Chromatografia gazowa jest szybką i skuteczną metodą rozdzielania mieszanin związków lotnych. Znalazła szerokie zastosowanie do identyfikacji i oznaczeń ilościowych złożonych mieszanin. Zgodnie z klasyfikacją wyróżnia się następujące rodzaje chromatografii gazowej:
1) chromatografia w układzie gaz-ciało stałe (lub adsorpcyjna chromatografia gazowa) - fazą ruchomą jest gaz, a fazą stacjonarną ciało stałe-adsorbent (ang. gas - solid chromatography – GSC).
2) chromatografia w układzie gaz-ciecz (lub gazowa chromatografia podziałowa) (ang. gas - liquid chromatography – GLC) - fazą ruchomą jest gaz, a fazą stacjonarną ciecz naniesiona na nośnik.
Chromatografia gazowa jest metodą stosunkowo „młodą”, gdyż pierwsze prace, w których ją opisano ukazały się w 1952 roku (James i Martin - chromatografia gazowa podziałowa, Cremer i Janak - chromatografia gazowa adsorpcyjna).
Rozdział mieszanin metodą chromatografii gazowej prowadzi się najczęściej techniką wymywania (elucji). Na szczyt kolumny chromatograficznej nanosi się próbkę analizowanej mieszaniny, a następnie przepuszcza się przez kolumnę gaz nośny, który pełni rolę czynnika wymywającego. Efekt rozdziału chromatograficznego jest wykreślany w postaci chromatogramu (krzywej elucji). Chromatogram stanowi wykres przedstawiający zależność wskazań detektora od czasu lub objętości gazu nośnego. Typowy chromatogram mieszaniny dwuskładnikowej przedstawiono na rys. 1.
Wielkościami, które w określonych warunkach rozdziału charakteryzują daną substancję pod względem jakościowym, są: czas retencji i objętość retencji.
Czas retencji:
a) ) całkowity czas retencji danego składnika tR - czas liczony od momentu wprowadzenia próbki do momentu pojawienia się na chromatogramie maksimum danego piku, tzn. do momentu pojawienia się na wyjściu kolumny maksymalnego stężenia wymywanego związku,
b) martwy czas retencji tM - czas retencji gazu nie ulegającego adsorpcji (np. He),
c) zredukowany czas retencji t’R - czas retencji danego składnika liczony od martwego czasu retencji,
d) skorygowany (poprawiony) czas retencji toR:
gdzie j - współczynnik korekcyjny, uwzględniający spadek ciśnienia w kolumnie:
gdzie: pi - ciśnienie na wejściu kolumny, po - ciśnienie na wyjściu kolumny,
e) względny czas retencji:
gdzie: indeks i oznacza dowolną substancję, indeks w - substancję wzorcową.
a) całkowita objętość retencji danego składnika VR - objętość gazu nośnego potrzebna do wymycia tego składnika, mierzona od momentu wprowadzenia próbki do momentu pojawienia się na chromatogramie maksimum danego piku:
gdzie: Fo - objętościowa prędkość wypływu gazu nośnego z kolumny (w cm3/min), określona w temperaturze i pod ciśnieniem panującym na wylocie kolumny,
b) martwa (zerowa) objętość retencji VM:
czyli:
c) zredukowana objętość retencji V’R:
d) skorygowana (poprawiona) objętość retencji:
e) absolutna (rzeczywista lub całkowicie poprawiona) objętość retencji VN:
Absolutna objętość retencji zależy od parametrów kolumny, temperatury kolumny, ilości fazy stacjonarnej i rodzaju badanej substancji,
f) właściwa objętość retencji Vg jest to absolutna objętość retencji przeliczona na 1 g fazy ciekłej (lub 1 g adsorbentu) i temp. O°C:
gdzie: Tc - temperatura kolumny w K, wL - masa fazy stacjonarnej w kolumnie w g,
g) względna objętość retencji:
Właściwa i względna objętość retencji zależy od temperatury kolumny i współczynnika podziału, a nie zależy od parametrów kolumny.
1. współczynnik podziału K:
gdzie: cL, cG - stężenie substancji chromatografowanej, odpowiednio, w fazie ciekłej i gazowej, nL, nG - liczba moli substancji chromatografowanej, odpowiednio, w fazie ciekłej i gazowej, VL, VG - objętość fazy ciekłej i gazowej w kolumnie. Często zamiast współczynnika podziału stosuje się wielkość do niej proporcjonalną, zwaną stosunkiem podziału K’;
2. stosunek podziału k’ zwany jest również liczbą podziału lub współczynnikiem pojemności kolumny:
gdzie b - objętościowy stosunek fazy gazowej i ciekłej w kolumnie (b = VG/VL). Stosunek podziału decyduje o tym, jaki ułamek masy związku chromatografowanego znajdzie się w fazie stacjonarnej, a jaki w fazie ruchomej.
Istnieje następująca zależność między absolutną objętością retencji VN a współczynnikiem podziału i stosunkiem podziału:
Za pomocą parametrów retencji można wyznaczyć takie parametry chromatograficzne, jak indeks retencji i współczynnik selektywności (stopień rozdziału);
3. indeks retencji Ix substancji X;
przy czym:
gdzie: - zredukowany czas retencji związku x, eluowanego między węglowodorami o z i z+1 atomach węgla. Indeks retencji dowolnej substancji można określić na podstawie liniowej zależności logarytmu zredukowanego czasu retencji od liczby atomów węgla w związkach szeregu homologicznego. Zależność tę dla szeregu n-alkanów przedstawiono na rys. 2.
4. współczynnik selektywności aj,i, zwany również stopniem rozdziału S.F. (z j. ang. Separation Factor), określa w sposób ilościowy możliwość rozdzielenia dwóch substancji j i i:
Selektywność rozdziału zależy nie tylko od rodzaju analizowanych składników, ale również od rodzaju fazy ciekłej. Gdy faza ciekła zostanie źle dobrana, tzn. gdy wartości współczynników podziału substancji j i i będą zbliżone, wówczas mimo sprawnej kolumny nie uda się rozdzielić od siebie obu składników (aj,i » 1). W przypadku gdy substancja i nie ulega podziałowi między dwie fazy, współczynnik selektywności a oblicza się za pomocą następującego wyrażenia:
Znane są dwie podstawowe teorie chromatografii gazowej: teoria półek i teoria kinetyczna. Obie teorie zostały opracowane dla chromatografii podziałowej (w układzie ciecz-gaz), jednakże wyprowadzone zależności matematyczne są również słuszne w przypadku chromatografii adsorpcyjnej (w układzie ciało stałe-gaz).
Teoria półek opisuje proces zachodzący w kolumnie chromatograficznej w sposób bardzo uproszczony. Wyniki uzyskane za pomocą tej metody należy traktować jako orientacyjne, gdyż odnoszą się do warunków wyidealizowanych. W teorii tej wprowadza się wielkość zwaną wysokością równoważną półce teoretycznej (WRPT). Pod pojęciem półki teoretycznej należy rozumieć część objętości kolumny, w której zostaje osiągnięty stan równowagi między stężeniami substancji chromatografowanej w fazie ruchomej i nieruchomej. Odcinek długości kolumny odpowiadający tej jednostkowej objętości nosi nazwę wysokości równoważnej półce teoretycznej (WRPT).
Kolumna chromatograficzna składa się z N hipotetycznych półek teoretycznych, czyli:
L = NH
gdzie: L - długość kolumny, H - wysokość półki teoretycznej. Liczbę hipotetycznych półek teoretycznych oblicza się dzieląc długość kolumny przez wysokość półki teoretycznej:
Po wprowadzeniu substancji na „pierwszą półkę” kolumny ulegnie ona podziałowi między fazę gazową i fazę ciekłą, zgodnie z wartością współczynnika podziału K. Rozkład stężeń substancji chromatografowanej po przejściu przez N kolejnych półek stanowiących kolumnę opisuje funkcja:
gdzie: h - wysokość piku, s - parametr kształtu krzywej, zwany odchyleniem standardowym, m - współczynnik położenia krzywej (m = tR), x - dowolny czas retencji. Wykresem tej funkcji jest krzywa Gaussa przedstawiona na rys. 3
Piki położone w niewielkiej odległości od linii startu mają małe wartości współczynników s. Ze wzrostem x wzrasta wartość współczynnika s, co powoduje „rozmywanie” pików. Szerokość piku, wyznaczona na osi odciętych przez styczne, wynosi 4s. Między szerokością piku, liczbą półek teoretycznych i czasem retencji istnieje zależność:
Często zamiast wykreślania stycznych w celu wyznaczenia wartości 4s mierzy się szerokość piku w połowie jego wysokości (W0,5h). Ponieważ W0,5h=2,35s, zatem:
Znając liczbę półek teoretycznych danej kolumny chromatograficznej można określić wysokość równoważną półce teoretycznej (WRPT), a ...
dusia_ziom