- ELTE Kémiai Intézet Tudományos Diákköri Konferencia - VIND KRISZTINA Módszerfejlesztés extrahálható ásványolajeredetű szénhidrogének (EPH) meghatározására gyors GC-s technikával Témavezető: Rikker Tamás Készült az Eötvös Loránd Tudományegyetem Általános és Szervetlen Kémiai Tanszék és a dr.e.wessling Kémiai Laboratóriumi Kft együttműködésében - Budapest, 2005 -
Köszönetnyilvánítás: Köszönetet szeretnék mondani: RIKKER TAMÁSnak, témavezetőmnek az érdekes téma kiválasztásáért, TORKOS KORNÉLnak, a dolgozat elkészítéséhez nyújtott értékes segítségért, ANGYAL VILMOS, doktorandusznak a munkám során felmerült problémák orvoslásáért és a dolgozat megírásában nyújtott hasznos tanácsokért, Dr.E.WESSLING KÉMIAI LABORATÓRIUMI KFT-nek, a méréshez használt oszlopok biztosításáért, KROMAT Kft-nek, a méréshez használt gázkromatográf biztosításáért, SZEPES LÁSZLÓnak, a tanszék vezetőjének, amiért lehetővé tette, hogy az általa vezetett tanszéken készítsem el a Tudományos Diákköri dolgozatomat. 2
TARTALOMJEGYZÉK I. Célkitűzések...4 II. Irodalmi összefoglalás...5 II. 1. Gyors gázkromatográfia..5 II. 1. 1. A gyors GC néhány definíciója...5 II. 1. 2. A gyors GC jellemzői...6 II. 1. 3. A gyors GC-s analízis..7 II. 2. Extrahálható ásványolaj-eredetű szénhidrogének (EPH)...11 II. 2. 1. A szénhidrogén szennyezések...11 II. 2. 2. A szénhidrogén szennyezők csoportosítása....11 II. 2. 3. Az EPH mérése...13 III. Kísérleti rész....15 III. 1. Az eredeti mérés...15 III. 1. 1. Az eredeti mérés körülményei...15 III. 2. A gyors GC-s módszer kifejlesztése..16 III. 2. 1. A gyors GC-s mérések körülményei a hőprogram fejlesztésénél..18 III. 2. 2. A gyors GC-s mérések kiértékelése... 19 III. 3. Az injektálási technika...23 III. 3. 1. Az injektálás körülményei. 23 III. 3. 2. Az injektálásnál kapott eredmények..24 III. 4. A mérés kalibrálása 26 III. 4. 1. A kalibráció körülményei.26 III. 4. 2. A kalibrálásnál kapott eredmények 26 IV. Összefoglalás...29 V. Irodalomjegyzék.30 3
I. Célkitűzések A mai rohanó világban az analitikai vizsgálatok fontos követelménye, hogy az elemzés minél rövidebb idő alatt legyen elvégezhető. Az analízis idő csökkentésével lehetőség nyílik több minta vizsgálatára, vagy éppen ugyanazon mintából több elemzés elvégzésére. Az ipari szférában így rengeteg idő, pénz és energia takarítható meg. A hosszú analízis idővel igen gyakran kell megküzdenünk a gázkromatográfiás módszereknél. Ez főleg környezetanalitikai elemzésekben lehet probléma, de a gyógyszer-analitikában, az élelmiszeranalitikában is felmerülhet. Ezért került előtérbe az elmúlt években az ún.gyors (fast) GC technika, melynek célja olyan metodikák kidolgozása, amellyel az egyes komponensek mérése adott oszlopokon jelentősen meggyorsítható. A tudományos diákköri munkám során célkitűzésem volt egy gyors GC-s eljárás kidolgozása EPH (Extractable Petrol Hydrocarbons, extrahálható ásványolaj-eredetű szénhidrogének) meghatározására. A megfelelő oszlop kiválasztása után az analízis idő csökkentéséhez olyan hőmérséklet- és nyomásprogramot dolgoztam ki, amellyel a mérés meggyorsítható, de a felbontása nem romlik az eredeti méréshez képest. A megfelelő hő és nyomásprogram kidolgozása után további feladatom volt a megfelelő injektálási módszer megtalálása és a módszer kalibrálása. Ez jelentette a legnagyobb kihívást, hiszen talajvizek EPH tartalmára a legkisebb mérhető koncentrációra (QL) 25 µg/l a követelmény. 4
II. Irodalmi összefoglalás II. 1. Gyors gázkromatográfia (fast GC) A gázkromatográfia kezdetei óta (1941 Martin és Synge) fontos cél az analízis idő csökkentése. Bár voltak korai próbálkozások, az első igazán komoly eredmények eléréséhez még évtizedeket kellett várni. A próbálkozások ellenére ez a terület még csak az elmúlt években terjedt el. A gyors GC-nek, mint gázkromatográfiás eljárásnak igazán egzakt definíciója nincs. A fogalom definiálásával többen is próbálkoztak. Ezen meghatározások közös sajátossága, hogy a gyors GC definiálása, bizonyos, a gázkromatográfiában előforduló paraméterek segítségével történik. II. 1. 1. A gyors GC néhány definíciója: 1. 1998-ban Blumberg és Kee vezették be a gázkromatográfiás analízis sebességének fogalmát. Ezt a sebességet ők a csúcsszélességgel definiálták. Gyors kapilláris GC analízis az, amikor az átlagos csúcsszélesség kisebb, mint 1 s. E megközelítésből kiindulva Superfast GC-ről (átl. csúcsszélesség 100 ms) és Ultrafast GC-ről (átl. csúcsszélesség 10 ms) beszélhetünk [1]. 2. Az előző megállapításokból kiindulva Magni definiálta a konvencionális GC (conventional, CGC), a rövid oszlopon végzett GC (short column, SC-GC), a gyors GC (fast, F-GC) és az ultragyors fűtőmodulos GC (Ultrafast module, UFM-GC) eljárásokat. A technikák jellemzése az oszlophossz, az oszlop belső átmérője, az analízis idő, a felfűtési sebesség és az átlagos csúcsszélesség alapján történt [1]. 1. Táblázat: UFM-GC F-GC SC-GC CGC Oszlophossz /m 2-10 5-15 5 25-30 Oszlop belső átmérője /mm 0,10-0,05 0,10-0,25 0,25 0,25-0,32 Analízis idő / min <1 <10 3-15 10-60 Felfűtési sebesség / C*min -1 >60 15-60 5-40 1-10 Átlagos csúcsszélesség / s 0,05-0,2 0,5-2 1-5 1-10 5
3. Van Deursen csoportosításának alapja a csúcsszélesség meghatározása [2]: a. Gyors GC (Fast GC): néhány perc alatt történő elválasztás, 1-3 s (1,6*10-2 - 5*10-2 perc) nagyságú csúcsszélességekkel b. Nagyon gyors GC (Very fast GC): másodpercek alatt történő elválasztás, 30-200 ms (5*10-4 3,3*10-3 perc) nagyságú csúcsszélességekkel c. Ultra gyors GC (Ultra-fast GC): másodpercek alatt történő elválasztás, 5-30 ms (8,3*10-5 -5*10-4 perc) nagyságú csúcsszélességekkel II. 1. 2. A gyors GC jellemzői: Az elmúlt években egyre több olyan cikk jelent meg, mely a gyors GC-s technikával foglalkozik. Ezek főleg a módszer előnyeiről szólnak, s az analízis idő csökkenthetőségét emelik ki. A gyors GC-vel az analitikai teljesítőképesség megnövelhető, nagyobb mintakapacitás érhető el. Az ipari szférában így rengeteg idő spórolható meg, a költségek jelentősen csökkenthetők [3]. Az irodalmi hivatkozások nagy része csak azt emelik ki, hogy milyen mértékű gyorsítás érhető el, hogy emellett a felbontás és a szelektivitás hogyan változik arra már nem minden esetben térnek ki [1],[3]. Megfelelően megválasztott körülményekkel nemcsak a mérés gyorsítható, de a felbontás is megőrizhető, bizonyos esetekben még javítható is. A gyors GC hátránya, hogy kicsi az injektálható oldattérfogat, ezért a kis koncentrációknál a csúcsok nem láthatók, így a módszer érzékenysége kicsi. Ezért jelent nagy kihívást a kis koncentrációk detektálása és értékelése, a módszer kalibrálása és nyomanalitikai alkalmazása. 6
II. 1. 3. A gyors GC-s analízis: Ahhoz, hogy megfelelően gyors és jó elválasztást kapjunk, három fontos paramétert kell figyelembe venni: az analízis idejét, egymást követő csúcsok felbontását, és a szelektivitást. Ezekkel a paraméterekkel az oszlopok elválasztóképességét, vagyis hatékonyságát jellemezhetjük. A szelektivitás (α)értéke adott állófázis és állandó hőmérséklet esetén egy adott csúcspárra vonatkoztatva csak az állófázisra jellemző érték[4]. Olyan állófázisú oszlopot kell választani, mely lehetőleg a legjobb elválasztást biztosítja adott csúcspárok között. Nem elég olyan rendszert kidolgozni, melyben az elválasztás ideje jelentősen csökken, szükséges a felbontás (R) megőrzése is. A felbontás azt fejezi ki, hogy két egymást követő csúcs aktuálisan milyen mértékben különül el egymástól. Mivel R=1 értéknél még nem valósul meg az alapvonalon történő elválás, alapvető feltétel, hogy R>1,5 [4]. Az oszlop hatékonyságát jellemző paraméterek (szelektivitás, felbontás) definiálása képlettel [4]: α = K K i j ahol, K i a jobban kötődő komponens megoszlási hányadosa K j a kevésbé kötődő komponens megoszlási hányadosa R ij = t' w R bi i t' R + w 2 j bj t' w R bi ij ahol, t Ri, és t Rj, a két egymást követő csúcs korrigált retenciós ideje w bi és w bj a két csúcs alapvonalon mért csúcsszélessége A gyors GC véghezvitele nagymértékben a technikai felszereltségen múlik. Az injektor belépőnyomása, a vivőgáz lineáris gázsebessége, a nagy felfűtési sebesség fontos szerepet játszanak a mérés gyorsításában. A felfűtési sebesség és a lineáris gázsebesség növelésével csökkenthető a mérés ideje. A hőmérséklet növelésével a mozgófázis diffúziós állandója és viszkozitása is nő, s emiatt a 7
lineáris gázsebesség csökken. Ezt a kedvezőtlen változást a vivőgáz fejnyomásának növelésével lehet ellensúlyozni. Így a nyomás és hőmérsékletprogramozás egymás melletti alkalmazása megfelelő elválasztást adhat [4]. Természetesen ehhez a technikához egy megfelelő adatgyűjtési sebességgel rendelkező detektor (150-200 Hz) is szükséges [2]. A gyors GC definíciójaiból is kitűnik, hogy milyen fontos az analitikai oszlop kiválasztása. A gyors GC-s méréseknél főleg rövid (5-15 m) és kis átmérőjű (narrow-bore 0,05-0,1 mm) kapilláris oszlopokat használunk. A kis átmérőjű oszlop alkalmazásánál a csúcsok magassága nő, az alapon mért csúcsszélességek (w b ) pedig csökkennek. A csúcsmagasság növekedésével, a csúcsterület viszont nem változik. Vékonyabb oszlopra (gyors GC-s oszlop) elég kevesebb anyagmennyiséget injektálni ahhoz, hogy ugyanakkora csúcsmagasságot kapjunk. Hogy a gázkromatográfiás méréseknél a legjobb elválasztást érjük el a Van Deemter egyenlet alapján a lineáris gázsebesség optimális tartományában dolgozunk. A sebességi elmélet összefüggést állapít meg az elméleti tányérmagasság (HETP) és a mozgófázis lineáris sebessége között. A Van Deemter (sebességi) egyenlet [4]: 2qD HETP = A + u g 8 + 2 π k ( k + 1) 2 d D 2 f f u ahol, A u q D g k d f D f a töltet szemcseméretére, alakjára jellemző állandó a lineáris sebesség a szemcsék közötti holt térre jellemző állandó a komponens diffúziós állandója a mobil fázisban retenciós tényező az állófázis filmvastagsága a komponens diffúziós állandója az állófázisban 8
1. Ábra: A Van Deemter egyenlet grafikus alakja[4] A gyors GC esetében a mérés gyorsítása miatt az optimális tartomány felső értékein végezzük a méréseket. További meghatározó tényező maga a vivőgáz. Általában a gázkromatográfiás elemzéseknél hidrogént, héliumot, esetleg nitrogént használunk. A nitrogént kizárólag izoterm körülményeknél alkalmazzuk, ugyanis a hőmérséklet emelésével a gázok belső súrlódása a moláris tömeggel arányosan nő, s ez a lineáris gázsebesség állandó csökkenését eredményezi a kromatogram felvétele során. Míg lángionizációs detektor (FID) esetében a hidrogént, addig tömegszelektív detektor (MSD) esetében héliumot alkalmazunk. Mivel a hidrogén belső súrlódása adott hőmérsékleten kisebb, mint a héliumé, az analízis idő hidrogén esetében akár a fele is lehet mint hélium esetében [4]. Ezt mutatja a következő ábra is: 2. Ábra: Az analízis idők összehasonlítása hidrogén és hélium vivőgáz esetén [5] 9
A technikai felszereltség mellett a másik fontos szempont a megfelelő injektálási technika megtalálása, hiszen ha az analízisnek ezen lépésén átsiklunk, értéktelen és értékelhetetlen lesz a mérés. Ennek ellenére sok esetben nem fordítanak az injektálásra kellő figyelmet. Az alkalmazott injektálási technika ( split, splitless, pulsed splitless, pulsed split ), az injektált térfogat, a megfelelő alakú és gőztérfogatú linerek alkalmazása és az injektor paraméterei ( hőmérséklete, fejnyomás splitless idő ) nagy mértékben befolyásolják mérésünket. A cél persze mindig a lehető legnagyobb térfogat injektálása, úgy hogy az jelentős csúcstorzulást ne okozzon [6]. Manapság a gyors GC egy elterjedőben lévő területe a kromatográfiás analíziseknek, már számos környezetanalitikai, élelmiszeranalitikai és gyógyszer-analitikai alkalmazása ismert. Gyors GC-s mérési metodikákat fejlesztettek már ki például peszticidek[3], lipidek[7], maradékoldószerek[8], és alkoholok[9] meghatározására. 10
II. 2. Extrahálható ásványolaj-eredetű szénhidrogének (EPH) II. 2. 1. A szénhidrogén szennyezések: Környezetanalitikai szempontból a szennyezőanyagok egyik fontos csoportját a szénhidrogének jelentik. A szénhidrogén-szennyezések legtöbb esetben kőolaj és kőolajtermék eredetűek. A különböző kőolajpárlatok és termékek a nagymértékű és széles körű felhasználás miatt a leggyakoribb környezetszennyezők közé tartoznak. A nyersolaj foltszerű szennyezéseket okoz a szárazföldi és tengeri kutak illetve a finomítók környékén. Csővezetékes szállításnál a nyomvonal mentén szivárgás, csőtörés jelentkezhet. A tisztítatlanul az élővizekbe juttatott olajtartalmú szennyvizek rontják a tavak, folyók, tengerek vízminőségét, veszélyeztetik biológiai egyensúlyát és károsítják az adott területen élő fajokat. A vízfelszínre került kőolaj eredetű szennyezés gyorsan szétterül és akadályozza az oxigénforgalmat. Az illékony alkotók egy része viszonylag gyorsan elpárolog, de a gázhalmazállapotú szénhidrogének a vízfelszín hullámzásával képesek beoldódni a vízbe. A talajréteg felszínére kerülve az illékony komponensek az időjárási viszonyoktól függően viszonylag gyorsan elpárolognak. A talajba került szénhidrogén-szennyezés rontja a talaj permeabilitását, gátolja a növények anyagcsere folyamatait [10]. II. 2. 2. A szénhidrogén szennyezők csoportosítása: Az olajszennyezések közül kiemelkedő jelentőséggel bírnak az összes ásványolajeredetű szénhidrogének (TPH Total Petrol Hydrocarbons ). A halmaz vizsgálata kétféleképpen történhet: egy lépésben, illetve két lépésben, a szénhidrogén halmaz feldarabolásával. Az egylépéses technikánál gázkromatográfiát és infravörös spektroszkópiát alkalmaznak [11]. Az infravörös technika esetén csak minimális minőségi információ nyerhető. A kétlépéses technika esetén a TPH halmaz feldarabolása történik. Az így kapott két részhalmaz az extrahálható ásványolaj-eredetű szénhidrogének (EPH - Extractable Petrol Hydrocarbons) és az illékony ásványolaj-eredetű szénhidrogének 11
(VPH Volatile Petrol Hydrocarbons) megfelelő gázkromatográfiás körülmények között már elemezhetők. C 5 -C 36 szénhidrogének TPH VPH EPH C 5 -C 8 alifások BTEX C 9 -C 18 alifások C 11 -C 22 aromások C 9 -C 12 alifások C 9 -C 10 aromás C 19 -C 36 alifások 17 PAH 3. Ábra: a TPH, VPH és EPH fogalmak közötti kapcsolat Az illékony ásványiolaj-eredetű szénhidrogének (VPH) közé a C 5 -C 8 alifás, a C 9 -C 12 alifás, a C 9 -C 10 aromás szénhidrogének tartoznak. Az extrahálható ásványiolaj-eredetű szénhidrogének (EPH) közé C 9 -C 18 alifásokat, C 19 -C 36 alifásokat, C 11 -C 22 aromásokat soroljuk, ugyanakkor nem tartoznak ide ezek alkil szubsztituált formái, a PAH-k és az erősen poláros alifások. Ahogy az ábrán is látható a VPH és EPH csoportok között átfedés van a C 9 -C 12 tartományban [12]. Olajszennyezések kockázatbecslése nem az egyes komponensek kockázatának meghatározásával, majd ezek külön-külön azonosításával és mérésével zajlik, mert ez, a komponensek nagy száma miatt nagyon bonyolult. A szénhidrogén komponensek nagy többségére nincsenek toxicitási adatok, ezért a kockázatbecslésnél néhány egyszerűsítő feltevéssel élnek. Mivel a csoportokon belüli komponensek toxicitás szempontjából jelentősen különböznek még kisebb osztályokat hoznak létre és ezek toxicitását az adott 12
osztályba sorolt egy jellegzetesnek ítélt molekula toxicitásával jellemzik. Ez az oka annak, hogy az EPH és VPH halmazok definiálásánál az alifásokat több alcsoportként tárgyalják [10], [12]. Szénhidrogén csoport C 5 -C 8 alifások C 9 -C 18 alifások C 19 -C 36 alifások C 9 -C 22 aromások Jellemző komponens n-hexán n-nonán Eikozán Pirén 2. Táblázat: A szénhidrogén csoportokra jellemző komponensek kockázatelemzés szempontjából Megjegyzendő, hogy az EPH (ugyanúgy, mint a TPH és a VPH is) módszerdefiniált paraméter, melynek ez csak egy lehetséges, ugyanakkor a legelterjedtebb értelmezése [12]. II. 2. 3. Az EPH mérése: A Massachusetts Departement of Environmental Protection ( MADEP ) 1998-ban metodikát fejlesztett ki a talajokban, vizekben és szedimentekben előforduló EPH meghatározására. Ez az eljárás meghatározza, hogy az egyes részhalmazokba milyen frakciók tartoznak, azokra mi jellemző, hogyan történik a mintaelőkészítés, és hogyan lehet a komponenseket gázkromatográfiásan vizsgálni. A vízminta előkészítésének első lépése egy metil-kloridos extrakció, melyet oldószer csere követ (metil-kloridot hexánra cserélik le) Talajminták esetében a hexános extrakciónál acetont szoktak alkalmazni segédoldószerként. Az extraktum szárítása és koncentrálása után a tisztítás szilárd fázisú extrakcióval (SPE) történik, szilika patronon. A patronról hexánnal lemossák az alifás komponenseket, metil-kloriddal pedig az aromásokat. A két frakció 1 ml-re való koncentrálása után külön-külön GC-FID-del vizsgálhatók. 13
Az EPH-ra vonatkozó módszert C 9 -C 18 alifások, C 19 -C 36 alifások, C 11 -C 22 aromások meghatározására használják, de az eljárás alkalmas még 17 poliaromás szénhidrogén (PAH) mérésére is [12]. A magyar szabvány szerinti analitikai eljárás alkalmas felszíni és felszín alatti vizek, valamint ivóvíz alifás, aciklusos és monoaromás szénhidrogének okozta szennyezettségének meghatározására [13]. A magyar szabvány által kínált módszerrel meghatározható szénhidrogének forráspontja hozzávetőlegesen a 160-520 C forráspont-tartományba esik, amely az alifás szénhidrogének esetén kb. a C 10 - C szénatomszám-tartománynak felel meg. A módszerrel meghatározható 40 tipikus ásványolaj-ipari termékek: kerozin, petróleum, gázolaj, tüzelőolaj, továbbá egyes kenőolajok és kenőzsírok. A módszer nem alkalmas olyan ásványolaj-ipari termékek meghatározására, amelyek jelentős mennyiségben tartalmaznak C 10 -nél kisebb (pl. különféle benzinek) vagy C 36 -nál nagyobb szénatomszámú komponenseket (pl. nyersolaj, egyes párlási maradékok, kenőolajok, kenőzsírok, paraffinok). A vizsgálat céljának megfelelően előkészített (szűrt, homogenizált stb.) vízminta ismert térfogatú részletét apoláris szerves oldószerrel (pl. hexánnal) extrahálják, majd az extraktumot szükség esetén bepárlással koncentrálják. Az extraktumból az alifás, aciklusos és monoaromás szénhidrogéneket szilikagél adszorbensen végzett oszlopkromatográfiás frakcionálással (szilárd fázisú extrakció SPE) különítik el a poláris komponensektől (ide sorolva a policiklusos aromás szénhidrogéneket is). Az így megtisztított extraktumot, szükség szerinti újabb koncentrálási művelet után, polidimetilsziloxán állófázison gázkromatográfiásan elemezik lángionizációs (FID) detektort alkalmazva [13]. 14
III. Kísérleti rész III. 1. Az eredeti mérés Mind az eredeti méréshez, mind a módszerfejlesztéshez egy komponensenként 20 µg/ml töménységű EPH vegyületeket tartalmazó oldatot alkalmaztam, melyben n-c 9 - n-c 24 szénhidrogének voltak, hexánban oldva. Komponens Forráspont / C Komponens Forráspont / C n-c 9 H 20 150-151 n-c 14 H 30 252-253 n-c 10 H 22 173-174 n-c 16 H 34 283-286 1, 4 diklórbenzol (ISTD) 173,4 n-c 18 H 38 316 n-c 11 H 24 195-196 n-c 20 H 42 343 n-c 12 H 26 214-216 n-c 22 H 46 369 n-c 13 H 28 235-236 n-c 24 H 50 391 3. Táblázat: az EPH oldatban lévő komponensek III. 1. 1. Az eredeti mérés körülményei: Gázkromatográf típusa Agilent 6890 N GC Automata mintaadagoló Gerstel MPS-2 Kolonna HP-1 (15m x 0,25 mm x 100µm ) Injektálás módja 2 µl splitless (0,7 perc splitless idő ) Injektor hőmérséklete 280 C Vivőgáz H 2 (5.0) Vivőgáz sebessége 1,4 cm 3 /perc Detektor FID (adatgyűjtés: 100 Hz) 300 C Hőmérsékletprogram 40 C (2 min), 15 C/min, 300 C (7min) 4. Táblázat: Az eredeti mérés körülményei 15
pa FID1 A, (051007\FGCB0009.D) 900 800 700 600 500 400 2.355 - C9 3.224 - C10 3.374 - ISTD 4.390 - C11 5.333 - C12 6.203 - C13 7.009 - C14 8.484 - C16 9.809 - C18 11.019 - C20 12.125 - C22 13.147 - C24 300 200 100 0 0 2 4 6 8 10 12 4. Ábra: az eredeti splitless mérés kromatogramja min III. 2. A gyors GC-s módszer kifejlesztése A mérés meggyorsítására különböző hőmérséklet és nyomásprogramokat próbáltam ki, háromféle injektálási technikával (split, splitless, pulsed splitless). A módszerfejlesztéshez olyan gázkromatográfot kellett alkalmaznom mely gyors felfűtésre és nagy belépőnyomásra képes. Ennek teljes mértékben megfelelt az Agilent 6890N típusú gázkromatográfja, mivel ez 100 C/perc felfűtési sebességet és 150 psi belépőnyomást is tud alkalmazni.. A felfűtés során a hőmérsékletet ± 0,1 C pontossággal képes tartani. A méréseket lángionizációs detektorral (FID) végeztem, hidrogén vivőgázzal, hiszen a hidrogén belső súrlódása adott hőmérsékleten kisebb, mint a héliumé, s így rövidebb analízis idő érhető el. A készülékhez MPS-2 automata mintaadagoló berendezés kapcsolódik. 16
5. Ábra: A 6890N típusú gázkromatográf MPS-2 mintaadagolóval A módszerfejlesztéshez először egy DB-1 (10 m x 0,1 mm x 0,4 µm ) oszlopot használtam. Bár az analízis idő jelentősen csökkent, a felbontás romlott a HP-1-es oszlopon végzett méréshez képest, mivel ez a nagy filmvastagságú oszlop főleg illékony komponensek meghatározására alkalmas. FID1 A, (050928\001B4901.D) pa 700 600 500 400 1.023 - C9 1.353 - C10 2.065 - C12 2.413 - C13 2.747 - C14 3.065 - C15 3.368 - C16 3.930 - C18 4.436 - C20 4.902 - C22 5.330 - C24 300 200 100 0 0 1 2 3 4 5 min 6. Ábra: A DB-1-s oszlopon végzett gyors GC-s mérés kromatogramja Helyette egy másik oszlopot választottam: HP-5 (20 m x 0,1 mm x 100 µm ), ami már megfelelőnek, bizonyult. 17
III. 2. 1. A gyors GC-s mérések körülményei a hőprogram fejlesztésénél: Gázkromatográf típusa Agilent 6890 N GC Automata mintaadagoló Gerstel MPS-2 Kolonna HP-5 (20 m x 0,10 mm x 100µm ) Injektor Split / splitless injektor 280 C Vivőgáz H 2 (5.0) Detektor FID (adatgyűjtés: 200Hz) 300 C 5. Táblázat: A gyors GC-s mérésekhez használt gázkromatográf paraméterei A mérések során több változó paraméterrel dolgoztam. A hőmérsékletprogram: (a felfűtés sebessége) Injektálási technika Kiindulási Alkalmazott felfűtési Véghőmérséklet / C hőmérséklet / C sebességek / C*perc -1 15 Split 90 (0 min) 20 300 (2min) 30 40 15 Splitless / 40 (2 min) 20 300 (7min) Pulsed splitless 30 40 6. Táblázat: A hőmérsékletprogram A lineáris gázsebesség: (u / cm*s -1 ) Lineáris gázsebesség / cm*s -1 30 35 40 45 18
Az injektálás: Split 2 µl splitarány 1:30 Splitless / Pulsed 2µl 0,7 perc splitless idő splitless Pulsed splitless mérések esetében az injektálásnál alkalmazott impulzus 1,5 -szerese volt a kiindulási hőmérséklethez tartozó nyomásnak. III. 2. 2. A gyors GC-s mérések kiértékelése: A méréseket minden lehetséges paraméter változtatása mellett mérési pontonként háromszor végeztem el. A mérés kiértékelését több szempont szerint végeztem el. Először a legjobb felfűtési sebességet és nyomásprogramot akartam megtalálni. Ennek kiválasztásához először vizuális értékelést alkalmaztam, hogy eldöntsem a csúcsok kiértékelhetők-e. Minden mérésnél meghatároztam a C 24 komponens retenciós idejét, s megvizsgáltam az egymást követő csúcsok felbontását (R). A kiértékelés kritériumai a következők voltak: az analízis idő (jelen esetben a C 24 komponens retenciós ideje) csökkenjen az eredeti mérésekhez képest csúcsszélesedés a lehető legkisebb legyen a kromatogram elején (C 9 -C 10 ), végén (C 22 -C 24 ) és közepén (C 12 -C 13 ) lévő csúcspárok felbontása ne romoljon az eredeti módszerhez képest, sőt lehetőség szerint, még javuljon is Hogy egyszerre tudjam összehasonlítani a felfűtési sebesség és a lineáris gázsebesség hatását az aktuálisan vizsgált paraméterre, a kiértékeléshez 3 dimenziós grafikonokat készítettem. Példaként itt a pulsed splitless injektálásnál kapott eredményeket mutatom be. 19
A C 24 retenciós idejének változása Az eredeti mérésnél t R (C 24 )=13,147 7. Ábra: A C 24 retenciós idejének változása a felfűtési sebesség és a lineáris gázsebesség hatására pulsed splitless injektálásnál A grafikonon látható, hogy az eredeti méréshez képest a C 24 komponens retenciós ideje 13,147 percről 8,274 percre csökkent a 40 C/perc és 45 cm/s hőmérséklet-és nyomásprogram hatására, így pusztán csak a retenciós idők figyelembe vételével a 40 C/perc felfűtési sebesség és 45 cm/s lineáris gázsebesség bizonyult a legjobbnak hőprogramnak. 20
A C 9 -C 10 csúcspár felbontásának változása Az eredeti mérésnél R=7,851 8. Ábra: A C 9 -C 10 csúcspár felbontásának változása a felfűtési sebesség és a lineáris gázsebesség hatására pulsed splitless injektálásnál A C 12 -C 13 csúcspár felbontásának változása Az eredeti mérésnél R=5,807 9. Ábra: A C 12 -C 13 csúcspár felbontásának változása a felfűtési sebesség és a lineáris gázsebesség hatására pulsed splitless injektálásnál 21
A C 22 -C 24 csúcspár felbontásának változása Az eredeti mérésnél R=6,962 10. Ábra: A C 22 -C 24 csúcspár felbontásának változása a felfűtési sebesség és a lineáris gázsebesség hatására pulsed splitless injektálásnál A felbontást szemléltető grafikonok alapján a legjobb hőmérséklet-és nyomásprogramnak a 40 C/perccel történő felfűtés és a 40 cm/s lineáris gázsebesség bizonyult, ugyanis a 45 cm/s lineáris gázsebesség esetében már csökkent a felbontás az eredeti méréshez képest. 22
pa FID1 A, (051013A\FGCB0044.D) 500 400 300 3.716 - C9 4.248 - C10 4.326 - ISTD 4.693 - C11 5.096 - C12 5.466 - C13 5.809 - C14 6.439 - C16 7.002 - C18 7.511 - C20 7.976 - C22 8.403 - C24 200 100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 11. Ábra: A 40 C/perc felfűtéssel és 40 cm/s lineáris gázsebességgel felvett mérés kromatogramja min III. 3. Az injektálási technika A legjobb hőprogram (40 C/perc felfűtési sebesség és 40 cm/s lineáris gázsebesség) kifejlesztése után az injektálási körülményeket dolgoztam ki. Ehhez a kísérletrészhez 80 µg/ml-s EPH oldatot alkalmaztam. III. 3. 1. Az injektálás körülményei: Splitless idő: Splitless idő / perc 0,7 1 2 Injektált térfogat: Injektált térfogat / µl 2 3 4 23
Injektálásnál adott impulzus: Injektálásnál adott impulzus 1,5-szeres 2-szeres Az 1,5 szeres 57 psi, a 2-szeres pedig 76 psi kiindulási hőmérséklethez tartozó nyomásnak felel meg. III. 3. 2. Az injektálásnál kapott eredmények: Splitless idő változtatásánál nem találtam különbségeket, ezért az 1 perces splitless idővel folytattam a kísérleteket. A túl nagy térfogatok (itt a 3 és 4 µl) esetében az oszlop túlterhelése miatt csúcsszélesedés jelent meg, s a kromatogram kiértékelhetetlenné vált. Ez alapján a maximálisan injektálható térfogat 2 µl-nek bizonyult. Itt megmutatkozott a gyors GC hátránya, vagyis az, hogy kis oldattérfogat injektálható. pa 2250 FID1 A, (051110\FGC00018.D) 4.290 - C9 2000 1750 1500 1250 1000 4.661 - C10 4.746 - ISTD 5.003 - C11 5.353 - C12 5.693 - C13 6.012 - C14 6.685 - C16 7.235 - C18 7.731 - C20 8.179 - C22 8.594 - C24 750 500 250 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 12. Ábra: 4 µl EPH oldat injektálása esetén kapott kromatogram min 24
Pulsed splitless technika esetében az injektálásnál adott impulzus többszöröse a kiindulási hőmérséklethez tartozó fejnyomásnak. 1,5 szeres (57 psi) és 2-szeres (76 psi) értékeket alkalmaztam. A 76 psi esetében csúcsszélesedés figyelhető meg, az alkalmazott nyomás túl nagynak bizonyult. FID1 A, (051110\FGC00021.D) pa 1600 1400 1200 1000 800 4.136 - C9 4.609 - C10 4.688 - ISTD 4.999 - C11 5.369 - C12 5.726 - C13 6.047 - C14 6.685 - C16 7.230 - C18 7.726 - C20 8.176 - C22 8.591 - C24 600 400 200 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 13. Ábra: 76 psi nyomás esetében kapott kromatogram min Összefoglalva az 1 perces splitless idő, a 2 µl injektálható térfogat és 57 psi injektálásnál adott impulzus bizonyult megfelelőnek. 25
III. 4. A mérés kalibrálása III. 4. 1. A kalibráció körülményei: A legjobb hőmérséklet és nyomásprogram, valamint a legjobb injektálási technika beállítása után elvégeztem a mérés kalibrálását. A kalibráció során 10, 20, 40, 50 és 80 µg/ml koncentrációjú EPH oldatokat injektáltam. Felfűtési sebesség 40 C/perc Lineáris gázsebesség 40 cm/s Injektált térfogat 2 µl Splitless idő 1 perc Injektálásnál adott impulzus 1,5-szeres 7. Táblázat: A kalibráció körülményei: III. 4. 2. A kalibrálásnál kapott eredmények: A kalibrálás során három komponenst (C 9, C 13, C 24 ) vizsgálva kalibráló egyenest készítettem. µ 14. Ábra: Kalibráció a C 9 komponens esetén 26
µ 15. Ábra: Kalibráció a C 13 komponens esetén µ 16. Ábra: Kalibráció a C 24 komponens esetén A kalibrációt megpróbáltam még 0,5; 2; és 6 µg/ml koncentrációjú oldatokkal, de ezen esetekben megmutatkozott a gyors GC-nek az a hátránya, hogy kis koncentrációknál a csúcsok nem láthatok, a módszer érzékenysége kicsi.
IV. Összefoglalás A munkám fő célkitűzése gyors GC-s módszerfejlesztés volt EPH mérésére. A kísérleteim során hőmérséklet és nyomásprogramot, valamint injektálási technikát fejlesztettem ki. A kiértékelés eredményeit (az analízis idő csökkenése, a felbontás megőrzése és a csúcsszélesedés elkerülése) figyelembe véve a legjobb hőprogramnak a 40 C / perc felfűtési sebességet és 40 cm/s lineáris gázsebességet találtam, mind splitless, mind pedig pulsed splitless injektálás esetében. Az injektálási technika fejlesztése esetében a splitless időt, az injektálási térfogatot, és az injektálás során adott impulzust változtattam. Itt megmutatkozott a gyors GC legnagyobb hátránya, vagyis csak kis oldattérfogatok injektálhatók. A kalibráció során a legkisebb értékelhető koncentrációnak 10 µg/ml bizonyult. Távlati terveim, hogy a kapott eredményekből kiindulva, még nagyobb felfűtési sebességet és lineáris gázsebességet alkalmazva további kísérleteket folytassak a mérés gyorsítására, valamint az injektálható térfogat növelésére speciális eljárásokat dolgozzak ki. 29
V. Irodalomjegyzék [1] C. Bicchi, C. Brunelli, C. Cordero, P. Rubiolo, M. Galli, A. Sironi Journal of Chromatography A, 1024 (2004) 195-207 [2] P. Korytar, H.G. Janssen, E. Matisova, U.A.Th.Brinkman Trends in Analytical Chemistry, Vol.21, nos.9+10, 2002 [3] M. Kirchner, E. Matisova, R. Otrekal, A. Hercegova, J. de Zeeuw Journal of Chromatography A, 1084 (2005) 63-70 [4] Kremmer Tibor, Torkos Kornél, Szókán Gyula: Elválasztástechnikai módszerek elmélete és gyakorlata (Egyetemi jegyzet Budapest 2004) [5] www.agilent.com [6] M. Kirchner, E. Matisova, M. Dömötörova, J. de Zeeuw Journal of Chromatography A, 1055 (2004) 159-168 [7] L. Mondello, A. Casilli, P. Q. Tranchida, R. Costa, B. Chiofalo, P. Dugo, G. Dugo Journal of Chromatography A, 1035 (2004) 237-247 [8] Journal of Chromatography B, 805 (2004) 77-86 [9] K. Mac Namara, R. Leardi, A. Sabineti Analytica Chimica Acta 542 (2005) 260-267 [10] Pap Tímea: Szilárd fázisú extrakcióval történő mintaelőkészítés vizek extrahálható szénhidrogéntartalmának gázkromatográfiás meghatározásához (Budapesti Műszaki Egyetem 1999) 30
[11] http://w3.wessling.hu/gc/ ( Rikker Tamás: Alkalmazott gázkromatográfia) [12] http://www.mass.gov/dep/ [13] MSZE 1484-7 2005. 31