Co je to plynová chromatografie?
Plynová chromatografie (GC) je analytická technika používaná k oddělte chemické složky směsi vzorků a poté je detekujte, abyste určili jejich přítomnost nebo nepřítomnost a / nebo kolik je přítomno. Tyto chemické složky jsou obvykle organické molekuly nebo plyny. Aby byla GC ve své analýze úspěšná, musí být tyto složky těkavé, obvykle s molekulovou hmotností nižší než 1250 Da, a tepelně stabilní, aby se v systému GC nerozkládaly. GC je široce používanou technikou ve většině průmyslových odvětví: pro kontrolu kvality při výrobě mnoha produktů od automobilů přes chemikálie až po farmaceutika; pro výzkumné účely od analýzy meteoritů po přírodní produkty; a pro bezpečnost od životního prostředí přes potraviny po forenzní. Plynové chromatografy se často dělí na hmotnostní spektrometry (GC-MS), aby bylo možné identifikovat chemické složky.
Jak funguje plynová chromatografie?
Jak název napovídá, GC používá při separaci nosný plyn, který hraje roli mobilního telefonu fáze (obrázek 1 (1)). Nosný plyn transportuje molekuly vzorku systémem GC, ideálně bez reakce se vzorkem nebo poškození součástí přístroje.
Vzorek se nejprve zavede do plynového chromatografu (GC), buď pomocí injekční stříkačku nebo přenesený z autosampleru (obrázek 1 (2)), který může také extrahovat chemické složky z pevných nebo kapalných matric vzorků. Vzorek se vstřikuje do vstupu GC (obrázek 1 (3)) přepážkou, která umožňuje vstřikování směsi vzorku bez ztráty mobilní fáze. K vstupu je připojena analytická kolona (obrázek 1 (4)), dlouhá (10 – 150 m), úzká (vnitřní průměr 0,1 – 0,53 mm) tavená křemičitá nebo kovová trubice, která obsahuje stacionární fázi potaženou na vnitřních stěnách. Analytická kolona se udržuje v kolonové peci, která se během analýzy zahřívá, aby se eluovaly méně těkavé složky. Výstup z kolony je vložen do detektoru (obrázek 1 (5)), který reaguje na chemické složky eluované z kolony za vzniku signálu. Signál je zaznamenáván akvizičním softwarem do počítače za vzniku chromatogramu (obrázek 1 (6)).
Obrázek 1: Zjednodušené schéma plynového chromatografu ukazující: (1 ) nosný plyn, (2) autosampler, (3) přívod, (4) analytická kolona, (5) detektor a (6) PC. Uznání: Anthias Consulting.
Po vstřikování do vstupu GC se chemické složky směsi vzorků nejprve odpaří, pokud ještě nejsou v plynné fázi. U vzorků s nízkou koncentrací je celý oblak páry přenesen do analytické kolony nosným plynem v tzv. Splitless módu. U vzorků s vysokou koncentrací se do analytické kolony v režimu rozdělení přenese pouze část vzorku, zbytek se ze systému propláchne dělenou čarou, aby se zabránilo přetížení analytické kolony.
Jednou v analytické koloně jsou složky vzorku odděleny jejich různými interakcemi se stacionární fází. Při výběru typu kolony, která se má použít, by se proto měla zvážit volatilita a funkční skupiny analytů, aby se shodovaly se stacionární fází. Kapalné stacionární fáze spadají hlavně do dvou typů: na bázi polyethylenglykolu (PEG) nebo polydimethylsiloxanu (PDMS), přičemž tyto polymery mají různá procenta dimethylových, difenylových nebo středně polárních funkčních skupin, například kyanopropylfenylu. Like separates like, proto nepolární kolony s dimethyl nebo nízkým procentem difenylu jsou dobré pro separaci nepolárních analytů. Molekuly schopné interakce π-π lze oddělit na stacionárních fázích obsahujících fenylové skupiny. Ty, které jsou schopné vodíkové vazby, například kyseliny a alkoholy, se nejlépe separují pomocí PEG kolon, pokud neprošly derivatizací, aby byly méně polární.
Posledním krokem je detekce molekul analytu. když se vymyjí ze sloupce. Existuje mnoho typů detektorů GC, například: ty, které reagují na vazby CH, jako je plamenový ionizační detektor (FID); ty, které reagují na specifické prvky, například síru, dusík nebo fosfor; a ty, které reagují na specifické vlastnosti molekuly, jako je schopnost zachytit elektron, jak se používá u detektoru elektronového zachycení (ECD).
Přidání hmoty spektrometrie k plynové chromatografii (GC-MS)
Hmotnostní spektrometrie (MS) je analytická technika, kterou lze rozdělit na GC a použít ji místo GC detektoru. Neutrální molekuly se eluují z analytické kolony a ionizují se ve zdroji iontů za vzniku molekulárních iontů, které se mohou rozkládat na fragmentové ionty. Fragment a molekulární ionty jsou poté odděleny v hmotnostním analyzátoru podle jejich poměru hmotnost: náboj (m / z) a jsou detekovány.Data z GC-MS jsou trojrozměrná a poskytují hmotnostní spektra, která lze použít k potvrzení identity, k identifikaci neznámých analytů a ke stanovení strukturních a chemických vlastností molekul, stejně jako chromatogram, který lze použít pro kvalitativní a kvantitativní analýzu.
Jak čtete chromatogram a co vám říká?
Obrázek 2: Chromatogramový výstup z GC nebo GC -SLEČNA. Uznání: Anthias Consulting.
Z chromatogramu lze získat mnoho informací o stavu systému GC nebo GC-MS a také údaje potřebné k provedení kvalitativní nebo kvantitativní analýzy.
Osa x je retenční čas, odebraný od okamžiku, kdy byl vzorek injektován do GC (t0) do konce běhu GC. Každý pík analytu má retenční čas měřený od vrcholu píku, například tR. Osa y je měřená odezva píku analytu v detektoru. Základní linie ukazuje signál z detektoru, když ze kolony nevymyje žádný analyt nebo je pod detekčním limitem. Základní reakcí je směs elektrického šumu (obvykle nízkého) a chemického šumu, jako jsou nečistoty v nosném plynu, stacionární odvzdušňování kolony a kontaminace systému. Pokud je tedy základní úroveň vyšší, než by měla být, je to známka problému nebo je nutná údržba. Z vrcholu lze provádět různá měření, jako je šířka na základní linii, šířka v polovině výšky, celková výška a plocha. Poslední dvě jsou úměrné koncentraci, ale pro kvantifikaci se používá oblast, která je méně ovlivněna rozšířením pásma. Měření lze použít k výpočtu rozsahu rozšíření pásma, šíření molekul analytu na koloně. Užší a ostřejší vrcholy poskytují lepší citlivost (poměr signálu k šumu) a lepší rozlišení (oddělení špiček). Zobrazené píky jsou gaussovské, avšak sledování píku (pravá strana píku je širší) indikuje aktivitu nebo mrtvý objem v systému, zatímco fronty píku (levá strana píku je širší) indikují přetížení sloupce. Přesná měření jsou ovlivněna počtem datových bodů na špičce, přičemž ideální počet je 15–25. Příliš málo způsobí, že vrchol bude vypadat jako dětská kresba spojovacích bodů, což ovlivní plochu vrcholu, rozlišení a pomocí GC-MS dekonvoluci. Příliš mnoho snižuje signál na šum a snižuje citlivost. U dat GC-MS je každý datový bod hmotnostním spektrem, třetí dimenzí dat.
Převádění plynové chromatografie do více dimenzí
Ve srovnání s jinými separační techniky, GC má vysokou špičkovou kapacitu se schopností separovat stovky sloučenin. U některých aplikací, kde je třeba oddělit tisíce vrcholů, však není dostatek teoretických desek, které by je všechny chromatograficky oddělily. Příkladem může být analýza nafty nebo analýza stopových analytů ve složitých matricích, jako jsou vzorky prostředí, biologické vzorky nebo potraviny. Spektrální rozlišení, kde je MS děleno na GC, umožňuje provádět analýzu bez plného chromatografického rozlišení, ale aby byly vrcholy koelutování plně úspěšné, musí mít různá spektra.
Srdeční řezy je užitečné tam, kde je vybrána kolona k oddělení většiny píků, poté je několik skupin koelutovacích píků „rozříznuto“ a přeneseno do druhého sloupce obsahujícího jinou stacionární fázi a selektivitu. , proto jej lze použít pouze tam, kde existuje několik separací problémů.
Obrázek 3: GC x GC obrysový graf nafty zobrazující oddělené různé chemické třídy. Sloupec 1. dimenze není -polární a sloupec 2. dimenze je středně polární. Uznání: Anthias Consulting.
U komplexních vzorků, kde dochází k častým koelutions, se používá komplexní dvourozměrná chromatografie (GC x GC). Dva sloupce , obsahující různé stacionární fáze, a proto odlišné separační mechanismy, jsou nastaveny do série. „Normálním“ nastavením je nepolární sloupec 1. dimenze, za nímž následuje polárnější sloupec 2. dimenze, jak je znázorněno na obrázku 3, pro analýzu nafty. Mezi dvěma sloupy se používá modulátor k odříznutí od první kolona a znovu se injektuje v úzkém pásmu vzorku do druhé kolony. Tepelné modulátory toho dosáhnou pomocí teploty k zachycení a následnému uvolnění molekul, modulátory průtoku shromažďují odpadní vodu, stlačují a propláchnou molekuly do druhé kolony. , obvykle každých 1 až 10 sekund. Oddělení na druhém sloupci by mělo být dosaženo před zavedením dalšího řezu. Tohoto rychlého oddělení je dosaženo použitím krátkého, úzkého druhého sloupu, obvykle 1–2 m s vnitřním průměrem 0,1 mm, který se používá modulátory; nebo krátký, širší druhý sloup, obvykle 5 m s vnitřním průměrem 0,25 mm používaný s modulátory průtoku.Špičky GC x GC jsou velmi úzké, až 35 ms, proto k získání dostatečného počtu datových bodů je nutné použít rychlé detektory GC nebo hmotnostní spektrometry s vysokou akviziční rychlostí > 100 Hz.
Silné stránky a omezení plynové chromatografie
GC je široce používanou technikou ve většině průmyslových odvětví. Používá se pro rutinní analýzu až po výzkum, který analyzuje několik až stovky (nebo tisíce s GC x GC) sloučenin v mnoha různých matricích, od pevných látek po plyny. Jedná se o robustní techniku a lze ji snadno rozdělit na jiné techniky, včetně hmotnostní spektrometrie.
GC se omezuje na analýzu těkavých sloučenin z helia / vodíku až do molekulové hmotnosti kolem 1250 u. Tepelně labilní sloučeniny se mohou v horké GC degradovat, proto by se k jejich minimalizaci měly použít techniky vstřikování za studena a nízké teploty. Více polárních analytů se může zaseknout nebo ztratit v GC, proto by měl být systém deaktivován a dobře udržován nebo tyto analyty derivatizovány.
Běžné problémy s plynovou chromatografií
Nejběžnějším problémem v GC jsou netěsnosti. Mobilní fáze je plyn a protéká celým systémem, proto je důležitá správná instalace dílů a spotřebního materiálu spolu s pravidelnou kontrolou těsnosti.
Aktivita je dalším problémem pro více polární analyty, zejména pro ty, stopové úrovně. Silanolové skupiny na skleněných vložkách a koloně a také hromadění nečistot v systému může způsobit koncové špičky, nevratnou adsorpci nebo katalytický rozpad. Vstup je oblast, která způsobuje největší problémy, protože zde je vzorek vstřikován, odpařován a přenášen do kolony GC. Proto je důležitá pravidelná údržba vstupu spolu s používáním správného spotřebního materiálu, například deaktivované vložky vstupu, aby byl přístroj bezproblémový.