Výhody a nevýhody záměny helia jako nosného plynu v plynové chromatografii za vodík. Část III. – Nástřik vzorku a detektory

Jak bylo ukázáno v předcházejících článcích této série, nejvhodnější náhradou helia jako nosného plynu v plynové chromatografii je vodík. V tomto článku jsou diskutována některá specifika, kterým je nutné při použití vodíku jako nosného plynu věnovat pozornost u různých technik nástřiku vzorku na chromatografickou kolonu. Dále je pozornost věnována vlivu vodíku na použitelnost a citlivost různých typů detektorů používaných v plynové chromatografii zejména s ohledem na aplikace v oblasti pivovarských analýz.

1 NÁSTŘIK VZORKU

K nanesení vzorku na chromatografickou kolonu se používá několik různých technik. Přehled těch nejvýznamnějších, které se používají při pivovarských analýzách, je uveden v tab. 1. Dále jsou probrány jednotlivé způsoby nástřiku vzorku vzhledem k použití vodíku jako nosného plynu.

Tab. 1 Techniky nástřiku podle nejvýznamnějších skupin látek stanovovaných v pivu plynovou chromatografií

1.1 Split/Splitless injection

Nejrozšířenějším injektorem v plynové chromatografii je Split/Splitless injektor. Jak vyplývá z názvu, tento injektor je možné použít ve dvou režimech – split nebo splitless. Tento typ nástřiku se používá hlavně k nástřiku kapalných vzorků, které jsou ještě před vstupem do kapilární kolony v prostoru injektoru zplyněny.

Princip split/splitless injektoru se dá popsat následovně. Stříkačka se vzorkem propíchne septum, kterým je injektor plynotěsně utěsněn. Poté se vzorek rychle přenese ze stříkačky do prostoru vyhřátého injektoru, kde dojde k jeho rychlému vypaření, a následně je nosným plynem nanesen na kolonu. V závislosti na použitém režimu injektoru může být buď veškerý vzorek nanesen na kolonu (splitless mód), nebo část vzorku může být odvedena mimo kolonu (split mód).

Při nástřiku v režimu splitless je použití vodíku jako nosného plynu ve srovnání s heliem výhodnější. Vzhledem k vyšší lineární rychlosti vodíku jsou analyty rychleji naneseny z prostoru injektoru do kolony. Díky tomu se získají ostřejší píky, což v konečném důsledku vede ke snížení detekčních limitů.

Při práci ve split módu může být při přechodu od helia k vodíku nutné přenastavení dělícího (splitovacího) poměru, zejména pokud se vyu-žije možnost zkrácení doby analýzy zvýšením lineární rychlosti vodíku. Nastavení správného dělícího poměru umožňuje nastavit správné množství vzorku, které se dostane na kolonu. Zbytek vzorku je z in-jektoru vyveden pryč mimo kolonu. Dělící poměr je množství vzorku vstupujícího na kolonu oproti množství vzorku odvedeného z injektoru.

Dělící poměr se obvykle nastavuje experimentálně, a to tak, aby bylo dosaženo dobré citlivosti a zároveň píky měly správný tvar. Pokud bude totiž dělící poměr příliš malý, píky budou široké a na svém počátku budou vykazovat známky přehlcení kolony. Na druhé straně při příliš vysokém splitovacím poměru se na kolonu dostane jen málo vzorku, což povede k poklesu citlivosti analýzy (Chromacademy, online).

1.2 Head-space metoda

Head-space technika je základní a velmi často používaná technika pro stanovení těkavých látek. Je založena na rozdělení sledovaných analytů mezi netěkavou kapalnou nebo pevnou fází a parní fází nad kapalným nebo pevným vzorkem.

Head-space analýza může být prováděna dvěma způsoby. Pokud je vzorek v rovnovážném stavu s plynnou fází v uzavřeném prostoru, potom se tato metoda nazývá statická head-space. Pokud nosný plyn proudí nad hladinou vzorku nebo probublává vzorkem a extrahované těkavé látky se zachytávají v sorpční pasti, pak se tento postup označuje jako dynamická head-space nebo purge-and-trap (Chromacademy, online).

1.2.1 Statická head-space metoda

Při statickém head-space postupu se ustavuje rovnováha mezi těkavými látkami obsaženými ve vzorku a v parní fázi nad vzorkem v plynotěsně uzavřené vialce. Po určité době nutné k ustanovení rovnováhy je část plynné fáze odebrána z vialky a nastříknuta na kolonu plynového chromatografu. Statické head-space systémy jsou dvojího typu – buď k dávkování používají plynotěsnou stříkačku, nebo ventilový systém s dávkovací smyčkou.

Při použití systému s plynotěsnou stříkačkou dochází po nadávkování vzorku k proplachu stříkačky plynem, a tak se i v případě vzorku s vysokým obsahem stanovovaných analytů zamezí jejich přenosu mezi vzorky. K proplachu stříkačky je vhodné použít nějaký inertní plyn jako je dusík (Kolb, Ettre, 2006; Horák at al., 2012).

U ventilového systému s dávkovací smyčkou analýza probí-há v několika krocích. Nejprve je vialka se vzorkem zahřívána po předem stanovenou dobu při určené teplotě. Poté je septum vialky propíchnuto jehlou a prostor vialky je natlakován plynem. V dalším kroku se přepne ventil tak, že se dávkovací smyčka naplní párami head-space prostoru. Nato se ventil opět přepne, a to tak, aby se plyn z dávkovací smyčky vypláchnul do propojovací kapiláry a byl tak přenesen na chromatografickou kolonu. Použití vodíku k tlaková-ní vialek není vhodné, protože v uzavřeném tlakovaném objemu se vytvoří hořlavá směs (Kolb, Ettre, 2006; Horák at al., 2012).

Při head-space analýzách je možné použít vodíku jako nosného plynu, ale pro proplach nebo tlakování vialek je nutné použít dusík nebo jiný inertní plyn (Chromacademy, online).

2 DETEKTORY

Úloha vodíku v plynové chromatografii není omezena jen na nosný plyn, ale vodík hraje důležitou roli i v některých typech detektorů buď jako palivo nebo jako pomocný plyn, tak zvaný make up. Přehled nejpoužívanějších detektorů, používaných při pivovarských analýzách, je uveden v tab. 2 (Horák at al., 2011).

Tab. 2 Přehled látek stanovovaných plynovou chromatografií v pivovarské analytice podle typu detektoru. (FID – plamenoionizační detektor, ECD – detektor elektronového záchytu, FPD – plamenofotometrický detektor)

Všechny výše uvedené detektory používají pomocný plyn. Pomocný plyn je zaveden mezi kolonu a detektor. Jeho úkolem je zlepšit přenos vzorku mezi kolonou a detektorem a dále snížit objem detektoru, a tak zamezit rozmytí píků. Vodík není vhodný jako pomocný plyn u detektorů, kde dochází ke shoření látek (FID, FPD), protože stechiometrie hoření (poměr vodíku a kyslíku) má vliv na odezvu signálu. Jako pomocný plyn se nejčastěji používá dusík. Přehled plynů používaných u jednotlivých typů detektorů je uveden v tab. 3 (Chro-macademy, online).

Tab. 3 Přehled plynů používaných u jednotlivých typů detektorů

2.1 FID a FPD detektory

V tab. 4 jsou uvedeny maximální hodnoty průtoku vodíku obvyklé pro většinu plynových chromatografů vybavených detektorem FID nebo FPD. Nastavení správné stechiometrie hoření (poměr vodíku a kyslíku) je klíčové pro dosažení maximální citlivosti detektoru. Dokud není ovlivněna stechiometrie hoření (poměr vodíku a kyslíku), je možné použít vodík i jako pomocný plyn. Jinak je nutné použít jako pomocný plyn jiný plyn, nejčastěji dusík. Obecně se dá ale říci, že u těchto typů detektorů se vodík jako pomocný plyn nepoužívá. (Chromacademy, online).

Tab. 4 Maximální hodnoty průtoku vodíku obvyklé pro většinu plynových chromatografů vybavených detektorem FID nebo FPD

2.2 ECD detektor

U detektoru typu ECD se používá pouze nosný plyn a pomocný plyn. Detektor elektronového záchytu ECD využívá principu, že vodivost plynů v ionizační komůrce se dramatickým způsobem mění přítomností nebo absencí kontaminujících látek v plynu. ECD sestává z ionizační komůrky obsahující radioaktivní zdroj β záření, obvykle nikl-63, a trysky přivádějící inertní plyn, obvykle dusík. β paprsky z ionizačního zdroje ionizují inertní plyn a vytváří tok volných elektronů (Horák et al., 2011). Vzhledem k tomu, že ani vodík ani helium za normálních podmínek v ECD neionizují, nemohou být použity jako pomocný plyn (viz tab. 3).

2.3 Hmotnostní detektor

Použití hmotnostního detektoru (MS) není sice předepsáno v žádné pivovarsko-sladařské metodice, ale vzhledem ke svým nesporným výhodám především v kvalitativní analýze se tento detektor stává stále častěji nedílnou součástí plynových chromatografů.

Většina plynových chromatografů s hmotnostním detektorem pracuje s heliem jako nosným plynem. V tomto systému konec kapilární kolony ústí do prostoru, kde je vytvářeno vakuum, na rozdíl od konvenčních detektorů, kde je atmosférický tlak. Toto vakuum snižuje vstupní tlak na hlavu kolony nutný k vytvoření určitého průtoku nebo lineární rychlosti. Tudíž helium, které má větší viskozitu než vodík, následkem toho vytváří vyšší vstupní tlak na hlavu kolony a tím potlačuje rozpínání nastříknutého vzorku při splitless nástřiku. Vodík díky nižší viskozitě umožňuje větší a dokonce nekontrolovatelnou expanzi objemu nastříknutého vzorku. V důsledku toho může dojít k chvostování a rozšíření píků. Tento problém je možné řešit zvýšením průtoku vodíku. Avšak důsledkem toho mohou vzniknout problémy s vytvořením dostatečného vakua na konci kolony, protože do detektoru bude přicházet velký objem vodíku. Tím může vzrůstat počet molekul na pozadí, které mohou kolidovat s vytvářenými ionty, a tak může dojít nejen k poklesu citlivosti, ale také ke změně v relativní odezvě iontů v hmotnostním spektru. Nekompatibilitu získaných spekter se spektry v dodávaných knihovnách lze do určité míry obejít tvorbou vlastní knihovny spekter při použití vodíku jako nosného plynu.

Proto je při použití vodíku jako nosného plynu výhodné provádět separace na kolonách s menším vnitřním průměrem (0,15, 0,18 nebo 0,20 mm), kde se dostatečného tlaku v injektoru dosáhne při nižším průtoku a v hmotnostním detektoru je tak možné vytvořit dostačující vakuum, a tím eliminovat změny v hmotnostních spektrech.

Při záměně helia za vodík může vodík vyčistit systém od kontaminantů adsorbovaných na zdrsněných nebo nečištěných plochách. Určitou dobu pak může trvat, než se v hmotnostním spektrometru opět odstraní zvýšený šum. Jakmile ale dojde k tomuto „vyčištění“, vodík bude udržovat systém v čistém stavu (Heseltine, 2010).

3 ZÁVĚR

Jak vyplývá ze všech tří článků této série, vodík jako nosný plyn může být efektivně použit namísto helia při mnoha plynově chromatografických analýzách. Vyniká širokou použitelností, poskytuje dobrou účinnost chromatografické separace a chromatografické analýzy s jeho použitím jsou většinou rychlejší než s jinými nosnými plyny jako je helium nebo dusík. Ve srovnání s heliem je levnější. Snadno a levně se dá získat ve velmi vysoké čistotě pomocí vodíkových generátorů.

Pro jeho explozivitu je však nutné dodržovat všechna bezpečnostní opatření.