ΚΕΦΑΛΑΙΟ 27 ΤΜΗΜΑ V

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 27

Αεριοχρωµατογραφία

ΤΜΗΜΑ V

Μέθοδοι ∆ιαχωρισµού

Βασικά µέρη ενός αεριοχρωµατογράφου

• Φέρον αέριο και σύστηµα

ρύθµισης της ροής

• Σύστηµα εισαγωγής

δείγµατος

• Χρωµατογραφική στήλη

• Ανιχνευτής

• Θερµοστατούµενος φούρνος

• Σύστηµα καταγραφής και

αποθήκευσης δεδοµένων

Στην αεριοχρωµατογραφία, το δείγµα εξατµίζεται και εγχέεται στην

κεφαλή µιας χρωµατογραφικής στήλης.

Βασικά χαρακτηριστικά

Η χρωµατογραφία αερίου-στερεού βασίζεται στη χρήση στερεάς

στατικής φάσης, όπου η κατακράτηση των αναλυτών είναι αποτέλεσµα

φυσικής προσρόφησης.

Η χρωµατογραφία αερίου-υγρού βασίζεται στην κατανοµή του αναλύτη

µεταξύ της αέριας κινητής και υγρής φάσης, η οποία είναι

ακινητοποιηµένη στην επιφάνεια ενός αδρανούς στερεού.

Υπάρχουν δύο τύποι αεριοχρωµατογραφίας:

Η έκλουση πραγµατοποιείται µε ροή αδρανούς αερίου, το οποίο αποτελεί

την κινητή φάση.

Η κινητή φάση δεν αλληλεπιδρά µε τα µόρια του αναλύτη. Ο µόνος ρόλος

της είναι η διακίνηση του αναλύτη κατά µήκος της στήλης

Αρχές της χρωµατογραφίας αερίου-υγρού

Οι γενικές αρχές της χρωµατογραφίας ισχύουν, φυσικά, και στην

περίπτωση της αεριοχρωµατογραφίας, µε µικρές τροποποιήσεις λόγω

της συµπιεστότητας της αέριας κινητής φάσης.

Η ταυτοποίηση ενός συστατικού που εκλούεται από τη στήλη ενός

αεριοχρωµατογράφου µπορεί να γίνει µε σύγκριση διαφόρων

παραµέτρων, όπως:

�ο χρόνος κατακράτησης (tR)

�ο συντελεστής κατανοµής (K), και

�ο όγκος κατακράτησης (VR).

R RV t F====

M MV t F====

F: Μέση ταχύτητα

ογκοµετρικής ροής (Όγκος)

(VR)

(VM)

Όγκοι κατακράτησης

Για να ληφθεί υπόψη η επίδραση της πίεσης και της

θερµοκρασίας στην αεριοχρωµατογραφία, συχνά είναι

προτιµότερη η χρήση των όγκων κατακράτησης και όχι

των χρόνων κατακράτησης.

R RV t F====

M MV t F====

Η µέση ταχύτητα ροής, F, δεν µπορεί να µετρηθεί άµεσα,

ωστόσο η ταχύτητα ροής του αερίου κατά την έξοδό του

από τη στήλη µετρείται εύκολα, συνήθως χρησιµο-

ποιώντας ροόµετρο φυσαλίδος.

Ροόµετρο

σαπωνοδιαλύµατος(((( ))))2H OC

m

P PTF F

T P

−−−−= × ×= × ×= × ×= × ×

Αν Fm είναι η µετρούµενη ταχύτητα ροής, TC η θερµοκρα-

σία της στήλης, Τ η θερµοκρασία στο ροόµετρο και P η

πίεση στην έξοδο της στήλης, ισχύει:

Όγκος συγκράτησης, VR, είναι ο όγκος της κινητής φάσης

που απαιτείται για την πλήρη έκλουση των συστατικών

του δείγµατος.


Καθώς το φέρον αέριο διέρχεται από τη στήλη, η πίεσή του ελαττώνεται

συνεχώς (αλλά όχι γραµµικά) από την πίεση εισόδου, Pi, στην πίεση

εξόδου, P0.

Πίεση και διατοµές

ταχύτητας αερίου

µέσα σε µια χρωµα-τογραφική στήλη µε

Pi/P0= 1 και 10


Καθώς το φέρον αέριο διέρχεται από τη στήλη, η πίεσή του ελαττώνεται

συνεχώς (αλλά όχι γραµµικά) από την πίεση εισόδου, Pi, στην πίεση

εξόδου, P0.

Πίεση και διατοµές

ταχύτητας αερίου

µέσα σε µια χρωµα-τογραφική στήλη µε

Pi/P0= 1 και 10

Ο όγκος του αερίου και η ταχύτητα ροής αυξάνονται κατά τρόπο

αντίστροφο προς την πίεση.

Για να προσδιορίσουµε τις πραγµατικές τιµές των όγκων συγκράτησης,

πρέπει να προσδιορίσουµε την µέση πίεση στη στήλη.

∆ιορθωτικός παράγοντας πτώσης πίεσης

Ο διορθωτικός παράγοντας πτώσης της πίεσης, j, χρησιµοποιείται για

διόρθωση, που επιβάλλεται λόγω της µη-γραµµικής εξάρτησης της

πίεσης στο εσωτερικό της στήλης από το λόγο Pi/P.

3

0 0

0 2

0

2[( / ) 1]

3[( / ) 1]

i

i

P P PP P

jP P

−−−−= × == × == × == × =

−−−−Μέση πίεση στη στήλη:

∆ιορθωµένος όγκος συγκράτησης:(((( ))))0

R RV j t F= ×= ×= ×= ×

(((( ))))0

M MV j t F= ×= ×= ×= ×

(((( ))))

(((( ))))

2

3

3 / 1

2 / 1

i

i

P Pj

P P

−−−− ==== −−−−

∆ιορθωτικός παράγοντας:

Ειδικός όγκος κατακράτησης

0

R R CV t F j====∆ιορθωµένος όγκος κατακράτησης

'( )R R M R M CV V V t t F= − = −= − = −= − = −= − = −Ρυθµισµένος όγκος κατακράτησης

( )N R M CV t t F j= −= −= −= −Καθαρός όγκος κατακράτησης

Ο ειδικός όγκος κατακράτησης, Vg, ορίζεται ως ο καθαρός όγκος

κατακράτησης ανά γραµµάριο υγρής φάσης της στήλης.

R RV t F====Όγκος κατακράτησης

0 0( )273 273N R M R M

g

C C

V V V jF t tV

W W T W T

− −− −− −− −= = × = ×= = × = ×= = × = ×= = × = ×Ειδικός όγκος

κατακράτησης

Σχέση µεταξύ των Vg και Κ (σταθερά κατανοµής)

Το Vg, όπως και το Κ, είναι µια σταθερά ισορροπίας που εξαρτάται µόνο

από τη φύση της ουσίας και του διαλύτη και από τη θερµοκρασία της

στήλης.

( ) 273R Mg

C

jF t tV

W T

−−−−= ×= ×= ×= ×

ρυθµισµένος και διορθωµένος όγκος κατακράτησης 273

βάρος υγρής ουσίας της στήληςg

C

V = ×= ×= ×= ×ΤΤΤΤ

συγκέντρωση της ουσίας στην υγρήφάση

συγκέντρωση της ουσίας στην αέρια φάσηK ====

273Ng

L C

VV

W= ×= ×= ×= ×

ΤΤΤΤ

0 0

R M N LV V V KV− = =− = =− = =− = =

273g

S C

KV

ρρρρ= ×= ×= ×= ×

ΤΤΤΤ}}}}

Επίδραση της ταχύτητας ροής

BH A Cu

u= + += + += + += + +

Η εξίσωση van Deemter

Η επίδραση της ταχύτητας ροής στην αεριοχρωµατογραφία περιγράφεται

από την εξίσωση Van Deemter.

Ο όρος διαµήκους διάχυσης (B/u) είναι πιο σηµαντικός στη

χρωµατογραφία αερίου-υγρού, παρά σε άλλους χρωµατο-γραφικούς

µηχανισµούς, λόγω των πολύ µεγαλύτερων ταχυτήτων διάχυσης στα

αέρια (105 φορές µεγαλύτερες από ότι στα υγρά).

Οργανολογία

Σχηµατικό διάγραµµα ενός αεριοχρωµατογράφου µε διαµοιραστή ροής

Τροφοδοσία φέροντος αερίου

Τα φέροντα αέρια που χρησιµοποιούνται πρέπει να είναι χηµικώς αδρανή

(He, N2, Ar, Η2).

Το φέρον αέριο παρέχεται συνήθως από κύλινδρο υψηλής πίεσης (200

bar).

Το σύστηµα ροής περιλαµβάνει ρυθµιστές πίεσης, µανόµετρα και

ροόµετρα και, συχνά, «παγίδες» αερίων.

Πίεση εισόδου: 10 – 50 psi (1 atm ∼∼∼∼ 14.7 psi)

Ταχύτητα ροής: 25 – 50 mL/min (πληρωµένες στήλες)

1 – 25 mL/min (τριχοειδείς στήλες)

Η επιλογή του φέροντος αερίου εξαρτάται από το είδος του ανιχνευτή που

χρησιµοποιείται.

Ο συντελεστής κατανοµής εξαρτάται µόνο από την πτητικότητα των

συστατικών του δείγµατος στην ακίνητη φάση.

Σύστηµα έγχυσης δείγµατος

Για αποτελεσµατικό διαχωρισµό, πρέπει

κατάλληλη ποσότητα δείγµατος να εισαχθεί

σαν «βύσµα» ατµού.

∆ιατοµή στοµίου άµεσης έγχυσης δείγµατος µε σύστηµα

ταχέος µικροεξατµιστή

Η βραδεία εισαγωγή υπερβολικής ποσότητας

δείγµατος οδηγεί σε διεύρυνση των ζωνών

και σε κακό διαχωρισµό.

�Μικρός χρόνος και όγκος δείγµατος

Αέρια: 1-10 mL

Υγρά: 0.1-20 µL

Τριχοειδείς στήλες: 10-3 µL

�Γρήγορη εξαέρωση υγρών

�Άµεση µεταφορά στη στήλη


Για ποσοτικές, αναπαραγώγιµες µετρήσεις αερίων ή υγρών, τα δείγµατα

εισάγονται µε περιστροφική βαλβίδα που περιλαµβάνει βρόχο γνωστού

όγκου.

∆ιάγραµµα «εξάπορτης» περιστροφικής βαλβίδας εισαγωγής αερίου δείγµατος

Στερεά δείγµατα εισάγονται είτε ως διαλύµατα είτε σε λεπτότοιχα

µικροφιαλίδια τα οποία υφίστανται διάτρηση στην κορυφή της στήλης.


∆ιάγραµµα «εξάπορτης» περιστροφικής βαλβίδας εισαγωγής αερίου δείγµατος

∆ιαµορφώσεις στηλών

Γεµισµένες στήλες (packed columns)

�Εύκολη κατασκευή

�Χαµηλό κόστος

�Μεγάλη χωρητικότητα

�Μεγάλος χρόνος ζωής

�Κατάλληλες για δύσκολους

διαχωρισµούς

Τριχοειδείς στήλες (capillary col.)

�Μικρή πτώση πίεσης

�Μεγάλο µήκος

L= 10 – 50 m

d= 0,2 – 1,2 mm

Στην αεριοχρωµατογραφία χρησιµοποιούνται συνήθως δύο γενικοί τύποι

στηλών: Οι πληρωµένες και οι στήλες ανοικτού σωλήνα (τριχοειδείς).

Σήµερα, υπάρχει η τάση αντικατάστασης των πληρωµένων στηλών από

τις πολύ πιο αποτελεσµατικές ανοικτού σωλήνα.

Φούρνοι στηλών

Η θερµοκρασία της στήλης είναι µια σηµαντική παράµετρος και πρέπει

να ελέγχεται µε ακρίβεια µερικών δεκάτων του βαθµού. Για το λόγο αυτό,

η στήλη τοποθετείται µέσα σε θερµοστατούµενο φούρνο.

Φούρνοι στηλών

Η άριστη θερµοκρασία της στήλης εξαρτάται από το σηµείο βρασµού των

συστατικών του δείγµατος και τον απαιτούµενο βαθµό διαχωρισµού.

Αρ. Ουσία σ.β. (οC)

1 n - προπάνιο - 42

2 n – βουτάνιο - 0,5

3 n - πεντάνιο 36

4 n - εξάνιο 69

5 n - επτάνιο 98

6 n - οκτάνιο 126

7 βρωµοφόρµιο 150

8 m – χλωροτολουόλιο 162

9 m – βρωµοτολουόλιο 184

45οC

120οC

5 οC/min

Γενικά, µια θερµοκρασία ίση ή λίγο µεγαλύτερη από το µέσο σηµείο

βρασµού οδηγεί σε λογικούς χρόνους έκλουσης (2 – 30 min).

cm: Όριο ανίχνευσηςLOQ: Όριο ποσοτικοποίησης

LOL: Όριο γραµµικόητας

Χρήσιµη περιοχή µιας αναλυτικής µεθόδου

Συστήµατα ανίχνευσης

Επιθυµητά χαρακτηριστικά

� Ικανοποιητική ευαισθησία

� Σταθερότητα και

αναπαραγωγιµότητα

� Γραµµική απόκριση σε µεγάλη

περιοχή συγκεντρώσεων

� Θερµοκρασία λειτουργίας 25-400oC

� Οµοιόµορφη απόκριση για όλες τις

ουσίες

� Απλή ρύθµιση

� Μικρός χρόνος απόκρισης

� Μικρός εσωτερικός όγκος

� Χαµηλός θόρυβος

� Μεγάλη σταθερότητα

� Απλός στην κατασκευή

� Χαµηλού κόστους

� Ασφαλής στη λειτουργία

Καµπύλη απόκρισης ανιχνευτή

Όριο Ανίχνευσης, Q0

Θόρυβος του ανιχνευτή, RN

Ευαισθησία του Ανιχνευτή, ∆R/∆Q

Όριο γραµµικής απόκρισης, QL

Είδη ανιχνευτών

(α) ∆ιαφορικοί Ανιχνευτές

(β) Ολοκληρωµένοι Ανιχνευτές

(i) Καταστροφικοί Ανιχνευτές

(ii) Μη – Καταστροφικοί Ανιχνευτές

∆ιαφορική και Ολοκληρωµένη Απόκριση Ανιχνευτή

• Ανιχνευτές ιοντισµού φλόγας

(FID)

• Ανιχνευτές θερµικής

αγωγιµότητας (TCD)

• Ανιχνευτής χηµειοφωταύγειας

θείου (SCD)

• Ανιχνευτές ατοµικής εκποµπής

(AED)

• Θερµιοντικοί ανιχνευτές (TID)

• Φλογοφωτοµετρικός

ανιχνευτής (FPD)

• Ανιχνευτής φωτοϊοντισµού

• Φασµατογράφος µαζών

• Φασµατόµετρο υπερύθρου µε

µετασχηµατισµό Fourier

Τύποι ευρύτερα

χρησιµοποιούµενων ανιχνευτών

Γενικές κατηγορίες

Ανιχνευτές ιοντισµού φλόγας (FID)

Απλοποιηµένο διάγραµµα

ανιχνευτή FID

Ο FID είναι ο πιο διαδεδοµένος και

γενικότερης χρήσης αεριοχρωµατογρα-

φικός ανιχνευτής.

Εφαρµόζοντας µια διαφορά δυναµικού

µεταξύ του ακροφυσίου και ενός ηλεκ-

τροδίου-συλλέκτη, οδηγεί στην παρα-

γωγή ηλεκτρικού ρεύµατος (~10-12 Α), το

οποίο εισάγεται σε τελεστικό ενισχυτή

υψηλής εµπέδησης για µέτρηση.

Οι περισσότερες οργανικές ενώσεις,

όταν πυρολυθούν στη θερµοκρασία της

φλόγας υδρογόνου/αέρα, παράγουν

ιόντα και ηλεκτρόνια, τα οποία άγουν τον

ηλεκτρισµό µέσω της φλόγας.

Σε έναν καυστήρα, το έκλουσµα από τη

στήλη αναµιγνύεται µε υδρογόνο και

αέρα και στη συνέχεια αναφλέγεται µε

ηλεκτρικά µέσα.

Ανιχνευτές ιοντισµού φλόγας (FID)

Τυπικός ανιχνευτής

ιοντισµού φλόγας

Ο FID είναι πολύ χρήσιµος για ανάλυση

των περισσότερων οργανικών

δειγµάτων, περιλαµβανοµένων εκείνων

που έχουν µολυνθεί µε οξείδια του

αζώτου και του θείου.

Ο αριθµός των παραγόµενων ιόντων

είναι χονδρικά ανάλογος µε τον αριθµό

των ανηγµένων ατόµων άνθρακα.

Χαρακτηριστικές οµάδες, όπως το

καρβονύλιο, το αλκοολικό υδροξύλιο, το

αλογόνο και η αµινοµάδα, παράγουν

λιγότερα ή καθόλου ιόντα.

Ο ανιχνευτής δεν αποκρίνεται καθόλου

σε µη καύσιµα αέρια όπως τα Η2Ο, CO2,

SO2 και NOx.

Είναι ιδιαίτερα χρήσιµος για την

ανίχνευση ρυπαντών σε δείγµατα

φυσικών υδάτων.

Ανιχνευτής ιοντισµού

φλόγας προσαρµοσµένος

σε στήλη

Ανιχνευτές ιοντισµού φλόγας

Ο FID χαρακτηρίζεται από µεγάλη ευαισθησία (~ 10-13 g/s), µεγάλη

γραµµική περιοχή (~ 107) και χαµηλό θόρυβο. Είναι ανθεκτικός και

εύχρηστος. Το µειονέκτηµά του είναι ότι καταστρέφει το δείγµα.

Ανιχνευτές θερµικής αγωγιµότητας (TCD)

Η λειτουργία του TCD βασίζεται στις µεταβολές που προκαλεί η

παρουσία µορίων αναλύτη στη θερµική αγωγιµότητα ενός ρεύµατος

αερίου.

Ανιχνευτικό στοιχείο

θερµικής αγωγιµότητας

Το στοιχείο ανίχνευσης αποτελείται από

λεπτό σύρµα Pt, Au ή W. Η ηλεκτρική

αντίσταση του σύρµατος αποτελεί το

µέτρο της θερµικής αγωγιµότητας του

αερίου.

Ο αισθητήρας του ανιχνευτή είναι ένα ηλεκτρικά θερµαινόµενο στοιχείο,

του οποίου η θερµοκρασία σε συνθήκες κατανάλωσης σταθερής ισχύος

εξαρτάται από τη θερµική αγωγιµότητα του περιβάλλοντος αερίου.


Ανιχνευτής TCD

Η αρχή λειτουργίας του TCD στηρίζεται στη σύγκριση της θερµικής

αγωγιµότητας του αναλύτη µε αυτή του φέροντος αερίου. Μετριέται η

µεταφορά θερµότητας από το νήµα σε µια ψυχρή επιφάνεια.

Στους «διαµορφωµένους»

ανιχνευτές χρησιµοποιείται ένα

µόνο νήµα.

Το φέρον αέριο µε το δείγµα και

το φέρον αέριο αναφοράς

εναλλάσσονται διερχόµενα πάνω

από µικροσκοπικό νήµα σε

κεραµικό στοιχείο ανίχνευσης

όγκου 5 µL.

Η µεταγωγή της ροής πραγµατο-

ποιείται µε συχνότητα 10 Hz.

Για την ανίχνευση απαιτούνται δύο στοιχεία. Το ένα τοποθετείται στη ροή

του εκλούσµατος από τη στήλη (δείγµα) και το άλλο στη ροή του αερίου

πρίν από το θάλαµο έγχυσης του δείγµατος (αναφορά).

Εναλλακτικά, χρησιµοποιείται διαµοιραστής της ροής.


Σε έναν σύγχρονο TCD χρησιµοποιούνται τέσσερα ανιχνευτικά στοιχεία,

ένα ζεύγος για το δείγµα και ένα ζεύγος για το ρεύµα αναφοράς.

Η θερµοκρασία του νήµατος είναι συνάρτηση (α) του ρεύµατος της

γέφυρας του ανιχνευτή, (β)της γεωµετρίας του, (γ) της θερµικής

αγωγιµότητας του αερίου και (δ) της ταχύτητας ροής του.


Οι θερµικές αγωγιµότητες του He και του Η2 είναι περίπου 6 – 10 φορές

µεγαλύτερες των οργανικών ενώσεων. Εποµένως, η παρουσία ακόµη και

µικρών ποσοτήτων οργανικών ουσιών προκαλεί µια σχετικά έντονη

µείωση της θερµικής αγωγιµότητας του αέριου εκλούσµατος της στήλης

και αύξηση της θερµοκρασίας του νήµατος.

Οι αγωγιµότητες άλλων

αερίων είναι παραπλήσιες µε

εκείνες των οργανικών

ενώσεων και, εποµένως, για

µεγαλύτερη ευαισθησία, ο

ανιχνευτής TCD θα πρέπει να

χρησιµοποιείται µε υδρογόνο

ή ήλιο ως φέροντα αέρια.

Θερµικές αγωγιµότητες

ουσιών (100oC)

Ουσία kx105

cal/oC/molΥδρογόνο 53,4

Ήλιο 41,6

Μεθάνιο 10,9

Άζωτο 7,5

Αιθάνιο 7,3

Προπάνιο 6,3

∆ιοξείδιο του άνθρακα 5,3

Αιθανόλη 5,3

Αργό 5,2

η-Εξάνιο 5,0Βενζόλιο 4,4

Τετραχλωράνθρακας 2,2


� Απλότητα

� Μεγάλη δυναµική περιοχή (105)

� Γενική απόκριση σε οργανικές και ανόργανες ουσίες

� Μη καταστρεπτικός χαρακτήρας

� Είναι δυνατή η συλλογή των εκλουόµενων ουσιών µε τά την

ανίχνευση

Πλεονεκτήµατα

� Σχετικά περιορισµένη ευαισθησία (~ 10-8 g ουσίας/mL φέροντος

αερίου).

� Λόγω της χαµηλής ευαισθησίας δεν µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε

συνδυασµό µε τριχοειδείς στήλες (µικρή ποσότητα δείγµατος)

Μειονεκτήµατα

Ανιχνευτές χηµειοφωταύγειας θείου (SCD)

Η αρχή λειτουργίας του SCD βασίζεται στην αντίδραση µεταξύ ορισµένων

ενώσεων του θείου µε όζον. Η ένταση της παραγόµενης χηµειοφωταύγειας

είναι ανάλογη της συγκέντρωσης σε θείο. Ο ανιχνευτής χρησιµοποιείται για

τον προσδιορισµό ρυπαντών, όπως είναι οι µερκαπτάνες.

1. Το έκλουσµα αναµιγνύεται µε υδρογόνο και αέρα και καίγεται.

2. Τα παραγόµενα αέρια αναµιγνύονται µε όζον και αντιδρούν

3. Μετράται η ένταση της εκπεµπόµενης ακτινοβολίας

Ανιχνευτής σύλληψης ηλεκτρονίων (ΕCD)

Οι ανιχνευτές ECD χρησιµοποιούνται ευρέως για την ανάλυση

περιβαλλοντικών δειγµάτων. Είναι ιδιαίτερα εκλεκτικοί στις αλογονούχες

ενώσεις, όπως τα φυτοφάρµακα και τα πολυχλωριωµένα διφαινύλια.

Το έκλουσµα από τη στήλη περνά από

ένα β-ραδιενεργό υλικό (63Νi). Τα

ηλεκτρόνια που εκπέµπονται από την

πηγή προκαλούν ιοντισµό του

φέροντος αερίου (Ν2) και την

παραγωγή σµήνους ηλεκτρονίων.

Ο ανιχνευτής ECD είναι ιδιαίτερα ευαίσθητος σε µόρια που περιέχουν

δραστικές οµάδες όπως αλογόνα, υπεροξειδικούς δεσµούς, κινόνες και

νιτροενώσεις.

Το παραγόµενο ρεύµα, το οποίο

µετράται µε ένα ζεύγος ηλεκτροδίων,

µειώνεται σηµαντικά παρουσία

οργανικών µορίων, τα οποία έχουν

την τάση να συλλαµβάνουν

ηλεκτρόνια.

Ανιχνευτές ατοµικής εκποµπής (AED)

Ανιχνευτής ατοµικής εκποµπής (Hewlett-Packard Company)

Ανιχνευτές ατοµικής εκποµπής (AED)

(α) Με παρακολούθηση της γραµµής

εκποµπής του άνθρακα (198 nm)

Χρωµατογραφήµατα δείγµατος βενζίνης αυτοκινήτου µε µικρές

συγκεντρώσεις ΜΤΒΕ και διαφόρων αλειφατικών αλκοολών.

(β) Με παρακολούθηση της γραµµής

εκποµπής του οξυγόνου (777 nm)

Αεριοχρωµατογραφικές στήλες και στατικές φάσεις

Οι πληρωµένες στήλες περιέχουν κονιοποιηµένο, αδρανές υλικό στην

επιφάνεια του οποίου υπάρχει δεσµευµένο λεπτό υµένιο (film) της υγρής

στατικής φάσης.

Τα προβλήµατα που

σχετίζονταν µε την παραγωγή

και χρήση των τριχοειδών

στηλών επιλύθηκαν τα

τελευταία χρόνια και, σήµερα,

υπάρχει ευρεία διάδοσή τους.

Προβλήµατα τριχοειδών στηλών

� Μικρή χωρητικότητα δείγµατος

� Ευθραυστότητα

� Μηχανικά προβλήµατα σύνδεσης µε

τη στήλη και τον ανιχνευτή

� ∆υσκολία επικάλυψης µε

αναπαραγώγιµο τρόπο

� Μικρός χρόνος ζωής

� Έµφραξη

� ∆ιπλώµατα ευρεσιτεχνίας

Στις στήλες ανοιχτού σωλήνα (τριχοειδείς) η στατική φάση είναι ένα

υµένιο υγρού πάχους µερικών δεκάτων του µικροµέτρου, το οποίο

καλύπτει τα εσωτερικά τοιχώµατα του τριχοειδούς µε οµοιόµορφο τρόπο.

Οι στήλες αυτές παρέχουν καλύτερους διαχωρισµούς τόσο όσο αφορά

την ταχύτητα όσο και την απόδοση.

Στήλες ανοικτού σωλήνα

Οι στήλες ανοιχτού σωλήνα διακρίνονται σε δύο βασικούς τύπους:

(α) στήλες ανοικτού σωλήνα µε επικάλυψη τοιχωµάτων (wall-coated

open tubular, WCOT), και τις

(β) στήλες ανοικτού σωλήνα µε επικάλυψη υλικού στήριξης (support-

coated, open tubular column, SCOT).

Οι στήλες WCOT είναι τριχοειδείς

σωλήνες µε εσωτερικό τοίχωµα

επικαλυµµένο µε λεπτό στρώµα

στατικής φάσης.

Στις στήλες SCOT το εσωτερικό

τοίχωµα του τριχοειδούς

καλύπτεται µε λεπτό υµένιο (~ 30

µm) υλικού στήριξης, όπως είναι η

γη διατόµων.Οι στήλες SiO2 κατασκευάζονται µε

εφελκυσµό τήγµατος πυρίτιας.

Υφίσταται κατεργασία µε διαβρω-

τικό αέριο (π.χ. ΗCl) ώστε να

αναπτύξει τραχεία επιφάνεια η

οποία κατακρατεί αποτελεσµατι-

κότερα τη στατική φάση.

∆ιάµετρος (I.D.): 150 – 320 µm

Megabore: 530 µm

Αυτός ο τύπος στήλης συγκρατεί

πολλαπλάσια ποσότητα στατικής

φάσης σε σχέση µε τις στήλες

WCOT, και για το λόγο αυτό,

χαρακτηρίζεται από µεγαλύτερη

χωρητικότητα δείγµατος.

Μικρότερη απόδοση από ότι οι

στήλες WCOT.

Πληρωµένες στήλες

Κατασκευάζονται από υάλινους, µεταλλικούς ή πλαστικούς σωλήνες.

Τυπικά, έχουν µήκος 2-3 m και εσωτερική διάµετρο 2-4 mm. Γεµίζονται µε

λεπτόκοκκο και οµοιόµορφα κονιοποιηµένο πληρωτικό υλικό (υλικό

στήριξης), το οποίο είναι καλυµµένο µε λεπτό στρώµα (0.05-1 µm)

στατικής φάσης. Τυλίγονται σε σπείρες διαµέτρου 15 cm.

Το υλικό στήριξης αποτελείται από

µικρά και οµοιόµορφα σωµατίδια

µε καλή µηχανική αντοχή και ειδική

επιφάνεια > 1 m2/g.

Ελαττώνοντας το µέγεθος των

σωµατιδίων αυξάνεται η αποτε-

λεσµατικότητα της στήλης, µε

παράλληλη απαίτηση για µεγαλύ-

τερη διαφορά πίεσης (για σταθερή

ροή, η πίεση είναι είναι αντιστρό-

φως ανάλογη του µεγέθους των

σωµατιδίων).

Το υλικό πρέπει να είναι αδρανές

σε υψηλές θερµοκρασίες και να

διαβρέχεται µε οµοιόµορφο τρόπο

από την υγρή φάση.

Το συνηθέστερα χρησιµοποιού-

µενο πληρωτικό υλικό είναι η γη

διατόµων (σκελετοί µονοκύτταρων

οργανισµών), οι οποίοι έχουν

ικανότητα µοριακής διήθησης.

Λόγω των περιορισµών στην

πίεση (< 50 psi), τα συνηθισµένα

µεγέθη των σωµατιδίων είναι:

�170 – 260 µm (60-80 mesh)

�149 – 170 µm (80-100 mesh)

Προσρόφηση ουσιών στις στήλες

Η φυσική προσρόφηση πολικών ή πολώσιµων οµάδων στις πυριτικές

επιφάνειες των υλικών πλήρωσης ή στα τοιχώµατα των τριχοειδών

στηλών αποτελεί σηµαντικό πρόβληµα των µεθόδων αεριοχρωµατο-

γραφίας (παραµορφωµένες και διευρυµένες κορυφές).

3

3

3

3

CH

Cl Si

CH

Si OH Si O Si Cl HCl

C

Cl

CH H

− − + → − − − − +− − + → − − − − +− − + → − − − − +− − + → − − − − +− −− −− −− −

Η προσρόφηση οφείλεται στην παρουσία οµάδων σιλανόλης που

σχηµατίζονται κατά την αντίδρασή των πυριτικών µε υγρασία.

Προσρόφηση ουσιών στις στήλες

Η φυσική προσρόφηση πολικών ή πολώσιµων οµάδων στις πυριτικές

επιφάνειες των υλικών πλήρωσης ή στα τοιχώµατα των τριχοειδών

στηλών αποτελεί σηµαντικό πρόβληµα των µεθόδων αεριοχρωµατο-

γραφίας (παραµορφωµένες και διευρυµένες κορυφές).

3

3

3

3

CH

Cl Si

CH

Si OH Si O Si Cl HCl

C

Cl

CH H

− − + → − − − − +− − + → − − − − +− − + → − − − − +− − + → − − − − +− −− −− −− −

3

3 3

3

3 3

CH O

CH CH

Si O Si Cl Si O Si OCH HCl

CH H

H

C

− − − − + → − − − − +− − − − + → − − − − +− − − − + → − − − − +− − − − + → − − − − +

Η προσρόφηση οφείλεται στην παρουσία οµάδων σιλανόλης που

σχηµατίζονται κατά την αντίδρασή των πυριτικών µε υγρασία.

Τα υλικά στήριξης µπορούν να απενεργοποιηθούν µε σιλανοποίηση µε

διµεθυλοδιχλωροσιλάνιο (DMCS) και ακόλουθη έκπλυση µε µεθανόλη.

Στατική φάση

Από τους χιλιάδες διαλύτες που έχουν κατά καιρούς προταθεί, 10-12

τύποι επαρκούν για όλες τις εφαρµογές.

Επιθυµητά χαρακτηριστικά

� Χαµηλή πτητικότητα (σηµείο βρασµού 100oC µεγαλύτερο από τη

µέγιστη θερµοκρασία λειτουργίας της στήλης)

� Χηµική αδράνεια (να µην αντιδρά µε το δείγµα)

� Θερµική σταθερότητα (να µη διασπάται κατά τη θέρµανση)

� Να δίνει κατάλληλες τιµές k’ για όλα τα συστατικά, στην κατάλληλη

περιοχή (µικροί χρόνοι κατακράτησης, καλός διαχωρισµός)

� Να µπορεί να παράγεται µε αναπαραγώγιµο τρόπο.

Για να είναι ο χρόνος παραµονής µιας ουσίας στη στήλη ικανοποιητικός

θα πρέπει η ουσία αυτή να παρουσιάζει κάποιο βαθµό συµβατότητας

(διαλυτότητα) µε τη στατική φάση. Εφαρµόζεται η αρχή «όµοιο διαλύει

όµοιο» µε αναφορά στις πολικότητες της ουσίας και του υγρού.

Όταν η πολικότητα, που αποδίδει το βαθµό επίδρασης ηλεκτρικού

πεδίου στην περιοχή ενός µορίου, ταιριάζει, η σειρά έκλουσης

καθορίζεται από το σηµείο βρασµού των ουσιών.

Στατικές φάσεις ευρείας χρήσης

Τα συνηθέστερα υγρά που χρησιµοποιούνται σαν στατικές φάσεις είναι

πολυδιµεθυλοσιλοξάνια µε γενικό τύπο:

R R R

R Si O Si O Si R

R R R

− − − − − − − −− − − − − − − −− − − − − − − −− − − − − − − −

Όταν οι οµάδες –R είναι όλες –CH3, το υγρό είναι σχεδόν απολικό. Με

αντικατάσταση ενός κλάσµατος των µεθυλοµάδων µε δραστικές οµάδες

όπως το φαινύλιο (-C6H5), το κυανοπροπύλιο (-C3H6CN) και το

τριφθοροπροπύλιο (-C2H4CF3), επιτυγχάνεται διαφορετικός βαθµός

πολικότητας.

Άλος τύπος υγρής στατικής φάσης είναι η πολυαιθυλενογλυκόλη

(carbowax):

R R R

R Si O Si O Si R

R R R

− − − − − − − −− − − − − − − −− − − − − − − −− − − − − − − −

(((( ))))2 2 2 2 nHO CH CH O CH CH OH− − − − − −− − − − − −− − − − − −− − − − − −

Τυπικά χρωµατογραφήµατα

Πολυδιµεθυλοσιλοξάνιο Πολυ(φαινυλοµεθυλοδιµεθυλο)σιλοξάνιο (5%)

Πολυ(φαινυλοµεθυλοδιµεθυλο)σιλοξάνιο (50%)

Πολυ(τριφθοροπροπυλοδιµεθυλο)σιλοξάνιο (50%)

Πολυαιθυλενογλυκόλη Πολυ(κυανοπροπυλο-διµεθυλο)σιλοξάνιο

Εφαρµογές χρωµατογραφίας αερίου - υγρού

Ο ρόλος της χρωµατογραφίας αερίου – υγρού είναι διπλός:

Υπάρχει τάση συνδυασµού της εκπληκτικής διαχωριστικής ικανότητας

της GLC µε τις κατά πολύ ανώτερες ικανότητες ταυτοποίησης, που έχουν

οι φασµατοσκοπίες µαζών, υπερύθρου και NMR.

(α) Εργαλείο διαχωρισµού.

Στον τοµέα αυτό, η GLC είναι ασυναγώνιστη, ιδιαίτερα όταν εφαρµόζεται

σε πολύπλοκα οργανικά, οργανοµεταλλικά και βιοχηµικά συστήµατα

αποτελούµενα από πτητικές ουσίες ή ουσίες που µπορούν να

µετατραπούν σε πτητικά παράγωγα.

(β) Αναλυτικό εργαλείο.

Εφαρµογές στην ποιοτική ανάλυση (ταυτοποίηση µε βάση το χρόνο ή

τον όγκο συγκράτησης) και την ποσοτική ανάλυση (ύψος ή εµβαδόν

κορυφών).

Ποιοτική ανάλυση

Τα αεριοχρωµατογραφήµατα µπορούν να χρησιµοποιηθούν ως:

� Κριτήρια καθαρότητας οργανικών ενώσεων (ευρύτατη χρήση).

� Μέσο ταυτοποίησης των συστατικών µιγµάτων (περιορισµοί).

� Μέσο επιβεβαίωσης της παρουσίας ή απουσίας µιας ένωσης σε

δείγµα (ευρεία χρήση).

Ο παράγοντας εκλεκτικότητας µιας ουσίας Α ως προς µια πρότυπη

ουσία Β, µπορεί να αποτελέσει δείκτη ταυτοποίηση της πρώτης.

Για το σκοπό αυτό απαιτείται η κατασκευή πινάκων µε τιµές του

παράγοντα εκλεκτικότητας καθαρών ενώσεων ως προς κάποιο κοινό

πρότυπο.

(((( ))))(((( ))))

(((( ))))(((( ))))

'

'

RR MB B B

A R M RB A

tt tKa

K t t t

−−−−= = == = == = == = =

−−−−

Ποιοτική ανάλυση – ∆είκτης κατακράτησης

Γραφική απεικόνιση του τρόπου προσδιορισµού δεικτών

κατακράτησης τριών ουσιών.

Ο δείκτης κατακράτησης, Ι, προτάθηκε από

τον Kovats το 1958 ως µια παράµετρος

ταυτοποίησης των ουσιών από τα

χρωµατογραφήµατα. Σαν πρότυπες ουσίες

χρησιµοποιούνται τα κανονικά αλκάνια.

Ο δείκτης µιας ουσίας µπορεί να

υπολογιστεί από το χρωµατογράφηµα

µίγµατος της ουσίας και τουλάχιστον δύο

αλκανίων, των οποίων οι κορυφές πρέπει

να περιβάλλουν την κορυφή της ουσίας.

Εξ’ ορισµού, ο δείκτης κατακράτησης ενός

κανονικού αλκανίου είναι ίσος µε το

εκατονταπλάσιο του αριθµού των ατόµων

άνθρακα.

Ο δείκτης κατακράτησης µιας ουσίας µπορεί

να υπολογιστεί είτε γραφικά είτε αριθµητικά

από τα δεδοµένα του χρωµατογραφήµατος.

∆ιασύνδεση µε φασµατοσκοπικές τεχνικές

Η αεριοχρωµατογραφία µπορεί να συνδυαστεί µε εκλεκτικές

φασµατοσκοπικές και ηλεκτροχηµικές τεχνικές παρέχοντας τις συζευγµένες

τεχνικές, οι οποίες αποτελούν πανίσχυρα αναλυτικά εργαλεία κατάλληλα για

την ταυτοποίηση των συστατικών πολύπλοκων µιγµάτων.

Στις παλαιότερες συζευγµένες τεχνικές, η συλλογή των εκλουσµάτων από τις

χρωµατογραφικές στήλες γινόταν σε χωριστά κλάσµατα σε µια ψυχρή

παγίδα, αµέσως µετά την ανίχνευσή τους από ένα µη-καταστρεπτικό

ανιχνευτή.

Στις σύγχρονες συζευγµένες τεχνικές, το έκλουσµα της στήλης

παρακολουθείται συνεχώς µε εκλεκτικό ανιχνευτή. Η τεχνική προϋποθέτει

έλεγχο της οργανολογίας µε υπολογιστή και αποθήκευση των φασµατικών

δεδοµένων στη µνήµη του για µετέπειτα παρουσίαση µε τη µορφή φασµάτων

ή χρωµατογραφηµάτων.

Ακολουθούσε εξέταση της σύνθεσης του κάθε κλάσµατος µε κατάλληλες

τεχνικές (φασµατοσκοπία πυρηνικού µαγνητικού συντονισµού,

φασµατοσκοπία υπερύθρου, φασµατοσκοπία µαζών, κ.λ.)

Τεχνική GC/MS

Στη µέθοδο αυτή, το έκλουσµα από την αεριοχρωµατογραφική στήλη

εισάγεται στο θάλαµο ιοντισµού ενός φασµατοµέτρου µάζας για ανάλυση. Τα

περισσότερα όργανα διαθέτουν ψηφιακές βιβλιοθήκες φασµατικών

δεδοµένων για ταυτοποίηση των ενώσεων.

∆ιάγραµµα ενός τυπικού αεριοχρωµατογράφου τριχοειδούς στήλης συζευγµένου µε φασµατογράφο µαζών (GC/MS).

Τεχνική GC/IR

Η σύζευξη αεριοχρωµατογράφων τριχοειδούς στήλης µε φασµατόµετρα

υπερύθρου αποτελεί έναν αποτελεσµατικό τρόπο διαχωρισµού και

ταυτοποίησης συστατικών πολύ «δύσκολων» µιγµάτων.

Τυπικός φωτοαγωγός οργάνων GC/IR.

Χρωµατογραφία αερίου - στερεού

Ο διαχωρισµός µε GSC είναι παρόµοιος µε το διαχωρισµό µε GLC, µε τη

διαφορά ότι η κατανοµή µέσα στη στήλη προκαλείται από µια µερική και

εκλεκτική προσρόφηση επάνω σε µια στερεή επιφάνεια, και όχι από τη

διαλυτότητα σε µια υγρή φάση.

Οι συντελεστές κατανοµής είναι γενικά πολύ µεγαλύτεροι από εκείνους της

χρωµατογραφίας αερίου-υγρού. Συνεπώς, η µέθοδος είναι χρήσιµη δια τον

διαχωρισµό ουσιών, οι οποίες δεν κατακρατούνται σε στήλες αερίου-υγρού,

όπως:

o Συστατικά του αέρα

o CO, CO2

o NOx

o H2S, CS2

o Ευγενή αέρια

Χρωµατογραφία αερίου - στερεού

Ο διαχωρισµός πραγµατοποιείται µε πληρωµένες στήλες και µε στήλες

ανοιχτού σωλήνα. Στις στήλες ανοιχτού σωλήνα µε πορώδη στιβάδα (PLOT)

µια λεπτή στιβάδα προσροφητή προσφύεται στα εσωτερικά τοιχώµατα του

τριχοειδούς. Χρησιµοποιούνται δύο τύποι προσροφητών:

(i) τα µοριακά κόσκινα και (ii) τα πορώδη πολυµερή.

(α) Στήλη µε µοριακά κόσκινα

(β) Στήλη PLOT

∆ιαστάσεις: 1,10 m × 1,0 mm

Πληρωτικό υλικό: Τύπος: Chromosorb PΒάρος υγρής φάσης: 1,40 gΠυκνότητα: 1,02 g/mL

Χαρακτηριστικά στήλης

Πιέσεις: Έξοδος: 748 TorrΕίσοδος: + 26,1 psi

Θερµοκρασίες:∆ωµατίου: 21,2 οCΣτήλης: 102,0 oC

Ταχύτητα ροής στην έξοδο: 25,3 mL/min

Συνθήκες

Αέρας Οξικός Προπιονικός Βουτυρικόςµεθυλεστέρας µεθυλεστέρας µεθυλεστέρας

Χρόνος κατακράτησης: 18,0 s 1.98 min 4.16 min 7.93 min

Εύρος κορυφής στη βάση: 0.19 min 0.39 min 0.79 min

Χρωµατογράφηµα

Άσκηση 27-21

(α) Να υπολογιστεί η µέση ταχύτητα ροής στη στήλη

(((( ))))2out H OC

m

out

P PTF F

T P

−−−−= × ×= × ×= × ×= × ×

25, 3 / minm

mLF ====

o102,0 C= 375 K

CT ====

o21, 2 294, 2T C K= == == == =

1

32.2 / minF mL====⇒⇒⇒⇒

0,98748

=760 /

4out

Torr

ToP

rr atmatm====

2

o

H O(21,2 0 5) 0. 2CP atm====

26,10,984 =

14,2,76

67 /in

psiatm

pP t

si atma m= += += += +

(2,76 atm)

(0,984atm)

(294,2 K)

(375,0 K)

31.4 / minF mL====

0.975







Συνθήκες





Άσκηση 27-21

(β) Να υπολογιστούν οι διορθωµένοι όγκοι κατακρά-τησης για τον αέρα και τους τρεις εστέρες

(2,76 atm)

(0,984atm)

(294,2 K)

(375,0 K)

31.4 / minF mL====

(((( ))))0

R RV j t F= ×= ×= ×= ×

(((( ))))0

M MV j t F= ×= ×= ×= ×

(((( ))))

(((( ))))

2

3

3 / 1

2 / 1

i

i

P Pj

P P

−−−− ==== −−−−

∆ιορθωτικός παράγοντας:

(((( ))))

(((( ))))

2

3

3 2,76 / 0.984 1

2 2,76 / 0.984 1

−−−− ==== −−−−

(((( ))))(((( ))))

3 7.87 1

2 22,1 1

−−−−====

−−−−0,488j⇒⇒⇒⇒ ====

(((( ))))18,00,488 min 31,4 / min

60mL

= × ×= × ×= × ×= × ×

0

4,60M

V mL⇒ =⇒ =⇒ =⇒ = 0

,1

0

,2

0

,3

30,3

63,7

121,5

R

R

R

V mL

V mL

V mL

====

====

====







Συνθήκες





Άσκηση 27-21

(γ) Να υπολογιστούν οι ειδικοί όγκοι κατακράτησης γιατους τρεις εστέρες

(2,76 atm)

(0,984atm)

(294,2 K)

(375,0 K)

04,60

MV mL====

0

,1

0

,2

0

,3

30,3

63,7

121,5

R

R

R

V mL

V mL

V mL

====

====

====

0 0273R M

g

C

V VV

W T

−−−−= ×= ×= ×= ×

(((( ))))30,3 4,60 273

1,40 375

mL K

g K

−−−−= ×= ×= ×= ×

,113,4

g

mLV

g====⇒⇒⇒⇒

,230,7

g

mLV

g====

,360,8

g

mLV

g====







Συνθήκες





Άσκηση 27-21

(δ) Να υπολογιστεί η σταθερά κατανοµής του κάθε

εστέρα

(2,76 atm)

(0,984atm)

(294,2 K)

(375,0 K) ,113,4 /

gV mL g====

,230,7 /

gV mL g====

,360,8 /

gV mL g====

273g

S C

KV

ρρρρ= ×= ×= ×= ×

ΤΤΤΤ(((( )))) (((( )))) (((( ))))

1

13,4 / 1,02 / 375

273

mL g g mL KK

K⇒ =⇒ =⇒ =⇒ =

118,8K⇒⇒⇒⇒ ====

243,0K ====

385,1K ====





Άσκηση 27-22

(α) Να υπολογιστεί ο παράγοντας κατακράτησης, k’, για κάθε εστέρα

' R M

M

t tk

t

−−−−====

181,98 min

60

0,3 min

−−−−

==== '

15,6k⇒⇒⇒⇒ ====

'

212,9k ====

'

325,4k ====





Άσκηση 27-22

(β) Να υπολογιστεί ο παράγοντας εκλεκτικότητας, α, για κάθε γειτονικό ζεύγος

ενώσεων

'

2

2,1 '

1

ka

k====

12,9

5,6====

'

15,6k ====

'

212,9k ====

'

325,4k ====

2,12,3a⇒⇒⇒⇒ ====

'

3

3,2 '

2

ka

k====

25,4

12,9==== 3,2

2,0a⇒⇒⇒⇒ ====





Άσκηση 27-22

(γ) Να υπολογιστεί ο µέσος αριθµός θεωρητικών πλακών,Ν, και το ύψος πλάκας,Η,

της στήλης.

2

16 Rt

NW

====

2

1,98 min16

0,19 min

= ×= ×= ×= ×

LH

N====

31612N ====

11738N⇒⇒⇒⇒ ==== }21820N ==== 1720N ====

1100

1720

mm==== 0,64H mm====⇒⇒⇒⇒

1,10L m====





Άσκηση 27-22

(δ) Να υπολογιστεί η διαχωριστική ικανότητα για κάθε γειτονικό ζεύγος ενώσεων.

(((( )))),2 ,1

1 2

2R R

s

t tR

W W

−−−−====

++++ (1,2)7,5

SR⇒⇒⇒⇒ ====

(((( ))))2 4,16 1,98

0,39 0.19

−−−−====

++++

(2,3)6,4

SR ====

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 27 ΤΜΗΜΑ V

Documents

Transcript of ΚΕΦΑΛΑΙΟ 27 ΤΜΗΜΑ V