Hvad er gaskromatografi?
Gaskromatografi (GC) er en analytisk teknik, der bruges til adskille de kemiske komponenter i en prøveblanding og derefter detektere dem for at bestemme deres tilstedeværelse eller fravær og / eller hvor meget der er til stede. Disse kemiske komponenter er normalt organiske molekyler eller gasser. For at GC skal få succes i deres analyse, skal disse komponenter være flygtige, normalt med en molekylvægt under 1250 Da og termisk stabile, så de ikke nedbrydes i GC-systemet. GC er en meget anvendt teknik på tværs af de fleste brancher: til kvalitetskontrol i fremstillingen af mange produkter fra biler til kemikalier til lægemidler; til forskningsformål fra analyse af meteoritter til naturlige produkter; og for sikkerhed fra miljø til mad til retsmedicin. Gaskromatografer er ofte bindestreg til massespektrometre (GC-MS) for at muliggøre identifikation af de kemiske komponenter.
Hvordan fungerer gaskromatografi?
Som navnet antyder, bruger GC en bærergas i separationen, dette spiller den del af mobilen fase (figur 1 (1)). Bærergassen transporterer prøvemolekylerne gennem GC-systemet, ideelt uden at reagere med prøven eller beskadige instrumentkomponenterne.
Prøven introduceres først i gaskromatografen (GC), enten med en sprøjte eller overføres fra en autosampler (figur 1 (2)), der også kan ekstrahere de kemiske komponenter fra faste eller flydende prøvematricer. Prøven injiceres i GC-indløbet (figur 1 (3)) gennem et septum, der muliggør injektion af prøveblandingen uden at miste den mobile fase. Tilsluttet til indløbet er den analytiske søjle (figur 1 (4)), et langt (10 – 150 m), smalt (0,1 – 0,53 mm indvendig diameter) kondenseret silica eller metalrør, der indeholder den stationære fase belagt på de indvendige vægge. Den analytiske søjle holdes i søjleovnen, som opvarmes under analysen for at eluere de mindre flygtige komponenter. Kolonnens udløb indsættes i detektoren (figur 1 (5)), som reagerer på de kemiske komponenter, der eluerer fra kolonnen for at frembringe et signal. Signalet optages af erhvervelsessoftwaren på en computer for at fremstille et kromatogram (figur 1 (6)).
figur 1: et forenklet diagram af en gaskromatograf, der viser: (1 ) bærergas, (2) autosampler, (3) indløb, (4) analytisk søjle, (5) detektor og (6) PC. Kredit: Anthias Consulting.
Efter injektion i GC-indløbet fordampes de kemiske komponenter i prøveblandingen først, hvis de ikke allerede er i gasfasen. For prøver med lav koncentration overføres hele dampskyen til den analytiske søjle af bærergassen i den såkaldte splitless mode. For prøver med høj koncentration overføres kun en del af prøven til den analytiske søjle i split-tilstand, resten skylles fra systemet gennem splitlinjen for at forhindre overbelastning af den analytiske søjle.
Én gang i den analytiske søjle adskilles prøvekomponenterne ved deres forskellige interaktioner med den stationære fase. Derfor, når man vælger den type kolonne, der skal bruges, skal analytternes flygtighed og funktionelle grupper overvejes at matche dem med den stationære fase. Flydende stationære faser falder hovedsageligt i to typer: polyethylenglycol (PEG) eller polydimethylsiloxan (PDMS) -baseret, sidstnævnte med varierende procentdele af dimethyl-, diphenyl- eller midpolære funktionelle grupper, for eksempel cyanopropylphenyl. Ligesom adskiller som, derfor er ikke-polære søjler med dimethyl eller en lav procentdel diphenyl gode til at adskille ikke-polære analytter. Disse molekyler, der er i stand til π-π-interaktioner, kan adskilles på stationære faser indeholdende phenylgrupper. De, der er i stand til hydrogenbinding, for eksempel syrer og alkoholer, adskilles bedst med PEG-søjler, medmindre de har gennemgået derivatisering for at gøre dem mindre polære.
Det sidste trin er påvisning af analytmolekylerne når de eluerer fra søjlen. Der er mange typer GC-detektorer, for eksempel: dem, der reagerer på CH-bindinger som flammeioniseringsdetektoren (FID); dem, der reagerer på specifikke grundstoffer, f.eks. svovl, nitrogen eller fosfor; og dem, der reagerer på specifikke egenskaber ved molekylet, som evnen til at fange en elektron, som brugt med elektronindfangningsdetektoren (ECD).
Tilføjelse af masse spektrometri til gaskromatografi (GC-MS)
Massespektrometri (MS) er en analytisk teknik, der kan bindestreg til en GC og bruges i stedet for GC-detektoren. De neutrale molekyler eluerer fra den analytiske søjle og ioniseres i ionkilden til dannelse af molekylære ioner, der kan nedbrydes til fragmentioner. Fragmentet og molekylionerne separeres derefter i masseanalysatoren ved deres forhold mellem masse: ladning (m / z) og detekteres.Data fra en GC-MS er tredimensionelle, der tilvejebringer massespektre, der kan bruges til identitetsbekræftelse, til at identificere ukendte analytter og til at bestemme molekylers strukturelle og kemiske egenskaber samt det kromatogram, der kan bruges til kvalitativ og kvantitativ analyse.
Hvordan læser du et kromatogram, og hvad fortæller det dig?
Figur 2: Kromatogram-output fra en GC eller GC -FRK. Kredit: Anthias Consulting.
Der kan opnås meget information fra kromatogrammet om GC- eller GC-MS-systemets sundhed samt de data, der kræves for at udføre kvalitativ eller kvantitativ analyse.
X-aksen er retentionstiden taget fra det tidspunkt, hvor prøven blev injiceret i GC (t0) til slutningen af GC-kørslen. Hver analyttop har en retentionstid målt fra toppen af toppen, for eksempel tR. Y-aksen er det målte respons af analyttoppen i detektoren. Basislinjen viser signalet fra detektoren, når der ikke elimineres en analyt fra søjlen, eller det er under detektionsgrænsen. Baseline-responset er en blanding af elektrisk støj (normalt lav) og kemisk støj, såsom urenheder i bærergassen, kolonnestationær faseudluftning og systemkontaminering. Derfor, hvis basislinjen er højere end den skulle være, er det en indikation af et problem, eller at vedligeholdelse er påkrævet. Forskellige målinger kan tages fra toppen, såsom bredde ved basislinjen, bredde i halv højde, total højde og areal. De to sidstnævnte er proportionale med koncentrationen, men det er det område, der bruges til kvantificering, da det er mindre påvirket af båndbredning. Målingerne kan bruges til at beregne omfanget af båndudvidelse, spredningen af analytmolekylerne på søjlen. Smalere, skarpere toppe giver bedre følsomhed (signal / støjforhold) og bedre opløsning (spidsadskillelse). De viste toppe er gaussiske, men peak tailing (højre side af toppen er bredere) indikerer aktivitet eller et dødt volumen i systemet, hvorimod en peak fronting (venstre side af toppen er bredere) angiver, at søjlen er overbelastet. Nøjagtige målinger påvirkes af antallet af datapunkter over en top, hvor et ideelt tal er 15-25. For få, får toppen til at ligne et barns tegning til at slutte sig til prikker, hvilket påvirker topareal, opløsning og med GC-MS deconvolution. For mange reducerer signalet til støj og reducerer følsomheden. For GC-MS-data er hvert datapunkt et massespektrum, den tredje dimension af data.
At tage gaskromatografi i flere dimensioner
Sammenlignet med nogle andre adskillelsesteknikker, har GC en høj spidsevne med evnen til at adskille hundreder af forbindelser. Men for nogle applikationer, hvor tusinder af toppe skal adskilles, er der ikke nok teoretiske plader til at kromatografisk adskille dem alle. Eksempler kan omfatte analyse af diesel, eller hvor sporanalyter skal detekteres i komplekse matricer som miljø-, biologiske eller fødevareprøver. Spektralopløsning, hvor en MS er bindestreg til en GC, gør det muligt at udføre analyse uden fuld kromatografisk opløsning, men de coeluterende toppe skal have forskellige spektre for at dette skal være fuldt ud.
Hjerteskærende er nyttigt, hvor en søjle er valgt til at adskille størstedelen af toppe, derefter “klippes” nogle få grupper af coeluerende toppe og overføres til en anden søjle, der indeholder en anden stationær fase og selektivitet. , derfor kan den kun bruges, hvor der er et par problemadskillelser.
Figur 3: GC x GC konturplot af diesel, der viser de forskellige kemiske klasser adskilt. 1. dimensionskolonne er ikke -polær og 2. dimensionskolonne er midtpolær. Kredit: Anthias Consulting.
Til komplekse prøver, hvor der ofte er koelutioner, anvendes omfattende to-dimensionel kromatografi (GC x GC). To kolonner , der indeholder forskellige stationære faser og derfor forskellige adskillelsesmekanismer, er sat op i serie. Den “normale” opsætning er en ikke-polær søjle i 1. dimension efterfulgt af en anden polær søjle med 2. dimension, som vist i figur 3, til analyse af diesel. En modulator bruges mellem de to søjler til at tage et snit fra første søjle og genindsprøjtes i et smalt prøvebånd på den anden søjle. Termiske modulatorer opnår dette ved hjælp af temperatur for at fælde og derefter frigive molekylerne, strømningsmodulatorer opsamler spildevand, komprimerer og skyller molekylerne ned i den anden søjle. Nedskæringer tages under hele løbet , normalt hvert 1. til 10. sekund. Separation på den anden søjle skal opnås inden næste snit indføres. Denne hurtige adskillelse opnås ved hjælp af en kort, smal anden søjle, normalt 1-2 m med 0,1 mm indvendig diameter brugt med termisk modulatorer; eller en kort, bredere anden søjle, normalt 5 m med en indvendig diameter på 0,25 mm, der anvendes med strømningsmodulatorer.GC x GC-toppe er meget snævre, ned til 35 ms, derfor skal der anvendes hurtige GC-detektorer eller massespektrometre med høj erhvervelseshastighed > 100 Hz til at tilegne tilstrækkelige datapunkter.
Styrker og begrænsninger ved gaskromatografi
GC er en udbredt teknik inden for de fleste brancher. Det bruges til rutineanalyse til forskning, analyserer nogle få til mange hundrede (eller tusinder med GC x GC) af forbindelser i mange forskellige matricer, fra faste stoffer til gasser. Det er en robust teknik og er let bindestreg til andre teknikker, herunder massespektrometri.
GC er begrænset til at analysere flygtige forbindelser fra helium / hydrogen op til molekylvægte på omkring 1250 u. Termisk labile forbindelser kan nedbrydes i en varm GC, derfor bør der anvendes kolde injektionsteknikker og lave temperaturer for at minimere dette. Flere polære analytter kan sætte sig fast eller gå tabt i GC, derfor skal systemet deaktiveres og vedligeholdes godt, eller disse analytter derivatiseres.
Almindelige problemer med gaskromatografi
Det mest almindelige problem i GC er lækager. Den mobile fase er en gas og strømmer gennem systemet, derfor er den korrekte installation af dele og forbrugsvarer vigtig sammen med regelmæssig lækagekontrol.
Aktivitet er et andet problem for mere polære analyser, især dem på sporingsniveauer. Silanolgrupper på glasforingerne og søjlen og også opbygning af snavs i systemet kan forårsage haletoppe, irreversibel adsorption eller katalytisk nedbrydning. Indløbet er det område, der forårsager de fleste problemer, da det er her, prøven injiceres, fordampes og overføres til GC-søjlen. Derfor er regelmæssig vedligeholdelse af indløbet sammen med brug af de korrekte forbrugsvarer, f.eks. En deaktiveret indløbsforing, vigtig for at holde instrumentet problemfrit.