Гібридні методи. Газова хромато-мас-спектрометрія

Дніпропетровський національний університет імені  О. Гончара

 

КАФЕДРА АНАЛІТИЧНОЇ  ХІМІЇ

 

 

 

 

КУРСОВА РОБОТА

з аналітичної хімії

на тему:  Гібридні методи. Газова хромато-мас-спектрометрія

 

 

 

Студентки   3   курсу ХФ-08-2 групи

напряму підготовки 040101 Хімія

спеціальності  6.040101 Хімія

Бузко Я.А.

Керівник  доцент, к.х.н.

                                                                             Жук Л.П.

 

 

Кількість балів____________ 

Національна шкала ________

Оцінка  ECTS _____________

 

Члени комісії :      

                                                                                                                 __________ Сиротина Н.О.                                                                                                                                                      

___________       Божко С.Ю.

                                                                                                                                                                 

____________     Дудка С.П.

 

 

м. Дніпропетровськ, 2012 р.

ЗМІСТ

 

 

ВСТУП

 

Газова хромато-мас-спектрометрія (ГХ-МС) є гібридним методом аналізу, з цієї причини вона повинна розглядатися як поєднання газової хроматографії і мас-спектрометрії. Процеси розділення і аналізу тут протікають абсолютно  незалежно один від одного.

На сьогоднішній день газова хромато-мас-спектрометрія (ГХ-МС) є найбільш широко використовуваним різновидом органічної мас-спектрометрії. Стиковка газового хроматографа і мас-спектрометра була абсолютно логічною, оскільки обидва методи використовувались для аналізу суміші органічних сполук в газовій фазі і мали приблизно рівну чутливість. Єдиною проблемою для об'єднання двох методів в єдиному приладі був робочий тиск. Газовий хроматограф працює при атмосферному тиску, а мас-спектрометр в умовах глибокого вакууму. Основні принципи стикування були сформульовані і втілені в життя в 1957 році. Початкові проблеми, пов'язані з недостатньою потужністю  вакуумних систем і набивними колонками з робочими потоками газу-носія 30 мл / хв., вирішувалися установкою сепараторів різного типу. Ці прилади розміщувались між вихідним кінцем колонки хроматографа і йонним джерелом мас-спектрометра і призначалися для заповнення проби аналізованою речовиною за рахунок вибіркового відкачування значно більш легкого газу-носія. Поява більш потужних вакуумних систем і капілярних колонок з меншими потоками (0,5-2 мл / хв.) значно полегшило задачу, а заміна металу або скла, з яких виготовлялися колонки, на плавлений кварц дозволила ввести кінець колонки безпосередньо в йонне джерело. Все  це зробило метод ГХ-МС простим і ефективним.

 

1. Гібридні методи

 

Гібридні методи  аналізу — група методів, що базуються на поєднанні різноманітних способів розділення багатокомпонентних сумішей, концентруванні компонентів, їх ідентифікації і визначенні. Реалізація цих аналітичних операцій може бути виконана як в одному, так і декількох окремих приладах.

Найбільш перспективними серед гібридних методів  аналізу є методи, що поєднують хроматографічний аналіз (газову хроматографію, рідинну хроматографію, високоефективну рідинну хроматографію (ВЕРХ)) з мас-спектрометрією та ІЧ-спектрофотометрією, а також екстракційні методи розділення і концентрування з різними фізико-хімічними методами аналізу: екстракційно-фотометричним, екстракційно-флуоресцентним, екстракційно-рефрактометричним, екстракційно-полярографічним, екстракційно-йонометричним, екстракційно-кондуктометричним, екстракційно-плазмофотометричним, екстракційно-хроматофотометричним, екстракційно-осцилополярографічним, екстракційно-атомноабсорбційним.

Гібридні методи  аналізу значно підвищують селективність і чутливість визначень, зокрема різноманітних домішок. У фармацевтичному аналізі вони знайшли застосування при визначенні та ідентифікації компонентів багатокомпонентних лікарських форм у них як органічної,так і неорганічної природи, при аналізі слідових кількостей папаверину, кодеїну, кокаїну, ефедрину та ін., при дослідженні метаболітів у біологічних матрицях[1].

Серед аналітичних методів, що найбільш інтенсивно розвиваються в останні роки, важливе місце належить газовій хроматографії. Вона типова  для методів, які називають гібридними. Тут злиті воєдино спосіб поділу (хроматографична колонка) і спосіб неселективного визначення розділених компонентів (детектор). Така гібридизація реалізується в одному компактному приладі. Таким чином, гібридними вважаються способи аналізу, у яких органічно об'єднані поділ і визначення. Це об'єднання - не просто послідовне використання двох прийомів. З'являється нова якість: методи поділу й визначення утворять не «механічну суміш», а нову «хімічну сполуку».

Газова хроматографія  дозволяє розділяти й визначати речовини, що мають значну  летючість й термічну стійкість. Багато органічних сполук мають такі властивості. Переваги газової хроматографії - високий ступінь поділу, відносна простота, низька межа виявлення, можливість автоматизації.

Розвиток цього методу, випуск зроблених хроматографів  дозволили вирішити багато складних завдань аналізу нафтопродуктів, полімерних матеріалів, синтетичних кислот, спиртів, біологічно активних речовин і багатьох інших об'єктів. Фахівці в цій області - А.А. Жуховицький, Н.М. Туркельтауб, А.В. Кісєльов, В.Г. Березкин, К.И. Сакодинський і багато хто інших - внесли великий вклад у розвиток методу. Запропоновано багато нових варіантів газової хроматографії, налагоджений випуск апаратур для газової хроматографії. Хроматографи серії «Цвєт» відзначені державною премією.

Успіхи газової хроматографії  можна ілюструвати на прикладі її використання в одній лише галузі - у нафтохімії. Це основний метод аналізу в нафтохімічному виробництві. Більша експресність визначень, низька межа виявлення й простота експерименту роблять свою справу: близько 90 % усіх аналізів у даній галузі доводиться на частку газової хроматографії.

Хоча найбільше поширення  газова хроматографія одержала в  аналізі сумішей органічних речовин, вона придатна й для цілей неорганічного аналізу. Деякі сполуки металів мають досить високу летючість і термічну стійкість.

Як детектор для визначення компонентів, розділених у газохроматографичному стовпчику, можна використати мас-спектрометр. У цьому випадку ми одержуємо ще більш складний гібрид: систему газовий хромато - мас-спектрометр. Ця комбінація одержала широке поширення також і за кордоном, причому, таке сполучення забезпечує експресність визначень, низька межа виявлення. Ця комбінація обрана в США для оснащення державних лабораторій контролю якості природних вод. Інша система з тих же компонентів використовується для ідентифікації лікарських речовин і їхніх метаболітів, що містяться в організмі людини, наприклад у крові. Установка дозволяє швидко ідентифікувати більше 400 ліків, їхніх метаболітів, природних речовин, що утримувані в організмі, і різних домішок.

 

 

2. Поняття про хроматографію

 

        У 1952 р. англійський учений А.Дж. Мартін і його співробітник А.Джеймс, займаючись аналізом жирних кислот, зробили два дуже важливих спостереження. По-перше, вони виявили, що методом хроматографії можна розділити не тільки розчинені рідкі речовини, але також гази і пари. По-друге, вони показали, що поділ може здійснюватися не тільки завдяки багаторазовому повторення циклу адсорбція-десорбція, але і шляхом чергування абсорбції і десорбції.

Слова адсорбція і  абсорбція відрізняються між собою однією літерою, але використовуються вони для позначення абсолютно різних процесів. Адсорбція являє собою концентрування речовини на поверхні розділу фаз (твердої-газоподібної, твердої-пароподібної, твердої-рідкої). При абсорбції розчини, гази або пари теж стикаються з рідкою фазою, але молекули цих речовин не затримуються на поверхні розділу, а поглинаються, тобто розчиняються, в об’ємі рідини і твердого тіла (рис.1).

Явища, пов'язані з  абсорбцією газів в рідинах, лежать в основі газорідинної хроматографії найбільш поширеного в даний час методу розділення. Коли над рідким розчином знаходиться газ, то між молекулами газу, які розчиняються в рідині і тими, що залишаються в газовій фазі, встановлюється динамічна рівновага. Якщо над рідиною знаходиться не індивідуальний газ, а суміш газів і ця суміш почне переміщатися, то окремі компоненти газової суміші, маючи різну розчинність в цій рідині, пересуваються з різними швидкостями. У кінцевому рахунку газова суміш розділиться на складові частини.

Як видно, принцип поділу рідких сумішей, запропонований Цвєтом, може знайти застосування і для аналізу сумішей газів. Впровадження цього принципу в аналітичну практику відкрило «золотий вік» хроматографії, який триває і в наші дні. 

 
         Рис. 1 - Адсорбція і абсорбція на межі розділу рідкої і газової фаз

 

Більшість хроматографічних методів засновано на тому, що аналізована суміш разом з рухомою фазою пропускають через хроматографічну колонку. В залежності від того, чи є нерухома фаза твердим носієм або рідиною, компоненти аналізованої суміші адсорбціюються на поверхні твердого тіла або розчиняються в рідині. У результаті ці компоненти утримуються нерухомою фазою і просуваються по колонці повільніше, ніж інертна рухома фаза. Якщо умови хроматографії сприятливі для поділу, то кожен компонент утримується нерухомою фазою по-різному. В результаті швидкості просування окремих компонентів вздовж колонки будуть неоднакові, і, як і в дослідах Цвєта, кожен компонент утворює своє «кільце», і ці «кільця», або, як їх називають, зони, роздільно, одна за одною вийдуть з колонки.  

Механізм поділу сумішей  у колонці не залежить від того, чи знаходяться окремі компоненти в газовій фазі або в рідкому розчині, хоча хроматографи, призначені для маніпулювання з газами і рідинами, мають різну конструкцію. Прилад для аналізу сумішей у вигляді газу або пари називається - газовим хроматографом, а метод аналізу - газовою хроматографією. Рідкі суміші аналізують за допомогою рідинного хроматографа, і метод аналізу отримав назву рідинної хроматографії.

 

 

3. Устаткування для хроматографії

 

Всі хроматографи мають  чотири основні частини: пристрій введення проби, хроматографічна колонка, детектор, реєстратор. Принципова схема газового хроматографа наведена на рис. 2.

 
           

 

Рис. 2 - Схема газового хроматографа  

 

Колонку, в якій відбувається поділ сумішей, справедливо вважають «душею хроматографа», хоча в сучасних приладах цей пристрій зовсім несхожий на широку трубку, використану Цвєтом в своїх перших дослідах. Як правило, хроматографічні колонки виготовляють з металевих або скляних, а зараз і кварцових трубок, внутрішній діаметр яких не перевищує 2 мм, довжина змінюється від декількох сантиметрів до декількох метрів. Для того щоб довгі трубки можна було б помістити в камеру хроматографа з регульованою температурою, тобто в термостат, їх зазвичай скручують у спіраль. У таких колонках знаходиться нерухома фаза. Тверда нерухома фаза являє собою пористий адсорбент. Колонки з рідкої нерухомою фазою можна приготувати двома способами. Перший спосіб полягає в тому, що в колонку поміщають твердий адсорбент, заздалегідь просочений рідкою фазою. Другий спосіб полягає в тому, що рідку фазу наносять на стінки довгих капілярів. 

Важливою деталлю хроматографа є дозатор-пристрій для введення проби, яке дозволяє швидко у вигляді  компактної порції ввести в потік  газу-носія строго певну кількість  аналізованого речовини. Дуже часто пробу вводять наступним чином. Спочатку зразок набирають у шприц-дозатор голкою медичного шприца, а потім, як показано на рис. 3, цією голкою проколюють силіконову прокладку і вводять відповідний об'єм зразка в потік газу-носія.

 
                                                    

Рис. 3 - Введення проби шприцом-дозатором через резинову прокладку

 

Інший поширений метод  введення проби полягає в наступному. Спочатку потік досліджуваного газу пропускають через невелику трубку, об’єм якої попередньо був точно визначений. Потім поворотом крана в цей відомий об’єм поступає газ-носій і виштовхує звідти в колонку залишки проби. Дозатор газового хроматографа, забезпечений обігрівачем для обігріву і це дає можливість подавати в прилад рідкі при кімнатній температурі проби. Дозатор обігрівається і дуже швидко випаровує рідку пробу, утворені пари потрапляють в потік газу-носія і разом з газом надходять в розділову колонку хроматографа.

Для того, щоб простежити за процесом поділу, треба точно  виміряти час проходження даного компонента суміші через колонку, тобто  час виходу з колонки. Цій меті служить детектор-пристрій, здатний давати електричний сигнал при зміні будь-якої фізичної властивості компонентів, що виходять з колонки. Якщо через детектор проходить газ-носій, на діаграмній стрічці записується більш-менш горизонтальна пряма, яку називають нульовою лінією. Якщо ж з потоком газу-носія в детектор потрапляє визначуваний компонент з іншими, ніж у газу-носія, фізичними властивостями, перо самописця почне відхилятися від нульової лінії і переміщатися в напрямку, перпендикулярно напрямку руху діаграмної стрічки. Після проходження через детектор розділеної на компоненти суміші, хроматограма (запис на діаграмній стрічці) являє собою набір колоподібних піків, кожен пік відповідає, як правило, одному компоненту (рис. 4).

 
Рис. 4 - Графічна залежність висоти хроматографічного піку від часу

 

Детектор здатний реєструвати  зміну якихось певних визначуваних фізичних властивостей суміші, наприклад її теплопровідності або показника заломлення. Оскільки фізичні властивості вихідної з колонки суміші залежать від складу, момент проходження через детектор окремої зони реєструється відповідним сигналом. Для ідентифікації органічних речовин використовується так званий час утримування, тобто час, що минув з моменту введення проби в хроматограф до моменту появи речовини в детекторі (рис. 5).