namena injektora je da se preko njega ubaci uzorak u kolonu.


�Postoje dve vrste injektora:split injektori splitless injektori


�U injektoru se nalazi stakleni (kvarc) dodatak za isparavanje.


�Veza izmedju injektora i kolone se ostvaruje preko ferula. Mogu biti metalne, grafitne ili polimerne:

Gasna hromatografija uzorci

�Uzorci mogu biti čista jedinjenja ili smeše jedinjenja.

�Uobičajeno se uzorak pravi kao razblažen rastvor što je povezano sa osetljivošću metode detekcije.


Razblaženrastvor

Čistiuzorak


�Kada je sistem spreman za analizu, što je pokazano pomoću lampe “spreman”(ready), uzorci se ubacuju preko injektora u kome prelaze u parno stanje i uvode u kolonu pomoću nosećeg gasa.


10 10 µµµµµµµµllššpricpric


�Špricevi za ubacivanje uzoraka su posebno dizajnirani da obezbede veliku tačnost količine ubačenog uzorka.


�Razdvajanje komponenata smeše je u koloni.

�Jedinjenja koje se različito zadržavaju u stacionarnoj fazi dospevaju u detektor u različito vreme i nastaju signali (pikovi) na hromatogramu.

Gasna

Hromatografija

PakPakovana kovana kololoonnaaInstalInstalirana u irana u zagrejanojzagrejanoj komorikomori

Izlaz uIzlaz uddeteetekktortor

Ulaz izUlaz iziinjenjekktortoraa

Gasna hromatografija detektori

�Hromatografski detektor je ureñaj koji se nalazi u sklopu gasnog hromatografa i povezan je sa izlaznim krajem kolone i odreñuje komponente smeše koja je ubačena u hromatografski proces, čime se ostvaruje cilj razdvajanja.

Gasna hromatografija detektori

� Klasifikacija detektora� Detektori se mogu klasifikovati na dva tipa:

detektore koji mere neku karakterističnu fizičku veličinu jedinjenja (kao što je dielektrična konstanta ili indeks refrakcije) i detektore koji mere neke fizičke ili hemijske osobine koje su jedinstvene zy jedinjenje (kao što su toplota sagorevanja ili fluorescencija). Detektori se mogu, takodje, klasifikovati kao uredjaji osetljivi na koncentraciju jedinjenja (kao što ke katarometar) ili uredjaje osetljive na masu koja ulazi u njih (kao što je plameno-jonizujući detaktor). Još jedan način klasifikacije je da se detektori definišu kao specifični ili nespecifični detektori.


�Odgovor detektora se šalje u kompjuter preko koga se prati izlayak komponenata na ekranu u grafičkom obliku kao funkcija odgovora detektora prema proteklom vremenu.



�Svaka komponenta smeše dospeva u detektor u različito vreme i proizvodi signal sa karakterističnim vremenom koje se naziva retenretenciono vremeciono vreme.

��PovrPovrššina ispod signalaina ispod signala predstavlja kolikoliččinu inu koju komponentakoju komponenta ima u smeši.



�Informacije iz detektora se mogu poslati i na printer da se dobije zapis hromatografskog razdvajanja.



U prikazu hromatografske analize se vidi:

broj signalabroj signala koji je isti kao i broj jedinjenjabroj jedinjenja uuzorku,

povrpovrššina ispod svakog signalaina ispod svakog signala pretstavlja RelativRelativnu kolinu količčinu jedinjenjainu jedinjenja u uzorku,

i ako je standard dostupan tada retenretenccioniono o vremevreme pod identičnim definisanim uslovima se može posmatrati kao identiidentikacijakacija svake komponente.


�Prednosti gasno-hromatografske metode:1. Kratko trajanje analize (10-60 min)2. Velika osetljivost detektora (10-14 g/L)3. Jednostavno rukovanje instrumentom4. Jednostana interpretacija

hromatograma5. Čista metoda

Detektori: Plameno-jonizujući detektor

(Flame Ionization Detector - FID)

�Spada u grupu najčešće korišćenih detektora.

�Upotrebljava se za rutinske i klasične analize.

�Lak za upotrebu ali je destruktivni detektor.



�FID se zagreva nezavisno od hromatografske pećnice (kolone)i injektora.

(da se spreči kondenzacija vode i zadržavanje rastvorka)

�Plamen koji gori u unutrašnjosti detektora je u smeši vodonika i vazduha (1:10).



Mehanizam

�Većina organskih jedinjenja proizvode jone i elektrone koji mogu da provode elektricitet kroz plamen. U detektoru je elektroda koja sakuplja (kolektuje) jone nastale u plamenu. Broj jona koji stiže na kolektor se meri i tako nastaje signal.



ORGANSKA HEMIJA

�Organski molekuli podležu seriji reakcija koje uključuju termičku fragmentaciju, hemijsku jonizaciju, reakcije molekula kao jona i slobodnih radikala pri čemu nastaju čestice sa naelektrisanjem.



�Količina jona koji nastaju je grubo proporcionalna broju ugljenikovih atoma koji su prisutni u plamenu i samim tim broju molekula. Kako FID registruje broj C-atoma koji dolaze na detektor u jedinici vremena on je osetljiv na masu a ne na koncentraciju.



� Prednost: Promene u protoku mobilne faze imaju mali efekat na odgovor detektora.

� Nedostaci: Ne mogu da se odredjuju karbonilna, alkoholna, halogena i amino grupa, gasovi koji ne gore (H2O, CO2, SO2 i NOx).

� Selektivnost: Jedinjenja sa C-H vezama.� Senzitivnost: 0,1-10 ng� Linearni opseg: 105-107� Gasovi: Za sagorevanje – vodonik i vazduh; � Dodatni gas - helijum ili azot� Radna temperatura: 250-300 oC; 400-450 oC za

kratkotrajne visoko temperaturne analize



Detektori: Detektor sa zahvatom elektrona

(Electron Capture Detector - ECD)

�ECD koristi radioaktivni beta emiter 63Ni (elektrona) da jonizuje noseći gas i proizvodi struju izmedju para elektroda. Kada organski molekuli, koji sadrže elektronegativne grupe kao što su halogeni, fosfor i nitro grupa, prolaze kroz detektor oni zahvataju elektrone i smanjuju struju koja se meri izmedju elektroda. ECD ima mali dinamički opseg i najveća primena je u analizi halogenih jedinjenja.



�ECD je veoma osetljiv na molekule koji sadrže elektronegativne funkcionalne grupe i koristi se za odredjivanje tragova hlorovanih insekticida i halogenovanih ugljovodonika u uzorcima iz životne sredine.�Nedostaci: neosetljiv na fukcionalne grupe

amina, alkohola i ugljovodonika.



Mehamizam

� ECD radi na veoma sličan način kao i proporcionalan brojač za merenje X-zračenja. Struja nosećeg gasa iz kolone prelazi preko beta-emitera (63Ni). Elektroni iz emitera prouzrokuju jonizaciju nosećeg gasa (obično azot) i proizvodi eksploziju broja elektrona. U odsustvu organskih jedinjenja konstantna struja je izmedju para elektroda, a ona slabi u prisustvu organskih molekula koji ulaze u ECD. Odgovor detektora je nenelinearan i detektor radi pulsno.



�Selektivnost: Halogeni, nitrati i konjugovani karbonili�Senzitivnost: 0,1-10 pg (halogeni jedinjenja);

1-100 pg (nitrati);

0,1-1 ng (karbonili).

�Linearni opseg: 103-104�Gasovi: Azot ili argon/metan�Temperaturni opseg: 300-400 oC



Detektori: Detektor sa termičkom

provodljivošću

(Thermal Conductivity Detector - TCD)

�TCD detektor je prvi u GC i još uvek se koristi.�Rad se zasniva na promeni termičke

provodljivosti gasa koji protiče. U prisustvu organika menja se termička provodljivost i temperatura raste u elementu koji je meri. �TCD je nespecifični i nedestruktivni detektor.�Koristi se za analizu gasova.�Može da se detektuje svako jedinjenje ali ima

male granice detekcije.

Detektori: Detektor sa zahvatom

elektrona


Mehanizam�Detektor ima dve ćelije koje se električno greju i

filament (Pt, Au ili tungstenova žica) ima konstantnu temperaturu sa konstantnom električnom strujom koja zavisi od gasa koji protiče. Kako protiče noseći gas, koji sadrži organike, menja se struja u jednom filamentu i meri se razlika sa referentnim filamentom bez organika (Vitstonov most). Ova razlika daje signal.


elektrona


�Gasovi: helijum i vodonik (6-10 puta veća termička provodljivost u odnosu na organike).�Selektivnost: Sva jedinjenja sem nosećeg gasa�Senzitivnost: 5-20 ng�Linearni opseg: 105-106

�Temperaturni opseg: 150-250 oC


elektrona


Detektori - ostali

� Azot-fosforni detektor(Nitrogen Phosphorous Detector - NPD)

� Plameno-fotometrijski detektor(Flame Photometric Detector - FPD)

� Atomski emisioni detektor(Atomic Emission Detector - AED)

� Fotojonizacioni detektor (Photoionization Detector - PID)

� Detektor sa električnom provodljivošću (Electrical Conductivity Detector - ELCD)

� Maseno-selektivni detektor (Mass Selective Detector - MS)

Documents

Gasna hromatografija 2010 - elektron.tmf.bg.ac.rselektron.tmf.bg.ac.rs/organskahemija/Gasna hromatografija 2010.pdf · hroma (boja) HROMATO GRAFIJA ... Gasna hromatografija teorija