Debreceni Egyetem Természettudományi és Technológiai Kar Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék Műszeres analitika II. gyakorlat (K3313) Gázkromatográfia Irodalom: 1. Műszeres és analitikai kémiai gyakorlatok, szerk. Fábián István, Körtvélyesi Zsolt, Debrecen, 1999 2. Analitikai kémia I., szerk. Pokol György és Sztatisz Janisz, Műegyetem Kiadó, Budapest, 1999 3. G. Guiochon, C.L. Guillemin, Quantitative Gas Chromatography, Elsevier, Amsterdam, 1988 4. Willard et al., Instrumental Methods of Analysis, Wadsworth Publishing Company, Belmont California, 1981 5. SRI 8610 C gázkromatográf gépkönyv, Buck Scientific Inc., East Norwalk, CT, 1994 6. Chrombook, Merck, Darmstadt, 2000 7. Szakkatalógusok (Chromatography Research Supplies, Quadrex, ABL&E, stb.) ZH kérdések: 1. A kromatográfia és a gázkromatográfia definíciója. 2. A vivőgáz szerepe a gázkromatográfiában. 3. A minőségi és mennyiségi meghatározás alapja a gázkromatográfiában. 4. Gázkromatográfiás kolonnák. 5. Rajzolja le a gyakorlaton alkalmazott gázkromatográf blokkvázlatát! 6. A gázmintavevő csap működése. 7. Mely alkotókat lehet meghatározni a gyakorlaton használt CTR1 kolonnával? 8. A hővezetőképességi detektor vázlata és működése. 9. A lángionizációs detektor vázlata és működése. 10. Adja meg SD (standard deviáció), RSD (relatív standard deviáció), S (érzékenység) és LOD (kimutatási határ) számítási módját, mértékegységét! c.w.gc.gc-sila.doc 2/11/2008 1
I. ÁLTALÁNOS RÉSZ A kromatográfia egy fizikai elválasztási módszer, ahol az elválasztandó alkotók megoszlanak két fázis között, melyek közül az egyik álló, míg a másik egy adott irányba mozog. Az álló fázis lehet szilárd, gél vagy folyadék. A folyadék álló fázis szilárd hordozóra vihető fel, ami vagy részt vesz, vagy nem vesz részt az elválasztásban. A folyadék kémiailag kötődhet a szilárd hordozóhoz vagy immobilizálható rajta. A gázkromatográfia egy olyan elválasztástechnikai módszer, ahol a mozgó fázis egy gáz. A módszer alkalmas gázok és a gázkromatográfban gázhalmazállapotúra hozható folyadékok vizsgálatára. Az elválasztás mindig egy kolonnában történik, ahol a minta alkotói szétválnak aszerint, hogy milyen erősséggel kötődnek a kolonna töltetéhez/belső bevonatához, ill. a vivőgáz hatására milyen könnyen/nehezen válnak le onnan. Az elválasztás nagyszámú szorpciós-deszorpciós lépésen keresztül történik. Azok az alkotók, amelyek gyengébben kötődnek, ill. könnyebben válnak le, hamarabb hagyják el a kolonnát, azaz kisebb a retenciós idejük. Az egyes alkotók érzékelése detektorokkal történik. A detektorjel adja a kromatogramot, amely egy idő (perc) - feszültség (mv) diagram. Az egyes alkotók minőségi azonosítása a retenciós idő, mennyiségi meghatározása a csúcs (görbe) alatti terület alapján történik. A gázkromatográfiás gyakorlatban két fő kolonnatípust alkalmaznak, melyek rozsdamentes acélból, boroszilikát üvegből, olvasztott kvarcból, stb. készülhetnek. Az egyik típus a töltött kolonna. A töltet lehet (különböző szemcseméret tartományban levő) szilikagél, aktív szén, diatómaföld, porózus polimerek (pl. sztirol-divinil-benzol kopolimer), molekuláris szita (szintetikus zeolitok), stb. bevonat nélkül vagy szilikonolaj, glicerin, trietanolamin, alkilftalát, polifenil-éter, stb. bevonattal. Ezek nagyobb átmérőjű (belső átmérő 2-4 mm, esetenként nagyobb), rövidebb (hossz 0,3-3 m, esetenként nagyobb) kolonnák. A másik típus, a kapilláris kolonnák, elterjedtebbek. Ezek kisebb átmérőjűek (belső átmérő 0,10-0,53 mm) és hosszabbak (15-75 m). Ezeknél a belső felületen folyadék filmbevonat van, mely lehet metilszilikon olaj, fenil-metil-szilikon olaj, etilén-glikol, stb., ennek vastagsága 0,25-6 µm között változhat. Különböző típusú alkotók elválasztására a gyártók különböző kolonnákat ajánlanak. A célnak megfelelő kolonna kiválasztása gyártók, forgalmazók, felhasználók, katalógusok, stb. segítségével történhet. A megvásárolt kolonnához a gyártók tesztkromatogramot adnak, amely tartalmazza a kolonna nevét, hosszát, belső átmérőjét, a filmbevonat vastagságát és összetételét, a katalógusszámot, a hőmérséklet programot, a detektor típusát és hőmérsékletét, az elválasztott alkotók nevét, sorrendben, ahogy a kolonnáról lejönnek és további adatokat. A gázkromatográfokat, a célnak megfelelően különböző detektorokkal szerelik fel. Ilyen lehet a hővezetőképességi detektor (TCD; nem destruktív, minden alkotót érzékel 100 ppm felett), lángionizációs detektor (FID; a leggyakrabban használt detektor, gyakorlatilag minden szénhidrogént érzékel 100 ppb felett), lángfotometriás detektor (FPD; különösen érzékeny kénre 500 ppb-től és foszforra 50 ppb-től), elektronbefogásos detektor (ECD; nagy érzékenység halogénezett származékokra, 1 ppb-től), fotoionizációs detektor (PID; nem destruktív, nagy érzékenységű 100 ppb-től, több EPA vizsgálati módszer igényli), nitrogénfoszfor detektor (NPD; nagyon szelektív és érzékeny nitrogénre és foszforra), elektrolitikus vezetőképességi detektor (ELCD; nagy szelektivitás halogén származékokra), stb. c.w.gc.gc-sila.doc 2/11/2008 2
II. A GYAKORLATON HASZNÁLT KÉSZÜLÉK ISMERTETÉSE A gyakorlaton egy Buck Scientific, USA gyártmányú, SRI 8610 C típusú, számítógép vezérlésű gázkromatográffal dolgozunk. Mérés előtt összekapcsoljuk a számítógépet a gázkromatográffal és mindkettőt 230VAC, 50Hz áramforráshoz csatlakoztatjuk. Megnyitjuk a gázpalackokat és a nyomásmérőn a kimenő gáz nyomását 3-4 bar-ra állítjuk, bekapcsoljuk a számítógépet, elindítjuk a PeakSimple for Windows szoftvert, majd bekapcsoljuk a gázkromatográfot. Aktiválni kell a szoftver megfelelő kontrol fájlját és ellenőrizni kell a fűtési programot és a detektor paramétereket. Gázkromatográf blokkvázlat 1- hidrogénes palack, 2- sűrített levegős palack, 3- nyomásmérő, 4- gázkromatográf, 5- gázmintavevő csap, 6- vákuum szivattyú, 7- kolonna, 8- termosztatált tér, 9- hővezetőképességi detektor, 10- lángionizációs detektor, 11- számítógép, 12- szeptum, 13- áramforrás, a- gázminta bevitel, b- gázminta távozás, c- égéstermék távozás, d- folyadék- /gázminta bevitel. A nagytisztaságú hidrogén a kolonnában vivőgázként és a lángionizációs detektorban (levegő-hidrogén láng) éghető gázként kerül felhasználásra. A gázkromatográfon be kell állítani / ellenőrizni kell a vivőgáz nyomását és a lángionizációs detektor (FID) hidrogén nyomását. A vivőgáz nyomásának változtatásával a retenciós idő is megváltozik, a nyomás növelése rövidebb retenciós időt eredményez. A gázkromatográf kijelzőjén a nyomásértékek psi mértékegységben vannak kifejezve (1 psi = 0,068947 bar = 6,8947 kpa). A sűrített levegő a lángionizációs detektorban (levegő-hidrogén láng) égést tápláló gázként kerül felhasználásra. A nyomásmérőn a kimenő gáz nyomását 3-4 bar-ra kell állítani. A c.w.gc.gc-sila.doc 2/11/2008 3
gázkromatográfon be kell állítani/ellenőrizni kell a lángionizációs detektor (FID) levegő nyomását. A gázmintavevő csap kimenő (b) ágát vákuum pumpához vagy vízsugár szivattyúhoz csatlakoztatjuk és ez utóbbi esetben megnyitjuk a vízcsapot. Ekkor a bemenő (a) ágon folymatosan minta (laborlevegő) áramlik keresztül a csapon, amely feltölti az 1 cm 3 térfogatú hurkot, majd a (b) kimenő ágon folyamatosan távozik a rendszerből; ez a gázmintavevő csap feltöltési (load) helyzete. Amikor a szoftveren keresztül kiadjuk az injektálás parancsot, akkor hurokban levő 1 cm 3 minta bekerül a vivőgáz áramba és bemosódik a kolonnába, megkezdődik az elválasztás. Ezt követően a gázmintavevő csap automatikusan visszafordul feltöltés állásba. A gázmintavevő csap mozgását egy relé vezérli, melyhez az utasításokat a szoftverben kell megadni. Gázmintavevő csap vázlat A gázkromatográfba egy Alltech gyártmányú CTR1 kolonnát találunk bekötve. Ez egy különleges kettős, eltérő töltetű kolonna a kolonnában rendszer, amely alkalmas O 2, N 2, CO, CO 2, CH 4 elválasztására, egy injektálásból, 10 percen belül. A belső cső egy porózus polimer keverékkel van töltve, a két cső közötti tér pedig egy aktivált molekuláris szitával. CTR 1 kolonna teszt kromatogramja vázlat 1- levegő és CO (belső töltet), 2- CH 4 (belső töltet), 3- CO 2, 4- O 2, 5- N 2, c.w.gc.gc-sila.doc 2/11/2008 4
6- CH 4 (külső töltet), 7- CO (külső töltet) A gázkromatográf kolonnát tartalmazó termosztált része egy hőszigetlet, elektromos fűtéssel és ventillátoros hűtéssel rendelkező tér. A szoftverből ki lehet válsztani (be lehet írni) egy hőmérséklet programot, ami a megfelelő elválasztást biztosítja. A gyakorlaton használt gázkromatográfnál a megadható legnagyobb hőmérséklet 400 o C és a legnagyobb fűtési sebesség 40 o C/min. A gyakorlaton az elválasztás 40 o C-on, izoterm körülmények között történik. Az elválasztott alkotók rendre, először egy hővezetőképességi detektorba kerülnek. Ez egy hőszigetelt, fűthető alumínium blokkba elhelyezett 4 db. wolfram-rénium izzószálból áll, amelyek egy Wheatstone-híd áramkörben helyezkednek el, úgy, hogy az elválasztott alkotót hordozó vivő gáz két átlósan levő cellán folyik keresztül, míg a másik két, átlósan elhelyezkedő cellán keresztül a tiszta vivőgáz folyik. Amikor mind a 4 izzószál terében vivőgáz folyik, akkor a "híd" egyensúlyba van és az erősítőre alapvonal jel kerül. Amikor elválasztott alkotó jut a detektorba, megváltozik a mintaáramban levő két cellába az izzószálat körülvevő közeg hővezetőképessége, ami felborítja a "híd" egyensúlyát és az erősítő egy (növekvő, majd csökkenő ) analóg jelet küld az adatfeldolgozó rendszernek, amiből megszületik a kromatogram. Ezzel a detektorral bármilyen gáz érzékelhető 100 ppm feletti koncentrációban. Hővezetőképességi detektor vázlat 1- alumínium blokk, 2- elektromos vezeték az elektrométer felé, 3- mérőcella mintagáz áramban, 4- mérőcella vivőgáz áramban, 5- áramforrás, 6- nullázó, 7- erősítő, a- vivő- /mintagáz, b- vivő-/mintagáz, c- analóg jel az adatfeldolgozó rendszer felé c.w.gc.gc-sila.doc 2/11/2008 5
Az elválaszott alkotók elhagyva a hővezetőképességi detektort a lángionizációs detektorba kerülnek. Itt a minta levegő-hidrogén lángban elég, amikor oxidációs és ionizációs folyamatok eredményeképpen töltéssel rendelkező részecskék, ionok és szabad elektronok keletkeznek. Ezeket a ionokat egy, a láng közelébe elhelyezett pozitív töltésű elektród összegyűjti és a generált elektromos jelet az erősítőhöz továbbítja. Ez a detektor csak éghető gázokra ad jelet, szerves vegyületek vizsgálatára ez a legelterjedtebb detektor. Lángionizációs detektor vázlat 1- kolonna/csatlakozás a hővezetőképességi detektorról, 2- lángionizációs detektor, 3- elektromos gyújtó, 4- gyűjtő elektród, a- elválasztott alkotók vivőgáz áramban, b- hidrogén, c- sűrített levegő, d- analóg jel az erősítőhöz, e- égéstermékek Az egyes detektorok által produkált kromatogram a számítógép képernyőjén jelenik meg, mely elmenthető és visszahívható. Az így nyert kromatogramból a szoftver megadja a retenciós időt (az elválasztott alkotóra vonatkozó minőségi adat) és a görbe (csúcs) alatti területet (az elválasztott alkotóra vonatkozó mennyiségi/koncentráció adat). Folyadékmintákat a gázkromatográfba Hamilton fecskendővel a szeptumon keresztül juttathatunk, mikroliteres térfogatokban. Szeptumon keresztül fecskendővel gázmintákat is lehet injektálni milliliteres térfogatokban. A gyakorlat végeztével a gázkromatográfiás rendszert le kell állítani az alábbiak szerint: - elzárni a vízcsapot - kilépni a Windows-ból és kikapcsolni a számítógépet - kikapcsolni a gázkromatográfot - elzárni a hidrogénes- és a sűrített levegős palack főcsapját. c.w.gc.gc-sila.doc 2/11/2008 6
III. A GYAKORLATON ELVÉGZENDŐ FELADATOK 1. Laborlevegő injektálása; a kromatogramból megállapítani az oxigén és a nitrogén retenciós idejét és retenciós ablakát. 2. Metán tartalmú laborlevegő injektálása; a kromatogramból megállapítani a metán retenciós idejét és retenciós ablakát. 3. Ismeretlen gázt tartalmazó minta injektálása; a kromatogramból azonosítani kell az ismeretlent és megállapítani a retenciós idejét és retenciós ablakát. Elmenteni a TCD és a FID kromatogramot. 4. 3,8 l össztérfogatú szelepes műanyag tasakba készíteni 1 v/v % (az alsó robbanási határérték 23%-a) CH 4 -tartalmú gázelegyet. 5. 3 injektálás a 4. pontban elkészített gázelegyből; a csúcs alatti területek feljegyzése; átlag és RSD számítás. 6. 3,8 l össztérfogatú szelepes műanyag tasakba készíteni 0,5 v/v % CH 4 -tartalmú gázelegyet. 7. 3 injektálás a 6. pontban elkészített gázelegyből; a csúcs alatti területek feljegyzése; átlag és RSD számítás. 8. 3,8 l össztérfogatú szelepes műanyag tasakba készíteni 0,2 v/v % CH 4 -tartalmú gázelegyet. 9. 3 injektálás a 8. pontban elkészített gázelegyből; a csúcs alatti területek feljegyzése; átlag és RSD számítás. 10. A 3. pontban már vizsgált minta CH 4 -tartalmát is meg kell meghatározni. 3 injektálás a 3. pontban vizsgált gázelegyből; a csúcs alatti területek feljegyzése; átlag és RSD számítás. 11. A kalibrációs görbe ábrázolása. 12. A meghatározások és a kalibrációs görbe alapján az ismeretlen CH 4 -tartalmának kiszámolása. 13. A 3. pontban elmentett kromatogramok kinyomtatása. MEGJEGYZÉS. A jegyzőkönyvnek tartalmaznia kell legalább az alábbiakat: - a gyakorlat neve és dátuma - a gyakorlaton használt készülék elnevezése - mintánként/kalibrálóként csoportosítva a mérési adatokat; átlag és RSD számítást - kalibrációs görbét - az ismeretlen gázelegy metán tartalmát - a két kinyomtatott kromatogramot. c.w.gc.gc-sila.doc 2/11/2008 7
MELLÉKLET RSD számítása: RSD = SD 100%,ahol x RSD = relatív standard deviáció, % SD = standard deviáció (szórás), mv. min x = a mérési eredmények átlaga, mv. min SD = n ( x i x ) 2 = 1 i n 1, ahol SD = standard deviáció (szórás), mv. s x = mérési eredmény, i mv. s x = a mérési eredmények átlaga, mv. s n = a mérések száma, - Megjegyzés: 1. x, x, SD mértékegysége mindig megegyező, de analitikai módszerenként más és más. i 2. Az SD, ill. az RSD a véletlen hiba mértékét adja, a mérések szórását az átlag körül. Egy méréssorozat annál precízebb minél kisebb az SD, ill. RSD értéke. (Összeállította Nagy István, Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék) c.w.gc.gc-sila.doc 2/11/2008 8