Gázkromatográfia

Összefoglalás

Széles körben alkalmazható analitikai módszer a gázkromatográfia, mely termikusan stabil, illékony, szerves és szervetlen vegyületek elválasztására szolgáló eljárás. Kiválóan alkalmas többek között szénhidrogének és származékainak, kozmetikumok adalékanyagainak, élelmiszerek aromaanyagainak, gyógyszerek összetételének, növényvédőszerek és maradékainak, környezetszennyező anyagoknak a meghatározására. Előnyei közé tartozik a hatékonysága, szelektivitása, kicsiny mintaigénye, egyszerűsége, továbbá, hogy az elválasztás során a mintakomponensek nem roncsolódnak, így akár kapcsolt technikával (pl. gázkromatográf-tömegspektrométer) az analízis tovább folytatható.

Elméleti háttér

A kromatográfiás eljárások célja valamely összetett elegy komponenseinek a szétválasztása.

Azokat az elválasztási folyamatokat nevezzük kromatográfiának, amelyeknek során a komponensek elválasztása egy nagy felületű álló fázis és egy azon keresztül haladó áramló fázis közötti megoszlás alapján jön létre, a komponensek különböző megoszlási hányadosa következtében.

A gázkromatográfia termikusan stabil, illékony, szerves és szervetlen vegyületek elválasztására szolgáló eljárás. A mozgófázis (vivőgáz) gáz, az állófázis lehet szilárd (gáz-szilárd kromatográfia), vagy folyadék (gáz-folyadék kromatográfia) halmazállapotú.

A többi kromatográfiás eljárással szemben az inert vivőgáz nem lép kölcsönhatásba a mintával. A gázkromatográfban (GC) (7.3. ábra) működés közben állandóan áramlik a vivőgáz, amely képes a gőz állapotú komponenseket - amelyeket egy adott pillanatban a mintaadagolóba juttatunk és elpárologtattunk- áthajtani az oszlopon/kolonnán (mely az elválasztást végzi), és eljuttatni az oszlop végéhez csatlakozó detektorba. Az elválasztás folyamata hasonló, mint a többi kromatográfiás eljárásoknál. Ha megfelelően választjuk meg a kromatográfiás körülményeket a minta komponensei külön sávokban fokozatosan elkülönülnek a mozgófázisban, és a szétválasztott komponensek az állófázissal történő kölcsönhatásuk erősségének fordított sorrendjében fogják elhagyni a rendszert. A kromatográfiás elválasztást befolyásoló tényezők: a vivőgáz minősége és sebessége, a hőmérséklet, az oszlop hossza és belső átmérője, az állófázis típusa és vastagsága.

7.3. ábra - A gázkromatográf készülék vázlatos felépítése

A gázkromatográf készülék vázlatos felépítése

A detektor jelzi a szétválasztott komponenseket, valamilyen fizikai vagy kémiai tulajdonságuk mérésével.

Gázkromatográfiánál az egyik leggyakrabban alkalmazott detektor típus a lángionizációs detektor (7.4. ábra), mely elektródpár mellé helyezett, hidrogén/sűrített levegő eleggyel táplált mikroégő. Az oszlopot elhagyó komponensek a detektor lángba jutva többlépéses reakcióban, oxigén közreműködésével ionizálódnak. Az elektródok között, az ionok hatására áram folyik, ami erősítés után mérhető.

Gyakorlati jelentőségük miatt alkalmazható még a hővezetőképesség-mérő detektor és az elektronbefogási detektor.

A hővezetőképesség-mérő detektor érzékelője egy kis térfogatú cellában elhelyezett, elektromosan fűtött volfrámszál, amely körül áramlik a vivőgáz. Állandó eluens áramlási sebesség mellett a fűtött drótról a hőelvezetés sebessége, az azt körülvevő gáz molekulatömegével arányos. A detektorcellában lévő fűtött szál hőmérséklete és így az elektromos ellenállása mindaddig nagyobb, amíg mintakomponens tartózkodik a cellában.

Az elektronbefogási detektor β-sugárzó radioaktív forrást (pl. 63Ni) tartalmaz, amely a vivőgázt (általában argont) ionizálja és állandó elektromos áramot hoz létre a megfelelő feszültségre kapcsolt elektródok között. A nagy elektronegativitású elemet tartalmazó komponensek az elektromos térben a nagy mozgékonyságú, áramvezetésben résztvevő elektronokat befogják, és így jelentősen csökkentik az áramot.

7.4. ábra - Lángionizációs detektor vázlatos felépítése

Lángionizációs detektor vázlatos felépítése

A detektor által előállított és továbbított jel lehetővé teszi az elválasztott komponensek azonosítását (kvalitatív analízis) és mennyiségük meghatározását (kvantitatív analízis). Az elválasztott komponensek detektorjel-idő függvényét kromatogramnak nevezzük. A kromatogram fő jellemzői a retenciós idő (tR), amely a minta adagolásától az illető alkotó maximális koncentrációjának megjelenéséig eltelt idő, és a csúcs alatti terület. Az előbbi minőségi, az utóbbi mennyiségi információt szolgáltat.

A minőségi analízisnél alkalmazható egyik módszer a relatív retenciós adatokon alapuló ún. homológ sorok módszere. A módszer lényege, hogy a szénhidrogén-származékok homológ sorában a retenciós idők a szénatomszámmal exponenciálisan növekednek. Ebből adódóan a relatív retenciós étékek logaritmusát a szénatomszám függvényében ábrázolva, egy homológ soron belül egyenest kapunk. Az egyenes paraméterei néhány komponens retenciós idejének mérésével megállapíthatók. Ezen alapul a Kováts-féle retenciós index, ami az egyes komponensek retenciós adatait n-alkán homológok retenciójához viszonyítja és a következő formában definiálja:

A saját mérésekből származtatott ismeretlen komponens retenciós indexét (Ix) összehasonlítva más adatbázisokban található értékekkel, lehetőség van a komponens anyagi minőségének meghatározására.

Gyakorlat leírása

A gázkromatográf (GC) egyes részeinek áttekintése, a gyakorlat során alkalmazott mérőmódszerek kézi beállítása a funkciós gombok segítségével a helyszínen mellékelt, használati útmutató szerint. Ismeretlen minta kézi injektálása, majd minőségi azonosítása lángionizációs detektálással valamit, a gázkromatográfiás elválasztást befolyásoló tényezők vizsgálata.

Kromatográfiás körülmények és a gyakorlaton alkalmazott készülék adatai: 

A: Gázkromatográf:
          Shimadzu GC-14A
 Oszlop: Optima 1 (25 m * 0,2 mm * 0,33
          μm) Detektor: lángionizációs (T=220°C) Mintabemérő: T=220°C
          Hőmérsékleti program: 50°C (1 perc)→ 45°C /perc →220°C (1 perc)
          Vivőgáz: nitrogén, áramlási sebesség 1,5 mL/perc Injektált
          mennyiség: 1 μl (a fecskendő térfogata 10 μl) Injektálás módja:
          kézi

B:
          Gázkromatográf-tömegspektorméter (GC-MS): 6890N GC-5895
          MS
 Oszlop: Hp-1ms (25 m * 0,2 mm * 0,33 μm) Detektor:
          lángionizációs (T=280°C)és tömegspektrométer (MS Kvadrupól
          analizátor T=150 °C, MS ionforrás T=230°C) Mintabemérő:
          split-splitless, kézi és automata, T=240°C Hőmérsékleti program:
          50°C (0,5 perc)→ 45°C /perc → 235°C (0 perc) Vivőgáz: hélium,
          áramlási sebesség 1,5 mL/perc Injektált mennyiség: 1 μl (a fecskendő
          térfogata 10 μl) Injektálás módja: splitless, kézi és
          automata

A kézi injektálás menete: A fecskendő helyes tartása során az üvegtestet a hüvelyk és a gyűrűs ujjal tartjuk. Az oldószert vagy a mintát a mutató és a középső ujjunkkal szívjuk fel.

Mossa ki ötször a kikészített oldószerrel (pentán) a fecskendőt. Körülbelül 5 μl oldószert szívjon fel és nyomja ki a felszívott oldószert egy papírvattára. A mosás után szívjon fel 1 μl-t a kikészített mintából!

A befecskendezés során a középső ujjal a fecskendő fémbetétjét támasztjuk és a fecskendő tűjét teljesen beszúrjuk az inletbe, ezek után a mintát gyorsan benyomjuk és a fecskendőt kihúzzuk. A korábban beállított mérőmódszer indítása a start gombbal történik.

Elvégzendő feladat

1. feladat: 

a: Ismeretlen összetételű, pentánban oldott
            szénhidrogéneket tartalmazó minta kézi injektálása és mérése
            lángionizációs detektálással, valamint a minta kromatogramjának
            felvétele. b: Ismert összetételű, pentánban oldott
            szénhidrogéneket tartalmazó minta kézi injektálása és mérése
            lángionizációs detektálással, valamint a minta kromatogramjának
            felvétele. c: A hőmérséklet elválasztásra gyakorolt hatásának
            vizsgálata, kromatogram felvétele. (Ismeretlen összetételű
            szénhidrogén minta kézi injektálása és mérése magasabb
            hőmérsékleten)!

2. feladat: Hasonlítsa össze az oktán és az oktil-alkohol retenciós idejét, és magyarázza a komponensek sorrendjét!

3. feladat: Kováts-index számolás!

a: Számolja ki a tR= 12,4
          ismeretlen komponens Kováts indexét (szénhidrogén tagok retenciós
          ideje adott kromatogram alapján)! tM= 1,43.
          b: Mire tudja felhasználni a kapott értéket?

4. feladat: Elválasztás jellemzése!

A k, α R, N, H, R kiszámítása az alábbi táblázat és a gyakorlaton felvett kromatogram alapján.

Jelentése, rövid értelmezése

1. komponens

2. komponens

tM

 

1,43

tR

 

 

 

tR’

 

 

 

 

 

 

w

 

 

 

α=k1/k2

 


                    

 

 

 

H=L/N

 

 

 

 


                    

Beadandók

A jegyzőkönyv tartalmazza:

  • gyakorlat időpontját, mérőtársak nevét

  • gázkromatográf általános felépítését és a gyakorlaton használt készülék részeit (mintabemérő típusa, oszlop jellemzői, detektor típusa, gázok)

  • kromatográfiás körülményeket

  • az elvégzett munkafázisok rövid leírását

  • a felvett kromatogramokat

  • a feladatok megoldásait

Fogalmak, rövidítések, mozaikszavak

Gázkromatográfia, GC, injektor, mozgófázis, állófázis, kapilláris oszlop, lángionizációs detektor, hővezetőképesség-mérő detektor, elektronbefogási detektor, kromatogram, retenciós idő, Kováts-index

Kérdések

  1. Mi a gázkromatográfia?

  2. Melyek a gázkromatográf főbb részei?

  3. Milyen elven történik a komponensek szétválasztása?

  4. Hogyan működik a lángionizációs detektor?

  5. Mi a kromatogram és mit tudunk leolvasni róla?

  6. Mit jelent a retenciós idő?

  7. Soroljon fel néhány elválasztást befolyásoló tényezőt és magyarázza a hatásukat!

Ajánlott irodalom

  1. Burger Kálmán: Az analitikai kémia alapjai, Semmelweis Kiadó, 1999

  2. Kékedy László Műszeres Analitikai Kémia ,1, 3 kötet

  3. Dr. Balla József: A gázkromatográfia analitikai alkalmazásai, Edison House Kft, 2006