Inżektory i detektory w chromatografii gazowej

Transkrypt

1 SCHEMAT BUDOWY CHROMATOGRAFU GAZOWEGO Inżektory i detektory w chromatografii gazowej Regulator przepływu gazu Oczyszczalnik gazu nośnego Komora nastrzykowa Detektor Wzmacniacz sygnału detektora Kolumna Prof. dr hab. Erwin Wąsowicz Termostat Zbiornik gazu nośnego TYPY DOZOWNIKÓW Dozowniki w kapilarnej chromatografii gazowej: Inżektory Z dzieleniem strumienia gazu SPLIT Bez dzielenia strumienia gazu SPLITLESS Bezpośrednie typu Megabore Dozujące bezpośrednio na kolumnę 1

2 DOZOWNIK WYKORZYSTUJĄCY ODPAROWYWANIE źródła dyskryminacji substancji PROFIL TEMPERATURY DOZOWNIKA WYKORZYSTUJĄCEGO ODPAROWYWANIE W FUNKCJI TEMPARATURY TERMOSTATU Dyskryminacji związków dozowanych sprzyjają: niska temperatura wrzenia, związki o dużej lotności DOZOWNIK TYPU SPLIT/SPLITLESS DOZOWNIK TYPU SPLIT - Próba odparowuje w komorze nastrzykowej z której większa część jest wydmuchiwana poza kolumnę (spli ratio 1:5 1:100) - Zastosowanie do związków stanowiących od 0,1-10% mieszaniny - Zastosowanie do analizy aromatu żywności, olejków eterycznych, benzyny i nafty oraz analizy wieloskładnikowych mieszanin - Zalety: szerokie zastosowanie, łatwość uzyskania dobrych rezultatów, temperatura wrzenia rozpuszczalnika nie wpływa na wybór temperatury kolumny 2

3 PODZIAŁ STRUMIENIA 80 PSI INPUT PRESSURE TOTAL FLOW CONTROL LOOP 205 ML/MIN FLOW SENSOR PRESSURE SENSOR 10 PSI BACK PRESSURE CONTROL LOOP SEPTUM PURGE REGULATOR 3ML/MIN SPLIT VENT PROPORTIONAL VALVE 1 GOLD SEAL SPLIT VENT TRAP PURGE VALVE OPEN 200 ML/MIN PROPORTIONAL VALVE 2 PODZIAŁ STRUMIENIA = Przepływ przez dzielnik strumienia Przepływ przez kolumnę COLUMN FLOW Split Ratio - 100:1 2 ML/MIN DOZOWNIK TYPU SPLITLESS DOZOWANIE SPLITLESS efekt rozpuszczalnika - Rozpuszczalnik zostaje odparowany zanim próba dotrze do kolumny - Zastosowanie do śladowych ilości związków 10ppb-100ppm ze względu na dużą czułość - Wykorzystanie do analiz środowiskowych, biomedycznych, oraz aromatów - Zalety: stosowanie z kolumnami kapilarnymi, niższe temperatury nastrzyku 3

4 6890 Splitless status przed pre run 6890 Splitless status po pre-run 6850/90 Splitless pojemność linera FORWARD PRESSURE CONTROL LOOP 80 PSI INPUT PRESSURE 5 ML/MIN FLOW SENSOR 10 PSI PRESSURE SENSOR SEPTUM PURGE REGULATOR 3ML/MIN SPLIT VENT FORWARD PRESSURE CONTROL LOOP 80 PSI INPUT PRESSURE 5 ML/MIN FLOW SENSOR 10 PSI PRESSURE SENSOR SEPTUM PURGE REGULATOR 3ML/MIN SPLIT VENT PROPORTIONAL VALVE 1 GOLD SEAL SPLIT VENT TRAP PURGE VALVE CLOSED 0 ML/MIN PROPORTIONAL VALVE 1 GOLD SEAL SPLIT VENT TRAP PURGE VALVE CLOSED 0 ML/MIN PROPORTIONAL VALVE 2 PROPORTIONAL VALVE 2 COLUMN FLOW 2 ML/MIN COLUMN FLOW 2 ML/MIN Mniejszy kontakt ze złotą uszczelką 4

5 Splitless chromatogram testowy purge valve on po 1 min. 80 PSI INPUT PRESSURE TOTAL FLOW CONTROL LOOP 55 ML/MIN FLOW SENSOR PRESSURE SENSOR 10 PSI BACK PRESSURE CONTROL LOOP SEPTUM PURGE REGULATOR 3ML/MIN SPLIT VENT pa FID1 A, (A:\FIDSPLS.D) Area: e PROPORTIONAL VALVE 1 GOLD SEAL SPLIT VENT TRAP PURGE VALVE OPEN PROPORTIONAL VALVE 2 50 ML/MIN min PRIMARY FLOW PATH REDUCED FLOW PATH COLUMN FLOW 2 ML/MIN PRESSURIZED GAS Split chromatogram testowy przy włączonym zaworze - purge valve off DOZOWNIK TYPU Megabore FID1 A, (A:\NOPURGE.D) pa min 5

6 LINERY DO DOZOWNIKÓW TYPU Megabore 6

7 Detektory w GC Substancje wymyte z kolumny wpływają do detektora, detektor reaguje na ich obecność i wytwarza sygnał elektroniczny wysyłany do systemu danych Niektóre detektory dają odpowiedź na każdą substancję eluującą z kolumny, podczas gdy inne reagują tylko na anality o specyficznych strukturach, grupach funkcyjnych i atomach (detektory selektywne) 7

8 Czułość detektora Zakres liniowości detektora Mierzona jako stosunek sygnału do szumu (S/N) Sygnał jest wysokością piku a szum amplitudą linii podstawowej Wiarygodna identyfikacja wymaga aby stosunek S/N wynosił 8-10 Liniowy zakres odpowiedzi detektora zakres, w którym pole powierzchni piku jest wprost proporcjonalny do ilości substancji badanej Zależy od badanej substancji i warunków analizy (temperatura przepływ gazu) Wykres zależności ilości analitu od stosunku powierzchni piku/ilość substancji (prosta linia odpowiedź liniowa) W celu otrzymania optymalnej czułości, selektywności i liniowego zakresu detektora zaleca się stosowanie określonego natężenia przepływu strumienia gazu nośnego Charakterystyka odpowiedzi detektora Czułość podawana jest jako stosunek odpowiedzi do ilości próbki, to jest, nachylenie krzywej odpowiedzi / ilość. Minimalna ilość na krzywej definiowana jest jako granica wykrywalności. Na wartość tą wpływa sposób pobierania i przygotowania próbek, rodzaj dozowania i kolumny, sposób integracji sygnału, oraz szum pochodzący z układu obwodów elektrycznych. Dlatego, wartość tą praktycznie definiuje się jako ilość próbki, dla której wysokość piku jest dwu lub trzykrotną wysokością szumu (stosunek sygnał/szum wynosi 2-3). Czułość detektorów Selektywność jest miarą rodzaju związków, dla których otrzymuje się sygnał detektora. Niektóre z detektorów wykrywają prawie wszystkie składniki i należą do kategorii detektorów uniwersalnych. Inne reagują tylko na poszczególne związki i są bardzo użyteczne gdy badane składniki zawarte są w kompleksowej matrycy na którą detektor nie reaguje. Zakres dynamiczny jest zakresem stężenia próbki, w którym detektor może gwarantować dokładną analizę ilościową. Dla niektórych detektorów zakres ten jest całkiem szeroki, (tak jak dla detektora płomieniowojonizacyjnego). Dla innych, takich jak detektor płomieniowo-fotometryczny, zakres jest niski z powodu takich czynników jak nasycenie sygnału przy wyższych stężeniach. 8

9 Detektory uniwersalne a selektywne Detektory uniwersalne a selektywne UNIWERSALNE Reagują na wszystkie substancje wymywane z kolumny Odpowiedź na wszystkie związki może wpływać na rozdział substancji Detektory te reagują na upływ fazy z kolumny oraz na zmiany temperatury i ciśnienia gazu nośnego SELEKTYWNE Są czułe na poszczególne pierwiastki, strukturę/grupę funkcyjną lub inne właściwości analizowanych związków Detektory uniwersalne: - przewodności cieplnej (TCD) - płomieniowo-jonizacyjny (FID) Detektory selektywne: - azotowo-fosforowy (NPD) azot i fosfor - wychwytu elektronów (ECD) chlorowcozwiązki - fotometryczny (FPD) fosfor i siarka - przewodności Halla - masowy (pracujący w trybie SIM) Rodzaje detektorów Detektor TCD cieplno-przewodnościowy Zasada działania: Komora detektora zawiera ogrzewany prądem element oporowy (żarnik) Zmiana prądu żarnika następuje na skutek pojawienia się analitu Zmiana prądu porównywana jest do prądu w komorze odniesienia a miernikiem różnicy jest wytworzony sygnał Selektywność: wszystkie związki poza gazem nośnym Czułość 5-20 ng Zakres liniowy: Gazy: pomocniczy (make up) taki sam jak gaz nośny Temperatura: ºC 9

10 Detektor TCD cieplno-przewodnościowy Detektor TCD cieplno-przewodnościowy Czułość detektora TCD w funkcji temperatury Detektor FID płomieniowo-jonizacyjny Zasada działania: Związki spalane są w płomieniu wodoru i powietrza Związki zawierające węgiel wytwarzają jony, które zbierane są na kolektorze (elektrodzie kolektorowej) Sygnał zarejestrowane jony zebrane przez elektrodę Selektywność: związki zawierające wiązanie C-H, słaba odpowiedź na związki organiczne pozbawione wodoru (np. heksachlorobenzen) Czułość: ng Zakres liniowy: Gazy: wodór i powietrze, gaz uzupełniający hel lub azot Temperatura ºC 10

11 Związki dające słabe odpowiedzi przez detektor FID Detektor FID płomieniowo-jonizacyjny Detektor FID płomieniowo-jonizacyjny Detektor FID płomieniowo-jonizacyjny Odpowiedź detektora FID podczas przepływu gazu nośnego wodoru i powietrza 11

12 Detektor FID płomieniowo-jonizacyjny Względne wartości czynników odpowiedzi dla FID i TCD (% wag) FID jest detektorem destrukcyjnym, masowym Liczba jonów powstających w płomieniu jest policzona, jony wytwarzają sygnał detektora Anality o największej liczbie węgli o niskim stopniu utlenienia wytwarzają najsilniejszy sygnał Analiza śladowych ilości CO i CO 2 za pomocą układu metanizer - FID Detektor ECD wychwytu elektronów Zasada działania: Elektrony dostarczane są z promieniotwórczego 63 Ni umieszczonego w celce detektora, w której generowany jest prąd Elektroujemne związki wychwytują elektrony powodując zmniejszenie prądu Mierzony pośrednio spadek prądu jest sygnałem tła Selektywność: chlorowce, azotany i skoniugowane grupy karbonylowe Czułość: pg (chlorowce), pg (azotany), ng (związki karbonylowe) Zakres równości: Gazy: azot lub argon/metan 12

13 Detektor ECD wychwytu elektronów Odpowiedź detektora ECD na różne związki Detektor NPD azotowo-fosforowy Detektor NPD azotowo-fosforowy Termojonowy, bezpłomieniowy detektor Czułość wywołana obecnością metalu alkalicznego Jony powstają w plazmie wodorowo-powietrznej z wodoru w podwyższonej temperaturze i katalizatorów alkalicznych umieszczonych w źródle ceramicznym Selektywność: związki azotu i fosforu Czułość: 1-10 pg Zakres liniowy: Gazy: wodór i powietrze, make-up hel Temperatura: ºC Wylot dyszy detektora NPD 13

14 Detektor NPD azotowo-fosforowy Detektor NPD azotowo-fosforowy Detektor NPD azotowo-fosforowy Detektor FPD płomieniowo-fotometryczny Zasada działania: Związki spalane są w bogatym płomieniu wodór powietrze Związki zawierające siarkę i fosfor wytwarzają indywidua emitujące światło (siarka 394 nm, fosfor 526 nm) Filtr monochromatyczny umożliwia przejście tylko jednej z fal o określonej długości Kolumna fotopowielacza stosowana jest do pomiaru ilości światła i wytworzonego sygnału Dla każdego pierwiastka stosowane są odmienne filtry Selektywność: związki siarki i fosforu Czułość: pg (siarka), 1-10 pg (fosfor) Zakres liniowości: nieliniowy (siarka), (fosfor) Gazy: wodór i powietrze, make-up azot Temperatura: ºC 14

15 Detektor FPD płomieniowo-fotometryczny Detektor FPD płomieniowo-fotometryczny Detektor FPD płomieniowo-fotometryczny Detektor PFPD pulsacyjny detektor płomieniowo-fotometryczny Selektywność: siarka > 10 6 S/C, fosfor > 10 6 Liniowość: siarka zależność kwadratowa, fosfor liniowość w zakresie pięciu rzędów wielkości Gaz nośny: maksymalne natężenie przepływu (He, N 2 ): 5mL/min, większe natężenie przepływu, do 15 ml/min, przy H 2 Temperatura: minimalna 180ºC, maksymalna 420ºC 15

16 Detektor PFPD pulsacyjny detektor płomieniowo-fotometryczny Detektor PID - fotojonizacyjny Zasada działania: eluaty wypływające z kolumny bombardowane są w detektorze fotonami o wysokiej energii emitowanymi przez lampę UV Jonizowane są związki o potencjale jonizacyjnym nie przekraczającym energii fotonów Powstające jony przyciągane są przez elektrodę, mierzone a następnie wytwarzany jest sygnał Selektywność: zależy od energii lampy, detektor stosowany zazwyczaj dla związków aromatycznych i olefin (lampa 10eV) Czułość: pg (związki aromatyczne), pg (olefiny) Zakres liniowy: Gazy: hel (99.999%) Temperatura: 200ºC Detektor PID - fotojonizacyjny Spektrometr masowy - MS Zasada działania: W detektorze panuje próżnia Związki bombardowane są elektronami (EI) lub cząsteczkami gazu (CI) a następnie fragmentowane na jony o charakterystycznych ładunkach Powstające jony są ogniskowane i przyspieszane w filtrze mas Selektywność filtra pozwala na przejście wszystkich jonów o określonej masie do powielacza Selektywność: wszystkie związki dające fragmenty o wyselekcjonowanym zakresie mas, całkowity zakres mas SCAN, wybrane jony SIM Czułość: 1-10 ng (SCAN), 1-10 pg (SIM) Zakres liniowy: Gazy: hel Temperatura: ºC (linia transferowa), ºC (źródło) 16

17 Spektrometr masowy - MS Spektrometr masowy MS, magnetyczny separator mas Spektrometr masowy MS, kwadrupol Spektrometr masowy MS, spektrometr czasu przelotu - TOF 17

18 Spektrometr masowy MS, pułapka jonowa Spektrometr masowy MS, spektrometr mas z transformacją Fourier a (FTMS) Spektrometr masowy MS, chromatogram całkowitego prądu jonowego Spektrometr masowy MS, widmo masowe 18