kromatográfia gázkromatográfia -...
TRANSCRIPT
KromatográfiaGázkromatográfia
Anyagszerkezet vizsgálati módszerekPannon EgyetemMérnöki Kar
Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 1/ 47
Gázkromatográfia
Gáz mozgófázis.
• illékony vegyületek analízise (t ≤ 250◦C)• gyors analízis• hatékony (igen nagy tányérszám: 104, 105)• 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 analitikaitechnikája.
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, N2, Ar, CO2)• nem vesz részt a retenciós mechanizmusban
(mintakomponensek szállítása)• megfelelő mátrix az érzékeny detektáláshoz:
hővezetés: Heláng ionizáció: He, N2elektron befogás: N2, Ar
• H2: használható, de robbanás veszélyes• nagy tisztaság (≥ 99, 999%): nyomnyi O2 v. H2O ⇒ 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
• töltöttinert részecskék, felületükön nem illékony folyadék (néhány1/10 µm)1,5 - 10 m∅ 2 - 4 mmtöltet: ∅ < 200 µm
• kapillárishatékonyabb, mint a töltöttnéhány tized mm átmérő (0,1–0,5mm)hosszabb, mint a töltött (15–100m, 30m 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
Oszlop
Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 10/ 47
Oszlop
Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 11/ 47
Állófázis
• hordozómechanikailag ellenállóinerthőre nem érzékenydiatomaföld: Chromosorb P, Chromosorb W ill. G
• folyadékfázisnem illékony (forráspont: 100◦ + max. analízis t)inertnem bomlik magas hőmérsékletenPEG, szkvalén (C30H62), difenol-benzol, polimetil sziloxán,
• kémiailag kötött fázisok• porózus polimer töltetek
Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 12/ 47
Állófázisok
Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 13/ 47
Állófázisok
Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 13/ 47
Elválasztás optimalizálás
Felbontás, RS
RS =tR,2 − tR,1
w2+w12
'√N
4α− 1α
k2k2 + 1
Felbontás növelés lehetőségeiTányérszám növelésSzelektivitás növelésRetenció növelés
Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 14/ 47
Tányérszám növelés
2929
Vékonyfilmes: df < 1 Cm > Cs ( > 100 )
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
H(mm)
u (cm/s)
B/u
Cmu
Csu
40 mm/s2; Cm =B = 3.10-4s
Hmin. = 0,22 mm
u opt. = 36,5 cm/s
CsCm >>
Vastagfilmes: df > 1 Cs > Cm ( < 100 )
0,20,4
0,60,81,01,21,4
1,61,82,02,2
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
H(mm)
u (cm/s)
Csu
CmuB/ u
C s>> Cm
B&B Analitika Kft.Kutatás, Fejlesztés, Tanácsadás, Oktatás
[email protected]@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
dHdu
= − B
u2+ C
uopt =
√B
C
Gyakran túl hosszú az analízis uopt esetén.
Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 17/ 47
Tányérszám növelés
Oszlophossz növelés
N =L
H
Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 18/ 47
Tányérszám növelés
0 25000 50000 75000 100000 125000 150000 175000 200000Tányérszám
0
1
2
3
4
5Rs
k2 = 5 = 1.05
Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 19/ 47
Retenció növelésOszlop termosztálás
• a retenció “fordítottanarányos” a hőmérséklettel∆G = ∆H − T ∆S = −RT lnK
K = exp(−∆H
RT+ ∆S
R
)• oszlophőmérséklet:
felbontás vs. elválasztásidőszükséglete ⇒ optimálás• szelektivitás változtatás:
∆H1 6= ∆H2
• ±0,1◦C• izoterm (állandó T )• hőmérséklet programozás
(“gradiens”)
Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 20/ 47
Retenció növelés
0 2 4 6 8 10k2
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5Rs
N = 5×104
= 1.05
Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 21/ 47
Szelektivitás növelés
oszlop típushőmérséklet (∆∆H 6= 0)
1.000 1.025 1.050 1.075 1.100 1.125 1.150 1.175 1.200Szelektivitás
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Rs
k2 = 5N = 5×104
Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 22/ 47
Optimális elválasztás
Rs '√N
4α− 1α
k2k2 + 1
> 1.5
Nreq = 16R22
(α
α− 1
)2(k2 + 1k2
)2
tR,2 = t0(1 + k2) = 16R22
(α
α− 1
)2(k2 + 1k2
)2 H
u0(1 + k2)
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: 63Ni• 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-Nitrosodimethylamine2. Pyridine3. 2-Fluorophenol (surr.)4. Phenol-d6 (surr.)5. Phenol6. Aniline7. Bis(2-chloroethyl)ether8. 2-Chlorophenol-d4 (surr.)9. 2-Chlorophenol
10. 1,3-Dichlorobenzene11. 1,4-Dichlorobenzene-d4 (I.S.)12. 1,4-Dichlorobenzene13. Benzyl alcohol14. 1,2-Dichlorobenzene-d4 (surr.)15. 1,2-Dichlorobenzene16. 2-Methylphenol17. Bis(2-chloroisopropyl)ether18. n-Nitroso-di-n-propylamine19. 4-Methylphenol20. Hexachloroethane21. Nitrobenzene-d5 (surr.)22. Nitrobenzene23. Isophorone24. 2-Nitrophenol25. 2,4-Dimethylphenol26. Bis(2-chloroethoxy)methane27. Benzoic acid28. 2,4-Dichlorophenol29. 1,2,4-Trichlorobenzene
30. Naphthalene-d8 (I.S.)31. Naphthalene32. 4-Chloroaniline33. Hexachlorobutadiene34. 4-Chloro-3-methylphenol35. 2-Methylnaphthalene36. Hexachlorocyclopentadiene37. 2,4,6-Trichlorophenol38. 2,4,5-Trichlorophenol39. 2-Fluorobiphenyl (surr.)40. 2-Chloronaphthalene41. 2-Nitroaniline42. Dimethyl phthalate43. 2,6-Dinitrotoluene44. Acenaphthylene45. 3-Nitroaniline46. Acenaphthene-d10 (I.S.)47. Acenaphthene48. 2,4-Dinitrophenol49. 4-Nitrophenol50. Dibenzofuran51. 2,4-Dinitrotoluene52. Diethyl phthalate53. 4-Chlorophenyl phenyl ether54. Fluorene55. 4-Nitroaniline56. 2-Methyl-4,6-dinitrophenol57. n-Nitrosodiphenylamine58. Azobenzene
59. 2,4,6-Tribromophenol (surr.)60. 4-Bromophenyl phenyl ether61. Hexachlorobenzene62. Pentachlorophenol63. Phenanthrene-d10 (I.S.)64. Phenanthrene65. Anthracene66. Carbazole67. Di-n-butyl phthalate68. Fluoranthene69. Benzidine70. Pyrene71. Terphenyl-d14 (surr.)72. 3,3’-Dimethylbenzidine73. Butylbenzyl phthalate74. 3,3’-Dichlorobenzidine75. Benzo(a)anthracene76. Bis(2-ethylhexyl)phthalate77. Chrysene-d12 (I.S.)78. Chrysene79. Di-n-octyl phthalate80. Benzo(b)fluoranthene81. Benzo(k)fluoranthene82. Benzo(a)pyrene83. Perylene-d12 (I.S.)84. Indeno(1,2,3-cd)pyrene85. Dibenzo(a,h)anthracene86. 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 indexKováts-index
I = 100
[n + (N − n)
lg t ′r,x − lg t ′r,nlg 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 analíziseAnyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 33/ 47
Kromatográfiás hatékonyság
elméleti tányérszám
N =µ21
µ2' 16
(tRwb
)2
felbontás
Rs = 2|tR,A − tR,B|wb,A + wb,B
' |µ1,A − µ1,B|2(√
µ2,A +√µ2,B
)csúcskapacitás
nc =tA − t0wb
0 2 4 6 80.
0.5
1.
1.5
2.
2.5
3.
3.5
4.
4.5
Retenciós id:
Kon
cent
ráci
ó
nc = 11
t0 tA
Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 34/ 47
Kromatográfiás hatékonyság
elméleti tányérszám
N =µ21
µ2' 16
(tRwb
)2
felbontás
Rs = 2|tR,A − tR,B|wb,A + wb,B
' |µ1,A − µ1,B|2(√
µ2,A +√µ2,B
)csúcskapacitás
nc =tA − t0wb
0 2 4 6 80.
0.5
1.
1.5
2.
2.5
3.
3.5
4.
4.5
Retenciós id:
Kon
cent
ráci
ó
nc = 11
t0 tA
Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 34/ 47
Kromatográfiás hatékonyság
elméleti tányérszám
N =µ21
µ2' 16
(tRwb
)2
felbontás
Rs = 2|tR,A − tR,B|wb,A + wb,B
' |µ1,A − µ1,B|2(√
µ2,A +√µ2,B
)
csúcskapacitás
nc =tA − t0wb
0 2 4 6 80.
0.5
1.
1.5
2.
2.5
3.
3.5
4.
4.5
Retenciós id:
Kon
cent
ráci
ó
nc = 11
t0 tA
Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 34/ 47
Kromatográfiás hatékonyság
elméleti tányérszám
N =µ21
µ2' 16
(tRwb
)2
felbontás
Rs = 2|tR,A − tR,B|wb,A + wb,B
' |µ1,A − µ1,B|2(√
µ2,A +√µ2,B
)csúcskapacitás
nc =tA − t0wb
0 2 4 6 80.
0.5
1.
1.5
2.
2.5
3.
3.5
4.
4.5
Retenciós id:
Kon
cent
ráci
ó
nc = 11
t0 tA
Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 34/ 47
Statisztikus átfedés elmélet
Pm = exp
(−m2
nc
)(1)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0V
alos
zıu
seg
0 20 40 60 80 100
Komponensek szama
nc = 100nc = 500nc = 1000
Teljes elválasztás valószínűsége különböző csúcskapacitásúrendszerek esetén az elegyben található komponensek számának
függvényében.
Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 35/ 47
Elválasztható komponensek száma
m =√−nc lnPm (2)
0
10
20
30
40
50
60
Elv
alas
zthat
oko
mp
onen
sek
szam
a
0 200 400 600 800 1000
Csucskapacitas
Pm = 0.05Pm = 0.20Pm = 0.50
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 véletlenszerűcsúcsmagasság 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 (25m×0,25-mm ID×0,25-µm), aligpoláris állófázis
• második dimenzió: jóval rövidebb (1m×0,1-mm ID×0,1-µm), polárisállófázis, nagyon gyors elválasztás
• oszlopok egy vagy külön termosztálóegységben
Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 40/ 47
GC×GC megvalósítási lehetőségei
Anyagszerkezet vizsgálati módszerek Kromatográfia 41/ 47
Moduláció
• hurkos modulátor (E): kétoszlop között (nem felel megigazán)• 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