Microsoft Word - Cz VI A Detektory.doc

Chemia Analityczna

Chromatografia

Tłumaczyła: inż. Karolina Hierasimczyk

Korekta:

dr hab. inż. Waldemar Wardencki, prof. nadzw. PG

prof. dr hab. inż. Jacek Namieśnik

Część VI A

Detektory.

Katedra Chemii Analitycznej

Wydział Chemiczny

Politechnika Gdańska

2002

SPIS TREŚCI
Wprowadzenie
1. Co to jest chromatografia ?
1.1. Proces chromatograficzny
1.2. Podział metod chromatograficznych
1.3. Co to jest chromatografia gazowa?
2. Terminy i definicje
2.1. Czas retencji (t

)

2.2. Współczynnik retencji (k)
2.3. Indeks retencji (I)
2.4. Współczynnik rozdzielenia
2.5. Teoretyczna liczba półek (N) lub sprawność kolumny
2.6. Rozdzielczość (R

)

2.7. Stosunek faz (β)
3. Kolumny kapilarne do chromatografii gazowej
3.1. Fazy stacjonarne
3.1.1. Polisiloksany
3.1.2. Glikole polietylenowe
4. Gazy nośne
5. Dozowniki
5.1. Dozowniki wykorzystujące odparowanie
5.2. Dyskryminacja związków dozowanych
5.3. Opłukiwanie membrany
5.4. Dozowanie na kolumnę typu „Megabore”
5.5. Dozowniki z dzieleniem strumienia gazu (split)
5.6. Dozownik bez podziału strumienia gazu

6. Detektory w GC .......................................................................................................VI A/3
6.1. Detektor cieplno-przewodnościowy (TCD) ...........................................................VI A/9
6.2. Detektor płomieniowo – jonizacyjny (FID) .........................................................VI A/12
6.3. Detektor wychwytu elektronów (ECD) ...............................................................VI A/16
6.4. Detektor azotowo fosforowy (NPD) .........................................................................VI B
6.5. Detektor płomieniowo – fotometryczny (FPD) .........................................................VI B
6.6. Detektor fotojonizacyjny (PID) .................................................................................VI B
6.7. Spektrometr mas (MS) ..............................................................................................VI B

7. Analiza ilościowa

6. Detektory w GC

Substancje wymyte z kolumny wpływają do detektora. Detektor reaguje na ich obecność i

wytwarza sygnał elektroniczny, który wysyłany jest do systemu danych. Wielkości sygnału

wykreślone są w zależności od czasu (od momentu zadozowania) i w ten sposób uzyskuje się

chromatogram. Niektóre detektory dają odpowiedzi na każdą substancję elującą z kolumny,

podczas gdy inne reagują tylko na anality o specyficznych strukturach, grupach funkcyjnych i

atomach.

Detektory, które reagują wzmożoną odpowiedzią na niektóre specyficzne rodzaje substancji

nazywane są detektorami selektywnymi.

Czułość detektora mierzona jest jako stosunek sygnału-do-szumu (S/N). Sygnał reprezentuje

wysokość piku, a szum jest amplitudą linii podstawowej (rysunek 8). Wiarygodna

identyfikacja wymaga aby stosunek S/N wynosił 8-10. Niższe wartości są często także

cytowane, ale zazwyczaj dotyczy ona standardowych lub bardzo czystych próbek.

Aby uzyskać dokładne dane ilościowe, najlepiej pracować w liniowym zakresie odpowiedzi
detektora. Jest to zakres, w którym obszar piku jest wprost proporcjonalny do ilości substancji
badanej (np. dwukrotne zwiększenie ilości substancji powoduje podwojenie powierzchni
piku). Umożliwia to przeprowadzenie analizy ilościowej nieznanej próbki przy pomocy
wielopunktowej krzywej kalibracji. Nieliniowość detektorów występuje powyżej specyficznej
ilości substancji, a niektóre detektory są także nieliniowe poniżej pewnych ilości substancji.

Zakres liniowy odpowiedzi detektora musi być określony eksperymentalnie ponieważ często

zależy od badanej substancji i warunków chromatografowania (np. temperatury, przepływu

gazu). Jedną z metod jest wykreślenie zależności ilości analitu od stosunku powierzchnia

piku/ilość substancji (rysunek 9). Prostą linię uzyskuje się wtedy gdy odpowiedź jest liniowa.

Przyjmuje się, iż odchylenie większe niż 5% jest poza zasięgiem liniowości detektora dla

danej substancji.

Większość detektorów wymaga do właściwego funkcjonowania, jednego lub więcej gazów.

Są to gazy: do spalania, reakcyjne, pomocnicze (tzw. make-up). W niektórych przypadkach,

jeden gaz może mieć wiele zastosowań. Rodzaj gazu do danego detektora zależy od jego

specyfiki i jest zwykle taki sam dla różnych producentów chromatografów gazowych. Różni

się natomiast natężenie przepływu dla każdego z detektorów pomiędzy producentami tych

urządzeń. Zalecane gazy i ich natężenia przepływu znaleźć można w instrukcjach obsługi.

W celu otrzymania optymalnej czułości, selektywności i liniowego

zakresu detektora zaleca się stosowanie określonego natężenia przepływu

strumienia gazu nośnego.

Charakterystyka odpowiedzi detektora

Wyróżniamy trzy główne charakterystyki odpowiedzi detektora: czułość, selektywność i

zakres dynamiczny. W praktyce, należy uwzględnić także stabilność i odtwarzalność.

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).

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 płomieniowo-jonizacyjnego). Dla innych, takich jak detektor płomieniowo-

fotometryczny, zakres jest niski z powodu takich czynników jak „nasycenie” sygnału przy

wyższych stężeniach.

Czułość

Czułość detektora i granica wykrywalności to terminy powszechnie stosowane zamiennie,

chociaż ich znaczenia są różne. Detektor cieplno-przewodnościowy, na przykład,

charakteryzowany jest przez wielu producentów w różny sposób. Należy zauważyć, że

czułość poszczególnych detektorów zależy od rodzaju związków.

* 3 x 10

-10

g butan / ml

* 200 uV/ppm nonanu

* 2 x10

-9

g/ml

* 5 x 10

-9

mV-ml/mg nonanu

* 1.5 x 10

-9

g/ml benzenu w helu

* 400 pg (propan)/ml gaz nośny(hel)

* 1 ppm neonu w 1 ml azotu

Selektywność

Detektory chromatograficzne można zaliczyć do następujących kategorii:

Detektory uniwersalne

reagują na wszystkie substancje wymywane z kolumny. Detektor

cieplno-przewodnościowy (TCD) uważany jest za detektor uniwersalny, ponieważ większość
substancji wymytych powoduje zmiany przewodności cieplnej. Przykładem uniwersalnej
detekcji może być monitorowanie całkowitego prądu jonowego w systemie GC – MS.
Odpowiedź na wszystkie związki, zazwyczaj korzystna, może także być kłopotliwa. Słaba
separacja chromatograficzna może interferować z wykrywaniem żądanych związków gdy
detektor reaguje na wszystkie składniki. Uniwersalne detektory reagują także na upływ fazy z
kolumny oraz na małe fluktuacje temperatury i ciśnienia gazu nośnego.

Detektory selektywne

mogą być czułe na poszczególne pierwiastki, strukturę/grupę

funkcyjną lub inne właściwości.

Detektor płomieniowo-jonizacyjny (FID) jest czuły na substancje, które ulegają jonizacji w
płomieniu powietrzno - wodorowym (bardzo szeroki zakres selektywności)! Selektywność ta
daje wiele korzyści, na przykład, gdy za pomocą detektora FID analizowane są ciekłe próbki
nawet gdy piki składników i wody nakładają się na siebie.

Detektor termojonowy jest detektorem jonizacyjnym selektywnym w stosunku do związków
organicznych zawierających azot i fosfor.

Detektor wychwytu elektronów (ECD) stosowany jest do detekcji i monitorowania
pestycydów, ponieważ jest czuły na związki wielo-chlorowcowe, organometaliczne,
zawierające skończone grupy karbonylowe, itp. Związki te posiadają możliwość
wychwytywania niskoenergetycznych elektronów i formowania negatywnie naładowanych
jonów. Zjawisko to powoduje zmianę prądu w celce detektora wytwarzając sygnał.

Selektywność dla takich pierwiastków jak chlorowce, azot lub siarka może być uzyskana
przez jedną z wielu konfiguracji detektora przewodnictwa elektrolitycznego. Detektory te
stosują katalizator w celu redukcji eluatów do związków jonowych, które mogą być mierzone
kulometrycznie w strumieniu cieczy. Detektor foto-jonizacyjny (PID) umożliwia wykrycie
związków, które jonizowane są poprzez źródło światła UV.

Detektory specyficzne,

to te które są tak selektywne, że potrafią odróżnić poszczególne

struktury lub pierwiastki zapewniając przy tym wysoki stopień pewności. Czasami detektory
te stosowane są do jakościowej analizy związków. Detektor płomieniowo-fotometryczny
(FPD) filtruje i mierzy światło emitowane podczas spalania próbki w płomieniu bogatym w
wodór. Dzięki zastosowaniu określonej długości fali, otrzymuje specyficzną odpowiedź tylko
dla związków zawierających siarkę i fosfor w swoim składzie.

Spektrometria mas (szczególnie z monitorowaniem wybranych jonów) i spektroskopia w
podczerwieni z transformacją Fourier’a odznaczają się także wysoką selektywnością w
zależności od szczegółowej struktury cząsteczkowej badanych związków.

Zakres dynamiczny

Większość metod chromatografii gazowej wykorzystuje obliczenia współczynników
odpowiedzi (powierzchnia piku do masy próbki) dla standardów w celu wykorzystania ich w
dalszej analizie. Takie podejście zakłada liniowy zakres odpowiedzi detektora, co nie zawsze
ma miejsce. Sprawa staje się jeszcze trudniejsza ponieważ, brak definicji dokładności w
odniesieniu do zakresu liniowego, którą można zaakceptować (czy 5% odchylenie od zakresu
liniowości uważane jest za liniowe?). Zanim skorzysta się ze stałych wartości
współczynników odpowiedzi, dobrze jest określić liniowy zakres dynamiczny dla każdego
detektora przez przeprowadzenie kilku analiz standardowych w spodziewanym zakresie
dynamicznym.

Nie liniowa odpowiedź, może być stosowana przy użyciu nie liniowych technik
kalibracyjnych, tak długo jak jest powtarzalna. Interpolacja pomiędzy odpowiedziami dla
standardów jest stosowana do obliczenia przybliżonych współczynników odpowiedzi przy
nieznanym stężeniu. Takie obliczenia mogą być wykonane z łatwością przez urządzenia
rejestrujące dane chromatograficzne.

Charakterystyka innych parametrów detektora

Detektory niedestrukcyjne a destrukcyjne

- w niektórych technikach detekcji nieodłączny

jest proces spalania, bombardowania lub inaczej unicestwienia składników próbki. Fakt ten
ma znaczenie przy wielokrotnym wykorzystaniu detektorów połączonych, gdy wyciek z
detektora 1 przechodzi do detektora 2. Detektor cieplno-przewodnościowy (TCD) jest

detektorem nie-destrukcyjnym, ponieważ pomiar przewodnictwa cieplnego zazwyczaj nie
niszczy próbki.

Powszechne detektory niedestrukcyjne: TCD, PID, IRD
Powszechne detektory destrukcyjne: FID, NPD, FPD, MSD

Stężenie a wykrywana masa

- inną ważną, chociaż subtelną, charakterystyką detektorów jest

zależność wielkości odpowiedzi detektora od stężenia lub masy. Dla detektorów
stężeniowych odpowiedź detektora jest proporcjonalna do ilości składników podzielonych
przez objętość detektora. W detektorach czułych na masę, odpowiedź jest proporcjonalna do
ilości związków w danym czasie (masowe natężenie przepływu).

Powszechne detektory stężeniowe: TCD, PID, IRD
Powszechne detektory masowe: FID, NPD, FPD, MSD

6.1. Detektor cieplno-przewodnościowy (TCD)

Zasada działania: Komora detektora zawiera ogrzewany prądem element oporowy (żarnik).

Ponieważ gaz nośny zawiera anality przechodzące przez komorę, następuje zmiana prądu

żarnika. Zmiana prądu porównywana jest do prądu w komorze odniesienia a miernikiem

różnicy jest wytworzony sygnał.

Detektor cieplno-przewodnościowy (TCD) jest uniwersalnym detektorem odpowiadającym na

związki charakteryzujące się różnymi zdolnościami przenoszenia ciepła z gazu nośnego.

Elementy połączone są w mostku Wheststone’a, w którym jeden lub dwa oporniki znajdują

się w komorach detektora. Gaz nośny, hel, przepływa przez ogrzane elementy oporowe dzięki

dostarczonemu prądowi. Gaz schładza opornik ze stałą szybkością do momentu aż nie zmieni

się skład gazu. Na początku analizy, mostek jest zrównoważony, ale w momencie gdy

związki zostaną wprowadzone do komory, rejestrowana jest zmiana w rezystancji oraz brak

równowagi mostka. Do detektora, wprowadzany jest gaz odniesienia i gaz wypływający z

kolumny. Komora na jednej z przekątnych mostka formuje sygnał gazu odniesienia, a druga

strona reprezentuje sygnał analityczny pochodzący ze związków rozdzielonych w kolumnie.

Detektor TCD zazwyczaj składa się z czterech oporników. Są one zamontowane współosiowo

w czterech cylindrycznych wnękach o małej objętości w bloku ze stali nierdzewnej. Wnęki te

są wewnętrznie połączone tak, że gaz odniesienia przepływa przez dwa oporniki z

przeciwnych sobie przekątnych ramion mostka, a eluat przepływa przez dwa inne oporniki.

Wielkość prądu zasilania jest parametrem wpływającym na czułość detektora. Detektor TCD

jest łatwy w stosowaniu i ma bardzo szeroki zakres liniowy.

Mostek Wheatstone’a detektora TCD

Selektywność: Wszystkie związki za wyjątkiem gazu nośnego

Czułość: 5-20 ng

Zakres liniowy: 10

– 10

Gazy: pomocniczy (make-up) – taki sam jak gaz nośny

Temperatura: 150 – 250

związki chlorowców mogą także chemicznie reagować z opornikami. Ponadto, kondensacja

próbki może zanieczyścić celkę detektora jeżeli temperatura jest zbyt niska.

Niektóre z zanieczyszczeń mogą być usuwane poprzez ogrzanie bloku detektora w celu

odparowania zanieczyszczeń.

Czułość detektora TCD w funkcji temperatury.

Detektor płomieniowo-jonizacyjny (FID)

Zasada działania: Związki spalane są w płomieniu wodoru i powietrza. Związki zawierające

węgiel wytwarzają jony, które zbierane są na kolektorze (elektrodzie kolektorowej). Liczba

jonów zebranych przez tę elektrodę jest rejestrowana i w ten sposób powstaje sygnał.

Selektywność: Związki zawierające wiązanie C- H. Słaba odpowiedź na związki organiczne

pozbawione wodoru (np. heksachlorobenzen).

Czułość: 0,1 – 10 ng

Zakres liniowy: 10

- -10

Gazy: Do spalań – wodór i powietrze; gaz uzupełniający (make-up) – hel lub azot

Temperatura: 250 – 300

C; 400 – 450

C dla analiz przeprowadzanych w wyższej

temperaturze

Związki dające słabe odpowiedzi lub nie dające odpowiedzi przez
detektor płomieniowo-jonizacyjny

COS

SiCl

SiHCl

SiF

Schemat detektora pomieniowo-jonizacyjnego

Schemat detektora pomieniowo-jonizacyjnego dostępnego w handlu

Diagramy przedstawiające odpowiedź detektora FID podczas przepływu gazu nośnego

wodoru i powietrza

FID jest detektorem

destrukcyjnym,

masowym.

Liczba jonów

powstających w

płomieniu jest

policzona. Jony

wytwarzają sygnał

detektora.

Anality odznaczające

się największą liczbą

węgli o niskim

stopniu utlenienia

wytwarzają

najsilniejszy sygnał.

Wskazówki praktyczne dotyczące detektora FID

Temperatura detektora musi być utrzymana powyżej 100

C aby zapobiec kondensacji wody

formowanej podczas procesu spalania w detektorze FID. Kondensacja, szczególnie gdy

połączona z chlorowanymi rozpuszczalnikami, powoduje korozję i utratę czułości.

Niektóre ze związków mogą przyczyniać się do powstania osadu w detektorze, który musi

być natychmiast usunięty aby zapobiec utracie czułości. Do takich związków zaliczana jest

krzemionka z kolumną lub reagenty stosowane do derywatyzacji.

Dysze o różnych wielkościach, są dostępne w handlu, co umożliwia kształtowanie

odpowiedniego płomienia dla kolumn kapilarnych, zmniejszanie gromadzonych

zanieczyszczeń powstających od substancji wysokowrzących wymywanych z kolumny.

Zazwyczaj dysze o małych średnicach otworu zapewniają największy sygnał, ale w

porównaniu do dużych dysz mogą łatwiej ulegać zanieczyszczaniu i zapychaniu, niezbędny

jest więc tu odpowiedni kompromis obu tych właściwości.

Względne wartości czynników odpowiedzi dla detektora FID i TCD [% wag]

Związki

FID

TCD

n-parafiny

Metan

1.03

0.45

Etan

1.03

0.59

Propan

1.02

0.68

Butan

0.92

0.68

Pentan

0.96

0.69

Heksan

0.97

0.70

Oktan

1.03

0.71

Rozgałęzione Parafiny

Izopentan

0.95

0.71

2,3 Dimetylopentane

1.01

0.74

2,2,4 Trimetyolpentan

1.0

0.78

Związki nienasycone

Etylen

0.98

0.585

Związki aromatyczne

Benzen

0.89

0.78

Toluen

0.93

0.79

o Ksylen

.0.98

0.84

m Ksylen

0.96

0.81

p Ksylen

1.0

0.81

Związki tlenowe

Aceton

2.04

0.68

Etylometyloketon

1.64

0.74

Octan etylu

2.53

0.79

Dietyl eteru

0.67

Metanol

4.35

0.58

Etanol

2.17

0.64

n propanol

1.67

0.60

i propanol

1.89

0.53

Związki azotowe

Anilina

1.33

0.82

Analiza śladowych ilości CO i CO

za pomocą układu metanizer – FID

6.3. Detektor wychwytu elektronów (ECD)

Zasada działania: Elektrony dostarczane są z promieniotwórczego

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: 0.1-10 pg (związki chlorowcowane), 1-100 pg (azotany); 0.1-2 ng (związki
karbonylowe)

Zakres równości: 10

- 10

Gazy: Azot lub argon / metan

Temperatura: 300 – 400

Schemat budowy detektora ECD

Odpowiedź ECD na różne związki

Węglowodory

Etery, estry

Alifatyczne alkohole,

ketony, aminy, związki

mono Cl, i mono F

100

Związki mono Br, di-Cl

I, di F

1000

Anhydrydy i związki tri

10000

Związki mono I, di Br,

poli Cl i poli F

100000

Związki Di I, tri Br, i

poli F

1000000

Najczęściej stosowanymi gazami nośnymi w przypadku detektora ECD są azot lub 5% metan

w argonie. CH

pomaga w wytworzeniu niskoenergetycznych, łatwiejszych do wychwycenia

elektronów (niska energia). Wybór gazu nośnego jest ważny także dlatego, że azot w

niektórych przypadkach produkuje większy sygnał niż argon/metan, jak widać poniżej.

Jednakże, azot przyczynia się do powstawania większego szumu, co nieznacznie zmniejsza

czułość detektora.

Budowa detektora ECD (wersja mikro)

Praktyczne wskazówki dla użytkowników detektora ECD

Aby uzyskać satysfakcjonującą odpowiedź detektora ECD, należy stosować czyste i suche

gazy nośne (99,9995%). Wilgoć, tlen, (należy zwracać uwagę na nieszczelności), lub inne

zanieczyszczenia mogą być odpowiedzialne za wzrost czułości, ale kosztem zakresu

liniowości. Kolumnę należy kondycjonować przed podłączeniem jej do detektora.

Przerwy miedzy pulsami mogą być różne i w typowych modelach są kontrolowane przez

układ elektroniczny detektora w celu utrzymania stałego prądu w celce. Wysokie

częstotliwości (>100 Hz) są zazwyczaj powodowane zanieczyszczeniami, co powoduje

wzrost szumów, które wpływają zarówno na liniowość i czułość. Średni zakres częstotliwości

wskazujący na nieobecność zanieczyszczeń wynosi od 100 do 600 Hz.

Nieodłącznie mała czułość detektora ECD na wiele mono-chlorowców może być zaletą w

przypadku pewnych analiz; na przykład, 1-chlorobutan może zostać zastosowany do

ekstrakcji analitów, ponieważ wytwarza bardzo małe i nierozmyte piki.

Stosowanie źródła radioaktywnego regulowane jest przepisami przez rządy wielu krajów.

Należy zatem zapoznać się z nimi i je uwzględnić.

detektora radioaktywnego. Może być stosowany w temperaturach do 400

C. Podczas pracy w

tej wersji He i CH

wprowadza się w górę strumienia z wylotu kolumny.

W helowej wersji, PDD, jest uniwersalnym, nie destrukcyjnym detektorem o dużej czułości.
Odpowiedź na związki organiczne i nieorganiczne jest liniowa w dużym zakresie. Odpowiedź
na gazy jest dodatnia (wzrost prądu), z granicą wykrywalności w zakresie niskich wartości
ppb.

Detektor PDD w wersji fotojonizacyjnej jest znakomitą alternatywą dla detektora
płomieniowo-jonizującego w przemyśle petrochemicznym, gdzie stosowanie płomienia i
wodoru może stanowić problem. W dodatku, gdy hel zmieszany jest z odpowiednim gazem
szlachetnym takim jak argon, krypton, lub ksenon, detektor PDD pełni funkcję specyficznego
detektora fotojonizującego do selektywnego oznaczania cząsteczek związków alifatycznych,
aromatycznych, amin i innych substancji.

Układ detekcyjny zawiera celkę detektora, impulsator, regulator, elektrometr i filtr (dla
oczyszczania strumienia helu).
Analiza pozostałości pestycydów w glebie, wodzie, pożywieniu jest istotna dla utrzymania ich
bezpiecznego poziomu w środowisku. Detektor PDD w wersji ECD jest detektorem
selektywny przy monitorowaniu związków wychwytujących elektrony takich jak chlorowane
pestycydy chlorowców i innych związków chlorowcowych. Poniższy chromatogram
przedstawia czułość nieradiacyjnego detektora PDECD (pulsed discharge electron capture
detector) dla takich związków.

1. TCMX 1 pg
2. α – BHC 0.25 pg
3. β -BHC 1 pg
4. δ – BHC 0.5 pg
5. cis-chlordan 0.5pg
6. trans-chlordan 0,5 pg
7. p.p

’

-DDD 1 pg

8. Endryna 1 pg
9. p. p’DDD 1 pg
10.Siarczan endusulfanu 1pg
11. Keton endrinowy 1 pg
12. DCBP 1 pg