Ist die Lineargeschwindigkeit oder mein Detektorsplit korrekt?

Mit welchen Säulendimensionen setze ich mein GC-System auf?

In dieser Rubrik möchte ich kurz auf einige Aspekte der Gaschromatographie eingehen und das von mir entwickelte Berechnungstool BoGaChrom vorstellen.

Im Laufe der Jahre stellte sich mir grundlegend die Frage wie man z.B. den Säulenfluß und die Lineargeschwindigkeit für einfache gaschromatographische Systeme (GC) mit normalen Kapillarsäulen (auch „Open-tubular-column“ genannt) berechnet.

Begleitet von weiteren Beobachtungen im beruflichen Alltag mit einfachen und komplexeren Systemen, wie scheinbare Lecktendenz an Serien- bzw. backflush-Systemen, entstand im Laufe der Zeit ein Tool das weitere Fragen beantworten (besser gesagt berechnen) sollte wie es sonst nicht von div. Softwaren oder allg. zugänglicher Literatur beantwortet wird.

Grundlegend habe ich mich mit folgenden Fragen und Beobachtungen auf physikalischem und mathematischem Sektor befasst:

Wie verhält sich der Gradient der Lineargeschwindigkeit entlang der GC-Säule?
Wie stark weicht die mittlere Lineargeschwindigkeit entlang der Säule von der auf halber Säulenlänge ab? (optimieren der Trägergasdrücke, Plausibilität der Todzeitmessung)
Wie berechnet man notwendige Kopfdrücke für anvisierte Säulenflüsse und Lineargeschwindigkeiten z.B. bei Verwendung von Serienschaltungen, Detektorsplitting (Parallelschaltung) und Kombinationen von min. 2 GC’s bei gleichzeitiger Verwendung von Detektoren in beiden Dimensionen und versch. Temperaturzonen?
Wie berechnet man das zu erwartende Splitverhältnis von auf der Säule injizierten Probe wenn die analytische Säule auf 2 Detektoren gesplittet oder gar auf [1x]-[2x] Detektoren unter Verwendung von 2 unterschiedlich beheizten GC-Dimensionen gesplittet wird? (z.B. Serial-Parallel-Splitting oder [Serial-Parallel]-[Serial-Parallel]-Splitting)
Welchen Einfluss haben z.B. von der Ofentemperatur abweichende Temperaturen von Detektor- und GC-interfaces auf das gesamte System (Säulenflüsse, Geschwindigkeiten, Splitverhältnisse)?
Warum bricht in der Hochtemperaturanalytik (oberhalb von 200 °C), bei isobarem Heliumkopfdruck, der nach Hagen-Poiseuille berechnete Mitteldruck an Split- oder backflush-Verbindungsstücken teils signifikant ein? (--> das scheinbares Leckproblem nervte/irritierte – mit Stickstoff/Argon/Wasserstoff trat der Effekt nicht auf).
Vorausberechnung von Kopfdruck-Rampen z.B. ür konstante Lineargeschwindigkeiten, Flüsse oder bestimmte Säulensplitverhältnisse für einfache Serialsysteme oder einfachen Detektorsplit zu erreichen.

Tools die es (so) nicht gibt......??

Mit diversen Beobachtungen und den sich fortlaufend neu aufwerfenden Fragen entstand mit der Zeit das von mir mit BoGaChrom benannte Berechnungstool. Genauer gesagt eine Excel-Arbeitsmappe mit 3 separaten Berechnungsblättern für 3 verschiedene Systemkonfigurationen.

Die so entstandenen, graphisch unterstützen, Berechnungsblätter decken folgende Systeme ab...

- 1-Dimensionale Serienschaltung (1-Ofen-Systeme, z.B. backflush)
- 1-Dimensionale Serie-Parallelschaltung für Detektorsplitting (1-Ofen-Systeme)
- 2-Dimensionale [Serie-Parallel]-[Serie-Parallelschaltung] (2-Ofen-Systeme)

...und bieten damit z.B. die Möglichkeit Berechnungen zu GC-FID, GC-MS, GC-GC-FID, GC-GC-MS, [GC-FID]-GC-[FID-MS] durchzuführen. Die Angabe der Detektoren erfolgt hier nur exemplarisch, denn jeder Detektrotyp ist durch Eingabe des Innendrucks (FID=atmosphärendruck, MS=Vakuum) frei definierbar. Dabei sind auch Überdrucksysteme (im begrenztem Umfang) möglich. Somit sind grundlegend Systeme bis zum Typ [GC-Det1]-GC-[Det2-Det3] berechenbar - also auch multidimensionale Gaschromatographie.

Screenshot Arbeitsblatt "BoGaChrom - BF" (Serialsystem-/Backflushsystem)*:

Screenshot Arbeitsblatt "BoGaChrom - Split" (Serial-Parallelsystem bzw. Detektrosplitting)*:

Screenshot Arbeitsblatt "BoGaChrom - Complex" ([Serial-Parallel-]-[Serial-Parallel]-system)*:

Nachfolgend ein Screenshot der grafischen Darstellung der Lineargeschwindigkeitsgradienten der 3 Säulen in einem 2-Ofensystem, wobei die Grafik auch schon die Geschwindigkeit für Säule 1 des ersten Ofens plotted. Die beiden detektorseitigen Säulen sind je einmal mit einem FID und einem MS verbunden, wobei die Interfacelängen und -temperaturen berücksichtigt sind*.

*Die Verwendung der Screenshots ist nur zu eigenen pers. Informationszwecken gestattet. Eine Weiterverbreitung, auch auszugsweise, ist nicht ohne die schriftliche Zustimmung durch Bodo Mysliwietz (Deutschland, Essen a.d.R., gemäß Impressum) gestattet.

Gesucht - Wanted!

Ich bin auf der Suche nach erfahrenen gaschromatographischen Anwendern welche, abweichend vom Einsäulen-GC-System, komplexere Systeme (z.B. wie oben abgebildet) betreiben und BoGaChrom z.B. auf Plausibilität und Bedienungsfreundlichkeit testen möchten. Über ein anschl. Feedback würde ich mich sehr freuen - ist aber nicht Bedingung.

Voraussetzungen für Interessenten:

ein PC mit bereits installiertem Microsoft Excel (empfohlen ab 2003)
einen PDF-Reader zum lesen des deutschen Handbuchs (the english manual is in progress)
da die Tooloberfläche in Englisch gehalten ist müssen Begriffe wie z.B. pressure, Column flow, Linear velocity geläufig sein!
das Grundverständis das das Tool nicht unter allen erdenklichen Kombinationen in der Praxis von mir getestet ist und keine Garantie für Hardware (GC, PC...) und Präzision der Berechnungen gegeben werden kann.
Das Bewußtsein das Sie keine normale Excel-Datei (.xls oder .xlsx-Format) erhalten, sondern eine verschlüsselte ausführbare Datei (".exe") welche zur Ausführung automatisch die Excelanwendung öffnet, so dass Blattstrukturen, Formeln ect. nicht geändert oder eingesehen werden können. Excel dient nur als grafische Eingabe-/Ausgabeoberfläche (wie in den Screenshoots oben) - alles andere läuft über/in der Exe-Datei. Es können keine lauffähigen Excelkopien gespeichert werden. Änderungen werden immer nur in die ausführbare Datei geschrieben! Diese läßt sich aber mehrfach mit neuem Namen auf dem selben PC speichern, so daß spezifische Grundkonfigurationen nicht erneut erarbeitet/eingegeben werden müssen.

Funktionsumfang von BoGaChrom:

Trägergase: H2, He**, Ar, N2
Berechnung der typischerweise mittleren Lineargeschwindigkeit (genauer der Lineargeschwindigkeit bei halber Säulenlänge)
Berücksichtigung der Interfacelängen und -temperaturen zw. GC's und zu den Detektoren (frei definierbar)
freiwählbarer Detektorinnendruck (Vakuum bis 250kPa absolut)
absoluter Atmosphärendruck zw. 50kPa und 150kPa (50hPa bis 1500hPa) frei definierbar
Berechnung der Gasflüsse und Lineargeschwindigkeiten unter Berücksichtigung der beaufschlagten Mitteldrücke der an der Verbindungs-/Split-hardware angeschlossenen elektronischen Druckregler
Berechnung des statischen Staudrucks (Equilibrium, back pressure) an den jeweiligen Verbindungs-/Splitelementen zu Diagnose/Kontrollzwecken
Berechnung einer "hypothetischen Säulenlänge" in Abhängigkeit von der Softwarekalkulationsbasis (z.B. MS-Software oder normale atmosphärenbezogene Software), mit dem Ziel der zuverlässigen Berechnung des Injektorssplitverhältnisses
zu jeder Säule existiert ein grafischer Plot der den Gradienten der Lineargeschwindigkeit entlang der Säule aufzeichnet, zus. wird die reale Geschwindigkeit bei 0,5% und 99,5% Säulenlänge berechnet, die (reale) mittlere Lineargeschwindigkeit und relative Standardabweichung (RSD) bezogen auf den Mittelwert. Die Grafiken decken dabei die gesamte Säulenlänge bis in den Detektor - und bei 2 Dimensionen, für die Verbindungsäule auch die Teilstücke für den 1.Ofen plus Interface plus 2. Ofen ab
**Gänzlich abweichend von jeder mir bekannten Software kann bei der Verwendung von Quarzsäulen (fused Silica) im Hochtemperaturbereich und Verwendung von Helium als Trägergas, optional die Wandstärke eingegeben und der Permeationsverlust entlang der Säule berechnet werden. Dieser Verlust wird auch bei der Berechnung von Lineargeschwindigkeiten, Mitteldrücken und Ausgangsflüssen berücksichtig
für den backflush und den Detektorsplitteil wird zu einer gegebenen Starttemperatur und einer Endtemperatur (lineare Temperaturrampe) in 20 Schritten eine Druckrampe für konstante Lineargeschwindigkeit oder konstantem Fluss berechnet - oder bei konstantem Druck der Verlauf von Geschwindigkeit bzw. Fluss (auch wahlweise unter Berücksichtigung der **He-Permeation)
das backflush und Splittool enthalten zus. einen "Flow-Mode-Assistenten" der den nötigen Kopfdruck zu einer gewünschten Lineargeschwindigkeit oder Fluss berechnet
die Berechnungstools für eindimensionalem Detektor und mehrdimensionaler GC berechnen die Splitverhältnisse wahlweise auch unter Berücksichtigung der **He-Permeabilität
Das Tool zur Mehrdimensionalität berücksichtigt 1 Detektor im 1. GC und 2 Detektoren (gesplittet) im 2. GC. Für alle 3 Detektoren ist der Innendruck (wie oben angegeben) frei definierbar. Somit können von 0 bis 3 Atmosphärendetektoren (z.B. FID) oder 0 bis 3 MS (bzw. beliebige Drücke) berechnet werden
im mehrdimensionalem Berechnungstool wird einmal das rel. Splitverhältnis an jedem Teilungsverbinder (split device) berechnet, zus. auch der Gesamtanteil der injizierten Probenmenge an jedem Detektor (Total Split) --> z.B. FID1=62,6%; FID2=34,6%; MS=2,8% (gesamt. 100% der auf der Säule injizierten Probe)

14-Tage Testversion mit vollem Funktionsumfang (14 days trial version with all functions):

BoGaChrom - download

Nach Ablauf der 14-tägigen Testphase kann per eMail, unter Zusendung des angezeigten Computercodes, ein Aktivierungscode zur Verlängerung angefordert werden (kostenfrei).

Die ausführbare Datei führt keine Installationen auf dem Rechner aus, greift somit nicht ins Betriebssystem ein (und sollte so auch auf jedem Arbeitsplatz-PC ohne Administratorrechte funktionieren).

Noch Fragen zu / further questions about BoGaChrom?

Bitte wenden Sie sich an folgende eMail-Adresse (please write to):

bogachrom at labortechniker.de

Ansprechpartner/contact person: Bodo Mysliwietz