Identyfikacja węglowodorów aromatycznych techniką GC-MS

Transkrypt

1 Identyfikacja węglowodorów aromatycznych techniką GC-MS Instrukcja do ćwiczeń opracowana w Katedrze Chemii Środowiska Uniwersytetu Łódzkiego. 1.Wstęp teoretyczny Zagadnienie rozdzielania mieszanin związków chemicznych jest podstawowym problemem nauk chemicznych. W procesie rozdzielania mieszanin wykorzystuje się różne właściwości fizyczne, fizykochemiczne i chemiczne separowanych składników. Do metod tych należą także metody chromatograficzne. Chromatografia jest metodą, w której rozdzielane składniki ulegają podziałowi między dwie fazy, z których jedna jest fazą nieruchomą (stacjonarną), a druga ruchomą (mobilną) układu chromatograficznego. Fazą stacjonarną może być ciało stałe, ciecz na nośniku lub żel, a fazą ruchomą - gaz, ciecz i gaz lub ciecz w stanie nadkrytycznym (fluid). Chromatografia jest metodą separacji oraz analizy (jakościowej i ilościowej) mieszanin. Obecnie chromatografia to najbardziej rozpowszechniona metoda analityczna, która w połączeniu z metodami spektroskopowymi stwarza szerokie możliwości analizy skomplikowanych mieszanin, w szczególności związków organicznych. Metod chromatograficznych jest wiele i można je klasyfikować według różnych kryteriów. Podstawę klasyfikacji metod chromatograficznych mogą stanowić: A. Stan skupienia fazy ruchomej chromatografia gazowa chromatografia cieczowa chromatografia fluidalna B. Stan skupienia fazy stacjonarnej gaz - ciecz (GLC) ciecz - ciecz (LLC) gaz - ciało stałe (GSC) ciecz - ciało stałe (LSC) C. Natura zjawisk będących podstawą procesu chromatograficznego chromatografia adsorpcyjna chromatografia podziałowa chromatografia jonowymienna chromatografia sitowa

2 D. Techniki eksperymentalne technika kolumnowa technika planarna (cienkowarstwowa i bibułowa) Chromatografia gazowa jest metodą stosunkowo młodą, gdyż pierwsze prace ukazały się w 1952 roku. Chromatografia gazowa jest szybką i skuteczną metodą rozdzielania mieszanin związków lotnych. Znalazła ona szerokie zastosowanie do identyfikacji i oznaczeń ilościowych złożonych mieszanin, kontroli procesów technologicznych, wyznaczania niektórych stałych fizykochemicznych oraz badania kinetyki reakcji. Zgodnie z wcześniejszą klasyfikacją wyróżnia się następujące rodzaje chromatografii gazowej: a) chromatografia w układzie gaz - ciało stałe, b) chromatografia w układzie gaz ciecz. Aparatura do chromatografii gazowej Chromatografy gazowe należą do przyrządów najczęściej wykorzystywanych w analizie chemicznej. Chromatografy gazowe można podzielić na: chromatografy laboratoryjne, chromatografy procesowe, stanowiące część instalacji przemysłowych i używane w ciągłej, automatycznej kontroli procesów technologicznych, chromatografy przenośne (walizkowe lub kieszonkowe) o małych rozmiarach, służące do analiz polowych. Schemat chromatografu gazowego przedstawiono na poniższym rysunku.

3 Częściami składowymi chromatografu gazowego są: 1) zbiornik gazu nośnego, 2) regulator przepływu (odtleniacz i osuszacz) gazu nośnego, 3) dozownik, 4) kolumna chromatograficzna, 5) termostat dozownika i kolumny, 6) detektor, 7) przepływomierz, 8) wzmacniacz sygnału, 9) rejestrator i integrator lub komputer z drukarką. Gaz nośny powinien być chemiczne obojętny w stosunku do wypełnienia kolumny, jak i do składników analizowanej mieszaniny. Najczęściej warunki te spełniają azot, wodór, hel i argon, które zalicza się do klasycznych gazów nośnych używanych w procesie chromatografii gazowej. Czasem używa się dwutlenku węgla, powietrza czy neonu. Rodzaj gazu nośnego ma mały wpływ na wynik rozdzielenia chromatograficznego, a jego wybór zależy przede wszystkim od rodzaju zastosowanego detektora, ceny, dostępności i czystości. Metodą chromatografii gazowej można rozdzielać substancje, które w warunkach chromatografowania mają postać gazów lub par. Są to zatem takie substancje gazowe, ciekłe i stałe, których temperatura wrzenia lub sublimacji nie przekracza 400 C. Dozownik jest to urządzenie, za pomocą którego wprowadza się próbkę w strumień gazu nośnego, a ten przenosi ją do kolumny. Wyróżnia się dozowniki z dzieleniem (split) i bez dzielenia strumienia gazu nośnego (splitless), dozowanie do zimnej kolumny, z częściową eliminacją rozpuszczalnika lub z programowalną temperaturą odparowania. Dozowniki z dzieleniem strumienia gazu nośnego stosowane są w przypadku analizy próbek, w których spodziewana zawartość analitu jest wysoka. W tym przypadku tylko niewielka jej część zostaje wprowadzona do kolumny, co sprzyja zwiększeniu efektywności rozdzielenia składników analizowanej próbki. Dozowniki takie charakteryzują się dużą sprawnością i są idealnym rozwiązaniem dla kolumn kapilarnych. Kolumna to najistotniejsza część układu chromatograficznego. Zachodzą w niej procesy rozdzielcze i dlatego wybór rodzaju kolumny i jej wypełnienia ma decydujący wpływ na wynik analizy. Najczęściej kolumny dzieli się na: a) kolumny z wypełnieniem, b) kolumny o przekroju otwartym - kapilarne. Substancje rozdzielane w kolumnie chromatograficznej są wykrywane przez detektor w miarę, jak opuszczają kolumnę. Detektor reaguje zatem sygnałem elektrycznym na obecność śladów analizowanej substancji w gazie nośnym opuszczającym kolumnę. Dobry detektor powinien charakteryzować się: dobrą czułością i wykrywalnością,

4 szerokim zakresem liniowości wskazań, stabilnością wskazań i niskim poziomem szumów linii zerowej, selektywnością lub uniwersalnością wskazań, łatwością obsługi, niskim kosztem zakupu i eksploatacji. Najczęściej stosowane detektory w chromatografii gazowej to: katarometr, detektor płomieniowo- jonizacyjny, detektor płomieniowo- fotometryczny, detektor wychwytu elektronów, detektor termojonowy, spektrometr mas. Spektrometr masowy jest detektorem uniwersalnym, który składa się z źródła jonów, analizatora mas i powielacza elektronowego jako detektora. Pompy rotacyjne lub turbomolekularne są odpowiedzialne za wytworzenie próżni wewnątrz przyrządu pomiarowego. Podstawą spektrometrii mas jest tworzenie jonów badanej substancji, która znajdując się w źródle innych jonów jest bombardowana elektronami, co skutkuje powstaniem jonów o różnych stopniach wzbudzenia. Otrzymane tzw. jony fragmentacyjne różnią się między sobą masą (m) i posiadanym ładunkiem (z), co umożliwia z kolei ich rozdzielenie w zależności od otrzymanego stosunku m/z, przy wykorzystaniu analizatora. Tak rozdzielone jony trafiają do detektora, a wielkość jego odpowiedzi (sygnału) zależy od liczby jonów danego rodzaju. Końcowym wynikiem analizy jest uzyskanie widm masowych, które stanowią cechę charakterystyczną dla danych grup związków. 2. Wykonanie ćwiczenia Cel ćwiczenia: Jakościowe oznaczanie węglowodorów aromatycznych Sprzęt: Chromatograf gazowy wyposażony w spektrometr mas sterowany oprogramowaniem MassHunter Software Agilent Kolumna HP-5MS (60 m 0,25 mm, 0,25 m)

5 Odczynniki: Węglowodory aromatyczne: benzen, toluen, ksylen (min. 99.9%) Próbka badana: mieszanina nieznanych węglowodorów aromatycznych Gaz nośny: hel ( %) Warunki chromatograficzne oraz tryb pracy detektora MS: Objętość wprowadzanej próbki: 1 µl, dozownik typu split z dzieleniem strumienia gazu nośnego 100:1, Prędkość przepływu gazu nośnego: 1 ml min -1 Temperatura dozownika: 150 C Temperatura pieca: 40 C Temperatura źródła jonów: 230 C, temperatura analizatora: 150 C, temperatura linii transferowej: 250 C Tryb pracy detektora MS: SCAN, zakres skanowania: m/z od 50 do 200, energia jonizacji 70 ev Przygotowanie próbek do analizy: Badane próbki zostały przygotowane poprzez 1000-krotne rozcieńczenie w dichlorometanie standardów benzenu, toluenu i ksylenu. W sposób analogiczny przygotowano mieszaninę nieznanych węglowodorów aromatycznych. Opis ćwiczenia: 1. Włączyć chromatograf gazowy oraz komputer. Parametry pracy chromatografu ustawia osoba prowadząca ćwiczenia/technik. 2. Przeprowadzić analizę chromatograficzną każdego węglowodoru (A) oraz badanej mieszaniny (B). 3. Punkty 1 2B powtórzyć kolejno dla pięciu różnych prędkości przepływu gazu nośnego (0,5/ 1/ 2/ 3/ 4 ml min -1 ) przy zachowaniu początkowej temperatury pieca (40 C) oraz trzech różnych temperatur kolumny (40/ 60/ 80 C) przy przepływie fazy ruchomej 1 ml min -1.

6 Opracowanie wyników: 1. Wyznaczyć czas retencji, powierzchnię pików oraz szerokość przy podstawie piku dla trzech analizowanych węglowodorów aromatycznych. 2. Na podstawie wyznaczonych czasów retencji i zarejestrowanych widm mas zidentyfikować poszczególne składniki badanej mieszaniny. 3. Na podstawie uzyskanych wyników należy obliczyć współczynniki retencji pików, rozdzielczości pomiędzy pikami, liczbę półek teoretycznych dla każdych z testowanych warunków, jeśli jest to możliwe. 4. W oparciu o otrzymane wyniki wykreślić zależności powierzchni piku, współczynnika retencji oraz rozdzielczości pomiędzy pikami od prędkości przepływu gazu nośnego. Zinterpretować uzyskane wyniki. Tabela 1. Temperatury wrzenia związków organicznych wykorzystanych w ćwiczeniu. Dichlorometan Benzen Toluen m-ksylen 39,6 C 80,1 C 110,6 C 139 C Proponowana literatura uzupełniająca: 1. Z. Witkiewicz, J. Kałużna-Czaplińska, Podstawy chromatografii i technik elektromigracyjnych, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, W. Szczepaniak, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, J. Hepter, Z. Witkiewicz, Chromatografia gazowa, WNT, Warszawa, 2001.

7 KARTA PRACY Imię i nazwisko: Temat ćwiczenia: Data: Podpis prowadzącego zajęcia: Zaliczenie: Nazwa związku Czas retencji [min] Jony fragmentacyjne Benzen Toluen Ksylen Badana mieszanina Prędkość przepływu gazu nośnego [ml min -1 ] Czas retencji [min] Powierzchnia piku W 1/2 k N Rozdzielczość 0,5 1 2

8 3 4 Temperatura Czas kolumny [ C] retencji [min] Powierzchnia piku W 1/2 k N Rozdzielczość Do sprawozdania należy załączyć krótki wstęp teoretycznych wraz z odpowiedziami na poniższe pytania: 1. Chromatografia gazowa (definicja, jakie próbki mogą być analizowane techniką GC, wymienić i krótko opisać elementy wchodzące w skład chromatografu gazowego). 2. Opisz zasadę działania spektrometru mas.

9 3. Określić, które z poniższych części składowych aparatu GC-MS wpływają na jakość rozdzielenia chromatograficznego oraz widma MS. Do wybranych elementów proszę dopisać krótki komentarz uzasadniający swój wybór. gaz nośny, dozownik splittless, temperatura kwadrupola, temperatura pieca, w którym znajduje się kolumna, energia jonizacji, rodzaj dozownika, wypełnienie kolumny 4. Opisać dwa tryby pracy detektora MS (SCAN i SIM).