ELLENŐRZŐ KÉRDÉSEK: Gázkromatográfa 1. A gázkromatográfás készülék felépítése. 2. A különböző halmazállapotú mnták bemérésének lehetősége. 3. A jó detektor tulajdonsága. 4. Hogyan befolyásolja a hőmérséklet a felbontóképességet. 5. A hővezetőképesség cella működés elve és felhasználásának lehetősége. 6. A lángonzácós detektor működés elve és felhasználásnak lehetősége. 7. A kolonna működesére ható tényezők. 8. A hordozó és a nedvesítő folyadék megválasztása. 9. A munkakörülmények hatása az elválasztásra. 10. Mnőség értékelés módja. 11. Mennység értékelés lehetősége. 12. A gázkromatográfa alkalmazása. 13. A vvőgázrendszer és a szétválasztást végző kolonna jellemzése. 14. Menny a Kováts-ndexe az alább vegyületeknek: n-hexán, n-oktán és - oktán? 15. Mlyen molekulatömeg tartományban alkalmazható a GC? 16. Írja fel a felbontás (R s, Resoluton), az elmélet tányérszám (N), és az egy elmélet tányérral egyenértékű magasság (HETP, vagy H, Hgh Equvalent to a Theoretcal Plate) kszámításához szükséges összefüggéseket a retencós dő, a félértékszélesség és a kolonnahossz smeretében! IRODALOM: Dr. Szepesy László: A gázkromatográfa par alkalmazása, Tankönyvkadó, Budapest, 1965. Dr. Szepesy László: Gázkromatográfa, Műszak Könyvkadó, Budapest, 1970. V.G. Berjozkn: A gázkromatográfa kéma módszere, Műszak Könyvkadó, Budapest, 1984. M.Sz. Vgdergauz: Gázkromatoráfa számtások, Műszak Könyvkadó, Budapest, 1983. Dr. Mád Istvánné: Elválasztástechnka, Egyetem jegyzet, Tankönyvkadó, Budapest, 1985. Douglas A. Skoog, James J. Leary: Prncples of Instrumental Analyss, Saunders College Publshng, 1992.
2 BEVEZETÉS A gázkromatográfás elemzés módszer az ötvenes évektől gen gyorsan fejlődött. Gyors elterjedése széleskörű alkalmazás lehetőségében rejlk. Permanens gázoktól kezdve magas forráspontú folyadékok, llékony szlárd anyagok, különböző szerves és szervetlen, természetes és mesterséges anyagok elemezhetők a gázkromatográfa segítségével. A ma készülék típusok és elemzés módszerek kalakuláság a gyors fejlődés hét szakaszra osztható: 1. Gázelemzések különböző adszorbensekkel. 2. Gáz-folyadékkromatográfa elvének kdolgozása. (1941) 3. Gáz-folyadékkromatográfa kísérletes bemutatása (1952) 4. A hőfokprogrammozás elvének kdolgozása (Grffths 1952) 5. Az első gázkromatográf megjelenése a pacon (1955) 6. Szelektív és érzékeny detektorok, specáls elemzés módszerek és körülmények együttes (programozott kolonnafűtés, kapllárs kolonnák, prolízs gázkromatográfa, GC-MS) alkalmazása. 7. SPE és SPME technka és a gyors gázkromatográfa megjelenése. A módszer jelentőségét aláhúzza az a tény s, hogy napjankban több százezer gázkromatográf üzemel szerte a vlágon. Az elemzés művelet két munkafázsra osztható: 1. Az elegy szétválasztása összetevő komponensere; 2. Az elválasztott alkotók egyenként meghatározása. A szétválasztást végző kolonnatöltet mnősége alapján megkülönböztetünk gáz-szlárd (GSC), és gáz-folyadék (GLC) kromatográfát. A gáz-szlárd kromatográfa olyan töltetes kolonnákkal valósítható meg, melyekben a töltet adszorpcós aktvtással rendelkezk, azaz az elválasztást végző folyamat az adszorpcó. Gáz-folyadék kromatográfánál vszont az álló fázs folyadék, amellyel nert, vagy nertté tett szlárd hordozót, vagy ksátmérőjű cső (kapllárs) falát nedvesítk be és így ebben az esetben abszorpcó lesz az elválasztást végző folyamat. A kétféle kolonnatípus alkalmazásánál tehát a készülék felépítése, működés elve azonos, de az elválasztás módja különböző.
3 1 A gázkromatográfás készülék felépítése: 1. ábra A készülék elv sémája (1. vvőgázrendszer, 2. mntabemérő, 3. kolonna, 4. termosztát, 5. detektor, 6. kértékelő rendszer) A kolonnába állandó sebességgel gázáramot (vvőgáz) vezetünk. A vvőgáz áramba mérjük a vzsgálandó mntát, amely lehet gáz, folyadék, oldott, vagy olvadék formájú szlárd mnta. Az njektorban a folyadék és olvadék mntákat elgőzölögtetjük, amelyek aztán a vvőgázzal a kolonnára jutnak. A kolonnában a mnta komponense a vvőgáz eluáló hatására a tölteten való megkötődő képességüknek megfelelően különböző sebességgel haladnak a gázáramlás rányába. Megfelelő tulajdonságú töltet és elegendő kolonnahossz esetén a mnta komponense teljesen szétválnak és egymás után jelennek meg a kolonnáról klépő vvőgázban. A kolonnából klépő gázt a detektoron átvezetve az egyes komponensek megjelenésekor, az alkotórészek mennységevel arányos jelet kapunk. 2. ábra Dfferencáls és ntegráls kromatogram. O: njektálás, A: levegő csúcs, CD: csúcsalap, BE: csúcsmagasság, FG: sávszélesség, HI: félértékszélesség (w), OB: retencós dő, térfogat(t R, V R )
4 A detektoron kapott jelet grafkusan ábrázolva, vagy elektronkus regsztrálóra kapcsolva a szétválasztásra jellemző kromatogramot (2. ábra) kapjuk. A kromatogramon látható csúcsok helyéből a komponens mnőség azonosítása, a csúcs alatt terület alapján pedg a mennység értékelés elvégezhető. 1. A gázkromatográfás készülék fő egysége A vvőgázrendszer A vvőgáz bztosítja a szétválasztandó mnta komponensenek áthaladását az oszlopon. A készülék működése szempontjából meghatározó jelentősége van a vvőgáz kéma és fzka tulajdonságanak és az áramlás vszonyoknak. (A vvőgázok ks fajlagos szorpcójú gázok: ntrogén, hélum, argon és hdrogén lehetnek.) A vvőgázrendszer része: gáztartály vagy gázfejlesztő, gáztsztító, áramlás (és/vagy nyomás)-szabályzó, áramlás (és/vagy)-nyomásmérő. A vvőgáz leggyakrabban kereskedelm gázpalackokból kerül felhasználásra. A legújabb készülékekhez hdrogén generátort s használhatnak. A technka gázok leggyakorbb szennyező az oxgén, a víz, az olajgőz, melyek a kolonna aktvtását és élettartamát csökkentk, ezért a vvőgázt gondosan tsztítan kell. Hatásos tsztítás érhető el aktívszenes és molekulaszűrős tsztítóegységek összekapcsolásával. A pontos, reprodukálható mérés feltétele az állandó gázáramlás sebesség. Az egyenletes áramlás sebességet a nyomás és/vagy áramlás sebesség szabályozásával bztosítjuk. Az áramlás sebesség meghatározásához leggyakrabban szappanhártyás áramlásmérőt használunk, amely kellően pontos, olcsó és a gázkromatográfában használatos ks áramlás sebességet jól lehet mérn vele. Mntabemérés A mntabemérő rendszer feladata a különböző halmazállapotú mntáknak (gáz, folyadék, szlárd mnták) gázállapotban a kolonnára juttatása. Ks mntamennységet, hrtelen, "dugószerűen" kell a kolonnára juttatn. Gázkromatográffal a 0-200 D-g, esetenként 0-600 D molekulatömegű, llékony, vagy llékonnyá tehető nem hőérzékeny anyagok vzsgálhatók. Gázok bemérése: A gázmnták térfogata, a mérn kívánt komponens vélt mennységétől függően, általában 0.5-5 ml között változk. Nyomelemzésekhez 10-20 ml s bemérhető. A gázbemérésekhez gáztömör fecskendőt, hatágú bemérőcsapot és egyéb gázppettás eljárásokat lehet használn. A legáltalánosabban használt a hatágú gázbemérő csap (3. ábra). Előnye az hogy egyszerűen kezelhető, reprodukálható eredményeket ad. A bemérendő térfogat aránylag egyszerűen változtatható a mntabemérő cső cseréjével.
5 1 2 1 2 3 4 5 3 4 5 a 3. ábra A hatágú gázbemérő csap a: mnta átvezetés (töltés, load), b: bemérés, (nject) a kolonnára 1: vvőgáz be, 2: vvőgáz k, 3: mnta be, 4: mnta k, 5: cserélhető bemérő hurok Folyadékok bemérése: A beadagoláshoz leggyakrabban fecskendőt alkalmazunk. Általános elemzés feladatokhoz 0,1-10 l mntát mérünk be. A folyadékmnta bemérőfej közvetlenül az oszlopbelépés előtt helyezkedk el úgy, hogy a vvőgáz az elpárolgó folyadék gőzét közvetlenül és gyorsan a töltetre öblítse. A folyadékok gyors elpárologtatása céljából a fejet külön fűtéssel látják el, amelyet a kolonna hőmérsékleténél 30-50 o C-kal magasabb hőmérsékletre célszerű állítan. b v v ő g á z k o lo n n á r a 4. ábra Folyadékok bemérése fecskendővel töltetes kolonnára A kapllárs kolonnákhoz specáls bemérőrendszer szükséges, mert a kolonnába csak 0,01-0,001 l folyadékot kell bevnn. A mntát a szokásos módszerrel a
6 vvőgázba adagolják, majd a vvőgázt két részre ágaztatják és csak 1/100-1/1000 részét vezetk a kolonnába (nlet spltter= bemenet áramláselosztó). Folyadék mnták bemérésére leggyakrabban specáls fecskendőket (mkrofecskendő, Hamlton-fecskendő, SGE-fecskendő) alkalmazunk. Szlárd anyag bemérése: A folyadékmntához hasonlóan folyadék formában adagolhatunk be szlárd anyagokat s ha oldatot, vagy olvadékot készítünk belőlük. A gázkromatográfokat általános analtka célokra általában folyadék mnták bevtelére alkalmas mntabevvővel hozzák forgalomba, mert ennek segítségével kelégítő pontossággal adagolhatunk gázokat s valamnt szlárd mntát s, oldatként, vagy olvadékként. SPE, SPME (Sold Phase Extracton, Sold Phase Mcro-Extracton) és a HS (Head-Space) adagolás módszerek megsmertetése csak a specáls gyakorlatokon történk. Az elválasztást végző kolonna A kolonnák készülhetnek üvegcsőből, melynek előnye, hogy többékevésbé nert, átlátszó így a kolonna töltete ellenőrzhető (egyenletesen töltött-e), hátránya a törékenysége. Készülhetnek fémcsövekből s, például saválló acélból, nkkelből, rézből, alumínumból. A fémcsövek kataltkus hatását magasabb hőmérsékleten fgyelembe kell venn. Általános elemzés célokra 2-5 mm belső átmérőjű saválló acél csőből készült, 0,3-2 m hosszuságú töltetes kolonnákat használunk. A kolonnák alakját a készülék szerkezet kalakítása határozza meg. A kolonnák készülékbe szerelésekor a jó tömítettség mellett az s szempont, hogy adott esetben könnyen kszerelhető, kcserélhető legyen, valamnt a csatlakozók ne nagyon növeljék a holttérfogatot. Specáls esetekben több kolonnát s használhatunk, melyeket sorosan vagy párhuzamosan kapcsolhatunk. Kolonnatöltetek Gáz-szlárd kromatográfa (GSC) Nagy fajlagos felületű adszorbensek pl. aktívszén, alumínum-oxd, szlkagél és molekulaszűrők jöhetnek számításba. A töltet leggyakrabban molekulaszta (Al-szlkát), vagy polsztrol d-vnl-benzollal térhálósítva. Ezekben az esetekben a pórusos szerkezetű töltetek belsejében van számottevő adszorpcó, am azt jelent, hogy csak a pórusok belsejébe dffundáln képes ksméretű molekuláknak lesz használható mértékű retencója. A pórusok méretét a jelenlévő katonok, lletve a térhálósítás mértéke befolyásolhatja. Általában permanens gázok mérésénél használjuk őket, de a magas hőmérsékleten végzett
7 egyébb elemzéseket s ezen típusú töltetek teszk lehetővé, ugyans 300 o C hőmérséklet fölött bomlás nélkül csak néhány folyadékfázst lehet használn. A polsztrol-dvnl-benzol kopolmerek Porapak és Chromosorb 101-104 néven kerülnek kereskedelm forgalomba. A töltetek szemcsemérete 0,1-0,3 mm (140-50 mesh). A mesh egy szabványos szta szövetének egy nch-ére (2,54cm) eső lyukak számát adja meg. Ha a vzsgált töltet még éppen átesk egy sztán, akkor a szemcsék méretét a szta mesh száma jellemz. Gáz-folyadék kromatográfa (GLC) A kolonnatöltet szlárd hordozóra felvtt folyadék. A hordozó általában datomaföld, teflon, vagy graft alapanyagú. Ma egyre jobban terjednek a szlcum-doxd és a polmer alapú hordozók s. Általános követelmény, hogy a hordozó nagy fajlagos felületű, egységes póruseloszlású legyen, kémalag aktív szennyezéseket ne tartalmazzon, megfelelő mechanka szlárdsággal rendelkezzék és ks nyomásesést adjon. A hordozók előkezelése a csúcsok torzulását jelentősen csökkenthet. A nedvesítő folyadék megválasztása az alább szempontok szernt történk: 1. Megfelelő szelektvtást bztosítson a mnta komponensenek szétválasztásához. 2. Ne legyen rreverzbls kéma reakcó a mnta komponense és a nedvesítő folyadék között. 3. A nedvesítő folyadék gőznyomása nagyon kcs legyen az elemzés hőmérsékleten, hogy a folyadékfázs elpárolgását elkerüljük. 4. Az alkalmazott maxmáls hőmérsékleten hőálló legyen. A szétválasztóképesség függ a folyadékflm mnőségétől és vastagságától s. Gyakorlat szabály, hogy a mnta összetevőhez hasonló tulajdonságú folyadékot kell választan (apoláros-apolároshoz, poláros-polároshoz). Kapllárs kolonna alkalmazásánál a kapllárscső falát nedvesítk nedvesítőfolyadékkal kb 1-4 m vastagságban. Csak készreszerelt gyár készítésűt lehet beszerezn. Mérete: d = 0,1; 0,2; 0,32; 0,5 mm, l = 5-50 m. A kromatográfot lletve kromatográfás segédanyagokat gyártó cégek egyenletes mnőségű, adott szemcseméretű, előre elkészített adszorbenseket, nedvesítőszereket, nedvesített hordozókat és meghatározott célokra gyártott kész kolonnákat s forgalmaznak. A töltetes kollonákat legtöbbször maguk a felhasználók készítk el. Termosztát A hőmérsékletet a feladattól és a mnta forráspont határatól függően úgy kell megválasztan, hogy az elemzés gyorsasága, a szétválasztó képesség optmáls legyen. A kolonna termosztálása mellett fontos az njektor és az
8 érzékelő detektor állandó hőmérsékletének bztosítása s. (Ma mnden GC mnmálsan három egymástól függetlenül működő termosztátot tartalmaz.) A termosztát feladata a kolonna, az njektor és a detektor dőben állandó és térben egyenletes hőmérsékletének bztosítása. Jelenleg a készülékek túlnyomó többsége 400 o C-g zoterm és meghatározott program szernt változó fűtéssel s üzemeltethető. Leggyakrabban légtermosztátokat alkalmaznak, melynek része a fűtőtest, a hőmérséklet szabályzó, és a levegő keveredését bztosító ventllátor. A termosztát jó működésének feltétele a hatásos hőszgetelés. A kolonnatér fűtése függetlenítve van a betáplálófej (njektor) és a detektor hőmérséklet szabályozásától. A hőmérséklet szabályozása gen pontos, a fűtés sebesség pedg széles határok között (0,5-10,0 o C/perc) változtatható. Az elemzés befelyeztével a kolonnatér gyorsan lehűthető. Detektorok A detektorok feladata, osztályozása és működésük A detektor feladata a kolonnából klépő vvőgáz áramban megjelenő komponensek gyors, folyamatos és érzékeny észlelése. A legtöbb detektor közvetlenül vllamos jelet ad, vagy a detektor által adott jelet megfelelő elektronkus egység vllamos jellé alakítja. Ez az elektromos jel kerül regsztrálásra, vagy adatfeldolgozásra. A modern gázkromatográfok felépítése olyan, hogy cserélhető módon, többféle detektorral üzemeltethetők. Az deáls detektor tulajdonságat az alábbakban foglalhatjuk össze: 1. Nagy érzékenység. 2. A jel gyorsan követ a koncentrácó változást. 3. Stabl működés (ks zajsznt, dőben állandó jelnagyság) 4. A koncentrácó változással lneársan arányos jel, széles tartományban. 5. Széles alkalmazhatóság határok (hőmérséklet, áramlás sebesség és koncentrácó). 6. Ks érzékenység a művelet körülmények ngadozásara. 7. Bztonságos (robbanásveszély, sugárzás) legyen. 8. Egyszerű konstrukcó a megbízható működés, olcsóság, könnyű javíthatóság és karbantarthatóság matt. A legáltalánosabban használt detektor típusok a hővezetőképesség mérő cella és a lángonzácós detektor. Hővezetőképesség mérő cella (TCD, Thermal Conductvty Detector) A mérés elve: a vvőgáz hővezető képességének változásat mér. Fémtömbből készült cella furatában külső fűtésű ellenálláshuzal van elhelyezve, amelynek ellenállása a hőmérséklettel erősen változk. A furaton keresztül
9 egyenletesen áramlk a vvőgáz. Ha a vvőgáz összetétele megváltozk, (megjelenk egy komponens frontja) akkor a hővezetőképessége s megváltozk, s a fűtött szálat jobban, vagy éppen kevésbé hűt, mnek hatására a szál hőmérséklete és egyben az ellenállása s megváltozk. Az ellenállás változást megfelelő kapcsolással (Wheatstone-híd) áramváltozássá alakítják és ezt regsztrálják. A kapott jel annál nagyobb, mnél nagyobb a különbség a vvőgáz és a komponens hővezetőképessége között. Legmegfelelőbb vvőgáz a hélum és a hdrogén, mert ezek hővezetőképessége egy nagyságrenddel nagyobb más anyagokénál. A hővezetőképesség mérő cellák újabb típusanál ellenálláshuzal helyett fémoxdokból készített félvezető hőérzékelőket (termsztor) alkalmaznak, melyek hőmérséklet koeffcense sokkal nagyobb, mnt a fémhuzaloké, így ezeknek a celláknak az érzékenysége egy nagyságrenddel nagyobb, mnt a hagyományos celláké. Érzékenysége: 10-8 g/ml vvőgáz. Lángonzácós detektor (FID, Flame Ionzaton Detector) A detektor egy légszgetelésű kondenzátorhoz hasonlít, melynek fegyverzete (elektródá) között hdrogénláng ég. A hdrogént, a hdrogén égéséhez szükséges levegőt vagy oxgént és a kolonnáról klépő vvőgázt a detektor alján elegyítk. A hdrogénláng 2000-2200 o C hőmérsékletén onok képződnek és az elektródák közt több 100 V-os feszültség hatására állandó áramot kapunk. Ha szerves anyag jut a detektorba, onzálódk és az onáram jelentősen megnő. Az onáram (pa nagyságrendű) változása erősítés után regsztrálható. Érzékenység: 10-12 g/ml vvőgáz. (Szervetlen nem elégethető anyagokat, pl.: víz, CO 2, SO 2 és NO x ez a detektor nem jelez!) 5. ábra A leggyakrabban alkalmazott gázkromatográfás detektorok
10 Regsztrálók és ntegrátorok Regsztráló műszerként régebben és néhol még ma s vonalíró potencométert (rekorder) alkalmaznak, bár napjankban sznte kzárólagosan csak a számítógépes regsztráló és kértékelő rendszerek kerülnek alkalmazásra. Korábban a kromatogram egyes csúcsanak területét planméterrel, vagy kvágva mérleg segítségével (cut and weght) számították k. A regsztrálókat az elektronkus ntegrátorok váltották fel. A gázkromatográfás adatok értékelésének tovább fejlődését jelent a dgtáls számítógépek napjankban sznte kzárólagos alkalmazása. A fejlődés lyen rányát az alkalmazás előnyök (mágneses adattárolás, újraértékelés az gényeknek megfelelően módosítható eredmény - Report- formátum lehetősége, matematka műveletek elvégezhetősége stb.) mellett annak tudhatjuk be, hogy mára egy jobb mnőségű számítógép ára software-el együtt sem ér el a készülék ár 10 %-át. 2. A kolonna működésére ható tényezők Az elválasztást befolyásoló paraméterek hatását jegyzetünkben elsősorban gyakorlat oldalról tárgyaljuk. A kolonna hatásosságát befolyásoló tényezőket három csoportba sorolhatjuk: Általános készülék jellemzők; Kolonnajellemzők; Munkakörülmények. Általános készülék jellemzők Az egyenletes vvőgáz áramlás, ks holttérfogatok a csatlakozásoknál, a hőmérséklet szabályozás egyenletessége, stb. Kolonna jellemzők A töltetes kolonnák átmérő változásának hatása a szétválasztásra csekély. A kolonnaátmérő növelése lehetővé tesz a betápláló mnta mennységének növelését, az átmérő növelésével azonban a töltet egyenletessége és tömörsége csökken. Analtka célokra általában 2-4 mm átmérőjű kolonnák készülnek, ennek oka az, hogy a töltet egyenletesebb, tömörebb és a méréshez szükséges gen ks mnta mennység gyorsan, "dugószerűen" adagolható. Az elválasztóképesség arányos a kolonna hosszával, azonban a hosszúsággal együtt a kolonna ellenállása, valamnt az analízshez szükséges dő s növekszk. Mnden feladathoz találhatunk egy optmáls hosszúságot, am az elemzés körülményetől s függ. A szlárd hordozó mnősége A szlárd hordozó mnősége az elúcós csúcsok alakjára van befolyással. A hordozó adszorbcós képessége előzetes kezeléssel csökkenthető. A kezelés lehet
11 hőkezelés, savas vagy lúgos mosás, acetonos mosás, stb. A kolonna hatásossága szempontjából a ks szemcseátmérőjű, (60-120 mesh, kb.: 0,25-0,125 mm) ks pórusátmérőjű, egységes póruseloszlású, gömbalakú szlárd hordozók a legmegfelelőbbek. A nedvesítőfolyadék mnősége és mennysége A gázkromatográfás szétválasztás hatásossága döntő módon a nedvesítőfolyadék mnőségétől, a mnta komponensevel szemben szelektvtásától függ. A polárosság kérdése fontos szempont, amkor a nedvesítőfolyadékot megválasztjuk. Ha a mnta komponense kevéssé polárosak, jobban oldódnak kevéssé poláros nedvesítőfolyadékban. A homológsorok tagja a töltetről forráspontjuk sorrendjében eluálódnak. Ha a mnta komponensenek és a nedvesítőfolyadéknak a polartása erősen külünbözk, az oldhatóság csekély. Például erősen poláros nedvesítőszer esetén a mnta kevéssé poláros komponense gyorsan eluálódnak, míg a polárosabb komponensek vsszatartása erősebb. Ez a hatás azonos forráspontú, de különböző szerkezetű molekulák szétválasztását tesz lehetővé, mnt például a cklohexán (fp. 80,9 o C) és benzol (fp. 80,1 o C). A megfelelő nedvesítőszer kválasztásánál döntő szerepe van az előkísérleteknek. Általános szempont, hogy a nedvesítőszer gőznyomása az elválasztás hőmérsékletén kcs legyen, a hordozó anyag aktív centrumat telítse, a vzsgálandó anyag komponensevel ne lépjen reakcóba. A nedvesítőszer mennységére vonatkozóan megállapítható, hogy kevés folyadék esetén a csökkenő kapactásnak megfelelően csökken a betáplálható mnta mennysége. A hordozó fajlagos felületétől függ a nedvesítő folyadék optmáls mennysége. A gyakorlatban az egyenletes flm kalakulása céljából célszerű könnyen lló folyadékokkal együtt felvnn a nedvesítőszert. Az lló folyadék elpárolgása után kalakul a megfelelő folyadékflm. A gyakorlatban jól alkalmazható az az elv, hogy apoláros anyagok elválasztásához apoláros, míg poláros anyagok elválasztásához poláros nedvesítőszer kell. Munkakörülmények A mnta bemérés hatása az elválasztásra A bemérhető mnta a töltet kapactásától, gáz-folyadék kromatográfánál a nedvesítő folyadék mennységétől függ. A nedvesítő folyadék mennységének csökkentésével csökken a betáplálható mnta tömege, am érzékenyebb detektálás módszer alkalmazását követel meg. Adott töltetnél a mntamennység csökkentésével nő a kolonna hatásossága, csökken a HETP érték. A mntabemérés módja s jelentős befolyással van az elúcós csúcs alakjára.
12 Optmáls működésben a mntát gorsan, dugószerűen kell a kolonnára juttatn. A folyadék elpárolgását külön fűtéssel célszerű meggyorsítan, ez az elpárologtató fejben (Injector) történk. A fej hőmérsékletét általában a legnehezebb komponens forráspontja fölött kell tartan. 6. ábra A beadagolás módjának hatása a csúcs alakjára 1: dugószerű beadagolás, 2: exponencáls beadagolás A kolonna hőmérsekletének hatása Alacsony hőmérsékleten a komponensek lassabban haladnak át a kolonnán, az elemzés hosszú dőt vesz génybe. Az elúcós csúcs ellaposodása a szétválasztó képességet és az érzékenységet s csökkent. Magas hőmérsékleten a komponensek gyors áthaladása következtében nem érhető el megfelelő szétválasztás. A hőmérséklet változása a folyadékflm vastagságát és a folyadék vszkoztását s befolyásolja. Az optmáls hőmérséklet a vzsgált mntától és a nedvesítőfolyadéktól függ. Az elemzés pontossága érdekében az egyéb paraméterek állandósága mellett a kolonna hőmérsékletét + 0,2 o C pontossággal kell tartan. A vvőgáz áramlás sebessége A vvőgáz térfogat sebességét elsősorban a kolonna belső átmérője határozza meg. A 4 mm belső átmérőjű kolonnáknál 20-100 ml/perc között sebesség használatos. Kapllárs kolonna esetében 0,5-2 ml/perc a gázáram sebessége. A túlságosan kcs áramlás sebesség kerülendő, mert a longtudnáls dffúzó sávszélesedést okoz. Hasonló hatású a kromatogrammokra a túl nagy áramlás sebesség s, mert az álló és a mozgófázs között anyagátadás folyamatokra nem lesz dő, amnek az eredménye szntén sávszélesedésben, rossz elválásban jelentkezk (lásd Van Deemter egyenlet). 3. Kromatogramok értékelése Mnőség értékelés
13 A csúcsmaxmum eléréség eltelt dő (t R ), lletve a csúcsmaxmum eléréség átment térfogat (V R ) egy adott tölteten az egyes komponensekre jellemző állandó, amely alapján a mnőség azonosítás elvégezhető. Mnőség értékelésre a következő módszerek használatosak: 1. Újjlenyomat módszer 2. Addcós mnőség azonosítás 3. Fajlagos késleltetés térfogat; 4. Relatív késleltetés térfogat; 5. Retencós (Kováts) ndex. Újjlenyomat módszer Szgorúan azonos körülmények között mérjük az smert anyagot és az smeretlent. A kromatogramokat, mnt újjlenyomatokat hasonlítjuk össze. Több csúcsot adó mntáknál vszonylag megbízható eredményt szolgáltat. Addcós mnőség azonosítás Mérjük az smeretlent, majd smert anyagot adunk hozzá és smét kromatografáljuk az elegyet. Ha valamelyk csúcs mérete változk, akkor azt az smert anyaggal azonosítjuk. Más polartású kolonnán való smételt analízssel győződhetünk meg azonosításunk helyességéről. A módszer akkor alkalmazható jó eredménnyel, ha független adatokból tudjuk, hogy mely anyagok lehetnek az smeretlen mntában. 7. ábra Homológ sorok tagjanak azonosítása Fajlagos késleltetés térfogat A módszer csak pontosan meghatározott és szgorúan betartott munkafeltételek között ad megbízható eredményt. Ha nem áll rendelkezésre kellő számú rodalm adat, az eljárás gen hosszadalmas. A módszer jól használható egy homológ soron belül az egyes komponensek azonosítására. Adott kolonnán és
14 állandó hőmérsékleten a késleltetés térfogat logartmusa a szénatomszám lneárs függvénye. Két különböző típusú kolonnán (poláros és apoláros) végezve az elemzést, a kétféle retencós térfogatot egy dagrammban ábrázolva, a különböző homológ sorokba tartozó komponensek más-más egyenesre esnek (7. ábra). Relatív késleltetés A módszer kküszöböl a kísérlet körülmények ksebb változása következtében a fajlagos késleltetés adatok meghatározásánál fellépő hbákat. A vonatkoztatás standardot úgy kell megválasztan, hogy a relatív retencó kssebb legyen, mnt 4. Javasolt anyagok: n-bután, benzol, naftaln, kámfor, cklohexanon, stb. A komponensek egyértelmű azonosítására célszerű két különböző polartású kolonnán mért retencós térfogatokat összehasonlítan. A relatív retencós adatokhoz csak a hőmérsékletet és az állófázst kell megadn, de a hőmérséklettel s kevésbé változnak, mnt az abszolút adatok. Az áramlás sebesség és a nedvesítőszer mennysége alg változtatják a relatív retencó értékét. A meghatározást úgy végezzük, hogy a relatív retencó logartmusat (lgv/v st =f(n C )) ábrázoljuk a szénatomszám függvényében, majd a kapott egyenes segítségével azonosítjuk az smeretlent. Retencós ndex (Kováts-ndex) Egy tetszőleges komponens retencós ndexe mnmálsan két standard vegyület (eltérő C-atomszámú n-alkán) retencós térfogata, vagy deje alapján logartmusos nterpolácóval határozható meg. A retencós ndex módszer standard anyag hányában a leggyakrabban alkalmazott mnőségazonosító eljárás. A módszer alkalmazása úgy történk, hogy méjük a n-szénhdrogén elegy kromatogramját adott körülmények között. (Ne felejtsük el, hogy mnden homológ sorra gaz az, hogy a késleltetés térfogat logartmusa a szénatomszám lneárs függvénye.) Ezután azonos körülmények között külön, vagy a n- szénhdrogén elegyhez keverve kromatografáljuk az smeretlen anyagot. A számoláshoz szükségünk van az smeretlen anyag csúcsa előtt és utána megjelenő n-alkán kromatogramjára. (Defnícó: a normál alkán ndexe 100*z.) I 100 * lo g V lo g V g ( x ) g ( z ) b Z I: Az zoterm retencós ndex, am függ az álló fázs anyag mnőségétől és a kolonna hőmérsékletétől. V g : Fajlagos késleltetés térfogat (V g helyére t R s írható). x: Ismeretlen anyag jele. z: Szénatomszám (az smeretlen csúcs előtt eluálódó n-alkán szénatomszáma).
15 b lo g V lo g V g z 1 g z z 1 z vagys a n- alkán görbe meredeksége. A gázkromatográfás elemzés során nyert adatokból és a fent képlet segítségével számítjuk k az smeretlen anyag retencós ndexét. A kapott retencós ndex alapján táblázatokból azonosíthatjuk az smeretlen anyagot. A retencós ndexet a mérés hőmérséklet és az álló (staconer) fázs megadásával adjuk meg. (Poláros komponensek retencós ndexe jelentősen függ a hőmérséklettől). Mennység értékelés A kromatogramban lévő elúcós csúcsok területe arányos a komponens mennységével. A legtöbb kromatográfás detektor esetében a csúcsterület az anyagmennység függvényében az orgóból egyenessel nduló, majd telítésbe hajló görbét ad. Mndg törekedjünk arra, hogy a detektor lneárs tartományában végezzük mérésenket! A kalbráláskor fgyeljünk arra, hogy a készülék érzékenysége anyagonként más és más. Mennység értékelésre vagy a csúcs alatt terület, vagy ksebb pontosságú mérések esetén a csúcsmagasság értékét lehet felhasználn. Mndkét módszer esetében elvleg a következő mennység meghatározás eljárások használhatóak: 1. Normalzálás. 2. Kalbrácós módszer. 3. Addcós módszer. 4. Belső standard módszer. Mennység értékelés a csúcsmagasság alapján A csúcsmagasság mérése a mennység értékelés legegyszerűbb módja. Gyorsan eluálódó, keskeny csúcsot adó komponensek meghatározására alkalmas. A pontos mennység elemzéshez tszta komponensekkel való kalbrácó szükséges. A csúcsmagasság gen érzékenyen változk a munkakörülmények változásával, különösen a hőmérséklet az áramlás sebesség, a mnta beadagolás módja és a mnta mennysége befolyásolja. Kalbráljuk a teljes mérés tartományt, mert a csúcsmagasság-koncentrácó összefüggés csak szűk tartományban lneárs és így az extrapolácó megbízhatatlan. Pontosabb mennység elemzés végezhető el, ha egy belső standardra vonatkozó relatív magasságot mérjük. Üzem rutnelemzéseknél, főként gázelemzéseknél, folyamatos üzemellenőrzésre és szabályozásra szolgáló úgynevezett process kromatográfoknál többnyre ezt a módszert alkalmazzák. Mennység értékelés a csúcs alatt terület alapján
16 A csúcs alatt terület meghatározásával a mennység elemzés pontossága növelhető. A területmérés egyforma érzékenységet bztosít a gyorsan eluálódó és a későn klépő komponensek elemzéséhez. A mennység értékelés első lépése a csúcsok alatt területek meghatározása. Külön problémát jelent a részlegesen elvált csúcsok területének meghatározása. A vállként jelentkező csúcs területe csak durva közelítést ad a részlegesen elvált komponensek mennységére. A csúcs alatt terület meghatározására a következő módszereket alkalmazhatjuk: 1. Planmetrálás (ma már nem használják) 2. Mérleg módszer (cut and weght) 3. Területszámítás a csúcsmagasság és a félmagasságban mért csúcsszélesség szorzatából. 4. Elektronkus, vagy dgtáls ntegrátor, amely gyors és pontos. Normalzálás A mnta terület-százalékos (!!!) összetétel számításának legegyszerűbb módszere, amelyet manapság s általánosan alkalmaznak, különösen sokkomponensű elegyek (pl. szénhdrogén-frakcók) elemzésekor. A módszer alapfeltétele, hogy a teljes mntamennység eluálódjon. Az ""-edk komponens terület %-os mennysége, melyet a/a %-, vagy Area%-al szoktak jelöln: a a % A A * 100 A : az ""-edk komponens csúcsának területe; a nevezőben pedg mnden komponens csúcsterületének összege (A ) szerepel. Az így számolt % értékek nem mnden esetben jellemzőek a mnta valód összetételére. Hővezetőképesség mérő cella esetében s az egyes komponensek eltérő hővezetőképessége következtében a kapott jel nem lneársan arányos (!) a különböző komponensek mennységével. Pontos tömeg-, vagy térfogat-százalékos eredmény csak az anyagonként kalbrálással nyerhető. Lángonzácós detektoronál kvételként a szénhdrogénekre a területszázalék alapján számított tömegszázalékos összetétel csak kssé tér el a valóságostól. Ennek ellenére a fent módszert nem csak szénhdrogének esetén alkalmazzák, hanem akkor s, amkor a csúcsokat nem kell, vagy nem tudjuk azonosítan, de valamlyen analtka adatra (pl. az úgynevezett kromatográfás tsztaság ) szükség van. Ennél a módszernél előfordulhat az, hogy egy 99,0 tömeg%-os hatóanyagtartalmú mnta kromatográfás tsztasága nem ér el a 90 %-ot (terület-%) sem egy ks mennységű, de ntenzív jelet adó szennyező matt!
17 Kalbrácós módszer Lényege a tszta komponensek bemérésével kalbrácós görbék felvétele. A kalbrácós görbe a terület (detektorjel) - bemért anyagmennység összefüggést ábrázolja (terület = a tömeg ). A módszer előnye, hogy a teljes szükséges koncentrácó tartományt felölel, hátránya, hogy erősen függ a munkakörülményektől, főként a bemérés módjától. Az egyenes meredkségét (a ) érzékenységnek nevezzük. Addícós módszer Nem határozzuk meg az érzékenységet, hanem elöbb megmérjük a mnta kromatogramját: terület 1 m, majd a meghatározandó komponensből smert mennységet (m k ) adva hozzá smét felvesszük a kromatogramot: terület 2 m + m k. Az smeretlen mennységét az alább összefüggés segítségével kapjuk: m m te r ü le t k 2 m te r ü le t m 1 m te r ü le t / te r ü le t 1 k 2 1 A gyakorlatban azonban a mérés hbák kküszöbölése céljából nem két, hanem több mérést végzünk eltérő m k1, m k2 stb. értékekkel. A kapott terület értékeket ábrázoljuk a bemért mennységek függvényében. Az smeretlen mennységét a terület 0 értékre extrapolált menység poztív előjellel adja (az egyenes és az X tengely metszete). terület m 8. ábra Anyagmennység meghatározása addícós módszerrel Belső standard módszer A munkakörülményekből adódó hbák jelentősen csökkenthetők e módszer alkalmazásával. Első lépésben a relatív érzékenység meghatározásához bemérjük az smert tömegű tszta komponenseket és smert tömegű belső standardot adunk hozzá. (Az -edk komponens és a belső standard mennysége közelítőleg azonos legyen.) m k
18 Több bemérés alapján meghatározzuk a terület értékeket. A kromatogram alapján számolhatjuk k az "" komponens relatív érzékenységét: te r ü le t f tö m e g te r ü le t s tö m e g tö m e g s * * te r ü le t te r ü le t s tö m e g s f : az "" komponens belső standardra vonatkozó relatív érzékenységét fejez k. s: a vonatkozás standard anyag te r ü le t tö m e g az komponensre vonatkozó (detektor) érzékenység A másodk lépésben a vzsgálandó mnta mért mennységéhez pontosan mért mennységű standard anyagot (belső standard) elegyítünk, melyet úgy kell megválasztan, hogy a mnta komponensetől jól elváljon, a meghatározandó csúcshoz közel eluálódjék, hasonló koncentrácóban legyen jelen és lehetőleg kémalag hasonló vegyülettípusba tartozzék. Az "" komponens mennysége a relatív érzékenység alkalmazásával: t ö m e g t e r ü l e t t ö m e g f t e r ü l e t s s tömeg : az "" komponens mennysége, koncentrácója; terület : az "" komponens területe; tömeg s : a belső standard mennysége, koncentrácója; terület s : a belső standard területe; f : relatív érzékenység. A belső standard módszer előnyös még akkor s, ha a mnta összes komponense nem eluálódk, vagy ha csak a mnta egyes komponensenek meghatározására van szükség. Több ponton s lehet kalbráln (preczós kalbrálás). Ekkor a terület /terület s értékeket ábrázoljuk a tömeg /tömeg s függvényében és az egyenes meredeksége adja az f értékét. 4. A gázkromatográfa alkalmazása Analtka alkalmazás A gázkromatográfa lehetőséget nyújt olyan, sok komponensből álló mnták vzsgálatára, amelyek elemzése eddg csak többféle módszer kombnálásával volt, vagy egyáltalán nem volt lehetséges. A nem llékony szlárd anyagok, vagy hőérzékeny folyadékok átalakítás után (llékonnyá tétel) többnyre vzsgálhatóak
gázkromatográffal. 19 Preparatív gázkromatográfa A preparatív gázkromatográfa szétválasztás és tsztítás módszerként alkalmazható szennyezések eltávolítására, nagytsztaságú anyagok előállítására, több komponensű elegyek szűk frakcókra, vagy egyed komponensekre való szétválasztására. Azonos forrpontú, vagy hasonló kéma tulajdonságú anyagok elkülönítésére s alkalmas. A gázkromatográfa specáls alkalmazása - Üzemek folyamatos ellenőrzése és szabályozása automatkus gázkromatográffal; - A programozott hőmérsékletű gázkromatográfa lehetőséget nyújt a forráspont görbe gyors és pontos meghatározására; - A mkroreaktorok és a gázkromatográfok összekapcsolásával a szerves vegyületek alkotóelemenek (szén, hdrogén, ntrogén, stb.) meghatározása válk lehetővé; Szlárd adszorbensek fajlagos felületének meghatározása. A számításokhoz szükséges összefüggések Felbontás: R S t w t R 2 R 1 w 1 2 Elmélet tányérszám: N 5. 54 t R w 2 HEPT: H L N ahol t R : retencós dő w: félértékszélesség L: kolonnahossz
20 GÁZKROMATOGRÁFIÁS GYAKORLATOK Általános útmutató A feladatok elvégzésére 2 db gázkromatográfás készülék áll rendelkezésre. 1. Carlo Erba gyártmányú lángonzácós detektorral felszerelt készülék, amely csak töltetes kolonnával használható. 2. Hewlett-Packard gyártmányú készülék am lángonzácós és hővezetőképesség detektorral, kapllárs és töltetes kolonnával s használható. A gyakorlatok célja a gázkromatográfás elemzés technka megsmerése, mnőség és mennység értékelés elsajátítása. Az elvégzett feladatokról jegyzőkönyvet kell készíten. A jegyzőkönyvben az alább adatokat kell szerepeltetn: készülék típusa, kolonna jellemzők beállított kromatográfás paraméterek vvőgáz mnősége, áramlás sebessége és/vagy nyomása, njektor, detektor és kolonna tér hőmérsékletek detektor típusa bemérés mennysége. és egyéb beállítás paraméterek, pl.: papírsebesség, ntegrátor program stb. Az értékeléshez felhasznált kromatogramokat és ábrázolásokat a jegyzőkönyvhöz mellékeln kell.
21 Carlo Erba gyártmányú kromatográfra 1. Retencós ndex meghatározása zoterm körülmények között Cklohexán retencós ndexének meghatározása Mérjen össze n-hexánt, cklohexánt és n-oktánt 1:1:1 térfogat arányban ( 200:200:200 l ). A kromatogramok alapján azonosítsa a csúcsokat, számolja k a retencós ndexet. Kolonna: 2 m x 1.8 mm saválló acél Töltet: CHROMOSORB G 60/80 mesh, 10 % APIEZON L zsírral nedvesítve Vvőgáz: ntrogén, 30 ml/perc (2 atm.) Hőmérsékletek: njektor: 150 o C detektor: 150 o C kolonna tér: 100 o C Detektor: lángonzácós Integrátor: + 5 13 11 222 Bemérés: 0.2 l 2. Ismeretlen összetételű gázmnta metán tartalmának meghatározása 250 és 500 ml-es gázmnta vevőkben készítsen standard mntákat, a metánkoncentrácó levegőben 1-4 tf % tartományban legyen. A kalbrálást legalább 5 mérés ponton végézze el. Készítse el a kalbrácós görbét a csúcs alatt terület-koncentrácó függvényében. Határozza meg a kadott mnta metán tartalmát. Kolonna: 2 m x 1.8 mm saválló acél Töltet: PORAPAK R 80/100 mesh - adszorbens Vvőgáz: ntrogén, 30 ml/perc (2.5 atm.) Hőmérsékletek: njektor: 150 o C detektor: 150 o C kolonna tér: 100 o C Detektor: lángonzácós Bemérés: 0.5 6 ml (a hatágú bemérőcsappal)
22 Hewlett- Packard gyártmányú gázkromatográfra 3. Felbontás meghatározása a hőmérséklet függvényében Mérjen össze 200-200 l etanolt és propanolt. Azonosítsa a csúcsokat és számolja k a felbontóképességet az egyes csúcspárokra. Kolonna: 1.8 m x 1.8 mm saválló acél Töltet: PORAPAK QS 80/100 mesh - adszorbens Vvőgáz: nrogén, 40 ml/perc ( PSI) Hőmérsékletek: njektor: 220 o C detektor: 250 o C kolonna tér: 180 o C; 200 o C (a.) 190 o C; 210 o C (b.) Detektor: hővezetőképesség; polartás -; magas érzékenység Bemérés: 0.2 l 4. Relatív érzékenység meghatározása Készítsen n-hexán - cklohexanon keveréket a következőképpen: a kadott folákba analtka mérlegen mérjen le pontosan 300-300 l-ny mennységű n- hexánt ll. cklohexanont (standard és smeretlen tömege). Az így elkészített keverékeket kromatografálja. Két párhuzamos kalbráló keveréket készítsen. A kromatogramok alapján számolja k a cklohexanonra a relatív érzékenységet. Kolonna: kapllár - HP-1 jelzésű, 25 m x 0.2 mm; 0.11 m flm vastagságú térhálós metlszlkongum nedvesítéssel Vvőgáz: ntrogén, ml/perc (16 PSI), lefúvatás arány 1 : 100 Hőmérsékletek: njektor: 140 o C detektor: 150 o C kolonna tér: 140 o C Detektor: lángonzácós Bemérés: 0.2 l