Fhp Gc Ms Integralni Tekst

Gasna hromatografija

3. GASNA HROMATOGRAFIJA

Gasna hromatografija je metoda kvalitativne i kvantitativne analize gasnih smeša, ali se u analitičke svrhe koristi prvenstveno za kvantitativnu analizu. Metoda se zasniva na razlici koeficijenata raspodele pojedinih komponenti smeše izmeñu gasovite, pokretne i čvrste ili tečne, nepokretne faze. Zahvaljujući tome gasna hromatografija se koristi i za ispitivanje brojnih fizičkohemijskih karakteristika sistema gas/čvrsto odnosno gas/tečno, kao što su adsorpcione odnosno particione izoterme, termodinamičke funkcije (slobodna energija, entalpija, entropija) raspodele, koeficijenti aktivnosti, specifična površina čvrste faze i sl. Otkriće hromatografske metode potiče iz 1903 godine od strane ruskog biohemičara Cvet-a. Meñutim razvoj gasne hromatografije kao varijante hromatografskih metoda počinje od 1946 godine. Sve do kraja 50-tih hromatografi su izrañivani u pojedinačnim verzijama od strane zainteresovanih istraživača. Danas se gasni hromatografi proizvode komercijalno od strane mnogih specijalizovanih proizviñača naučno-istraživačke opreme. Sasvim je uobičajeno da svaki savremen ureñaj sadrži više tipova detektora gasnih komponenti. Neki imaju mogućnost programirane promene temperature u toku analize. Naročite pogodnosti kod primene ove metode dostignute su danas kod kvantitativne analize odreñenih tipskih smeša u standardnim uslovima. Naime, primenom računara sa datotekama podataka o vremenima zadržavanja komponenti odreñene vrste uz odgovarajuće računske programe, moguće je za vrlo kratko vreme po okončanju hromatografske analize dobiti podatke o hemijskom sastavu smeše i o procentualnom učešću svake komponente u smeši. Zahvaljujući visokoj osetljivosti koja se kreće do 10-15 g/s gasna hromatografija je stekla status nezamenljive i brze mikroanalitičke metode. Njom se isključivo vrši atestiranje čistoće komercijalnih komprimovanjih gasova. Obično je temperaturski radni opseg gasnih hromatografa izmeñu sobne i 4000C. Tečnost ili čvrsta supstanca čija temperatura ključanja, odnosno sublimacije, leži u tom temperaturskom intervalu takoñe može biti objekt gasno-hromatografske analize, budući da je u stanju pare. Poznata je, na primer, upotreba gasne hromatografije za analizu sastava alkoholnih pića, analizu sadržaja alkohola u krvi, analizu lekova, insekticida, droga i sl. Stoga je razumljivo što su gasni hromatografi gotovo obavezan deo opreme svake naučno-istraživačke ili kontrolno-industrijske laboratorije ili laboratorije SUP, carinskih službi, medicinskih ustanova itd. Eksperimentalno i teorijsko iskustvo u oblasti gasne hromatografije danas je vrlo opširno i sadržano je u ogromnom broju publikovanih naučnih radova, kao i u brojnim udžbenicima i monografijama.


Podela hromatografskih metoda na tipove je izvedena prema preovlañujućim fenomenima koji uzrokuju razdvajanje:

• Adsorpciona hromatografija –stacionarna faza je čvrsta supstanca, a tečnost ili gas predstavljaju mobilnu fazu. Adsorpcija se odvija na površini stacionarne faze. Ravnoteža koja se uspostavlja izmeñu adsorbata sorbovanog na površini i rastovorenog u mobilnoj fazi služi kao osnova za razdvajanje molekula adsorbata (za polarna jedinjenja).

• Particiona (podeona) hromatografija – stacionarna faza je tanak film tečne faze na površini čvrstog nosača. Adsobat se rasporeñuje izmeñu tečne stacionarne faze i tečne ili gasne mobilne faze;

• Jonoizmenjivačka hromatografija – anjonska kada je analit anjon a vezujuća faza pozitivno naelektrisana; katjonska kada je analit katjon a vezujuća faza negativno naelektrisana (elektrostatičke sile). Stacionarna faza je čvrsta, najčešće smole, a mobilna faza je tečnost.

• Hromatografija na bazi veličine molekula (gel hromatografija) – nema interakcije izmeñu stacionarne faze i adsorbata. Tečna ili gasovita faza prolazi kroz porozni gel pri čemu se molekuli odvajaju na osnovu veličine. Veći molekuli izlaze brže iz kolone jer ne prolaze kroz pore gela, dok manji molekuli mogu da proñu kroz pore gela i njihov preñeni put je znatno duži.

3.1. Konstrukcija gasnog hromatografa

Svaki gasni hromatograf mora da sadrži minimum osnovnih delova koji obezbeñuju njegovu funkcionalnost. Na slici 3.1. je prikazana tipična shema gasnog hromatografa.


Slika 3.1. Shema gasnog hromatografa.Opis delova označenih različitim brojevima dat je u tekstu.

U radnom režimu kroz hromatograf ravnomernom brzinom struji noseći gas. Za noseći gas se bira hemijski inertan gas koji se minimalno adsorbuje na potencijalno korišćenim adsorbensima, fizički se maksimalno razlikuje od komponenti potencijalnog uzorka za analizu, a u praksi je dostupan u dovoljnim količinama. Ove uslove najbolje zadovoljavaju helijum i argon, ali se često koriste i azot i vodonik. Izvor nosećeg gasa je obično boca za komprimovane gasove (1). Brzina protoka nosećeg gasa reguliše se grubim i finim regulacionim ventilima (2, 3). Ako je gas vlažan poželjno je da se provede kroz kolonu za sušenje (4). Ulazni pritisak nosećeg gasa očitava se na preciznom manometru (5). Na putu nosećeg gasa je i cev za predgrevanje (6) u kojoj mu se temperatura izjednjačava sa radnom temperaturom hromatografa. U poloćaju označenom sa (7) nalazi se ureñaj za doziranje uzorka kroz koji se uzorak analizirane smeše ubacuje u struju nosećeg gasa. U struju nosećeg gasa uzorak dospeva u hromatograsku kolonu (9) u kojoj se komponente smese razdvajaju i u različita vremena dospevaju do detektora (8) smeštenog na izlazu kolone. Iza kućišta detektora smešten je merač protoka nosećeg gasa (11) kojim se precizno meri zapreminska brzina noseeg gasa. Iz merača protoka noseći gas ide u slobodnu atmosferu.


Za dobijanje hromatograma, odnosno registrovanje pojavljivanja svake od komponenti analiziranog uzorka, koristi se pisač (12), vezan za hromatografski detektor. Isprekidanom linijom obuhvaćeni su delovi hromatografa koji se nalazi u zoni kontrolisane temperature, koja predstavlja radnu temperaturu. 3.2. Doziranje uzorka

Uzorci koji se analiziraju gasnom hromatografijom mogu biti gasoviti ili tečni što uslovljava i različit način uvoñenja u struju nosećeg gasa. Za unošenje gasovitih uzoraka koriste se slavine sa četiri kraka, čiji se princip rada može prikazati na uprošćenoj shemi na slici 3.2.

Slika 3.2. Uprošćena shema slavine Slika 3.3. Shema upravljača za za uzmanje gasovitih uzoraka tečne uzorke. Strelice pokazuju tok nosećeg gasa. U polaznom položaju, kroz jedan kanal slavine prolazi noseći gas a drugi se puni uzorkom. Rotiranjem slavine za 1800 kanal ispunjen uzorkom uvodi se na put nosećeg gasa. Zapremina uzorka se može podešavati izmenjivim produžecima kanala za uzimanje uzorka, u slučaju kada je potrebno uskladiti količinu uzorka sa osetljivošću detektora.


Tečni uzorci se odmeravaju i doziraju pomoću specijalnih hromatografskih špriceva. Količina uzorka koja zadovoljava osetljivost detekcije unosi se u dozator tečnih uzoraka probadanjem zaptivne gume pomoću igle šprica. Tečnost se istiskuje na grejač - telo dozatora koje je uvek za desetak stepeni toplije od radne temperature, tu brzo ispari i kao para biva odnešena strujom nosećeg gasa. Mada je zaptivka dozatora od vrlo elastične gume, ona mora često da se menja jer od upotrebe gubi zaptivnu funkciju. 3.3. Hromatografska kolona

Hromatografska kolona je osnovni deo hromatografa. Oblik kolone prilagoñen je obliku termostatske komore, a nekoliko karakterističnih oblika predstavljeno je na slici 3.4.

Slika 3.4. Oblici hromatografskih kolona Obloga kolone se pravi od nerñajućeg čelika, termootporne plastike i stakla, mada se staklo zbog lomljivosti nerado koristi. Vrlo dugačke, uske kolone prečnika reda 1 mm zovu se kapilarne kolone. Kolone su izmenjive, tako da se u skladu sa prirodom uzorka može odabrati odgovarajuća kolona. Kolona se puni granulovanim adsorbensom visoke specifične površine. Ako je u pitanju particiona hromatografija, koriste se kolone ispunjene granulama čvrste faze pokvašene tečnošću. Punjenje kolone predstavlja nepokretnu fazu. Prečnik granula nepokretne faze odreñuje ukupnu slobodnu zapreminu kolone, od koje zavisi otpor kolone protoku nosećeg gasa. U kapilarnim kolonama nepokretna faza je nanešena na zidove kapilare, dok noseći gas struji kroz centralni deo preseka. Ovom slučaju otpor


kolone protoku nosećeg gasa obrnuto je srazmeran površini preseka kolone. Izbor punjenja kolone zavisi od prirode analiziranog uzorka. Nabrojani su karakteristični materijali koji se koriste kao nepokretne faze u gasnoj hromatografiji, intervali temperatura u kojima se mogu koristiti i vrste gasova odnosno para koje se na njima dobro razdvajaju.

a) Adsorbensi za adsorpcionu hromatografiju

1. Aktivni ugalj. Dobija se karbonizacijom antracita,drvenog uglja i sl.

Dostiže specifičnu površinu i do 100 m2/g. Primenljiv za sve radne temperature u hromatografiji. Pošto nema specifičnih hemijskih grupa na površini, može da se koristi za analizu i polarnih i nepolarnih gasova i para, ali male molekulske težine (H2, Ar, Xe, CO2 i ugljovodonika do C4). 2. Teflon. Teflon je po sastavu politetrafluoretilen, (-CF2-CF2)n, kristalni

polimer molekulske težine (5-20) . 105. Specifična površina mu je oko 10m2/g. Stabilan je do 300 0C i pošto ne sadrži specifične grupe i ima malu specifičnu površinu, koristi se za razdvajanje polarnih i teže ključajućih tečnosti. 3. Porapak. To je po hemijskom sastavu etilvinilbenzol polimerizovan

divinilbenzolom. Može se drugim dodacima modifikovati da sadrži različite površinske grupe i da ima različitu specifičnu površinu od nekoliko desetina do 2-3 stotine m2/g. Stabilan je do 250 0C. Osnovna osobina svih tipova porapaka je što se voda i druga visokopolarna jedinjenja slabo adsorbuju na njima i izlaze lako iz kolone dajući oštre nerazvučene pikove. Koriste se za efektivno razdvajanje nisko ključajućih ugljovodonika, alkohola, složenih etara, ketona, i niskomolekularnih jedinjenja koja sadrže halogene i sumpor. 4. Silikagel. Silikagel je gel silicijumove kiseline, i po strukturi polimer

sledećeg sastava: (-O-Si(OH)-O-Si(OH)-). Pošto sadrži polarne OH grupe, spada u polarne, specifično delujuće adsorbense. U zavisnosti od načina izrade može se dobiti sa specifičnom površinom od 100 do 1000 m2/g. Mogu se koristiti do 400 0C meñutim na višim temperaturama dolazi do delimične dehidratacije. Koristi se za razdvajanje smeša koje sadrže vazduh, etan, etilen, acetilen, propan, propilen i butilene. 5. Zeoliti. To su aluminosilikati sunñeraste, kavezne strukture, sa prečnikom

kaveza (4-10).10-10 m i specifične površine 750-1000 m2/g. Predstavljaju vrlo jake, specifične adsobense. Stabilni su na svim temperaturama koje se primenjuju u gasnoj hromatografiji. Upotrebljavaju se za razdvajanje lakih, nepolarnih gasova, dok polarni i teži molekuli imaju suviše velika vremena zadržavanja ili se ireverzibilno adsorbuju. 6. Aluminijumoksid (Al2O3). Koristi se u obliku granula različitih prečnika, a

proizvodi se sa specifičnom površinom od jedne do više stotina m2/g.


Koristi se za razdvajanje lakih nepolarnih ugljovodonika, jer se zbog njegove polarnosti i velike površine složenija jedinjenja suviše jako adsorbuju. Temperaturski interval upotrebe aluminijumoksida nije ograničen.

b) Tečnosti-nepokretne faze u particionoj hromatografiji Za particionu gasnu hromatografiju pogodne tečnosti se nanose na neki nosač sitne granulacije. Najrašireniji način je natapanje nosača u rastvor ove tečnosti u nekom isparljivom rastvaraču. Posle ispiranja rastvarača na granulama nosača zaostaje tanak film tečne faze. Granulama se puni hromatografska kolona. Kao nosači tečnih nepokretnih faza koriste se razni materijali: kaolin, šamot, teflon, sprašeno staklo, kuhinjska so, dijatomejska zemlja (silikatne ljušture mikroorganizama) i dr. Šira klasa nosača se koristi pod zajedničkim nazivom hromosorb, a uključuje različita neorganska i organska jedinjenja. Osnovna odlika pojedinih nosača iz ovog skupa je specifična površina, koja se kreće u intervalu 1-8 m2/g. 3.4. Detektori u gasnoj hromatografiji

Funkcija detektora je da na promenu koncentracije pokretne faze reaguje srazmernim naponskim ili strujnim signalom, što omogućuje da se rezultat hromatografske analize regustruje u vidu niza otklona mernog instrumenta u funkciji vremena. Detektor na bazi toplotne provodljivosti. Detektori ovog tipa su niti inertnih metala, platine ili volframa, ili poluprovodnički otpornici, čiji električni otpor je funkcija temperature. Detektori ovog tipa koriste se u parovima, kao susedne grane Vitsonovog mosta, prema shemi na slici 3.5. Pošto se most napaja električnom strujom, niti detektora su na povišenoj temperaturi u odnosu na temperaturu kućišta.


Slika 3.5. Detektor na bazitoplotne provodljivosti gasa. A) Presek kućišta:1.ulaz nosećeg gasa, 2.izlaz ka dozatoru uzorka, 3.referentni detektor, 4.izlaz iz kolone, 5. radni detektor, 6. izvodi za Wheatstone-ov most. B)uprošćena shema vezivanja detektora R i S u most: 1. Baterija od 9V, 2.prekidač za promenu polariteta mosta, 3. voltmetar, 4. grubo i 5. fino podešavanje nule pisača, 6. potenciometar za podešavanje veličine signala koji vodi u pisač (ranga detekcije). Jedan od detektora, koji služi kao referentni, stalno je u struji čistog nosećeg gasa, pošto je smešten ispred ureñaja za doziranje uzorka. Drugi, radni, nalazi se na izlazu hromatografske kolone, tj. na udaru gasa promenljivog sastava. Pre ubacivanja uzorka, oba detektora su u struji čistog nosećeg gasa, tj. imaju stacionarnu temperaturu koja je funkcija toplotne provodljivosti nosećeg gasa, i most je u ravnoteži. Kada na radni detektor naiñe neka od komponenti analiziranog uzorka, to prouzrokuje promenu režima hlañenja radnog detektora, pojavljuje se razlika temperature radnog i referentnog detektora, odnosno debalans mosta, i registrujući ureñaj beleži otklon srazmeran koncentraciji komponente u nosećem gasu. Jasno je da osetljivost detektora na bazi toplotne provodljivosti zavisi od odnosa toplotne provodljivosti ispitivane komponente i nosećeg gasa. Ako su obe toplotne provodljivosti jednake, odgovarajuća komponenta se ne može registrovati. Plameno-jonizacioni detektor. Izgled ovog detektora dat je na slici 3.6.A, a njegov način vezivanja u električno kolo dat je na slici 3.6.B. Princip dejstva je da noseći gas po izlasku iz kolone struji kroz vodonični plamen gde se delimično jonizuje, nastali joni čine atmosferu provodnom i omogućuju električnu struju, koja modifikuje pad napona kroz veliki otpor R. Pad napona je konstantan dok u detektor dolazi čist noseći gas, i registruje se pravom linijom na pisaču. Kada se u struji nosećeg gasa nañe


druga komponenta, koja se bolje ili lošije jonizuje, struja u električnom kolu se menja i pisač registruje pik srazmeran koncentraciji strane komponente.

Slika 3.6. Plameno-jonizacioni detektor. A) Stvarni izgled u preseku, B) Shema vezivanja u električno kolo. 1. dovod nosećeg gasa, 2.dovod vodonika, 3.dovod vazduha, 4.difuzor, 5. elektroda, 6.električni upaljač, 7.izolator, 8.pisač. Detektor na bazi zahvata elektrona. Shematski prikaz detektora dat je na slici 3.7. Njegov način vezivanja u električno kolo potpuno je analogan plameno-jonizacionom detektoru. U komori detektora takoñe kao u plameno-jonizacionom detektoru, vrši se jonizacija nosećeg gasa ali na bazi zahvatanja elektrona koje emituje neki radioaktivni β-emiter.

Slika 3.7. Shematski prikaz detektora na bazi zahvata elektrona. 1.anoda,

2.mrežica za homogenizaciju gasa, 3. β-emiter, 4. katoda.

Detektor je specijalno osetljiv na organska jedinjenja koja sadrže halogene (Cl, Br), azot i olovo. Noseći gas je azot ili vodonik visoke čistoće, a argon se ne preporučuje. Dok u komoru detektora dospeva čist noseći gas, električna provodljivost atmosfere je konstantna, i na otporu u kolu


postoji konstantan pad napona koji se na pisaču registruje pravom linijom. Kada struja nosećeg gasa donese iz kolone stranu komponentu, koja se od nosećeg gasa razlikuje po sklonosti zahvatanja elektrona, provodljivost gasa u komori se menja i pisač registruje odgovarajuću promenu napona kao pik srazmeran koncentraciji komponente u nosećem gasu. Svaki savremen hromatograf sadrži detektor na bazi toplotne provodljivosti i plameno-jonizacioni detektor. Detektor na bazi zahvata elektrona se reñe ugrañuje. Drugi specijalni detektori su argonski i fosforni detektori. Fosforni detektor je modifikacija plameno-jonizacionog, specijalno osetljiv na organska jedinjenja koja sadrže fosfor, a argonski je analogan detektoru na bazi zahvata elektrona, ali se za noseći gas obavezno koristi argon. Mada prag detekcije hromatografskih detektora zavisi od prirode analiziranog uzorka i režima rada, smatra se da se u optimalnom slučaju detektorom na bazi toplotne provodljivosti mogu detektovati koncentracije do 10-8 g/ml, a plameno-jonizacionim i detektorom na bazi zahvata elektrona mogu detektovati protoci uzorka do 10-15 i 10-14 g/s. 3.5. Teorija ravnotežne hromatografije

Primena hromatografije za odreñivanje različitih fizičko-hemijskih karakteristika sistema adsorbens/adsorbat zasniva se na uzajamnoj vezi vremena zadržavanja posmatrane komponente u hromatografskoj koloni i njene konstante raspodele izmeñu pokretne i nepokretne faze. Ova zavisnost se može relativno lako izvesti pod pretpostavkom da se adsorpciono/desorpciona ravnoteža uspostavlja beskonačno brzo, tj. da je kinetika adsorpciono/desorpcionog procesa uslovljena samo transportom mase. Hromatografija u kojoj važi ovaj uslov zove se ravnotežna (reverzibilna) hromatografija. Izvoñenje koje je opisano u ovom odeljku važi ne samo za gasnu nego i za svaki drugi vid ravnotežne hromatografije. Noseći gas se kreće izmeñu granula nepokretne faze u koloni odreñenom brzinom koja se može izraziti kao zapreminska brzina, brojem kubnih centimetara gasa kroz presek kolone u sekundi (cm3/s) ili kao linearna brzina, srednjim rastojanjem koje prevali molekul nosećeg gasa u jedinici vremena (cm/s). Analizirana komponenta se meñutim kreće sporije, jer je u svakom momentu vremena deo njenih molekula adsorbovan, pa stoga miruje na površini nepokretne faze. Što je adsorpcija jača, odnosno konstanta raspodele veća brzina analizirane komponente je manja u odnosu na brzinu nosećeg gasa. Ako je površina preseka kolone S cm2. Pošto je kolona ravnomerno ispunjena granulama nepokretne faze, svakoj jedinici dužine kolone odgovara zapremina Va koju zauzimaju granule nepokretne faze i


zapremina V koja je ostala slobodna kao integralni prosotor. Ako sa L označimo ukupnu dužinu kolone, ukupna zapremina zauzeta nepokretnom fazom je VaL, a ukupna slobodna zapremina je VL. Ako w označava zapreminsku brzinu noseće faze (tom brzinom se u isto vreme kreće i ona frakcija adsorbata koja nije adsorbovana na nepokretnoj fazi), i neka v (cm/s) označava linearnu brzinu kretanja adsorbata (koja je u proseku manja od linearne brzina noseće faze). Posmatra se vrlo mali poprečni isečak kolone dx, na udaljenosti x od početka kolone, u koji za vreme t od trenutka uvoñenja u kolonu stiže adsorbat koncentracije c (Slika 3.8.).

Slika 3.8. Izmena koncentracije analizirane komponente u pokretnoj fazi

duž vrlo tankog poprečnog sloja kolone. Duž posmatranog sloja se uspostavlja gradijent koncentracija - (əc/əx)t. Količina adsorbata koja u jedinici vremena dospeva u posmatrani sloj debljine dx (u mol/s) dobija se kao umnožak zapreminske brzine noseće faze, gradijenta koncentracija i debljine sloja: (3.1) Pošto se ravnoteža adsorpcije odmah uspostavlja, sledi da je brzina pristizanja adsorbata jednaka brzini njegove raspodele izmeñu nepokretne i pokretne faze u odnosu koji zahteva konstanta raspodele za datu temperaturu i koncentraciju. Brzina raspodele definiše se: ako je u delu kolone jedinične dužine koncentracija adsorbata u pokretnoj fazi c mol/cm3, odgovarajuća ravnotežna koncentracija u nepokretnoj fazi je ca, pa je količina adsorbata po jedinici dužine jednaka V.c + Va.ca molova. Količina u sloju debljine dx se dobija kada ovu veličinu pomnožimo sa dx. Diferenciranjem dobijenog umnoška po vremenu, dobijamo izraz za brzinu raspodele adsorbata na pokretnu i nepokretnu fazu u sloju dx: (3.2)

dxx

cw

t

∂

∂−

[ ]dx

t

cVcV

x

aa

∂

⋅+⋅∂


Izjednačujući (3.1) i (3.2) i krateći sa dx dobija se: (3.3) Pošto je merenju u hromatografiji dostupna koncentracija u gasovitoj fazi, potrebno je izraz za brzinu izmene koncentracije adsorbata u nepokretnoj fazi eliminisati, a to se postiže sledećim transformacijama: (3.4) Iz poznate matematičke relacije za tri uzajamno zavisne veličine c, x i t: Sledi: (3.5) Zamenom (əc/əx)t i (əca/əx)t u jednačini 3.3 odgovarajućim izrazom iz jednačine 3.5 i 3.4 posle kraćenja sa (əc/ət)x i zamene (əx/ət)c sa v, dobija se (3.6) Jednačina 3.6 je osnovna u teoriji ravnoteže hromatografije i povezuje linearnu brzinu adsorbata, v, sa zapreminskom brzinom nosećeg gasa, w, konstantom raspodele (əca/əc)x i karakteristikama hromatografske kolone V i Va. Konstanta raspodele je uslovan naziv za trenutni odnos koncentracija adsorbata u nepokretnoj i pokretnoj fazi, koji može da se menja sa koncentracijom ako adsorpciona (particiona) izoterma nije linearna odnosno nagib asorpcione izoterme za datu koncentraciju c se ne ograničava samo na slučaj linearne izoterme.

x

aa

xt t

cV

t

cV

x

cw

∂

∂+

∂

∂=

∂

∂−

xx

a

x

a

t

c

c

c

t

c

∂

∂

∂

∂=

∂

∂

1−=

∂

∂

∂

∂

∂

∂

xct c

t

t

x

x

c

c

x

t

t

x

t

c

x

c

∂∂

∂∂

−=

∂

∂

x

aa

c

cVV

wv

∂∂

+=


Iz gornje jednačine sledi da je nagib adsorpcione odnosno particione izoterme: Pošto je u praksi jednostavnije meriti vreme od ubacivanja do izlaska uzorka iz hromatografske kolone, nego njegovu brzinu (za koju se traži tačno poznavanje dužine kolone), dobijena jednačina se može preurediti na sledeći način. Umesto linearne brzine adsorbata može se staviti odnos dužine kolone L i vremena putovanja adsorbata kroz kolonu t (retenciono vreme), tj L/t . Ako je molekulu noseće faze potrebno vreme t0 da proñe dužinu kolone, tada je zapreminska brzina noseće faze jednaka količniku ukupne slobodne zapremine kolone V.L i vremena t0, tj. VL/t0. Sledi: Pošto je x konstanta, s obzirom na to da se u praksi odnosi na izlazni otvor kolone, znak parcijalnog diferencijala može se zameniti totalnim diferencijalom, i uz preureñivanje poslednje jednačine dobijamo: (3.7) Iz jednačine sledi da je vreme zadržavanja adsorbata u koloni srazmerno nagibu adsorpcione izoterme. Jednačina omogućuje da se proceni oblik hromatografskog pika ako se zna oblik izoterme. Oblik pika je uslovljen difuzionim rasplinjavanjem i zavisnošću koju propisuje jednačina 3.7. Adsorbat se u struju nosećeg gasa ubacuje lokalno, i tokom vremena se difuziono rasplinjuje, tako da se može očekivati da raspodela koncentracija duž kolone sledi Gauss-ovu krivu, sa opadajućim maksimumom tokom vremena. Ako je adsorpciona izoterma linearna sve koncentracije po jednačini 3.7 putuju jednakom brzinom, i samo difuziono rasplinjavanje odreñuje formu hromatografskog pika. Stoga se u slučaju linearne izoterme dobija simetričan pik u obliku Gauss-ove krive. Ako je, meñutim, adsorpciona izoterma ispupčena, njen nagib je u oblasti malih koncentracija veći nego u oblasti velikih koncentracija. Stoga je vreme zadržavanja manjih koncentracija veći nego velikih, i hromatografski pik

ax

a

Vv

Vvw

c

c

⋅

⋅−=

∂

∂

r

a

ro

x

a

t

LV

t

VL

t

VL

c

c−

=

∂

∂

o

or

a

a

t

tt

V

V

dc

dc −=


izlazi razvučen u smeru rastućih vremena. Na isti način, u slučaju udubljene izoterme, hromatografski pik je razvučen u smislu opadajućeg vremena, jer manje koncentracije uzorka putuju brže od većih koncentracija, slika 3.9.

Slika.3.9. Zavisnost oblika hromatografskog pika od oblika izoterme raspodele u sistemu pokretna-nepokretna faza. Duže zadržavanje u koloni izaziva veće rasplinjavanje pika. 3.6. Primena gasne hromatografije

3.6.1. Kvalitativna hromatografska analiza Pošto razni gasovi ili pare imaju različite nagibe izotermi raspodele izmeñu pokretne i nepokretne faze u hromatografskoj koloni na zadatoj radnoj temperaturi, oni se, prema jednačini 3.6 kreću različitom brzinom kroz kolonu, tj. pojavljuju se u različita vremena na izlazu kolone. Da bi se izvršila kvalitetna analiza smese gasova ili para treba odabrati pogodnu kolonu i radnu temperaturu, snimiti hromatogram nepoznate smeše i izvršiti identifikaciju pikova hromatograma. Da bi se izvršio izbor kolone potrebno je znati bar približno sastav gasa koji se analizira, na osnovu porekla. Na primer iz dimnjaka industrijske peći, u zavisnosti od njene namene može se pored vazduha očekivati smeša gasova CO, CO2, SO2, SO3 i NO2. U bocama propan-butan gasa očekuuju se smeše lakih ugljovodonika.


Literatura

1. S. Mentus, U. Mioč, Odabrane metode fizičkohemijske analize, Fakultet za fizičku hemiju, Beograd 1992. 2. D.A. Skoog, F.J. Holler, J.J. Leary, Principles of instrumental analysis, Sounders College Publishing, 5th Edition, 1998. 3. P. Donald, M. Gary, K. George, E. Randall, Introduction to Organic Laboratory Techniques, Thomson Brooks/Cole, 4th Edition, 2006.

Masena spektrometrija

4. MASENA SPEKTROMETRIJA

Masena spektrometrija je metoda kvalitativne, kvantitativne, izotopske i strukturne hemijske analize, koja se zasniva na razlici molekulskih masa. Analizirani uzorak se prevodi u stanje jonizovanog gasa od koga se formira snop ubrzanih jona jednakih energija, ali različitog odnosa mase i naelektrisanja. Prolaskom kroz magnetno polje ili kombinaciju elektrostatičkog ili magnetnog polja polazni snop jona se razlaže na osnovu razlika odnosa mase i naelektrisanja (m/e). Za početak masene spektrometrije može se smatrati 1913. godina kada je J.J. Thomson razdvojio snop jona neona u magnetnom polju na dve frakcije i pokazao time da maseni sastav atoma neona nije homogen. Nešto kasnije, 1918. godine Aston i skoro jednovremeno Demster, konstruisali su prve ureñaje za masenu spektrometriju i na njima demonstrirali široke mogućnosti ove metode. Zbog nesavršenosti i visoke cene ureñaja, metoda se do kraja drugog svetskog rata razvijala dosta sporo. Nagli, gotovo eksplozivan razvoj počeo je 1960 i nadalje. Konstruisani su ureñaji sa visokom moći razlaganja, koji su mogli da razdvoje i registruju dve mase koje se meñusobno razlikuju tek na šestoj značajnoj cifri. Osim razdvajanja jona u elektrostatičkim i magnetnim poljima uvedene su u upotrebu metode razdvajanja na bazi različite brzine kretanja jona različitih masa na bazi kvadrupolnog analizatora. Bitna karakteristika masene spektrometrije je visoka osetljivost. Za analizu je najčešće dovoljno 10-3 grama supstance a u većem broju slučajeva i 10-6

grama. Osim toga jednim postupkom se može identifikovati i odrediti veliki broj komponenata u početnoj smesi, i to zastupljenih u vrlo širokom opsegu koncentracija, mikroprimesa do onih zastupljenih sa blizu 100 %. Zahvaljujući velikim mogućnostima masene spektrometrije, ova metoda ja našla široku primenu u mnogim istraživačkim i industrijskim laboratorijama u svetu identifikacije i kvantitativne analize. Masena spektrometrija omogućila je vrlo precizno odreñivanje izotopnog sastava svih elemenata periodnog sistema. Posebno mesto ovih metoda zauzima u odreñivanju strukture organskih jedinjenja, naročito u kombinaciji sa metodama IR, UV, VIS i NMR spektroskopije. U kombinaciji sa hromatografskim razdvajanjima, masena spektrometrija omogućuje analitiku i najsloženijih organskih jedinjenja, na primer prirodnih proizvoda, kod kojih je klasična analitika nedavno bila nemoćna. U ovoj kombinaciji hromatografi (najpraktičnije gasni) razdvajaju složene smeše na komponente, a maseni spektrograf služi kao detektor koji se uključuje u različita vremena kada se pojavljuje jedna po jedna komponenta smeše. Dešifracijom masenih spektara različitih komponenti može se relativno jednostavno zaključiti radi li se o jednoj ili više loše razdvojenih komponenti.


4.1. Ureñaj za masenu spektrometriju

Ureñaj za masenu spektrometriju uključuje sledeće osnovne delove: jonizaciju uzorka, analizator mase, detektor sa ureñajima za registraciju spektara i visokovakumski sistem. Funkcionalno vezani delovi: komora za jonizaciju, analizator i detektor nalaze se u oblasti visokog vakuuma s obzirom da su na putanji jonskog snopa. Vakuum koji zadovoljava potrebe masene spektrometrije je 10-8 bar, što se može postići difuzionim visokovakuumskim pumpama. Visokovauumski sistem uključuje normalno i ureñaj za kontrolu pritiska, koji pokazuje kada je postignut vakuum dovoljan za normalan rad spektrometra.

Slika 4.1. Shematski prikaz delova spektrometra

1. komora za jonizaciju; 2. analizator masa; 3. detektor; 4. registrujući ureñaj;5. otvor ka visokovakuumskoj pumpi

Teorijske osnove metode se mogu podeliti na osnovu jonizacije i osnove kretanja jona u električnom i magnetnom polju, pa ih je stoga praktično izložiti u okviru opisa odgovarajućih delova masenog spektrometra. 4.1.1. Komora za jonizaciju Komora za jonizaciju ili jonski izvor predstavlja zaseban deo spektromtra u kome se analizirani uzorak prevodi u pozitivne jone bombardovanjem snopom elektrona. Jonizacija je rezultat elastičnih sudara elektrona pobudnog snopa sa elektronima spoljnih (optičkih) elektronskih nivoa molekula uzorka. Shema komore za jonizaciju data je na sl. 4.2.


Slika 4.2. Shema komore za jonizaciju: 1. užarena katoda, 2. kolektor

elektrona, 3. emisiona struja, 4. struja kolektora, 5. refleksiona elektroda, 6. ekstrakciona elektroda

Izvor elektrona je užareno vlakno volframa (W) ili renijuma (Re). Emitovani elektroni se ubrzavaju i fokusiraju pomoću kombinacije napona izmeñu vlakna, kolektora i dijafragme ispred vlakna. Fokusiranje se podešava približavanjem struje kolektora u odnosu na komoru i stoga usmerava jone ka izlaznom razrezu. Ekstrakciona elektroda je na visokom negativnom potencijalu u odnosu na komoru i svojim poljem ubrzava jone i usmerava u vidu snopa. Oblik razreza ekstrakcione elektrode i raspored ekvipotencijalnih površina oko njega odreñuje oblik poprečnog preseka jonskog snopa u njegovu divergenciju. Sistem za uvoñenje uzorka u komoru za jonizaciju se obično konstruiše u zavisnosti od tipa analize i povezuje se sa ulaznim otvorom komore. Osnovni problem kod unošenja uzorka je taj što je unutar komore visoki vakuum, a uzorak je često gas ili tečnost visokog napona pare, pa se mora voditi računa da se uz pomoćni vakum ili sistem slavina i sitno poroznih pregrada obezbedi ne suviše brz dotok uzorka u komoru. Ako je sa druge strane napon pare uzorka nedovoljan, u izvesnom broju slučajeva može pomoći zagrevanje. Za uzorke vrlo niskog napona pare postoje posebni postupci jonizacije. Od energije elektrona pobuñenog snopa zavisi tip interakcije sa molekulima uzorka, odnosno efikasni presek odreñene vrste interakcije. Pri ubrzanju elektrona potencijalskom razlikom do 10 V uglavnom se pobuñuje optička emisija molekula i jonizacija se pretežno odigrava pri ubrzanjima sa 10-70 V. Višak energije koju molekuli pri tome prime može da izazove njihovu fragmentaciju, pa je energija pobuñenih elektrona važan parametar analize, koji se pažljivo podešava u zavisnosti od prirode uzorka.


4.1.2. Posebni postupci jonizacije Umesto bombardovanjem elektronima jonizacija se može ostvariti u jakom elektrostatičkom polju. Komore za jonizaciju na tom principu sadrže anodu u obliku šiljka ili vrlo tanke niti, izloženu visokom potencijalu čiji gradijent (elektrostatičko polje) dostiže 107-108 V/cm, i u stanju je da otkida elektrone iz spoljnih elektronskih ljuski molekula. Nastali joni za vrlo kratko vreme i bez viška energije bivaju izbačeni van dejstva polja, pa je ova metoda pogodna za kompleksne organske molekule podložne fragmentaciji. Komore za jonizaciju elektrostatičkim poljem mogu da se upotrebe za jonizaciju neisparljivih uzoraka tako da se ovi nanesu direktno na anodu. Istovremeno se jonizacijom dolazi do izbacivanja jona van dejstva polja pa se ova metoda naziva jonizacija sa desorpcijom u elektrostatickom polju. Ovom metodom nastaju pretežno molekulski joni. Postupak jonizacije u kome molekuli uzorka reaguju hemijski sa prethodnim jonizovanim molekulima nekog reagensa zove se hemijska jonizacija. Ovo je jedan od postupaka koji omogućuje formiranje molekulskih jona supstanci koje po drugim postupcima daju isključivo fragmentne jone. Uzorak i reagens se uvode zajedno u komoru za jonizaciju, ali je reagens u daleko većoj koncentraciji (103-104 puta) da bi verovatnoća njegove jonizacije bila predominantna. Nastali joni posle jedne ili više vlastitih transformacija reaguju sa analiziranom supstancom i daju nove jone. Hemijska jonizacija može se ilustrovati sledećim primerom u kome se za predhodnu jonizaciju koristi metan i joni metana trpe prethodne transformacije: CH4+ + CH4 = CH5+ + CH3

Jon CH5+ je Bronsted-ova kiselina i lako reaguje sa odgovarajućom bazom: CH5+ + XH = CH4 + XH2+

pri čemu nastaje molekulski jon ispitivanog jedinjenja teži za jedan proton, dok jedinjenje uzeto za primer zbog jake fragmentacije pri običnoj jonizaciji elektronima ne daje u masenom spektru liniju molekulskih jona. Intenzitet fragmentacije kod hemijske jonizacije zavisi od viška energije koju stiče ispitivano jedinjenje prilikom hemijske reakcije, a u prikazanom primeru višak energije odreñen je afinitetom prema protonu.


4.1.3. Analizatori masa Tip masenog spektrometra i moć razlaganja odreñuje analizator masa. Moć razlaganja je odnos posmatrane mase prema razlici posmatrane mase i njoj najbliže mase koja se u spektru manifestuje kao odvojena linija: R = M/∆M (4.1) Analizatori koji se koriste u savremenim masenim spektrometrima mogu se podeliti na statičke i dimamičke. Kod statičkih analizatora razdvajanje jona po masama se zasniva na razlikama geometrijskih karakteristika njihovih putanja, a kod dinamičkih razdvajanje se postiže na bazi razlika u vremenu proleta jona kroz odreñeni prostor analizatora. Statički analizatori su magnetni ili kombinovani elektrostatički i magnetni, a dinamički su kvadrupolni i analizatori na bazi vremena proleta. Magnetni analizator – Magnetni statički maseni analizator je najrasprostranjeniji tip analizatora u mesenim spektrometrima. To je evakuisana komora u kojoj se formira sektorsko magnetno polje (slika 4.3) sa zahvatnim uglom 60, 90 ili 180 0. Jonski snop iz komore za jonizaciju upada u magnetno polje normalno na linije sile.

Slika 4.3. Magnetni analizator sa 90o –nim sektorskim magnetnim poljem (levo) i princip fokusiranja monoenergetskog snopa jona sa prostornom divergencijom (desno) Pod uslovom da su svi joni ubrzani jednako kinetička energija svakog jona jonskog snopa može se izraziti u funkciji napona ubrzavajućeg polja V: (4.2)

eVm

=2

2υ


gde je m masa, v brzina i e naelektrisanje jona. Naelektrisana čestica koja se kreće normalno na linije magnetnog polja ima kružnu putanju čiji se radijus može izračunati na osnovu jednakosti centrifugalne i centripetalne sile: (4.3) Gde je r radijus putanje, B magnetna indukcija (u vakumu jednaka jačini magnetnog polja), a umnožak evB predstavlja centripetalnu Lorentz-ovu silu. Na osnovu poslednje jednakosti i izraza za kinetičku energiju može se pisati: (4.4) Iz ove jednačine sledi da jednostruko naelektrisani joni mase m ubrzani konstantnim električnim poljem V u konstantnom magnetnom polju B imaju determinisan radijus putanje, r. Komore za jonizaciju daju približno monoenergetski snop jona, meñutim sa obično nekom neizbežnom divergencijom na izlaznom razrezu. Divergencija se može predstaviti uglom odstupanja ±α u odnosu na normalu na ravan na kojoj leži izlazni razrez komore za jonizaciju, kao što pokazuje slika 4.3, desno. Zahvaljujući osobini jednakih kružioca koji se seku pod malim uglom, da se takoñe seku u drugoj tački koja leži pod približno 180 0 u odnosu na prvu tačku preseka, magnetno polje deluje fokusirajuće. Tačka optimalnog fokusiranja leži približno na liniji koja prolazi kroz izlazni razrez komore za jonizaciju i centar sektora magnetnog polja, i to odreñuje položaj detektora jona na istoj liniji (slika 4.3, levo). Fokusirajuće dejstvo magnetog polja ogleda se u tome što se snop jona istog odnosa m/e i jednakih energija koji divergentno napušta izlazni razrez komore za jonizaciju sakuplja u tački koja leži približno na drugom kraju polukružne putanje jona. Tačke konvergencije su različite za jone sa drugim odnosom m/e zbog različitog radijusa putanje, kao i za jone koji odstupaju po energiji od srednje energije eV. Stoga faktori koji izazivaju nehomogenost energija jona prouzrokuju smanjenje moći razlaganja analizatora. Moć razlaganja magnetnih masenih analizatora se kreće u intervalu 100 - 1000. Kombinovani analizatori sa dvostrukim fokusiranjem - Fokusiranje koje se postiže u magnetnim analizatorima nije zadovoljavajuće za neke vrste masenospektrometrijskih analiza kada se traži visoka moć razlaganja. Joni u komori za jonizaciju dobijaju delimično nehomogene energije, jer se na

Ber

mυ

υ=

2

V

Br

e

m

2

22

=


energiju ubrzavajućeg polja V superponira termalna energija jona koja podleže Gauss-ovom tipu raspodele. Termalna energija potiče od normalne temperature na kojoj se nalazi analizirani uzorak, kao i od energije koju joni prime prilikom sudara sa pobudnim elektronima. Otklanjanje jona koji po energiji znatno odstupaju od srednje energije odreñene umnoškom eV vrši se prethodnim fokusiranjem po energijama u analizatorima sa radijalnim elektrostatičkim poljem. Ako se snop jona fokusiran po energijama analizira dalje po masama u magnetnom analizatoru, postiže se visoka moć razlaganja reda 105. Spektrometri koji koriste kombinovano fokusiranje u elektrostatičkom elektromagnetnom polju se nazivaju spektrometri sa dvostrukim fokusiranjem. Savremeni komercijalni ureñaji koriste uglavnom dva tipa geometrije analizatora: geometrija Matauh-Hercog (Mattauch-Herzog) i geometrija Nir-Džonson (Nier-Johnson), slika 4.4.

Slika 4.4. Spektrometri dvostrukog fokusiranja geometrije Mattauch-Herzog (levo) i Nier-Johnson (desno). E – elektrostatičko polje, R – razrez, B – magnetno polje Dejstvo radijalnog elektrostatičkog polja kao energetskog filtera za jone može se objasniti na sledeći način: U radijalnom električnom polju joni se kreću po kružnoj putanji čiji je radijus odreñen jednakošću centrifugalne i centripetalne sile: (4.5) gde je eE centripetalna sila elektrostatičkog polja, a ostale oznake imaju ranije značenje. Kombinujući gornju jednakost sa izrazom za kinetičku energiju: (4.6)

eEr

m=

2υ

eVm

=2

2υ


dobija se izraz za radijus putanje: (4.7) Pri konstantnom električnom polju E radijalne geometrije je radijus putanje svih jona odreñen isključivo brzinom ubrzavajućeg polja V, i svi joni koji odstupaju od ove vrednosti van granice dopuštenih širinom razreza na izlazu analizatora bivaju zadržani dijafragmom a ne ulaze u magnetni analizator. Na taj način u magnetni analizator dolaze samo joni vrlo uskog opsega energija što dozvoljava visoku moć razlaganja, odnosno vrlo uske spektralne linije masenog spektra. Kvadrupolni analizator Kvadrupolni analizator se sastoji od četiri dugačke cilindrične elektrode. Nasuprot postavljene elektrode su kratko spojene i izmeñu ova dva para elektroda se dovodi jednosmeran stabilan napon U. Na taj način se u prostoru izmeñu elektroda formira kvadrupolno električno polje. Na jednosmerni napon se superponira naizmenični napon oblika V0cos(wt), gde je w ugaona frekfencija, a koji se proizvodi pomoću generatora sinusoidalnog napona u oblasti radio frekfencija. Jonski snop se usmerava kroz osu kvadrupolnog polja (pravac z na slici 4.5). Za jone koji se kreću duž ose kvadrupola važe Mathien-ove diferencijalne jednačine kretanja: y” + (a + 2qcoswt)x = 0 (4.8) x” + (a + 2qcoswt)y = 0 (4.9) U kojoj parametri a i q imaju sledeće vrednosti: (4.10) (4.11) R predstavlja radijus polja kvadrupola, odnosno normalno rastojanje površine elektroda od ose kvadrupola. Rešenja Mathien-ovih jednačina pokazuju da se joni spiralno kreću duž ose kvadrupola, i tako da amplituda oscilacija ostaje konstantna za jone odreñene mase, dok je za jone drugih masa ona rastuća sa vremenom.

E

Vr

2=

22

8

wmr

eUa =

22

4

wmr

eVq o=


Joni čija amplituda ne raste vremenom zovu se rezonantni joni i oni prolaze kroz polje kvadrupola i stižu do detektora, dok se ostali, nerezonantni joni, zaustavljaju na zidovima elektroda.

Slika 4.5. Shema kvadrupolnog analizatora

Uslovi prolaska jona kroz polje kvadrupola definišu se pomoću tzv. dijagrama stabilnih oscilacija, prikazanog na slici 4.6. Stabilnim oscilacijama nazivaju se oscilacije rezonantnih jona, tj. one oscilacije koje dozvoljavaju prolaz jona do detektora. Dijagram stabilnosti pokazuje da kvadrupolni analizator utoliko selektivnije filtrira jone po masama ukoliko je odnos U/V0 veći, tj. ovim odnosom može se donekle podešavati moć razlaganja. Iznad nekog kritičnog odnosa U/V0 (=c) analizator ne propušta nijednu jonsku vrstu. Kod ovih analizatora moć razlaganja se kreće u granicama 500-800.


Slika 4.6. Dijagram stabilnih oscilacija jona kod kvadrupolnog masenog analizatora

Spektar masa se dobija kontinualnim variranjem frekfencije pri zadatim U i V ili varijacijom U i V0 (tako da je njihov odnos konstantan radi konstantne moći razlaganja) pri zadatoj frekfenciji naizmeničnog napona. U oba slučaja kretanja igle registrujućeg ureñaja po osi masa se tako sinhronizuje sa varijacijom pomenutih parametara da položaj igle na osi masa odgovara masi na koju toga momenta propušta analizaor. Otklon igle po osi intenziteta srazmeran je, s druge strane, frekfenciji pristizanja jona odgovarajuće mase u detektor. Analizator na bazi vremena proleta Shema analizatora na bazi vremena proleta prikazana je na slici 4.7.

Slika 4.7. Shema analizatora na bazi vremena proleta

Ubrzavanje jona u komori za jonizaciju odigrava se u ovom slučaju u pulsnom režimu. Skupina jona izbačena kratkim visokonaponskim pulsom iz komore za jonizaciju kreće se pravolinijski kroz evakuisanu komoru u kojoj ne deluje nikakvo polje. S obzirom na to da svi joni dobijaju jednaku kinetičku energiju u okviru mogućnosti ureñaja, to znači da lakši joni putuju brže od težih jona, pa zbog toga stižu do detektora u različitim vremenskim intervalima. Svaka jonska vrsta izaziva u detektoru strujni puls koji se na traci registrujućeg ureñaja registruje kao pik na odreñenom položaju vremenske ose kalibrisane u jedinicama mase. Jednačina koja povezuje vreme proleta sa odnosom m/e može se izvesti na bazi kinetičke energije i dužine komore analizatora, tj.: (4.12) t

L

m

eV=

=2/1

2υ


gde je pored do sada korišćenih oznaka L dužina komore i t vreme proleta. Sledi (4.13) Detektor U starijim modelima masenih spektrometara kao detektor se koristila fotoploča. Fotoploča je pozicionirana u položaju najboljeg fokusa jonskih snopova, formiranih pomoću razreza jonskog izvora u vidu uskih linija. Jednim snimanjem obuhvatane su sve linije masenog spektra, pa je stoga fotoploča morala da ima odgovarajuću dužinu. U cilju kalibracije istovremeno sa analiziranim uzorkom u jonski izvor je unošena kalibraciona supstanca sa poznatim masenim spektrom. U savremenim ureñajima kao detektor se isključivo koristi elektronski multiplikator. Joni ubrzani sa nekoliko kilovati padajući na prvu elektrodu - dinodu multiplikatora izbijaju sekundarne elektrone koji se sistemom dinode i rastućeg potencijala umnožavaju do merljivog strujnog signala. Proces multipliciranja se ponavlja nekoliko puta do nekoliko desetina puta zavisno od broja dinoda multiplikatora. Strujni signal multiplikatora se osim toga pojačava dodatnim elektronskim ureñajima. Položaj elektronskog multiplikatora u spektrometru je fiksan, a različite mase se dovode na njegov ulaz varijacijom uslova u analizatoru masa (jačinom magnetnog polja statičkih analizatora ili varijacijom odnosa U/V0

ili fekfencije kod kvadrupolnih analizatora). Parametar koji je odgovoran za propuštanje odreñene mase na ulaz multiplikatora kalibrisan u jedinicama mase dovodi sa na osu mase registrujućeg ureñaja i direktno indicira masu, a strujni signal multiplikatora se dovodi na osu intenziteta i indicira da li je odgovarajuća prisutna u spektru i sa kolikim intenzitetom. Problem trajne registracije masenog spektra bio je dosta složen pre prodora procesorske tehnologije u naučno-istraživačku instrumentaciju. Tehnika fotoploče je relativno jednostavna ali je obrada ploče dugotrajan proces. Mehanički pisači koji su kasnije razvijeni su dosta inertni i ne stižu da verno registruju spektar, naročito visoke rezolucije. Galvanometarski pisači sa svetlom mrljom koja ostavlja trag na fotopapiru nemaju problem inercije ali su vrlo složeni i zahtevaju takoñe fotografsku obradu. S druge strane snimak na fotopapiru nije trajan. Pogodnost koju omogućuju galavnometarski pisači ako se upotrebi više njih je istovremeno snimanje spektra sa različitim osetljivostima, tako da se pri najmanjoj osetljivosti i

2/12

2

⋅=e

m

V

Lt


najjače linije smeštaju na skalu, a pri najvećoj osetljivosti registruju se i one linije koje se ne zapažaju pri maloj osetljivosti pisača. Osciloskop se može upotrebiti za registraciju masenog spektra s obzirom da elektronski snop nema inerciju, meñutim slika na osciloskopu nije trajan dokument, a ako se fotografiše javlja se problem fotografske tehnike. Savremeni ureñaji za masenu spektrometriju poseduju elegantna rešenja registracije masenog spektra kombinacijom mikroračunara i običnih mehaničkih pisača. Naime spektar se bez obzira na brzinu snimanja registruje na disketi mikroračunara a zatim se reprodukuje sa proizvoljnom zadatom osetljivošću na mehaničkom pisaču brzinom koja zadovoljava inertnost pisača. 4.2. Interpretacija masenog spektra

Maseni spektar je dijagram intenziteta poreñanih prema rastućem masenom broju na osi masa u rangu mogućih atomskih i molekulskih masa. Maseni spektar nije uvek jednostavan u meri koja se može očekivati na prvi pogled na osnovu poznavanja sastava analiziranog uzorka i njegova interpretacija zahteva dosta prethodnog iskustva. U narednom tekstu biće opisani faktori koji utiču na izgled spektra. 4.2.1. Fragmentiranje u komori Najmanja energija potrebna za otkidanje najslabije vezanog elektrona u molekulu je njen jonizacioni potencijal. Pri tome se radi o elektronu iz najviše zauzete elektronske orbitale (HOMO-Highest Occupied Molekular Orbital). Kod analize složenih smeša mora se za jonizaciju upotrebiti energija dovoljna da jonizuje molekule sa najvišim jonizacionim potencijalom. Stoga u praksi elektroni u odnosu na jonizacione potencijale raspolažu viškom energije u iznosu Ei=eV-Ii, gde je V ubrzavajuće polje pobudnih elektrona. U interakciji pobudnog elektrona i molekule,može nastali jon da deo ili ukupan višak energije elektrona zadrži, pri čemu se ovaj višak energije sabira sa toplotnom energijom molekula od pre jonizacije. Jon dakle može da poseduje čitav spektar energije od 0 do Emax= eV-Ii+Ei gde je E toplotna energija. Na slici 4.8a je predstavljen jedan primer verovatnoće raspodele energije jona u funkciji energije. Ako se izuzmu vrlo male i vrlo velike energije, čija je verovatnoća pojavljivanja suviše mala za uticaj na maseni spektar, mora se naglasiti da je energetska širina o kojoj je ovde reč ipak vrlo mala u odnosu na ubrzavajuće polje ekstrakcione elektrode, pa su joni sa gledišta spektrometrije niske moći razlaganja praktično monoenergetski.


Slika 4.8. a) Verovatnoća raspodele energije jona u f-ji energije i b)

Zavisnost konstante brzine fragmentiranja od energije za različite načine fragmentiranja (A, B i C)

S obzirom na visoki vakuum u komori za jonizaciju verovatnoća sudara u komori je neznatna, pa se može smatrati da je energija jona konstantna. Višak energije kojom joni raspolažu može da bude dovoljan za razlaganje na fragmente. Brzina fragmentacije se karakteriše konstantom brzine k, koja je funkcija viška energije iznad minimuma E0 potrebnog za fragmentiranje:

(4.14) gde je E energija jona, v frekfentni faktor i s broj oscilatornih stepeni slobode. Fragmentiranje se može predstaviti na sledeći način:

sE

EEk o 1

−=ν


m1 = m2 + n gde je m1 polazni jon, m2 fragmentni jon i n neutralni ostatak. Ako je energija kojom jon raspolaže ispod minimalne vrednosti E0 potrebne za fragmentiranje po odreñenom tipu (a), konstanta brzine fragmentiranja je praktično nula i fragmentiranje posmatranog tipa se ne odigrava. Jon koji ne pretrpi fragmentiranje daje u masenom spektru liniju na najvećem masenom broju za datu hemijsku vrstu i naziva se molekulski jon. Molekulski joni su od velikog značaja za identifikaciju dotične molekulske vrste. Joni koji raspolažu viškom energije u odnosu na E0 mogu da pretrpe fragmentiranje sa verovatnoćom srazmernom konstanti brzine, a koja prema slici 4.8b raste eksponencijalno sa viškom energije. Ako postoji mogućnost različitih načina fragmentiranja, oni konkurišu jedan drugom, a prinos različitih fragmenata srazmeran je odgovarajućoj konstanti brzine. Često je višak energije jona dovoljan za više sukcesivnih fragmentiranja, što ima za posledicu dosta složen maseni spektar u kome osim molekulskih jona učestvuju i njihovi mogući fragmenti. Na slici 4.9 je prikazan primer masenog spektra CH3 –benzoata u kome linija na najvećem masenom broju 136 pripada molekulskom jonu. Ova linija nije najintenzivnija zbog znatne fragmentacije molekula u toku jonizacije.

Slika 4.9. Maseni spektar metilestra benzoeve kiseline

4.2.2. Fragmentiranje u analizatoru - metastabilni joni Kada je višak energije kojom jon raspolaže u odnosu na minimalnu energiju potrebnu za fragmentiranje mali, konstanta brzine fragmentacije je takoñe mala (slika 4.8b), pa se tada dogaña da joni dožive fragmentaciju tek na putu kroz analizator. Kod takvog dogañaja kinetička


energija stečena u ubracajućem polju ekstrakcione elektrode, eV, deli se na fragmente po zakonima održanja energije. Fragmentni joni mase m2 dobija frakciju energije m2/m1 . eV , (m1 je masa osnovnog jona), čime se znatno menja radijus njegove putanje u odnosu na putanju osnovnog jona. S obzirom da izmena radijusa počinje na mestu fragmentacije, a ovo nije definisano, joni koji fragmentiraju u analizatoru uglavnom ulaze u sastav spektralnog šuma. Meñutim jedna mala oblast viška unutrašnje energije (∆E na slici 4.8b) uslovljava da se fragmentiranje dogaña u blizini ulazne dijafragme analizatora. Jonski fragmenti u takvom slučaju prolaze celom dužinom analizatora, odnosno imaju putanje približno stalnog radijusa, i stoga mogu da daju pik u masenom spektru. Taj pik je, normalno, širok u odnosu na druge pikove, i zbog malih konstanti brzina fragmentiranja, malog intenziteta. Joni koji na ovaj način daju pikove u masenom spektru zovu se metastabilni joni, a njihovi pikovi metastabilni pikovi. Maseni broj na kome se pojavljuje metastabilni pik može se izračunati na osnovu jednačine putanje u analizatoru i frakcije kinetičke energije koja jonu pripadne posle fragmentacije, na primer, za magnetni analizator:

(4.15) odnosno, pik se javlja na masenom broju m22/m1. Zbog prirode raspodele kinetičke energije po fragmentima metastabilni pikovi u opštem slučaju javljaju se na razlomljenim masenim brojevima, što je njihova dodatna karakteristika. 4.2.3. Uticaj izotopnog sastava Ako neki od elemenata u sastavu molekula ispitivanog uzorka ima više izotopa to može da prouzrokuje dodatnu složenost masenog spektra. Izotopni sastav je uočljiv već u spektrima niske rezolucije s obzirom da je razlika masenih brojeva izotopa najmanje jedna masena jedinica. Posledice izotopnog sastava elemenata na izgled masenog spektra mogu se pokazati na primeru molekula koji sadrže jedan, dva ili tri atoma hlora ili broma, na primer CH3Cl, CH2Cl2, CHCl3, odnosno CH3Br, CH2Br2 i CHBr3. Spektri ova dva niza su prikazani na slici 4.11.

Vm

m

Br

e

m

=

1

2

22

2

2


Slika 4.11. Maseni spektar molekulskih jona hlornih i bromnih derivata ugljovodonika u zavisnosti od broja atoma halogena u molekulu. Tabela 4.1. Atomske mase i izotopni sastav elemenata koji ulaze u sastav organskih jedinjenja.


4.3. Primena masene spektrometrije u analitičke svrhe

Analiza formule nepoznatog jedinjenja i analiza sastava neke hemijske smeše masenom spektrometrijom može, kao i u slučaju drugih analitičkih metoda, da bude težak ili lak zadatak, zavisno od prilagoñenosti analiziranog uzorka metodi analize. Masena spektrometrija je izuzetno pogodna za odreñivanje sastava i najsloženijih smeša jedinjenja u izolovanom stanju. Analiza smeše organskih jedinjenja je zbog izrazitog fragmentiranja teži ili vrlo težak zadatak, koji se prilagoñava mogućnostima masene spektrometrije prethodnim razdvajanjem smeše na čiste komponente pomoću gasnog ili drugog hromatografa. Zahvaljujući srazmernosti intenziteta pika i koncentracije, masena spektrometrija se može koristiti i u svrhe kvantitativne analize, meñutim zbog mnoštva parametara koje treba kontrolisati ovaj vid primene se najčešće svodi na poreñenje relativnih intenziteta linija izotopnih jona. 4.3.1. Analiza gasnih smeša Masena spektrometrija se naročito afirmisala kod analize gasova i gasnih smeša, jer je vrlo brza i selektivna. Neorganski industrijski gasovi zahtevaju velike energije za fragmentiranje i stoga pri običnim uslovima jonizacije daju pretežno molekulske jone, odnosno relativno jednostavne i selektivne masene spektre. Prednost masene spektrometrije nad gasnom hromatografijom je u ovom slučaju najizrazitija kada se radi o smeši polarnih i nepolarnih gasova, na primer O2, N2, H2, Ar, CO, CO2 i vodena para, za čije razdvajanje ni jedna hromatografska kolona nije pogodna, pa takva analiza hromatografskim putem zahteva dugotrajnu pripremu. Meñutim maseni spektrometar za vrlo kratko vreme i bez posebne pripreme omogućuje snimanje spektra u kome je na osnovu različitih masa moguće lako identifikovati svaku od komponenti. 4.3.2. Analiza neorganskog materijala Većina neorganskih jedinjenja je teško isparljiva pa se za njihovu analizu moraju primenjivati posebni uslovi jonizacije: bilo desorpcijom u električnom polju sa anode koja se zagreva, ili formiranjem električnog luka u komori za jonizaciju. U drugom slučaju dolazi do razlaganja uzorka na elemente pa se ovaj tip analize poklapa sa emisionom spektroskopijom, osim što se za detekciju ne koriste linije emisionog spektra nego sami joni na bazi njihove razlike u masama. Zahvaljujući visokoj osetljivosti masene spektrometrije ova metoda je vrlo pogodna za identifikovanje tragova primesa u neorganskim materijalima (do 0,01 ppm).


4.3.3. Izotopska odreñivanja Analiza izotopskog sastava elemenata je jedna od najvažnijih oblasti primene masene spektrometrije u vreme njenog najintenzivnijeg razvoja. Na primer, Aston je spektrometrom vlastite konstrukcije već od 1924. godine odredio izotope preko 50 elemenata. Zahvaljujući visokom stupnju osetljivosti i selektivnosti novijih ureñaja danas se sa tačnošću do 10-6 % znaju atomske mase svih izotopa elemenata periodnog sistema. 4.3.4. Identifikacija i odreñivanje formula organskih jedinjenja Masena spektrometrija je postala jedna od nezamenljivih metoda za identifikaciju organskih jedinjenja i odreñivanje hemijskog sastava i strukture molekula. Identifikaciju organskog jedinjenja je najčešće nemoguće izvršiti samo na osnovu mase molekulskog jona jer veći broj jedinjenja može da ima istu molekulsku masu. Identifikacija se stoga zasniva na izgledu masenog spektra koji je za dato organsko jedinjenje reproduktivan pri sličnim uslovima snimanja. Reproduktivnost je posledica konstantnosti energije hemiskih veza konstituenata molekula i time uzrokovanog načina fragmentiranja. Pri konstantnim energijama bombardujućih elektrona relativni intenziteti linija spektra su konstantni. Identifikacija je najjednostavnija ako se raspolaže standardnim tablicama masenih spektra, i ako se konstantuje identičnost spektra uzorka sa nekim od tabličnih spektara. Problem je teži kod ispitivanja formule jedinjenja koje nije registrovano u tablicama. Za takav slučaj postoje standardni postupci koji obično vode rešenju problema. Prvi korak tog postupka je odreñivanje molekulske mase na osnovu linije molekulskog jona. Ova linija se prepoznaje što leži na maksimalnom masenom broju, a označava se sa M+. Ako je fragmentiranje znatno, ova linija može da bude malog intenziteta ili potpuno odsutna. Linija molekulskog jona ima pratioca (M++1) zbog prisustva izotopa 13C i pratioce (M+-1), (M+-2),..., zbog mogućnosti odcepljenja jednog ili više atoma vodonika. Takve prateće linije imaju i linije fragmentnih jona u kojima učestvuju C i H atomi (slika 4.12).


Slika 4.12. Linija molekulskog jona sa pratećim linijama

Broj ugljenikovih atoma u molekulu ili fragmentima može se odrediti na osnovu odnosa intenziteta linija molekulskog jona odnosno fragmentnog jona i njihovih pratilaca na masenom broju većem za jedan (12C/13C). Ako molekul ili fragment imaju samo jedan C atom odnos je približno 1 : 0,011, za dva C atoma odnos je 1 : 0,022, za deset C atoma 1 : 0,11 itd. Prisustvo hlora, broma, silicijuma i sumpora može se detektovati na osnovu dubletne ili multipletne strukture linija jona u kojima oni učestvuju, pri čemu odnos intenziteta ovih linija odreñuje zastupljenost izotopa ovih elemenata prema tabeli 4.1. odnosno verovatnoću njihovih kombinacija ako je prisutno više od jednog atoma. Ovde treba naglasiti da elementi koji imaju pored osnovnog i izotop teži za jednu masenu jedinicu sa primetnom zastupljenošću, utiču na odnos intenziteta 12C/13C, pa je važno otkriti njihovo prisustvo pre utvrñivanja broja C atoma. Ovi elementi su prema tabeli 4.1. silicijum, sumpor i azot. Za utvrñivanje prisustva kiseonika i azota od osnovnog je značaja utvrñivanje masenih razlika izmeñu linija fragmentnih jona, koje ukazuju na prisustvo odreñenih molekulskih grupa u ispitivanom jedinjenju. U spektrima aromatičnih amina sreće se razlika 27 od gubitka grupe, u spektrima nitrojedinjenja se pojavljuju masene razlike 30 i 46 od gubitka NO odnosno NO2 grupe i sl. U spektrima običnih ugljovodonika pojavljuju se masene razlike od 14 masenih jedinica koje potiču od gubitka grupa CH2 prilikom fragmentiranja. Ima slučajeva kada se iz masene razlike ne može jednoznačno odrediti o kojoj se molekulskoj grupi radi. Na primer molekuli CO (27,9949), H2CN (28,0187), C2H4(28,0313) i N2(28,0061) imaju molekulsku masu približno 28, i razlike njihovih masa ne mogu se uočiti u spektru obične rezolucije. Meñutim spektar visoke rezolucije omogućuje da se jednoznačno odredi o kojem se od ovih molekula radi. Za ispitivanje formula i struktura nepoznatih organskih jedinjenja potrebno je ipak znatno eksperimentalno i teorijsko iskustvo koje uključuje


poznavanje karakterističnih načina fragmentiranja pojedinih klasa organskih jedinjenja. 4.3.5. Kombinacija gasni hromatograf-maseni spektrometar U gasnoj hromatografiji identifikacija komponenti analizirane smeše može da bude veliki problem vezan sa znatnim utroškom vremena, kako je to već rečeno u odeljku o kvalitativnoj hromatografskoj analizi. S druge strane, maseni spektar višekomponentne smeše gasova ili para može, zbog fragmentacije, da bude toliko složen da je identifikacija komponenti neizvodljiva, a time se gubi svrha ove metode i u strukturnim ispitivanjima. Navedeni problemi vezani za zasebnu upotrebu dve pomenute metode praktično se eliminišu ako se ove dve metode koriste u kombinaciji, naime ako se izlaz kolone gasnog hromatografa veže na ulaz komore za jonizaciju masenog spektrometra i maseni spektrometar koristi kao dodatni detektor gasnog hromatografa. Kombinacijom gasnog hromatografa i masenog spektrometra složena smeša se prvo razlaže hromatografski na komponente, pa se svakoj komponenti zasebno snima maseni spektar, tako što se maseni spektrometar pušta u pogon svaki put kada detektor gasnog hromatografa ukaže na nailazak neke komponente smeše. Pošto je identifikacija čistih hemijskih jedinjenja masenom spekrometrijom relativno jednostavna, time je rešen problem na koji se u gasnoj hromatografiji troši najviše vremena. S druge strane, ako se u smeši nalazi i jedinjenje nepoznate molekulske strukture, rešive masenom spektrometrijom, gasna hromatografija pomaže da se ono posmatra izolovano od drugih komponenti smeše.


Literatura

1. S. Mentus, U. Mioč, Odabrane metode fizičkohemijske analize, Fakultet za fizičku hemiju, Beograd 1992. 2. D.A. Skoog, F.J. Holler, J.J. Leary, Principles of instrumental analysis, Sounders College Publishing, 5th Edition, 1998.

Documents

Fhp Gc Ms Integralni Tekst