Was ist Gaschromatographie?
Die Gaschromatographie (GC) ist eine Analysetechnik, die verwendet wird Trennen Sie die chemischen Komponenten eines Probengemisches und erfassen Sie sie, um festzustellen, ob sie vorhanden sind oder nicht und / oder wie viel vorhanden ist. Diese chemischen Komponenten sind üblicherweise organische Moleküle oder Gase. Damit GC erfolgreich analysiert werden kann, müssen diese Komponenten flüchtig sein, normalerweise mit einem Molekulargewicht unter 1250 Da, und thermisch stabil, damit sie sich im GC-System nicht zersetzen. GC ist in den meisten Branchen eine weit verbreitete Technik: zur Qualitätskontrolle bei der Herstellung vieler Produkte, von Autos über Chemikalien bis hin zu Pharmazeutika; zu Forschungszwecken von der Analyse von Meteoriten bis hin zu Naturstoffen; und für die Sicherheit von Umwelt über Lebensmittel bis hin zur Forensik. Gaschromatographen werden häufig mit Massenspektrometern (GC-MS) getrennt, um die Identifizierung der chemischen Komponenten zu ermöglichen.
Wie funktioniert die Gaschromatographie?
Wie der Name schon sagt, verwendet GC bei der Trennung ein Trägergas, dies spielt die Rolle des Mobiltelefons Phase (Abbildung 1 (1)). Das Trägergas transportiert die Probenmoleküle durch das GC-System, idealerweise ohne mit der Probe zu reagieren oder die Instrumentenkomponenten zu beschädigen.
Die Probe wird zuerst entweder mit a in den Gaschromatographen (GC) eingeführt Spritze oder aus einem Autosampler (Abbildung 1 (2)) übertragen, der auch die chemischen Komponenten aus festen oder flüssigen Probenmatrizen extrahieren kann. Die Probe wird durch ein Septum in den GC-Einlass (Abbildung 1 (3)) injiziert, wodurch die Injektion der Probenmischung ohne Verlust der mobilen Phase ermöglicht wird. Mit dem Einlass ist die analytische Säule (Abbildung 1 (4)) verbunden, ein langes (10 – 150 m), schmales (0,1 – 0,53 mm Innendurchmesser) Quarzglas- oder Metallrohr, das die an den Innenwänden beschichtete stationäre Phase enthält. Die analytische Säule wird in dem Säulenofen gehalten, der während der Analyse erhitzt wird, um die weniger flüchtigen Komponenten zu eluieren. Der Auslass der Säule wird in den Detektor eingeführt (Abbildung 1 (5)), der auf die chemischen Komponenten reagiert, die von der Säule eluieren, um ein Signal zu erzeugen. Das Signal wird von der Erfassungssoftware auf einem Computer aufgezeichnet, um ein Chromatogramm zu erstellen (Abbildung 1 (6)).
Abbildung 1: Ein vereinfachtes Diagramm eines Gaschromatographen, das Folgendes zeigt :. ) Trägergas, (2) Autosampler, (3) Einlass, (4) analytische Säule, (5) Detektor und (6) PC. Bildnachweis: Anthias Consulting.
Nach der Injektion in den GC-Einlass werden die chemischen Komponenten des Probengemisches zunächst verdampft, sofern sie sich nicht bereits in der Gasphase befinden. Bei Proben mit niedriger Konzentration wird die gesamte Dampfwolke vom Trägergas im sogenannten Splitless-Modus in die Analysesäule übertragen. Bei Proben mit hoher Konzentration wird nur ein Teil der Probe im geteilten Modus auf die Analysesäule übertragen. Der Rest wird durch die Trennlinie aus dem System gespült, um eine Überlastung der analytischen Säule zu verhindern.
Einmal In der analytischen Säule werden die Probenkomponenten durch ihre unterschiedlichen Wechselwirkungen mit der stationären Phase getrennt. Daher sollten bei der Auswahl des zu verwendenden Säulentyps die Flüchtigkeit und die funktionellen Gruppen der Analyten berücksichtigt werden, um sie an die stationäre Phase anzupassen. Flüssige stationäre Phasen fallen hauptsächlich in zwei Typen: Polyethylenglykol (PEG) oder Polydimethylsiloxan (PDMS), wobei letztere unterschiedliche Prozentsätze an Dimethyl-, Diphenyl- oder mittelpolaren funktionellen Gruppen aufweisen, beispielsweise Cyanopropylphenyl. Gleiches trennt Gleiches, daher eignen sich unpolare Säulen mit Dimethyl oder einem geringen Prozentsatz an Diphenyl gut zum Trennen unpolarer Analyten. Diejenigen Moleküle, die zu π-π-Wechselwirkungen fähig sind, können an stationären Phasen, die Phenylgruppen enthalten, getrennt werden. Diejenigen, die zur Wasserstoffbindung fähig sind, zum Beispiel Säuren und Alkohole, werden am besten mit PEG-Säulen getrennt, es sei denn, sie wurden derivatisiert, um sie weniger polar zu machen.
Der letzte Schritt ist der Nachweis der Analytmoleküle wenn sie von der Säule eluieren. Es gibt viele Arten von GC-Detektoren, zum Beispiel: solche, die auf CH-Bindungen reagieren, wie den Flammenionisationsdetektor (FID); diejenigen, die auf bestimmte Elemente wie Schwefel, Stickstoff oder Phosphor reagieren; und solche, die auf bestimmte Eigenschaften des Moleküls reagieren, wie die Fähigkeit, ein Elektron einzufangen, wie es mit dem Elektroneneinfangdetektor (ECD) verwendet wird.
Hinzufügen von Masse Spektrometrie zu Gaschromatographie (GC-MS)
Massenspektrometrie (MS) ist eine Analysetechnik, die zu einem GC getrennt und anstelle des GC-Detektors verwendet werden kann. Die neutralen Moleküle eluieren von der analytischen Säule und werden in der Ionenquelle ionisiert, um Molekülionen zu erzeugen, die sich zu Fragmentionen zersetzen können. Das Fragment und die Molekülionen werden dann im Massenanalysator durch ihr Masse: Ladung (m / z) -Verhältnis getrennt und detektiert.Daten von einer GC-MS sind dreidimensional und liefern Massenspektren, die zur Identitätsbestätigung, zur Identifizierung unbekannter Analyten und zur Bestimmung der strukturellen und chemischen Eigenschaften von Molekülen sowie des Chromatogramms zur qualitativen und quantitativen Analyse verwendet werden können.
Wie liest man ein Chromatogramm und was sagt es Ihnen?
Abbildung 2: Chromatogrammausgabe eines GC oder GC -FRAU. Bildnachweis: Anthias Consulting.
Aus dem Chromatogramm können viele Informationen über den Zustand des GC- oder GC-MS-Systems sowie die für die Durchführung einer qualitativen oder quantitativen Analyse erforderlichen Daten gewonnen werden. P. >
Die x-Achse ist die Retentionszeit vom Zeitpunkt der Injektion der Probe in den GC (t0) bis zum Ende des GC-Laufs. Jeder Analytpeak hat eine Retentionszeit, die vom Scheitelpunkt des Peaks gemessen wird, beispielsweise tR. Die y-Achse ist die gemessene Antwort des Analytpeaks im Detektor. Die Basislinie zeigt das Signal vom Detektor, wenn kein Analyt von der Säule eluiert oder unter der Nachweisgrenze liegt. Die Grundreaktion ist eine Mischung aus elektrischem Rauschen (normalerweise gering) und chemischem Rauschen, wie Verunreinigungen im Trägergas, stationäre Phasenentlüftung der Säule und Systemverunreinigung. Wenn die Basislinie höher ist als sie sein sollte, ist dies ein Hinweis auf ein Problem oder darauf, dass eine Wartung erforderlich ist. Vom Peak aus können verschiedene Messungen vorgenommen werden, z. B. Breite an der Grundlinie, Breite auf halber Höhe, Gesamthöhe und Fläche. Die beiden letzteren sind proportional zur Konzentration, es ist jedoch der Bereich, der zur Quantifizierung verwendet wird, da er weniger von der Bandverbreiterung betroffen ist. Die Messungen können verwendet werden, um das Ausmaß der Bandenverbreiterung und die Ausbreitung der Analytmoleküle auf der Säule zu berechnen. Engere, schärfere Peaks ergeben eine bessere Empfindlichkeit (Signal-Rausch-Verhältnis) und eine bessere Auflösung (Peak-Trennung). Die gezeigten Peaks sind Gaußsch, jedoch zeigt das Peak-Tailing (die rechte Seite des Peaks ist breiter) Aktivität oder ein Totvolumen im System an, während ein Peak-Fronting (die linke Seite des Peaks ist breiter) anzeigt, dass die Säule überlastet ist. Genaue Messungen werden durch die Anzahl der Datenpunkte über einen Peak beeinflusst, wobei eine ideale Anzahl zwischen 15 und 25 liegt. Zu wenig lässt den Peak wie die Zeichnung eines Kindes aussehen, was sich auf die Peakfläche, die Auflösung und bei GC-MS auf die Entfaltung auswirkt. Zu viele reduzieren das Signal in Rauschen und verringern die Empfindlichkeit. Bei GC-MS-Daten ist jeder Datenpunkt ein Massenspektrum, die dritte Dimension von Daten.
Gaschromatographie in mehrere Dimensionen bringen
Im Vergleich zu anderen Trenntechniken, GC hat eine hohe Spitzenkapazität mit der Fähigkeit, Hunderte von Verbindungen zu trennen. Für einige Anwendungen, bei denen Tausende von Peaks getrennt werden müssen, gibt es jedoch nicht genügend theoretische Platten, um sie alle chromatographisch zu trennen. Beispiele können die Analyse von Diesel sein oder wo Spurenanalyten in komplexen Matrices wie Umwelt-, biologischen oder Lebensmittelproben nachgewiesen werden müssen. Die spektrale Auflösung, bei der eine MS mit einem GC getrennt wird, ermöglicht die Durchführung einer Analyse ohne vollständige chromatographische Auflösung. Die Coeluting-Peaks müssen jedoch unterschiedliche Spektren aufweisen, damit dies vollständig erfolgreich ist.
Herzschneiden ist nützlich, wenn eine Säule ausgewählt wird, um die Mehrheit der Peaks zu trennen, dann werden einige Gruppen von Coeluting-Peaks „geschnitten“ und auf eine zweite Säule übertragen, die eine andere stationäre Phase und Selektivität enthält. Nur wenige Schnitte können durch den Lauf übertragen werden Daher kann es nur verwendet werden, wenn einige Problemtrennungen vorliegen.
Abbildung 3: GC x GC-Konturdiagramm von Diesel mit Darstellung der verschiedenen getrennten chemischen Klassen. Die Spalte der 1. Dimension ist nicht -polare und 2. Dimension Säule ist mittelpolar. Bildnachweis: Anthias Consulting.
Für komplexe Proben mit häufigen Koelutionen wird eine umfassende zweidimensionale Chromatographie (GC x GC) verwendet. Zwei Säulen , die unterschiedliche stationäre Phasen enthalten und daher unterschiedlich sind Trennmechanismen sind in Reihe geschaltet. Der „normale“ Aufbau ist eine unpolare Säule der 1. Dimension, gefolgt von einer polareren Säule der 2. Dimension, wie in Abbildung 3 gezeigt, für die Analyse von Diesel. Zwischen den beiden Säulen wird ein Modulator verwendet, um einen Schnitt aus der erste Säule und erneut in einem schmalen Probenband auf die zweite Säule injizieren. Wärmemodulatoren erreichen dies unter Verwendung der Temperatur, um die Moleküle einzufangen und dann freizusetzen. Strömungsmodulatoren sammeln das Abwasser, komprimieren und spülen die Moleküle auf die zweite Säule. Während des gesamten Laufs werden Schnitte vorgenommen Diese Trennung sollte auf der zweiten Säule erfolgen, bevor der nächste Schnitt eingeführt wird. Diese schnelle Trennung wird durch Verwendung einer kurzen, schmalen zweiten Säule erreicht, normalerweise 1-2 m mit einem Innendurchmesser von 0,1 mm, die mit Thermik verwendet wird Modulatoren oder eine kurze, breitere zweite Säule, üblicherweise 5 m mit einem Innendurchmesser von 0,25 mm, die mit Strömungsmodulatoren verwendet wird.GC x GC-Peaks sind bis zu 35 ms sehr eng, daher müssen schnelle GC-Detektoren oder Massenspektrometer mit hoher Erfassungsrate > 100 Hz verwendet werden, um genügend Datenpunkte zu erfassen.
Stärken und Grenzen der Gaschromatographie
GC ist in den meisten Branchen eine weit verbreitete Technik. Es wird für die Routineanalyse bis hin zur Forschung verwendet und analysiert einige bis viele Hunderte (oder Tausende mit GC x GC) von Verbindungen in vielen verschiedenen Matrices, von Feststoffen bis zu Gasen. Es ist eine robuste Technik und lässt sich leicht mit anderen Techniken, einschließlich Massenspektrometrie, trennen.
GC beschränkt sich auf die Analyse flüchtiger Verbindungen von Helium / Wasserstoff bis zu Molekulargewichten von etwa 1250 u. Thermisch labile Verbindungen können sich in einem heißen GC zersetzen, daher sollten kalte Injektionstechniken und niedrige Temperaturen verwendet werden, um dies zu minimieren. Mehr polare Analyten können im GC stecken bleiben oder verloren gehen, daher sollte das System deaktiviert und gut gewartet oder diese Analyten derivatisiert werden.
Häufige Probleme bei der Gaschromatographie
Das häufigste Problem bei der GC sind Lecks. Die mobile Phase ist ein Gas und fließt durch das System. Daher ist die korrekte Installation von Teilen und Verbrauchsmaterialien sowie die regelmäßige Dichtheitsprüfung wichtig.
Die Aktivität ist ein weiteres Problem für polarere Analyten, insbesondere bei Spurenpegel. Silanolgruppen auf den Glasauskleidungen und der Säule sowie Schmutzansammlungen im System können zu Tailing-Peaks, irreversibler Adsorption oder katalytischem Abbau führen. Der Einlass ist der Bereich, der die meisten Probleme verursacht, da hier die Probe injiziert, verdampft und in die GC-Säule überführt wird. Daher ist eine regelmäßige Wartung des Einlasses sowie die Verwendung der richtigen Verbrauchsmaterialien, z. B. einer deaktivierten Einlassauskleidung, wichtig, um das Gerät störungsfrei zu halten.