Programovaná změna teploty kolony v době analýzy Je využívána v separacích látek s velmi odlišným bodem varu Lze dosáhnout zkrácení doby analýzy za

Transkript

1 Detektory GC - I Příprava předmětu byla podpořena projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/33253

2 2.3 Programovaná teplota kolony Programovaná změna teploty kolony v době analýzy Je využívána v separacích látek s velmi odlišným bodem varu Lze dosáhnout zkrácení doby analýzy za současného zachování dobrého rozlišení Obvykle se aplikují lineární teplotní gradienty od 1 C/min do 20 C/min Teplotu lze programovat i s užitím více izotermálních a gradientových částí v jedné separaci Rozmezí teplot je obvykle od ~ -70 C do 450 C, pokud je zajištěno výkonné chlazení Přístroje pro teplotní programování mají splnit následující podmínky: 1.Dávkovač, termostat a detektor musí být vybaveny nezávislým zdrojem tepla a chladu 2.Přístroj musí být vybaven jednoduchými a spolehlivými programátory teploty 3.Termostat (oven) musí být dobře izolován. Musí být ale současně schopen sledovat rychlé změny teplot určené programátorem

3 Maximální a minimální programovaná teplota obvykle není určena možnostmi termostatu, ale teplotním limitem kolony. Tenze par by neměla přesáhnout 10-6 g zakotvené fáze na 1 ml nosného plynu Zvýšení teploty vede k částečnému úniku stacionární fáze kolony, dochází k driftu základní linie. Dříve zdvojené systémy vyrovnávající drift Stoupající teplota vede k expanzi plynu a snížení průtoku při stálém vstupním tlaku. To může ovlivnit kvalitu základní linie, její šum. Pokud lze pracovat za konstantního průtoku, může tento režim vést ke stabilnějšímu signálu Při užívání programované teploty je nutno používat kvalitní nosné plyny nebo zařadit selektivní filtry mezi tlakové lahve a chromatograf

4 2.4 Detektory v GC Prvořadým úkolem detektoru je zvýraznění rozdílu mezi průchodem samotného nosného plynu a nosného plynu obsahujícího eluovanou složku na výstupu z chromatografické kolony Obecnou charakteristikou dobrého detektoru by měla být vysoká stabilita signálu, vysoká citlivost, rychlá odezva na změnu složení eluátu, velký lineární dynamický rozsah Rozdělení detektorů Detektory lze třídit podle různých hledisek např.: 1. Podle způsobu časové odezvy: a) Integrální b) Diferenciální ad a) Poskytují údaj o celkovém množství látky prošlé detektorem od začátku měření až do určitého času ad b) Jejich signál odpovídá okamžitému množství detekované látky v detektoru

5

6

7 2. Podle průběhu detekce: a) Nedestruktivní b) Destruktivní ad a) Nedochází k nevratné chemické reakci ad b) Dochází k chemické reakci při detekci nebo před detekcí 3. Podle detekčního principu: a) Ionizační detektory b) Detekory založené na fyzikální vlastnosti celku (bulk physical property) c) Optické detektrory d) Elektrochemické detektory 4. Podle povahy odezvy: a) Univerzální b) Selektivní c) Specifické Rozdělení je jen přibližné, neexistuje zcela univerzální, selektivní nebo specifický detektor

8 5. Podle vlivu odezvy na průtok detektorem: a) Koncentrační b) Hmotové ad a) Odezva detektoru je závislá na rychlosti průtoku mobilní fáze čidlem ad b) Odezva detektoru je nezávislá na rychlosti průtoku mobilní fáze detektorem

9 ad a) Pro koncentrační detektory platí za ideálních podmínek: R= K1c (28) kde R je odezva detektoru (obyčejně v mv), K 1 je konstanta úměrnosti, c je koncentrace složky procházející detektorem Lze odvodit (využitím rovnice (28)), že pro plochu píku A platí: m A (29) F m m je celková hmotnost složky a F m je rychlost průtoku nosného plynu Plocha píku je přímo úměrná celkové hmotnosti vzorku a nepřímo úměrná průtoku nosného plynu

10 ad b) Pro hmotové detektory, reagující na rychlost přívodu hmoty do detektoru, platí: R 2 = K (dm/dt) (30) K 2 je konstanta úměrnosti, t je čas Pomocí rovnice (30) je možno odvodit: A 2 K m (31) Plocha píku je přímo úměrná celkové hmotnosti vzorku

11

12 Gas chromatography Liquid Chromatography FID Mass sensitive UV/VIS detector Concentration sensitive TCD ECD Concentration sensitive Concentration sensitive (Mass sensitive) RI detector Fluorimetric detector NPD Mass sensitive Electochemical detector FPD Mass sensitive Coulometric detector Mass Spectrometer Hall detector He ID Mass sensitive Concentration sensitive Mass sensitive Concentration sensitive Concentration sensitive Mass sensitive Mass sensitive

13 2.4.2 Charakteristiky detektoru Citlivost Citlivost je odezva detektoru R, vyjádřená obvykle v milivoltech na jednotku koncentrace komponenty Jednotkou citlivosti byl navržen 1 milivolt/mg složky obsažené v 1cm 3 Citlivost detektoru S lze vyjádřit jako: 3 3 mv cm S= mv/ ( mg/cm ) = (32) mg Šum detektoru Elektrický krátkodobý šum se projevuje rozkmitáním základní linie, je způsobován detektorem a zesilovačem Šum základní linie omezuje dosažitelnou citlivost detektoru, definuje se mez detekce a mez stanovitelnosti Mez detekce: S i 2N Mez stanovitelnosti: S i 10N

14

15

16 Linearita a lineární dynamický rozsah Přesnost kvantitativního stanovení je závislá na lineárním vztahu mezi koncentrací složky a odezvou detektoru. Pokud je např. uvažována odezva FID v závislosti na přívodu hmoty, lze pro ideální případ psát: R 2 = K (dm/dt) (30) V logaritmickém vyjádření: log R = log K + 2 log (dm/dt) (33) Rovnice (33) má formu y=a+bx, s tím, že b=1 Linearita detektoru je definována jako směrnice závislosti (33) Detektor s přesně lineární odezvou má směrnici b právě rovnu 1 V praxi bývá směrnice mírně odlišná od 1, pro FID v rozsahu Lineární dynamický rozsah detektoru lze definovat jako poměr největší a nejmenší koncentrace, mezi kterou je odezva detektoru lineární

17 V praxi je odezva detektoru považován za lineární, pokud je směrnice mezi Směrnice závislosti mezi body a b je rovna 0.97, linearita je 0.97 Za bodem b začíná směrnice prudce klesat a lineární vztah již neplatí, směrnice je menší než 0.95 Lineální dynamický rozsah je podle definice roven b/a=10 7

18

19 Odezva detektoru Odezva detektoru je okamžitá reakce detektoru na signál, je to okamžitý vliv hmoty na čidlo schopné na hmotu reagovat Odezva je závislá na principu detektoru, může být tedy např. přibližně stejná pro skupiny látek, ale může se naopak výrazně lišit podle druhu detektoru a dělených látek Poznámka: Detektory pro kapilární kolony Vzhledem k výrazně menšímu průtoku nosného plynu je pro optimální činnost detektoru obvykle třeba přidávat make-up gas Make-up a nosný plyn jsou obecně odlišné, a tak umožňují kombinovat optimální podmínky pro detektor a kolonu

20 2.4.3 Ionizační detektory Princip ionizačních detektorů je založen na elektrické vodivosti částic analyzované složky Složka přivedená do detektoru nosným plynem je ionizována buď vnějším zdrojem záření, nebo hořením ve vodíkovém plameni

21 Plameno-ionizační detektor - FID (Flame Ionization Detector) napětí ~150 V proudy a A

22 Princip detektoru Mechanizmus ionizace není přesně znám, nicméně bylo zjištěno, že přímá ionizace hraje malou roli v ionizačním procesu. Organické látky podléhají sledu složitých reakcí, při těchto procesech vznikají radikály CH, jenž reagují s kyslíkovými radikály a excitovanými molekulami a atomy kyslíku za vzniku hlavích nabitých produktů CHO + a e -, jejichž vznik vede ke zvýšení procházejícího proudu detektorem FID je považován za univerzální detektor, a proto je velmi rozšířen K jeho přednostem se řadí: Vysoká citlivost vůči téměř všem organickým látkám Téměř žádná odezva na vodu, CO 2 a běžné nečistoty v nosných plynech Dobrá stabilita základní linie, malá citlivost na mírné fluktuace průtoku nosného plynu, teploty a tlaku Dobrá linearita ~0.97 a velký lineární dynamický rozsah ~10 7 Pro FID je vhodnějším nosným plynem N 2 než He, protože použití dusíku jako nosného plynu a make-up plynu vede k vyšším odezvám detektoru

23

24 Kromě volby nosného plynu je důležitý poměr průtoku vodíku a nosného plynu(+make up plynu) Vliv průtoku vzduchu není příliš významný v poměrně velkém rozsahu Poměr průtoků N 2 :H 2 :vzduch je ~1:1:10

25 Odezva detektoru je úměrná hmotnosti složky procházející tryskou za jednotku času Pro uhlovodíky platí přímá úměrnost mezi plochou píků vztaženou na mol složky (např. v mm 2 /mol) a počtem uhlíků v molekule Přítomnost dvojných vazeb, funkčních skupin a heteroatomů v molekule obvykle snižuje odezvu detektoru vzhledem k alkanickému uhlovodíku (o stejném počtu uhlíkových atomů) FID není citlivý na permanentní plyny, vodu, H 2 S, COS, CS 2, HCOOH, (COOH) 2, NH 3, SiCl 4, oxidy síry, uhlíku, dusíku

26 Termoionizační detektor se solí alkalického kovu TID (Thermionic Ionization Detector, Nitrogen-Phosphorous Detector NPD; AFID)

27

28 Princip detektoru Modifikovaný FID, prstenec nebo kulička se solí alkalického kovu, Na 2 SO 4, RbCl, KCl, CsBr, silikát rubidia atd. Díl nesoucí sůl alkalického kovu je samostatně vyhříván Detekce je založena na měření změn ionizace alkalického kovu vlivem průchodu detekované složky spíše než na bezprostředním měření ionizace eluované složky Detektor je vysoce selektivní pro organické látky s obsahem fosforu a dusíku Podmínkami v detektoru, především průtokem vodíku a regulací napětí, lze pracovat v režimu: a) selektivní detekce jen složek obsahujících fosfor nebo b) současné detekce složek obsahujících fosfor i dusík Průtoky nosného plynu, make-up a vzduchu jsou nižší než pro FID Detekce uhlíkatých látek je potlačena Selektivita pro dusík a fosfor vzhledem k uhlíku je ~ :1 (hmotnostně) Detektor má lineární dynamický rozsah ~ Využití především v oblasti biochemie a životního prostředí. Detekce, drog pesticidů apod. Umožňuje omezit přípravu vzorku v důsledku značné selektivity

29 Detektor elektronového záchytu - ECD (Electron Capture Detector)

30 Princip detektoru 1) Radioaktivní zdroj záření - 63 Ni (67KeV) nebo 3 H (18KeV)- produkuje vysokoenergetické částice beta 2) Molekuly nosného plynu C reagují s β - částicemi za vzniku nízko energetických elektronů ( eV) a ostatních produktů jako jsou pozitivní ionty a excitované molekuly C + β 2e + C + C * 3) Nízkoenergetické elektrony jsou zachycovány složkami eluátu AB vykazujícími afinitu k elektronům AB+ e - AB - Dále může docházet k následné dekompozici AB - a reakcím s kladnými ionty v detektoru Každá beta částice ionizuje mnoho molekul nosného plynu za vzniku stabilního množství nízkoenergetických elektronů Na elektrody je vloženo napětí a nízkoenergetické elektrony jsou sbírány na anodě za vzniku proudu Pokles koncentrace volných elektronů v detektoru, způsobený jejich vychytáním složkou AB, vede k poklesu proudu, který se projeví změnou měřeného signálu detektoru Ionty AB - se ke kolektoru nedostanou v důsledku pulzního napětí na elektrodách

31 Jako make-up se používá vysoce čistý dusík nebo směs argon/ch 4 95/5 (CH 4 snižuje pravděpodobnost vzniku metastabilních iontů nosného plynu a elektronů, které byl jinak mohly vznikat reakcí excitovaných molekul nosného plynu se složkami vzorku v eluátu) Citlivost a selektivita je zejména pro halogenované látky, nitro- sloučeniny, organokovové látky a konjugované systémy velmi značná Přibližné pořadí ve směru rostoucí odezvy pro halogeny v organických molekulách je následující: F<<Cl<Br<I Odezva výrazně roste s počtem atomů halogenu v molekule Odezva detektoru je značně závislá jak na struktuře molekul i pro podobné látky, tak na teplotě detektoru Odezva tak pokrývá rozmezí asi 7 řádů Lineární dynamický rozsah je ~ Uplatnění detektoru především při analýzách složek životního prostředí: PCB, PAH, pesticidy

32 Přibližné odezvy ECD detektoru Typ látky ECD relativní odezva vůči n-butylchloridu Chloralkany 1 Dichloralkany 10 2 Bromalkany 10 3 Dibromalkany 10 5 Chloroform 10 5 Tetrachlormethan 10 6 Benzen 10-1 Brombenzen 10 3 Polyaromatické uhlovodíky PAH Alifatické alkoholy, estery a ethery 1 Butan-2,3-dion 10 5

33 Fotoionizační detektor - PID (Photoionization Detector)

34 Princip detektoru Základní prvek detektoru je UV lampa o vysoké energii umístěná v těsné blízkosti ionizační komůrky, která obsahuje sběrné elektrody Molekuly, které se eluují z GC přicházejí do ionizační komory, kde dochází k absorpci UV záření Molekuly R se stejným nebo nižším ionizačním potenciálem (IP) než je potenciál UV lampy jsou ionizovány podle schématu: a) přímo + R + hν R + a za b) nepřímo G+ hν * G - e * + G + R G+ R + e - kde R je molekula detekované složky a G označuje nosný plyn Vzniklé ionty jsou odpovědny za vznik iontového proudu, který je přímo úměrný koncentraci složky R. Proud je zesílen a detekován

35 Okénko detektoru je zhotoveno z fluoridu daného kovu (Li, Mg atd.) UV lampy mají různé energie, nejběžnější jsou lampy: 10.2eV (121nm) kryptonová a 11.7eV (104nm) argonová Kryptonová lampa 10.2eV je schopna ionizovat alkeny, aromáty, některé alkany větší než C 6, dále alkoholy, aldehydy a estery s malým IP Argonová lampa 11.7eV je schopna ionizovat vesměs všechny organické molekuly Lze tedy dosáhnou určité selektivit volbou IP Látky s IP vyšším o ~0.3eV než je energie lampy jsou částečně ionizovány Vyrábí se ještě lampy s energiemi 8.3, 9.5, 10.9eV Neionizuje se N 2, CO 2, CO, H 2 O, He apod. Lineární dynamický rozsah detektoru je ~10 5 Detektor je nedestruktivní, bývá zapojen do série s jiným detektorem

36 Ionizační potenciály vybraných složek

37 2.4.4 Detektory založené na fyzikální vlastnosti celku Tyto detektory reagují na určitou změnu vlastností mobilní fáze, ke které dojde přítomností analytu Citlivost detektorů uvedeného typu je zpravidla menší než citlivost ionizačních detektorů

38 Tepelně vodivostní detektor (katarometr) - TCD (Thermal Conductivity Detector)

39 Princip detektoru Podstatnou částí TCD je kovová spirála umístěná uvnitř kovového vyhřívaného bloku Spirála je zhotovena z materiálu, jehož odpor se podstatně mění s teplou a procházejícím proudem Pt, W, W/Re Blokem se spirálou prochází nosný plyn a na spirálu je aplikováno stejnosměrné elektrické napětí. Dochází k průtoku proudu, kterým je spirála zahřívána na jistou stabilní teplotu Pro nosný plyn He je proud kolem 150mA, pro H 2 300mA Teplota spirály má být o více než 100 C vyšší než teplota bloku Pokud blokem prochází jen nosný plyn za neměnného průtoku, ustaví se tepelná rovnováha, konstantní množství tepla je odváděno ze spirály přes nosný plyn do okolí Jakmile nosný plyn obsahuje eluovanou složku, která má odlišnou tepelnou vodivost, většinou menší, dojde ke zvýšení teploty a odporu spirály, a tím zmenšení protékajícího proudu. Tato změna proběhne jen v měrné cele, a proto dojde k vychýlení rovnováhy Wheatstonova můstku

40 Faktory ovlivňující citlivost detektoru Citlivost S je dána vztahem: 2 λn λk S= KI R( )(Ts Tb ) λ n K je konstanta závislá na odpovídající geometrii detektoru, I je žhavící proud, R je odpor vlákna spirály, λ n je tepelná vodivost nosného plynu, λ k je tepelná vodivost komponenty, T s je teplota spirály, T b je teplota bloku a) Vliv proudu a odporu spirály b) Vliv nosného plynu λn λk Velikost členu stoupá se stoupající hodnotou λ n, proto λn je vhodné používat nosný plyn s nejvyšší tepelnou vodivostí Nejvhodnější je proto vodík a helium c) Vliv teploty Citlivost roste s rozdílem (T s -T b ), teplota spirály je limitována odolností vlákna a analyzované komponenty, teplota bloku je vždy vyšší než je kondenzační teplota

41 TCD je univerzální detektor, proto je velmi rozšířený TCD má lineární dynamický rozsah ~10 4 Detektor je nedestruktivní, lze zapojit sběrač frakcí Odezvové faktory jsou podobné v homologických řadách Citlivost detektoru byla zvýšena pomocí modulovaného TCD Princip modulovaného TCD Detektor má jednu celu, ta slouží střídavě jako měrná a referentní Nosný plyn z analytické a referentní větve prochází alternativně detekční celou. Průtok celou je přepínán 10 Hz frekvencí. Přetlak přepínaného plynu je ~10 Pa Citlivost byla zlepšena o ~2 řády

42

43 2.4.5 Optické detektory Plamenofotometrický detektor - FPD (Flame Photometric Detector)

44

45 Princip detektoru Detekce je založena na měření intenzity chemiluminiscence V plameni bohatém na vodík jsou nejprve eluované látky rozloženy a následně vzniklé fragmenty excitovány Především látky bohaté na síru a fosfor poskytují při deexitaci charakteristické záření, pro síru 394 nm a pro fosfor 526 nm Pomocí filtrů se dosahuje selektivní detekce Záření poskytují především částice S=S* a HPO* Odezva detektoru vůči fosforu je lineární, linearita 1 Odezva detektoru pro síru je nelineární, teoreticky je linearita rovna 2, prakticky je v rozmezí Selektivita detektoru pro síru a fosfor vzhledem k uhlíku je ~10 4 :1 (hmotnostně) Detektor se používá v oblastech analýz vzorků životního prostředí, potravin, analýz plynů obsahujících síru, merkaptany, H 2 S, SO 2, thiofeny apod.

46

47

48 Micro-Flame Photometric Detector, µfpd