2. Gasskromatografi, GC (Gas Chromatography) 2.B. Gasskromatografen

Transkript

1 1 KJ2053 Kromatografi (Analytiske metoder II) Lundanes Else, Reubsaet Léon, Greibrokk Tyge, Chromatography, Basic Principles, Sample Preparations and..., Wiley-VCH, ISBN: (Gas Chromatography) 2.B. Gasskromatografen 2.B.6. a. 2.B.6. b. 2.B.6. c. Detektor- og injektor-temperatur Eluering av homologe serier: ulike aspekter, 'indekser' 1

2 2 (GLC) 2.B. 6 GC-Temperatur (-regulering) 2.B.6. a. Detektor- og injektor-temperatur Som regel regulert /kontrollert uavhengig av kolonne-temperaturen. Temperaturen velges noe høyere enn i kolonna for i injektoren - å få raskest mulig fordampning (jfr. Kap.2.B.4) - uten termolyse på vei gjennom detektoren - å unngå kondensering/"utfrysing" av analytten (forsinkelser, tap av effektivitet, tap av signal (stoff)) før den detekteres. - å unngå dekomponering av analytten > ved preparativ GC (oppsamling etter ikke-destruktiv detektor), eller > for detektorer som detekterer spesifikk på analyttens struktur (e.g. spektroskopiske detektorer: MS, UV). 2

3 3 (GLC) 2.B.6. b. Kolonne-(ovn-)temperatur Må kontrolleres og reguleres nøyaktig og presis!! for å få reproduserbare (retensjons-) resultater. Standard kolonne-ovn : Varmluftsovn = sirkulerende, temperatur-kontrollert luftbad. Ekstrem nøyaktig og reproduserbar T-kontroll er avgjørende. Oppover opptil (over) 400 C, Nedover ned til noen grader over RT, ved mulighet for aktiv kjøling (v.h.a. kald gass fra CO 2 (l) el. N 2 (l)): fra noen få, til titalls C under RT. For ultra-rask GC : Direktoppvarming av GC-kolonna (ikke via varmluft) gir kontrollerbare oppvarmingshastigheter på flere 100 C/min (i bruk kun for kapillær-kolonner). 3

4 4 (GLC) 2.B.6. b. Kolonne-(ovn-)temperatur Generelt : Økt kolonnetemperatur - redusert retensjonstid log V R = a + b T Og, som tidligere nevnt, tommelfingeren for GC som påstår : for 30 C økning i T kol : omtrent halvering av k (og dermed t R ) ved isotermiske analyser. (jfr. enkel utledning i Miller-boken(1988), s / (2005), s.174) 4

5 5 (GLC) 2.B.6. b. Kolonne-(ovn-)temperatur Driftsmåter : (i) gasstrykk- el. gass-strøm-programmert : (n.b.: Fremmedlegeme i avsnittet har ikke jo faktisk noe med temperatur å gjøre!) Sjeldent brukt. Hensikt: å akselerere, eller bremse, elueringen når temperaturen av en eller annen grunn ikke ønskes forandret. Ofte for å spare tid - mot å ofre effektivitet i (mindre viktige / mindre vanskelige) deler av kromatogrammet. 5

6 6 (GLC) 2.B.6. b. Driftsmåter : Kolonne-(ovn-)temperatur (ii) isotermisk : Analyse ved konstant kolonnetemperatur: er enkel i drift, og gir høyest mulig effektivitet; - for enkle prøver, enkelt-komponenter. - for teoretisk prøve- eller kolonne-karakterisering (N, H, k, α, etc.) Erfaring: t R for homologer øker eksponensielt (eks. n-alkaner) Fordel med isotermisk analyse: - instrumentelt enkelt, og - forutsetning for mange teoretiske data (valgt som standard - for bestemmelse av bl.a. K, k, R S, N, H, A s ). 6

7 7 (GLC) 2.B.6. b. Kolonne-(ovn-)temperatur Driftsmåter : (ii) isotermisk : Kolonne-temperaturen velges så høyt at analysen kan gjennomføres på kortest mulig tid, uten at separasjonen av stoffene blir dårlig forutsatt ingen andre relevante temperaturgrenser brytes, (f.eks. kolonnens MAOT, eller for høy kolonneblødning skapes, eller analytten ødelegges termisk. 7

8 8 (GLC) 2.B.6. b. Kolonne-(ovn-)temperatur Driftsmåter : (iii) Temperatur-programmert : starter analysen ved relativt lav temperatur, som så økes etter hvert. Fordel med, og brukt for : Prøvekomponenter med sterkt forskjellig flyktighet (retensjon) kan separeres innen rimelig tid i én analyse: Temperatur-programmering krever avansert temperatur-styring og -kontroll for å få en reproduserbar temperatur - tid-sammenheng og dermed den nødvendige / tilfredsstillende retensjonstid-presisjonen! 8

9 9 (GLC) 2.B.6. b. Kolonne-(ovn-)temperatur Driftsmåter : (iii) Temperatur-programmert: Fremgangsmåte: 1 Ved lav start-temperatur - flyktige komponenter elueres med rimelig god separasjon, mens mer tungflyktige analytter beveger seg sakte, meget sakte eller står omtrent stille ("utfryst") ved/nær kolonne-inngangen; 2 etter hvert, som temperaturen økes, øker damptrykket for de noe "tyngre" analyttene og disse beveger seg med økende fart (ved økende temperatur økende damptrykk) gjennom kolonnen. enda tyngre prøvekomponenter starter noe seinere igjen, og de tunge enda seinere, og de meget tunge enda, enda... 3 Temperaturprogrammets høyeste (= slutt-) temperatur bestemmes av retensjons-temperaturen til den minst flyktige (= mest retarderte) komponenten i prøven (eller av kolonnens øvre temperaturgrense ("worst case" ) ). 9

10 10 (GLC) 2.B.6. b. Kolonne-(ovn-)temperatur Driftsmåter : (iii) Temperatur-programmert: Fremgangsmåte: 1 Ved lav start-temperatur - flyktige komponenter elueres med rimelig god separasjon, mens mer tungflyktige analytter beveger seg sakte, meget sakte eller står omtrent stille ("utfryst") ved/nær kolonne-inngangen; 2 etter hvert, som temperaturen økes, øker damptrykket for de noe "tyngre" analyttene og disse beveger seg med økende fart (ved økende temperatur -damptrykk) gjennom kolonnen. enda tyngre prøvekomponenter starter noe seinere igjen, og de tunge enda seinere, og de meget tunge enda enda... 3 Temperaturprogrammets høyeste (= slutt-) temperatur bestemmes av retensjons-temperaturen til den minst flyktige (= mest retarderte) komponenten i prøven (eller av kolonnens øvre temperaturgrense). I de fleste temperaturprogram økes temperaturen lineært (evt. i trinn med ulik (lineær) temperatur-økning), evt. kombinert med isotermiske perioder (ved start, og/eller til slutt, og/eller underveis). Temperaturen et stoff elueres fra kolonnen ved, T kol (ved t R ) er retensjonstemperaturen, T R (tidligere: elueringstemperatur, T el ); T R er like karakteristisk som t R (unntatt i isotermiske (mellom-)tidsfaser (!) ). (for gitt analyse-system og T-program, 10

11 11 (GLC) Pesticid-kromatogram fra (via Google pict.) Aldrin: Endrin: Temperaturen et stoff elueres fra kolonnen ved (T kol ved t R ) er retensjonstemperaturen, T R (tidligere: elueringstemperatur, T el ); 11

12 12 2.B.6. b. 2.B. 6 GC-Temperatur (-regulering) Kolonne-(ovn-)temperatur Driftsmåter : (iii) Temperatur-programmert : N.B.: Innenfor et lineært økende temperaturprogram) elueres homologer (forbindelser i en homolog serie av stoffer, her: n-alkaner) med (ca.) konstant avstand i t R (el. T el ) "Et lineært T-program 'logaritmerer' de eksponensielt økende avstandene mellom homologene i en isotermisk analyse". Figure A comparison of (a) isothermal and (b) temperature-programmed separtion of n-papraffins. Figure Courtesy of McNair and Bonnelli, Basic Gas Chromatography, Varian Figur fra: James. M. Miller, Chromatography, Concepts and Contrasts, Wiley Interscience, New York, 1988: Fig. 8.20, s. 146, (el. 2005, s. 173) el. Harold M. McNair & James M. Miller, "Basic Gas Chromatography", 2 nd ed., Wiley, 2009: Fig. 9.2, s

13 13 2.B.6. b. Kolonne-(ovn-)temperatur Driftsmåter : (iii) Temperatur-programmert : Obs. 1: Fra temperatur-programmerte analyser kan ikke retensjonsfaktor k, eller platetall N (eller utledede parametere, som R S, m.m.) utregnes direkte, på en enkel måte. Obs. 2: Økende kolonnetemperatur gir økende (bære-)gass-viskositet økende motstand mot gjennomstrømning av gass gjennom kolonnen. Derfor enten minker bæregass-strømmen med økende T kol utover i analysen (ved konstant kolonne-inngangstrykk), eller øker kolonne-inngangstrykket med økende T kol utover i analysen (ved konstant bæregass-strøm). 13

14 14 2.B.6. c. Eluering av homologe serier: ulike aspekter, 'indekser' Systematiske "retensjons-trender" innenfor homologe serier av forbindelser - som i ovenstående figur vist for n-alkaner brukes bevisst innen kromatografi, herunder GC, til ulike formål. Klart mest brukt og best studert for metylen-homologer, f.eks. X-(CH 2 )n-ch 3. Erfaring: T b = a + b n T b : kokepunkt; analogt T R, ΔH v = c + d n ΔH v : fordampningsentalpi (gjelder analogt for log p 0, log k) b og d = hhv. kp.-økning, og ΔH v -økning, pr. (metylen-)gruppe. 14

15 15 2.B.6. c. Eluering av homologe serier: ulike aspekter, 'indekser' Like funksjonelle grupper (f.eks. metylen-grupper) i homologe serier: bidrar ofte til ΔH v og til T b med et "fast bidrag" (hhv. b = ΔT kp (CH 2 ), d(=δh v (CH 2 )). Bidraget er omtrent konstant for hver "tilføyd ny gruppe" (fra n til n+1, til n+2, ).. ln k e + f n prop. ln p prop. log t R ' (som her er y-aksen) el. T el g + h n Figur fra Greibrokk & al. "Kromatografi", 1994 (orig. ref. ukjent). Denne egenskap av homologe serier av forbindelser utnyttes på ulike vis innen kromatografi: 15

16 16 2.B.6. c. Eluering av homologe serier: ulike aspekter, 'indekser' (i) Retensjonsindeks (Kováts-indeks), I(X), Retensjonsindeksen er et mål for relativ retensjon (ved GC) av en analytt X i en bestemt stasjonærfase, målt i forhold til retensjonen av n-alkan-homologene i samme stasjonær fase. For isotermiske analyser er den definert som: log t R '(X) - log t R '(n) I(X) = 100 n [ ] log t R '(n+1) - log t R '(n) t R '(X), t R '(n) og t R '(n+1) er de justerte retensjonstidene (t' R, adjusted retention times) av hhv. stoff X, n-alkan C n H 2n+2 (som elueres rett før X) og n-alkan C n+1 H 2n+4 (som elueres rett etter X). (Selvfølgelig kan også justerte retensjons-volum brukes.) 16

17 17 log t R '(X) - log t R '(n) I(X) = 100 n [ ] log t R '(n+1) - log t R '(n) 2.B.6. c. Eluering av homologe serier: ulike aspekter, 'indekser' (i) Retensjonsindeks (Kováts-indeks), I(X), Den grafiske løsnings-veien for I(X): t R '(X), t R '(n) og t R '(n+1) er justerte retensjonstider av hhv. stoff X, n-alkan C n H 2n+2 (som elueres rett før X) og n-alkan C n+1 H 2n+4 (som elueres rett etter X). På y-aksen brukes log t' R verdiene. Originalfigur fra: GRL «Kromatografi» (1994), "pyntet på" av foreleseren 17

18 18 2.B.6. c. Eluering av homologe serier: ulike aspekter, 'indekser' (i) Retensjonsindeks (Kováts-indeks), I(X), Ved lineært temperaturprogrammerte analyser øker t R med antall metylen-grupper i en homolog serie : (omtrent) lineært (formel - tilpasset for lineært programmert GC:) t R (X) - t R (n) I(X) = 100 n [ ] t R (n+1) - t R (n) Ikke-logaritmerte tider må brukes (her kan vanlig (ikke-justert) verdi for t R brukes samme resultat). Målingen må foretas et stykke ut i et lineært programmert område av kromatogrammet, ikke rett etter starten, eller rett etter endringer i T-programmet! (eller andre endringer i betingelser med innflytelse på t R, f.eks. plutselige gasstrykk / -strøm-endringer). 18

19 19 2.B.6. c. Eluering av homologe serier: ulike aspekter, 'indekser' (ii) Separasjonstall, TZ (fra tysk : "Trennzahl"), eller SN (for engelsk "Separation Number") et alternativt mål for å beskrive effektiviteten (separasjonsevnen) til en kolonne. Separasjonstall gjengir antall topper som 'teoretisk' kan plasseres mellom toppene fra to homologe stoffer - som regel n-alkaner - når avstanden mellom disse toppene er antatt å være 2 ganger gjennomsnittlig bredde i halv topphøyde av homolog-toppene (= summen av de to homologenes "halv-bredder"). t R (n+1) - t R (n) TZ = [ ] - 1,00 w h (n+1) + w h (n) Obs. Obs.! : Korrekt er : minus 1 (ikke + 1 som feilaktig står i gammel-læreboka (Kro )) 19

20 20 2.B.6. c. Eluering av homologe serier: ulike aspekter, 'indekser' (ii) Separasjonstall, TZ (fra tysk: "Trennzahl"), eller SN (for engelsk "Separation Number") t R (n+1) - t R (n) TZ =[ ] - 1,00 w h (n+1) + w h (n) Eksempel : 20

21 21 2.B.6. c. Eluering av homologe serier: ulike aspekter, 'indekser' (ii) Separasjonstall, TZ (fra tysk: "Trennzahl"), eller SN (for engelsk "Separation Number") "Separasjonstall: antall topper mellom to homologe stoffer" t R (n+1) - t R (n) TZ = [ ] - 1,00 w h (n+1) + w h (n) Dessuten, angående TZ : TZ kan også beregnes ut fra oppløsning, R S, av 2 homologe stoffer: R S TZ = [ ] - 1,00 1,177 Separasjonstallet TZ min som kreves for å kunne separere X og Y ( med R S minst 1,177) kan beregnes ut fra I(X) - I(Y): 100 TZ min = [ ] - 1,00 I(X) - I(Y) 21

22 22 2.B.6. c. Eluering av homologe serier: ulike aspekter, 'indekser' (iii) Selektivitets- / polaritets-indekser Uttrykker forskjell i relativ retensjon av et stoff på polar og upolar kolonne : Eksempel med benzen: Forskjellen i I bz mellom de 2 kolonnene uttrykker forskjell i styrken av polare interaksjoner mellom benzen og SF'ene. kan brukes til å beskrive en SF's polaritet (målt i f.t. en upolar referanse-sf) ( Squalan velges som standard-sf uten polare interaksjoner, fordi den er én ren, upolar substans). ( OV-17 er en silikon-fase med 50% metyl- og 50% fenyl-substituenter: en "middels polar" GC-SF). Originalfigur fra: GRL «Kromatografi» (1994) 22

23 23 2.B.6. c. Eluering av homologe serier: ulike aspekter; indekser (iii) Selektivitets- / polaritets-indekser «Kjemisk representative» test-stoffer (foruten benzen) kan velges for typiske forbindelsesklasser / stoffgrupper Systemer basert på dette: Rohrschneider-konstanter og McReynolds-konstanter Samme prinsipp - litt ulike test-/ standardstoffer. Rohrschneider- og Mc Reynoldskonstanter (J.M. Miller 2005) X Y Z U S ΔI = I polar - I squalan 23

24 24 Rohrschneider- og Mc Reynoldskonstanter ΔI = I polar - I squalan 2.B.6. c. Eluering av homologe serier: ulike aspekter; indekser (iii) Selektivitets- / polaritets-indekser McReynolds-konstant-verdier for noen utvalgte typiske SF er: (McReynolds-konstantene er i dag de mest brukte av de to konstant-typene) f.eks.: alifatisk silikoner: fenylmetyl tri-f-propyl 50%CN-pr. PEG Polyester-SF f.eks. SE30 (= 100% PDMS). CP =100 x (217/4219) = 5,1 ditto silikon di-cn-propyl (Kromatografi 1994) 24

25 25 2.B.6. c. Eluering av homologe serier: ulike aspekter; indekser (iv) CP-Indeksen (CP index) Beskriver stasjonærfase-polaritet summarisk i ett tall (glemmer er da informasjon om selektivitet (bruker «gjennomsnits-selektivitet»). Indeksen bruker McReynolds-konstantene (de første 5), referanse-fasene er hhv. Squalan (C 30 H 62, upolar, gitt indirekte gjennom bruken av McReynolds-konstantene) og OV-275 (polar polysiloksan-fase, NOTE). 1 S 5 DI (OV-275) = 4219 De fleste CP-indeksene ligger mellom 0 og 100. NOTE: (OV-275 = "cyanoallyl-silikon". Ifølge C.F. Poole (i "The Essence of Chro.", 2003) er OV-275 en poly(dicyanoalkyl)siloksan med 70 % dicyanopropyl- og 30% dicyanoetyl-grupper. 25

26 26 2.B.6. c. Eluering av homologe serier: ulike aspekter; indekser (iv) CP-Indeksen (CP index) De fleste CP-indeksene ligger mellom 0 og 100. Noen eksempler er gitt i tabellen - for disse produktene i navnet For øvrig : En GC-kolonne-produsent brukte f.eks. (nesten ) systematisk CP-indeksene for å benevne sine GC-SF'er : her er unntaket i denne figuren/tabellen CP-1301 (CP = 13,6%cyanopropyl/4%metyl), navn-kluss med "likepolar" CP-Sil 13 CB med samme polaritet (14%fenyl/86%metyl). Figur fra : Varian Inc. Chro. & Spectrosc. Supplies, ca.1998 (Varian er i mellomtiden blitt innlemmet i Agilent) 26