HS-GC-MS

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

2. 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

3. 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

4. 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.

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

6. Automatikus adagolás • Túlnyomásos, mintaadagoló hurkos adagolás

7. Elméleti alapok • Mindaddig, amíg a két fázis között megoszlás jellegű egyensúly alakul ki, addig alkalmazható a Henry törvény: pi= Hixi, 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) /

8. Elméleti alapok II. • Megoszlási hányados oldaláról megközelítve:híg oldatokra ahol xS(i) = a összetevő töménysége a mátrixbanxG(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.)

9. 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.

10. GC-MS mintaelőkészítés MS GC 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.

11. 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

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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)

16. 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.

17. 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)

18. 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.

19. 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

20. Mérési adatok Készülék adatai: • gázkromatográf: PerkinElmer Autosystem XL GasChromatograph • kolonna: VOCOL (60m x 0,53mm x 3μm) • mintaadagoló: Perkin Elmer HeadspaceSampler 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

21. 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: • 4g só • 10ml vízminta • Só: azonos háttér miatt szükséges (ne legyen mátrixhatás)

22. Eredmények • A Duna vízből származó 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.

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

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

25. Kromatogramok Csapvíz FID A (3,19) A – diklórmetán B – kloroform C – CCl4 D – benzol E – toluol F - etilbenzol Referencia FID A B B D E F C

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

27. Köszönjük a figyelmet!