Plynová chromatografie

Jak plynová chromatografie měří složení vzduchu

Plynová chromatografie je metoda, která odděluje látky přítomné v plynném vzorku, aby bylo možné určit jejich zastoupení. V klimatologii se používá k měření metanu, oxidu dusného a dalších plynů v ovzduší i ve vzduchu získaném z ledových jader. Přístroj, který rozdělení a následné měření provádí, se nazývá plynový chromatograf. (Rubino a kol., 2019, oddíl 2.3)

Podrobně projdeme stanovení metanu ve vzduchu pomocí plamenového ionizačního detektoru. Je to zařízení, které převádí příchod metanu do malého plamene na elektrický signál. Tento postup dlouhodobě používala americká Národní správa pro oceán a atmosféru, známá pod zkratkou NOAA. Lang a kolegové (1994) dokládají použití v pozorovací síti, postup NOAA z roku 2015 podrobně vysvětluje kalibraci a výpočet.

Proč plyny vycházejí z přístroje postupně

Vzduch je směs mnoha plynů. V chromatografu jej v malé dávce vpustíme do proudu nosného plynu, například helia. Nosný plyn unáší vzorek dlouhou úzkou trubicí zvanou kolona. Uvnitř kolony je materiál, na kterém se molekuly jednotlivých látek různě dlouho zadržují. Tento materiál zůstává na místě, a proto mu říkáme stacionární fáze. (Harvey, oddíly 12.2 a 12.4)

Představme si cestu jedné molekuly kolonou. Část času se pohybuje s nosným plynem, část stráví zachycená na náplni. Potom se znovu uvolní a proud ji odnese dál. Tento děj se během cesty opakuje. Různé molekuly se k povrchu náplně vážou různě silně, a proto se liší i doba jejich zadržování. Látka, jejíž molekuly tráví na náplni více času, postupuje v průměru pomaleji. Na konci dostáváme jednotlivé složky v odlišných časech, přestože do kolony vstoupily společně. Takto rozdělení popisuje i výklad analytického systému NOAA.

Náplň volíme podle plynů, které chceme oddělit. V uspořádání NOAA popsaném Langovou a kolegy prochází vzorek nejprve předřazenou kolonou, která zachytí oxid uhličitý a zbytky vody. Druhá kolona oddělí metan od ostatních složek vzduchu. Obsahuje materiál s velmi drobnými póry, označovaný jako molekulové síto. Teplotu kolon a průtok helia udržuje přístroj stálé, aby se průchod látek opakoval stejným způsobem. Popis systému NOAA uvádí použité kolony i jejich zapojení.

Jak se vzorek dostane do kolony

Vzduch můžeme nasávat přímo na měřicí stanici nebo odebrat do uzavřené baňky a dopravit do laboratoře. Při laboratorní analýze otevře soustava ventilů cestu od vybrané baňky k přístroji. Proud vzduchu nejprve propláchne přívodní vedení. Tím nahradí plyn, který v něm zůstal po předchozím vzorku, právě analyzovaným vzduchem. (NOAA, oddíl 5.1)

Před měřením se vzduch vysuší. Například analytický systém NOAA pro vzorky z letadel jej vede přes silně ochlazenou část potrubí, kde se voda zachytí. Cílem je vyjadřovat složení vůči suchému vzduchu. Vodní pára má totiž proměnlivé zastoupení. Kdybychom ji započítali mezi všechny molekuly směsi, pouhé zvlhčení vzduchu by snížilo podíl metanu, i kdyby se jeho množství vůči ostatním plynům nezměnilo. Dokumentace laboratorní sestavy NOAA ukazuje sušení i rozdělení vzorku mezi jednotlivé analyzátory.

K dávkování slouží krátký úsek trubice s přesně daným objemem, zvaný dávkovací smyčka. V sestavě Langové a kolegů měla objem 5 mililitrů. Nejprve se propláchne a naplní vzorkem. Po vyrovnání tlaku přepne ventil smyčku do cesty nosného plynu. Helium z ní vytlačí dávku vzduchu do kolony. Přepnutí tak vytvoří jasný začátek analýzy a opakovaně dodává vzorek stejným způsobem. Lang a kolegové popisují tuto smyčku a řízení odběru jednotlivých dávek.

Jak vznikne elektrický signál

Na výstupu z kolony metan vstupuje do detektoru, v němž hoří vodík s přívodem okysličujícího plynu. Při reakcích metanu s dalšími složkami plamene vznikají elektricky nabité částice, tedy ionty. Elektrické pole je zachytává na elektrodách a vznikající proud zaznamenává elektronika. Když přichází více metanu, odezva detektoru zesílí. Odtud název plamenový ionizační detektor, často zkracovaný anglickými písmeny FID. Jeho úlohu v analýze metanu popisuje NOAA.

Elektronika průběžně ukládá odezvu spolu s časem od vpuštění vzorku. Výsledný graf se nazývá chromatogram. Když ke konci kolony dorazí oddělená dávka metanu, signál vzroste, dosáhne maxima a zase klesne. V grafu se objeví vrchol, kterému se v chromatografii říká pík. Doba od vstupu vzorku po maximum píku je jeho retenční čas. Měřením známé směsi předem zjistíme, ve které části záznamu metan hledat. (Harvey, oddíly 12.2 a 12.4)

Pro určení množství metanu sečteme odezvu během průchodu celého píku. V grafu tomu odpovídá plocha pod píkem nad základní úrovní signálu. Základní úroveň je odezva v době, kdy metan právě neprochází, a při výpočtu se odečítá. Využijeme tak celou zaznamenanou dávku, i když její průchod trvá několik okamžiků. Metodika NOAA používá plochu píku jako přednostní údaj pro následný převod.

Jak se plocha píku převede na zastoupení metanu

Samotná plocha píku je údaj přístroje. Abychom jí přiřadili složení vzduchu, potřebujeme změřit také směsi, jejichž obsah metanu je už určený. Tyto referenční plyny se uchovávají v tlakových lahvích. Kalibrací zjišťujeme vztah mezi jejich známým složením a odezvou chromatografu. Stejný vztah potom použijeme na neznámý vzorek. (NOAA, oddíly 5–6)

Zastoupení metanu vyjadřujeme molárním zlomkem. Ten říká, jaký podíl všech molekul suchého vzduchu tvoří molekuly metanu. Jednotka ppb znamená počet na miliardu. Hodnota 1 850 ppb tedy odpovídá 1 850 molekulám metanu na miliardu molekul suchého vzduchu. V odborných datech najdeme i zápis nmol/mol, který má pro tuto veličinu stejný význam. Propojovat takto vyjádřená měření umožňuje společná kalibrační stupnice. (NOAA, oddíl 4)

NOAA udržuje pro metan stupnici WMO X2004A. WMO je Světová meteorologická organizace a X2004A označuje konkrétní verzi stupnice. Její základ tvoří směsi připravené vážením přidaného metanu a ředicího plynu. Z jejich hmotností a složení se určí výsledný molární zlomek. S těmito základními směsmi se porovnávají další lahve používané v běžném provozu. Tím se stejné referenční hodnoty přenášejí mezi laboratořemi. Dokumentace X2004A zveřejňuje hodnoty jednotlivých směsí i postup jejich předávání.

Při samotné analýze NOAA střídá dávky vzorku s dávkami jedné referenční směsi. Ke každému vzorku tedy patří měření reference těsně před ním a po něm. Z obou referenčních ploch uděláme průměr a plochu vzorku jím vydělíme. Tak získáme poměr odezev ve stejných podmínkách. Průběžné porovnávání zachytí pomalé společné změny odezvy, například při změně tlaku ovlivňující množství plynu v dávkovací smyčce. (NOAA, oddíly 5–6)

Značka $S$ označuje plochu píku vzorku, $R_1$ plochu předchozí reference a $R_2$ plochu následující reference. Všechny tři plochy jsou ve stejných přístrojových jednotkách, které se při dělení vykrátí. Výsledný poměr $r$ je proto bez jednotky. Výpočet předpokládá stejný způsob dávkování a vyhodnocení všech tří píků. (NOAA, oddíly 5–6)

K převodu poměru na ppb ještě potřebujeme kalibrační křivku. Tu vytvoříme měřením několika známých směsí s různým zastoupením metanu. Každou porovnáme s touž referencí a spojíme získaný poměr s přiřazeným molárním zlomkem. Soubor těchto dvojic ukáže, jak se odezva mění v celém používaném rozsahu. NOAA jej v metodice z roku 2015 popisuje vztahem:

Zde $x$ představuje molární zlomek metanu v ppb a $r$ právě vypočtený poměr. Koeficienty $c_0$ a $c_1$ mají jednotku ppb, exponent $c_2$ je bez jednotky. Všechny tři hodnoty zvolí výpočet tak, aby křivka co nejlépe odpovídala kalibračním bodům. První koeficient posouvá křivku nahoru nebo dolů, druhý mění její výšku a exponent dovoluje popsat zakřivení. Vztah tedy vychází z kalibračních měření konkrétního přístroje a používá se v rozsahu, který tato měření pokrývají. Přiřazení směsí, oba výpočty i jejich návaznost uvádí technický postup NOAA.

V jednom měřicím běhu analyzujeme stejný plyn opakovaně. Každá dávka poskytne vlastní hodnotu v ppb a z těchto hodnot vypočteme aritmetický průměr. (NOAA, oddíly 5.2 a 6.1)

Symboly $x_1, x_2, \dots, x_N$ jsou výsledky jednotlivých analýz téhož plynu v ppb, $N$ je jejich počet a $\bar{x}$ výsledný průměr, opět v ppb. Průměr shrnuje jeden běh za srovnatelných podmínek. Když laboratoř NOAA přiřazuje směsi v tlakové lahvi molární zlomek metanu, provede nejméně dva samostatné běhy a jejich výsledky porovná. (NOAA, oddíl 5.2)

Co metoda přináší klimatologii

Opakované odběry na stanicích vytvářejí časový záznam metanu v atmosféře. Síť rozložená po světě umožňuje porovnávat i různé zeměpisné oblasti. Lang a kolegové (1994) popsali odběry a chromatografickou analýzu v síti NOAA za roky 1989–1992. V příloze A zveřejnili měsíční průměry metanu vypočtené z vyhlazeného průběhu naměřených hodnot. Tyto průměry zachycují změny během roku i mezi roky. Z odběrových sítí získáváme také údaje o jiných plynech, například pozorování atmosférického CO₂, pro který se běžně využívají optické analyzátory.

Chromatograf může analyzovat i vzduch uvolněný z bublinek v ledu. Rubino a kolegové (2019) tak sestavili záznamy CO₂, metanu a oxidu dusného z antarktického Law Dome. Pro měření CO₂ použili po oddělení v koloně převod na metan, který pak prošel plamenovým detektorem. Určení stáří vzduchu umožňuje přiřadit rozbor minulému období. Veřejná tabulka CSIRO uvádí hodnoty jednotlivých plynů podle ledového jádra a stáří vzduchu.

Chromatografie slouží také k rozboru organických látek zachovaných v mořském sedimentu. Oddělení dvou alkenonů a převod jejich zastoupení na minulou teplotu vody popisuje článek o chemických a biologických paleoteploměrech.

Vývoj a další provedení

Důležitým krokem ve vývoji byla práce Jamese a Martina z roku 1952. Ukázali oddělení těkavých mastných kyselin mezi proudícím plynem a nehybnou kapalinou nanesenou na nosiči. Molekuly se při průchodu opakovaně rozdělovaly mezi plyn a kapalinu. Vedle zachycování na pevné náplni tak vzniklo použitelné provedení založené na rozdílném rozpouštění látek v kapalné vrstvě. Automatické dávkování, citlivé detektory a elektronický záznam později umožnily dlouhodobé měření stopových plynů doložené v síti NOAA.

Pro různé plyny se mění především kolony a způsob detekce. Oxid dusný a fluorid sírový lze měřit detektorem elektronového záchytu: přicházející molekuly zachycují elektrony a tím zmenšují sledovaný proud. Pro širší soubor halogenovaných plynů, tedy sloučenin obsahujících například fluor nebo chlor, se používá spojení s hmotnostním spektrometrem. Ten rozlišuje nabité částice podle poměru jejich hmotnosti k elektrickému náboji. Laboratorní program NOAA popisuje obě varianty vedle měření metanu. V novějších měřeních metanu se rozšířila také absorpční spektroskopie, která využívá pohlcování světla plynem. Její návaznost na chromatografy prověřili Zellweger a kolegové (2016).

Nejistoty a ověření výsledků

Výsledek ovlivňuje zachování vzorku, dávkování, oddělení píků a kalibrace. U atmosférických záznamů záleží také na četnosti odběrů. Na irské stanici Mace Head porovnali Zellweger a kolegové (obr. 12) chromatograf s optickým přístrojem. U časově spárovaných měření činil průměrný rozdíl v absolutní hodnotě 0,57 ppb a směrodatná odchylka rozdílů 3,79 ppb. Malý průměrný posun ukazuje návaznost obou postupů, rozptyl jednotlivých rozdílů vyjadřuje jejich shodu při jednotlivých odběrech.

Příklad rozboru jedné lahve

Tabulka A1 v metodice NOAA obsahuje dvacet analýz plynu z jedné lahve v jediném měřicím běhu 23. července 2015. Zveřejňuje plochy píků, poměry odezev i vypočtené hodnoty metanu. Začneme první dávkou vzorku a dvěma sousedními dávkami reference:

Průměr obou referenčních ploch je 8 224 596,5. Plochu vzorku vydělíme tímto průměrem podle dříve vysvětleného vztahu:

Výsledek souhlasí s poměrem uvedeným v tabulce NOAA. Odezva vzorku je tedy o něco menší než odezva reference. Laboratoř tomuto poměru svou kalibrační křivkou přiřadila hodnotu 1 852,01 ppb. Příklad začíná zveřejněnými plochami píků. Původní chromatogramy a číselné koeficienty tehdejší křivky tabulka neobsahuje, proto převod poměru na ppb přebíráme jako výsledek laboratoře.

Stejný výpočet poměru můžeme zopakovat u všech dvaceti dávek. Potom sečteme jejich zveřejněné výsledky v ppb a vydělíme počtem analýz:

Po zaokrouhlení dostáváme 1 851,79 ppb, stejně jako souhrn původní tabulky. Jednotlivé analýzy téhož plynu mají směrodatnou odchylku 0,74 ppb. Ta zde vyjadřuje rozptyl opakovaných rozborů, nikoli celkovou nejistotu přiřazené hodnoty. Graf ukazuje všech dvacet výsledků i jejich společný průměr.

Shrnutí