.gaz – Cromatografia

CAPITOLUL I

1.1.Clasificare

1.2. Termeni și nomenclatură

1.3. Parametri de operare cromatografici

1.4.Parametri de retenție cromatografici

1.5.Eficacitatea separarii GC

1.6.Calibrarea gaz-cromatografului în analiza cantitativă

CAPITOLUL II

2.1.Gaz cromatograful

2.2.Coloana cromatografică

2.3.Injectorul

2.4. Gazul purtător

CAPITOLUL III

3.1.Cuplajul gaz cromatografului cu detectorul

3.2.Spectometru de masă

3.3.Detectorul cu conductibilitate termică

3.4.Detectorul cu ionizare în flacăra

3.5. Detectorul mitrogen-fosfor

3.6.Detectorul de emisie atomică

3.7. Detectorul de chemiluminescență

3.8.Detectorul cu captură de electroni

3.9.Detectorul flam-fotometric

3.10.Detectorul cu fotoionizare

CAPITOLUL IV

4.1.Aplicațiile gaz cromatografiei

4.2.Concluzii

Bibliografie

59 pagini

=== l ===

Introducere

Prin cromatografie se înțelege complexul de tehnici de separare a substanțelor bazate pe izolarea componenților între două faze diferite, o fază staționară și o fază mobilă. Tehnica cromatografică este mai complexă și folosită frecvent pentru diferite separări dar termenul dat inițial de Țvet (1903) de cromatografie (kroma=culoare și grafein= a scrie) se păstrează și-n prezent. Cei care au impus metoda cromatografică în știintă au fost R.Kuhn și E.Lederer independent unul de altul în 1931.

Metodele cromatografice sunt medode de analiză cu înaltă putere de separare; în ultimii ani s-a introdus termenul de “cromatografic pur” datorită obținerii de substanțe cu purități extrem de mari necesitând în același timp cantități mici de substanță. [3.4]

Martin și Singe în prima lor lucrare despre repartiția cromatografică subliniau că este posibilă separarea substanțelor volatile prin utilizarea unui gaz ca fază mobilă. Abia în 1952 James și Martin demonstrează că gaz–lichid cromatografia poate fi folosită ca tehnică de separare. Gaz-cromatografia se poate folosi și pentru compușii nevolatili prin dezvoltarea de catre Smidsrod și Guillet a gaz cromatografiei inverse (IGC-Inverse Gas Chromatography). Cuvântul inversă indică faptul că acel component de studiat reprezintă faza staționară. [16.17]

Separările gaz-cromatografice au la bază aceleași principii pe care se fundamentează celelalte tipuri de analiză cromatografică. Compușii de analizat migrează prin sistemul cromatrografic cu viteze determinate de afinitățile lor pentru faza staționară. În final gazul purtător trece în detectorul care măsoară unele constante fizice: densitate, conductibilitate termică, ionizare la ardere în flacară, indice de refracție. Detectorul transformă variațiile acestor constante într-un impuls electric care este amplificat și înregistrat.

CAPITOLUL I

1.1.Clasificare

Metodele cromatografice se pot clasifica după:

starea fizică a celor doua faze (mobile si staționară);

natura mecanismelor de separare.

I.Dupa natura fazelor se disting următoarele metode cromatografice:

cromatografie de gaze(GC):

solid-gaz(CSG),

lichid- gaz(CLG),

cromatografie de lichide(LC):

lichid-lichid(CLL),

solid-lichid(CSL)

Cromatografia de lichide se împarte în funcție de forma și natura fazei staționare în:

cromatografie pe coloană (CLL sau CSL)

cromatografie plană: pe hârtie (CH) sau în strat subțire(CSS).

II.După mecanismul ce stă la baza procesului, metodele cromatografice (în special cromatografia de lichide) se pot clasifica astfel:

cromatografie de absorbție;

cromatografie de repartiție;

cromatografie prin schimb ionic;

cromatografie prin excluziune-difuzie.

Mai există tehnici cromatografice ce sunt bazate pe reacții chimice între componenții amestecului și faza stationară:

cromatografie de afinitate;

cromatografie cu formare de complecși;

cromatografie de precipitare;

cromatografie redox.

În cazul în care se suprapun două mecanisme de separare se ține seama de mecanismul preponderent.[3]

1.2. Termeni și nomenclatură

Faza este o parte omogenă, separată de celelalte parți ale sistemului prin suprafețe distincte, în dreptul cărora are loc o variație bruscă a proprietăților fizice. Rolul fazelor este de a determina o repartiție a componenților amestecului. Separarea se realizează prin distribuirea substanțelor între două faze: una mobilă și alta staționară, ca rezultat al bilanțului de forțe dintre moleculele fiecărui component al amestecului și moleculele celor două faze, care generează diferențe în echilibrele de distribuție, astfel încât în final are loc migrarea diferențială.[3,5]

Faza staționară este materialul fix format dintr-un solid cu proprietăți absorbante, un lichid depus pe un suport inert, un schimbător de ioni, gel sau alt material cu porozitate controlată.

Faza mobilă este fluxul de lichid sau de gaz care transportă componenții amestecului de-a lungul fazei staționare, ea putând să participe sau nu la procesul de separare. La intrarea în coloana cromatografică faza mobilă se numește influent, eluent sau developant, iar la ieșire se numește efluent sau eluant.

Coloana cromatografică este sediul procesului de separare și se prezintă fie ca un tub de diferite forme și dimensiuni, umplut cu un material prin care circulă proba condusă de faza mobilă, fie sub forma unui strat subțire depus pe un suport solid, sau poate fi format de o coloană de hârtie cromatografică. [8]

Talerul teoretic

Noțiunea de taler teoretic a fost introdusă de Martin și Synge, considerând coloana cromatografică similară cu o coloană de distilare fracționată.

Separarea prin volatilizare impune utilizarea unor coloane de fracționare. Acestea sunt constituite dintr-un număr de talere individuale, fiecare corespunzând unei etape de evaporare-condensare. Asemenea coloană de fracționare permite contactul efectiv dintre lichid și vapori stabilindu-se echilibrul de distribuție pe fiecare taler. Acest dispozitiv stă la originea termenului de taler teoretic, transferat în cazul coloanelor umplute unde nu există taler fizic ci un taler imaginar căruia însă îi corespunde o etapă de echilibrare interfazică. Desfășurarea procesului de separare, prin evaporări și condensări repetate, se poate explica prin intermediul diagramei de fază temperatură-compoziție.

Cele mai multe coloane de distilare de mare eficiență nu au talere, ci sunt umplute cu diverse materiale. Într-o asemenea coloană se realizează separări similare prin același mecanism de repetare a echilibrelor de fază (vapori – lichid) dar pe talere imaginare (teoretice). O coloană care va produce un lichid de compoziție X0 pornind de la un material de compozitie X1 va fi considerată cu 2 talere teoretice. [19.20]

Detector – dispozitiv care permite conversia concentrațiilor componenților probei în semnal electric proporțional.

Cromatogramă – un grafic al răspunsului electric al detectorului funcție de timp. Din cromatogramă se obțin următorii parametri de reținere: timpul de reținere (tR), precum și înălțimea (h) sau aria (A) picurilor (vârfurilor cromatografice) componenților separați; pe baza acestor parametri se identifică și se determină cantitativ componenții probei.

Analiză calitativă: identificarea unui compus prin cromatografie, cu ajutorul unor etaloane, pe baza parametrilor de reținere (tR);

Analiză cantitativă – calcularea concentrațiilor compușilor chimici sau a compoziției probei din datele picurilor componenților (arie, înălțime) și ale componenților de referință.

Zgomot de fond – măsură a variației semnalului de ieșire al unui detector în situația în care nu se înregistrează prezența unui component al probei;

Limită de detecție – concentrația componentului de interes al probei care dă un semnal de ieșire al detectorului, egal (de regulă) cu de trei ori zgomotul de fond.

Selectivitate – caracteristica unui detector de a reacționa într-un grad înalt la anumite categorii de compuși față de altele.

Sensibilitatea unui detector – semnalul produs de unitatea masică a compușilor într-un gaz purtător, care se încadrează într-una din categoriile următoare:

pentru un detector dependent de concentrație, ea se exprimă în A∙ml∙g-1 sau V∙ml∙g prin ecuația:

(1)

unde

S- Sensibilitatea;

P- Aria integrată a picului (A∙s sau V∙s);

F- Debitul gazului purtător (ml/s);

M- Masa eșantionului în gazul purtător (g)

pentru un detector dependent de debitul masic, sensibilitatea se exprimă în A∙s∙g-1 sau V∙s∙g-1 prin ecuația:

(2)

unde simbolurile sunt aceleași ca la definiția de mai sus.

Timpul de reținere este intervalul de timp scurs de la injectarea probei până la înregistrarea valorii maxime a picului componentului din probă.

Domeniu liniar al detectorului e domeniul concentrațiilor sau al debitelor masice pentru un component de interes al probei, pentru care sensibilitatea detectorului rămâne constantă într-o plajă de 5 %. Valoarea sa este dată de raportul dintre limita superioară a liniarității și limita de detecție;

Domeniu dinamic al detectorului reprezintă domeniul concentrațiilor sau al debitelor masice ale unui component al probei, pentru care o modificare a cantității de probă produce o modificare măsurabilă a semnalului de ieșire al detectorului.

Repetabilitatea este limita de acceptabilitate pentru rezultatele măsurărilor succesive efectuate asupra aceluiași analit măsurat în aceleași condiții de lucru, de către același operator și în cursul unei perioade relativ scurte de timp. [21]

1.3. Parametri de operare cromatografici

Cei trei parametri opționali care influențează separarea GC sunt temperatura în compartimentul coloanei, viteza și debitul gazului vector. Presiunea este un parametru derivat din debitul gazului vector și dimensiunile fizice ale cololanei. Toate acest variabile trebuie controlate cu strictețe, variațiile lor conducând la modificări importante ale eficienței separării.

Temperatura influențează separarea în primul rând prin forțarea unei fracțiuni mari din analit să treacă în fază gazoasă (faza mobilă) ducând astfel la scăderea coeficientului de distribuție, coeficient dependent de temperatură conform ecuației lui Clausius-Clapeyron:

(3)

În această ecuație Δh reprezintă entalpia de vaporizare, t este temperatura absolută în grade Kelvin, R constanta generală a gazelor iar k constanta de distribuție (log p0=K). De notat faptul ca valoarea Δh este considerată constantă pe tot domeniul de temperatură. Din ecuație rezultă că valoarea constantei de distribuție crește cu temperatura, ceea ce determină o creștere a concentrației la echilibru în faza mobilă.

Întrucât separarea se bazează pe interacțiunile analitului cu faza staționară, optimizarea temperaturii este unul dintre cei mai importanți pași ce trebuie efectuați pentru o bună separare. Pentru probele care conțin puțini componenți o operare izotermă poate fi adesea suficientă pentru separarea acestora. Probele complexe, cum sunt uleiurile volatile care conțin compusi a caror volatilitate este diferită necesită operarea în gradienți de temperatură. Alegerea gradientului de temperatură este o consecință directă a naturii substanțelor care compun proba precum și a obiectivelor propuse prin analiză.[9,30]

Creșterea temperaturii recomandată pentru amestecuri complexe este de ordinul a 2-5 grade C pe minut. Dacă matricea conține compuși foarte asemănători din punct de vedere structural și care coeluează, temperatura trebuie programată atât în rampe cât și în paliere, mod în care rezoluția a adouă picuri crește. Inconvenientul major al folosirii combinate a rampelor și palierelor este imposibilitatea standardizării parametrilor de retenție și deci o posibilitate redusă de evaluare calitativă a picurilor componentelor separate.

Natura gazului vector nu are o influență semnificativă asupra valorilor de retenție, alegerea acestuia fiind facută în funcție de alți parametrii cum sunt detectorul utilizat precum și costul de operare al sistemului. În cazul folosirii unui spectrometru de masă ca detector gaz-cromatografic fazele mobile sunt azotul sau heliu. Acesta din urmă este folosit cu precădere mai ales din rațiuni de securitate, toate caracteristicile coloanelor oferite de producători fiind exprimate incluzănd heliul ca gaz vector.Viteza liniară a gazului vector este principalul parametru fizic prin care se poate modifica cinetica cromatografiei și deci modificarea înălțimii echivalente a unui taler teoretic. Debitul de gaz e influențat de dimensiunile fizice ale coloanei. Optimizarea acestor doi parametri de operare îmbunătățește semnificativ eficacitatea separării. [1,3,9]

1.4.Parametri de retenție cromatografici

Retenția unui analit de catre un sistem cromatografic este caracterizată de viteza lui relativă de migrare față de viteza eluentului. Evaluarea retenției se face prin intermediul unor mărimi numite parametri de retenție ce pot fi absoluți sau relativi.

1.4.1.Parametri de retenție absoluți

Pentru discutarea parametrilor de retenție am simulat o cromatogramă în care un component A este nereținut iar celalalt B este reținut pe coloană.

Punctul O este punctul în care s-a facut injectarea probei.

Fig. 1 Exemplu de cromatogramă

Rezultatul obținut din separarea cromatografică este timpul de retentie(tR) care reprezintă timpul dintre momentul injecției și apariția maximului picului analitului (distanța OA). Timpul de retenție este o caracteristică calitativă a unei substanțe volatile cu condiția păstrări riguroase a condițiilor cromatografice dintre două analize diferite.

Factorii care afectează timpul de retenție al separării GC:

legatura solut-faza staționară,

volumele moarte ale injectorului, detectorului, joncțiunilor, etc.,

debitul gazului vector,

masa fazei staționare lichide din coloană,

temperatura coloanei.

Factorii de care tR este independent:

cantitatea de probă injectată,

natura si abundența altor constituenți ai matricii,

natura gazului purtator,

presiunea gazului vector.[3,9,37]

Moleculele analitului au nevoie de un timp pentru a parcurge spațiile din interiorul injectorului, detectorului, și pentru parcurgerea coloanei fară a fi reținute de făza staționară. Acest timp se numește timp mort (tm ), distanța OA în figură și reprezintă timpul de retenție al unui component nereținut de catre faza staționară.

Diferența dintre timpul de retenție și timpul mort reprezintă timpul de retenție ajustat al componentului și este distanța AB în figură. Timpul de retenție ajustat este timpul în care molecule sunt reținute efectiv în procesul de separare cromatografic:

t’R= tR- tm (4)

Timpul de retenție al unui component volatil este cu atât mai mic cu cât debitul gazului vector (D) este mai mare. Produsul dintre tR si D este o constantă numită volum de retenție și reprezintă volumul de gaz care trebuie să treacă prin coloana până la apariția maximului picului componentului de separat:

VR= tR∙D. (5)

Volumul mort și respectiv volumul de retenție ajustat sunt definite analog timpilor de retenție corespunzători.

Vm=tm∙D (6)

V’R= t’R∙D (7)

In ecuația 7 nu se ține seama de compresibilitatea gazelor de aceea este necesară corectarea volumului de retenție utilizând un factor de retenție numit factor de compresibilitate J ce depinde de presiunea în coloană la intrare și respectiv la ieșire. Volumul de retenție obținut se numește volum de retenție net ( VN ).

VN= V’R∙j= t’R∙D∙j (8)

În absența influențelor parazite exercitate de suportul cromatografic parametrii de retenție sunt proporționali cu masa fazei staționare aflate în coloană ceea ce permite raportatrea volumului net de retenție la unitatea de masa a fazei staționare, obținându-se astfel volumul specific de retenție (VC).

Factorii de care depinde volumul specific de retenție:

legătura solut-fază staționară,

temperatura coloanei .

Factorii de care VC este independent:

masa fazei staționare lichide,

caracteristicile geometrice ale coloanei,

natura gazului vector,

debitul gazului vector,

cantitatea de probă injectată,

natura și abundența altor constituenți ai matricei.

Un parametru important al separarii GC este factorul de capacitate k’ definit ca fiind raportul dintre masa analitului în faza staționară (MS) și cea în faza mobilă ( MM).

(9)

unde t R este timpul de reținere

t M este timpul parcurs de faza mobilă sau orice compunent ce nu interacționează cu faza staționară.

Acest parametru are importanță în toate metodele de separare fiind unul din parametrii care masoară eficiența și permite optimizarea separării. Factorul de capacitate este o funcție de parametri de solubilitate în cazul cromatografiei de separație lichid-lichid. Experimental, în vederea obținerii unei rezoluții maxime pe unitatea de timp, trebuie ca valoare lui k să fie cuprinsă între 2 și 5.

Putem defini acum și retenția relativă ca fiind raportul dintre factorul de capacitate a două picuri adiacente:

(10)

Din ultimele doua ecuatii rezultă:

(11)

Prin convenție retenția relativă e supraunitară ( t’R2≥ t’R1) și depinde de faza staționară și de temperatură. [38]

1.4.2. Parametrii de retenție relativi

Primul pas obligatoriu pentru interprtarea unei cromatograme este înregistrarea poziției fiecărui pic cromatografic separat. Cea mai simplă metodă este să înregistrăm timpul de retenție dar acest parametru este cel mai puțin indicat din punct de vedere al standardizării. Timpul de retenție este dependent de o serie de factori cum sunt lungimea coloanei și tipul ei, temperatura de lucru, etc. Aceste inconveniențe impiedică utilizarea timpului de retenție absolut ca un parametru de standardizare a separării.

Un pas înainte a fost făcut prin utilizarea retenției relative ( r ) pentru descrierea poziției unui pic în comparație cu cea a unui martor.

Retenția relativă poate fi utilizată numai în cazul operării izoterme și nu și în cazul programelor de temperatură. Din punct de vedere al standardizării, utilizarea retenției relative nu este recomandabilă datorită limitării impuse de regimul izoterm și datorită faptului că alegerea unui martor este arbitrară. Pentru a elimina acest din urmă inconvenient, Smith a sugerat ca unitate a volumului de retenție ajustat poziția teoretică a n-nonanului. [9,25]

1.5.Eficacitatea separarii GC

După o separare cromatografică moleculele de solvent se găsesc mai mult sau mai puțin grupate. O separare cromatografică nu poate menține grupate moleculele solutului care sunt depuse sau injectate în bloc la intrarea separatorului ( intrarea în coloană )

Această dispersie reduce eficacitatea coloanei, eficacitatea fiind definită ca raportul de deplasare sau timpii de parcurs corespunzători disperesiei solutului.

1.5.1. Picul cromatografic

Un pic cromatografic reprezintă distribuția statistică a moleculelor analitului care ajung la detector, în condiții ideale. Un pic este descris de către o curbă gaussiană (Fig. 2 ).

Fig. 2 Parametri experimentali ai unui pic ideal

Această distribuție este caracterizată de media timpului de retenție și de deviația standard a. Forma picurilor depinde de raportul concentrațiilor analitului în faza mobilă c’ și respectiv cea staționară c, deci de coeficientul de distribuție K. În cromatografia de repartiție gaz-lichid se pot întâlni următoare cazuri (Fig.3)

Fig. 3 Izoterme reprezentând c’ în funcție de c și picurile corespondente (A pic simetric, B pic trenat și C pic cu front difuz)

În cazul izotermelor liniare (A), coeficientul de distribuție este constant, indicând proporționalitatea concentrațiilor solutului în cele două faze.

În cazul izotermelor neliniare (B – convexă, C – concavă) coeficientul de distribuție este în funcție de concentrația solutului în faza mobilă. [9]

În cazul în care componenții amestecului analizat au izoterme neliniare este dificilă separarea corectă a zonelor ce le corespund. În cazul izotermelor liniare distribuția în timpul deplasării rămâne constantă iar zona va suferi doar fenomenul de dispersie. În aceste condiții, zona ce conține solutul va avea o porțiune centrală concentrată, urmată de porțiuni marginale de concentrații mai mici.

Pentru evaluarea asimetriei picurilor a fost definit factorul de asimetrie As ca fiind raportul dintre timpii de retenție la 10% din înălțimea picului.

Fig. 4 Procedeul măsurării asimetriei picurilor

Factorul de asimetrie se calculează conform ecuației (12):

As=b/a (12)

1.5.2. Parametri care evaluează eficacitatea separării GC

Parametrii cei mai importanți ce caracterizează eficiența procesului de separare cromatografică sunt înălțimea echivalentă a talerului teoretic, raportul de separare și rezoluția.

1.5.2.1.Numărul de talere și înălțimea echivalentă a talerului teoretic

Una din cele mai importante caracteristici ale unui sistem cromatografic este eficiența sau numărul de talere teoretice. Cu cât coloana va avea mai multe talere teoretice pe unitatea de lungime cu atât eficacitatea ei de separare va fi mai bună. Coloana cromatografică este împărțită în talere imaginare numite teoretice, fiecare corespunzând unei etape individuale de echilibru interfazic. Astfel, solutul se distribuie între faza mobilă și faza staționară dintr-un taler, iar după stabilirea echilibrului de distribuție, o mică cantitate de fază mobilă ce conține o fracțiune de solut se deplasează pe talerul următor unde procesul se repetă.

Pentru un pic cromatografic ideal, măsurarea eficacității separării este făcută prin calcularea numărului de talere teoretice n (ecuația 13) care reprezintă posibilitatea de obținere a unor picuri înguste, favorabile separării, prin utilizarea unei coloane în anumite condiții.

(13)

unde Vr și tR sunt volumul și respectiv timpul de retenție al picului componentului separat, W este valoare segmentului pe abcisă rezultat din intersecția a două tangente prin punctele de inflexiune ale picului iar este dispersia aceleași benzi în unități de timp. [75]

n este un număr adimensional și reprezintă o măsură a eficinței întregului suport al coloanei.

Dacă se utilizează în calcule timpul de retenție ajustat t’R în locul timpului brut tR, valoarea obținută reprezintă numărul efectiv de talere N.

Calculul eficacității este mai complex în cazul unor picuri negaussiene.

Numărul de talere teoretice depinde de lungimea coloanei, ceea ce face dificilă compararea eficienței a două coloane de lungimi diferite. Teoria talerului teoretic este astăzi depășită, dar a introdus un parametru fundamental în cromatografie: înălțimea echivalentă a talerului teoretic (HETP), care caracterizează dispersia zonei și deci puterea de rezoluție a sistemului (L reprezintă lungimea coloanei).

(14)

sau în cazul numărului efectiv de talere, HETP;

(15)

În acest caz nu se iau în considerare abaterile de la curba lui Gauss a picului cromatografie datorate difuziei, transferului de masă etc.

O aproximare mult mai exactă este dată de ecuația (16) care descrie influența vitezei medii a gazului vector u asupra HETP. Aceasta a fost propusă de Van Deemter pentru coloane umplute, fiind apoi modificată de Golay pentru coloane capilare:

(16)

Coeficienții B, Cm și respectiv Cs reprezintă difuzia longitudinală, rezistența la transferul de materie în faza mobilă și în cea staționară.

Curbele obținute prezintă o valoare minimă a HETP la o viteză optimă a fazei mobile.

Fig.5 Relația dintre eficiență și viteza medie a fazei mobile

Experimentele efectuate de diverși autori au demonstrat că, în cele mai multe cazuri, concentrația analitului în faza staționară este practic neglijabilă față de cea în fază mobilă. Se poate astfel calcula înălțimea unui taler teoretic, HEPTmin conform relației:

(17)

Ecuația (17) dovedește că eficacitatea maximă exprimată prin înălțimea echivalentă a talerului teoretic nu depinde decât de factorul de capacitate și implicit de diametrul coloanei utilizate.

Este bime cunoscut faptul că zona îngustă și compactă a componentului de la începutul coloanei (la introducerea probei) se va lărgi astfel încât concentrația pe unitate de volum de coloană va scădea. Această largire a zonei este rezultatul următoarelor procese:

difuziunea longitudinală a componentului în eluent;

timpul finit de stabilire a echilibrului moleculelor componentului între cele două faze;

fluctuațiile vitezei eluentului în diferite puncte ale coloanei care sunt determinate de structura geometriei interne a coloanei. [13,19,20]

1.5.2.2.Raportul de separare

Timpii de retenție ai unui analit separat folosind o anumită fază staționară precum și eficacitatea coloanei utilizate sunt mărimi de ordin general privitoare la comportarea unui component unic într-un sistem cromatografic.

Separarea analiților într-un sistem cromatografic depinde de retenția selectivă a fazei staționare, selectivitate ce poate fi exprimată prin raportul de separare, numit și factor sau coeficient de separare și notat a. Acesta se definește prin raportul coeficienților de distribuție D la echilibru, sau prin raportul factorilor de capacitate a doi componenți vecini.

1.5.2.3.Rezoluția separării cromatografice

Pentru caracterizarea separabilității a doi componenți s-a introdus noțiunea de rezoluție, notată Rs . În expresia rezoluției s-a căutat să se lege mărimile care caracterizează proprietățile termodinamice ale fazelor și componenților precum și mărimile care caracterizează dinamica proceselor din coloană. Rezoluția este o noțiune mai cuprinzătoare, conținând și mărimile care caracterizează eficacitatea și selectivitatea coloanei. Se poate defini ca de două ori raportul dintre distanța dintre varful a două picuri adiacente și suma lățimii lor la bază.

(18)

-lățimile la bază a celor doua picuri

Este evident că dacă diferența dintre coeficienții de repartiție a componenților crește atunci selectivitatea coloanei s-a înbunătățit. Acesta se realizează prin alegerea corespunzătoare a fazelor staționară și mobilă. Un alt mod de mărire a rezoluției este acela de a acționa în sensul reducerii lărgimii zonei, adică de a realiza coloane mai eficace, cu-n număr de talere mai mare pe unitatea de lungime. Evident rezoluția este influențată atât de proprietățile termodinamice ale sistemului, prin intermediul coeficienților de capacitate, respectiv de repartiție precum și de eficacitatea de separare a coloanei, prin intermediul numărului de talere N și înălțimea unui taler teoretic H.

(19)

Figura 6 reprezintă suprapunerile unor picuri gaussiene de aceeași înălțime și lățime precum și valoarea rezoluțiilor pentru acestea.

R<1 R=1 R>1

Fig. 6 Compararea rezoluției pentru picuri de aceeași înălțime

O rezoluție la nivelul liniei de bază este considerată atinsă când valoarea rezoluției este de 1,5. Pentru analiza calitativă a două picuri consecutive, o rezolutie de 1 este satisfăcătoare. Valori mai mari ale rezoluției sunt impuse pentru evaluări cantitative.

În cazul picurilor cu înălțimi diferite, valori mici ale rezoluției nu oferă posibilitatea discriminării componentelor separate (figura 7), situația complicându-se și mai mult dacă picurile sunt asimetrice. Snyder a propus o abordare practică de estimare a rezoluției prin compararea datelor reale cu cromatograme simulate.

Fig. 7 Compararea rezoluției pentru picuri de înălțimi diferite.

Noțiunea de capacitate a picurilor a fost introdusă de Giddings și reprezintă numărul maxim de picuri care pot fi rezolvate cu o rezoluție de R=1 de un sistem cromatografic specific într-un timp dat. Un concept similar numit numărul de separare sau Trennzahl (TZ) a fost definit de Kaiser ca fiind rezoluția între doi membri consecutivi ai unei serii omoloage.

În practică TZ reprezintă numărul de picuri care pot fi rezolvate între doi membri consecutivi ai unei serii omoloage. [18,38]

1.6.Calibrarea gaz-cromatografului în analiza cantitativă

Dacă se efectuează determinări cantitative prin cromatografia de gaze, pentru a păstra o corespondență între aria picurilor din cromatograme și concentrația componentelor separate este necesară o calibrare a metodei de analiză. Asfel, măsurarea ariilor picurilor componentelor separate este o condiție necesară dar nu și suficientă pentru analiza cantitativă a unui amestec complex. Este necesar să facem corelarea acestor arii cu cantitățile de substanță întroduse în sistemul analitic. Relația după care se face această corelare este următoarea:

mi=Ki ∙ Ai (20) în care:

mi reprezintă masa substanței “i” din probă

Ai aria picului corespunzător substanței “i”

Ki factorul de răspuns absolut

Practic este aproape imposibilă cunoașterea exactă a factorului de răspuns deoarece:

cantitatea injectată în sistemul cromatografic este destul de variabilă mai ales în cazul injectărilor manuale;

calitatea injecției este de puține ori perfectă astfel ca întreaga cantitate de probă să fie transferată în coloana cromatografică și apoi să ajungă la detector;

răspunsul detectorului se poate modifica în timp.

Concluzionând cele de mai sus observăm că de fapt Ki este un coeficient de răspuns al întregului sistem analitic în condițiile date. Estimarea acestuia se poate face prin măsurători absolute sau relative, cele din urmă fiind mai fiabile decât primele. Câteva din metodele de calibrare/cuantificare sunt prezentate mai jos. [5,9]

1.6.1Calibrarea cu standard intern (ISC)

Calibrarea cu standard intern necesită introducerea unei substanțe de referință în toate soluțiile standard și probele de analizat. Substanța de referință utilizată nu trebuie să fie prezentă în probă iar pentru alegerea ei se iau în cosiderare următoarele criterii:

să semene cât mai mult cu compusul de analizat în ceea ce privește structura chimică, proprietățile fizico-chimice;

să nu reacționeze cu constituenții probei;

să nu fie un component de-al probei;

să elueze în zone apropiate și rezoluția dintre picul analitului și al standardului intern să fie bună;

picul corespunzător standardului intern să nu se suprapună peste picul altui component din probă;

analitul și standardul intern să conducă la un răspuns asemănător al sistemului de detecție.

Pentru calibrare se reprezintă raportul dintre ariile analitului și standardului intern în funcție de concentrația analitului iar pentru determinarea concentrației unei probe necunoscute se extrapolează raportul ariilor analit/standard intern pe curba de calibrare realizată în prealabil.

1.6.2 Calibrarea cu standard extern

Dacă avem de-a face cu amestecuri mai complexe, cu-n număr mai mare de compuși dintre care se dorește dozarea numai unuia, metoda cea mai folosită este calibrarea cu standard extern. Principiul este cel folosit în toate metodele analitice și constă în analiza cromatografică a unor soluții de concentrații cunoscute ale standardelor, urmând ca ariile sau înălțimile picurilor obținute să fie reprezentate grafic în funcție de concentrația standardelor. Astfel se obține o curbă de calibrare. Pentru probele necunoscute, aria picurilor corespunzătoare compușilor de dozat sunt extrapolate pe curba de calibrare pentru obținerea concentrațiilor. Metoda necesită un control foarte exact al volumului de probă injectată și de aceea nu se pretează la injectarea manuală.

1.6.3. Normalizarea internă

Normalizarea internă este o metodă semnificativă și constă în calcularea proporțiilor relativa ale ariilor picurilor. Folosirea acestei metode este posibilă numai în cazul unui detector neselectiv.

1.6.4. Normalizarea internă cu factor de răspuns

Este o metodă mult mai corectă decât normalizarea internă și se poate aplica dacă toți compușii unui amestec sunt identificați și se cunoște factorul de răspuns al fiecăruia în condițiile date. Acest factor de răspuns se poate calcula prin utilizarea de amestecuri sintetice în care unui compus ales arbitrar i se atribuie factorul de răspuns 1 și pentru toți ceilalți compuși se calculează Ki în rapor cu acesta.

Metoda se poate aplica pentru probe care conțin un număr mic de componenți pentru a putea reface un amestec sintetic al acestora în concentrații cunoscute. [9,37]

CAPITOLUL II

2.1.Gaz cromatograful

Un gaz cromatograf este alcătuit în general din aceleași componente indiferent de firma producătoare și anume:

butelia cu gazul purător,

regulator de presiune și un dispozitiv pentru controlul debitului,

injector,

coloana capilară sau cu umplutură,

detector,

înregistrator.

Injectorul și coloana cromatografică sunt menținute la o temperatură ridicată într-un cuptor termostatat. Figura 8 prezintă schema de principiu a unui gaz-cromatograf.

Fig.8 Schema unui gaz-cromatograf.

Toate componentele menționate in figura 8 influențează rezultatele într-o masură mai mare sau mai mică.

Coloana cromatografică este sediul separării cromatografice; ținând cont de influența directă pe care coloanele cromatografice le exercită asupra separării, am considerat necesară începerea prezentării gaz-cromatografului cu coloana cromatografică. [22,31]

2.2.Coloana cromatografică

Reprezintă punctul central al unui cromatograf; de coloana depinde succesul separării prin influenta directă pe care o are aceasta asupra eficienței separării. Chiar dacă se folosește un cromatograf cu performanțe excelente la care s-au fixat parametrii optimi de operare nu se poate compensa alegerea unei coloane inadecvate.

Clasificarea generală a coloanelor utilizate în GC este facută de obicei după diametrul acestora și după modul de umplere cu faza staționară.

Coloanele capilare cu umplutură sau cu film depus pe pereții interiori au o serie de avantaje incontestabile asupra coloanelor clasice cu umplutură:

rezoluție mai înaltă,

sensibilitate mai mare (în ciuda injectării unei cantități mai mici de analit),

timp de analiză mai scăzut (pentru aceeasi rezoluție),

inerție chimică mai ridicată.

Practic, începând cu anii ’80, utilizarea coloanelor clasice a scăzut, utilizarea lor coborând astazi sub 1% raportat la numarul total de separări efectuate prin GC.

Coloanele capilare moderne sunt confectionate din quarț sau silice și protejate în exterior de un strat polimeric sau de aluminiu. Datorită acestui strat exterior, temperatura la care pot fi utilizate este de maximum 370ºC, acesta fiind unul dintre inconveniențele majore, alaturi de costul relativ ridicat și de limitarea diametrului interior la maxim 1 mm, coloanele cu diametre mai mari neputând fi bobinate pentru introducerea în termostatul cromatografului.

In funcție de diametrul interior, coloanele capilare se pot clasifica în:

microcapilare (dc<0.1 mm),

capilare (dc=0.18-0.53mm),

macrocapilare (dc=0.53-1 mm).

Diametrul coloanei este unul dintre cei șase parametrii interdepedenți care determină gradul de separare și timpul de analiză. Trei dintre acestia sunt parametrii operaționali și vor fi discutați într-un subcapitol separat iar ceilalți doi sunt lungimea coloanei și respectiv grosimea filmului (stratului) depus pe pereții interiori ai acestuia.

Un diametru redus al coloanei determină creșterea gradului de separare ca urmare a creșterii numarului de talere teoretice. De asemenea, diametrul influențează raportul p și factorul de capacitate (numit coeficient de repartiție în cromatografia de lichide-LC) și teperatura de operare a coloanei. Trebuie făcut de asemenea un compromis între timpul de analiză și rezoluție având în vedere că un diametru mai mic al coloanei implică o creștere a rezoluției dar o creștere dramatică a timpului de analiză.

Lungimea coloanei are un efect mai redus asupra rezoluției separării decât diametrul coloanei; între lungime si rezoluție există o relație polinomială de ordin doi de tipul rezoluție=(lungimea)2. De exemplu pentru triplarea rezoluției a două picuri adiacente este necesară utilizarea unei coloane de nouă ori mai lungă. Ținând însă seama de influența celorlalți parametri asupra separării, influența lungimii coloanei asupra rezoluției poate fi practic neglijată atâta timp cât dimensiunile acesteia ramân în intervalul 10-50 m.

Separarea este influențată în primul rând de tipul de fază stationară depusă pe suprafața interioară a coloanei. În cromatografia de gaze se utilizează coloane care conțin fie un lichid depus pe un supor solid (cromatografie gaz- lichid GLC) fie un solid absorbant (cromatografie gaz-solid GSC), primele fiind cele mai utilizate datorită performanțelor superioare. Coloanele folosite în GLC sunt clasificate în funcție de modul de fixare a fazei staționare lichide:

pe un suport solid (packed colum),

pe peretele capilarei (WCOT-wall coated open tubular sau BPOT-boned phase open tubular).

În prezent comercial sunt disponibile un număr de aproximativ 300 de faze staționare, multe dintre acestea fiind similare dar cu denumire comercială diferită de la producător la producător. Alte tipuri de faze sunt cele polare precum și cele care conțin selectori chirali pentru separarea enantiomerilor. [3,25,31]

Tabelul 1 prezintă principalele tipuri de coloane utilizate în analiză precum și caracteristicile cele mai des întâlnite ale acestora.

Dimetilpolisiloxan Dimetildifenilpolisiloxan

Fig. 9 Polimeri siliconici utilizați ca și faze staționare nepolare sau slab polare.

Marele avantaj al cromatografiei de gaze ce utilizează coloane capilare constă în valoarea ridicată a rezoluției .

Coloanele capilare au:

mai multe platouri teoretice (o masură a puterii de separare și a eficienței) comparativ cu coloanele cu umplutură;

deoarece au o rezistentă scazută la debite mari pot avea lungimi mai mari decât cele cu umplutură. Aceasta înseamnă că o coloană capilară de o lungime medie (30 m) are aproximativ 100 000 de platouri teoretice în timp ce o coloană cu umplutură de lungime medie (3m) are doar 2500 de platouri.

Dar o dată cu creșterea puterii de separare intervin o serie de limite:

coloanele capilare, deoarece au diametre mai mici (0.05-0.53 mm) decât cele cu umplutură (2-4mm), necesită injectoare relativ specializate precum și dispozitive de control ale debitului și presiunii;

coloanele capilare necesită o cantitate mult mai mică de probă decât cele cu umplutură. Astfel, masa medie a fiecarui component din amestec ce se va separa cu o coloană cu umplutură este de ordinul μg per injecție iar in cazul coloanelor capilare de regulă este de ordinul ng sau mai puțin. [21,22,23]

Fig. 10 Coloana cu umplutură. Fig. 11 Coloana capilară.

Supraîncarcarea

Această cerință inițială are la bază urmatorul principiu: în cazul în care componentele conținute în probă sunt prea concentrate pentru analiza pe coloana capilară, proba trebuie să fie diluată înainte de analiză. În caz contrar coloana va fi supraîncarcată de conponentele prea concentrate.

Picurile corespunzătoare componentelor prea concentrate nu sunt simetrice iar forma lor neregulată poate distorsiona forma altor picuri ce nu se află în concentrații prea mari.

Un exemplu de cromatogramă supraîncărcată este prezentată în figura următoare. [24,31]

Fig. 12 Cromatograma cu picuri supraîncărcate.

2.3.Injectorul

Multă vreme cromatografia de gaze cu coloane capilare nu a putut fi folosită în analize cantitative din cauza pierderilor de probă. Punctul vulnerabil s-a dovedit a fi introducerea probelor. Acest lucru influențează aspectul picului, rezolutia și exactitatea analizelor cantitative. Caracteristicile injectorului se corelează cu diametrul interior al coloanei capilare, debitul de gaz purtător, cantitatea și compoziția probei.

Dispozitivele de introducere a probelor se pot clasifica după starea de agregare a probei. Nu s-a costruit un injector universal pentru toate tipurile de probe iar alegerea unuia se face în funcție de concentrația componentelor în probă, de volatilitate, de punctul de fierbere și de stabilitatea termică și chimică a probei.

În general un injector este constituit dintr-un septum de cauciuc prin care se introduce acul unei seringi pentru injectarea probei de analizat. Injectorul este menținut la o temperatură mai înaltă decăt punctul de fierbere al celui mai puțin volatil component din amestec. Deoarece caracteristicile de partiție sunt dependente de temperatură colana de separare este menținută într-un compartiment termostatat. Componentele ce vor fi separate avănd un domeniu larg de puncte de fierbere se vor menține la începutul separării la o temperatură scăzută în compartimentul coloanei, temperatură ce se va crește treptat în cursul analizei pentru a elua componentele cu puncte de fierbere mai înalte. [18]

2.3.1. Injectorul direct (fără divizarea probei)

Să presupunem că analiții sunt dizolvați într-un solvent lichid. O cantitate mică de soluție (μl) sunt injectați cu microseringa printr-un septum de cauciuc în injectorul fierbinte (200ºC) format dintr-un tub de sticlă. Injectorul e menținut fierbinte prin intermediul unui termostat. În aceste condiții proba este vaporizată. În continuare un gaz purtător inert, a cărui presiune este strict controlată de un regulator de presiune și care curge continuu dintr-u rezervor prin injector spre coloană, preia proba gazoasă, solventul și analitul și le introduce în coloană. În acest tip de injector, toată cantitatea de probă vaporizată va intra în coloană.

Există astfel de injectoare prevazute cu un mic debit de gaz purtător auxiliar ce trece prin partea inferioară a septului injectorului astfel încât proba gazoasă vaporizată nu poate interacționa cu septumul pe care să-l blocheze. Acest fapt înbunătățește forma picului și reproductibilitatea. Coloana cromatografică este conectată la partea inferioară a injectorului prin intermediul unor colectori metalici.

Gazul purtător intră pe la mijlocul înălțimii termostatului, trece prin exteriorul injectorului înainte de a intra în linerul de sticlă pe la partea superioară. În acest mod gazul purtător este încălzit înainte de a veni în contact cu proba de analizat. Acest fapt previne apariția unui spot rece la partea superioară a injectorului.

Dacă se folosește o coloană capilară și nu una cu umplutură , deoarece dimensiunea coloanei capilare limitează cantitatea de analit care poate fi injectată, caz în care poate să apară fenomenul de supraîncarcare; este necesară o diluție a probelor dacă acestea sunt concentrate. [21,22,23]

Fig. 14 Injectorul direct fără divizarea probei

2.3.2. Injectorul indirect (cu divizarea probei)

O alternativă pentru introducerea în coloană a unor cantități de analit fără a mai fi necesară diluarea probelor concentrate constă în divizare. Un astfel de injector necesită aceleași componente ca și injectorul direct: modulul de introducere a gazului purtător, septum, septum de purjare, injectorul propriu-zis, termostat și colector pentru coloană; dar mai conține în plus un alt set de canale pentru gaz la iesirea din injector;o altă cale pe care o poate lua proba volatilizată.

Aceasta cale se numește ventil de divizare. Producatorii de astfel de sisteme le construiesc astfel încât debitul gazului inert ce intră în coloană este constant pentru a menține condițiile cromatografice ale coloanei și a obține timp de retenție reproductibil. În același timp, cantitatea de gaz care trece prin ventilul de divizare controlează cantitatea de probă ce intră în coloană. Dacă ventilul de divizare este închis, toată cantitatea de probă introdusă în injector intră și în coloană. Dacă acest ventil este deschis, marea majoritate a probei este eliminată în exterior și numai o mică parte este introdusă în coloană. Un astfel de injector este ilustrat in figura 15.

Fig. 15 Injectorul indirect cu divizarea probei

Debitul de gaz prin ventilul de divizare poate fi modificat menținând în acelasi timp debitul spre coloană constant. Aceasta înseamnă ca divizarea (numită și raport de divizare) poate fi modificată. Raportul de divizare este de obicei 50:1; adică peste 50 de unitati de probă gazoasă ce se elimină în exterior doar o unitate intră în coloană. Raportul de divizare trebuie strict controlat astfel încât rezultatele obținute să poată fi cuantificate.

De exemplu pentru o cantitate de 125 ng de compus introdus în injector la un raport de divizare de 50:1 , în colonă vor intra doar 125/50=2.5 ng de compus. De reținut faptul că dacă se utilizează un injector direct cantitatea de 125 ng poate conduce la efecte de supraîncărcare. Pentru a preveni acest lucru se va utilza deci injectorul cu divizare. [21,22,23]

2.3.3.Pirolizoare

Pentru probele solide s-au construit injectoare speciale numite pirolizoare. Acestea pot fi cu încălzire continuă sau intermitentă. Cele cu încălzire continuă sunt formate din dintr-o cameră cu volum foarte mic care este încalzită din exterior în permanență. Proba depusă pe o baghetă sau într-o capsulă se introduce în zona fierbinte. Produșii de piroliză se pot introduce direct în coloană sau după divizare.

Pirolizoarele cu încălzire intermitentă se bazează pe încălzirea foarte rapidă a unor rezistențe electrice sau a unor baghete metalice confecționate din platină sau un aliaj ce se poate încalzi până la 1500ºC cu o viteză de 20000ºC/s. Probele solide dizolvate într-un solvent volatil se aplică sub forma unei pelicule pe filamentul electric sau bagheta metalică și sunt introduse în camera de piroliză. Probele insolubile se aplică într-o adâncitură a rezistenței.

Temperatura la care are loc reacția de piroliză trebuie să fie suficient de mare ca să ducă la fragmentarea probei astfel încât reacțiile secundare să fie minime. Transferul produșilor de piroliză în coloana capilară trebuie făcut căt mai rapid pentru a elimina pierderile prin condensare, degradările nedorite si extinderea benzii cu probă care duc la scăderea eficienței cromatografice.

Fig. 16 Dispozitive de piroliză a probelor solide

A)cu încălzire continuă B) cu încălzire intermitentă la punctul Curie

1-septum, 2-baghetă cu probă, 3-alimentarea cu gaz purtător, 4-tub de cuarț, 5-probă, 6-injectorul cromatografului de gaze, 7-circuit pentru eliminarea surplusului de probă, 8-coloană capilară, 9-element de încălzire, 10-bobină de radiofrecventă. [18,31]

2.4. Gazul purtător

Faza mobilă este reprezentată de un gaz inert care trebuie să fie pur și să nu reacționeze cu analiții sau cu colana capilară. Cele mai des utilizate gaze sunt: He, Ar, N2 sau H2. Alegerea unuia dintre aceștia se face în funție de detectorul folosit. He și H2 dau o rezoluție mai bună decât N2 pentru marea majoritate a detectorilor.

Presiunea gazului la intrare în coloană este importantă și se modifică cu ajutorul unui regulator de presiune atașat tubului cu gaz. Gazul purtător se poate exprima ori cu ajutorul debitului măsurat în ml/min ori determinând viteza de curgere exprimată în cm/sec. [33]

CAPITOLUL III

Detectorii

După ce componenții din amestec sunt separați folosind gaz-cromatograful ei trebuiesc detectați la ieșirea din coloană. Detectorul de conductibilitate termică și cel cu ionizare în flacără sunt cei mai folosiți detectori la gaz cromatografele comerciale dar un detector cu multe aplicații poate fi consideerat cu adevărat spectrometrul de masă. De obicei se alege un anumit detector în funcție de metoda de separare utilizată.

3.1.Cuplajul gaz cromatografului cu detectorul

Cuplarea cromatografiei de gaze cu un sistem de detecție aduce avantajele caracteristice fiecărei tehnici și necesită rezolvarea următoarelor aspecte:

presiunea fazei mobile la ieșirea din coloană trebuie redusă la
un interval optim pentru analizator;

îmbogățirea efluentului în componentele de analizat prin eliminarea unei porțiuni din gazul vector;

identificarea fiecărui component cu o viteză cel puțin egală cu cea a eluării componentelor separate;

Din punct de vedere constructiv, în prezent sunt utilizate câteva tipuri de interfețe, fiecare dintre ele prezentând atât avantaje cât și dezavantaje.In cromatografia de gaze cu coloane capilare utilizate pentru separare se folosesc debite scăzute de gaz vector. Acest fapt permite cuplarea directă cu detectorul (figura 17).

Fig. 17 Cuplajul direct GC-SM

Debitul gazului vector nu poate depăși 1 -2 ml/min. Chiar în condițiile acestui debit scăzut pompele utilizate trebuie să fie de mare eficacitate. Randamentul de transfer a componentelor separate prin GC în detector este 100% dar prin acest cuplaj nu are loc o preconcentrare a analitului. Pe ultima porțiune a coloanei cromatografice presiunea este sub cea atmosferică ceea ce influențează separarea și implicit rezoluția . [1,5]

Cuplajul prin divizor deschis (“open split”) permite doar pătrunderea unei fracțiuni din efluent. Divizorul este un tub capilar restrictor aflat la capătul coloanei cromatografice. Gazul iese din coloană la presiune atmosferică, acest cuplaj nemodificând separarea. Tubul este construit dintr-un material inert chimic la temperaturile de lucru (250 – 300 °C). Geometria tubului determină cantitatea de gaz care intră în detector. Se utilizează tuburi metalice de Pt sau Pt-Ir sau tuburi de cuarț cu diametrul intern de 0,5 – 0,8 mm și o lungime de 0,8 – 1,0 m. Interfața prin divizor deschis nu produce o îmbogățire a analiților. Gazul utilizat pentru purjare este în general He2 debitul acestuia determinând eliminarea solventului sau a altor efluenți care pot contamina sursa de ioni. Un avantaj major al cuplajului este acela că gazul purjat poate fi analizat în paralel prin utilizarea altui detector. Această tehnică este utilizată când se dorește ca analiza să ofere simultan informații calitative și cantitative sau când natura probei nu este cunoscută.

Fig. 18 Interfață cu divizor deschis

Cuplajul prin separatoare moleculare permite îmbogățirea în analit a efluentului care ajunge în detector. Debitul gazului vector utilizat pentru separare nu este limitat, dar numai o mică cantitate din acesta este introdus . Cele mai răspândite variante sunt separatoarele moleculare cu jet, de efuziune gazoasă și cu membrană.

Separatorul molecular cu jet a fost introdus de către Becker și Ryhage. Separarea se bazează pe diferențele de viteză de difuziune ale moleculelor gazoase în funcție de masa lor moleculară. Efluentul este trecut printr-un orificiu foarte îngust într-o incintă care se găsește sub vid. Se formează astfel un jet în care moleculele cele mai ușoare au un moment cinetic slab și difuzează în incintă, deviind astfel de la traiectoria principală a moleculelor grele.

Fig. 19 Separator molecular

Îmbogățirea probei este proporțională cu rădăcina pătrată a raportului maselor analitului și a gazului vector. Separatorul poate fi folosit atât pentru coloanele clasice cu umplutură cât și pentru cele capilare, dar debitul de gaz vector trebuie să depășească 30 ml/min. Principalul neajuns constă în blocarea mecanică a orificiului a cărui diametru nu depășește 0,2 mm.

Separatorul de efuziune gazoasă (Watson – Biemanri) se bazează pe difuzia gazului vector prin porii foarte fini ai unui tub de sticlă sinterizată (Figura 20).

Fig. 20 Separatorul cu efuziune gazoasă

Acest sistem reduce presiunea prin înlăturarea preferențială a gazului vector. Viteza de eliminare a moleculelor organice grele este mult mai mică decât viteza de eliminare a moleculelor ușoare de He. Prin acest procedeu este eliminat circa 99,9% din gazul vector și circa 75% din moleculele analitului, ceea ce conduc și la o scădere apreciabilă a presiunii.

Separatorul cu membrană (Llewelyn-Littlejohn) se bazează pe diferențele relative de solubilitate și de permeabilitate a moleculelor organice și ale gazului vector la traversarea unei membrane siliconice.

Membrana absoarbe și dizolvă constituenții organici din fluxul gazos. Gazul vector nu este solubil în membrană și este eliminat. Randamentul acestui sistem este direct proporțional cu suprafața membranei și permeabilitatea moleculară a acesteia și invers proporțional cu debitul de gaz și cu grosimea membranei. Deși separatorul cu membrană prezintă multe avantaje (nu modifică presiunea de operare a coloanei, volumul mort este foarte mic, oferă posibilitate de utilizare a unor debite variabile de operare cromatografică), utilizarea acestuia are și unele inconveniențe care reduc mult aria lui de aplicare:

linia superioară de temperatură este de circa 225-250ºC;

fiecare component are o capacitate diferită de penetrare prin membrană care este dependentă de temperatură;

timpul relativ lung de pasaj prin membrană conduce la lărgirea picurilor cromatografice. [24,28]

Fig. 21 Separator cu membrană

3.2.Spectometru de masă……………

Spectrometria de masă este una dintre cele mai importante metode de investigație în studiul substanțelor organice și a produselor de metabolizare.

3.2.1.Principiul de bază al spectrometrului de masă

O probă gazoasă ce conține compusul ce va fi analizat este ionizat cu o energie suficientă pentru a provoca ruperea legăturilor chimice din molecula considerată. Fragmentele diferite încărcate electric astfel produse sunt accelerate înainte de a intra într-un analizor care le va separa în funcție de raportul M/Z(masa atomică/ sarcina ionului). Spectometru de masă este folosit atât pentru cuantificarea atomilor și moleculelor cât și pentru determinarea formulei chimice și structurale a unor compuși. Descrierea selectivă a unor ioni diferiți permite stabilirea unui spectru caracteristic numit spectru de masă [3,4].

Detectorul de masă folosit pentru detecția gaz-cromatografică este în fapt un spectrometru de masă care trebuie să fie capabil să efectueze următoarele operații:

producerea ionilor din proba de analizat (sursa de ionizare);

separarea ionilor în funcție de raportul masă/sarcină (m/z)
(analizorul de masă);

detecția ionilor separați (detectorul);

achiziția și prelucrarea datelor (sistem de achiziție – calculator).
Sistemele de ionizare se bazează pe ionizarea a patru moduri diferite

de producere a ionilor. [17]

În general un spectometru de masă este constituit dinntr-o sursă de ioni, un analizor selectiv de masă și un detector de ioni. Deoarece spectometrul de masă crează și manipulează ioni în faza gazoasă el operează într-un sistem vidat.

3.2.2. Ionizarea

Producerea ionilor din proba de analizat se poate face prin mai multe metode:ionizare prin impact electronic, ionizare chimică, ionizare prin desorbionilor din proba de analizat se poate face prin mai multe metode:ionizare prin impact electronic, ionizare chimică, ionizare prin desorbție și tehnici spray.

Ionizarea prin impact electronic constă în bombardarea probei cu un flux de electroni de energii ( cca. 70 eV ) mai mari decât energia de ionizare a moleculelor separate prin GC. Se formează:

ioni moleculari,

ioni de fragmentare cu număr par și impar de electroni,

radicali,

molecule neutre.

Ionizarea chimică produce ioni negativi sau pozitivi prin interacțiuni sau coliziuni cu ionii unui gaz reactiv ( CH4 , NH3 ). Ionii astfel rezultați sunt:ioni pseudomoleculari, ioni de fragmente, ioni de fragmentare cu gazul reactiv sau asocieri de ioni.

Ionizarea prin desorbție se poate face prin mai multe moduri:

bombardarea cu atomi rapizi (FAB) constă în bombardarea analiților dizolvați într-un solvent nevolatil cu atomi rapizi cu energii de ordinul a 20 kev când se formează ioni pseudomoleculari;

bombardarea cu ioni rapizi (SIMS) (ioni primari) accelerați la potențiale de ordinul a 20 KV a analiților solizi sau dizolvați într-un solvent nevolatil. Se formează ioni pseudomoleculari și ioni de fragmentare;

desorbția laser (LDI) prin bombardarea probei cu un flux intens de fotoni. Poate fi directă sau asistată de matrice, cea din urmă constând în amestecarea probei cu o matrice organică care absoarbe la lungimea de undă corespunzătoare laserului;

desorbția de câmp se realizează prin desorbția unei probe depuse pe un filament de W sau Rn prin acțiunea unui cânp electric de 10 7 -10 8 V/m;

ionizarea chimică prin desorbție constă în desorbția unei probe depuse pe un filament introdus în plasma de ionizare chimică;

desorbția de plasmă se realizează prin ionizarea probei depusă pe o folie de Al sau Ni de către o plasmă de energie înaltă ( 100 MeV) generată prin fuziunea spontană a Cf.Formarea ionilor are loc prin extracția unui electron din metal care apoi ionizează proba, rezultând ioni pseudo moleculari multiplu încărcați.

Tehnici spray

Termospray are ca principiu ionizarea moleculelor dintr-un aerosol de particule obtinut prin trecrea printro coloană capilară încălzită.Se formează ioni moleculari și pseudomoleculari, fragmente de ioni și ioni încărați multiplu.

Electrospray constă în ionizarea moleculelor dintr-un aerosol de particule obținut prin trecerea printr-o capilară asupra căreia a fost aplicat un câmp electric rezultând ioni multiplu încărcați. [30]

Dintre modurile de ionizare enumerate mai sus impactul electronic și ionizarea chimică se pretează cel mai bine la analiza unor efluenți gazoși din coloana gaz cromatografică. Celelalte tehnici sunt folosite în special pentru compuși aflați în soluție sau pentru cei solizi dar cu volatilitate scăzută.

Analizorul de masă are ca scop separarea ionilor după raportul M/Z. Performanțele spectometrului de masă sunt evaluate luând în considerare următorii parametri:

domeniul de masă (masa maximă care poate fi analizată);

rezoluția ( separarea a două picuri adiacente );

viteza de baleiere a spectrului (pentru un detector cromatografic );

sensibilitatea (cantitatea minimă de analit ce poate fi detectată ).

3.2.3. Tipuri de analizoare

Principalele tipuri de analizoare de masă cu o descriere sumară a principiilor de funcționare sunt urmatoarele:

analizorul magnetic,

analizorul cvadripolar,

spectometre cu dublă focalizare,

analizoare cu timp de zbor,

analizorul cu trapă ionică,

analizoul de masă cu rezonanța ionică în ciclotron-transformată Fourier (FT-ICR sau FT-MS )

3.2.3.1Analizorul magnetic

La ieșirea din sursă fascicolul de ioni este accelerat sub efectul unei tensiuni foarte mari ( de ordinul Kv) , apoi este supus unui câmp magnetic atunci când pătrunde într-un tub curbat de rază R având o energie cinetică.(fig. 20).

Fig. 20 Schema unui analizor magnetic

Oglinzile ionice din camera sursei de ioni a spectometrului de masă extrage și accelerează ionii la o energie cinetică dată de relația:

( 17)

unde m-masa ionului

v- velocitatea

e-sarcina electrica

V-tensiunea aplicată

Ionii intră în tubul curbat dintre polii magnetului unde sunt deflectați de catre câmpul magnetic H. Doar ionii care au raportul masă /sarcină egal cu fortele centrifuge și centripete vor străbate tubul curbat:

(18)

forțele centrifuge=fortele centripete

unde r este raza facuta de ioni în mișcarea lor

(19)

S-a demonstrat că în aceste condiții, pentru un ion de masă M și de sarcină Z:

(20)

unde B este câmpul magnetic iar R și V reprezintă parametri constanți ai aparatului. Se va varia intensitatea câmpului magnetic astfel încât fiecare ion de masă M și sarcină Z săsatisfacă relația, imprimând o curbă adecvată R a analizorului și putând fi astfel colectați.Se efectuează un veritabil triaj al ionilor, numai ionii cărora li se aplică un câmp magnetic convenabil ating colectorul ceilalți ioni intră în coliziune cu marginile tubului.

3.2.3.2Analizorul cvadripolar (filtru cvadripolar)

Filtrul cvadripolar este constituit dintr-un ansamblu de patru electrozi paraleli cu sectiune hiperbolică sau cilindrică ( fig. 21 ). Electrozii opuși au aceeași tensiune de alimentare (potențial) V.

Potențialul V are forma V= U+V0 cosωt, unde U este amplitudinea unei tensiuni continue, V-amplitudinea unei tensiuni sinusoidale de înaltă frecvență.

Fig. 21 Schema unui sistem cvadripolar

Într-un astfel de sistem, baleajul continuu și sincronizat al valorilor U și V permite ionilor cu un raport M/Z determinat, să urmeze o traiectorie oscilantă, limitată , stabilă, și să atingă dtectorul, celelalte specii fiind pompate prin sistemul de vid, fie intră în coleziune cu barierele cvadripolare.

3.2.3.3.Spectometre cu dublă focalizare

Sunt constituite dintr-un separator electrostatic și un separator magnetic. Ele sunt utilizate pentru determinarea masei moleculare cu 3 sau 4 zecimale semnificative fiind vorba de spectometre denumite “de înaltă rezoluția”. [7.35]

3.2.3.4.Analizatoare cu timp de zbor(Time-of-Flight Mass Spectrometry (TOF-MS)

Măsoară timpul necesar particulelor pentru a atinge detectorul. Viteza particulei “m” va fi proporțională cu tensiunea de accelerare (V) , energia căpătată fiind:

(21)

Cu cât masa particulei va fi mai mare cu atât și timpul de zbor va fi mai mare.Acest tip de analizor se folosește în tehnici precum FAB sau ionizarea cu californiu.

Schematic un analizor cu timp de zbor este alcătuit dintr-o cameră de ionizare, un tub de sticla, oglindăpentru reflecția ionilor și un detector (fig. 23).

Fig. 23 Schema unui reflectron TOF-MS

Din figură se observă că proba solidă este desfăcută în ioni de către o rază laser iar ionii sunt extrași și conduși spre reflectron. Acesta este reprezentat de o serie de inele electrice care acționează la fel ca o oflindă pentru ioni. de la reflectron ionii parcurg drumul invers spre detector care furnizează spectrul de masă. [35]

3.2.3.5.Analizatorul cu trapă ionică

Un analizator cu trapă ionică este alcătuit dintr-un electrod inelar și două capace laterale care împreună formează o cameră. Ionii care intră în cameră sunt opriți de un câmp electromagnetic. Pentru a elimina selectiv ionii din aceastăcameră se aplică un alt câmp electromagnetic. Ionii reținuți au avantajul că pot fi utilizați la efectuarea unor stagii multiple în spectometria de masă fără a mai fi necesare alte analizatoare de masă. [35]

Fig. 24 Analizor cu trapă ionică

3.2.3.6.Analizor de masă cu rezonanță ionică în cilotron transformată Fourier(FT-ICR sau FT-MS)

Un astfel de analizator este o variantă a celui cu trapă ionică. Ionii care intră în camera analizorului sunt reținuți pe o orbită circulară prin intermediul unor câmpuri elctromagnetice puternice. Atunci când sunt excitați de un câmp electric sau de radio frecvență ionii generează un curent dependent de timp ce este captat de o placa receptoare. Acest curent este convertit prin transformare Fourier în frecvențe orbitale ale ionilor care corespund raportului M/Z caracteristic.

Ca și analizorul cu trapă ionică, analizorul FT-ICR poate efectua mai multe stagii de analize spectometrice de bază fără a mai fi nevoie de analizoare de masă adiționale.Prezintă în plus și un domeniu de masă larg și o rezxoluție excelentă dar la prețuri destul de mari. [11,35]

Fig. 25 Analizorul de masă FT-ICR

Spectrul de masă al unui compus organic constituie reprezentarea abundenței relative a fragmentelor de scindare, purtătoare de sarcini pozitive în funcție de raportul M/Z al acestor particule. Numărul și abundențele diferitelor fragmente ionice care apar în spectrul de masă depind de:

instabilitățile relative ale legăturilor din ionul molecular;

stabilitatea unor fragmente neutre care se elimină din ion;

stabilitățile relative ale fragmentelor ionice care se formează;

probabilitatea tranzițiilor care decurg printr-un proces ciclic de rearanjare implicând deplasări de legături și transferuri de atomi de hidrogen;

probabilitatea formării ionilor de coeziune.

Intensitatea picului format este maximă la compușii cu catenă liniară si scade odată cu ramificarea catenei, fragmentările producându-se preferențial la legăturile atomilor de carbon cei mai substituiți. Dintre mai mulți radicali cu aceași structură legați de același atom de carbon se fragmentează preponderent cel mai mare. Legăturile multiple, ciclurile aromatice, heteroatomice și-n multe cazuri heteroatomii stabilizează ionii moleculari mărind probabilitatea apariției și intensitatea relativă a acestora în spectru.

Aspectul spectrului depinde de natura probei (structura chimică), de forma sa fizică ( starea de agregare: gaz, lichid, solid), de natura procesului de ionizare. Pe abcisă se indică masa ionilor sau mai exact raportul dintre masă și sarcină( ), iar ordonata exprimă abundența fiecărui ion constituen din spectrul de masă. Picul de cea mai mare intensitate din spectru ( picul de bază ) primește arbitrar valoarea 100 iar restul picurilor au abundența exprimată în procente.

In cazul analizelor cantitative se înregistrează cantitatea totală de ioni (curentul ionic total); înălțimea unui pic redă ponderea procentuală a acelui maxim din cantitatea totală a ionilor. In acest caz se impune o însumare riguroasă a intensităților tuturor ionilor din spectru pâna la masa moleculară. [2,27]

Fig. 26 Exemplu de spectru de masă

3.3.Detectorul cu conductibilitate termică

Se bazează pe scăderea conductibilității termice a gazului vector (H2 sau He) în prezen]a unor molecule străine. Acest proces duce la dezechilibrarea unei punți Wheatstone, care conține pe una din ramuri un filament al cărui rezistență este sensibilă la variații de temperatură. În timpul funcționării, filamentul este încălzit prin trecerea unui curent electric. Dacă peste filament trece un curent de gaz purtător, pierderea de căldură este constantă. Dacă în jurul filamentului se schimbă compoziția gazului, datorită unui component care părăsește coloana, se modifică și temperatura filamentului, ceea ce determină aparția unui semnal la înregistrator.

Sensibilitatea acestui detector este de ordinul g și este nespecific dar are avantajul că nu distruge proba. Doi de detectori cu conductibilitate termică sunt folosiți în gaz-cromatografie. Unul este dispus la ieșirea din coloana cromatografică și va detecta componenții eluați iar celălalt este așezat înaintea injectorului sau la coloana de referință(în cazul gaz-cromatografelor cu coloana de rerintă). [21,22,23,35]

Fig. 26 Schema unui detector cu conductibilitate termică

3.4.Detectorul cu ionizare în flacăra

Este constituit dintr-o flacără H2 – aer amplasată într-un câmp electrostatic. Pe măsură ce gazul purtător conținând o probă intră în arzător, acesta este amestecat cu H2 și aer. Dacă proba este organică, în flacără se produce combustia ei, rezultând fragmente de ioni și ioni liberi, care modifică curentul electric. Modificarea curentului electric este măsurată de un cuplu de electrozi și este proporțională cu concentrația probei.Are avantajul unei sensibilități ridicate și un spectru de tetecție mare dar prezintă inconvenientul că distruge proba. Schematic un detector cu ionizare în flacără este prezentat în figura următoare. [21,22,23,35]

Fig. 27 Schema unui detector cu ionizare în flacăra

3.5. Detectorul mitrogen-fosfor

Desing-ul acestui tip de detector este similar cu cel al detectorului cu ionizare în flăcără. Diferența majoră constă în faptul că flacăra hidrogen/aer este înlocuită cu o perlă încălzită din silicat de rubidiu. Efluenții din coloana cromatografică trec prin jurul acestei perle iar în preajma componenților cu grupării nitro sau fosfo sarea de rubidiu emite ioni. Aceștia sunt colectați de un colector din apropierea perlei încălzite și rezultă un curent similar celui din detectorul cu ionizare în flacără.

3.6.Detectorul de emisie atomică

Spectroscopia de emisie atomică se bazează pe măsurarea cantitativă a emisiei de lumină de către atomii excitați pentru a determina concentrația în analit. Analitului din soluție sunt aspirați într-o zona de excitare unde este vaporizat și atomizat de catre o flacără, o descărcare electrică sau prin intermediul unei plasma.

Temperatura înaltă la care se face atomizarea furnizează destulă energie pentru a promova atomii pe nivele energetice mai înalte. Revenirea pe nivelul energetic inițial se face prin cedarea energiei absorbite sub forma de lumină cu o lungime de undă specifică fiecărui atom numită linie spectrală. Deoarece toți atomii din probă sunt excitați simultan iar liniile de emisie atomică sunt foarte apropiate pentru detecție este nevoie de un policromator de înaltă rezoluție pentru a monitoriza selective fiecare linie spectrală. Abilitatea de a măsura simultan mai multe elemente reprezintă avantajul major al spectroscopiei de emisie atomică față de spectroscopia de absorbție atomică.

Una din noile achiziții în arsenalul de detectori ai gaz-cromatografiei o reprezintă detectorul de emisie atomică. Este mult mai scump comparativ cu alți detectori care se comercializează dar prezintă o bună alternativă in detecția compușilor separați. Dacă ar fi să-l comparăm cu detectorul cu ionizare în flacără care măsoară ionii creați prin intermediul unei flăcări sau cu detectorul cu captură de electroni care masoară variația unui curent datorată electronegativității elementelor, detectorul de emisie atomică are o mai mare aplicabilitate deoarece se bazează pe detectarea emisiei atomice.

Puterea acestui detector constă în faptul că poate detecta simultan emisia atomică a mai multor elemente care eluează din coloana capilară. La ieșirea din coloană eluenții trec într-o camera cu microunde generate prin descărcări electrice sau cu ajutorul unei plasme unde compușii sunt distruși pănă la faza de atomi. Aceștia sunt excitați de către energia microundelor care fiind captată de catre electroni trec pe un nivel superior energetic instabil și revin la faza inițială prin cedarea energiei sub forma de fotoni. Lumina emisă de particulele excitate este separată în linii spectrale individuale de către o rețea de fotodiode. Calculatorul asociat detectorului sortează liniile de emisie individuale și generează o cromatogramă care conține picurile specifice fiecărui element separat.

Un astfel de detector este alcătuit din următoarele părți:

interfața de cuplare a coloanei capilare sursa de excitare prin care trec componenții eluați spre camera cu plasmă,

sursa de excitare (camera cu plasmă sau camera cu microunde),

sistemul de răcire al camerei. Acesta este necesar deoarece o mare parte de energia din camera este transformată în căldură,

o rețea de difracție și un sistem optic care focalizează liniiile spectrale atomice,

o rețea de fotodiode cuplată cu un calculator. [21,22,23,35]

Fig. 28 Schema unui detector de emisie atomică

Ținând cont că proba trebuie convertită în atomi liberi de obicei cu ajutorul unei surse de înaltă temperatură sau dezvoltat diverse tehnici și aparatutri pentru a atomiza și excita atomii din probă. Acest lucru se poate face cu următoarele tipuri de surse:

plasmă generată de un current electric,

flacără,

plasmă cuplată cu-n curent de inducție,

plasmă indusă de laser,

plasmă indusă de microunde,

arc electric

În primul caz plasma rezultă din descărcarea dintre doi electrozi. Este nevoie de un gaz support pentru plasmă iar cel mai des folosit este argonul. Proba de analizat se poate depune pe electrozi sau dacă aceasta conduce curentul electric poate forma ea însăși un electrod. Probele solide se plasează în apropierea descărcării electrice astfel încât atomii ionizați ai gazului inert scot din probă atomii analitului în faza gazoasă unde sunt excitați.

Excitarea cu ajutorul unei flăcări la înaltă temperatură care furnizează energia necesară trecerii atomilor pe nivele energetice superioare. Temperaturile care pot fi atinse variază între 2000 și 3000 de grade Kelvin în funcție de combustibilul și oxidantul folosit.

Fig. 28 Plasmă generată de un curent electric

În figura următoare se observă cum soluția de analit este aspirată direct în flacăra unde este consumată prin ardere. Flacăra este special concepută pentru spectroscopia de emisie atomică în interiorul ei avănd loc toate procesele de atomizare și excitare a atomilor rezultați. Un alt procedeu este acela în care proba este mai întâi nebulizată îpreună cu combustibilul și oxidantul și apoi ajunge în arzător.

Fig. 29 Schema atomizări in flacără

Plasma cuplată cu-n curent de inducție generează temperaturi foarte mari ( 7000-8000º k fapt ce duce la o vaporizare, atomizare și excitare eficientă a probei. Interferențle moleculare sunt mult reduse în acest mod dar nu sunt complet eliminate. Această sursă estre folosită atât pentru excitarea probei în spectroscopia de emisie atomică cât și pentru ionizarea atomică în spectroscopia de masă.

Dispozitivul constă din două tuburi concentrice din cuarț, prin cel din interior circulă proba vaporizată împreună cu gazul purtător ( argon) iar prin tubul exterior circulă un current de argon cu rol de răcire a tubului interior. Un generator de radiofrecvență ( de obicei 1-5 KW și 27 sau 41 MHz ) alcătuit din două bobine inductoare produce un câmp magnetic oscilant care înconjoară tubii din cuarț. Acest câmp magnetic generează la rândul său un current de inducție oscilant în ionii și electronii gazului purtător care transferă la rândul lor energia altor atomi ai gazului inert prin coliziune. Astfel se crează o temperatură foarte mare în interiorul plasmei. [21,22,23,35]

Fig.30 Plasma cuplată cu-n current de inducție

3.7. Detectorul de chemiluminescență

Chemiluminescența ca și spectroscopia de emisie atomică măsoară cantitativ lumina emisă de speciile de atomi excitați dterminând astfel concentrația în analit. Liniile spectrale emise de moleculele excitate determinate prin această metodă sunt mai complexe decât cele originare ale spectrului atomic. De asemeni chemiluminescența se poate folosi atât la analiza soluțiilor cât și a gazelor pe când spectroscopia de masă se folosește strict pentru analiza gazelor. Deși chemiluminescență în fază lichidă joacă un rol important în laboratoarele de analiză voi prezenta metoda folosită în fază gazoază aparatura fiind mai simplă.

Ca și în cazul spectroscopiei de fluorescență metoda constă în detectarea și măsurarea radiației electromagnetice emise la trecerea atomilor de pe un nivel electronic, vibrațional și rotațional superior și instabil pe unul stabil. Deoarece energia necesară excitării analitului nu provine de la o sursă externă de lumină precum un laser sau o lampă problema sursei de excitare nu se mai pune. Chemiluminescența apare în urma unei reacții chimice dintre analit și un alt agent. Un exemplu de reacție cu generare de lumină este prezentată în continuare între sulfura de dimetil și un oxidant puternic, ozonul sau fluorul în cazul de față:

CH3-S-CH3+ F2 →produși +hν (lumină)

Ținând cont că reacția este aproape spontană și emisia de lumină instantanee majoritatea dispozitivelor doar realizează amestecul analitului cu agentul oxidant într-o cameră cu volum mic în fața fotomultiplicatorului. Coloana capilară a gaz-cromatografului este cuplată direct cu camera de reacție. Deoarece se dorește ca cea mai mare parte din energia rezultată în urma reacției chimice să excite cât mai multe molecule de analit posibil se urmărește să nu se piardă energie prin coliziunea dintre moleculele de gaz purtător. Acest inconvenient s-a rezolvat prin reducerea presiunii gazului inert în camera de reacție la valori minime ( aproximativ 1 Torr ) cu ajutorul unei pompe de vid.

În cazul anumitor substanțe reacția de chemiluminescența este oarecum cunoscută ( energii de vibrație și de rotație ale electronilor ) dar în alte cazuri lumina provine și din alte procese mai puțin cunoscute și care contribuie la lumina totală. Pentru chimia analitică este mai puțin important procesul în urma căruia rezultă lumină sau produși de reacție ci interesează mai mult sensibilitatea, selectivitatea și liniaritatea detectorului .Figura următoare prezintă schematic un detector de chemiluminescența cuplat cu coloana capilară a gaz-cromatografului. [21,22,23,35]

Fig. 31 Detectorul de chemiluminescență

Detectorul este construit dintr-o cameră de piroliză, în care se produce reacția, dintr-o capcană criogenică, un generator de ozon sau o sursă de fluor, o cameră de joasă presiune și un tub fotomultiplicator. Se emite o radiație în domeniul infraroșu care este captată apoi de fotomultiplicator. Dispozitivul are o sensibilitate de ordinul nanogramelor .

3.8.Detectorul cu captură de electroni

Funcționează pe baza absorbției de electroni de către compușii care au afinitate pentru electroni. Detectorul este compus dintr-o sursă de electroni care ionizează o parte din moleculele gazului purtător producând un curent între doi electrozi și o grilă care colectează electronii și măsoară curentul produs. Sursa radioactivă beta generează electroni care sunt respinși de catre anod spre catod.

Atunci când un compus intră în cameră, electronii sunt absorbiți și apare o scădere a intensității curentului măsurat. Acest lucru se întâmplă în cazul moleculelor organice ce contin grupări funcționale electronegative de genul halogeni, nitro, fosforo. Mărirea concentrației de probă conduce la scăderea corespunzătoare a intensității curentului, proporțional cu cantitatea de probă eluată din coloană. Se utilizează în special la analiza compușilor cu clor (pesticide) care prezintă un înalt grad de eficien]ă pentru captura electronilor. Sensibilitatea acestui tip de detector este de ordinul nanogramelor, fiind la fel de sensibil ca detectorul cu ionizare în flacără dar are dezavantajul că are aplicabilitate limitată. [21,35]

Fig. 32 Schema detectorului cu captură de electroni

3.9.Detectorul flam-fotometric

Motivul folosirii a mai multor tipuri de detectori în cadrul gaz-cromatografiei este acela de a acoperi toată gama de substanțe ce pot fi analizate prin acestă metodă având o selectivitate și/sau sensibilitate cât mai mare pentru fiecare component din probă. Determinarea compușilor cu sulf sau fosfor în moleculă este punctual forte al detectorului flamfotometric. Acesta se bazează pe o reacție de chemiluminescență a componentului de analizat într-o flacără hidrogen/aer folosită drept sursă de excitare.

Lungimile de undă a radiației emise de cele două clase de compuși,cu sulf și respective cu fosfor, sunt specifice fiecăruia. Speciile emitente în cazul compușilor cu sulf sunt moleculele de S2 iar lungimea de undă este de aproximativ 394 nm. In urma excitării speciilor cu fosfor rezultă speciile emitente HPO a căror radiație are lungimea de undă λmax=510-526 nm. Pentru detecția selectivă a unui compus dintr-una din clase în funcție de cum eluează din coloană se recurge la filtre care sunt dispuse între flacără și fotomultiplicator. Acestea au rolul de a izola radiațiile cu lungimi de undă apropiate și se schimbă în funcție de tipul de compus care elueazăchiar în timpul funcționării gaz-cromatografului.

Dispozitivul este alcătuit din următoarele componente:

cameră de combustie unde este întreținută flacăra,

coloanele de alimentare cu hidrogen și aer,

un coș de eliminare a gazelor rezultate în urma arderii,

filtru termic pentru izolarea radiațiilor din spectrul UV și vizibil. Fără acesta cea mai mare parte din radiațiile infraroșii emise în reacția de combustie vor încălzi fotomultiplicatorul și vor crește semnalul de fond al detectorului,

filtru de interferentă care este izolat de camera de combustie folosind metale rău conducătoare de căldură,

fotomultiplicator .

Ordinea asezări acestor componente după cum se vede și din schemă e următoarea:camera de combustie,liniile de alimentare cu combustibil și aer, coșul de evacuare, filtrul permanent pentru radiați UV ( în cazul anumitor detectori din comerț există două filter UV ), filtrele rabatabile selective pentru fosfor sau sulf și la urmă fotomultiplicatorul. [21,22,23,35]

Fig. 33 Schema detectorului flamfotometric

3.10.Detectorul cu fotoionizare

Motivul folosirii a mai multor tipuri de detectori în gaz-cromatografie este acela al obținerii unei selectivități și/sau sensibilități mai înalte. Pentru determinarea selectivă a hidrocarburilor aromate sau a speciilor organice cu heteroatom în moleculă se poate folosi cu success detectorul cu fotoionizare.

Principiul de funcționare al dispozitivului se bazează pe folosirea luminii ultraviolete ca sursă de ionizare a analiților care eluează din coloana cromatografică. Ionii rezultați sunt colectați pe un electrod și rezultă un current a cărui intensitate variază cu concentrația în analit.

Un exemplu la modul general de reacție de fotoionizare poate fi scrisă astfel: R+hν→R+ +e-

Dacă energia fotonului incident este sufficient de mare ( și molecula permite absorbția fotonului ) foto-excitare se poate produce cu o așa amploare încât un electron este complet expulzat de pe orbitalul său producându-se ionizarea. Știind că procesul de ionizare este reproductibil pentru aceași specie la aceeași presiune și cu aceeași sursă de lumină atunci și curentul colectat de celula cu electrozi a detectorului este reproductibil pentru un component identic din proba de analizat. Motivul folosirii acestui detector în special pentru detecția hidrocarburilor aromatice și a compușilor cu-n heteroatom în moleculă ( cum ar fi compuși organosulfurați sau organofosforați) este că aceste specii au un potențial de ionizare ce poate fi produs de lămpile UV existente în comerț. Lămpile disponibile în comerț produc energii cuprinse între 8.3 și 11.7 ev asta însemnând o lungime de undă maximă λmax =106-150 nm. Cei mai mulți detectori funcționează cu o singură lampă care se schimbă cu o altă din set funcție de tipul componentului analizat.

Ca exemplu considerăm un amestec de benzen și alcool izopropilic cu puncte de fierbere aoropiate 80,1 respectiv 82,5. Cei doi componenți eluează împreună iar pentru identificarea lor folosim diferența dintre potențialele deionizare. Benzenul are potențialul de 9,24 ev iar alcoolul izopropilic de aproximativ 10,15 ev. Folosim o lampă UV de 9,5 ev care va ioniza doar benzenul, celălalt component având potențialul de ionizare mult mai mare. Astfel alcoolul izopropilic va da un răspuns foarte slab sau deloc pe cromatogramă el nefiind ionizat.

Pe parcursul determinării doar o mică porțiune din analit este ionizată deci această medodă poate fi considerată ca fiind una nedistructivă. Se poate conecta un alt detector ( cu ionizare în flacără sau cu captură de electroni ) în serie cu cel cu fotoionizare și astfel se realizează o crestere a selectivității analizei prin culegerea de informatii simultan de la cei doi detectori. Una din provocările construirii unui astfel de dispozitiv este aceea de a face o cameră de ionizare cât mai mică și un port de conexiune cu următorul detector cât mai îngust astfel încât să nu se acumuleze componentele eluate la acest nivel și să modifice picurile cromatografice. [21,22,23,35]

Fig. 34 Schema unui detector cu fotoionizare

CAPITOLUL IV

4.1.Aplicațiile gaz cromatografiei

Gaz-cromatografia ca și alte metode moderne de analiză ( cromatografia cu lichide de înaltă performanță, cromatografia cu fluide supercritice ) își găsește numeroase aplicații în cele mai diferite domenii de activitate. În fiecare an se sintetizează noi compuși pornind de la cei deja cunoscuți naturali, semisintetici sau sintetici prin adaugare de noi radicali. Aceștia trebuie determinați calitativ și cantitativ în probele în care se găsesc pentru a fi siguri că acestea corespund normelor impuse, fie că e vorba de un aliment, de un medicament sau de o probă din mediu (aer, apă, sol).

Menționez în continuare câteva din domeniile curente în care este folosită această metodă atât la dozarea cantitativă cât și la determinare calitativă a substantelor:

industria medicamentului se găsesc numeroase aplicații în determinările cantitative și calitative a substanțelor active, a împurităților sau a adjuvanților. Sunt cunoscute și publicate metode de analiză, timpi de reținere și cromatograme etalon pentru peste 600 de medicamente, toxici și metaboliți.

în insustria alimentației se pot face determinări ale lipidelor, proteielor, carbohidraților, a conservanților, aromatizanților, coloranților, dar și a substanțelor în concentrații reziduale cum ar fi hormoni, urme de pesticide. Prezentă unor compuși cum sunt nitrozaminele este legată de apariția cancerului ceea ce impune o determinare precisă a acestora în concentrații extrem de mici.

controlul mediului; o dată cu dezvoltarea tehnologiei a crescut și nivelul de trai al omului și cerințele pentru un mediu ambiant cât mai curat. Dar ca urmare a dezvoltării industriei chimice numărul de compuși și complexitatea lor face tot mai dificilă sarcina celor de la protecția mediului. Arderea combustibililor fosili, depozitarea gunoaielor menajere și a reziduurilor industriale, folosirea insecticidelor și pesticidelor în agricultură contribuie an de an la poluarea întregului ecosistem cu consecințe agravante asupra sănătății noastre. Unii compuși nu sunt biodegradabili iar persistența lor în sol și apă este de zeci de ani. Așa este cazul nefericit al folosirii DDT-ului (dicloro-difenil-triclor-etan). Există o vastă literatură despre modul cum poate fi aplicată GC în analiza poluanților prezenți în mediu căt și despre efectele nocive ale acestora și ale metaboluților lor asupra organismului uman.

în învățământul superior și în cercetare, etc.

GC este o metodă de înaltă acuratețe putând măsura picomoli de substanța într-un ml de probă sau concentrații de ordinal ppm. dintr-o probă gazoasă.

Popularizarea acestei metode de analiză s-a făcut prin intermediul mijloacelor mass-media (filme, emisiuni TV, cărți) de multe ori exagerând rapiditatea și simplitatea cu care se face o analiză. De exemplu într-un show al unei televiziuni americane,CSI, o analiză durează aproximativ 15 minute. De fapt este nevoie de mai multe ore dacă luăm în calcul și timpul necesar prelucrării probei, alegerea programului de temperatură, timpul de răcire sau încălzire a cuptorului termostatat între două analize.

Gaz-cromatografia nu este o metodă neapărat simplă și rapidă dar compensează prin exactitate și acuratețe.

4.2Concluzii

În lucrarea de față ne-am propus să prezentăm pe scurt principalele caracteristici teoretice ale cromatografiei de gaze și anume noționi privind:

clasificarea metodelor cromatografice;

nomenclatura și terminologia utilizată;

parametri de operare cromatografici și modul cum influențează precizia unei determinări;

calibrarea gaz-cromatografului;

instrumentația;

noțiuni privind coloana cromatografică și injectorul;

tipurile de detectori cei mai utilizați și mai cunoscuți;

iar în final câteva din aplicațiile GC.

Enumerăm câteva din avantajele și dezavantajele metodei.

Avantajul major al GC este înalta rezoluție oferită de c oloana cromatografică și de detectorii folosiți. Alegerea fazei staționare dintr-o gamă largă de compuși conferă posibilitatea particularizării metodei pentru fiecare clasă de compuși. De asemeni se pot analiza o mare varietate de compuși organici din diferite clase, aproximativ 20 % din substanțele cunoscute în prezent.

Dezavantajul GC constă în limitarea acesteia la compușii suficient de volatili și termostabili. De asemeni se pretează mai ales pentru compușii nepolari sau slab polari (20 % din compușii organici) restul de 80 % din compuși nu pot fi analizați deloc sau doar în urma unei reacții de derivatizare.

Ca o concluzie generală asupra lucrării, putem afirma că acesta se prezintă ca un ghid util, nu neapărat complet și elaborat, în ceea ce privește prezentarea gaz-cromatografului din punc de vedere al parametrilor teoretici și a aparaturii folosite.

Bibliografie

1. Berzas J., GuiberteauC., Villasenor M. J., Rodriguez V.-“Development of a capilary gas chromatographyc procedure”, Jurnal of Ethnopharmacolgy, Volume 84, Issue 1, September 2004, p. 219-230

2. Demuth W., Karlovits M., Varmuza K.-“ Spectral similarity versus structural similarity: mas spectometry”, Analitica Chimica Acta, p. 75-85

3. Dorneanu V., Stan. M., Musteață M.F.-Chimie analitică, Ed. Gr. T. Popa, Iași 2003, p. 438-445, 487-491

4. Mincu M.D.,Borza P., Mătlac I.-Aparatura biomedicală, Ed. Tehnică, București 1996, p. 148-156

5. Santos J.P., Arroyo T., Aleixandre M., Lozano J., Sayago I., Garcia M., Fernandez M.J., Ares L., Gutierrez J., Cabellos J.M. et all.-“A comparative study of senzor array and GC-MS application to Madrid wines characterization”, Sensors and Actuators Chemical, Volume 102, Issue 2,13, September 2004, p. 299-307

6. Sefidkon F., Jamzad Z., Mirza M.-“Chemical variation in the essential oil of Satureja sahendica from Iran”, Food chemistry, Volume 88, Issue 3, December 2003, p. 325-328

7. Shroads A., Henderson G.N., Cheung J., James M.O.,Stacpoole P.W. –“Unified gas-chromatographic-mass spectometric for quantitating tyrosine metabolites in urine and plasma”, Journal of Chromatography B, Volume 808, Issue 2, 5 September 2004, p. 153-161

8. Stan M., Dorneanu V., Șpac A.-Analiza chimică și fizico-chimică.Bazele practice, Litografia UMF Iași 2001, p. 268-277

9. Szepesy L., Sc C. – Gas chromatography, Academia Kiado, Budapest 1971, p. 25-52, 356-366

10. Vitanui K.B., Bihatsi-Karsai E., Lefler J., Knausz D.- “Gas Chromatography-Mass Spectrometry of Saponariae albae root extract”, Arta Horticulturae, no. 344, November 1993, p. 468-475

11. Thurbide K.B., Hayward T.C.”Improved micro-flame detection method for gas chromatography”, Analytica Chimica Acta, Volume 519, Issue 2, p. 129-256

12. THE MERCK INDEX, ninth edition, Merck & Co.. Inc., Rahway, New Jersei, USA, 1976, p. 238-239, 296, 885, 1219

13. Giddings J.K.- Dinamic of Chromatography, Ed. M. Dekker, New York, 1965.

15. Roberds K., Haddad P.R., P.E. Jackson. – Principles and Practice of Modern Chromatographic Methods, Academic Press 1994

16. Bojiță M., Roman L., Săndulescu R., Oprean R.- Analiza și controlul medicamentelor, vol 1,Ed. Intelcredo, Cluj-Napoca 2002

17.Douglas R.L., Word T.C., Schreiber H. P.-Inverse Gas Chromatography,American Chemical Society,Washington DC 1989

18. Ciucanu I.-Cromatografia de gaze cu coloană capilară, Ed. Academiei Române, București 1990

19. LiteanuC., GocanS., Bold A. – Separatologie analitică, Ed Dacia, Cluj-Napoca 1981

20. Giddings J.C.- Dinamic of chromatography, Ed M.Dekker, New York 1965

21. Roman L., Săndulescu R. – Chimie analitică, Vol. 3, Editura Didactică și Pedagogică R. A., București, 1999

22. Pietrzyk D. J., Frank C.W. – Chimie analitică, Editura Tehnică, București, 1989

23. Skoog D. W., West D. M., Holler F. J.- Fumdamentals of Analytical Chemistry, Seventh Edition, Saunders Colege Publishing, 1997

24. SIT Dan S.T., GAO Guanghua, LAW Francis C.P., Li Paul C.H.- “ Gas chromatography-mass spectrometry determination of matrine in human plasma”, Journal of Chromatography B, Volume 808, Issue 2, 5 September 2004, p. 209-214

25. www.clicknet.ro/otmas/NML

26. www.courses.che.umn.edu

27. www.laboratorytalk.com

28. www.chemistry-adelaide.edu.au/………./gcinject.html

29. www.uah.edu/colleges/science/chemistry/setzer/

30. www.g-netz.de/Health-center/heilpflanzen/zzwirkstoffe/

31. www.acdlabs.com/iupac/nomenclature

32. www.users.globalnet.co.uk

33. www.rothamsed.bbsrc.ac.uk/CEGrup/chemicalstructre

34. www.ars-grin.gov/cgi-bin/duke/refs.pl

35. www.chem.vt.edu/chem-ed

36. www.shu.ac.uk/schools/chem/tutorials/chrom/gaschrm.htm

37. www.practicingoilanalysis.com

38. http://ewr.cee.vt.edu/environmental/teach/smprimer/gc/gc.html

39. http://www.uga.edu/srel/AACES/GCtutorial/page11.html

40. www.practicingoilanalysis.com

41. www.chempage.alp.dilligen.de/organ/aromat/li_bendv

42. http://ph.academicdirect.ro