Chromatografia, znana od 1903 roku, osiągnęła obecnie stopień rozwoju i możliwości, które powodują, że jest ona najbardziej rozpowszechnioną metodą analizy związków organicznych, Umożliwia ona rozdział złożonych jednorodnych mieszanin związków chemicznych organicznych i nieorganicznych - od gazów trwałych do polimerowe Wiązki te mogą być wykryte, zidentyfikowane i oznaczone ilościowo a nawet wydzielone z mieszaniny w skali od laboratoryjnej do przemysłowej. Oprócz zastosowań analitycznych chromatografia jest coraz szerzej wykorzystywana do badania właściwości fizykochemicznych adsorbentów i katalizatorów.

Chromatografia, w celach analitycznych, jest stosowana w laboratoriach oraz bezpośrednio w instalacjach przemysłowych. Wykorzystuje się ją w przemyśle chemicznym, petrochemicznym i karbochemicznym, w służbie zdrowia, farmacji, kontroli zanieczyszczeń środowiska, w rolnictwie, przemyśle spożywczym i kosmetycznym.

Chromatografia gazowa jest jedną z najbardziej rozpowszechnionych metod instrumentalnych w chemii analitycznej. Przy jej pomocy można analizować substancje mające w warunkach chromatografowania postać gazów lub par. Ocenia się, że około 20% znanych związków chemicznych spełnia ten warunek.

Chromatografia gazowa obejmuje wszystkie metody chromatograficzne, w której fazą ruchomą jest gaz. W zależności od typu stosowanej fazy nieruchomej (stacjonarnej) wyróżniamy:

Faza stacjonarna charakteryzuje się dużą powierzchnią. Faza ruchoma przepływa przez nią w jednym kierunku. Proces rozdziału pomiędzy obie fazy powtarza się wielokrotnie w kontynuowanym dynamicznym procesie. Schemat aparatury do chromatografii gazowej jest przedstawiony na rys.1

1. doprowadzenie gazu nośnego,
2. regulator przepływu gazu,
3. manometr,
4. wlot próbki,
5. termostat,
6. kolumna,
7. detektor,
8. wzmacniacz,
9. rejestrator;

linie przerywane oznaczają zakresy objęte termostatowaniem

Gaz nośny (faza ruchoma) stosuje się najczęściej wodór, azot, argon lub hel. Rodzaj gazu nośnego ma mały, zwykle pomijalny wpływ na wynik rozdzielania chromatograficznego i jest głównie uzależniony od rodzaju użytego detektora. Jego czystość ma wpływ na pracę detektora i wypełnienie kolumn, które może ulegać dezaktywacji. Gaz nośny nie może zawierać zanieczyszczeń, przede wszystkim tlenu, pary wodnej i węglowodorów.

Injector (urządzenie dozujące) jest elementem umożliwiającym wprowadzenie próbki w strumień gazu nośnego, który przenosi ją do kolumny. Sposób wprowadzenia próbki zależy od jej stanu skupienia. Wprowadzona do kolumny próbka musi mieć możliwie najmniejszą objętość. Próbki ciekłe dozuje się za pomocą specjalnych mikrostrzykawek. Próbka powinna odparować lub odsublimować w dozowniku w możliwie jak najkrótszym czasie. W tym celu temperatura dozownika jest zwykle około 20 0C wyższa od temp. wrzenia najwyżej wrzącego składnika próbki. Za wysoka temp. dozownika może powodować termiczny rozkład próbki i pojawienie się na chromatogarmie pików produktów tego rozkładu, tzw. pików duchów. Za niska temp. dozownika powoduje długi czas wprowadzania próbki na kolumnę, co objawia się pikami rozmytymi, niesymetrycznym, lub ich złym rozdziałem.

Próbki ciał stałych, przeważnie wprowadza się w postaci ich roztworów. Jeśli nie jest to możliwe, próbkę wprowadza się specjalną strzykawką do dozowania substancji stałych. Gazy dozuje się bądź to za pomocą specjalnych strzykawek bądź za pomocą specjalnych zaworów dozujących (popularny jest tzw. zawór sześciodrożny).

Najważniejszą częścią składową chromatografu, jako że w niej następuje rozdział badanych substancji jest kolumna. Wypełnienie kolumny ma decydujący wpływ na wynik analizy chromatograficznej. Najczęściej stosowane są kolumny kapilarne i pakowane. Oprócz tego istnieją kolumny mikropakowane, preparatywne i mikrokapilarne.

Najpopularniejszymi kolumnami są kolumny kapilarne. Charakteryzują się one dużą zdolnością rozdzielczą. Średnica ich wynosi 0,2-0,6 mm, a długość sięga kilkudziesięciu metrów. Mają one postać zwoju i wytwarzane są ze szkła lub topionego kwarcu. W celu zwiększenia wytrzymałości i trwałości mechanicznej kolumny kwarcowe pokrywa się z zewnątrz warstwą tworzywa sztucznego. Fazy stacjonarne w kolumnach kapilarnych mogą być zarówno adsorbentami, jak i cieczami i są osadzone na ściankach w różny sposób. Dzieli się je na kolumny z gładkimi ścianami pokrytymi ciekłą fazą stacjonarną (WCOT)- najczęściej stosowane, kolumny z warstwą porowata na ściankach (PLOT) oraz kolumny na ścianki których naniesiono nośnik nasycony ciekłą faza stacjonarna (SCOT). Grubość warstwy stacjonarnej wynosi zwykle 0,1-0,3 mm. Cieńsza warstwa powoduje, że kolumna jest sprawniejsza i krótsze są czasy rozdzielania, grubsza- większą pojemność sorpcyjną kolumny. Przy niektórych typach detektorów (GC-MS) kolumny kapilarne są jedynymi możliwymi do zastosowania.

Kolumny pakowane wypełnia się cząstkami adsorbentu lub nośnika z osadzoną na nim fazą ciekłą. Cząstki wypełnienia powinny mieć wąski zakres frakcji sitowej i kulisty kształt, gdyż zapewnia to małe opory przepływu gazu przez kolumnę i małe rozmycie dyfuzyjne. Wypełnienie kolumny oraz własności wypełnienia (polarność) mają ogromne znaczenie przy rozdziale substancji.

Substancje rozdzielone na kolumnie opuszczając ją są wykrywane kolejno za pomocą detektora. Zadaniem detektora jest przetworzenie stężenia substancji w fazie ruchomej w sygnały elektryczne. Powstający sygnał często wymaga dodatkowego wzmocnienia. Detektor chromatograficzny powinien charakteryzować się dużą czułością, niską granicą wykrywalności, dużą stabilnością, dużym zakresem liniowości wskazań oraz dobrą odtwarzalnością. Poszczególne właściwości detektora nabierają znaczenia w zależności od wymogów analizy. Niektóre detektory niszczą wykrywane substancje. W zasadzie każda właściwość fizyczna lub fizykochemiczna substancji różniąca ją od gazu nośnego może być stosowana jako podstawa detekcji, ograniczenia wynikają z wymagań stawianych detektorom. Rozróżnia się detektory uniwersalne (do wykrywania wszystkich substancji) i selektywne ( do wykrywania tylko niektórych grup związków, np. halogenopochodnych lub zawierających siarkę).

Liczba typów detektorów znajdujących się dzisiaj w praktycznym użyciu wynosi przeszło 30. Omówione tu zostaną tylko najbardziej rozpowszechnione.

Detektor płomieniowo-jonizacyjny - FID (flame jonisation detector)

Jest detektorem uniwersalnym, przydatnym do wykrywania prawie każdego związku organicznego. Ma szczególnie duże znaczenie przy analizie węglowodorów i ich pochodnych. Jego duża czułość, stabilność oraz uniwersalność powoduje, że jest to najbardziej rozpowszechniony detektor. Do jego działania potrzebny jest wodór i powietrze. Stosunek natężenia przepływu tych gazów wpływa na jego czułość i specyficzność. W detektorze spalany jest wodór, przy czym płomień znajduje się między dwiema elektrodami. Zasada pomiaru polega na zmianie przewodnictwa elektrycznego płomienia wodoru w polu elektrycznym po wprowadzeniu substancji organicznej. Jeżeli do płomienia kolumny dochodzi tylko gaz nośny, to wytwarzane są termojony tego gazu, które powodują pojawienie się w układzie stałego prądu jonowego o bardzo małym natężeniu - prosta linia podstawowa na taśmie rejestratora. Gdy do płomienia wodorowego wraz z gazem nośnym wprowadza się substancję wymywaną z kolumny, wówczas jest ona spalana w detektorze i pojawia się większa liczba termojonów. Tworzenie się termojonów następuje przez rozpad cząsteczek organicznych wychodzących z kolumny i następujące po nim utlenianie produktów rozpadu tlenem doprowadzonym do płomienia z zewnątrz. Prąd jonowy wzrasta i po wzmocnieniu zapisywany jest na taśmie w postaci piku przez czas odpowiadający czasowi spalania się eluowanej substancji.

Schemat detektora FID

detektor wychwytu elektronów - ECD (electron capture detector).

Jest detektorem radiojonizacyjnym, w którym jonizacja analizowanych chromatograficznie substancji następuje pod wpływem promieniowania jonizującego. Zasada działania tego detektora polega na zdolności wszystkich substancji (z wyjątkiem gazów szlachetnych) do przyłączania wolnych elektronów w fazie gazowej. Ta zdolność jest uzależniona od struktury wykrywanego związku i jest szczególnie duża dla związków zawierających atomy fluorowców.

Cząstka promieniowania jonizującego b, pochodząca z wbudowanego radioaktywnego źródła promieniowania zawierającego Ni-63, powoduje jonizacje gazu nośnego z uwolnieniem elektronu. Cząstki b jonizują gaz nośny, przy czym powstają dodatnie jony gazu nośnego i powolne elektrony.

N2 + b = N2+ + e

Wskutek powstawania w tej reakcji elektronów płynie prąd, który jest prądem podstawowym detektora i na taśmie rejestratora otrzymuje się linie prostą. Jeżeli z kolumny eluowana jest substancja mająca odpowiednie powinowactwo elektronowe, to wychwytuje ona powolne elektrony, tworząc jony ujemne

M + e = M-

Ten proces może zachodzić w połączeniu z dysocjacją lub bez niej. Ujemne jony wykrywanych substancji rekombinują z dodatnimi jonami gazu nośnego, tworząc obojętne cząsteczki. Przez to zostają usunięte z układu ostatnie elektrony i prąd zerowy w obecności substancji staje się słabszy - jest to zapisywane w postaci piku na taśmie rejestratora. Gdy elucja danej substancji z kolumny zostaje zakończona, natężenie prądu powraca do stanu początkowego - linia zerowa.

Detektor przewodnictwa cieplnego (katalometryczny) - TCD (thermal conductivity detector)

Cechą charakterystyczną jest znaczna zmiana przewodności elektrycznej ze zmianą temperatury. Zależny od temperatury czujnik (ogrzewany drut, termistor) znajdujący się w komorze detektora jest nagrzany do określonej temperatury (wyższej od ścianek komory). Temperatura osiąga stałą wartość, kiedy ustala się równowaga pomiędzy ilością ciepła doprowadzanego przez urządzenie elektryczne i odprowadzanego do ścianki przez gaz nośny. Jeżeli gaz nośny zawiera substancję o innej przewodności cieplnej, odprowadza mniej lub więcej ciepła i na czujniku ustala się nowa temperatura. Zmiana temperatury jest określona przez pomiar oporu elektrycznego i poprzez mostek Wheatsonea przekształcana w sygnał elektryczny. Na taśmie rejestratora obserwuje się odchylenie od linii podstawowej w postaci piku. Odchylenie następuje w obydwie strony. Aby odchylenie następowało tylko w jednym kierunku jako gaz nośny stosuje się wodór lub hel, które charakteryzują się wysoką przewodnością.

Do detektorów selektywnych (oprócz ECD) zaliczamy jeszcze detektor płomieniowo-fotometryczny (FPD) (związki siarki i fosforu), detektor chemiluminescencyjny - SCD (związki siarki), detektor termojonowy- TID (związki fosforu, azotu i halogenoorganiczne) ), detektor emisji atomowe - AED (zanieczyszczenia środowiska, związki metaloorganiczne i produkty petrochemiczne).

Do detektorów uniwersalnych zaliczamy detektor fotojonizacyjny-PID (może on być również stosowany jako selektywny), detektor jonizacyjno-wyładowczy.

Bardzo popularne obecnie są połączenia chromatografii gazowej z innymi technikami analizy instrumentalnej.

Najczęściej spotykanym jest połączenie ze spektrometrią masową - GC-MS. Na podstawie otrzymanego w wyniku rozdzielenia chromatograficznego i widma masowego można zidentyfikować poszczególne substancje. W spektrometrze masowym zachodzi jonizacja cząstek analizowanych substancji i ich rozpad na fragmenty charakterystyczne dla danej substancji. W czasie elucji jednego piku chromatograficznego można zmierzyć kilka widm masowych. Pozwala to na stwierdzenie w piku obecności więcej niż jednej substancji. Wykrywalność i czułość spektrometru masowego jest porównywalna z odpowiednimi wielkościami dla detektora FID. Jednakże przy zastosowaniu odpowiedniej techniki jonizacji wykrywalność spektrometru masowego może osiągać rząd femtogramów. W GC/MS stosowane mogą być jedynie kolumny kapilarne, ze względu na różnicę ciśnień. Innymi połączeniami jest połączenie chromatografu gazowego ze spektrometrem w podczerwieni, lub spektrometrem ruchliwości jonów (tzw. chromatograf plazmowy).

Analiza jakościowa

Analiza jakościowa i ilościowa złożonych mieszanin jest wykonywana w jednym procesie. Wysokość i powierzchnia piku są proporcjonalne do ilości oznaczanego składnika. Ze względu na zależność wysokości piku od czasu dozowania próbki i zmian prędkości gazu nośnego, powierzchnia piku lepiej nadaje się do tego celu.

Analizę ilościową przeprowadza się metodą wzorca zewnętrznego (kalibracja bezwzględna), wzorca wewnętrznego, dodatku substancji oznaczanej (wzorca) lub normalizacji wewnętrznej.

Wpływ temperatury kolumny na rozdział chromatograficzny

Temperatura kolumny jest czynnikiem, który oprócz rodzaju kolumny i jej wypełnienia ma wpływ na rozdział chromatogra­ficzny. Wartość temperatury kolumny zależy od lotności roz­dzielanych substancji. Gdy temperatury ich wrzenia nie różnią się więcej niż o kilkadziesiąt stopni, w chromatografii podziałowej stosuje się jednakową temperaturę chromatografowania zbliżoną do temperatur wrzenia rozdzielanych substancji. W chromatografii adsorpcyjnej temperatura kolumny jest zwykle wyższa od temperatury wrzenia chromatografowanych substancji. Gdy temperatury wrzenia rozdzielanych składników różnią się znacznie stosuje się programowanie temperatury kolumny, Zwykle po pewnym czasie utrzymywania stałej temperatury na­stępuje jej wzrost 2. prędkością i przez czas wcześniej ustalony a następnie temperaturę utrzymuje się na osiągniętym poziomie, także przez określony czas.

Nanoszenie ciekłych faz stacjonarnych na nośniki Ciekłą fazę stacjonarną nanosi się na nośnik z roztworu w lotnym rozpuszczalniku dobierając tak ilości fazy i nośnika aby otrzymać żądaną ilość fazy na nośniku. Pokrycie nośnika fazą uzyskuje się przez odparowanie rozpuszczalnika. Suchym wypełnieniem napełnia się kolumnę i po umieszczeniu jej w przyrządzie wygrzewa się ją przez kilka godzin. Podczas wy­grzewania kolumny odparowuje reszta rozpuszczalnika, w którym była rozpuszczona faza stacjonarna, usuwane są jej lotne zanieczyszczenia i rozkłada się ona równomiernie na powierz­chni nośnika.

Gdy kolumna jest napełniona adsorbentem aktywuje się go w temperaturze i w czasie odpowiednim dla danego adsorbentu. Napełnianie kolumn kapilarnych

Kolumny kapilarne napełnia się w taki sposób, że faza stacjonarna jest osadzona na ściankach kolumny.

Kolumny metalowe przed napełnieniem przemywa się zwykle rozpuszczalnikami organicznymi i przedmuchuje się gazem obojętnym.

Powierzchnie ścianek kolumn szklanych trawi się a następnie nanosi się na nie warstwy substancji ułatwiających dobre osadzenie ciekłej fazy stacjonarnej. Trawienie przeprowadza się sposobem dynamicznym lub statycznym i stosuje się do tego zwykle chlorowodór lub fluorowodór, rzadziej amoniak w pod­wyższonej temperaturze.

Po trawieniu na powierzchni ścianki kapilary osadza się chlorek sodowy, węglan barowy, sadzę albo dwutlenek krzemu.

Centra aktywne powstające podczas modyfikacji powierzchni ścianek kolumny powodują asymetrię pików a nawet nieodwracalną sorpcję niektórych składników. Dlatego w niektórych przypadkach konieczna jest dezaktywacja powierzchni kapilar. Deaktywację można wykonywać przez osadzenie na powierzchni ścianki kapilary glikolu polietylenowego lub przez silanizowanie.

Ciekłe fazy stacjonarne nanosi się na powierzchnię ścianek kapilary metodą dynamiczną lub statyczną. W metodzie dynamicznej roztwór fazy stacjonarnej jest przepychany przez kapilarę gazem obojętnym za pośrednictwem słupka rtęci. W wyniku tego faza stacjonarna osiada na ściankach a rozpuszczalnik odparowuje. W metodzie statycznej stosuje się roztwory faz stacjonarnych o stężeniach około 10 razy mniejszych niż stosowane metodzie dynamicznej. Po zapełnieniu kapilary roztworem eden koniec zamyka się a drugi łączy z pompą próżniową. Rozpuszczalnik, odparowując przy zmniejszonym ciąnieniu, pozostawia na ściance warstewkę fazy stacjonarnej. Kolumny napełniane metodą statyczną mają zwykle lepsze sprawności niż napełniane metodą dynamiczną.

Kolumny kapilarne, podobnie jak zwykłe, poddaje się kondycjonowaniu.

Znajomość składu próbki pozwala nam na wybór odpowiedniego detektora oraz kolumny

Adsorbenty stosowane w chromatografii gazowej.

Adsorbenty do chromatografii gazowej mają powierzchnie właściwe rzędu kilkudziesięciu m/g. Najczęściej jako adsorpcyjne wypełnienia kolumnowe stosuje się polimery syntetyczne - zwykle kopolimery styrenu i diwinylobenzenu. Spośród nich największe znaczenie mają Porapaki i Chromosorby serii setkowej. Porapaki są oznaczane literami - np. P,Q,R,S,T natomiast chromosorby liczbami - np. 101, 102, 105.

Inną grupę adsorbentów stanowią adsorbenty węglowe. Wśród nich najbardziej rozpowszechnione są sadze grafityzowane i sita węglowe. Bardzo ważną grupą adsorbentów są zeolitowe sita cząsteczkowe. Są one stosowane do rozdziału gazów trwałych. Można na nich rozdzielać np. mieszaninę: hel, wodór, tlen, azot, metan i tlenek węgla.

Adsorbenty wymagają aktywacji polegającej na wygrzewaniu w odpowiedniej temperaturze przy przepływie gazu.