GAS-CHROMATOGRAPHIE (GC)

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1 GAS-CHRMATGRAPHIE (GC) 1. Grundlagen Eine GC-Analyse beginnt mit dem Aufbringen eines Gases, einer verdampfbaren Flüssigkeit od. eines verdampfbaren Feststoffes auf die thermostatisierte Trennsäule. Mit Hilfe des Trägergases (He od. N 2 ) werden die Substanzen durch die Säule transportiert, wo die chromatographische Trennung stattfindet. Die getrennten Substanzen erreichen nacheinander das Säulenende u. werden durch einen Detektor mit Hilfe der Auswerteinheit als Peaks angezeigt. Die Zeit zwischen Injektion der Probe und Signal am Detektor heißt Retentionszeit t R. Die Netto-Retentionszeit t R' ist die Differenz zwischen der Brutto-Retentionszeit t R und der Zeit t 0, in der ein in der Säule keinen Wechselwirkungen ausgesetztes Teilchen den Detektor erreicht. Voraussetzung für den Einsatz der GC ist, daß die zu untersuchenden Proben vollständig und unzersetzt in den Gaszustand überführt werden können oder unter Zersetzung reproduzierbar verdampfbar sind. Die erforderliche Flüchtigkeit kann oft durch Derivatisierung z.b. Silylierung erreicht werden. In vielen Fällen kann das Ergebnis der Trennung durch die Wahl eines geeigneten Temperaturprogramms optimiert werden. Trägergas Einspritzblock Flußregler Detektor Schreiber/ Integrator Säulenofen Abbildung 1: schematischer Aufbau eines Gaschromatographen 1

2 2. Trennstufenzahl und Auflösung Für die theoretische Behandlung chromatographischer Trennungen stellt man sich vor, daß ein gelöster Stoff eine größere Zahl von Verteilungsvorgängen zwischen mobiler (Trägergas) und stationärer Phase (siehe Trennsäulen Seite 4) durchläuft, wobei jeweils ein durch den Verteilungskoeffizienten gegebenes Gleichgewicht eingestellt wird. Man nimmt an, daß in einem sog. theoretischen Boden (Trennstufe), der geometrisch ein bestimmtes Segment (Bodenhöhe H) der Trennsäule ausmacht, gerade einmal eine Gleichgewichtseinstellung erfolgt. Je besser also die Trennleistung ist, um so größer ist die Anzahl N an theoretischen Böden (oder Trennstufen) anzunehmen, welche sich aus der Peakbreite im Chromatogramm wie folgt errechnen läßt: N = 5.54 (t R / b 0.5 )² Dabei sind t R die Retentionszeit und b 0.5 die Peak-Halbwertsbreite. Die Peakbreite steigt also bei gleicher Retentionszeit mit abnehmender Bodenzahl, was einer schlechteren Auflösung oder Trenneffektivität gleich kommt. Die beobachteten Peakverbreiterungen sind in erster Linie auf verschiedene Diffusionsvorgänge zurückzuführen. Die Bodenhöhe H ist über die Säulenlänge L mit der Trennstufenzahl N wie folgt verknüpft: N = L/H 3. Quantitative Analyse Die GC wird vielfach zur quantitativen Analyse von Flüssigkeits- und Gasmischungen eingesetzt. Die Fläche unter einem GC-Peak ist der Konzentration der entsprechenden Komponente in der Mischung proportional. Aus diesem Grund liefert die Auftragung der Peakfläche gegen die Konzentration von Kalibrierstandards eine Kalibriergerade für die quantitative Analyse. 2

3 4. Einspritzblock Die Injektion erfolgt mit Hilfe von Mikrospritzen über ein Septum aus Silikongummi. Die Temperatur des Einspritzblocks wird üblicherweise so gewählt, daß sie um 50 C höher als der Siedepunkt der am wenigsten flüchtigen Komponente liegt. Während für gepackte Säulen typische Einspritzvolumina bei µl liegen, wird bei Kapillarsäulen ein definierter Teil der verdampften Probe durch das Trägergas an der Trennsäule vorbei nach außen geleitet (Split Injektion), wodurch nur etwa 10-3 μl Probe injiziert werden. Trägergas Septum Septumspülung beheizter Metallblock Glasliner Split Auslaß Verdampfungskammer Säule Abbildung 2: GC-Einspritzblock 3

4 5. Trennsäulen 5.1. Gepackte Säulen Gepackte Säulen sind zumeist zwischen 1,5 m und 4,5 m lange Glassäulen, die einen Innendurchmesser von 3-6 mm haben. Adsorptionssäulen: Gebräuchliche Adsorptionsmittel für gasförmige Proben sind Aktivkohle, Kieselgel, Aluminiumoxid und Molekularsiebe. Verteilungssäulen: Das Füllmaterial besteht aus festem Trägermaterial mit möglichst einheitlicher Körnung (Celite, Glaskügelchen, Schamottmehl), welches mit einem dünnen Film der stationären Phase gleichmäßig überzogen ist. Generell lassen sich drei Kategorien Verteilungsmittel (flüssige Phase, stationäre Phase) unterscheiden: Silikonöle mit unterschiedlichen Substituenten. Sie sind relativ unpolar und eignen sich für die Trennung wenig polarer Verbindungen wie Kohlenwasserstoffe, Ester und Phenole. Langkettige Ester (Dinonylphthalat) eignen sich wegen ihrer Polarität gut für polare Stoffe wie Alkohole, Ester, Säuren, aber auch für Schwefeldioxid. Polyethylenglykole trennen speziell aromatische Verbindungen in Gegenwart von aliphatischen Kohlenwasserstoffen Kapillarsäulen Kapillarsäulen sind meist aus Quarz, Glas oder Edelstahl und haben Längen von m, Außendurchmesser von 0,8 mm und Innendurchmesser von 30 bis 500µm. Die Schichtdicke der stationären Phase beträgt 0,05-10 µm. Um die mechanische Stabilität zu erhöhen, sind oft Quarz und Glaskapillaren mit einer Polyamid- oder Aluminiumschicht umgeben. Bei Kapillarsäulen ist die stationäre Phase direkt auf die Kapillarwand aufgebracht (kein Trägermaterial). Dadurch ist der Widerstand gegen den Gasfluß klein, was den Einsatz besonders langer Säulen ermöglicht. Bödenzahlen zwischen und sind keine Seltenheit, wodurch auch die Auftrennung sehr komplexer Gemische erreichbar ist. 4

5 6. Flammenionisations-Detektor (FID) Beim FID wird dem Trägergas am Säulenende Wasserstoff als Brenngas beigemischt. Gleichzeitig wird synthetische Luft so in den Detektor eingeleitet, daß der Wasserstoff an einer feinen Düse verbrennen kann. Alle Substanzen, die vom Trägergas eluiert werden, verbrennen in der Wasserstoffflamme. Das Detektorsignal beruht auf der Ionenbildung bei der Verbrennung von Substanzen mit C-C und C-H Bindungen. Die Wasserstoffflamme selbst ist kaum ionisiert. Gelangen aber Verbindungen in die Flamme, so werden über eine Radikalreaktion: CH + CH + + e - Ionen und Elektronen gebildet, die durch das elektrische Feld der Sammelelektrode aufgefangen werden können. Kollektor (Anode) Luft H 2 Trägergas von der GC-Säule Abbildung 3: Flammenionisations-Detektor (FID) Die Düse, an der Trägergas und Wasserstoff in den Luftstrom eintreten und verbrennen, besitzt ein negatives Potential. Positive Ionen werden dadurch neutralisiert, während die freigesetzten Elektronen an der positiven Sammelelektrode eingefangen werden und den Signalstrom liefern. Verbindungen, die keine CH-Radikale bilden, z.b. Stickstoff, Kohlendioxid, Tetrachlorkohlenstoff und Ammoniak, werden nicht detektiert. 5

6 7. Gas-Chromatographie Übung 7.1. Probenvorbereitung: mg Probe werden in 1 ml Lösungsmittel gelöst und gegebenenfalls die Lösung filtriert. Silylierung H-Gruppen hältiger Verbindungen: 50 mg Probe werden in 0.8 ml Pyridin gelöst, mit 0.2 ml Trimethylsilylimidazol 1 versetzt und 5 Min. auf 50 C erwärmt Analyse: 1. Injektion der Probe Das Gerät muß unbedingt READY anzeigen bevor eine Analyse gestartet werden kann!! 1 2 µl der Probenlösung werden Luftblasen-frei und so rasch als möglich injiziert und danach unverzüglich durch Drücken von RUN die Analyse gestartet. 2. Auswertung - Report INST. TERM PRE/PST (F5) REPRT (F5) PRINT REPRT (F3) 3. Spektrum drucken INST. TERM PLT/REPLT (F6) PAGE Hier sieht man das aufgenommene Spektrum (durch Veränderung der Attenuation (SELECT ) sollte die Ansicht des Spektrums vor dem Drucken optimieren werden PAGE ATT (F1) Zahl (2 n ) F1) REPLT N P/P 1 Die Flasche sollte erst nach Erwärmen auf Raumtemp. geöffnet werden, um einer Kondensation von Luftfeuchtigkeit vorzubeugen. 6

7 8. Beispiel Veresterung von Triethanolamin mit Methacrylsäureanhydrid: H N H N H H 2 S 4 Parameter: Säule: Quarzglas-Kapillarsäule (SE-54, 25 m) Trägergas: He Tabelle 1: Temperaturprogramm Temperatur [ C] Zeit konst. Temp. [Min.] Aufheizrate [ C/Min.] Lösungsmittel und Derivatisierungsreagentien N Si N Abbildung 4: Gaschromatogramm des Produktgemisches 7

8 Tabelle 2: Ergebnis der GC-Analyse: Gemischkomponente Retentionszeit [Min.] Anteil [%] Triethanolamin-dimethacrylat Triethanolamin-trimethacrylat