Dávkování vzorku v GC - II Příprava předmětu byla podpořena projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/33253

Transkript

1 Dávkování vzorku v GC - II Příprava předmětu byla podpořena projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/33253

2 7. Dávkování ventily (Valves) Dávkovací ventily jsou jednoduchá zařízení umožňující vnesení daného objemu vzorku na kolonu Ventily jsou obvykle užívány pro dávkování plynů, ale je možno touto technikou dávkovat také kapaliny Pro dávkování plynů je třeba zabezpečit termostatování ventilů Veškeré cesty musí být krátké, aby nedocházelo k rozmytí vzorku Ventily jsou dvou druhů: rotační a diafragmové Rotační ventily jsou užívány častěji, jsou odolné vůči vysokým teplotám a tlakům, podle použitého materiálu až do ~350 C(grafit). Nastřikované objemy plynů jsou od 0.25 do 1ml (obvykle externí smyčka), kapalin do maximálně 5µl (interní smyčka + restriktor) Diafragmové ventily jsou svou podstatou podobné rotačním, místo rotačního pohybu je pohyb posuvný. Výhoda spočívá v rychlejším přepínání ventilu, velmi vhodné pro chromatografii s velkým rozlišením. Obvykle mají menší tepelnou odolnost (do ~150 C)

3

4

5

6

7 8. Dávkování pomocí automatizované metody headspace (Headspace Autosamplers) Headspace autosamplery jsou užívány pro dávkování plynné fáze, která je v rovnováze s kapalným vzorkem v uzavřené termostatované vialce Vzorek je navážen nebo odměřen do vialky, obvykle spolu s interním standardem pro kvantitativní analýzu. Pak je vialka uzavřena a termostatována po určitou dobu. Ve vialce se ustaví rovnováha mezi plynnou a kapalnou fází, kdy část především těkavých látek přejde z kapalné do plynné fáze. Následně je vialka mírně (4 bar) přetlakována nosným plynem po dobu ~20 s, následuje uvolnění tlaku spojené s expanzí plynné fáze do nástřikové smyčky (po dobu 2-10 s) a závěrem nadávkování obsahu smyčky na kolon Veškeré cesty spojující dávkovač s GC musí být termostatovány

8

9

10 Pokud je technika užívána s náplňovými nebo wide bore kapilárními kolonami, jsou užívány poměrně vysoké průtoky nosného plynu >10ml/min. Přenesení plynů z vialky je velmi rychlé a efektivní. Pokud je technika použita s úzkými kapilárními kolonami a průtokem na kolonách pod 10ml/min, je nutno nastřikovat ve split modu s průtokem v headspace modulu >10ml/min, pro zabezpečení efektivního dávkování plynné fáze na kolonu

11

12 Vzhledem k vysoké těkavosti analyzovaných látek jsou používány náplňové kolony a kapilární kolony se silnou vrstvou kapalné fáze pro dosažení fokusačního efektu na stacionární fázi. Lze využít i kryogenní chlazení pro fokusaci na stacionární fázi Pro dosažení potřebné reprodukovatelnosti techniky je třeba minimalizovat vliv matrice vzorku na složení plynné fáze nad kapalinou: Rozemletím pevného vzorku (zvětšení povrchu) Vysolením vodných vzorků (snížení rozpustnosti ogranických složek ve vodě a zvýšení koncentrace v parách) Úprava ph (změna polarity) Nasycení organických a pevných vzorků vodou (zmenšení adsorpčních interakcí) Je třeba se vyvarovat kontaminací z ovzduší (blanket) Technika je zejména vhodná pro analýzu těkavých složek ve znečištěných vzorcích, pro analýzu pevných vzorků, vzorků obsahujících nežádoucí málo těkavé složky a vzorků obsahujících značné množství vody, které nejsou kompatibilní s kapilárními kolonami

13 Oblasti hlavních aplikací jsou: vzorkování těkavých látek ve vodách, analýza polymerů (monomery a reziduální rozpouštědla), analýza potravin a nápojů (vonné složky), analýza léčiv (rozpouštědla, vstupy) Technika headspace může v řadě případů nahradit techniku purge and trap

14 9. Dávkování pomocí tepelných desorbérů (Thermal Desorbers) Tepelná desorpce poskytuje rychlý a reprodukovatelný způsob uvolnění těkavých složek z pevných vzorků nebo sorbentů Tepelná desorpce je založena na rychlém zvýšení teploty (až na 400 C) a s tím spojené desorpci těkavých složek ze vzorku, resp. sorbentu. K tomu se obvykle užívají speciální zařízení, analytické pyrolyzéry nebo purge and trap samplery

15

16 Typy vzorků obvykle zahrnují: složky ovzduší zachycené na adsorbentech, geologické vzorky (horniny), polymery Tepelná desorpce je integrální část purge and trap techniky Čas potřebný pro desorpci je závislý na více parametrech: na matrici vzorku, jeho velikosti, síle interakcí mezi vzorkem a sorbentem, desorpční teplotě, difúzi složek atd. Termální desorpce je relativně pomalý proces, vede sám o sobě ke vzniku širokých píků. Jeden nebo několik typů fokusace vzorku na koloně je nezbytnou součástí analýz Spojení termální desorpce s úzkou kapilární kolonou je podobně jako v technice headspace provedena pomocí děliče toku, to umožňuje rychlou desorpci a současně omezuje rozšiřování chromatografických zón Pro vzorkování složek vzduchu se užívají trubice plněné známým množstvím sorbentu: aktivní uhlí, silikagel, Tenax, nebo jejich směs. Přes trubici se sorbenty je vedeno známé množství vzduchu (běžně stovky litrů). Analyty jsou kvantitativně adsorbovány na sorbentech. Trubice jsou následně uzavřeny a instalovány do desorpční jednotky Pevné vzorky, např. polymery, ve kterých je nutno zjistit koncentraci monomerů a zbytkových rozpouštědel, bývají drceny pro usnadnění difúze a zvětšení povrchu. Malé vzorky jsou výhodnější, ale velikost je limitována citlivostí metody

17

18 Desorpční teplota a rychlost zahřívání jsou velmi důležité pro dosažení reprodukovatelných výsledků. Čím je zahřívání rychlejší, tím je rychlejší desorpce a užší píky, ale hodnota horního teplotního limitu je určována stabilitou složek a sorbentu. Většina sorbentů je stabilní jen do teplot ~ 300 C. Pro většinu těkavých složek je ovšem dostatečná desorpční teplota kolem 200 C

19 10. Dávkovače Purge and Trap (Purge and Trap Samplers) Tyto dávkovače jsou určeny především pro analýzu vzorků životního prostředí a vody Mohou být ale obecně užity pro analýzu složek, které jsou těkavější než složky hlavní Obvykle je kapalným vzorkem (5-20 ml) umístěném v uzavřeném systému probubláváno helium rychlostí ml/min při laboratorní teplotě, které strhává těkavé složky z roztoku, a ty jsou selektivně koncentrovány na vhodném adsorbentu. Po stanoveném čase, obvykle min, je probublávání přerušeno a přes adsorbent je veden nosný plyn, který rychlým zvýšení teploty adsorbentu ( C/min) desorbuje složky a unáší je do analytické kolony

20

21 Řada látek, které jsou analyzovány touto metodou, může být separována i technikou headspace, ale purge and trap má výhodu ve vysoké citlivosti-těkavé složky jsou ze vzorku kvantitativně přeneseny na sorbent Fokusace je obvykle nutným předpokladem pro dosažení dobrého rozlišení na koloně Většinou jsou měřené složky rozpouštěny ve vodě a velké množství vody je tak strháváno na adsorbent, při tepelné desorpci se voda uvolňuje a kondenzuje na chromatografické koloně, to často vede ke zhoršení separace, snížení reprodukovatelnosti ploch píků. Často se proto do adsorpčních trubic přidává silikagel, který přednostně sorbuje vodu a daleko méně ostatní složky. Nejúčinnější metoda pro odstranění vody je založena na zařazení sušící trubice mezi adsorbent a kolonu Pro získání správných výsledků je třeba zaručit, že při adsorpci na sorbentu nedochází k průniku měřených složek. Adsorbent lze opakovaně používat, ale jeho kapacita se postupem doby snižuje a životnost je limitována

22 Výhody headspace metody dávkování ve srovnání s purge and trap zahrnují: Headspace systémy jsou technicky méně náročné Vysoká koncentrace vody ve vzorcích nemá tak velký vliv na separaci V systému nejsou zařazeny adsorbenty Není žádné nebezpečí průniku adsorbentem a ztráty složky Vzorek může být zahřát, a tím ovlivněna těkavost Lze provést opakovaní nástřiku z jednoho vzorku Naopak výhodou purge and trap je skutečnost, že metoda je citlivější a těkavé složky mohou být na adsorbent převedeny kvantitativně

23 11. Dávkovače pyrolyzační (Analytical Pyrolyzers) Pyrolýza je vhodná metoda analýz takových vzorků, jako jsou polymery, biologické materiály (bakterie, viry, biopolymery) a geologické vzorky (uhlí, horniny) Analytická pyrolýza představuje tepelný rozklad velkých molekul na molekuly menší, zpravidla při teplotách nad 400 C. Měřený vzorek je zahříván v inertní atmosféře na rozkladnou teplotu. Vzniklé fragmenty jsou těkavější než původní složky a jsou analyzovatelny pomocí plynové chromatografie, kde poskytují charakteristické spektrum píků, tzv. fingerprint. Typ a množství pyrolyzátu má vztah k původnímu vzorku Zvyšování teploty vede k zvýšené fragmentaci, v chromatogramu se objevuje více jednodušších komponent Použití selektivních detektorů pomáhá při charakterizaci píků, kterých mohou být i stovky. Pro vyhodnocení chromatogramů je třeba využívat matematických technik Pyrolýza se může provádět v redukční nebo oxidační atmosféře, pokud je třeba, aby došlo k příslušné chemické reakci

24 Používaná pyrolyzační zařízení se neliší funkcí, ale podle provedení pyrolýzy se dělí na: Pyrolyzér s odporovým zahříváním Pyrolyzér na bázi Cuireova bodu Mikropec Pyrolyzéry s odporovým zahříváním jsou vybaveny platinovým proužkem, na který se nanáší pevný nebo rozpuštěný vzorek. Rozpouštědlo je bleskově odpařeno a vzorek je vložen do křemenné trubice se zátkami z křemenné vaty. Trubice je pak vložena do platinové vyhřívací smyčky. Před pyrolýzou může být vzorek vložen do upraveného dávkovače na náplňové kolony nebo do samostatného zařízení, které umožní zachycení produktů pyrolýzy, následnou desorpci a nanesení na kolonu Maximální teplota pyrolýzy může dosáhnout 1400 C, rychlost zahřívání je nastavitelná, může být 20 C/ms Unikátním rysem je možnost postupné pyrolýzy při různých teplotách, dosažení jisté selektivity již průběhem pyrolýzy Nejflexibilnější koncepce pyrolyzéru

25

26 Curie-point pyrolyzéry jsou založeny na bázi feromagnetického zahřívání drátku nebo fólie na jejich Curie bod. Specifické slitiny kovů, ze kterých jsou drátky a fólie zhotoveny, mají přesně definované charakteristické Curie body, a tím konečné teploty Zvyšování teploty je balistické velmi rychlé a teplota je velmi stabilní a reprodukovatelná. Zahřívání je prováděno radiofrekvenčně

27

28 Mikropece-vzorek je umístěn do lodičky, která je pak vložena do zahřívané zóny. Používají se i utěsněné trubice se vzorkem, které jsou po proběhnutí pyrolýzy přímo v přístroji proraženy a uvolněné složky dávkovány na kolonu

29

30 12. Dávkovač pevných vzorků