Keuzedeel 0751 Verdieping Chromatografie Gaschromatografie GC Marco Houtekamer

Keuzedeel 0751 Verdieping Chromatografie Gaschromatografie (GC) Marco Houtekamer, mei 2019

Voorwoord 2 Deze presentatie gaat over het onderwerp gaschromatografie (GC) en is gemaakt voor studenten van de opleiding Laboratoriumtechniek van Scalda. Als student volg je de lessen die m. b. v. deze presentatie worden gegeven. Daarnaast zijn er aan het eind van een les vragen, die je maakt als huiswerk. Hoofdstuk één tot en met vijf wordt het basisprincipe van GC met name de uitwisseling van componenten over verschillende types stationaire en mobiele fase. De instrumentatie van een GC (injector, kolom en detector) wordt behandeld in de hoofdstukken zes, zeven en acht. In hoofdstuk negen worden verschillende retentie-indices uitgelegd, gekoppeld aan scheiding en kolommen. Vervolgens worden een aantal voorbehandelingsmethoden uitgelegd in hoofdstuk tien. In hoofdstuk elf wordt je geleerd om kwantitatieve getallen te berekenen met chromatografische data. Tot slot wordt hoofdstuk twaalf de optimalisatie van een GC systeem aangeleerd via modulatie software. Je kan door de presentatie navigeren met de pijltjes toetsen op het toetsenbord, of door op de iconen te drukken onderaan de pagina. Als je op het “huisje” klikt, kom je bij de inhoudsopgave en van daaruit kan je ieder hoofdstuk aanklikken. Klik ook op de links die in de tekst staan voor meer uitleg! Veel plezier met het lezen van deze presentatie en het leren van het onderwerp Gaschromatografie!

Inhoudsopgave (I) H 1: H 2: H 3: H 4: H 5: H 6: H 7: GC–algemeen Scheidingsprincipes Mobiele fase Stationaire fase Scheidingsvariabelen Instrumentatie-injector Instrumentatie; kolom 3 pagina 6 pagina 7 pagina 12 pagina 14 pagina 18 pagina 27 pagina 37

Inhoudsopgave (II) H 8: Instrumentatie; detectoren H 9: Scheiding; retentie index H 10: Voorbereidingstechnieken H 11: Kwantitatieve analyse H 12: Optimalisatie via moduleren H 13: Test je kennis! H 14: Samenvatting Literatuur 4 pagina pagina 43 53 62 64 87 pagina 102 pagina 103 pagina 104

Doelen 5 Hoofddoel Chromatografie: Het kunnen uitvoeren van een chromatografische analyse van een complex analysemonster, waarbij een juiste analyseopzet wordt gekozen. De totale tijdsduur is ongeveer 90 SBU (studie belasting uren) verspreid over 16 weken. Subdoelen GC: Na het doornemen van deze presentatie kan je tevens 1. Het scheidingsprincipe van gaschromatografie uitleggen; 2. Een blokschema tekenen van een GC en van alle onderdelen de functie beschrijven; 3. Het verschil uitleggen tussen isocratische en gradiënt elutie; 4. Tenminste drie GC detectoren noemen en beschrijven; 5. Een juiste analyse opzet maken inclusief instellingen voor een GC analyse van een (complex) monster met behulp van modulatie software; 6. Chromatografische data interpreteren; 7. Berekeningen uitvoeren aan chromatografische analyses.

H 1: GC - algemeen 6 GC: Gas Chromatography Bij GC wordt een mengsel van stoffen gescheiden in zijn individuele componenten d. m. v. een verdeling over de stationaire en mobiele fase. Stationaire fase: vast of vloeibaar (dunne film) (Chemistry Libre. Texts, 2018) Mobiele fase: gas Monster: matig vluchtig tot vluchtige (organische) componenten. Beperking: hoog kokende componenten (T > 350 -400°C) (Teaching. Shu. ac. uk, 2019)

H 2: Scheidingsprincipe 7 De afremming (retentie) van een component wordt veroorzaakt door verschillende molecuuleigenschappen, die gekoppeld zijn aan een scheidingsprincipe. De mogelijkheden zijn bij GC minder dan bij HPLC. Eigenschap Scheidingsoort Toepassing Oplosbaarheid Verdeling GLC (Gas-Liquid Chromatography) Adsorptie GSC (Gas-Solid Chromatography)

H 2: Scheidingsprincipe - GLC Bij Gas-Liquid Chromatography (GLC) berust de scheiding op verdeling. De “vloeistof” c. q. stationaire fase is aangebracht als een dunne laag op de binnenwand van de kolom en zit vast. De componenten lossen in meer of mindere mate op in de stationaire fase en men krijgt op die manier scheiding. 8

H 2: Scheidingsprincipe - GSC Bij Gas-Solid Chromatography (GSC) berust de scheiding op adsorptie. De kolom is geheel of gedeeltelijk gevuld met deeltjes van de stationaire fase. Men spreekt dan van een gepakte kolom. Toepassing: gasanalyses. Soms de fase is aangebracht als een DIKKE laag op de binnenwand van de kolom en zit vast. De scheiding van de componenten berust voornamelijk op polariteit. Reminder: apolair - polair 9

H 2: Scheiding – Verdeling vs adsorptie 10 Bij verdelingschromatografie verdelen de componenten zich over de stationaire en mobiele fase afhankelijk van de oplosbaarheid. De verschillende componenten doen dat op een verschillende manier. Dus: in de stationaire fase Toepassingen: > 90% van de GC-analyses Bij adsorptiechromatografie kunnen de stoffen niet in de stationaire fase oplossen, ze blijven op het grensvlak hangen. Dus: aan de stationaire fase. Toepassingen: bij specifieke analyses van GC vooral gebaseerd op polariteit. (Revise. im, 2018)

H 2: Scheiding – Verdeling vs adsorptie 11 Daardoor is de isotherm (van Freundlich, 1880 -1941) van beide principes verschillend! Een isotherm geeft de verhouding weer tussen de concentratie van stof X in de stationaire fase t. o. v. de concentratie van stof X in de mobiele fase. Verdelingscoëfficiënt K = Cs/Cm De isotherm is afhankelijk van: - De eigenschappen van stof X - Temperatuur En alleen bij adsorptie ook: - Concentratie van stof X Als [X] < verdeling Als [X] > adsorptie VERDELINGSCHROMATOGRAFIE ADSORPTIECHROMATOGRAFIE (Dictaat Scalda Chr 1)

H 3: Mobiele fase - draaggas Mobiele fase = gas = draaggas Belangrijk eigenschappen: Inert!!, viscositeit en diffusiesnelheid Bruikbare gassen: - Helium (He), Waterstof (H 2) en Stikstof (N 2) Bij MS-detector is alleen He toepasbaar. 12

H 3: Mobiele fase - draaggas Het gas is onder hoge druk (P = 200 bar) opgeslagen in een gascilinder. Voor gebruik in GC wordt de druk via een drukregelaar (reduceerventiel) verlaagd naar ongeveer 5 bar. In de GC zit een (digitale) flowregelaar om het draaggas te regelen naar 1 tot 10 ml/min. De zuiverheid van het gas: 99, 999% Benaming: N 2 5. 0, zuiverheid > 5 negens! Kleurcodering gascylinders 13

H 4: Stationaire fase 14 Het dragermateriaal van de stationaire fase is meestal silica (Si. O 2, zeer polair!). Aan de drager is de stationaire fase chemisch gebonden. De film aan de wand ontstaat na silaniseren (= reactie met Si en organische subgroepen zoals Methyl of Phenyl). Andere groepen geven andere eigenschappen m. b. t. oplosbaarheid en polariteit. Zie website Chromacademy voor meer info. (LCGC. com 2019)

H 4: Stationaire fase 15 Chemisch type Naam/code Max T (°C) type toepassing alkaan Squalaan 100 apolair Koolwaterstoffen dimethylsiloxaan HP-1, DB-1, OV-1, CP-Sil-5 300 apolair Algemeen Difenyldimethylsiloxaan (5% fenyl) HP-5, CP-sil-8, OV-23, SE 54 340 Zwak polair Algemeen, esters, halogeenalkanen Difenyldimethylsiloxaan (50% fenyl) HP-17, OV-17, SP-2250 300 Zwak polair Esters, drugs, halogeenalkanen Trifluoropropyl-siloxaan (50%) HP-210, OV-210, SP-2401 260 polair Halogeenaromaten, pcb/ pesticiden, fenolen Polyethyleenglycol HP 20 M, CP-wax 52 CB, Carbowax 260 polair Aldehyden, esters, alkanolen, aromaten Cyanopropylsiloxaan CP-sil-58, OV-275, DB-23 250 Zeer polair Alkanolen, aminen, dioxine

H 4: Vragen 16 Vraag 1: Juist of onjuist? a) De isotherm van adsorptiechromatografie is afhankelijk van de concentratie van de te bepalen component; b) De belangrijkste eigenschap van een draaggas is inert zijn; c) Het draaggas He 4. 5 heeft een lagere zuiverheid dan He 5. 0; d) Bij GLC is het scheidingsprincipe gebaseerd op polariteit; e) De scheiding van methanol en ethanol is beter bij een HP-1 fase dan bij Carbowax; f) De fase cyanopropyl wordt voornamelijk toegepast bij de analyse van apolaire koolwaterstoffen; g) Naarmate een GC-fase meer polair wordt, wordt de kolom meer geschikt voor analyse voor hoogkokende componenten.

H 4: Vragen - Antwoorden 17 Antwoorden vraag 1: Juist of onjuist? a) Juist, de isotherm buigt af bij hogere concentratie van X omdat dan de plaatsen op de stationaire fase zijn bezet; b) Juist, het draaggas mag niet blijven plakken aan de stationaire fase of reageren met te bepalen componenten! c) Juist; He 4. 5 betekent zuiverheid > 99, 995% en 5. 0 betekent zuiverheid > 99, 999% d) Onjuist; GLC = gas-liquid, het scheidingsprincipe is gebaseerd op verdeling en dus is oplosbaarheid het principe; e) Onjuist, HP-1 is een apolaire fase en Carbowax polair. De polaire componenten methanol en ethanol geven meer retentie bij de Carbowax, dus betere scheiding; f) Onjuist, cyanopropyl is een polaire fase en niet bedoeld voor apolaire koolwaterstoffen; g) Onjuist, de polaire groepen maken de fase minder geschikt voor hoog kokende componenten, want de maximale belastbare temperatuur wordt steeds lager.

H 5: Scheidingsvariabelen die behandeld zijn in KD-CHR-Alg: - Relatieve retentie en selectiviteit - Resolutie - Schotelgetal - Schotelhoogte 18

H 5: Scheidingsvariabelen – Piek-asymmetrie Bij HPLC zijn pieken vaak niet symmetrisch: op 10% hoogte van de piek wordt de asymmetry of “tailingfactor” bepaald. PIEK TAILING (Crawford Scientific, 2019) 19

H 5: Schotelhoogte-Van Deemter vergelijking De schotelhoogte wordt beïnvloed door: - De snelheid van de mobiele fase - De diffusiesnelheid in de mobiele en stationaire fase - De dikte van de stationaire fase De Van Deemter-vergelijking berekend de schotelhoogte (H) als functie van de snelheid van de mobiele fase (u). Met behulp van drie grootheden (A, B en C). Voor elk analysesysteem kan men de snelheid van de mobiele fase regelen, zodat de H zo klein mogelijk is. 20

H 5: Van Deemter vergelijking 21 De grootheden in de Van Deemter vergelijking zijn: A- Eddydiffusie; hangt af van deeltjesgrootte. Mobiele fase legt directe en indirecte weg af. Eddydiffusie is onafhankelijk van u. De verschillen in weglengte veroorzaken piekverbreding. B – B-factor; longitudinale diffusie (willekeurige molecuulbewegingen) van een component. Als: u > verblijftijd < diffusie < piekverbreding < C – C-factor; onvolledig evenwicht. De instelling van het evenwicht van de component in de stationaire en mobiele fase kost tijd. Als de snelheid te hoog is dan kan de component niet in voldoende Dus optimalisatie! mate in de stationaire fase gaan. Als: u > evenwicht [X stationair]/[X mobiel] onvolledig piekverbreding >.

H 5: Van Deemter vergelijking INVLOED KOLOMDIAMETER (LCGC’s CHROM Academy, 2019) Invloed diameter: kleinere diameter heeft een hogere optimale flow EN het optimale gebied is minder kritisch (curve is vlakker) INVLOED TYPE DRAAGGAS (LCGC’s CHROM Academy, 2019) Invloed draaggas: Waterstof heeft de hoogste optimale flow EN het optimale gebied is minder kritisch (curve is vlakker) 22

H 5: Scheiding - temperatuurprogramma Temperatuurprogrammering wordt toegepast omdat: - Totale analysetijd te lang wordt; - De pieken scherper worden -> verbetering Rs Gebruikelijk temperatuurprogramma: - begin. T iets lager dan laagste kookpunt - eind. T is gelijk aan kookpunt hoogst kokende component - Temperatuurstijging ongeveer 10 °C per minuut - Altijd proefondervindelijk vaststellen 23

H 5: Vragen 24 Vraagstelling 14 De selectiviteitsfactor voor 1 -butanol en n-hexaan op een apolaire kolom is 1, 7. a. Welke component wordt het sterkst vertraagd? b. Zal de selectiviteitsfactor voor de onderstaande verbindingen groter of kleiner zijn dan 1, 7? I n-hexaan en n-heptaan II n-hexaan en butaanzuur 15 Hoe verandert de resolutiefactor (Rs) als men een gegeven kolom tweemaal zo lang maakt? 16 Een GC-kolom heeft een lengte van 15 m. Component X heeft een bruto retentie van 7, 44 min en component Y van 9, 31 min. De piekbreedte is voor X: 0, 14 min en voor Y: 0, 17 min. a. Bereken Rs voor X en Y b. Bereken N voor X c. Bereken H.

H 5: Vragen Vraagstelling 17 Gegeven de volgende meetwaarden: Component Retentietijd (min) Onvertraagd 3, 5 A 6, 5 B 8, 7 C 13, 2 D 17, 7 25 piekbreedte basis (min) --0, 18 0, 22 0, 23 0, 34 Bereken: a. Het schotelgetal voor elke component b. De retentiefactor voor elke component c. De resolutiefactor voor A en B, B en C, C en D.

H 5: Antwoorden De antwoorden en uitwerkingen van de vragen worden gegeven door op onderstaand icoon te klikken. 26

H 6: Instrumentatie - onderdelen 27 Blokschema GC INJECTOR: monster-introductie Kan via een automaat (sampler) KOLOM: scheiding componenten via stationaire fase DETECTOR: signaal van gescheiden componenten Werking GC (RSC, 2019)

H 6: Instrumentatie – de injector Verschillende injectietechnieken (injectoren) beschikbaar, vanwege: - Concentratie in het monster - gebruikte kolom Functie: Injecteren en vervolgens verdampen van het monster Injectietechnieken: a. Standaardinjectiepoort b. Split (splitsing van het geinjecteerde volume) c. Splitless d. On column e. Direct (megabore) 28

H 6: Instrumentatie – standaardinjectiepoort 29 Eigenschappen standaardinjectiepoort: - Alleen toepasbaar bij een gepakte kolom Verdampingsinjector; T inj > kookpunt hoogst kokende component Injectievolume: 0, 5 tot 5 µl Concentratiegebied 1 tot 10 % Afsluiting door silicone septum Soms wordt een “liner” gebruikt (glazen buisje) Functie: Injecteren en vervolgens verdampen van het monster (chromatography-online. org, 2019)

H 6: Instrumentatie – split injector 30 Eigenschappen split injectiepoort: - Alleen toepasbaar bij een capillaire kolom - Verdampingsinjector; T inj > kookpunt hoogst kokende component - Injectievolume: 0, 5 tot 2 µl - “splitten” nodig want capillaire kolom heeft genoeg aan n. L - Split ratio verschilt van 1: 20 tot 1: 400 - Concentratiegebied 1 tot 100 % - Altijd wordt een “liner” gebruikt (glazen buisje) - VOORDEEL: eenvoudig, robuust, automatisering mogelijk - NADEEL: kans op verlies van meest vluchtige componenten via Split (discriminatie), niet geschikt voor lage concentraties, kans op thermische degradatie (chromatography-online. org, 2019)

H 6: Instrumentatie – splitless injector 31 Eigenschappen splitless injectiepoort: - Alleen toepasbaar bij een capillaire kolom - Verdampingsinjector; T inj > kookpunt hoogst kokende component - T kolom is 10 °C lager dan laagst kokende component -> condensatie componenten aan begin kolom -> scherpe injectie - Injectievolume: 0, 5 tot 1 µl - “splitless” dus er wordt GEEN monster afgesplitst! - Concentratiegebied is laag (ppb of ppm) - VOORDEEL; prima voor lage concentraties, automatisering mogelijk, eenvoudig, robuust - NADEEL: kans op terugslag (Backflash), thermische degradatie mogelijk Split/splitless (Mr Simple. Science, 2019) (chromatography-online. org, 2019)

H 6: Instrumentatie – On column injector Eigenschappen On Column injectiepoort (Cold trap): - Alleen toepasbaar bij een (widebore) capillaire kolom - T inj is laag, onder kookpunt laagst kokende component - T kolom is 10 °C lager dan laagst kokende component -> condensatie componenten aan begin kolom -> scherpe injectie - Na injectie -> opwarming van de kolom - Injectievolume: 0, 2 tot 1 µl - Speciale injectiespuit (met lange naald) - Afsluiting NIET door septum, maar metalen disc of klep - Concentratiegebied is zeer laag (ppb) - VOORDEEL; geschikt voor hele lage concentraties - NADEEL: niet eenvoudig, niet robuust, kans op dubbele pieken, automatisering niet mogelijk 32 (chromatography-online. org, 2019)

H 6: Instrumentatie – speciale injectoren Purge and trap: - Meestal in combinatie met een capillaire kolom - Toepassing: vluchtige componenten (bijv. BTEX) - Monster doorblazen (purgen) met gas N 2 of He - Componenten adsorberen in een adsorptiebuisje met daarin een sterke fase zoals actieve kool of Tenax - Opwarming van adsorptiebuisje (T = 250 -300 °C) - Componenten opvangen in koude val (Trap: -30/-180 °C) - Injectie; opwarming van de trap; smalle band op kolom - VOORDEEL; geschikt voor hele lage concentraties (ppb), automatisering mogelijk - NADEEL: niet eenvoudig, kans op discriminatie van hele vluchtige componenten (Kamila Schmidt, 2015) 33

H 6: Instrumentatie – speciale injectoren Head space: - Meestal in combinatie met een capillaire kolom - (matig)-vluchtige componenten (bijv. BTEX, parfum) - Monster incuberen (opwarmen; T = 50 -150 °C) - Componenten komen in gasfase - Injectie; ± 1 ml gas bovenkant vial wordt geïnjecteerd - Concentratiegebied: ppm tot 10 % (split is optie) - VOORDEEL; monstermatrix is minder dan vloeistof injectie, automatisering mogelijk - NADEEL: niet eenvoudig, kans op discriminatie van hele vluchtige componenten (Nathalya Kosinski Lima , 2018) 34

H 6: Vragen 35 Vraag 2: a) Waar in de injector zit het septum en wat is de functie ervan? b) Wat is een “liner” en waar is deze gesitueerd in de injector? c) Waarom heeft een on-column injector geen septum? d) Welke van de volgende injectoren is zeer geschikt bij hoge concentraties: on-column, splitless, direct/standaard? e) Welke injector is zeer geschikt bij lage concentraties: on-column, splitless, split? f) Welke injector maakt gebruik van een adsorptietechniek? g) Welke injectoren zijn makkelijk te automatiseren?

H 4: Vragen - Antwoorden 36 Antwoorden vraag 2: a) Het septum zit aan de bovenkant van de injector en dient als afsluiting van de injector ook tijdens injecties; b) Een “liner” is een glazen of metalen buisje waarin het monster wordt geïnjecteerd. Het is gesitueerd direct onder het septum, aan de onderkant zit de kolom. c) On-column injecties zijn directe injecties op de kolom m. b. v. een injectiespuit met lange flexibele naald: door een septum prikken is onmogelijk. d) Hoge concentraties altijd een Split injector. Verdunning van monster tot ratio’s 400! e) Lage concentraties gebruikt men splitless of On-column. f) In een purge and trap injector zit een adsorptiebuis, die vluchtige componenten adsorbeert. g) Vrijwel alle injectoren zijn te automatiseren, behalve On-column.

H 7: Instrumentatie – de kolom - Gepakte kolom injectievolume: 10 µl tot 5 ml afmetingen: 2 tot 5 mm * 1 tot 5 m fase: diatomeeënaarde, silicagel of aluminiumoxide voorbewerking fase: met zuur, loog of via silanisering eigenschappen: brede pieken, resolutie laag toepassing: gasanalyses, preparatief - Capillaire kolom; WCOT, SCOT en PLOT injectievolume: 0, 1 tot 5 µl afmetingen: 0, 2 tot 0, 5 mm * 5 tot 100 m filmdikte stationaire fase: 0, 1 tot 1, 0 µm eigenschappen: smalle pieken, resolutie hoog toepassing: vrijwel alle kwantitatieve GC analyses 37 (TEKLab , 2019)

H 7: Instrumentatie – de capillaire kolom Capillaire kolom; WCOT, SCOT en PLOT WCOT – Wall coated open tubular Dunne film van stationaire fase direct op de binnenwand Beperkte capaciteit, injectievolume is laag, max 1 µl Monstersplit is noodzakelijk (Split injector) SCOT – Support coated open tubular Stationaire fase zit op drager => groter opppervlak Capaciteit is groter dan WCOT PLOT – Porous coated layer open tubular Stationaire fase op poreuze laag => nog groter oppervlak Capaciteit is weer groter dan SCOT Diameter kolom is 0, 53 mm (widebore of megabore). Invloed filmdikte (web. mnstate. edu, 2019) (Cal State LA , 2019) 38

H 7: Instrumentatie – de capillaire kolom 39 Eigenschappen: - Kwetsbaar, gemaakt van kwarts (Si. O 2): fused silica (FS) - Voordeel FS t. o. v. glas: geen metaalionen aanwezig - Buigzaam door polyimide coating Tips voor gebruik: - Bewaar in originele verpakking of in kolomoven - Kolom zonder spanning in de kolomoven installeren - Kolom laten conditioneren (oven lage temperatuur met draaggas) - Kolom installatie volgens instructie leverancier - Bij installatie: snijd de kolom RECHT af! POLYIMIDE (Chromacademy , 2019)

H 7: Vragen Vraagstelling 1 a. Welke voordelen heeft een capillaire kolom ten opzichte van een gepakte kolom? b. Welk nadeel is aan een capillaire kolom verbonden? 2 Wat is het verschil tussen een wall-coated, support-coated en porous open layer kolom? 3 In welk geval wordt een splitinjectie toegepast? In welk geval een cold trap? 4 Welk dragermateriaal wordt het meest toegepast in een gepakte kolom? 5 Welke molecuuleigenschap is heel belangrijk voor de scheiding bij gaschromatografie? 40

H 7: Vragen 41 Vraagstelling 6 Welke fysische constante van de component is heel belangrijk voor de scheiding bij GC? 7 Rangschik de volgende typen stationaire fasen naar de volgorde van toenemende polariteit: • Fenylgroepen • C 18 groepen • Methylgroepen • Polyethyleenglycol 8 In welke volgorde komen de volgende componenten uit de kolom? Gebruik de tabel van pagina 15! a. Cyclohexaan (kpt 81 °C) en 1 –pentanol (kpt 138 °C) bij 150 °C op de fase squalaan b. Methoxybenzeen (kpt 154 °C) en 1 -methylbenzeen (kpt 177 °C) bij 170°C op Polyethyleenglycol c. 1, 1 -dichloorpropaan (kpt 88°C) en 1, 3 -dichloorpropaan (kpt 120°C) bij 130°C op fenylmethylsiloxaan

H 7: Antwoorden De antwoorden en uitwerkingen van de vragen worden gegeven door op onderstaand icoon te klikken. 42

H 8: Instrumentatie – detectoren 43 Functie: De componenten na de scheiding reproduceerbaar signaleren. Eisen aan de “ideale” detector: a. Lineair over groot concentratie bereik b. Gevoelig voor heel lage concentraties c. Stabiel: niet gevoelig voor variaties (gas of temperatuur) d. De component wordt niet afgebroken e. Korte responstijd (milliseconden!) Detectielimiet: S/N ratio > 3 (AGC Instruments , 2019)

H 8: Instrumentatie – TCD-detector Principe: Detectie van componenten door verandering in warmtegeleiding. Een weerstandsdraad wordt continu gekoeld door draaggas, de warmte geleiding wordt minder als een component passeert. Gebaseerd op de “Brug van Wheatstone”. Toepassing: analyse van gassen Voordelen Nadelen Algemeen toepasbaar Geringe gevoeligheid (vanaf 0, 1 %) Geen verbrandingsgas nodig Beperkte lineariteit De component wordt niet afgebroken, dus kan naar 2 e detector Neiging tot tailing van de pieken vanwege traagheid 44 TCD: Thermal Conductivity Detector – Brug van Wheatstone

H 8: Instrumentatie – FID-detector Principe: Detectie van componenten door verandering van de elektrische geleiding van de gasmassa in een waterstofvlam. Toepassing: Vrijwel alle organische analyses. Meest gebruikte detector! Voordelen Nadelen Algemeen toepasbaar Alleen voor brandbare componenten Zeer hoge gevoeligheid (vanaf ppb) 1000* gevoeliger dan TCD Geen hergebruik van monster mogelijk vanwege verbranding Groot lineair bereik Bijmengen van H 2 nodig Relatief goedkoop 45 FID: Flame Ionisation Detector

H 8: Instrumentatie – ECD-detector Principe: Detectie van componenten door verandering van vrije elektronen (=stroom). Reactie stikstofgas wordt geïoniseerd: N 2 + β -> N 2+ + eΒ straling wordt gecreëerd door radioactieve bron zoals 63 Ni Reactie component: CH 3 Cl + e- -> ●CH 3 + Cl. Toepassing: Gehalogeneerde organische verbindingen (pesticiden) Voordelen Nadelen Meest gevoelige detector Alleen voor elektronegatieve componenten Geen hergebruik van monster mogelijk Bijmengen van N 2 nodig Beperkt lineair bereik Radioactieve bron noodzakelijk 46 ECD: Electron Capture Detector

H 8: Instrumentatie – speciale detectoren FPD – Flame Photometric Detector: Detectie van componenten door stralingsemissie bij specifieke golflengte. Organische componenten met elementen fosfor (λ = 526 nm) of zwavel (λ = 394 nm). Toepassing: analyse van pesticiden, herbiciden of zenuwgassen AED – Atomic Emission Detector Detectie van componenten door emissie bij hoge temperatuur (in een plasma). Het plasma wordt gecreëerd door draaggas te mengen met He en via microgolven. Door de hoge temperatuur zenden metalen emissielijnen uit die gedetecteerd worden door een diode array detector. Toepassing: zwavel in benzine of organo-tin verbindingen 47

H 8: Instrumentatie – Massaspectrometrie (GC/MS) 48 Principe: Detectie van componenten op basis van molgewicht. Werking: Het draaggas Helium stroomt continu in de MS, die onder vacuüm staat (10 -4 bar) m. b. v. een vacuümpomp. Het lichte He wordt weggepompt en de componenten worden in de ionenbron geïoniseerd bij 70 e. V. Vervolgens worden de +-deeltjes gescheiden op massa met het massafilter (quadropool). Daarna volgt detectie met een electromultiplier (EMP). Als resultaat verkrijgt men een massaspectrum. (Organic Spectroscopy International , 2019)

H 8: Instrumentatie – Massaspectrometrie (GC/MS) Data uit de GCMS: - 3 D detectie vergelijkbaar met DAD Men verkrijgt: - Total Ion Chromatogram (TIC): retentietijd vs totaal signaal alle massa’s (vergelijkbaar met FID) - Chromatogram (retentietijd vs signaal) bij een selecteerde massa - MS spectrum (massa vs signaal) bij een geselecteerde retentietijd - Met spectrum: identificatie met “Library-search” Werking GCMS (NFSTC, 2015) (Siegfried J. Bauer, 2002) 49

H 8: Instrumentatie – Massaspectrometrie (GC/MS) Toepassing: Kan bij vrijwel iedere GC-analyse worden toegepast. Voorbeelden: pesticiden, raffinaderij producten, biomoleculen (aminozuren) Eigenschappen: de ideale detector!! Voordelen Nadelen Zeer lineair Vacuüm en Helium noodzakelijk Zeer gevoelig (tot ppt) Geen hergebruik van monster mogelijk Universeel toepasbaar Vrij duur t. o. v. andere detectoren Structuuridentificatie mogelijk 50

H 8: Vragen Vraagstelling 9 Welke eisen moet men in het algemeen aan een detector stellen? 10 Welke detector heeft de voorkeur voor de scheiding van elk van de onderstaande verbindingen? a. Alkanen b. Halogeenkoolwaterstoffen c. Alkanolen d. Pesticiden (bevatten S en P) 11, 12 en 13 a. Wat is een TCD, FID en ECD? b. Noem van iedere detector twee voordelen en een belangrijk nadeel. 51

H 8: Antwoorden De antwoorden en uitwerkingen van de vragen worden gegeven door op onderstaand icoon te klikken. 52

H 9: Scheiding – Kovats index 53 Kleine verschillen in netto retentietijd van een component worden veroorzaakt door: - Verschil in temperatuur - Verschil in filmdikte (van een nieuwe kolom) De Kovats retentie-index corrigeert hiervoor. De retentie van een component wordt vergeleken met de retentie van een reeks n-alkanen. Elke alkaan krijgt een retentie-index (I): I = 100 * n ; n = aantal C-atomen van het alkaan Bijv. : ethaan -> I = 200 en propaan = 300. Men krijgt zowel bij isotherm als bij temperatuurprogrammering een lineair verband. (Shimadzu. com , 2019)

H 9: Scheiding – Kovats index Een rekenvoorbeeld: - De onbekende component ligt tussen C 8 en C 9 - Dus de index (I) ligt tussen 800 en 900 - Vul de formule in en vergeet niet de t 0! 54

H 9: Scheiding – Mc. Reynolds constante 55 Er zijn vele verschillende stationaire fasen bij capillaire kolommen. Van apolair tot polair. De mate van polariteit wordt weergegeven door de Mc. Reynolds-constante. De constante wordt bepaald door een standaard mengsel te analyseren en de Kovatsindex (I) te bereken op de fase en deze af te trekken van de Isqualaan (C 30 H 62 - zeer apolair). Er geldt: Mc. Reynolds (ΔI) hoger -> Component meer retentie -> Hogere polariteit Component Groep I (Squalaan) I (fase) ΔI = Mc. Reynolds Benzeen Aromaten, alkanen 653 668 15 Butaan-1 -ol Alcoholen, zuren, fenolen 590 643 53 Pentaan-2 -on Ketonen, ethers, esters, aldehyden 627 671 44 Nitropropaan Nitro- en nitrilgroepen 652 716 64 Pyridine Organische basen, dioxaan 699 740 41

H 9: Scheiding – kolomindex (CP-index) 56 Component Groep I (Squalaan) I (fase) ΔI (kolom) ΔI (OV-275) Benzeen Aromaten, alkanen 653 668 15 690 Butaan-1 -ol Alcoholen, zuren, fenolen 590 643 53 992 Pentaan-2 -on Ketonen, ethers, esters, aldehyden 627 671 44 853 Nitropropaan Nitro- en nitrilgroepen 652 716 64 1110 Pyridine Organische basen, dioxaan 699 740 41 1000 Σ som 217 4644

H 9: Vragen Vraagstelling 18 Bereken de (Kovats) retentie-indices van de componenten A, B en C: Component propaan n-butaan n-pentaan n-hexaan n-heptaan n-octaan A B C t’R (min) 1, 42 2, 60 4, 51 8, 06 15, 12 28, 14 6, 73 9, 05 20, 85 57

H 9: Vragen Vraagstelling 19 Bereken de (Kovats) retentie-indices van de componenten A, B en C: Component n-butaan n-pentaan n-hexaan n-heptaan n-octaan A B C t’R (min) 1, 30 2, 51 5, 10 9, 93 19, 60 4, 22 12, 10 18, 20 58

H 9: Vragen Vraagstelling 20 Bereken de (Kovats) retentie-indices van de componenten A, B en C: Component n-butaan n-pentaan n-hexaan n-heptaan n-octaan A B C t’R (min) 2, 25 5, 30 12, 10 25, 30 56, 00 14, 10 32, 00 59

H 9: Vragen Vraagstelling 21 Gegeven van de homologe reeks van alkanolen, de volgende netto retentietijden: n 3 5 7 9 X t’R (min) 1, 41 3, 31 9, 55 22, 90 5, 90 a. Hoeveel C-atomen heeft de component X? b. Maak een diagram (een lijn) met log(t’R) op de Y-as en n op de X-as en bereken de formule van deze lijn. c. Welke netto retentietijd verwacht je voor n-decanol? 60

H 9: Antwoorden De antwoorden en uitwerkingen van de vragen worden gegeven door op onderstaand icoon te klikken. 61

H 10: Voorbereidingstechnieken 62 Toepassingen voor GC: grote diversiteit • Biologische monsters, zoals serum, urine en voeding (Analyse: vetzuren) • Milieu monsters, zoals grond en afvalwater of zeewater (Analyse: PAK’s of minerale olie) • Industriële monsters, zoals petrochemische nafta (Analyse: BTEX) Monstermatrix: naast de te bepalen componenten zitten in deze monsters ook storingen zoals zouten, eiwitten en vele organische verbindingen. Voorbehandeling is noodzakelijk! Met als doel: a. Storende verbindingen verwijderen b. Te bepalen componenten op gewenst concentratieniveau brengen c. Componenten oplossen in de te gebruiken mobiele fase Soxlet extractie (LCGC. com , 2019)

H 10: Voorbereidingstechnieken 63 Voorbehandelingstechnieken: a. vloeistof-vloeistof extractie (bij watermonsters); evt. met ISTD en correctie extractierendement (EF = extraction efficiency) b. Vast-vloeistof extractie (bij grondmonsters); evt. met ISTD en correctie extractierendement c. Indampen bijv. via rotatieverdamper of met stikstof d. Clean-up d. m. v. minikolommen oftewel “cartridges” gepakt met een kleine hoeveelheid stationaire fase, die het analyt concentreren en de matrix wegspoelen. e. SPE-extractie; Solid Phase Extraction, vergelijkbaar met clean-up f. Centrifugeren (vaste deeltjes plakken aan de bodem) g. Filtreren (over 0, 45 µm filter!) h. Drogen organische laag met hygroscopisch zout Meer uitleg over voorbehandeling vind je hier

H 11: Kwantitatieve analyse Chromatografische analyse heeft 4 stappen: 1. Scheiding naar individuele componenten 2. Identificeren van de componenten (kwalitatief) 3. Kalibratie van een component (kwantitatief) 4. Meting van het onbekende monster en dit vergelijken met de kalibratie (kwantitatief) Er 1. 2. 3. 4. zijn 4 kwantitatieve berekeningsmethoden: 100% methode (“normalization”) Externe standaard methode (ESTD) Verbeterde 100% methode Interne standaard methode (ISTD) 64

H 11: Kwantitatieve analyse – 100% methode Procedure: • één injectie van een monsteroplossing • Analyse van een standaard is niet nodig • Uitkomst is relatief (x % van het totaal) Eis: Alleen toepasbaar bij zuiver mengsel en overeenkomstige componenten zoals homologe reeksen van alkanen, alkenen en alkanolen. Dus: geen oplosmiddel / geen onbekende pieken of deze niet integreren. Nadeel: houdt geen rekening met verschil in gevoeligheid (respons) van de componenten. 65

H 11: Kwantitatieve analyse – 100% methode De data van de componenten: component RT (min) Piekopp (counts) % O 2 6. 02 998 16, 81 N 2 6. 64 1002 16, 87 CO 8. 70 1151 19, 38 CH 4 12. 18 1100 18, 52 CO 2 14. 01 1687 28, 41 Totaal - 5938 100 66

H 11: Kwantitatieve analyse – ESTD methode Procedure: • Minimaal 2 injecties nodig: van een monsteroplossing en een standaard(reeks)! • Vaak is 1 standaard voldoende i. v. m. goede lineariteit van de detector • Uitkomst is absoluut (bijv. ppm of ppb) Eisen: • exact dezelfde hoeveelheid injecteren (autosampler) • chromatografische omstandigheden gelijk Autosampler GC (CTC Analytics , 2019) 67

H 11: Kwantitatieve analyse – ESTD methode 68 De data van een monster en een standaard: component Piekopp standaard (counts) Piekopp monster (counts) Conc. Standaard (ppm) Responsfactor Rf (counts/ppm) Conc. Monster (ppm) A 250 199 105 2, 380 83, 6 B 250 500 80 3, 125 160 C 300 5 150 2, 000 2, 50 D 350 110 200 1, 750 62, 9 E 275 250 160 1, 719 145 Bereken eerst de Rf van de component a. d. h. v. standaard Rf = AS/ρ Bereken daarna de concentratie in het monster ρ= AM/Rf Hierin is: A = piekoppervlak (st of monster) ρ = massaconcentratie Rf = responsfactor

H 11: Vragen 69 De data van een monster en een standaard: Component Piekopp standaard (counts) Piekopp monster (counts) Conc. Standaard (ppm) Conc. Monster (%) Conc. Monster (ppm) A 600 444 200 ? ? B 1200 600 400 ? ? C 800 333 300 ? ? A) Bereken het relatieve gehalte (in %) in het monster via de 100% methode B) Bereken het gehalte (in ppm) in het monster via de ESTD methode

H 11: Antwoorden 70 De data van een monster en een standaard: component Piekopp standaard (counts) Piekopp monster (counts) Conc. Standaard (ppm) Conc. Monster (%) Conc. Monster (ppm) A 600 444 200 32, 2 148 B 1200 600 43, 6 200 C 800 333 300 24, 2 125 1377 100 A) Bijv. component B = AB/A totaal * 100% = 600/1377 * 100% = 43, 6 % B) Bijv. component B = Am/As*conc standaard = 600/1200 * 400 = 200 ppm

H 11: Kwantitatieve analyse – verbeterde 100% methode Procedure: Idem als 100% methode maar nu met Rf factor! • 2 injecties: - standaard → voor bepaling Rf componenten - daarna monster → bepaling gehalte • Uitkomst is relatief (x % van het totaal) Eis: Alleen toepasbaar bij zuiver mengsel. Dus: geen piek van oplosmiddel of onbekende pieken 71

H 11: Kwantitatieve analyse – verbeterde 100% methode De data van de componenten: Comp. Area Std (counts) Conc. Std (%) Rf (min) Area monster (counts) (counts/%) Monster Area/Rf (%) Gehalte Monster (%) O 2 6. 02 998 1100 20, 00 55, 0 18, 15 15, 68 N 2 6. 64 1002 900 20, 00 45, 0 22, 27 19, 20 CO 8. 70 1151 1000 20, 00 50, 0 23, 02 19, 87 CH 4 12. 18 1100 900 20, 00 45, 0 24, 44 21, 08 CO 2 14. 01 1687 1200 20, 00 60, 0 28, 12 24, 17 Totaal - 5938 5100 100, 00 - 116, 00 100, 00 RT 72 Bereken eerst de Rf van de component a. d. h. v. standaard Rf = AS/ρ Bereken daarna de concentratie in het monster ρ= AM/Rf Tot slot: maak een optelsom van alle concentratie (%) en maak een normalisatie naar 100%.

H 11: Vragen 73 De data van een monster en een standaard: Comp. RT (min) Area monster (counts) Area Std (counts) Conc. Std (%) O 2 4. 01 201558 245017 79, 00 N 2 5. 12 75821 58012 19, 00 CO 2 8. 78 1542 3849 2, 00 Gehalte Monster (%) 100 % methode Gehalte Monster (%) Verbeterde 100% methode A) Bereken het relatieve gehalte (in %) in het monster via de 100% methode B) Bereken het relatieve gehalte (in %) in het monster via de verbeterde 100% methode

H 11: Antwoorden-100% methode De data van een monster en een standaard: Comp. RT (min) Area monster (counts) Area Std (counts) Conc. Std (%) Gehalte Monster (%) O 2 4. 01 201558 245017 79, 0 72, 26 N 2 5. 12 75821 58012 19, 0 27, 18 CO 2 8. 78 1542 3849 2, 00 0, 553 Totaal - 278921 306878 100, 00 A) Bijv. component O 2 = Acomponent/A totaal * 100% = 201558/278921 * 100% = 72, 3 % 74

H 11: Antw: verbeterde 100% methode 75 De data van een monster en een standaard: Comp. Area Std (counts) Conc. Std (%) Rf (min) Area monster (counts) O 2 4. 01 201558 245017 N 2 5. 12 75821 CO 2 8. 78 Totaal - RT (counts/%) Monster Area/Rf (%) Gehalte Monster (%) 79, 00 3101 65, 00 71, 72 58012 19, 00 3053 24, 83 27, 40 1542 3849 2, 00 1924, 5 0, 801 0, 884 278921 306878 100, 00 - 90, 631 100, 00

H 11: Vragen Vraagstelling 22 Bereken de procentuele samenstelling van mengsel van alkanen met het volgende resultaat : Component oppervlak pentaan 350 octaan 280 decaan 491 23 Van pentaan en octaan worden oplossingen gemaakt van respectievelijk 50, 0 mg/L en 100, 0 mg/L. Voor dit standaardmengsel worden oppervlakten bepaald van 226 (pentaan) en 512 (octaan). Het te analyseren monster levert na injectie van een gelijk volume als bij de standaard, de oppervlakken van 95, 2 (pentaan) en 127 (octaan). Bereken de massaconcentraties in het monster (in mg/L). 76

H 11: Vragen 77 Vraagstelling 24 Voor de bepaling van 2 -propanol (dichtheid: 0, 786 g/m. L) in een waterige oplossing worden standaarden gemaakt door verdunning van respectievelijk 1, 0; 2, 0; 3, 0; 4, 0 en 5, 0 m. L tot steeds 10, 0 m. L oplossing. Injectie van steeds 3, 0 µL standaard en vervolgens 3, 0 µL monster, levert de volgende resultaten: Standaard (m. L) oppervlak 1, 0 450 2, 0 885 3, 0 1336 4, 0 1769 5, 0 2254 monster 1066 Bepaal de massaconcentratie 2 -propanol (in g/L) in het monster.

H 11: Antwoorden De antwoorden en uitwerkingen van de vragen worden gegeven door op onderstaand icoon te klikken. 78

H 11: Kwantitatieve analyse – ISTD methode 79 Procedure: Toevoeging van extra component (= de interne standaard) aan monster en standaard Procedure: • Minimaal 2 injecties nodig: van een monsteroplossing en een standaard! • Vaak is 1 standaard voldoende i. v. m. goede lineariteit van de detector • Eis van ESTD vervalt! Niet noodzakelijk om exact dezelfde hoeveelheid injecteren • Uitkomst is absoluut (bijv. ppm of ppb) Voorbeeld: analyse % ethanol in monster; ISTD is ook een alkanol (1 -propanol)

H 11: Kwantitatieve analyse – ISTD methode 80 Functie Interne standaard: • Bepaling van relatieve retentietijden (r) t. o. v. de ISTD • Bepaling van recovery (opbrengst): verliezen van voorbehandeling doorrekenen • Berekening van de concentraties van de componenten a. d. h. v. de piekoppervlaktes, responsfactoren en de standaardconcentratie. Eisen Interne standaard: • moet goed gescheiden zijn (RS > 2) • mag niet in monster voorkomen • bezit dezelfde chemische en fysische eigenschappen als de te bepalen componenten • moet goed mengbaar zijn met standaard en monster en stabiel blijven Het is niet altijd eenvoudig om een goede ISTD te vinden!

H 11: Kwantitatieve analyse – ISTD methode ISTD kalibratielijn (Sepscience. com , 2019) 81

H 11: Kwantitatieve analyse – ISTD methode 82 De data van een monster en een standaard: component Area Comp. Std Counts Conc. Std Conc. ISTD Std (ppm) Area Comp sample counts Area ISTD Sample counts Conc ISTD Sample (ppm) Relatieve Responsfactor RF Conc. Monster (ppm) Area ISTD Std counts A 250 105 450 100 199 850 200 0, 529 88, 5 B 200 80 425 100 500 890 200 0, 588 191 C 300 150 475 100 55 920 200 0, 421 28, 4

H 11: Vragen Vraagstelling 25 Gegevens standaardmengsel: Comp. Concentratie Oppervlak RF (mg/L) A 100 275 ? B 100 592 ? C 100 462 ? ISTD 150 625 1, 00 83 Gegevens analysemengsel: Comp. Oppervlak Concentratie (mg/L) A 175 ? B 455 ? C 321 ? ISTD 614 150 Bereken voor iedere component de relatieve gevoeligheidsfactor (RF) en de concentratie in het analysemengsel. _

H 11: Vragen Vraagstelling 26 Gegevens standaardmengsel: Comp. Concentratie Oppervlak RF (mg/L) D 200 1865 ? E 500 3990 ? F 500 4821 ? ISTD 500 3585 1, 00 84 Gegevens analysemengsel: Comp. Oppervlak Concentratie (mg/L) D 4925 ? E 1428 ? F 3456 ? ISTD 1894 250 Bereken voor iedere component de relatieve gevoeligheidsfactor (RF) en de concentratie in het analysemengsel. _

H 11: Vragen Vraagstelling 27 Gegevens standaardmengsel: Comp. Concentratie Oppervlak (mg/L) G 300 1466 H 250 567 I 700 872 ISTD 300 955 85 RF ? ? ? 1, 00 Gegevens analysemengsel: Comp. Oppervlak Concentratie (mg/L) G 879 ? H 1137 ? I 451 ? ISTD 1628 500 Bereken voor iedere component de relatieve gevoeligheidsfactor (RF) en de concentratie in het analysemengsel. 28 Welke eisen worden gesteld aan een interne standaard? _

H 11: Antwoorden De antwoorden en uitwerkingen van de vragen worden gegeven door op onderstaand icoon te klikken. 86

H 12: Optimaliseren – Stappenplan 87 Hoe ga je een GC methode ontwikkelen voor een component? Via een stappenplan! 1. Welke component(en) wil je gaan analyseren? 2. Wat zijn de structuurformules van de component(en) en bijbehorende fysische eigenschappen? 3. Is de te bepalen component analyseerbaar met de GC? Of eenvoudiger met een HPLC? 4. Kolom: gepakt of capillair? Voor gasmonsters heeft gepakt de voorkeur of capillair PLOT. 5. Welke (capillaire) kolom is het meest geschikt of voorradig qua dimensies en stationaire fase? 6. Hoe verwacht je de elutie volgorde van de componenten op basis van de gekozen kolom? 7. Welke injector is het meest geschikt of voorradig? 8. Welke detector is het meest geschikt of voorradig? 9. Welke mobiele fase is het meest geschikt en voorradig? Denk ook aan de detectie! 10. Welke flow is optimaal? Denk aan de schotelhoogte c. q. de Van-Deemter-vergelijking! 11. Werk je met een isocratische temperatuur of met een temperatuurprogramma? 12. Welke voorbehandeling is nodig voor isolatie van de component uit de matrix?

H 12: Optimaliseren – Voorbeeld stappenplan 88 Stappenplan: 1. Componenten: o-, m-, p-xyleen 2. Structuurformules, benzeenring (π-bindingen!) en 2 CH 3 -groepen. Dus organische verbindingen alleen apolaire eigenschappen. Zoek eigenschappen op via CAS-nummer, MSDS of Chemicalbook Kookpunten (o, m, p): 144, 139 en 138 °C Oplosbaarheid H 2 O (o, m, p): 0. 2, nihil, en 0. 2 g/L Stabiliteit (o, m, p): allen stabiel 3. Uitvoerbaar met HPLC: verbinding vrijwel onoplosbaar in water; alleen lage concentraties of met apolaire mobiele fase (= “normal phase”) Uitvoerbaar met GC: componenten zijn stabiel en kookpunten acceptabel (<350 °C); de kookpunten liggen wel dichtbij elkaar, dus uitdaging!

H 12: Optimaliseren – Voorbeeld stappenplan 89 Voorbeeld: Men wil het gehalte (tot 10 % v/v) van o-, m- en p-xyleen in hexaan bepalen. Stappenplan: 4. Kolom; capillair want het monster is een oplossing en geen gas. 5. Kolomkeuze: componenten zijn apolair, dus apolaire kolom, zoals RTX-1 of RTX-5. Kookpunten dichtbij elkaar dus mogelijk probleem bij scheiding. WAX-kolom kan soms uitkomst bieden. 6. Verwachting elutievolgorde op RTX-1/RTX-5: op kookpunt dus: p-, m- en daarna o-xyleen. Op WAX is het moeilijker te voorspellen, scheidt op polariteit (π-binding van de benzeen). 7. Injector: capillaire kolom en gehaltes vrij hoog, dus SPLIT injectie is mogelijk. Split is een zeer robuuste techniek die ook te automatiseren is. Componenten hebben geen last van discriminatie (bij verdamping in de liner). Split ratio: 50 tot 400 afhankelijk van de conc.

H 12: Optimaliseren – Voorbeeld stappenplan 90 Voorbeeld: Men wil het gehalte (tot 10 % v/v) van o-, m- en p-xyleen in hexaan bepalen. Stappenplan: 8. Detector: Organische componenten, dus veel C en gevoelig voor FID is zeer lineair en robuust. Ook MS is bruikbaar, echter deze is duurder 9. Mobiele fase-draaggas: bij voorkeur helium, zeker bij MS detectie. 10. Flow: afhankelijk van kolomlengte en draaggas. Vuistregel: bij kolom van 25 m/0, 32 mm i. d. en als draaggas N 2 beginnen bij 0. 7 ml/min, He 1. 4 ml/min en H 2 3 tot 4 ml/min. 11. Isocratisch of temperatuurprogramma. Beide kan, gezien klein verschil in kookpunt zal de temperatuur essentieel zijn. 12. Voorbewerking: De componenten zijn opgelost in een oplosmiddel wat direct geïnjecteerd kan worden op de GC. Afhankelijk van de SPLIT instelling, het monster eventueel verdunnen.

H 12: Optimaliseren – Via simulatie software! 91 Hoe ga je een GC methode ontwikkelen voor een component? Via simulatie software! 1. 2. 3. 4. 5. Gebruik het programma van een leverancier van GC-kolommen. In dit geval RESTEK. Ga naar: www. restek. com Kies de tab bovenin: Chromatograms Kies voor: Pro EZGC Chromatogram Modeler Om het programma te gebruiken dien je eerst jezelf te registreren. Klik rechtsboven op het oranje “Register” en volg de instructies op het scherm. Bewaar je inloggegevens!! 6. In het vervolg gebruik je “Log In” om het programma te gebruiken.

H 12: Optimaliseren – Via simulatie software! EZGC modeler: 1 e stap, componenten 1. Kies de tab “Compounds” en de melding “search by Name or CAS#” 2. Geef de namen of CAS-nummers in van de te analyseren componenten. Bijv. 1, 2 dichlorobenzene (let op: Engels!!) 3. Klik op “Solve”; 4. De mogelijke kolommen worden weergegeven bij “Stationary phases” 5. Als je op een fase/kolom (bijv. Rxi-5 Sil MS) klikt dan wordt het chromatogram weergegeven. Tevens staat er dat 3 van de 3 componenten worden gescheiden. 92

H 12: Optimaliseren – Via simulatie software! EZGC modeler: 2 e stap, instellingen 1. Kies “Conditions” 2. Selecteer het juist draaggas: bijv. N 2 3. Bij “column” kun je diverse kolomdimensies kiezen. Kies de kolom waarbij de resolutie (Rs) tussen de componenten zo hoog mogelijk is of neem een beschikbare kolom. Optimum is in dit geval: 10 m*0, 10 mm*0, 10µm 4. Kies bij “control parameters” voor “vacuum” als je een MS gebruikt. 5. Ovenprogramma kan je evt. bijstellen met “Refine Oven Program” 93

H 12: Optimaliseren – Via simulatie software! EZGC modeler: 3 e stap, instellingen vervolg 1. Bij “Control method” geef je aan of je het draaggas regelt via constante flow of via “Constant Pressure”. Voorkeur is constante flow maar oude GC’s kunnen soms alleen constante druk regelen. 2. Bij “Results” kan je kiezen waarop geoptimaliseerd wordt: efficiency of speed. Bij “custom” kan je een eigen instelling ingeven. 3. Zodra je een instelling wijzigt, wordt het chromatogram aangepast. 94

H 12: Optimaliseren – Via simulatie software! EZGC modeler: 4 e stap, MS detectie! 1. Als je een MS detector tot je beschikking hebt, dan is het handig om het MS-spectrum van de component te zien, zodat je een geschikte massa kan zoeken om te analyseren. 2. Klik hiervoor op “zoom” icoon welke voor de retentietijd staat en het MS spectrum wordt getoond. 3. Op die manier kunnen componenten geanalyseerd worden die onvoldoende gescheiden zijn, maar een verschillend MS spectrum hebben. 95

H 12: Vraag – Via simulatie software! 96 Opdracht 1: Ontwikkel een efficiënte analysemethode m. b. v. een GC voor de bepaling van ethanol, propaan-1 -ol en propaan-2 -ol in water (ρ is maximaal 10 g/L). Eis: basislijn scheiding (RS > 2, 0) en analysetijd < 6 minuten. Je hebt beschikking over een GC-FID met split injector en stikstof als draaggas. Er zijn twee kolommen in voorraad: - Stabilwax®, 10. 00 m, 0. 10 mm ID, 0. 10 µm - Rtx®-1, 30. 00 m, 0. 25 mm ID, 0. 10 µm Begin met het maken van een stappenplan en werk daarna de bepaling verder uit met het programma EZGC van RESTEK, zodat je een kolomkeuze hebt gedaan en een begininstelling hebt voor het testen van de analyse.

H 12: Antwoord – Via simulatie software! 97 Opdracht 1: Ontwikkel een efficiënte analysemethode m. b. v. een GC voor de bepaling van ethanol, propaan-1 -ol en propaan-2 -ol in water. Eis: RS > 2, 0; Tanalyse < 6 min. Stappenplan: 1. Componenten: ethanol (1), propaan-1 -ol (2) en propaan-2 -ol (3). 2. Structuurformules, CH-verbindingen met een OH- groep. Dus een organische verbinding met polaire eigenschappen. Eigenschappen op via CAS-nummer, MSDS of Chemicalbook Kookpunten (1, 2, 3): 78, 97 en 82 °C Oplosbaarheid H 2 O (1, 2, 3): volledig oplosbaar Stabiliteit (1, 2, 3): allen stabiel 3. HPLC: mogelijk want oplosbaarheid is goed GC: mogelijk want kookpunten acceptabel (< 350 °C) 1. 2. 3.

H 12: Antwoord – Via simulatie software! 98 Stappenplan (vervolg): 4. Kolom; capillair want het monster is een oplossing en geen gas. 5. Kolomkeuze: alleen Wax en RTX-1 beschikbaar. 6. Verwachting elutievolgorde op RTX-1: apolaire kolom dus op kookpunt: ethanol, propaan-2 -ol en propaan-1 -ol. Op WAX is het moeilijker te voorspellen, scheidt op polariteit en alle hebben 1 -OH groep. Volgorde: ethanol, propaan-2 -ol, propaan-1 -ol 7. Injector: capillaire kolom en gehaltes vrij hoog (tot 1%), dus SPLIT injectie is mogelijk. Split is een zeer robuuste techniek die ook te automatiseren is. Componenten hebben geen last van discriminatie (bij verdamping in de liner). Split ratio: 50 of 100 1. 2. 3.

H 12: Antwoord – Via simulatie software! 99 Stappenplan (vervolg): 8. Detector: Organische componenten, dus veel C en gevoelig voor FID is zeer lineair en robuust. 9. Mobiele fase-draaggas: gegeven als N 2. 1. 10. Flow: Vuistregel bij kolom van 30 m/0, 25 mm i. d. en als draaggas N 2 beginnen bij 0. 6 ml/min. Bij 10 m/0, 10 mm is de flow lager: 0. 3 ml/min. 11. Isocratisch of temperatuurprogramma. Beide kan, voor een snelle 2. analyse heeft temperatuurprogrammering de voorkeur. 12. Voorbewerking: De componenten zijn opgelost in een oplosmiddel wat direct geïnjecteerd kan worden op de GC. Afhankelijk van de SPLIT instelling, het monster eventueel verdunnen. NU starten met de simulator EZGC van Restek. 3.

H 12: Optimaliseren – Via simulatie software! EZGC modeler: 1 e stap, componenten 1. Geef de componenten in bij “Compounds” 2. Klik op “Solve” 3. Mogelijke kolommen (Stat. phases): 5 stuks waaronder Stabilwax en RTX-1. 4. Klik eerst op Stabilwax en daarna op “Conditions”. Stel in: Carrier gas Nitrogen en Columns: 10*0. 10 5. Bijgaand chromatogram verschijnt; waarbij alle Rs > 2 en analysetijd is 2. 0 minuten. 100

H 12: Optimaliseren – Via simulatie software! EZGC modeler: 2 e stap, componenten 4. Klik eerst “Compounds” en selecteer nu de kolom RTX-1. 5. Klik daarna op “Conditions”. Stel in: Carrier gas Nitrogen en Columns: 30*0. 25*0. 10 6. Bijgaand chromatogram, waarbij de Rs tussen ethanol en 2 -propanol 1, 2 is; dus onder de gestelde eis van 2. 7. Door isotherm bij 35 °C te analyseren wordt de Rs 2, 1. 8. Stabilwax heeft voorkeur vanwege betere Rs: 9, 1 t. o. v. 2, 1 101

H 13: Test je kennis! Maak de meerkeuzevragen en bekijk je score! Maak ook het kruiswoordraadsel. Antwoorden van de kruiswoordpuzzel staan hier. 102

H 14: Samenvatting 103 Even alles op een rijtje: In H 1 en H 2 werd het scheidingsprincipe van gaschromatografie (GC) beschreven. In respectievelijk H 3 en H 4 worden de mobiele en stationaire fase behandeld. In H 5 komen alle scheidingsvariabelen (resolutie, schotelhoogte etc. ) aan bod. De instrumentatie van een GC wordt beschreven in H 6 (injector), H 7 (kolom) en H 8 (detector). De scheiding in combinatie met retentie-indices wordt specifiek behandeld in H 9. In H 10 worden een aantal voorbereidingstechnieken beschreven. Diverse kwantitatieve berekeningen (met rekenvoorbeelden) wordt uitgelegd in H 11. Met simulatiesoftware wordt je in H 12 aangeleerd om een GC methode te ontwikkelen. Tot slot kan je in H 13 je kennis testen via meerkeuzevragen en een kruiswoordraadsel.

Literatuur 104 Chromatography-online. org, R. P. W. Scott (2019, april). Injection devices. http: //www. chromatography-online. org/Injection-Devices/Open-Tubular-Column/rs_2_15. php Meer, A. v. (2013). Chemische analyse. Utrecht: Syntax Media. RESTEK. (2019, april 11). Pro EZGC moduler. Opgehaald van www. restek. com: https: //www. restek. com/proezgc Syntax Media. (2019, februari). mlo chemie. Opgehaald van GC (H 19): https: //www. mlochemie. nl/index. php/19 -gaschromatografie Vooys, D. d. , Punt, R. , Lubbers, P. , & Vijver, R. v. (sd). Vlissingen, Nederland: Scalda. De dictaten: Chromatografie I, II en Gaschromatografie.

Einde 105 Dank voor jullie aandacht!