Beispielmessung

In diesem Teil soll anhand eines ausführlichen Beispiels die Handhabung und der Umgang mit dem Chromatographen veranschaulicht werden. Nach Hinweisen zur Benutzung der Software werden die Grundlagen der Probenaufgabe erläutert, anschließend werden die Abläufe bei der Analyse eines Kohlenwasserstoffgemischs und der Auswertung einer Messung exemplarisch behandelt.

# Hinweise zur Software

Die einzelnen Beispiele können Sie mit der CGA21-Software nachvollziehen, und zwar nicht nur am Gerät selbst, sondern mit einer Simulationssoftware, die Sie auf jedem Windows PC ausführen können. Messungen aufnehmen können Sie am PC natürlich nicht, aber die Auswertung sowie die einzelnen Schritte bis zum Start einer Messung lassen sich aufzeigen und zum Beispiel im Lehrsaal in der Projektion demonstrieren. Der mit Ihrem Gas-Chromatographen CGA21 gelieferte USB-Stick enthält die Systemsoftware des Geräts in einer portablen Form, die es erlaubt, die Auswertesoftware auf jedem Windows–PC zu betreiben – ohne Installation. Die Software läuft auf gängigen PCs mit Windows® XP/Vista/7

Zum Starten des Programms gehen Sie so vor:

· Stecken Sie den Stick in eine USB Buchse Ihres PCs.

· Öffnen Sie den Explorer (z. B. mit Rechtsklick auf die Windows Start–Taste und Auswahl „Explorer“) Sollte Ihnen die Autorun-Funktion in die Quere kommen, beenden Sie diese.

· Suchen Sie den USB-Stick und öffnen Sie den Ordner _CGA21 (siehe Abb.)

· Starten Sie die ausführbare Datei gc.exe mit Doppelklick. Eine eventuelle Sicherheits-Rückfrage des Betriebssystems beantworten Sie sinngemäß mit „zulassen“.

Nach dem Starten des Programms wird selbsttätig eine GC-Messung geladen, mit der Sie sofort zur Bedienung des Programms schreiten können. Die Software darf an Mitarbeiter, Studenten und Schüler Ihrer Einrichtung zur Benutzung weiter gegeben werden.

Die Software befindet sich im Beta Stadium. Bitte helfen Sie mit, das Programm zu verbessern und senden Sie Fehlerberichte direkt an frank.beer@s-lg.de

# Hinweise zur Injektion

Die Probenaufgabe ist der einzige Schritt in der Bedienung eines Chromatographen, der ein gewisses Maß an Übung und Fingerfertigkeit erfordert, um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten.

Spritze aufziehen: Beim Aufziehen der Spritze schieben Sie den Kolben bis zum Anschlag ein, tauchen die Nadel in die Flüssigkeit und ziehen dann den Kolben langsam weit über das einzustellende Volumen hinaus hoch. Nun betrachten Sie die aufgezogene Flüssigkeitssäule. Ist sie weitgehend blasenfrei – sehr kleine Luftblasen in der Größenordnung 0,01µl lassen sich praktisch nicht vermeiden – so schieben sie den Kolben zur Spitze hin, bis das gewünschte Volumen eingestellt ist. Eventuell vorhandene Luftblasen können Sie dabei anrechnen.

Beispiel: Sie haben eine Luftblase von ca 0,1µl in der Flüssigkeitssäule, das gewünschte Volumen sei 1µl, folglich wird der Kolben auf das Volumen 1,1µl eingestellt. Enthält die aufgezogene Flüssigkeit zu viel Luft, dann stoßen Sie den Kolben mehrmals schnell – jedoch nicht zu schnell, die Geschwindigkeit ist Gefühlssache – bis zum Anschlag in die Spritze, ziehen jedesmal langsam wieder auf und betrachten die Flüssigkeit. Erscheint Ihnen die Luftmenge klein genug, so verfahren Sie wie oben und justieren das Probenvolumen unter Anrechnung der Luftmenge.

Abb. 11: Einführen der Nadel in den Injektor

Injektion: Hier müssen zwei sich widersprechende Forderungen gegeneinander abgewogen werden. Zum einen sollte die Injektion schnell gehen, denn es ist einleuchtend, dass sich die dünne Spritzennadel im heißen Injektor sehr schnell erwärmt. Wenn Ihre Probe in der Nadel siedet, tritt ein Teil der Substanz vorzeitig aus der Nadel aus. In der Folge erhalten Sie verbreiterte, deformierte oder gar verdoppelte Peaks. Zum anderen müssen Sie mit der relativ dünnen Nadel das Septum des Injektors durchstechen, was eine bestimmte Kraft und entsprechende Sorgfalt im Umgang mit der empfindlichen Spritze erfordert. Wenn die Spritze dabei nur am Glaskörper gefasst wird, weicht die Nadel zur Seite aus und knickt ab. Fassen Sie daher die Spritze mit der einen Hand am Glaskörper und führen mit Daumen und Zeigefinger der anderen Hand die Spritzennadel. Sobald die Nadel bis zum Anschlag eingeführt ist, drücken Sie den Kolben schnell herunter und ziehen die Spritze sofort wieder heraus. Diesen Ablauf sollten Sie so mit dem Countdown des Chromatographen abstimmen, dass bei Erreichen der Null gerade der Spritzenkolben niedergedrückt wird. (Näheres zum Ablauf beim Start einer neuen Messung finden Sie unter Punkt 2.3)

# Beispiel FID-Ge rät: Benzol in Superbenzin

Anmerkung: Die Diskussion um das giftige Benzol im Superbenzin ist heute überwunden. Überdies ist die Verwendung von Benzol im Schullabor nicht mehr gestattet. Benutzen Sie andere Inhaltsstoffe, wenn Sie die hier dargestellten Bestimmungen im Lehrbetrieb nachvollziehen möchten. Als solche bieten sich an: Alkane, Toluol, Ethanol im E10-Super usw.

# Identifizierung eines Stoffes in einem Chromatogramm

Die Untersuchung von Mineralölprodukten ist eine wichtige Domäne der Gaschromatographie, da diese komplexen Stoffgemische mit keiner anderen Untersuchungsmethode so elegant zu analysieren sind. In diesem Beispiel soll der Benzolgehalt in Superbenzin bestimmt werden, das im Ottokraftstoff in wechselnden Mengen in der Größenordnung von einigen Prozent enthalten ist. Markierung Fussnote

Abb. 12: Chromatogramm von Superbenzin

Die Abbildung zeigt das Chromatogramm von Superkraftstoff. Einer der hier sichtbaren Peaks stammt vom Benzol, aber welcher? Dateiname: Aral_Benzol.gcx

Eine Möglichkeit, diese Frage zu entscheiden, besteht darin, der Probe des zu analysierenden Gemischs eine gewisse Menge des Stoffes zuzusetzen, der gesucht wird, in unserem Falle also Benzol. Die Menge des zugesetzten Stoffes sollte in der Grössenordnung liegen, in der Sie den Stoff in der Analysenprobe vermuten. In unserem Beispiel wurde dem Superbenzin 10 Volumen-% Benzol zugesetzt. Diese Probe wird mit denselben Messparametern chromatographiert, wie die Originalprobe. Auch Gasdruck und Splitverhältnis sollten gleich sein. Beide Chromatogramme werden nun verglichen. Dazu betätigen Sie zunächst die Schaltfläche „Messungen vergleichen“. Über die Schaltfläche „Ref. Öffnen“ laden Sie sodann die Messung des Superbenzins mit dem Benzolzusatz. Dateiname: Aral_Benzol_Zusatz.gcx

Abb. 13: Vergleich von Superbenzin (unten) und Superbenzin mit Benzolzusatz (oben)

Nun gilt es, die beiden Chromatogramme geeignet zu skalieren und sodann einer eingehenden Sichtprüfung zu unterziehen. Sollte die Analysensubstanz Benzol enthalten, dann muss es im Vergleichschromatogramm einen Peak geben, der auch im Original vorhanden, dort aber im Vergleich zu den übrigen Peaks deutlich kleiner ist. Der Einfachheit halber wurden die Peaks hier bereits markiert. Um Ihre Fähigkeit zur Mustererkennung zu testen, verwenden Sie jedoch besser die unmarkierten Dateiversionen, die ebenfalls im Verzeichnis „_GC_Mes“ enthalten sind. In der Ausschnittsvergrößerung sieht die Sache doch recht ordentlich aus, so dass wir der Annahme, es handle sich bei Peak 1 um Benzol, eine (mäßig) hohe Wahrscheinlichkeit zubilligen können. Will man zu dem gelangen, was umgangssprachlich mit „Gewissheit“ bezeichnet wird, so sind weitere Methoden nötig, zum Beispiel die massenspektrometrische Analyse einzelner Peaks (GC/MS), in der professionellen Analytik Stand der Technik, im Ausbildungsbetrieb eher die Ausnahme.

Abb. 14: Ausschnitt aus Abb.. 13

Quantitative Bestimmung:

Der nächste Schritt ist nun die Ermittlung des Benzolgehalts in der untersuchten Probe. Zwei Wege zu diesem Ziel sollen hier beschrieben werden:

1. Vergleich Einzelpeak/Gesamtfläche: Abschätzung des Gehalts durch Vergleich der Peakfläche des Benzols mit der Gasamtfläche aller Peaks

2. Vergleich mit Referenzmessung: Bestimmung der Absolutmasse durch Peak-Vergleich mit einer Referenzsubstanz

Vergleich Einzelpeak/Gesamtfläche

Dieses einfache und schnelle Verfahren erlaubt nur eine grobe Gehaltsabschätzung. Die Vorgehensweise: (siehe Abb. 13)

· Das gesamte Chromatogramm wird markiert.

· Der Peak, dessen Anteil an der Gesamtmenge bestimmt werden soll, wird durch zweimalige Teilung so zerlegt, dass der zu ermittelnde Peak „freigestellt“ ist. In der Abbildung ist er gelb gezeichnet. Zur Teilung von Peaks siehe Kapitel 2.4

· In der Peakliste tauchen nun drei Peaks auf: Einer vor dem gesuchten Stoff, dann der gesuchte Stoff selbst, hier Benzol, danach alle Stoffe, die nach Benzol eluiert werden. Die %-Gehalte an der Summe der markierten Peaks lassen sich direkt ablesen, hier mit einem Wert von 2,7% durchaus plausibel.

Obwohl für eine orientierende Abschätzung oftmals brauchbar, ist dieses Verfahren mit gravierenden Mängeln behaftet. Der wichtigste: die Empfindlichkeit eines Detektors ist von der Stoffart abhängig.

Bestimmung der Absolutmasse durch Vergleich mit einer Referenzsubstanz

Für diese klassische quantitative Bestimmung benötigt man eine weitere Messung mit einer Standardlösung, in der Benzol in einer bekannten Konzentration enthalten ist. Es ist empfehlenswert, bei der Herstellung eine Konzentration zu wählen, die in etwa der zu erwartenden Konzentration entspricht, hier also ca. 3-4%. Zum Nachvollziehen der Beispiele benutzen Sie die Datei: Heptan_Benzol_mark_quant.gcx

Zur Herstellung einer Vergleichslösung wird ein kleiner Messkolben ungefähr zur Hälfte mit Lösungsmittel, etwa n-Heptan gefüllt, verschlossen und ausgewogen, eine grob geschätzte Menge an Benzol unter dem Abzug hinzupipettiert, verschlossen und erneut gewogen. Nach dem Auffüllen mit Lösungsmittel auf das Nennvolumen ist die Konzentration in [mg/ml] bekannt. Sie ist natürlich betragsgleich mit der Konzentration in [µg/µl]. Chromatographieren Sie die Vergleichslösung mit denselben Messparametern, die Sie bei der Hauptmessung eingestellt hatten, und markieren Sie den Benzolpeak (siehe oben)

Abb. 16: Referenzmessung Benzol in Heptan, Eintragen der Peakmasse

Wenn Sie in den Benzolpeak klicken, erscheinen dessen Peakdaten in der ersten Zeile der Peakliste. Ein Doppelklick in die Zelle der Spalte „Masse [µg]“ öffnet das Eingabefeld für die Peakmasse. Die Masse der eingespritzten Benzolportion berechnet sich aus dem Volumen der injizierten Mischung, sowie deren Konzentration, in unserem Beispiel mit w(Benzol) = 3,49 g/l:

m(Benzol) = V(Injektion) [µl] × w(Benzol) [µg/µl]
m(Benzol) = 0,5 µl × 3,49 µg/µl » 17,5 µg

Dieser Wert wird eingetragen, die Schaltfläche „eintragen“ betätigt, worauf auch die Zeile in der Peakliste die neuen Werte enthält, gleichzeitig wird die Peakschraffur grün, um anzuzeigen, dass der Peak nunmehr mit einer Absolutmasse versehen ist.

Nun werden die Referenzmessung und die Messung verglichen. Öffnen Sie, falls noch nicht geschehen die Hauptmessung über die Schaltfläche Messung öffnen, betätigen Sie sodann die Schaltfläche Messung vergleichen und öffnen Sie ebenso die Referenzmessung (Schaltfläche Ref. öffnen) Skalieren Sie nun die beiden Chromatogramme so, dass die markierten Peaks ungefähr übereinander liegen. Betätigen Sie nun die Schaltfläche vergleichen und fahren Sie den Mauszeiger in das Chromatogramm. Es erscheint ein Linienzeiger in beiden Diagrammen; verschieben Sie diesen so, dass er durch beide markierte Peaks verläuft und klicken Sie links.

Abb. 17: Absolutmassenbestimmung Benzol in Superbenzin, Vergleich mit Referenzmessung

Dadurch geschieht folgendes: Aus der bekannten Masse des Referenzpeaks und dessen Fläche wird ein Eichfaktor berechnet und sofort auf die Fläche des Peaks in der Hauptmessung angewandt, wodurch auch dessen Masse bekannt ist. Vergeben Sie auch gleich den Namen für den Peak in der Hauptmessung indem Sie einen Doppelklick in die Zelle der Namensspalte machen und in dem Info-Fenster einen Eintrag vornehmen. Vergessen Sie nicht, nach diesen Auswertungen die Messung zu speichern. Sie haben nun die Masse des Benzols ermittelt, die in unserer Probe des Superbenzins enthalten ist. Bei einem Injektionsvolumen von 1 µl ergibt sich der Gehalt des Treibstoffs an Benzol damit zu:

m(Benzol) | = | 16,76µg |  |  |  |
w(Benzol) | = | 16,76µg/1µl | = | 16,76 g/l |  |
Mit der Dichte des Benzols von ρ = 0,874g/ml wird der Volumenanteil zu
v(Benzol) | = | 16,76 [g /l] / 0,874 [g/ml] | = | 19,2 / 1000 | = | 1,92 %