Wykorzystanie pirolitycznej chromatografii gazowej do określania ...
Slajd 1 - Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniukesy/Analiza_chemiczna/Wklad1SAD.pdf · 2018. 1....
Transcript of Slajd 1 - Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniukesy/Analiza_chemiczna/Wklad1SAD.pdf · 2018. 1....
30.01.2018
1
ANALIZA INSTRUMENTALNA MATERIAŁU BIOLOGICZNEGO
Materiał biologiczny pochodzenia ludzkiego, zwierzęcego bądź
roślinnego zwany jest w kryminalistyce śladem biologicznym. W
praktyce kryminalistycznej ślady biologiczne można podzielić na
trzy grupy:
- pochodzenia tkankowego - np. krew, paznokcie, włosy,
zęby, kości, fragmenty roślin
- wydzieliny - ślina, nasienie, wydzielina łojowa, wydzielina
pochwowa, pot
- wydaliny - kał, mocz, wymiociny, smółka płodowa.
ANALIZA INSTRUMENTALNA MATERIAŁU BIOLOGICZNEGO
Spośród wielu zadań, dla chemików sądowych
najważniejszym jest analiza i identyfikacja różnego rodzaju
śladów znalezionych na miejscu przestępstwa oraz
zabezpieczonych materiałów dowodowych oraz analiza
materiału dowodowego pod kątem obecności substancji
toksycznych zagrażających zdrowiu i życiu człowieka, takich
jak: narkotyki, leki psychotropowe, alkohol, metale ciężkie i
inne toksyny organiczne i nieorganiczne.
ANALIZA INSTRUMENTALNA MATERIAŁU BIOLOGICZNEGO
1. Ocena zawartości kannabinoidów wybranych odmian konopi Cannabis sativa L/w
materiale biologicznym (GC-MS)
2. Oznaczanie zawartości kwasu benzoesowego w napojach (HPLC-UV)
3. Oznaczanie skażeń związkami chlorowcopochodnymi (GC-ECD)
4. Identyfikacja sterydów anabolicznych w próbkach biologicznych/Analiza produktów
alkoholowych na zawartość metanolu (GC-FID)
Metody chromatograficzne (rozdzielcze)
w analizie materiału biologicznego
(GC, HPLC)
30.01.2018
2
Chromatografia jest fizykochemiczną metodą rozdzielania
składników jednorodnych mieszanin w wyniku ich
różnego podziału między fazę ruchomą i nieruchomą
układu chromatograficznego.
Fazą ruchomą może być gaz, ciecz lub płyn w stanie
nadkrytycznym, a fazą nieruchomą (stacjonarną) - ciało
stałe lub ciecz.
Klasyfikacja technik chromatograficznych
Chromatografia cienkowarstwowa (TLC)
30.01.2018
3
Chromatografia kolumnowa
Przykładowe rodzaje metod chromatograficznych• Chromatografia cienkowarstwowa (TLC)
• Ekstrakcja z fazy stałej (SPE)
• Chromatografia gazowa (GC)
• Wysokosprawna chromatografia cieczowa (HPLC)
• Elektroforeza kapilarna (CE)
To też jest technika chromatograficzna…
• dozowanie próbki
• rozdział składników
• detekcja rozdzielonych składników
detektor
Każdy proces chromatograficzny składa się
z trzech etapów
30.01.2018
4
Wynikiem rozdziału chromatograficznego jest
chromatogram
Wysokosprawna (wysokociśnieniowa)
chromatografia cieczowa (HPLC)
HPLC
30.01.2018
5
HPLC
Zestaw do wysokociśnieniowej chromatografii cieczowej
Od prawej: komputer sterujący aparatem i rejestrujący dane, pompa z
zaworem dozującym, kolumna wewnątrz termostatu i różnego rodzaju
detektory rozdzielanych substancji, np. UV-vis, fluorescencyjny, MS-MS.
HPLC - rozdział składników
Kolumny chromatograficzne
30.01.2018
6
Żel krzemionkowy
Faza normalna Faza odwrócona
HPLC – dozowanie próbki
HPLC - detekcja składników
30.01.2018
7
Przykładowy chromatogram
uzyskany metodą HPLC
(detektor fluorescencyjny)
HPLC - detekcja składników
Chromatografia gazowa - GC
Chromatografia gazowa - GC
30.01.2018
8
Air
Hy
dro
ge
n
Ga
s C
arrie
r
H
RESET
Chromatografia gazowa - GC
30.01.2018
9
GC – dozowanie próbki
Kolumna
Kolumny kapilarne stosowane w chromatografii gazowej
30.01.2018
10
Przekroje kolumn do
GC w powiększeniu
Fazy stacjonarne w kolumnach kapilarnych
Najbardziej znanym typem faz stacjonarnych są polisiloksany. Każdy atom krzemu
w łańcuchu zawiera dwie grupy funkcyjne. Typ i ilość grup decyduje o
właściwościach fazy stacjonarnej, a tym samym kolumny.
Poli(35% - difenylo- 65% dimetylosiloksan)
Poli(dimetylosiloksan)
GC - detekcja składników - FID GC - detekcja składników - ECD
Węglowodory 1
Etery, estry 10
Alifatyczne alkohole, ketony, aminy,
związki mono Cl, i mono F 100
Związki mono Br, di Cl, I, di F 1000
Anhydrydy i związki tri Cl 10000
Związki mono I, di Br, poli Cl i poli F 100000
Związki di I, tri Br, i poli F 1000000
Względna czułość detektora wychwytuelektronów (ECD) w stosunku do różnychzwiązków organiznych
30.01.2018
11
Kiedy w gazie nośnym pojawia się inna
substancja , właściwości chłodzące gazu
nośnego się zmieniają. Generuje to
powstawanie sygnału w detektorze
Drut oporowy wewnątrz detektora
jest chłodzony przez przepływający
gaz nośny
Flo
w
Flo
w
GC - detekcja składników - TCD
Uniwersalny detektor cieplno-przewodnościowy (TCD)
Chromatogram GC składników soku z pomarańczy
Wpływ warunków termicznych na rozdział w GC
(a) izotermiczny w 45oC
(b) izotermiczny w 145oC
(c) programowany w 30oC
do 180oC
Warunki rozdziału:
Techniki łączone
30.01.2018
12
Zastosowanie instrumentalnych technik analitycznych do
detekcji w chromatografii gazowej i HPLC
(techniki łączone)
Chromatograf
Spektrometr mas - HPLC-MS, GC-MS
Spektrometr podczerwieni - HPLC-IR, GC-IR
Spektrometr absorpcji atomowej - HPLC-AAS, GC-AAS
Jądrowy rezonans magnetyczny - HPLC-NMR, GC-NMR
Techniki instrumentalne nie tylko wykrywają obecność substancji, ale
również dokonują jej analizy, przez co potwierdzają autentyczność mierzonej
substancji w danym szczycie sygnału.
Chromatografia gazowa sprzężona ze spektometrią mas
Chromatografia gazowa sprzężona ze spektometrią mas
- Detektor wykonuje co sekundę widmo masowe (skan) wycieku z kolumny.
- Analizowane są jony o masach większych niż jony gazu nośnego.
- Każda substancja ma charakterystyczne dla siebie widmo mas.
30.01.2018
13
Spektometria mas
Chromatografia gazowa sprzężona ze spektometrią mas
Zasada działania spektrometru masowego
30.01.2018
14
Widmo masowe pochodnej metylowej (B) i metylowo-sililowej (A) kwasu indolilo-3-
octowego (IAA) oraz (po prawej) - najintensywniejsze jony danego widma.
A jak zinterpretować obecność w widmie jonów o m/z = 189 i 261?
Interpretacja obecności w widmie jonów o m/z = 189 i 261
Masa cz. IAA = 175
Reszta Me = 15
Reszta TMS = 73
Masa cz. H = 1
IAA + TMS + Me – 2H = 261
IAA + Me - H = 189
30.01.2018
15
Oznaczanie IAA w próbce ekstraktu z pożywki pohodowlanej bakterii
wykonane techniką MS-Full scan i MS-SIR
Dodatkowe zalety detektora ze spektrometrem mas
Wytwarzanie lotnych pochodnych
(derywatyzacja)
Wytwarzanie lotnych pochodnych związków organicznych
Aby możliwa była analiza GC substancji organicznych należy przeprowadzić je w
stan gazowy. Jednakże ogromna większość z tych substancji to ciała stałe o wysokiej
temperaturze wrzenia. Nielotność tych substancji wywołana jest złożonością budowy
(wysoka masa cząsteczkowa) i w dużej mierze obecnością w cząsteczkach polarnych
grup funkcyjnych: –COOH, –NH2, –SH2, –OH. Zablokowanie tych grup wydatnie
obniża temperaturę wrzenia i zwiększa trwałość związków organicznych.
Metody blokowania grup funkcyjnych:
- pochodne TMS (sililowe)
OH
O
OH
OHHO
CH2OH
1
23
4
5
6
+ Si
CH3
CH3
CH3
5 Cl
O-Si(CH3)3
(CH3)3-Si-O
O
O-Si(CH3)3
CH2O-Si(CH3)3
1
23
45
6
5HCl+
Glukoza Trimetylochlorosilan
(TMS-Cl)
O-Si(CH3)3
30.01.2018
16
- uzyskiwanie pochodnych acetylowych (acylowych)
Bezwodnik kwasu
octowego
+
+
- uzyskiwanie pochodnych sililowych
R C OH CH3OH H 2SO4
O
R C O CH3
O
CH2 O C R
CH O C R
CH2 O C R
O
O
O
CH3OH
O
R C O CH3
CH3ONa
Kwasy tłuszczowe (nielotne)Reflux
+ 3
+ +
- pochodne (estry) alkilowe
RCOOH + R2OH RCOOR2
RCOOH + CH2N2 RCOOCH3 + N2
reakcja z diazometanem
Lotna pochodna
Tłuszcze
Lotna pochodna
(biopaliwo!)
Analizy jakościowa i ilościowa
w GC i HPLC
Podstawy analizy jakościowej i ilościowej w GC i HPLC
Czas, w którym substancja przechodzi przez kolumnę nazywany jest
czasem retencji (tR). Czas retencji przypisany jest pikowi
odpowiadającemu danej substancji. Jest to więc podstawowy
parametr identyfikujący substancję w analizie GC i HPLC.
30.01.2018
17
Res
ponse
GC Retention Time on Carbowax-20 (min)
Chromatogram mieszaniny
węglowodorów
Heksan
Oktan Dekan1.6 min = tR
Res
ponse
Badana próbka Wykryta
substancja może być heksanem
1.6 min = tR
Retention Time on Carbowax-20 (min)
Podstawy analizy jakościowej i ilościowej w GC i HPLC
Analiza jakościowa
Identyfikacja substancji na podstawie czasu retencji
Od
pow
ied
ź d
etek
tora
Stężenie próby (mg/litr)
2
4
6
8
10
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Pow
ierz
chn
ia p
iku
1 m
g/l
itr
2 m
g/l
itr
3 m
g/l
itr
Podstawy analizy jakościowej i ilościowej w GC i HPLC
Analiza ilościowa
- wyznaczanie stężenia substancji na podstawie krzywej wzorcowej
- Wyznaczanie stężenia substancji na podstawie wzorca wewnętrznego
- Wyznaczanie stężenia substancji na podstawie znakowanego wzorca
wewnętrznego (w GC-MS)
• Specyficzna odmiana techniki dodatku wzorca. Specyficzność ta polega na tym,
iż w tym przypadku dodawaną substancją jest znana ilość związku, który
różni się od analitu jedynie składem izotopowym
• W trakcie analizy ilościowej wyznaczane są stosunki sygnałów dla
odpowiednich jonów masowych (co najmniej dwóch) uzyskanych w trakcie
analizy próbki rzeczywistej, próbki wzorca oraz próbki rzeczywistej z
dodatkiem wzorca
• Do określenia zawartości analitu w badanej próbce potrzebna jest jedynie
znajomość ilości izotopowo znaczonego analitu dodanego do próbki
Technika rozcieńczenia izotopowego w GC-MS
12.05 12.10 12.15 12.20 12.25 12.30 12.35 12.40 12.45 12.50 12.55 12.60Time0
100
%
0
100
%
0
100
%
Jas 370 SIR of 5 Channels EI+ 227.002.56e6
12.10
12.5712.25
Jas 370 SIR of 5 Channels EI+ 224.002.34e6
12.13
12.60
Jas 370 SIR of 5 Channels EI+ TIC
8.61e612.10
12.13
12.25
12.44
Metoda rozcieńczenia izotopowego
Chromatogram JA-Me, d3-JA-Me, H2JA-Me z użyciem techniki SIM. A – analiza jonu o m/z 227
Th; B – analiza jonu o m/z 224 Th; C – analiza sumy jonów o m/z 151,153,224,226 i 227 Th.
wzorzec wewnętrzny
analit
can=powan/powwz x cwz
x wsp
30.01.2018
18
12.05 12.10 12.15 12.20 12.25 12.30 12.35 12.40 12.45 12.50 12.55 12.60Time0
100
%
0
100
%
0
100
%
Jas 370 SIR of 5 Channels EI+ 227.002.56e6
12.10
12.5712.25
Jas 370 SIR of 5 Channels EI+ 224.002.34e6
12.13
12.60
Jas 370 SIR of 5 Channels EI+ TIC
8.61e612.10
12.13
12.25
12.44
Metoda rozcieńczenia izotopowego
Chromatogram JA-Me, d3-JA-Me, H2JA-Me z użyciem techniki SIM. A – analiza jonu o m/z 227
Th; B – analiza jonu o m/z 224 Th; C – analiza sumy jonów o m/z 151,153,224,226 i 227 Th.
wzorzec wewnętrzny
analit
can=powan/powwz x cwz
x wsp
12.05 12.10 12.15 12.20 12.25 12.30 12.35 12.40 12.45 12.50 12.55 12.60Time0
100
%
0
100
%
0
100
%
Jas 370 SIR of 5 Channels EI+ 227.002.56e6
12.10
12.5712.25
Jas 370 SIR of 5 Channels EI+ 224.002.34e6
12.13
12.60
Jas 370 SIR of 5 Channels EI+ TIC
8.61e612.10
12.13
12.25
12.44
Metoda rozcieńczenia izotopowego
Chromatogram JA-Me, d3-JA-Me, H2JA-Me z użyciem techniki SIM. A – analiza jonu o m/z 227
Th; B – analiza jonu o m/z 224 Th; C – analiza sumy jonów o m/z 151,153,224,226 i 227 Th.
wzorzec wewnętrzny
analit
can=powan/powwz x cwz
x wsp
1 ng d3JM 1ul (550 V, rep 6)
80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 3000
100
%
0
100
%
Jas 179 761 (11.271) Cm (758:764-(664:699+883:922)) SIR of 5 Channels EI+ 6.11e5151
224
153 226
Jas 181 734 (11.226) Cm (729:737-(626:646+801:864)) SIR of 5 Channels EI+ 7.89e4151
227
153
226
Porównanie intensywności wybranych jonów (m/z 151, 153, 224, 226, 227) estru metylowego
kwasu jasmonowego (JA-Me) (A) oraz standardu wewnętrznego d3JA-Me (B)
Metoda rozcieńczenia izotopowego
Zastosowania techniki GC/MS
• Analiza składu mieszanin poreakcyjnych
• Analiza produktów naturalnych (np. olejki zapachowe)
• Badania reakcji chemicznych w fazie gazowej
• Identyfikacja zanieczyszczeń w lekach, kosmetykach,
artykułach pożywczych itp.
• Analizy antydopingowe
• Analizy kryminalistyczne (np. identyfikacja producentów
narkotyków)
• Analizy zanieczyszczeń środowiska
30.01.2018
19
Typowy schemat
przygotowania próbki
do analizy GC i LC