Kromatográfia A műszeres analízis kromatográfiás módszereinek feladata, hogy a vizsgálandó minta komponenseit egymástól elválassza, és azok minőségét, valamint mennyiségi viszonyait megállapítsa. Az elválasztás azon alapszik, hogy a minta komponenseinek megoszlása két heterogén fázis között egymástól eltérő mértékű. Az egyik fázis áll (álló fázis: szilárd vagy folyadék), a másik fázis adott irányban áramlik (mozgó fázis: gáz vagy folyadék). A komponensek a mozgás irányába vándorolnak, szétterülnek és elválnak egymástól. A kromatográfiás eljárások csoportosítása több szempont alapján történhet. Az állófázis geometriája alapján - planáris és oszlop (kolonna); a mozgó fázis halmazállapota alapján - folyadék és gáz; a minta kölcsönhatása alapján - adszorpciós, megoszlásos, ioncsere; a technikai kivitelezés alapján - frontális, kiszorításos és elúciós. A kromatográfiás eljárások nagy előnye, hogy a mérési körülmények alkalmas megválasztásával az elválasztandó komponensek igen széles körére alkalmazhatók ezek a módszerek. Megfelelően érzékeny detektor segítségével pedig akár nyomnyi mennyiségű szerves vegyület jelenléte is kimutatható, mennyisége meghatározható. A heterogén fázisok jellege és a kölcsönhatások szerint az alábbi kromatográfiás eljárásokat különböztethetjük meg: álló fázis mozgó fázis folyadék (LC) gáz (GC) szilárd adszorbens adszorpciós folyadék-kromatográfia adszorpciós gázkromatográfia folyadék megoszlásos folyadék-kromatográfia megoszlásos gázkromatográfia ioncserélő ionkromatográfia duzzadt gél gélkromatográfia Az egyes komponensek kötődése a szorbens réteghez nem azonos, ezért az ún. futtatás során az állófázishoz jobban kötődő komponensek lemaradnak. A térben elválasztott komponensek mennyiségét (koncentrációját) detektorral mérjük. A detektorjelet az idő függvényében ábrázolva a mintakomponenseket reprezentáló csúcs-sorozatot kapunk (kromatogram). Ha a mozgó fázis áramlási sebessége állandó, akkor az idő egyenesen arányos a kolonnán (oszlopon) átáramlott mozgó fázis térfogatával. A kromatogramról leolvasható legfontosabb adat az egyes kromatográfiás csúcsokhoz tartozó retenciós idő, amely a mintának a mozgó fázisba jutásától a detektor által mért maximális komponens-koncentrációjának megjelenéséig eltelt idő. A kromatográfiás oszlopból először az a komponens lép ki, amelyik a kolonnában legkevésbé fékeződik le. Ennek lesz a legkisebb retenciós ideje, és ennek felel meg a kromatogram első csúcsa. A retenciós idő az anyagi minőségre jellemző, míg a csúcs alatti terület a komponens mennyiségére. A kromatográfiás mennyiségi meghatározás alapja a csúcs alatti terület 1
arányossága a koncentrációval. Ismert koncentrációjú mintasorozat futtatásával kalibrálva, a komponens területére történő kalibrációs egyenes felvételével az ismeretlen koncentráció egyszerűen meghatározható. A területek meghatározása régebben manuálisan, ma viszont kizárólag számítógépes adatgyűjtő programok segítségével történik. Gázkromatográfia A gázkromatográfia mozgó fázisa gáz, az állófázisa a kolonna felületen megkötött folyadék vagy oszlopba töltött szilárd anyag. A mintát, gáz halmazállapotban juttatjuk a kolonnára - a szilárd vagy folyadék halmazállapotú mintákat a mintabevitel során el kell párologtatni. A gázkromatográfia tehát bomlás nélkül gázzá alakítható vegyületek elválasztására alkalmas. A berendezés elvi felépítését az alábbi ábra mutatja: A termosztált térben a mintaadagoló (injektor), az oszlop (kolonna), és a detektor helyezkedik el. A kolonnát és a detektort is olyan hőmérsékleten kell tartani (100-500 C), hogy a minta valamennyi komponense az analízis ideje alatt gáz halmazállapotban legyen. Az eluenst (vivőgázt) rendszerint egy nagynyomású gázpalack szolgáltatja. A vivőgáz megválasztása leginkább a detektor függvénye, inert gázokat alkalmaznak: hidrogén, hélium, argon, nitrogén használatos. A vivőgáz nyomáscsökkentő után, az áramlási sebesség (0,5-3 ml/perc) folyamatos mérése mellett jut a kolonnára. A mintaadagolás a modern készülékeken automatikus vezérléssel megoldott, hogy a minta bejuttatása az eluens áramlásába pillanatszerű legyen, és nagyon pontos, reprodukálható adagolást lehessen megvalósítani. A kolonna acél vagy üvegcsőből készül, töltetet tartalmazó (1-5 m hosszú, belső Ø = 2-6 mm) vagy kapilláris kivitelezésű (15-60 m hosszú, belső Ø = 0,2-0,5 mm) lehet. A töltet szilárd anyag, amely a komponenseket adszorpciós sajátságuk alapján köti meg, vagy a szilárd felületre felvitt vékony folyadékfilm, amelyen a gáz-folyadék megoszlás alapján választódnak szét a komponensek. A kapilláris kolonnában nincs hordozó, a kapilláris belső felületére felvitt nem illékony folyadékfilm azonos elvek alapján alkalmas a komponensek elválasztására. 2
A kolonnán elválasztott komponenseket a vivőgáz a detektorba juttatja, amely az összetevők vivőgázbeli koncentrációjával arányos elektromos jelet ad, a komponens valamilyen fizikai vagy kémiai sajátságának érzékelése alapján. A hővezetőképességi detektor (HD) elektromosan fűtött fémszál ellenállását regisztrálja. A fémszál ellenállása a hőmérséklet függvényében változik, és a körülötte áramló gázkomponensek eltérő hővezetési sajátsága miatt különböző értéket mutat. Általánosan használható, nem specifikus, a koncentrációval több nagyságrendben lineáris jelet ad, de kimutatási képessége kb. 10-6 g. A lángionizációs detektorban (FID) hidrogén/levegő gázeleggyel táplált lángot hoznak létre, amelyben a komponensek ionizálódnak. Az ionok vezetése miatt létrejött elektromos jel a koncentrációval arányos. Ez a detektor igen érzékeny, kb. 10-11 g anyag kimutatására alkalmas. Az elektronbefogási detektor (ECD) a nem-roncsoló ionizációs detektor, amely katódként β- sugárzó 63 Ni-fóliát tartalmaz. Nagy elektronegativitású atomokat (F, Cl, Br) tartalmazó vegyületek detektálására alkalmas. A halogén-tartalmú szerves vegyületek 10-12 -10-15 g mennyiségben még jól meghatározhatók. A tömeg-szelektív detektor (MSD) valójában a kolonnához kapcsolt tömegspektrométer. Az eluálódott komponens tömegspektruma az ionizált molekulák, illetve molekulatöredékek (fragmensek) tömeg/töltés arányát (m/z) érzékelő analizátor jele alapján jön létre. Univerzális és azonosító detektor. Az eluenssel együtt minden anyagra jelet ad, amely a detektortérbe kerül, ezért vivőgázként nagy tisztaságú héliumot alkalmaznak. Kimutatási határa megközelíti a 10-9 - 10-15 g-ot. A minőségi meghatározáshoz az adatgyűjtés és jelfeldolgozás számítógépes programok segítségével, különböző azonosító kromatogram-könyvtárak felhasználásával történik, az egyes detektorok érzékelésének, kimutatási lehetőségének megfelelően. Ugyanígy a mennyiségi meghatározás (a csúcs alatti terület számítása) szintén automatikusan, számítógép segítségével valósul meg. Mérési feladat: Illékony szerves komponensek meghatározása GC-MS módszerrel A gyakorlaton automatikus mintaadagolóval ellátott SHIMADZU típusú GCMS-QP2010-es gázkromatográfot használunk, amelynek paramétereit a mérendő minták sajátságainak megfelelően állítottuk be. A számítógépes program lehetővé teszi a teljes önműködő mérési sorozat kivitelezését. 3
A készülék gázpalackból nyert nagy tisztaságú hélium vivőgáz felhasználásával üzemel, amelynek áramlási sebessége 3,0 ml/perc értékre van beszabályozva. A 30 m hosszú kapilláris kolonna belső felületén vékony polisziloxán folyadékfilm alkotja az álló fázist. Ez nagyon különböző polaritású komponensek elválasztására is lehetőséget ad. A készülék injektálási megoldása lehetővé teszi, hogy folyadékmintát vagy gázmintát egyaránt tudunk adagolni. A mintaadagoló kialakítása biztosítja, hogy a kolonnára teljes vagy csak töredék mennyiségű minta jusson be (split arány beállítása). Ezáltal lehetőségünk van különböző folyadékok összetételének megállapítására, valamint forgácslapból utólagosan felszabaduló formaldehid mennyiségének mérésére. A számítógépes kezelőfelületen lehet valamennyi paramétert beállítani, a gázáramlástól a hőmérsékletváltozás sebességéig, a mintaadagolás körülményeinek kiválasztásán keresztül. A kromatogram csúcsainak azonosítása a komponens tömegspektruma alapján történik, amelyhez számítógépes adatbázisban szereplő spektrumokat, vagy standard kémiai anyagokat lehet felhasználni. Az adatbázisban szereplő anyagok hasonló spektrum-alakja alapján nagy pontossággal megállapítható az azonosság. A felvételek kiértékelése a készülék működésétől függetlenül is megvalósítható. 4
A mérés kivitelezése: A készülék általános kezelési utasításait és használatát a gyakorlatvezető demonstrációs mérés keretében ismerteti. Számítás: 1. Azonosítsa a kiadott kromatogramok alapján, hogy melyik felvétel (A vagy B) felel meg a lakkbenzin, illetve a nitrohígító összetételének. 2. Az A kromatogramon jelzett főbb komponensek: 2. etilacetát, 3. i-butilacetát, 4. dekán, 10. undekán. Számítsa ki a hígító %-os etilacetát tartalmát (x), ha a mért csúcs alatti terület (y): 3,68 10 7 egység, és a kalibrációs egyenes egyenlete: y = 313400x + 4,0 10 6 3. A B kromatogram egyik összetevője trimetil-benzol. A mellékelt tömegspektrum alapján állapítsa meg a szubsztituensek elhelyezkedését. 5