Analyzátory prvkov CHNS

Stanovenie obsahu uhlíka, vodíka, dusíka a síry v organických matriciach je dôležitým parametrom, ktorý sa vyžaduje v mnohých aplikáciách. Najbežnejšou analytickou metódou na súčasné monitorovanie týchto štyroch prvkov je vysokoteplotné spaľovanie pri teplotách v peci nad 1 000 °C a za prítomnosti kyslíka. Počas procesu spaľovania sa skúmaná organická látka oxiduje na zmes obsahujúcu oxid uhličitý, vodu, oxid siričitý a oxidy dusíka. Oxidy dusíka vytvorené počas spaľovacieho procesu sa následne v redukčnej peci premenia na plynný elementárny dusík. Nosným inertným plynom je najmä hélium, ale vzhľadom na jeho nedostatok a vysokú cenu sa čoraz častejšie používa cenovo dostupnejší argón. Stanovenie zloženia výsledného spalín sa vykonáva dvoma rôznymi spôsobmi: buď separáciou jednotlivých zložiek spalín s následnou kvantifikáciou pomocou detektora tepelnej vodivosti (najbežnejší prístup), alebo sériou samostatných IR detektorov na kvantifikáciu jednotlivých plynov. Metóda vysokoteplotnej analýzy spaľovania si vyžaduje minimálne úsilie na prípravu vzorky a umožňuje stanovenie vo všetkých typoch matríc – je vhodná pre pevné, viskózne, kvapalné, prchavé alebo plynné látky. Ďalšou výhodou oproti iným technikám je možnosť vysokého stupňa automatizácie s vysokou priepustnosťou vzoriek, čo umožňuje bezobslužnú prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v týždni.

Pokročilá separácia plynov

Spoločnosť Elementar používa vo svojich prvkových analyzátoroch na kvantitatívnu separáciu spalín jedinečnú chromatografickú techniku patentovanú ako Advanced Purge and Trap (APT). Schéma prvkového analyzátora vybaveného technológiou APT je znázornená na obrázku 1.

Obrázok 1: Schéma analyzátora CHNS vybaveného technológiou APT

Technológia APT využíva až tri selektívne kolóny, ktoré adsorbujú CO2, H2O a SO2. Dusík voľne prechádza systémom a najprv sa detekuje na TCD (obrázok 2a). Po detekcii a úplnom vyhodnotení píku N2 riadiacim softvérom sa zahreje kolóna CO2, po ktorej nasleduje uvoľnenie a detekcia adsorbovaného oxidu uhličitého (obrázok 2b). Podobne sa zahrievajú kolóny selektujúce vodu (obrázok 2c) a SO2 (obrázok 2d). Všetky tri selektívne kolóny sú vysoko optimalizované na kvantitatívnu adsorpciu cieľových spalín a sú dostupné v rôznych veľkostiach. V dôsledku toho je ich kapacita až 250-krát väčšia ako kapacita bežnej chromatografickej kolóny. S postupom preplachovania a zachytávania je možná analýza vzoriek s absolútnym obsahom uhlíka až do 500 mg. Vynikajúca presnosť a citlivosť analyzátorov CHNS spoločnosti Elementar je zabezpečená vysokou rýchlosťou zahrievania kolóny a následnou desorpciou plynu, ktorá poskytuje ostré a časovo jasne oddelené píky s vynikajúcim pomerom signál/šum.

Obrázok 2: Chromatogram stanovenia CHNS v sulfonamide pomocou APT s použitím troch kolón selektívnych pre CO2, H2O a SO2.

Chromatogram s jasne oddelenými vrcholmi

Jednou z hlavných výhod technológie APT je úplná kontrola desorpcie každého zo stanovovaných plynov. Jednotlivé kroky zahrievania konkrétnej kolóny sa začínajú až po tom, ako sa na TCD zistí predchádzajúci plyn. Opísaný postup zabezpečuje úplnú separáciu píkov bez ohľadu na pomer prvkov v analytu. V dôsledku toho možno presne stanoviť prvkové zloženie aj v látkach s pomerom C:N alebo C:S až do 1:12 000.

Presná separácia píkov zabezpečuje absolútne spoľahlivý a bezproblémový zber údajov. Výsledkom je, že analýza údajov sa dá ľahko automatizovať, a to aj pri veľkých objemoch vzoriek, pričom sa zabezpečí najvyššia možná kvalita a presnosť výsledkov, čo vedie k výrazne vyššej efektívnosti laboratória.

Obrázok 3: Experimentálne stanovený pomer C:N 1:12 000 vo vzorke toluénu pomocou prvkového analyzátora vario EL cube pracujúceho v režime CHN.

Presné stanovenie síry vďaka vysokej citlivosti

Jednou z najdôležitejších výhod technológie APT je, že nedochádza k rozširovaniu základne píku v závislosti od retenčného času. Pri konvenčnej GC analýze sa tento jav vo všeobecnosti pozoruje v dôsledku zvýšenej pozdĺžnej difúzie v chromatografickej kolóne. Molekuly plynu sa v kolóne nepohybujú len dopredu, ale aj v iných smeroch. Stanovenie SO2 je najviac ovplyvnené týmto javom v dôsledku dlhého retenčného času. Výsledkom je široký a nízky pík na chromatograme, ktorý výrazne zhoršuje detekčný limit pre síru (obrázok 4). Pri technológii APT sa SO2 kvantitatívne adsorbuje pomocou selektívnej kolóny. K desorpcii dochádza v dôsledku rýchleho a riadeného zahrievania špecifickej kolóny SO2. Výsledkom je zreteľne oddelený pík zodpovedajúci síre. Túto vlastnosť elementárnych analyzátorov Elementar možno ďalej vylepšiť použitím infračerveného detektora špecifického pre SO2, ktorý zabezpečuje u prístroja trace SN cube hranicu detekcie (LOD)menšiu ako 10 ppb (obrázok ).

Obrázok 4: Porovnanie ostrosti píkov medzi technológiou APT a konvenčnou technológiou GC kolóny pri stanovení S vo vzorke síranu bárnatého.

Veľký hmotnostný rozsah vzorky

Technológia APT umožňuje presnú mikroanalýzu vzácnych vzoriek látok vysokej čistoty, ale aj stanovenie nehomogénnych vzoriek s hmotnosťou až 5 g. Jedinečná technológia APT sa používa v prvkových analyzátoroch vario EL cube, vario MACRO cube a vario MAX cube. Na zabezpečenie maximálnej všestrannosti a výkonu je každý z týchto analyzátorov optimalizovaný pre rôzne hmotnosti vzoriek, homogenitu a maximálny obsah uhlíka. Aj pri najväčších hmotnostiach vzoriek sa na stanovenie CHSK využíva celý objem spalín bez potreby separácie alebo riedenia, čo by mohlo viesť k zníženiu citlivosti a maximalizácii účinku kontaminantov. Elementárny analyzátor vario EL cube je vhodný pre malé objemy vzoriek homogénnych vzoriek, ako sú čisté chemikálie, farmaceutické látky alebo polyméry. Pre stredne homogénne vzorky, ktoré si vyžadujú väčšie hmotnosti váh, je ideálnym prístrojom vario MACRO cube. Je vhodný na analýzu uhlia, biomasy a odpadu. Kocka vario MAX je vhodná na elementárnu analýzu nehomogénnych vzoriek alebo vzoriek s veľkým podielom popola. Do tejto skupiny patria vzorky pôdy, rastlín alebo hnojív. Tento prístroj umožňuje automatické vkladanie vzoriek a odstraňovanie popola pomocou robustného a bezúdržbového robotického podávača.

Zhrnutie

Experimentálne údaje ukazujú, že technológia APT jednoznačne prekonáva iné techniky separácie spalín (napr. konvenčnú plynovú chromatografiu) používané pri prvkovej analýze vo všetkých aspektoch. Technológia APT ponúka najväčšiu flexibilitu v hmotnosti vzorky a maximálne rozlíšenie analytických píkov, čo vedie k bezkonkurenčnej citlivosti. Použitý robustný dizajn, konštrukcia a výrobné procesy zabezpečujú dlhú životnosť plynových selektívnych kolón v porovnaní s konvenčnými GC kolónami. V kombinácii s 10-ročnou zárukou na tepelne vodivostné detektory a spaľovače predstavujú elementárne analyzátory Elementar skvelú investíciu s veľkou návratnosťou do budúcnosti.