Cromatografia de gaze

Cromatografia de gaze (CG) este printer cele mai raspandite metode de analiza cromatografica. CG a fost prima metoda de analiza cromatografica aplicata pe scara larga.

Compusii amestecului supus separarii nu trebuie sa fie neaparat gaze, ei pot fi lichide sau solide volatile care se introduc odata cu solventul in coloana de separare la o temperature potrivita. Introducerea probei in coloana se face cu un dispozitiv de introducere a probei.

Nu se pot analiza prin CG compusii care nu sunt volatile sau care se descompun usor la incalzire.

In aceste cazuri se recurge la alte tehnici cromatografice , de exemplu cromatografia de lichide sau se pot transforma compusii respectivi prin anumite reactii specific in derivati ( compusi noi) , volatili. Acest procedeu se numeste derivatizare.

Avantajele CG sunt urmatoarele: usurinta cu care se poate pune la punct o analiza noua; posibilitatea de automatizare.

CG se aplica in urmatoarele domenii: petrochimie, industria farmaceutica, industria alimentara , in special analiza aromelor, protectia mediului, igiena, criminalistica etc.

Fig. 1. Schema de principiu a unui cromatograf de gaze

1- cilindru sub presiune ; 2 reductor de presiune; 3- Etuvă termostatată; S –dispozitiv pentru introducerea probei (microsiringă); R - dispozitiv de încălzire –termostatare; V- ventilator; 4-Coloana cromatografică; D- detector; C –calculator

Instrumentul care realizează separările şi totodata analiza în GC poartă numele de cromatograf de gaze. Funcţionarea acestuia se poate înţelege urmărind schema din fig. 1. Schiţa prezintă concis doar componentele principale.

Astfel gazul purtător (eluentul), de exemplu hidrogenul sau heliul, părăseşte cilindrul sub presiune, 1, în care acesta se găseşte iniţial şi pătrunde în coloană, la o presiune de intrare, cu ceva mai mare decât cea atmosferică (1 - 3 atm), prin intermediul unui reductor 2. Apoi gazul se ramifică (optional) prin două conducte. O parte intră în coloană, în mod continuu iar cealaltă ramură, direct în detector. Coloana, 4, se afla într-o etuvă (incintă- termostatată), 3, izolată termic şi prevăzută în exterior cu un dispozitiv pentru introducerea probei (care de regulă include şi o microseringă), notată S. Acestă etuvă este dotată în interior cu un ventilator V şi cu un dispozitiv electric de încălzire termostatare, R. În coloana cromatografica se produce separarea probei, care se introduce doar după ce instrumentul este in regim de functionare continuă şi a fost adus la temperatura de lucru. După ce parăseşte coloana, 4, gazul purtător intră, antrenând pe rând componentele separate, în celula de măsură din detector de unde iese în atmosfera sau se colectează separat.

Faza mobilă în această tehnică este un gaz: hidrogenul, heliul, azotul sau argonul, fie eliberate din cilindri de gaze sub presiune, fie obţinute din generatoare (cazul N2 sau H2) - direct în laborator. Gazul nu trebuie să conţină urme de apă, oxigen sau dioxid de carbon care pot prejudicia fazele staţionare. De aceea se intercalează filtre cu dublu rol, pentru uscare, respectiv pentru reducerea oxigenului. Aceste dispozitive sunt situate imediat după sursa de gaz. În cazuri excepionale se pot utiliza şi a1ţi eluenţi cum ar fi CO2, Ne etc. Spre deosebire de cromatografia cu eluenţi lichizi, in GC natura gazului are o importanţă minoră asupra selectivităţii separării deoarece gazul, practic, nu interacţionează cu componentele probei sau cu suportul. Viteza optima nu este aceeaşi pentru toate gazele şi se stabileşte pe baza ecuaţiei lui Van Deemter. Presiunea de la capătul coloanei se reglează cu ajutorul unui regulator de presiune şi a unui ventil. Introducerea probei se realizează cu o siringă micrometrică , care permite măsurarea unui volum de probă de 0,1-10 µlitri.

Fig. 2. Aspectul unei seringi micrometrice folosite in GC

Dispozitivele pentru injecţie au rolul de a permite introducerea seringii şi totodata, de a provoca volatilizarea probei în curentul de gaz purtätor cât mai aproape de intrarea în coloană. Aceste dispozitive sunt diferite în funcţie de coloanele utilizate. De exemplu in coloanele cu umplutura şi în cele capilare, cu diametre de 530 µm, se folosesc dispozitive cu volatilizare directă. Aceste dispozitive (fig. 3) au o inserţie din sticlă, încalzită, introdusă într-un tub prin care trece gazul purtător aflat la o temperatură suficient de ridicată pentru a permite volatilizarea probei simultan cu injectarea acesteia. Capătul de sus al dispozitivului din fig. 3, situat in afara cromatografului, conţine un “septum”, adică o pastilă din cauciuc siliconic care permite pătrunderea acului ascuţit al seringii. Celălalt capăt al dispozitivulul este legat la coloana cromatografica prin intermediul unui racord filetat şi a unei garnituri. Astfel, imediat dupa injectarea probei, aceasta pătrunde în capul coloanei. Pentru coloane capilare, care au debitele mult mai mici, iar volumele introduse în coloane deosebit de mici, introducerea cu o seningă a probelor, direct ar compromite coloana definitiv. Dc aceea se folosesc nişte dispozitive speciale cu ajutorul cărora doar o mică fracţiune din probă, cunoscută, intră în coloană iar restul este evacuată in atmosferă.

Dispozitivele se numesc “split/splitless”, iar fractiunea de proba introdusa efectiv in coloana reprezinta 1/20 panala 1/500 din volumul injectat cu seringa.

Incinta termostatata in care se afla coloana se numeste etuva-termostat. Temeratura in etuva-termostat se poate regala intr-un domeniu larg, de 40-450 ºC fiind precis stabilizata (±0,1ºC) si ventilate pentru o egalizare rapida a temperaturii. La anumite cromatografe se pot executa “programe de temperatura”, adica incalziri controlate dupa anumite functii de Temperatura= f(timp) in timp pe parcursul efectuarii analizei. Programele de incalzire se stabilesc prin incercari experimentale.

Fig. 3. Dispozitiv de injecţie simplu folosit în GC

Detectori gaz cromatografici

Detectorii cromatografici sunt instrumental anlitice propriu-zise din gaz-cromatografe.Detectorii cromatografici au rolul de a sesiza componentele din proba supusa analizei. Detectia trebuie sa aiba loc continuu, rapid si cu o mare sensibilitate.Cu ajutorul detectorului, zonele cromatografice care ies separate din coloana si care contin moleculele unei singure substante (daca separarea coromatografica s-a realizat in une conditii) se transforma in semnale electrice care se inregistreaza si apar sub forma de picuri.Detectorii cromatografici sunt caracterizati cu ajutorul unor marimi fizice dintre care cele mai importante sunt urmatoarele:-specificitate;-sensibilitate;-zgomot de fond;-drift;-limita de detectie;- constanta de timp;-reactivitate;-efect asupra probei

Unii detectori cromatograici distrug proba, iar altii o lasa nealterata permitand separarea si analiza ei ulterioara.

In general, aparatele pentru cromatografia de gaze sunt dotate cu un detector universal care sa permita inregistrarea tuturor componentilor. Unele aparate contin si alti detectori specifici care maresc siguranta analizei unor anumiti componenti deoarece raspund numai la anumite tipuri de molecule.

Zgomotul de fond este format din perturbatii minuscule ale liniei de baza avand diferite cauze ( datorita constructiei detectorului, a sistemului de masura si a sistemului de inregistrare) .Driftul este devierea liniei de baza intr-un timp dat ( o ora) exprimat in unitati de masura uzuale ale semnalului inregistrat ( mV, mA etc.).

Fig. 1 Imaginea schematica a zgomotului de fond si a driftului pentru semnalul dat de un cromatograf de gaze

Domeniul dinamic liniar al detectorului reprezinta domeniul in care semnalul variza liniar cu concentratia ( in unele cazuri cu debitul masei de component ) care trece prin detector.Domeniul liniar de concentratii se masoara de la limita de detectie pana la nivelul superior de concentratie la care apar abateri de la liniaritate de peste 5 %.

Domeniul dinamic liniar al detectorului se stabileste experimental prin construirea curbei de etalonare in urma injectiei in cromatograf a aunor cantitati crescatoare de component.

Domeniul dinamic liniar variaza in functie de tipul de detector ( Tabelul 1.)

Tabel 1. Limite de detectie si domeniul dinamic liniar pentru principalii detectori utilizati in CGDetector Limita de detecie

(g∙mL-1)Domeniul dinamic liniar

DIF (detector cui ionizare in flacara)

10-12 107

(10-5 - 10-12)

DCEDetector cu captura de electroni

10-14 104

DCTCatarometrul

10-7 104

NPD Detector cu emisie termoionica Este specific pentru elementele N si P Nitrogen phosphorus detector

10-14 105

FPDDetector flamfotometric

10-11 104

DFIDetector bazat pe fotoionizare

10-12 105

Detectorul bazat pe conductibilitate termică (catarometrul)

Catarometrul insemana masurator de puritate. Catarometrul a fost primul tip de detector utilizat in cromatografia de gaze. Principiul pe care se bazeaza functionarea catarometrului a fost cunoscut si utlizat pentru analize de gaze inca din secolul XX. Este simplu din punct de vedere constructiv, nedistructiv, universal, are stabilitate buna si un domeniu larg de liniaritate.

Fiecare gaz este caracterizat de o conductibilitate termica constanta , care difera in functie de natura gazului. Conductibilitatea termica a gazului purtator este constanta in absenta moleculelor analitului.

Cand in gazul purtator apar molecule de analit, eluate de acesta, are loc o scadere a conductibilitatii termice a gazului proportionala cu concentratia acesora.

Pentru detectie se utilizeaza un montaj in punte Weastone. (figura 2).

Fig. 2 Principiul de functionare al detectorului catarometric

Curentul I, generat de sursa de tensiune Ui, se bifurca scurgandu-se prin cele doua brate ale puntii. Tensiunea de iesire U0 , depinde de diferenta dintre R1 si R2.

Daca R1=R2 , atunci U0=0.Rezistentele R1 si R2 sunt formate din filamente metalice

termosensibile din platina sau wolfram. sub forma de spirala , izolate electric fata de incinta in care se afla. Prin incinta circula gazul purtator.

Detectorul are doua celule, una de masura, R1, careia ii variaza rezistenta in unctie de componentul intrat si alta numita celula de referinta , R2 , prin care trece doar gazul purtator.

Cand in gaz apar moleculele anlititului, se produce o scadere a conductibilitatii gazului. Datorita acestei scaderi, se produce un dezechilibru al puntii Wheastone si aparitia unei diferente de potential E, ca urmare a modificarii temperaturii T a filamentului si implicit a modificarii rezistentei R a acestuia. Diferenta de potential este apoi inregistrata de inregistrator , iar

variatia conductibilitatii termice este proportionala cu concentratia cu conditia ca substantele prezente sa fie in concentratii mici.

Volumul celulelor difera , fiind cuprins intre 2,5 si 100 µL.Ea mai ridicata conductivitate termica dintre toate gazele o au hidrogenul si heliul. Se prefera He deoarece nu este inflamabil si este inert chimic. Catarometrul este singurul detector cromatografic capabil sa analizeze gazele permanente: azot, oxigen, monoxid de carbon, dioxid de carbon si de aceea este mult utilizat in CG.