Kromatográfia Gázkromatográfia. Anyagszerkezet vizsgálati módszerek

Kromatográfia Gázkromatográfia Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Pannon Egyetem Mérnöki Kar Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 1/ 47

Gázkromatográfia Gáz mozgófázis. illékony vegyületek analízise (t 250 C) gyors analízis hatékony (igen nagy tányérszám: 10 4, 10 5 ) érzékeny (ppb) nem detruktív (MS használható detektorként) viszonylag olcsó kis mintamennyiség (0,1-1 µl) hőre érzékeny vegyületek nem analízálhatók elsősorban analitikai (preparatív: bonyolult) Hőre nem érzékeny, illékony vegyületek elsőszámú analitikai technikája. Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 2/ 47

Gázkromatográfiás rendszer felépítése Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 3/ 47

Gázkromatográfiás rendszer felépítése Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 4/ 47

Mozgófázis inert gáz (He, N 2, Ar, CO 2 ) nem vesz részt a retenciós mechanizmusban (mintakomponensek szállítása) megfelelő mátrix az érzékeny detektáláshoz: hővezetés: He láng ionizáció: He, N 2 elektron befogás: N 2, Ar H 2 : használható, de robbanás veszélyes nagy tisztaság ( 99, 999%): nyomnyi O 2 v. H 2 O retenció befolyásolás, állófázissal kémiai reakció Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 5/ 47

Injektor minta elpárologtatás (<400 C) programozható hőmérséklet (PTV): oldószerelpárologtatás split: injektált minta egy része kerül az oszlopra, pillanatszerű injektálás splitless: injektált minta nagy része az oszlopra kerül, kis koncentrációk, fókuszálni kell a mintát Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 6/ 47

Oldószer hatás Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 7/ 47

Oszlop töltött inert részecskék, felületükön nem illékony folyadék (néhány 1/10 µm) 1,5-10 m 2-4 mm töltet: < 200 µm kapilláris hatékonyabb, mint a töltött néhány tized mm átmérő (0,1 0,5 mm) hosszabb, mint a töltött (15 100 m, 30 m a tipikus) SCOT (support-coated), PLOT (porous-layer), WCOT (wall-coated), FSOT (fused silica) - hajlékony Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 8/ 47

Oszlop Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 9/ 47

Állófázis hordozó mechanikailag ellenálló inert hőre nem érzékeny diatomaföld: Chromosorb P, Chromosorb W ill. G folyadékfázis nem illékony (forráspont: 100 + max. analízis t) inert nem bomlik magas hőmérsékleten PEG, szkvalén (C 30 H 62 ), difenol-benzol, polimetil sziloxán, kémiailag kötött fázisok porózus polimer töltetek Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 12/ 47

Állófázisok Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 13/ 47

Elválasztás optimalizálás Felbontás, R S R S = t R,2 t R,1 w 2 +w 1 2 N 4 α 1 α k 2 k 2 + 1 Felbontás növelés lehetőségei Tányérszám növelés Szelektivitás növelés Retenció növelés Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 14/ 47

Tányérszám növelés Vékonyfilmes: d f < 1 C m > C s ( > 100 ) H (mm) 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 B/u B = 2 40 mm/s H min. = 0,22 mm u opt. = 36,5 cm/s C m >> C s ; C m = 3.10-4 s C m u 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 u (cm/s) Vastagfilmes: d f > 1 C s > C m ( < 100 ) H (mm) C s u 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 B/ u C s >> C m C s u C m u B&B Analitika Kft. 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 u (cm/s) Kutatás, Fejlesztés, Tanácsadás, Oktatás balla@mail.bme.hu 29 kemia@bbanalitika.hu Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 15/ 47

Tányérszám növelés Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 16/ 47

Tányérszám növelés Optimáli eluens sebesség H = A + B u + C u dh du = B u 2 + C B u opt = C Gyakran túl hosszú az analízis u opt esetén. Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 17/ 47

Tányérszám növelés Oszlophossz növelés N = L H Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 18/ 47

Tányérszám növelés 5 4 = 1.05 k 2 = 5 3 Rs 2 1 0 0 25000 50000 75000 100000 125000 150000 175000 200000 Tányérszám Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 19/ 47

Retenció növelés Oszlop termosztálás a retenció fordítottan arányos a hőmérséklettel G = H T S = RT ln K K = exp ( H RT + S R oszlophőmérséklet: felbontás vs. elválasztás időszükséglete optimálás szelektivitás változtatás: H 1 H 2 ±0,1 C izoterm (állandó T ) hőmérséklet programozás ( gradiens ) ) Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 20/ 47

Retenció növelés 2.5 2.0 N = 5 10 4 = 1.05 1.5 Rs 1.0 0.5 0.0 0 2 4 6 8 10 k 2 Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 21/ 47

Szelektivitás növelés oszlop típus hőmérséklet ( H 0) 8 7 k 2 = 5 N = 5 10 4 Rs 6 5 4 3 2 1 0 1.000 1.025 1.050 1.075 1.100 1.125 1.150 1.175 1.200 Szelektivitás Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 22/ 47

Optimális elválasztás R s N α 1 k 2 4 α k 2 + 1 > 1.5 ( ) α 2 ( k2 + 1 ) 2 N req = 16R2 2 α 1 k 2 ( ) α 2 ( t R,2 = t 0 (1 + k 2 ) = 16R2 2 k2 + 1 α 1 k 2 ) 2 H u 0 (1 + k 2 ) Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 23/ 47

Detektorok láng ionizációs detektor (FID) hővezetőképességi detektor (TCD) elektronbefogásos detektor (ECD) tömegspektrometriás detektor (MS, TOF) lángfotometriás detektor FTIR detektor... Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 24/ 47

Láng ionizációs detektor általánosan elterjedt hidrogén láng: 2000-2500K lángban ionizáció (C H kötések) ionáram könnyen éghető szerves vegyületek szénhidrogénekre legérzékenyebb detektor széles lineáris tartomány (6-7 nagyságrend) Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 25/ 47

Elektronbefogásos detektor nagy elektronegativitású atomot (halogén, nitril, nitrát, kén, karbonil, anhidrid) tartalmazó vegyületek szelektív β emitter: 63 Ni áram csökkenés arányos a koncentrációval nagy érzékenység (ppt) széles lineáris tartomány (4-5 lineáris tartomány) Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 26/ 47

Hővezetőképességi detektor nem szelektív detektor elektromosan fűtött Pt v. W szál ellenállás mérés: Wheatstone-híd (referencia ág vs. effluens) kis érzékenység széles lineáris tartomány (4-5 nagyságrend) Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 27/ 47

Illékony komponensek analízise Oszlop: SLB-5ms, 20 m 0.18 mm I.D., 0.18 µm; hőmérséklet: 40 C (0.7 min.), 55 C/min. to 240 C, 28 C/min. to 330 C (2 min.); Eluens gáz: He, 40 cm/sec; Injektálás: 0.5 µl, 10:1 split, 250 C Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 28/ 47

Illékony komponensek analízise 1. n-nitrosodimethylamine 2. Pyridine 3. 2-Fluorophenol (surr.) 4. Phenol-d6 (surr.) 5. Phenol 6. Aniline 7. Bis(2-chloroethyl)ether 8. 2-Chlorophenol-d4 (surr.) 9. 2-Chlorophenol 10. 1,3-Dichlorobenzene 11. 1,4-Dichlorobenzene-d4 (I.S.) 12. 1,4-Dichlorobenzene 13. Benzyl alcohol 14. 1,2-Dichlorobenzene-d4 (surr.) 15. 1,2-Dichlorobenzene 16. 2-Methylphenol 17. Bis(2-chloroisopropyl)ether 18. n-nitroso-di-n-propylamine 19. 4-Methylphenol 20. Hexachloroethane 21. Nitrobenzene-d5 (surr.) 22. Nitrobenzene 23. Isophorone 24. 2-Nitrophenol 25. 2,4-Dimethylphenol 26. Bis(2-chloroethoxy)methane 27. Benzoic acid 28. 2,4-Dichlorophenol 29. 1,2,4-Trichlorobenzene 30. Naphthalene-d8 (I.S.) 31. Naphthalene 32. 4-Chloroaniline 33. Hexachlorobutadiene 34. 4-Chloro-3-methylphenol 35. 2-Methylnaphthalene 36. Hexachlorocyclopentadiene 37. 2,4,6-Trichlorophenol 38. 2,4,5-Trichlorophenol 39. 2-Fluorobiphenyl (surr.) 40. 2-Chloronaphthalene 41. 2-Nitroaniline 42. Dimethyl phthalate 43. 2,6-Dinitrotoluene 44. Acenaphthylene 45. 3-Nitroaniline 46. Acenaphthene-d10 (I.S.) 47. Acenaphthene 48. 2,4-Dinitrophenol 49. 4-Nitrophenol 50. Dibenzofuran 51. 2,4-Dinitrotoluene 52. Diethyl phthalate 53. 4-Chlorophenyl phenyl ether 54. Fluorene 55. 4-Nitroaniline 56. 2-Methyl-4,6-dinitrophenol 57. n-nitrosodiphenylamine 58. Azobenzene 59. 2,4,6-Tribromophenol (surr.) 60. 4-Bromophenyl phenyl ether 61. Hexachlorobenzene 62. Pentachlorophenol 63. Phenanthrene-d10 (I.S.) 64. Phenanthrene 65. Anthracene 66. Carbazole 67. Di-n-butyl phthalate 68. Fluoranthene 69. Benzidine 70. Pyrene 71. Terphenyl-d14 (surr.) 72. 3,3 -Dimethylbenzidine 73. Butylbenzyl phthalate 74. 3,3 -Dichlorobenzidine 75. Benzo(a)anthracene 76. Bis(2-ethylhexyl)phthalate 77. Chrysene-d12 (I.S.) 78. Chrysene 79. Di-n-octyl phthalate 80. Benzo(b)fluoranthene 81. Benzo(k)fluoranthene 82. Benzo(a)pyrene 83. Perylene-d12 (I.S.) 84. Indeno(1,2,3-cd)pyrene 85. Dibenzo(a,h)anthracene 86. Benzo(g,h,i)perylene Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 29/ 47

Zsírsav metil észterek analízise Oszlop: WCOT, 25 m 0.22 mm, CP-Sil 84; hőmérséklet: 150 C (5 min.), 2 C/min. to 180 (10 min.); Eluens gáz: H, 1 ml/min; Injektálás: 100:1 split, 250 C Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 30/ 47

Kováts-féle retenciós index Kováts-index I = 100 [ n + (N n) lg t r,x lg t r,n lg t r,n lg t r,n ] Kovats, E. (1958). Helv. Chim. Acta 41 (7): 1915 32. Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 31/ 47

Kétdimenziós gázkromatográfia (GC GC) Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 32/ 47

Bonyolult minták analízise 117 komponensből (PCB, PAH, peszticid) álló elegy gyors GC-TOF analízise Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 33/ 47

Kromatográfiás hatékonyság Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 34/ 47

Kromatográfiás hatékonyság elméleti tányérszám N = µ2 1 µ 2 16 ( ) 2 tr w b Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 34/ 47

Kromatográfiás hatékonyság elméleti tányérszám N = µ2 1 µ 2 16 felbontás ( ) 2 tr w b R s = 2 t R,A t R,B w b,a + w b,b µ 1,A µ 1,B 2 ( µ2,a + ) µ 2,B Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 34/ 47

Kromatográfiás hatékonyság elméleti tányérszám N = µ2 1 µ 2 16 felbontás ( ) 2 tr w b R s = 2 t R,A t R,B w b,a + w b,b µ 1,A µ 1,B 2 ( µ2,a + ) µ 2,B csúcskapacitás n c = ta t0 w b Koncentráció 4. n c 11 3.5 3. 2.5 2. 1.5 1. 0.5 t 0 t A 0. 0 2 4 6 8 Retenciós idő Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 34/ 47

Statisztikus átfedés elmélet P m = exp ( m2 n c ) (1) 1.0 0.8 nc = 100 nc = 500 nc = 1000 Valószíűség 0.6 0.4 0.2 0.0 0 20 40 60 80 100 Komponensek száma Teljes elválasztás valószínűsége különböző csúcskapacitású rendszerek esetén az elegyben található komponensek számának függvényében. Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 35/ 47

Elválasztható komponensek száma m = n c lnp m (2) Elválasztható komponensek száma 60 50 40 30 20 10 0 P m = 0.05 P m = 0.20 P m = 0.50 0 200 400 600 800 1000 Csúcskapacitás Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 36/ 47

Detektálható csúsok száma Az összes detektálható csúcs (a), az egyedül (b), párban (c) ill. hármasban (c) eluálódó komponensek aránya. Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 37/ 47

20 komponensből álló elegy felbontása a) konstans retenciós idő különbség és azonos csúcsmagasság, b) konstans retenciós idő különbség és véletlenszerű csúcsmagasság, c) véletlenszerű retenciós idő különbség és azonos csúcsmagasság, d) véletlenszerű retenciós idő különbség és véletlenszerű csúcsmagasság esetén. Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 38/ 47

GC GC elve Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 39/ 47

GC GC elve ortogonális oszlopok első dimenzió: hosszú oszlop (25 m 0,25-mm ID 0,25-µm), alig poláris állófázis második dimenzió: jóval rövidebb (1 m 0,1-mm ID 0,1-µm), poláris állófázis, nagyon gyors elválasztás oszlopok egy vagy külön termosztáló egységben Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 40/ 47

GC GC megvalósítási lehetőségei Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 41/ 47

Moduláció hurkos modulátor (E): két oszlop között (nem felel meg igazán) termikus modulátor (A-D): 2. oszlop elején minta fókuszálása Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 42/ 47

Modulációs sémák Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 43/ 47

Peszticidek GC GC-ECD analízise Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 44/ 47

Terfenilek kimutatása GC GC-TOF technikával Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 45/ 47

Kanuka olaj GC GC-MS analízise Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 46/ 47

GC GC felhasználási területei Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 47/ 47