ENSTRÜMANTAL ANALİZ-3

Transkript

1 GAZ KROMATOGRAFİSİ ENSTRÜMANTAL ANALİZ Gaz Kromatografisi (GC) Bir karışımda gaz halindeki veya kolaylıkla buharlaştırılabilen (uçucu) bileşenlerin birbirinden ayrılması amacıyla kullanılan kr yöntemidir. Hareketli faz: gaz (azot, helyum, argon) Sabit faz: sıvı veya katı sıvı (partisyon): katı bir destek maddesi üzerine tutturulmuş sıvı (Gaz-sıvı kr-glc) Katı (adsorbsiyon): Gaz-katı kr (GSC): bileşenlerin katı yüzeyde farklı derecelerde adsorblanmaları esasına dayanır Gaz sıvı kr (GLC): hareketli faz gaz, sabit faz ise sıvıdır. Sıvı emdirilmiş dolgu maddeleri bir kolona doldurulur. Bunun içerisinden örnek içeren bir gaz geçirilirse, örnek içerisindeki maddeler gazla sıvı arasındaki dağılmaya (partisyona) bağlı olarak değişik zamanlarda kolonu terk ederler. Çıkış yerinde bulunan dedektörle bazı sinyaller elde edilir. Bu eğri dizisine Kromatogram denir. 3 4 GSC tekniği bir sıvı fazın içinde gazların çözünürlük farkları nedeniyle belli sıcaklıkta ve taşıyıcı gaz akış hızında ayrılmaları esasına dayanır. Gaz haline getirilebilen örnekler GC ile analiz edilebilirler. GC de analiz edilecek örnekler mutlaka uçucu olmalı ve sıcaklığa dayanıklı olmalıdır. Kromatogram Kolondan çıkan bileşenlerin derişimlerinin uygun bir yöntemle ölçülerek zamana karşı çizilen grafiğine kromatogram denir. Kromatogramda her bileşen ayrı bir pik verir GC kolonu maksimum 400 C ye ısıtılarak, ayrılacak maddeler gaz halinde tutularak ayırma gerçekleştirilir

2 Piklerin büyüklüğü bileşenlerin konsantrasyonu ile doğru orantılıdır. Konsantrasyon yüksek ise pikler büyük, düşük ise pikler küçük olur. Gaz kromatografisi yönteminde kantitatif analiz ise kromatogramdaki piklerin altlarında kalan alanların hesaplanmasi ile veya pik yüksekliğinin ölçülmesi ile yapılır. Pik alanının hesaplanması Alan hesaplamada genellikle üçgen metodu kullanılır. Pikin düz çizgiyi kestiği noktalar işaretlenir A: Wb. h/2 = Wh.2 Her pikin alanı o maddenin yüzdesel konsantrasyonunu verir. 7 Wb 8 Alıkonma zamanı (t R ) Maddenin cihaza enjeksiyonundan kromatogramda ilgili pikin maksimumunun görülmesine kadar geçen zaman aralığına o bileşenin alıkonma zamanı (t R ) denir. Kolonun verimliliği: Bir kolon ne kadar dar pikler oluşturabiliyorsa o kadar verimlidir. Dar piklerin oluşması bir bileşiği oluşturan bütün moleküllerin kısa bir zaman aralığında kolonu terk etmesi demektir. Kolonların verimliliği teorik plaka sayısı ile ölçülür Teorik plaka sayısı: kolonun performansının ve etkinliğinin bir ölçüsüdür. Aşağıdaki formülle hesaplanır. N= 5.54(t R /Wh)² Teorik plaka sayısı yüksek olan kolonun verimliliği daha yüksektir N düşük ise kolon verimliliği düşüktür. N: Teorik plaka sayısı t R : alıkonma zamanı Wh: ½ yükseklikteki pik genişliği Kromatogram üzerindeki pikin alanı ve yüksekliği madde konsantrasyonu ile genişliği ise kolonda madde bandının yayılması ile alakalıdır Teorik plaka sayısı pik genişliği ile alınkonma zamanı arasındaki bağıntıyı gösterir

3 Rezolüsyon (R) : Birbirini takip eden iki ayrı birleşenin birbirinden ayrılma oranını gösterir. A ve B piklerinin maksimumları arasında bir farklılık varsa rezolüsyon iyidir. resolüsyon: iki pikin alıkonma zamanları farklarının ortalama pik tabanı genişliğine oranı İki pikin birbirinden uygun şekilde ayrılmış olması için rezolüsyonun en az 1.5 olması gerekir Ayrılan bileşenlerin miktarının kantitatif belirlenmesi Örnekte aranacak her madde için ayrı ayrı standart eğriler hazırlanarak belirlenir. GC nin bölümleri Gaz Kromastografisi (GC) 1) Taşıyıcı gaz 2) Enjeksiyon bloku 3) fırın (kolon) 4 Dedektör 5) kaydedici-integratörbilgisayar ) Taşıyıcı gaz Kural olarak GC de kullanılan gazların kuru ve %99.99 saflıkta olması istenir. Ayrıca inert de olmalıdır. Bu nedenle soy gaz (inert) olan helyum veya azot daha çok kullanılır. Kapiler kolonlarda hidrojen de taşıyıcı gaz olarak kullanılmaktadır. Taşıyıcı gazın kuruluğu kolonun performansına etki eden en önemli faktörlerdendir. Taşıyıcı gazda bulunan eser miktardaki su kolon sabit fazını giderek bozar. Bu durum özellikle polar sıvı fazlarda kendini daha çok gösterir. Bu durumu gidermek için gaz hatlarına filtre takılır Filtre olarak moleküler elek ve silikajel kullanılır. Filtre zaman zaman 100C nin üzerinde içerisinden kuru azot geçirilerek temizlenmelidir (rejenerasyon). Dolgulu kolonlarda ucuz olduğu için azot gazı tercih edilir

4 Taşıyıcı gaz, tüplerinde (silindir, tank) su konsantrasyonu azalan tüp basıncıyla artmaktadır. Bu nedenle tüpteki basınç azalınca taşıyıcı gaz tüpünü kullanmayıp dolusu ile değiştirilmelidir. Oksijen de kolon sabit fazını parçalayan en önemli faktörlerdendir. Bu nedenle özellikle polar bir kolonun ömrünü uzatmak için kolonu ısıtmadan önce kolondan 5 dak süreyle taşıyıcı gaz geçirmek gerekir. Böylece kolon bağlantısı yapılırken kolona nüfuz etmiş olan hava oksijeninin dışarı atılması sağlanır. Kapiler kolonlarda taşıyıcı gazın içerdiği nem ve oksijen çok kısa sürede kolonu çalışılmaz hale getirebilir. Taşıyıcı gazdaki oksijen kolonun alıkonma karakteristiklerini değiştirir. Rezolüsyonu azaltır Gaz tüplerinde basınç regülatörleri bulunması ve GC cihazı üzerinde de basınç kontrol vanaları ve akış hızını kontrol eden vanaların bulunması gerekmektedir. 2) Enjeksiyon bloku ve örneğin kolona verilmesi Sıvı örnekler şırıngalarla, silikon kauçuğundan yapılmış bir septumdan örnek odasına enjekte edilir. Enjeksiyon miktarı genellikle µl arasında değişir. Örnek enjektörle kolon girişine bir hamlede verilir. septum Gazların tüpten çıkış basınçları kolon giriş basınçlarından biraz daha yüksek olmalıdır Gaz örnekler gaz kaçırmayan özel gaz enjektörleriyle veya özel gaz verme musluklarıyla verilir Katı örnekler ise uygun çözücüde çözüldükten sonra sıvı enjektörleriyle cihaza verilir. Örneğin gaz haline dönüşmesi için enjeksiyon blokunun örnekteki bileşenlerin kaynama noktası en yüksek olanın k.n dan genellikle 50 C daha fazla ısıtılması gerekir

5 Enjektör her seferinde septumu delerek geçtiğinden septum zamanla aşınır ve gaz kaçırmaya başlar Bu durumda septum yenilenmelidir. Septum bazen analizi etkileyebilir. GC de her enjeksiyonda kromatogram üzerinde sabit bir yerde görülen pik septumdaki degredasyona uğrayabilen maddelerden kaynaklanabilir. Bunlara GC de hayalet (ghost) pik denir. Böyle pikleri elimine etmek için septumlar önce benzen veya toluen içerisinde bir gece bırakılır, sonra etüvde 80 C de 3 saat ısıtılarak çözücü uçurulur. Böylece degrede olabilecek maddeler septumdan uzaklaştırılmış olur GC de tekrarlanabilir sonuçlar elde etmek için cihaza enjektörle örnek verme işi çok önemlidir. Her örnek enjeksiyonundan sonra enjektör uygun çözücü ile iyice temizlenmelidir. Mikro şırınga (enjektör) Enjektörlerin bakımı analizin duyarlılığına etkili olacağından iyi korunmalıdırlar. Enjektörler kolaylıkla kirlenirler. Zaman zaman bakımının yapılması gerekmektedir. Pistonun hareket ettiği gövde içerisinde zamanla oksidasyon ürünleri birikmesi nedeniyle piston kolaylıkla hareket ettirilemez hale gelir Enjektörün temizlenmesi: Şırınganın gövdesine glasiyel asetik asit doldurulur ve içinde birkaç dakika kalması sağlanır. Paslanmaz çelik piston üzerindeki koyu oksitlenme ürünleri yumuşak bir pamuklu kumaş ile temizlenir. Şırınganın içerisindeki asit piston yerine takılarak boşaltılır. En son çalışılacak çözelti ile temizlenir. Şırınga iğnesi tıkandığında ise aseton yardımı ile açılabilir. Bu işlem şu şekilde uygulanır: piston gövde içerisine tamamen sokulur, şırınga dik tutularak (iğne aşağı gelecek şekilde) pistonla gövdenin birleştiği üst noktaya bir damla aseton damlatılır. Piston yavaşça yukarıya çekildiğinde vakum etkisiyle aseton girecektir. Piston tekrar yerine yerleştirilerek yavaşça aşağıya doğru itilir. Böylece kirlilik atılmış olur

6 Kolon Kolon GC nin kalbidir, en önemli parçasıdır. Çünkü bütün ayırımlar burada gerçekleşir. Kolonlar cam veya metal (paslanmaz çelik) olabilir. Kolon sıcaklığı çok iyi ayarlanabilen (±1 C duyarlıkta) bir fırın içerisine yerleştirilir. Tekrarlanabilir sonuçlar elde etmek için tam bir sıcaklık ve taşıyıcı gaz akış kontrolü gereklidir. Çapları 1/16,1/18 ve 1/4 olabilmektedir. İnert olması bakımından cam kolonlar tercih edilir, ancak kırılganlığı ve cihaza bağlama zorlukları dezavantajıdır Kolonlar iki tiptir GC Cihazında genel olarak 3 bölge ısıtılır: Örneğin cihaza verildiği enjeksiyon bloku Kolonun içinde bulunduğu fırın Dedektör bloku A) Dolgulu kolonlar: m uzunluğunda ve 2-4 mm iç çapında B) Kapiler kolonlar : m uzunluğunda ve mm iç çapında Dolgulu kolonlar Kolon sabit fazı Klon sabit fazını oluşturan maddeler şu özelliklere sahip olmalıdır: Buhar basınçları düşük, kaynama noktaları yüksek olmalı Sıcaklığa dayanıklı olmalı. Çalışılan kolon sıcaklığında parçalanmamalı Ayrılacak bileşenlerle reaksiyona girmemeli, inert olmalı İncelenecek örnek için uygun dağılma katsayısı sağlamalıdır. İncelenecek bileşenlerle polariteleri uygun olmalı. Polar bileşikler için polar tip kolonlari apolar bileşikler için ise apolar tip kolonlar (sabit fazlar) seçilmelidir. Sabit faz, örnek için uygun seçiciliğe sahip olmasının yanında, kimyasal ve ısısal stabiliteye sahip olmalıdır. Her sabit fazın belli bir üst sıcaklık sınırı vardır. Bu sıcaklık sınırının üzerinde çalışılmamalıdır. Kolonun ömrünü uzatmak ve dedektörün çabuk kirlenmesini önlemek için çalışmalar üst sıcaklık sınırının en az C aşağısında olmalıdır

7 Çeşitli sabit fazlar: Kolon destek maddesi Porapak: bir destek faz ile sabit fazın bütün özelliklerinin ikisine de sahiptir. Gözenekli porapak taneleri sert yapıdadır. P, Q,R,S, T ve N tipleri vardır. P ve Q tipleri apolar, R, S, T ve N tipleri polar karakterlidir. Küçük moleküllü bileşiklerin ayrılmasında başarılıdır. Porapak T 200 C, diğerleri ise 250 C ye dayanıklıdır. Silikon fazlar: Gaz Kr. de yaygın olarak kullanılırlar. Mükemmel ayırma özelliklerine sahiptirler. Çok sayıda bileşiğin ayrılmasında kullanılabilirler. 300 C nin üzerinde sıcaklığa dayanıklıdırlar. Ancak asidik örneklerden etkilenirler Kolon destek maddesi şu özelliklere sahip olmalıdır: Geniş bir yüzey alanına sahip olmalı Homojen olmalı Mekanik olarak kuvvetli dirence sahip olmalı. Kolona doldurma sırasında parçalanmamalı Ayrılacak bileşenlere karşı inert olmalı, onlarla reaksiyona girmemeli ve onları adsorblamamalı Destek maddesinin kullanılış amacı: paketlenmiş bir kolonda sabit sıvı fazın, üzerine kaplanabileceği inert bir yüzey sağlamasıdır. Bu amaçla kullanılan maddeler: diatome toprağı (celite, kieselguhr-sularda yaşayan alglerin silis kabuklarından oluşur) Gözenekli polimerler (chromosorb 100 serisi, porapak serisi) Toz teflon Alüminyom oksit, Yüzeyi pürüzlendirilmiş mikro cam partiküller Kolonda ayırma Gaz-sıvı GC tekniği (partisyon) bir sabit fazın içerisinde gazların çözünürlük farkları yardımıyla belirli sıcaklıkta ve taşıyıcı gaz akışı altında ayrılması esasına dayanır. Apolar bileşikler kolonda kaynama noktaları farklılığına göre ayrılır. Polar tip kolonlarda sabit fazda çözünürlüğü yüksek bileşenler kolonda daha çok tutulduğundan kolonu geç terk ederler, yani alıkonma süreleri uzundur. Sabit fazda çözünürlüğü düşük bileşenler ise kolonu daha önce terk ederler. Böylece kolonda ayrılma gerçekleşmiş olur Kolonun şartlanması Adsorbsiyon GC ise, kolondaki katı destek maddesi tarafından örnek bileşenlerinin adsorbsiyon farklarına göre ayrılmalarına dayanır. Kolonun kullanılmadan önce üst sıcaklık sınırında gaz akışı altında şartlanması gerekir. Böylece kirlilikler uzaklaştırılmış olur, sabit faz destek fazı üzerinde ince bir film halinde yayılmış olur. Şartlama işlemi Kolon cihaza yerleştirilir, dedektörle bağlantısı yapılmaz ml/dak taşıyıcı gaz akış hızında kolon üst sıcaklık sınırı düzeyine sıcaklık programlaması yapılarak ısıtılır

8 2-Kapiler kolonlar Sıcaklık 50 C den başlanarak dakikada 2-4 C arttırılır. Üst sıcaklık sınırında saat tutulur. Şartlanma işlemi iyi yapılmamışsa kolondan iyi sonuç alınmaz GC de dolgulu kolonlar hem kalitatif hem de teşhis gerekse kantitatif tayin için kullanılmaktadır. Ancak dolgulu kolonların bazı dezavantajları bulunmaktadır Örn. Dolgulu kolonlarda kolon boyu uzatılarak daha iyi bir ayırma sağlanabilir. Ancak kolonun boyunu uzatmak kolondan geçen gazın basıncı nedeniyle sınırlıdır. Kolon boyu uzadıkça kolondan geçen taşıyıcı gazın basıncı aşırı derecede yükselecektir Bu nedenle dolgulu kolona alternatif olarak kapiler kolonlar bulunmuştur ( Golay, 1956). Kapiler kolonda sabit faz kolon iç yüzeyine ince bir film tabakası halinde kaplanmıştır (dolgu maddesi yoktur). Kolonun iç merkezi açık olup taşıyıcı gaz rahatlıkla geçmektedir. Bu şekilde kolonun etkinliğini arttırmak için kolunun boyu istenildiği kadar uzatılabilmektedir. Kapiler kolonlarda cam veya metalden yapılmaktadır. Kapiler kolonlarda dolgulu kolonlarda olduğu gibi şartlandırıldıktan sonra kullanılmalıdır