GC MS - Hochschule Augsburg
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Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber Praktikumsanleitung Chemische Spurenanalytik (SA 2) Bestimmung von VOC mit GC/MS-Kopplung Inhaltsverzeichnis 1. Sicherheitsbestimmungen beim Praktikumsversuch .............................................. 2 2. Gaschromatografie (GC) ........................................................................................ 3 2.1 Gaschromatografie - Begriffsbestimmungen ..................................................... 3 2.2 Adsorption und Extraktion ................................................................................. 4 2.3 Allgemeiner Aufbau eines GC ........................................................................... 6 2.4 Aufbau und Funktionsweise des GC/MS-Systems im Praktikum ...................... 7 2.5 Fragen zum Thema Gaschromatografie ......................................................... 10 3. Software – „XCalibur“ ........................................................................................... 11 4. Versuchsdurchführung.......................................................................................... 13 4.1 Allgemeine Vorgehensweise im Praktikumsversuch ....................................... 13 4.2 Vorbereiten und Ansaugen des unbekannten Lösemittelgemisches ............... 14 4.3 Probe für GC vorbereiten (vorderer Abzug) .................................................... 18 4.4 GC mit Probe versehen und Analyse starten .................................................. 20 4.5 Ergebnisauswertung ....................................................................................... 25 4.6 Fragen zum Thema Versuchsdurchführung .................................................... 30 5. Auswertung........................................................................................................... 31 5.1 Masse des zugegebenen internen Standards berechnen ............................... 31 5.2 Normvolumen berechnen: ............................................................................... 31 5.3 Innenraumluftkonzentration einer Komponente .............................................. 34 6. Anhang ................................................................................................................. 36 GC/MS 1 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber 1. Sicherheitsbestimmungen beim Praktikumsversuch Im Labor müssen die üblichen Sicherheitsbestimmungen beachtet werden: - Türen freihalten - Gänge freihalten - Nicht essen, trinken oder rauchen - Labormäntel benutzen; sie befinden sich im Vorraum des Labors - Beim Umgang mit Lösemitteln, Säuren oder Laugen Schutzbrille tragen - Handschuhe benutzen; sie befinden sich in den Abzügen Die Kenntnis der Gefahrsymbole auf den Chemikalien wird für das Arbeiten im Labor als bekannt vorausgesetzt. Alle Personen, die im Labor arbeiten, müssen mit den sicherheitsrelevanten Einrichtungen, insbesondere der Augenspüleinrichtung und der Notdusche vertraut sein. Bei Problemen oder Fragen wenden Sie sich bitte an die Betreuer! GC/MS 2 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber 2. Gaschromatografie (GC) Unter Gaschromatografie (GC) versteht man ein Analyseverfahren, mit dem man organische Stoffgemische auf ihre Bestandteile untersuchen kann. Dabei werden die Gemische in ihre Einzelsubstanzen aufgetrennt. GC verwendet man zum einen in der Produktion zur Isolierung bzw. Reinigung von Substanzen (= präparative Chromatografie), zum anderen in der chemischen Analytik, der Medizin, der Biologie sowie der Forensik, um Stoffgemische in möglichst einheitliche Inhaltstoffe zur qualitativen und quantitativen Bestimmung aufzutrennen. 2.1 Gaschromatografie - Begriffsbestimmungen Für das Verständnis der Chromatografie müssen zunächst folgende Begriffe erläutert werden: Stationäre Phase Phase, die mit den einzelnen Substanzen des Substanzgemisches Wechselwirkungen eingeht und sich nicht bewegt. Mobile Phase Phase in der das Substanzgemisch zu Beginn gelöst ist und die sich bewegt. Retentionszeit (RT) Zeit, die eine Substanz benötigt, um die gesamte Trennstrecke zu passieren. Elution Transport einer Substanz durch eine chromatografische Säule durch kontinuierliche Zugabe von mobiler Phase. Eine besondere Bedeutung hat dieser Prozess in der Festphasenextraktion. Eluat Mobile Phase, welche die Trennstrecke passiert hat. Säule ( ̂ stationäre Phase) In der Chromatografie versteht man unter einer Säule eine hohle Röhre mit einem Durchmesser von wenigen Mikrometern bis zu mehreren Zentimetern. Diese Röhre GC/MS 3 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber ist entweder mit der stationären Phase gefüllt oder innen beschichtet. Ein Muster zur Anschauung liegt oben auf dem GC im Chemielabor aus. Das Trennungsprinzip einer Säule beruht auf adsorptiven Wechselwirkungen der mobilen mit der stationären Phase. Neben der Polarität der Substanzen und der Säulenbeschichtung ist die Trennwirkung auch von den Siedepunkten der Analyten sowie der theoretischen Bodenzahl abhängig. Für die im Praktikum verwendete Säule können die theoretischen Böden folgendermaßen berechnet werden: Mit einem Säulendurchmesser von 0,25 mm und einer Filmdicke von 0,25 µm beträgt die theoretische Probenkapazität 50 ng bis 100 ng; die theoretische Bodenzahl pro Meter 3300. Mit dieser 30 m langen Säule ergibt das theoretisch 3300 Böden • 30 m = 99000 Böden. Für leichtflüchtige Stoffe sind Säulen mit größeren, für Hochsieder mit geringeren Filmdicken einzusetzen. Dickfilmsäulen mit mehr als 1,0 µm Belegung sind gut geeignet, um leicht siedende Halogenkohlenwasserstoffe aufzutrennen. Die hier vorliegende Säule ist eine so genannte Kapillarsäule, die vor allem für unpolare organische Stoffe geeignet ist. Bei nicht ausreichender Trennleistung besteht die Möglichkeit, mehrere Säulen (gleicher oder unterschiedlicher Art) in Reihe zu schalten. In diesem Fall spricht man von Mehrsäulen-GC. In der Säule selbst befindet sich die stationäre Phase als Dünnschicht oder Dünnfilm. Kapillarsäulen erreichen Trennstufen- oder Bodenzahlen bis 300.000. Ein wichtiges Kriterium für die Trennleistung ist das Verhältnis von Säulenlänge zu Bodenzahl. 2.2 Adsorption und Extraktion Durch einen angesaugten Luftstrom gelangt das zu trennende Stoffgemisch in ein Aktivkohleröhrchen. Überwiegend durch Diffusionsvorgänge erreichen diese gasförmigen Stoffe die innere Oberfläche der Aktivkohle, wo sie vor allem durch Vander-Waals-Kräfte adsorbiert werden. Der Grad der Adsorbierbarkeit hängt ab von: Adsorptionskinetik Adsorptionsfähigkeit Innere Oberfläche (etwa 500 bis 1000 m²/g) Allgemein gilt, dass auf Aktivkohle unpolare Stoffe, höhermolekulare Verbindungen und weniger flüchtige Substanzen leichter absorbieren als stark polare, wasserlösliche und einfachere Verbindungen. Bei der Adsorption unpolarer Stoffe handelt es sich um einen reversiblen physikalischen Vorgang (Physisorption). Die angelagerten Moleküle bleiben so lange an der Aktivkohle haften, bis sie durch Lösemittel oder höhere Temperatur desorbiert werden. Die Desorption bzw. GC/MS 4 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber Extraktion mit Lösemitteln, insbesondere mit Schwefelkohlenstoff, aber auch Dichlormethan oder Methanol, hat sich bewährt. Dies ist vor allem auf deren gute Löseeigenschaften für organische Stoffe zurückzuführen. Der niedrige Siedepunkt von CS2 ist bei der gaschromatografischen Auftrennung besonders höher siedender VOC ebenfalls vorteilhaft. Die Aktivkohle nimmt bei der Adsorption von Schwefelkohlenstoff bis zu 10 % ihrer Masse an CS2 auf. Jede Adsorption verläuft exotherm, wobei der Grad der Wärmeabgabe von der Adsorbierbarkeit abhängt. Im Praktikumsversuch ist bei der Probenaufbereitung mit CS2 eine deutliche Erwärmung des Glasfläschchens bereits mit den Händen zu spüren. GC/MS 5 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber 2.3 Allgemeiner Aufbau eines GC Jedes chromatografische Verfahren besteht aus einer mobilen sowie einer stationären Phase. Verschiedene Moleküle gehen beim Durchlaufen des Geräts unterschiedlich starke Wechselwirkungen mit der stationären Phase ein. Die wesentlichen Elemente eines GC sind ein Injektor zur Probenaufgabe, ein temperierter Säulenofen sowie ein Detektor zur qualitativen und quantitativen Erfassung der Probe. Ein Integrator (meist im PC) wertet die Messung schließlich aus. Ein guter GC zeichnet sich durch einen konstanten Gasfluss, ein schnelles Aufheizen und Kühlen gemäß eingestelltem Temperaturprogramm sowie erkennungsstarke Detektoren aus. Abb. 2: Allgemeines Schema eines GCs In der modernen GC ist die mobile Phase ein hoch reines inertes Trägergas wie N 2, Ar, He oder H2. Im Praktikum wird Helium als Trägergas verwendet. Als Detektoren dienen vor allem: Flammenionisationsdetektor (FID) Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD) Elektroneneinfangdetektor (englisch: electron-capture detector, ECD) Atomemissionsdetektor (AED) Thermionischer Detektor (TID) Massenspektrometer (MS) (im Praktikum verwendet) GC/MS 6 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber 2.4 Aufbau und Funktionsweise des GC/MS-Systems im Praktikum 01 04 05 Hier ist der Probengeber noch mal etwas größer und geöffnet dargestellt: 02 03 07 08 06 09 01.) Automatischer Probengeber AIAS 3000 02.) Erweiterungsmöglichkeit durch einen weiteren Probengeber mit Split/SplitlosInjektor 03.) GC mit der Typenbezeichnung „GC Trace GC ultra“ 04.) Transferleitung zwischen GC und MS 05.) Massenspektrometer Trace DSQ 06.) Spritze zur Probeninjektion 07.) Violen (Fläschchen) mit Reinigungslösungen; hier auf Positionen A und B 08.) Abfallviole 09.) Zu untersuchende Probeviolen; hier auf Positionen 1 und 2 GC/MS 7 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber Beim Einsatz eines MS kann neben der Erkennung sehr geringer Stoffmengen gleichzeitig Strukturaufklärung betrieben werden. Eine GC/MS-Kopplung vereinigt das Trennvermögen des GC mit der Empfindlichkeit und der Spezifität des MS. Im MS werden die Substanzen zunächst ionisiert; meist durch Elektronenstossionisation. Durch den Zusammenstoss der Elektronen mit den Molekülen wird eine Energie von etwa 30 – 70 eV auf die Moleküle übertragen und es werden primäre positive Ionen (Molekülionen) erzeugt. Diese sind meistens sehr instabil und zerfallen ganz oder teilweise zu kleineren Massenfragmenten. Ein Massenspektrometer ist schematisch folgendermaßen aufgebaut: Probe Einlasssystem Ionenquelle Massenanalysator Detektor Vakuumsystem im Bereich 10-5…10-8 Torr (1 Torr ̂ 1,33 bar) Signalverarbeitung Ausgabe GC/MS 8 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber Transferleitung vom GC zum MS Ionenquelle (hier Elektronenstossionisation) Quadrupol-Massenfilter Detektor (hier ein Faradaybecher) Ziel ist ein Massenspektrum. Dazu werden die Probenbestandteile in den gasförmigen Zustand gebracht und anschließend zu schnellen Ionen umgewandelt. Das Verhältnis Masse / Ladung [Einheit m/z] aufgetragen gegen die Intensität, mit der diese Ionen auftreten, bezeichnet man als Massenspektrum. Es ist zur Analyse qualitativer wie auch quantitativer Art geeignet. Streng genommen ist die Einheit [m/z] physikalisch betrachtet nicht ganz korrekt; jedoch wird hier im Praktikum aufgrund der großen Verbreitung und des besseren Verständnisses des Versuches die Einheit m/z verwendet. GC/MS 9 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber 2.5 Fragen zum Thema Gaschromatografie (Bitte unten und auf Rückseite des vorherigen Blattes beantworten) 1. Warum werden GC/MS-Systeme gekoppelt? 2. Beschreiben Sie stichpunktartig den Aufbau von a. GC b. MS 3. Nennen Sie einige Detektoren. 4. Beschreiben sie die Auftrennung eines Substanzgemisches auf der Säule GC/MS 10 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber 3. Software – „XCalibur“ A C B Durch Öffnen des Programms erscheint die Startseite (siehe Abb.). In der Menüleiste (A) werden sechs „Dropdown-Menüs“ angezeigt. „File“: z.B. durch Anklicken von „Exit“ kann das Programm geschlossen werden. „Actions“: Hier kann der freie Festplattenspeicher kontrolliert werden und eine laufende Analyse gesteuert werden. „View“: Verschiedene Ansichten und Symbolleisten können ausgewählt werden „Tools“: Hier können allgemeine Einstellungen vorgenommen werden, wie z.B. das Festlegen von Speicherorten einzelner Testdurchläufe. GC/MS 11 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber „GoTo“: Gleichbedeutend mit den Schaltflächen, die auf der rechten Bildschirmhälfte angezeigt werden. „Help“: Hier kann Hilfe zum Softwareprogramm in Anspruch genommen werden. Auf der linken Bildschirmhälfte (B) werden zwei Karten angezeigt. „Status“: zeigt den Status der abzurufenden Daten (Run Manager) und der einzelnen Baugruppen (Probengeber, Massenspektrometer und GC) an. „Acquisition Queue“: die Vorgehensweise des GC kann hier verfolgt werden. Die rechte Bildschirmhälfte (C) zeigt sechs verschiedene Schaltflächen an: „Instrument Setup“: hier wird die Analysenmethode der drei unter „Status“ genannten Baugruppen für einen Durchlauf festgelegt. „Sequence Setup“: hier wird vorgegeben, auf welche Daten das Programm für die Analyse zugreifen soll und an welchem Ort das Ergebnis abgespeichert werden soll. ( „Processing Setup“: ist für laufende Prozesskontrollen gedacht; diese Einstellungen werden im Praktikum nicht verwendet.) „Qual Browser“: zeigt nach dem Beenden der Analyse das Chromatogramm an; wahlweise können zusätzlich das Spektrum oder diverse andere Daten der Auswertung angezeigt werden. („Quan Browser“: findet im Praktikum keine Anwendung) „Library Browser“: Die Bibliothek enthält Informationen über mögliche Inhaltsstoffe, die sie mit einem Wahrscheinlichkeitsfaktor (Match) den Inhaltsstoffen der Probelösung zuordnet. Hierbei gibt sie Auskunft über den genauen Namen, Synonyme des Inhaltstoffes, die Summen- und die Strukturformel. GC/MS 12 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber 4. Versuchsdurchführung 4.1 Allgemeine Vorgehensweise im Praktikumsversuch In geschlossenen Räumen entweichen mehr oder weniger viele Schadstoffe aus dem Boden, den Teppichen, den Wänden und den Möbeln und reichern sich in der Raumluft an. Diese können gesundheitsschädlich sein. Das LfU beispielsweise führt des Öfteren Raumluftmessungen durch, wenn der Verdacht auf gesundheitsschädliche Schadstoffkonzentrationen in bestimmten Gebäuden (z.B. Schulen, Ämtern, Krankenhäusern…) besteht. Im Praktikum soll die allgemeine Vorgehensweise einer Raumluftmessung simuliert werden. Zunächst wird ein Raum simuliert, der hier durch den Abzug repräsentiert wird. In diesem Abzug wird ein Lösemittelgemisch erhitzt, damit es schneller in die Gasphase übertritt. Dabei werden die vorhandene Temperatur, der Luftdruck und die Luftfeuchte im „Wohnraum“ gemessen. Während das Lösemittel sich verflüchtigt, wird mit Hilfe eines Aktivkohleröhrchens die Luft im „Wohnraum“ angesaugt. Ansaugdauer und Ansaugvolumen werden vorher festgelegt. Normalerweise wird die Innenraumluft über eine Dauer von mehreren Stunden angesaugt, wobei der Ansaugvolumenstrom [µl/min] viel geringer ist als während dieses Versuchs. Im Praktikum steht jedoch nur begrenzt Zeit zur Verfügung. Durch das Erhitzen des VOC-Gemisches entsteht eine enorme Konzentration an Dämpfen, wobei die einzelnen Substanzen im Abzug die AGW-Werte bei weitem übersteigen. Im Versuch soll also nur die allgemeine Vorgehensweise der Innenraumluftmessung deutlich gemacht werden. Nach dem Ansaugen der Luft versetzt man die Aktivkohle mit Schwefelkohlenstoff (CS2), um die adsorbierten VOC zu extrahieren, also herauszulösen. Für die quantitative Bestimmung einer Substanz setzt man nachträglich eine festgelegte Menge eines Standards zu. Diese Lösung einschließlich Standard gibt man anschließend im GC auf und wertet die angesaugte Konzentration der einzelnen Substanzen anhand von Bibliotheksdiagrammen zunächst qualitativ und dann, in Bezug auf die Peakfläche des Standards, quantitativ aus. Die quantitative Auswertung wird im Versuch nur an Hand einer Substanz durchgeführt, um die Vorgehensweise zu verdeutlichen. GC/MS 13 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber 4.2 Vorbereiten und Ansaugen des unbekannten Lösemittelgemisches (im hinteren Abzug) 13 05 04 03 07 08 06 10 11 09 12 01 Abb.1 / 2: bereitgestellte Geräte und Materialien beim Ansaugvorgang 3 Abb.3: Tastatur des Durchflussmessers 7 12 Abb.4: Tastatur des Ansauggerätes GC/MS 14 von 36 6 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber - Licht im Abzug anschalten (weißer Kippschalter unterhalb des Abzugtisches) - Abzug anschalten (grüner Drehschalter unterhalb des Abzugtisches) - Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit am Registriergerät (13) ablesen und unter 5. notieren - Ansauggerät (09) folgendermaßen einstellen (Worte in Kästchen entsprechen Tasten am Ansauggerät): Batteriezustand prüfen: Gerät anschalten bei on Start/Hold drücken Flow and Battery Check drücken „Batterie ok“ muss im Anzeigenfeld erscheinen „Hold“ blinkt Flow and Battery Check drücken „Hold” blinkt nicht mehr Ansauggerät programmieren: Set-Up drücken, „Set-Up” und „Delayed Start” wird angezeigt, rechte Ziffer blinkt Wartezeit vor Pumpenstart mit 0 min wird angezeigt Mode drücken, „Set-Up“ und „Sample Period“ wird angezeigt; rechte Ziffer blinkt gesamte Probenahmezeit mit 15 min eingeben durch 5x Drücken von Digit Set/Pump run time 1x Drücken von Digit se Select/Total Elapsed Time und 1x Drücken von Digit Set/Pump run time GC/MS 15 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber Mode drücken, „Set-Up“ und „Pump-Period“ wird angezeigt, rechte Ziffer blinkt Laufzeit der Pumpe mit 15 min (wie Probenahmezeit) eingeben durch 5x Drücken von Digit Set/Pump run time 1x drücken von Digit se Select/Total Elapsed Time und 1x drücken von Digit Set/Pump run time mit Mode kann nochmals durchgeblättert werden um Einstellungen zu überprüfen - Die beiden Enden des Aktivkohleröhrchens (01) jeweils in den Spitzenentferner (03) stecken und drehen - Das Röhrchen mit Pfeilrichtung in Ansaugschlauch (04) schieben - Position des Schlauchendes ist voreingestellt - Die Pipette (07) auf 250 µl einstellen - Lösemittelgemisch (08) mit Pipette aufnehmen und in das Becherglas geben - Becherglas auf die Heizplatte stellen - Ansauggerät durch Drücken von Start/Hold anschalten - Die Ansaugpumpe startet: „Sample Running“ wird angezeigt Ansaugvolumen messen: Durchflussmesser (10) durch Drücken von On anschalten auf Read drücken Durchfluss wird angezeigt Den am Durchflussmesser abgelesenen Fluss unter 5.2 notieren - Aufheizgerät (06) mit dem Kippschalter an der linken Seite anschalten - Temperatur durch Drehknopf auf 200°C stellen - Auf Temperatur on/off drücken bis rotes Licht aufleuchtet GC/MS 16 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber - Frontschieber des Abzugs schließen Während des Ansaugvorgangs können die Fragen zum Thema Gaschromatografie unter 2.4 beantwortet werden! - nach dem Ansaugvorgang stoppt die Pumpe, „Sample over“ wird angezeigt - Aktivkohleröhrchen aus dem Schlauch ziehen und mit Verschlussstopfen (11) verschließen - Aufheizgerät (06) durch den Kippschalter an der linken Seite ausschalten - Ansauggerät (09) bei on/off ausschalten - Frontschieber schließen - Licht ausschalten (weißer Kippschalter unterhalb des Abzugtisches) GC/MS 17 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber 4.3 Probe für GC vorbereiten (vorderer Abzug) Sammelschicht hinterer Teil Schnitt ansetzen beiger Keramikfilter Abb.5: Aktivkohleröhrchen Abb.6: Minishaker 07 03 10 04 Abb.9: Greifarm 02 Abb.7: Glasfläschchen 08 06 09 14 Abb.9: Bereitgestellte Geräte und Materialien 05 - Abb.8: Bereitgestellte Substanzen mit Holzstab Probe folgendermaßen mit Schwefelkohlenstoff (CS2) versetzen: Verschlussstopfen entfernen GC/MS 18 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber Aktivkohleröhrchen (01) mit dem Glasschneider (02) an der angezeigten Stelle (siehe Abb.5) rundherum leicht anritzen vorsichtig mit den Fingern aufbrechen nur die Aktivkohle der Sammelschicht (Abb. 5) ist von Bedeutung, deshalb diese nicht verlieren! die Aktivkohle der Sammelschicht durch die, von der abgebrochenen Spitze aus, entstandene Öffnung mit einem Holzstab (14) vorsichtig nach oben durchschieben, dabei erst die weiße Trennschicht abnehmen und dann nur die Aktivkohle vorsichtig in das größere Glasfläschchen (3) füllen; Pipette (04) auf 900µl einstellen CS2 (05) (ohne Luftblasen!) aufnehmen, Aktivkohle zügig damit versetzen, Glasfläschchen schnell verschließen CS2 wieder verschließen - Glasfläschchen in den Minishaker (Abb.6) stecken - 1400 /min mit dem Drehknopf einstellen - bei on anschalten - ca. 2min schütteln lassen (Stoppuhr) - Minishaker (Abb.6) bei off ausschalten - Glasfläschchen herausnehmen, im Greifarm (Abb.9) schräg einspannen und abwarten bis sich der Feststoff sichtbar abgesetzt hat. - überstehende Flüssigkeit mit der 500µl Spritze (06) vorsichtig aufnehmen - keinen Feststoff mit aufziehen! GC/MS 19 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber - aufgenommenes Flüssigkeitsvolumen merken und auf 70 µl einstellen (Papier an die Nadelspitze halten, um überschüssige Substanz aufzusaugen) - Das Verhältnis aufgenommenes Volumen in l ist der Responsefaktor. 70 l Dieser ist unter 5.3 einzusetzen - Diese 70 µl in vorgesehenes Fläschchen (07) füllen, mit Deckel verschließen - Standardlösung (1-Chlorhexan) (08), auf die später Bezug genommen wird, wird folgendermaßen dazugegeben: 3 mal 10%ige 1-Chlorhexanlösung mit der 2µl-Spritze (09) aufnehmen (ca.1,5-2µl) und auf Papier verwerfen (zur Reinigung der Spritze) mit Spritze nochmals aufnehmen und mit Nadel nach oben (Papier an die Spitze halten, um überschüssige Substanz aufzusaugen) auf 1,2µl einstellen. Kanülenspitze in die Flüssigkeit des Fläschchens (07) eintauchen und die Substanz einspritzen Fläschchen verschließen 4.4 GC mit Probe versehen und Analyse starten - Fläschchen (07) in den Probengeber bei Position 1 (Bild siehe Seite 7) platzieren - oberen Teil des Probengebers händisch beiseite drehen - nachprüfen, ob die beiden Reinigungsflüssigkeiten bei Position A (Aceton) und B (n-Hexan) des Probengebers vorhanden sind GC/MS 20 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber - notfalls mit der Pipette und jeweils zwei neuen Pipettenspitzen die Flüssigkeiten (09) aufnehmen und die Fläschchen damit auffüllen - Plastikklappe des Probengebers öffnen und wieder schließen; jetzt stellt er seine Position neu ein - GC folgendermaßen starten (die Einstellungen auf den vorhandenen Screenshots im Programm überprüfen und gegebenenfalls ändern): eingekreiste Schaltfläche drücken: Teilprogramm „Sequence Setup“ mit einem Klick auf die entsprechende Schaltfläche starten: Es erscheint folgendes Fenster: „New Sequence“ (eingekreist) anklicken, ein weiteres Fenster öffnet sich : GC/MS 21 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber 01 02 03 04 05 01.) Unter „Base File Name“ ist der Dateiname anzugeben, unter welchem das Analysenergebnis abgespeichert werden soll; „Praktikumsversuch + die Gruppennummer“ 02.) Der Pfad „Path“, in welchem die oben eingegebene Datei abgespeichert wird; auf „Browse…“ klicken und Pfad auswählen 03.) Hier ist die zuvor erstellte Analysenmethode anzugeben: auf „Browser“ klicken c Xcalibur Praktikanten Methoden Praktikumsversuch und „open“ anklicken 04.) Die Anzahl der Proben sowie die Anzahl ihrer Injektionen angeben. GC/MS 22 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber 05.) Angabe, auf welcher Position sich die jeweilige Viole auf dem Probengeber befindet (von 1…8). 06.) Die übrigen Einstellungen bleiben unverändert; es muss nur noch mit „OK“ bestätigt werden. Den „Run Sequence“ Button in der Menüleiste anklicken: 07 07.) Im letzten sich öffnenden Fenster vor der eigentlichen Analysensequenz können ggfs. noch Korrekturen vorgenommen werden; mit „OK“ bestätigen Nach kurzer Zeit der Vorbereitung des GCs (siehe im unteren Bild unter TRACE GC 2000: „Preparing for Run“) startet das Gerät. Der Fortschritt kann am Gerät selbst (in der Anzeige) mit verfolgt werden: GC/MS 23 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber 08 09 08.) Wenn diese LED grün aufleuchtet, ist der GC bereit zur Injektion. Im unteren Bild bereitet sich der GC gerade auf den Start vor. 09.) Wenn die LED bei „cool“ blau aufleuchtet ist der Analysevorgang des Gerätes beendet und der Ofen wird auf die Starttemperatur runtergekühlt. Sobald der Analysevorgang beendet ist (blaue LED leuchtet auf), kann das Ergebnis angezeigt werden! GC/MS 24 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber 4.5 Ergebnisauswertung - folgende Schaltfläche drücken: - Teilprogramm „Qual Browser“ mit einem Klick auf die entsprechende Schaltfläche starten. - Datei, unter der das Analysenergebnis gespeichert wurde (Praktikumsversuch+Gruppennummer) öffnen. Dafür folgenden Button anklicken: - Datei, falls nicht angezeigt unter folgendem Pfad suchen: c Xcalibur Praktikanten Praktikumsversuch +Gruppennummer - „Open“ anklicken - folgende Einstellungen vornehmen: Daten Diagramme: Unteres Diagramm aktivieren, indem Sie innerhalb des Diagramms in der oberen rechten Ecke so lange auf den Pin drücken, bis er grün aufleuchtet. GC/MS 25 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber Das Chromatogramm zeigt die relative Menge [%] einer Substanz in Abhängigkeit der Zeit [min] an. Die einzelnen spitzen Zacken werden als Peaks bezeichnet. Das Massenspektrum zeigt die jeweilige Menge [%] bei einer bestimmten Retentionszeit in Abhängigkeit von m/z an. - Menüleiste: folgende Buttons aktivieren Diagramm ausdrucken: In der Menüleiste „File“ drücken und „Print“ auswählen folgendes Fenster erscheint: GC/MS 26 von 36 MU8 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber Einstellungen überprüfen, dann mit „OK“ bestätigen folgendes Fenster erscheint: - Einstellungen überprüfen und mit „OK“ bestätigen Substanz qualitativ analysieren: a. Im oberen Diagramm Linksklick auf eine Stelle, bei der eine Zeitangabe innerhalb des zu untersuchenden Peaks vorhanden ist (RT) b. Im unteren Diagramm Rechtsklick „Library“ „Export to Library Browser“ c. Bibliothek öffnet sich, „overwrite“ anklicken d. Bibliothek zeigt links unten im Fenster die Substanzen (01) mit Wahrscheinlichkeiten (Match) an, die sie darin vermutet. Rechts unten (02) Struktur-, Summenformel und Synonyme der Substanz. GC/MS 27 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber 02 01 e. Die Substanznamen im Ausdruck notieren f. Auf den noch geöffneten Qual-Browser (siehe Taskleiste) zurückgehen und Vorgang a-e solange wiederholen, bis alle Peaks untersucht wurden g. Im Qual Browser kann die Fläche der einzelnen Peaks folgendermaßen angezeigt werden: o oberes Diagramm aktivieren o eingekreiste Buttons aktivieren Rechtsklick im oberen Diagramm o „Display Options“ o „Labels“ o bei „Area“ ein Häkchen setzen o mit „OK“ bestätigen GC/MS 28 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber o Fläche der jeweiligen Peaks kann bei AA: … abgelesen werden; deren Verhältnisse sind ein Maß für die Signalstärke der Stoffe und damit der Quantität. Der angegebene Wert hat keine Einheit. o Notieren Sie die Peakfläche des internen Standards („Hexane, 1chloro-„ = 1-Chlorhexan): AStd = o Notieren Sie Name und Peakfläche einer von Ihnen gewählten, gefundenen Substanz, da sie später zur Berechnung der Innenraumluftkonzentration dieser Substanz benötigt wird: GC/MS 29 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber 4.6 Fragen zum Thema Versuchsdurchführung 1) Welche Substanzen sind zur quantitativen Auswertung ungeeignet? 2) Warum ist die Signalstärke der einzelnen Substanzen unterschiedlich? 3) Was könnte man verändern, um die Substanzen sich überlappender Peaks quantitativ auswerten zu können? GC/MS 30 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber 5. Auswertung Daten des Registriergerätes: Temperatur (in °C) Druck (in hPa ̂ mbar ) Luftfeuchte (in %) Um den Schadstoffgehalt in der Raumluft auch quantitativ zu bestimmen, müssen die Substanzen bereits qualitativ bekannt sein. Er wird angegeben in Mikrogramm je Normkubikmeter Raumluft. Den Raumluftgehalt einer geeigneten Substanz ermitteln Sie wie folgt: 5.1 Masse des zugegebenen internen Standards berechnen mISTD in g VISTD ISTD VISTD= Volumen des reinen (Verdünnung!) internen Standards 1-Chlorhexan [µl] ρISTD= Dichte des reinen internen Standards = 877g/l (10 % ρ 1-Chlorhexan = 879 g/l und 90 % ρ Hexan = 659 g/l) 5.2 Normvolumen berechnen: Die Normbedingungen lauten: TN = Normtemperatur = 273,15 K pN = Normdruck = 1013,25 mbar φ = relative Luftfeuchte = 0% Das Barometer des Registriergeräts ist auf eine Ausgangshöhe von 300 m über Normalnull justiert. Der Abzug des Chemielabors der Hochschule befindet sich jedoch auf einer Höhe von ca. 489 m. Aus diesem Grund GC/MS 31 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber müssen Sie zunächst den Absolutdruck über die barometrische Höhenformel berechnen: p300m Grundeinstellung (in mbar)= pN • exp. (-ML•g•h / (R•TN)) = Analog dazu berechnen Sie den Luftdruck in 489 m Höhe: p489m Ortshöhe (in mbar)= pN • exp. (-ML•g•h / (R•TN)) = mit: ML = molare Masse der Luft = 0,028964 kg/mol g = Erdbeschleunigung = 9,81 m/s² h = Höhe (Grundeinstellung bzw. Ortshöhe) R = universelle Gaskonstante = 8,314 J/(K•mol) pKorrekturwert (in mbar)= p300m Grundeinstellung – p489m Ortshöhe = Aus der Differenz (Ortshöhe – Grundeinstellung) ergibt sich ein Korrekturwert, der zum angezeigten Wert addiert werden muss. Somit erhält man einen Absolutdruck p von: p in mbar p Barometer p Korrekturwert Um die mit dem Registriergerät ermittelten Wetterdaten dann auf Normbedingungen zu beziehen, muss der Wassergehalt der Luft ausgerechnet werden. x = Wassergehalt der ungesättigten feuchten Luft [kg/kg trockene Luft] x mW mL Durch Anwendung der thermischen Zustandsgleichungen pL • V = nL • R • T bzw. pW • V = nW • R • T sowie dem Einsatz der molaren Massen ( M GC/MS 32 von 36 m ) von Wasser und Luft n Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber erhält man folgende Gleichung: x M W pW 18,015 g / mol pW pS 0,622 M L pL 28,964 g / mol p pW p pS kg kg trockene Luft φ = relative Luftfeuchte [einheitslos, hier als Dezimalzahl einzusetzen] pS = Sättigungsdruck (in mbar) = (Tabelle siehe Anhang) p = absoluter (korrigierter) Luftdruck (in mbar) pL = Partialdruck der trockenen Luft pW = Partialdruck des Wasserdampfes [Formeln verändert aus: D. Labuhn, O. Romberg, Keine Panik vor Thermodynamik!, Kap. 11, Verlag Vieweg, Wiesbaden 2005 oder G. Reich, HSA-Skript Technische Thermodynamik, Kap. 7-2] Der absolute Luftdruck setzt sich zusammen aus pL und pW, also muss der Partialdruck des Wassers heraus gerechnet werden: pW in mbar x p 0,622 x pL (in mbar)= p – pW = Dann ist das tatsächliche Ansaugvolumen unter Normbedingungen zu berechnen: VA in l t A FA GC/MS 33 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU8 GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber VA = Ansaugvolumen (in l) tA = Ansaugzeit (in min) eingestellter Fluss FA (in l/min) = VN in l p L TN VA pN T VN = Tatsächliches Ansaugvolumen unter Normbedingungen (in l) T = vorhandene Temperatur (in K) pL = vorhandener Druck der trockenen Luft (in mbar) 5.3 Innenraumluftkonzentration einer Komponente Der Gehalt einer Schadstoffkomponente in der Luft (bezogen auf einen Normkubikmeter) berechnet sich folgendermaßen: Ax mISTD RFx 1000 g in m3 AISTD VN mit: Ax = Peakfläche der intensivsten Masse der zu quantifizierenden Verbindung (Daten des PCs: Fläche AA) mISTD = Menge des zugegebenen internen Standards (in µg) RFx = Responsefaktor für die zu quantifizierende Verbindung AISTD = Peakfläche der intensivsten Masse des internen Standards GC/MS 34 von 36 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber VN = tatsächliches Ansaugvolumen unter Normbedingungen (in l) [Formel aus: VOC-Quantifizierung, LfU] GC/MS 35 von 36 MU8 Hochschule Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum GC / MS (SA2) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber 6. Anhang Tabelle: Sättigungsdruck GC/MS 36 von 36 MU8
