HS-GC-MS Hámornik Gábor Koványi Bence Simó Zsófia Szabó Eszter Vásárhelyi Viktor 2011

HS-GC-MS Környezetvédelem: Napjainkban a környezetvédelmi vizsgálatok egyik fontos részét képezi a víz, talajok illékony komponenseinek meghatározása. Ezen vegyületek mérésére számos módszer létezik, a megfelelő előkészítés után általában valamilyen kromatográfiás módszerrel történik az analízis. HS-GC-MS: headspace mintabeviteli technika alkalmazása GC-MS méréseknél Az illékony vegyületek (VOC) forráspontja: 190-250°C, a félillékony vegyületeké (sVOC) 250-350°C

Gőztéranalízis Mintaelőkészítési módszer az első HS-GC közlemény 1958-ból származik manapság széles körben elterjedt illékony vegyületek meghatározására Előnyei: Jelentősen lecsökken az elemzés ideje Oldószermentes a módszer adta kereteken belül a megfelelő körültekintéssel végezve hasonlóan megbízható eredményt nyújt, mint a hagyományos előkészítésen alapuló vizsgálatok A headspace technika alkalmas szilárd anyagok felületén, vagy zárványként jelenlévő illékony anyagok, oldószernyomok mérésére is kisebb mátrixhatás, mivel a zavaró komponensek jó része a folyadék(/szilárd)fázisban marad

Gőztéranalízis - Működési elv Az eljárás során a vizsgálandó anyagot egy gumiszeptummal lezárt tetejű edénybe helyezik A minta (folyadék vagy szilárd) és a gázfázis (levegő) között zárt rendszerben véges idő alatt egyensúly alakul ki. olyan anyagokra alkalmazható eredményesen, melyek esetén a megoszlás a folyadék és gőzfázis között a gőzfázis számára kedvezményezett A gőzfázisból ezután véges térfogatot adagolunk a gázkromatográfba.

Hogyan jut be a minta a GC-be? Kézi adagolás Automatikus adagolási módszerek Fecskendő típusú adagoló Kiegyensúlyozott nyomású mintaadagolás

Automatikus adagolás Túlnyomásos, mintaadagoló hurkos adagolás

Elméleti alapok pi = Hi xi, pi=yi Mindaddig, amíg a két fázis között megoszlás jellegű egyensúly alakul ki, addig alkalmazható a Henry törvény: pi = Hi xi, pi=yi pi =az i összetevő gőztenziója a gőztérben H =Henry állandó xi =az i összetevő móltörtje a kondenzált fázisban yi = az i összetevő móltörtje (koncentrációja) a gőzfázisban pi* = az i összetevő gőztenziója a vizsgált hőmérsékleten (xi = 1) i = az i összetevő aktivitási koefficiense (együtthatója) a kondenzált (folyadék vagy szilárd) fázisban A i adja meg a mátrix (vivő anyag) és a vizsgált összetevő közötti kölcsönhatást. / i = 1 ideális oldatoknál, i >1, ha a komponens és a mátrix között kisebb a kölcsönhatás, mint a vizsgált molekulák között (például víz-apoláris összetevőknek), i <1, ha a kölcsönhatás nagyobb (például víz-alkoholok) /

Elméleti alapok II. Megoszlási hányados oldaláról megközelítve: híg oldatokra ahol xS(i) = a összetevő töménysége a mátrixban xG(i) = a összetevő töménysége a gőztérben kis K érték nagyobb mennyiségben kerülnek ki a gőztérbe nagy K érték inkább a folyadékfázisban (mátrix) maradnak K értéke csökkenthető: növeljük a termosztálási hőmérsékletet kisózást alkalmazunk (A nagy só koncentráció csökkenti a poláros szerves vegyületek oldhatóságát a vizes fázisban,így elősegíti az illékony komponensek gőztérbe jutását.)

HS-GC analitikai alkalmazása Legjelentősebb alkalmazási területei: környezetszennyező illékony vegyületek meghatározása vízből, benzin- és gázolaj eredetű illékony szénhidrogének vizsgálata talaj- illetve iszapmintákból, környezeti vagy munkahelyi levegő minőségének ellenőrzése, gyógyszerek maradék szerves oldószer tartalmának mérése, élelmiszerek aroma- és illatanyagainak vizsgálata.

GC-MS MS GC mintaelőkészítés detektálás összetett keverékek alkotóinak egyértelmű azonosítása, azonos m/z értékű komponensek (fragmensek) jelenlétében elválasztott komponensek azonosítására A kombinált GC-MS műszerrel – ha a mérési körülmények között a minta gőznyomása és termikus stabilitása megfelelő – kitűnően elvégezhető a teljes analízis. GC : minden komponens mennyiségének kvantitatív meghatározását MS: egyértelmű azonosítás bonyolult összetételű komplex rendszerekben is. A GC-MS-készülék konstrukciójánál a következő két feladat alapvető fontosságú: a) a GC vivőgázának eltávolítása és b) az összetett műszer két része sebességének összehangolása.

GC-MS Szerkezeti átalakulás nélkül elpárologtatható, szerves elegyek minőségi és mennyiségi elemzése Bármilyen halmazállapotú (szilárd, folyékony, gáz) szerves vegyületekből a komponensek meghatározása ppm, ppb vagy akár ppt tartományban. Tömegspektrométer ismert/ismeretlen molekulaszerkezet azonosítás/felderítés pásztázó és szelektív ionkövetéses üzemmód, illetve a kettő kombinációja

GC, GC-MS-sel mérhető vegyületcsoportok Szénhidrogének (TPH, GC-FID) Illékony aromás vegyületek (BTEX, GC-MS) Fenolok (Fenol, krezol,katechol, rezorcin, GC-MS) Benzol és származékai (GC) Halogénezett szénhidrogének (GC-HS) Klórbenzolok (GC-MS) Klórfenolok (GC-MS) Poliaromás szénhidrogének (PAH, GC-MS) Foszforsav-észterek (GC-MS) Triazinok (GC-MS) Fenoxi karbonsav származékok (GC-MS) Karbamátok (GC-MS) illékony zsírsavak (GC-MS) Illékony savas komponensek

GC-MS felhasználási területe VOC, sVOC vegyületek minőségi és mennyiségi meghatározása. oldószermaradékok; oldószer tisztaság meghatározása, szilárd anyagokat pl. gyógyszereket szennyező oldószernyomok meghatározása, olajok illékonykomponenseinek meghatározása, illékony zsírsavak, kőolaj eredetű szénhidrogének, növényi hatóanyagok: terpének, kumarinok meghatározása, peszticidek (növényvédőszerek), levegő szennyeződései, kábítószerkimutatás , tűz erededetének meghatározása, környezeti szennyezőanyag analízis, robbanóanyagok kimutatása, ismeretlen anyagok összetételének minőségi meghatározása

Detektorok Detektorral szemben támasztott követelmények: nagy érzékenység specifikusság lineáris jel széles intervallumban kicsi zajszint bizonyos mértékig szelektív detektor által létrehozott jel legyen arányos a mérendő komponens mennyiségével → mennyiségi analízis

Detektorok Alkalmazott detektorok: Hővezetőképesség-mérő detektorok (TCD) Ionizációs detektorok Lángionizációs (FID) Elektronbefogási (ECD) Ionizációs keresztmetszet (CSD) Tömegspektrométer (MS) Fotoionizációs detektor (PID) (He) Kisülési ionizációs detektor (DID) Lángfotomeriás detektor (FPD) Nitrogén/foszfor szelektív detektor (NPD)

Lángionizációs detektor (FID) Legtöbbet alkalmazott Kimutatási határ 10-12-10-13g/s Lineáris tartománya széles (107) Egyszerű: a detektor egy H2/levegő eleggyel táplált mikroégő, mely felett elektródpár van elhelyezve Minden elpárologtatható szerves anyag mérhető vele, kivétel a hangyasav és formaldehid. Jel arányos az időegység alatt a detektorba érkező molekulák C-atom számával.

Elektronbefogási detektor (ECD) Nagy elektronegativitású elemekre (halogének) specifikus β-sugárzó radioaktív izotópot tartalmaz (Ni63) F, C, O, Br abszorbeálják a keletkezett elektronokat → csökken az áramintenzitás → analitikai jel Lineáris tartománya 103-105 nagyságrendű Kimutatási határ 10-13-10-14 g/s Vivőgáz N2 vagy Ar (5% metán tartalmú)

MS Elválasztás alapja a részecskék töltésegységre eső tömege (m/z) Részei: ionforrás, analizátor, vákuum rendszer, detektor, adatfeldolgozó rendszer Részfolyamatok: ionizáció és fragmentáció, keletkezett ionok elválasztása, a szétválasztott, különböző tömegű fragmensionok intenzitásának detektálása.

Mennyiségi meghatározási módszerek Kalibrációs módszer (külső standard) Addíciós módszer Belső standard módszer Minőségi meghatározási módszerek Retenció mérése Addíció „finger print” azonosítás Relatív retenció felhasználása Retenciós indexek felhasználása MS

Mérési adatok Készülék adatai: gázkromatográf: Perkin Elmer Autosystem XL Gas Chromatograph kolonna: VOCOL (60m x 0,53mm x 3μm) mintaadagoló: Perkin Elmer Headspace Sampler HS 40 detektor: FID (250°C); ECD (300°C) vivőgáz: Nitrogén (110kPa) hőmérsékletprogram: 50°C-200°C 10°C /perc Mintaadagoló adatai: minta hőmérséklete: 90°C tű hőmérséklete: 100°C transzfer hőmérsékelet: 110°C termosztálási idő: 20 perc nyomás alá helyezés ideje: 2 perc injektálási idő: 0,08 perc tű visszahúzás ideje: 0,5 perc

Mérési adatok Referencia minta1: 4g só 10ml ioncserélt víz 1ul referencia készítmény (áll: 10ml metanolban 1μl benzol, 1μl toluol, 1μl etilbenzol, 1μl diklór-metán, 1μl kloroform, 1μl szén-tetraklorid) Referencia minta2: a fentebb leírt módon készült. Az egyesnél pedig az kettesben hozzáadott oldat tízszeres hígítása lett a 4g sóhoz, illetve a vízhez adva. Dunavíz, illetve csapvíz minta: 10ml vízminta Só: azonos háttér miatt szükséges (ne legyen mátrixhatás)

Eredmények A Duna vízből származó minta: A csapvíz minta: nem tartalmazta a referencia kromatogramján beazonosítható anyagokat a FID esetében. az ECD kromatogramok alapján ebben mintában adott retenciós időknél kloroform és CCl4 csúcsok láthatóak. A csapvíz minta: a FID kromatogram alapján diklórmetánt tartalmazott az ECD alapján kloroformot azonosítottunk.

Kromatogramok Dunavíz FID A – diklórmetán B – kloroform C – CCl4 D – benzol E – toluol F - etilbenzol Referencia FID A B C D E F

Kromatogramok Dunavíz ECD A – diklórmetán B – kloroform C – CCl4 D – benzol E – toluol F - etilbenzol Referencia ECD B A C

Kromatogramok Csapvíz FID A – diklórmetán B – kloroform C – CCl4 D – benzol E – toluol F - etilbenzol Referencia FID A B C D E F B

Kromatogramok Csapvíz ECD A – diklórmetán B – kloroform C – CCl4 D – benzol E – toluol F - etilbenzol Referencia ECD B A C

Köszönjük a figyelmet!