Gaschromatographie

Physikalisch-analytisches Praktikum
FS 2009
Versuch GC
Gaschromatographie
Version 1, Gruppe M 14
Jorge Ferreiro, Studiengang Chemieingenieur, 4. Semester,
[email protected]
Natalja Früh, Studiengang Interdisziplinäre Naturwissenschaften, 4. Semester
[email protected]
Arman Nilforoushan, Studiengang Chemieingenieur, 4. Semester
[email protected]
Assistent: Stefan Schmid
Abstract:
In diesem Versuch wurde man in die Methode der Gaschromatographie eingeführt. Zuerst
wurden zwei verschiedene Alkan-Mischungen mit unterschiedlichen Geräteparameter und
Injektionstechniken gemessen. Anschliessend wurde mit Hilfe einer Kalibrierung der
Ethanolgehalt in zwei Whiskysorten gemessen. Man errechnete einen Ethanolgehalt von
44.2 ± 6.0% für Jack Daniel‘s und 50.9 ± 7.0% für Jim Beam. Beide Werte weichen vom
angegebenen Wert von 40% bzw. 44% ab.
Zürich, 22. Mai 2009
Jorge Ferreiro
Natalja Früh
Arman Nilforoushan
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Versuch GC
1. Theoretische Einführung
Bei der Gaschromatographie (GC) handelt es sich um eine Methode, welche die Trennung
von Gemischen flüchtiger Komponenten erlaubt. Im Vergleich zur HPLC (high performance
liquid chromatographie) ist die Trennleistung deutlich geringer; da man aber längere Säulen
verwendet ist die Trennleistung der GC grösser. Wie alle chromatographischen Methoden,
braucht es in der GC eine stationäre und eine mobile Phase.
Als stationäre Phasen werden oft adsorbierende oder absorbierende Flüssigkeiten
eingesetzt, wobei dabei zwischen verschiedenen Säulearten unterschieden wird: gepackte
Säulen adsorbieren den Analyten mittels eines inerten Trägermaterials, der auf der
stationären Phase enthalten ist; Kapillarsäulen bestehen aus langen dünnen Quarz- bzw.
Glasröhren. Letztere werden nochmals unterteilt, und zwar in Dünnschichtkapillarsäulen, in
welcher das Trägermaterial der stationären Phase auf der Rohrinnenwand als dünne Schicht
aufgetragen ist (Adsorption) und in Dünnfilmkapillarsäulen, in welcher die stationäre Phase
als dünner Flüssigkeitsfilm auf die Kapillarwand aufgetragen wird (Absorption).
Die mobile Phase wird aus eine Trägergas (H2, He oder N2) gebildet. Ein gutes Trägergas
weisst bei einer hohen Strömungsgeschwindigkeit Minimum für die Bodenhöhe HEPT (height
equivalent to a theoretical plate) auf. Die Eddy-Diffusion spielt bei Kapillarröhren keine Rolle.
𝐻 =𝐴+
𝐵
𝑢
+ 𝐶∙𝑢
(1)
Die Effizienz einer Säule nimmt mit kleiner Bodenhöhe zu. Ein Boden bezeichnet in der
Chromatographie allgemein den Ort, wo je eine Trennung abläuft, d.h. wo sich das Teilchen
zwischen der stationären und mobilen Phase im Gleichgewicht befindet.
𝐻=
𝐿
𝐻
(2)
Der Gaschromatograph besteht im Wesentlichen aus vier Hauptteilen: Ofen, Injektor,
Detektor und der Säule. Es gibt prinzipiell zwei Arten von Injektoren: on column injetor und
split injector. Beim on column injetor wird die Probe (etwa 3 μl) direkt in die Säule
eingespritzt; beim split injector spritzt man die Probe durch ein Septum in einen
Verdampfungsraum, in welchem die Probe verdampft wird und durch das Trägergas in die
Säule transportier wird. Die Menge kann hier elektronisch geregelt werden.
Um die Substanzen dann anschliessend zu identifizieren, braucht es einen Detektor. Im
vorliegenden Fall wurde ein FID (flame ioniziation detector) benutzt. Die zu detektierende
Substanz wird dabei in einer Diffusionsflamme verbrannt, wobei durch Abregung
vibratorischer Molekülzustände Ionen entstehen, welche anschliessend in einem
elektrischen Feld beschleunigt werden. Gemessen wird der resultierende Strom. Der grosse
Vorteil des FID gegenüber anderer Detektoren ist seine hohe Empfindlichkeit. Ein grosser
Nachteil ist, dass nur organische Substanzen gemessen werden können.
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Die Identifizierung der Substanzen aus dem Gemisch erfolgt durch die Messung der
Retentionszeit. Im vorliegenden Fall werden Alkangemische untersucht, so dass die
stationäre Phase apolar ist. Je apolarer die Komponente des Gemisches ist, umso kleiner ist
seine Retentionszeit. Weil jeder Stoff eine andere Retentionszeit aufweist und die
chromatographische Auftrennung von verschiedenen Parametern abhängt, benutzt man
einen Retentionsindex. Diesen kann mit Datenbanken abgleichen, welche bei diesen
bestimmten Parametern gemessen haben. Für unverzweigte Alkane wurden die
Retentionsindizes so festgesetzt, dass die Anzahl Kohlenstoffatome mit 100 multipliziert
wurde. Der Retetionsindex Ix für die isotherme GC ist definiert als:
𝑙𝑜𝑔𝑡𝑥 − 𝑙𝑜𝑔𝑡𝑛
𝐼𝑥 = 100 ∙ 𝑛 + 100 ∙ 𝑙𝑜𝑔𝑡
𝑛+1 − 𝑙𝑜𝑔𝑡𝑛
(3)
Für die nicht-isotherme GC rechnet man den Retentionsindex wie folgt aus:
𝐼𝑥 = 100 ∙ 𝑛 +
Formelzeichen
A
B
C
Ix
HEPT
L
N
u
100∙(𝑡𝑥 −𝑡𝑛 )
(𝑡𝑛+1 −𝑡𝑛 )
(4)
Bedeutung
Eddy-Diffusion
longitudinale Diffusion
Massenübergang
Retentionsindex
Bodenhöhe
Länge der Säule
Anzahl Trennstufen
Geschwindigkeit der mobilen Phase
Tab. 1: Verwendete Formelzeichen und deren Bedeutung
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2. Experimenteller Teil
2.1. Apparativer Aufbau
Im vorliegenden Fall wurde eine Dünnfilmkapillarsäule (Durchmesser 0.32 mm, Filmdicke
0.25 μm) des Typs SE 54 (DB8) mit einer Länge L von 30 m verwendet. Als Trägergas wurde
Helium verwendet und als Detektor ein FID (Arbeitstemperatur 290°C). Weil das FID mit H2
und Luft gezündet wird, hat man einen H2-Sensor, welcher allfällig hohe H2-Konzentrationen
anzeigt und somit für die nötige Sicherheit sorgt. Es wurde an zwei Geräten gearbeitet: einer
ausgestattet mit einem on column Injektor; der andere mit einem split Injektor.
2.2. Verwendete Chemikalien
Stoff
C10-C15 Gemisch/ C10-C23 Gemisch1
Butanol
Hexan
R-Sätze
10-22-37/38-4167
11-38-48/20-6265-67-51/53
S-Sätze
7/9-13-26-37/3946
9-16-29-3336/37-61-62
Tab.2: Verwendete Chemikalien [2]
2.3. Einspritztechniken
Die Einführung der Probe in die Säule ist ein wichtiger Teil des analytischen Verfahrens. Weil
der on column Injektor und der split Injektor sich in der Einführung des Analyten in die Säule
unterscheiden, lassen sich nicht dieselben Einspritztechniken anwenden. Für den on column
Injektor wird nur eine Technik verwendet: die on column technique. Dabei wird die spezielle
μl Spritze bis knapp vor das Ventil eingeführt; dieses geöffnet und der Analyt wird direkt in
die Säule eingespritzt.
Bei split Injektor unterscheidet man zwischen drei verschiedenen Techniken:
 filled needle technique: Die Probelösung befindet sich nur in der Nadel der Spritze.
Man steckt die Nadel in das Septum und die Probe verdampft sofort. Das
Kanülenvolumen wird einberechnet.
 hot needle technique: Man zieht ein gewünschtes Volumen Probelösung auf und
zieht anschliessend Luft herein. Nach dem Einführen der Nadel ins Septum wartet
man drei Sekunden, bevor die Probe eingespritzt wird.
 solvent flush technique: Man zieht zuerst Lösungsmittel auf, anschliessend Luft.
Danach zeiht man die Probe auf und zuletzt wieder Luft. Die Probe wird dann in das
Septum eingeführt und eingespritzt.
1
Es handelt sich um ein Gemisch, so dass keine genauen R- und S-Sätze angegeben werden können. Alkane sind
im Allgemeinen nur bei Verbrennungsreaktionen und bei längerer Exposition gefährlich.
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2.4. Vergleich der Injektionstechniken
Ein C10-C23-Gemisch von n-Alkanen gelöst in Hexan (1:5000) wurde mit den vier
verschiedenen Injektionstechniken auf den zwei Säulenarten untersucht. Die Injektion
erfolgte bei 80°C. Anschliessend wurde sofort mit einem Gradienten von 20°C/min
aufgeheizt bis 240°C, bis das letzte Alkan eluiert worden war.
Einspritztechnik
on column technique
filled needle technique
hot needle technique
solvent flush technique
Einspritzvolumen [μl]
0.5
3-4
5
1 (Hexan), 1 (Luft), 5 (Analyt)
Tab. 3: Einspritzvolumina bei den verschiedenen Einspritztechniken
2.5. Isothermer GC-Lauf und Retentionsindex von 1-Dekanol
Das C10-C15-Gemisch von n-Alkanen mit 1-Dekanol versetzt wurde mittels der hot needle
technique in den split Injektor eingespritzt (5 μl). Die Probe wurde bei 100°C eingespritzt.
Anschliessend wurde sofort mit drei verschiedenen Gradienten (5°C/min, 10°C/min,
15°C/min) bis 240°C aufgeheizt. Die Messung wurde ebenfalls einmal am on column Injektor
gemessen, und zwar mit einem Temperaturgradienten von 10°C/min. Das Einspritzvolumen
betrug 0.5 μl. Es wurde anschliessend der Retentionsindex für 1-Dekanol gemessen.
2.6. Isothermer GC-Lauf
Auf dem on column Injektor wurde das gleiche Gemisch wie in 2.5. untersucht, und zwar
wurden drei Messungen bei konstanten Temperaturen (160°C, 140°C, 120°C) durchgeführt.
Dabei wurde folgende Beziehung verifiziert:
log(𝑉𝑅 ) ∝
1
𝑇
(5)
Daraus lässt sich das Retentionsvolumen berechnen:
𝑉𝑅 =
𝐿𝑐𝑜𝑙
𝑡0
∙ 𝑡𝑟 ∙ 2 ∙ 𝜋 ∙ 𝑅𝑐𝑜𝑙
(6)
Wobei Lcol die Länge der Säule und Rcol dessen Durchmesser ist.
2.7. Bestimmung von Ethanol in Jack Daniel’s und Jim Beam
Mittels split Injektor und hot needle technique wurde der Ethanol in den beiden WhiskeySorten Jack Daniel’s und Jim Beam ermittelt. Dazu wurde zuerst eine Kalibration
durchgeführt mit drei verschiedenen Ethanolstammlösungen (30%, 40% und 50%). Es
wurden jeweils 100 μl Stammlösung in Wasser (50 ml Messkolben) gelöst, das im GC
unsichtbar ist. Das Einspritzvolumen betrug auch hier 5 μl. Die Messungen wurden isotherm
(T = 90°C) durchgeführt. In alle Stammlösungen wurde jeweils 50 μl Butanol als interner
Standard hinzugegeben.
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3. Resultate
3.1. Vergleich der Injektionstechniken
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Retentionszeit [min]
18
16
14
hot needle
12
on column
10
solvent flush
8
filled needle
6
4
2
0
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Anzahl C-Atome
Abb. 1: Retentionszeiten in Minuten aufgetragen gegen die Anzahl der C-Atome. Man erkennt deutlich, dass die
Retentionszeiten für für höhere Alkane fast linear ansteigen; unabhängig der Einspritztechnik.
1600
1400
Peakintegrale
1200
hot needle
1000
on column
800
solvent flush
600
filled needle
400
200
0
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Anzahl C-Atome
Abb. 2: Peakintegrale aufgetragen gegen die Anzahl C-Atome. Man erkennt hier, dass die Integrale für die on
colum Technik sehr stark schwanken, weil dort das Einspritzvolumen nicht elektronisch geregelt werden kann.
3.2. Isothermer GC-Lauf und Retentionsindex von 1-Dekanol
Gradient [°C/min]
5, split
10, split
15, split
10, on column
Retentionszeit
[min]
8.04
6.76
5.55
6.7
Retentionsindex
1273
1273
1273
1275
Literaturwert [3]
1247
Tab. 3: Resultate für isothermen GC-Lauf. In der Tabelle sind dargestellt die verschiedenen Retentionszeiten für
1-Dekanol bei verschiedenen Gradienten. Die Retentionsindices wurden gemäss () berechnet.
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3.3. Isothermer GC-Lauf
0
0.002543558
0.002420428
0.002308669
-1
n-Undecan
log(Vr)
-2
n-Dodekan
n-Tridecan
-3
n-Tetradecan
n-Pentadecan
-4
n-Dekan
-5
-6
1/T [1/K]
Abb. 3: logarithmisches Retentionsvolumen aufgetragen gegen reziproke Temperatur. Man erkennt den
Zusammenhang aus (), da mit zunehmender Temperatur die Retentionsvolumina kleiner werden.
3.4. Bestimmung von Ethanol in Jack Daniel’s und Jim Beam
Whiskey
Jack Daniel’s
Jim Beam
berechneter Ethanolgehalt [Vol%]
44.2 ± 6.0
50.9 ± 7.0
Angabe auf Etikette [Vol%]
40
44
Tab. 4: Berechneter Ethanolgehalt in den beiden Whiskeysorten verglichen mit den entsprechenden Angaben
auf den Etiketten.
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4. Diskussion
4.1. Vergleich der Injektionstechniken
Die Retentionszeit nimmt mit der Anzahl der C-Atome im Molekül bei allen vier
Injektionstechniken zu. Die Retentionszeit ist daher nicht volumenabhängig und wird für
jede Technik etwa gleich gross sein.
Das Integral sollte proportional zur Anzahl C-Atome sein und deshalb erwarten wir eine
Gerade (unter Voraussetzung, dass alle Komponenten der Mischung in gleichen Mengen
vorhanden waren), welche die Beziehung zwischen C-Atomen und Integralen beschreibt.
Experimentell haben wir keinen linearen Zusammenhang entdeckt. Es wird vermutet, dass
einige Komponenten in grösseren menge vorhanden waren als andere. Für die höheren
Alkane könnte ihre tiefe Fugazität ein Grund für die relativ tiefen Integrale sein.
Die on column Injektionstechnik zeigte in den Resultaten die grössten Integralunterschiede.
Der Grund dafür ist, dass man das Volumen nur von Augen „regulieren“ kann, wenn man die
Flüssigkeit mit der Spritze aufzieht. Dies macht es unmöglich immer dieselbe konstante
Menge in die Säule einzuspritzen, so dass die Integrale sich extrem unterscheiden. Die
anderen drei Injektionstechniken unterscheiden sich in den Integralen kaum, da dort das
Einspritzvolumen durch den split Injektor geregelt wird. Die hot needle Technik ist von
diesen drei die einfachste und eignet sich somit, um die weiteren Experimente
durchzuführen.
4.2. Isothermer GC-Lauf und Retentionsindex von 1-Dekanol
Man hat für alle drei Messungen am split Injekotr denselben Wert erhalten, d.h. der
Retentionsindex eines Stoffes unabhängig des gewählten Gradienten konstant. Beim on
column Injektor liegt der Wert leicht höher, was auf das nicht konstante Einspritzvolumen
deuten könnte. Alle vier Werte liegen nahe dem Literaturwert.
4.3. Isothermer GC-Lauf
Die Abhängigkeit zwischen dem Retentionsvolumen und der Temperatur wurde verifiziert.
4.4. Bestimmung von Ethanol in Jack Daniel’s und Jim Beam
Die berechneten Ethanolkonzentrationen liegen leicht höher als die Werte, die auf den
Flaschen angegeben sind; statistisch gesehen liegen sie aber noch im Vertrauensintervall. Da
man für die Bestimmung der Flächen einen Referenzpeak wählen muss, sollte man die
Resultate nicht als präzise einstufen. Wichtig ist, dass man keine Verunreinigungen (wie z.B.
das giftige Methanol) gefunden hat.
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5. Literaturverzeichnis
[1]
Praktikum Physikalische und Analytische Chemie, Anleitung Gaschromatographie,
Frühlingssemester 2009
[2]
Fluka Katalog, 2007/2008
[3]
Haken, J.K.; Korhonen, I.O.O.; Journal of Chromatography, 1985, 319, 131-142
6. Anhang
6.1. Chromatogramme
6.2. Tabellen
6.3. Berechnungen
6.4. Laborjournal
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