Mikä on kaasukromatografia?
Kaasukromatografia (GC) on analyyttinen tekniikka, jota käytetään erota näyteseoksen kemialliset komponentit ja havaitse ne sitten niiden läsnäolon tai poissaolon ja / tai läsnäolon määrittämiseksi. Nämä kemialliset komponentit ovat yleensä orgaanisia molekyylejä tai kaasuja. Jotta GC olisi onnistunut analyysissään, näiden komponenttien on oltava haihtuvia, yleensä molekyylipainolla alle 1250 Da, ja termisesti stabiileja, jotta ne eivät hajoa GC-järjestelmässä. GC on laajalti käytetty tekniikka useimmilla teollisuudenaloilla: laadunvalvontaan useiden tuotteiden valmistuksessa autoista kemikaaleihin lääkkeisiin; tutkimustarkoituksiin meteoriittien analysoinnista luonnontuotteisiin; ja turvallisuudesta ympäristöstä elintarvikkeisiin ja rikosteknisiin tutkimuksiin. Kaasukromatografit tavutetaan usein massaspektrometreiksi (GC-MS) kemiallisten komponenttien tunnistamisen mahdollistamiseksi.
Kuinka kaasukromatografia toimii?
Kuten nimestäkin käy ilmi, GC käyttää erotuksessa kantajakaasua, tämä on osa mobiilia vaihe (kuva 1 (1)). Kantajakaasu kuljettaa näytemolekyylit GC-järjestelmän läpi, mieluiten reagoimatta näytteen kanssa tai vahingoittamatta instrumentin komponentteja.
Näyte viedään ensin kaasukromatografiin (GC) joko ruisku tai siirretty automaattisesta näytteenottajasta (kuva 1 (2)), joka voi myös uuttaa kemialliset komponentit kiinteistä tai nestemäisistä näytematriiseista. Näyte injektoidaan GC-tuloon (kuva 1 (3)) väliseinän kautta, mikä mahdollistaa näyteseoksen injektoinnin menettämättä liikkuvaa faasia. Syöttöaukkoon on liitetty analyyttinen pylväs (kuva 1 (4)), pitkä (10-150 m), kapea (0,1 – 0,53 mm sisähalkaisija) sulatettu piidioksidi- tai metalliputki, joka sisältää sisäseiniin päällystetyn kiinteän faasin. Analyyttinen pylväs pidetään kolonniuunissa, jota kuumennetaan analyysin aikana vähemmän haihtuvien komponenttien eluoimiseksi. Pylvään ulostulo asetetaan detektoriin (kuva 1 (5)), joka reagoi pylväästä eluoituviin kemiallisiin komponentteihin signaalin tuottamiseksi. Vastaanotto-ohjelmisto tallentaa signaalin tietokoneelle kromatogrammin tuottamiseksi (kuva 1 (6)).
Kuva 1: Yksinkertaistettu kaavio kaasukromatografista, jossa näkyy: (1 ) kantajakaasu, (2) automaattinen näytteenotin, (3) tuloaukko, (4) analyyttinen pylväs, (5) detektori ja (6) PC. Luotto: Anthias Consulting.
Kun seos on injektoitu GC-tuloon, näyteseoksen kemialliset komponentit höyrystyvät ensin, jos ne eivät ole vielä kaasufaasissa. Alhaisen konsentraation näytteille kantajakaasu siirtää koko höyrypilven analyyttiseen pylvääseen ns. Splitless-tilassa. Suurikokoisissa näytteissä vain osa näytteestä siirretään analyyttiseen pylvääseen jaetussa tilassa, loput huuhdellaan järjestelmästä jakoputken läpi analyyttisen pylvään ylikuormituksen estämiseksi.
Kerran analyyttisessä pylväässä näytekomponentit erotetaan niiden erilaisilla vuorovaikutuksilla kiinteän faasin kanssa. Siksi, kun valitaan käytettävän pylvään tyyppi, analyyttien volatiliteetti ja funktionaaliset ryhmät tulisi ottaa huomioon vastaamaan niitä paikallaan olevaan vaiheeseen. Nestemäiset kiinteät faasit jakautuvat pääasiassa kahteen tyyppiin: polyetyleeniglykoliin (PEG) tai polydimetyylisiloksaaniin (PDMS) perustuen, jälkimmäisessä vaihtelevilla prosenttiosuuksilla dimetyyli-, difenyyli- tai keskipolaarisia funktionaalisia ryhmiä, esimerkiksi syanopropyylifenyyli. Kuten erottaa samanlaiset, siksi ei-polaariset pylväät dimetyylillä tai pienellä prosenttiosuudella difenyylia ovat hyviä ei-polaaristen analyyttien erottamiseksi. Ne molekyylit, jotka kykenevät vuorovaikutukseen π-π, voidaan erottaa kiinteissä vaiheissa, jotka sisältävät fenyyliryhmiä. Ne, jotka kykenevät sitoutumaan vetyyn, esimerkiksi hapot ja alkoholit, erotetaan parhaiten PEG-pylväillä, elleivät ne ole derivatisoituneet niiden polaarisuuden vähentämiseksi.
Viimeinen vaihe on analyyttimolekyylien havaitseminen. kun ne eluoituvat pylväästä. GC-ilmaisimia on monenlaisia, esimerkiksi: ne, jotka reagoivat C-H-sidoksiin, kuten liekki-ionisaatiotunnistin (FID); ne, jotka reagoivat spesifisiin alkuaineisiin, esimerkiksi rikki, typpi tai fosfori; ja ne, jotka reagoivat molekyylin tiettyihin ominaisuuksiin, kuten kyky siepata elektroni, kuten elektronien sieppauksen ilmaisimen (ECD) kanssa käytetään.
Massan lisääminen spektrometria kaasukromatografiaan (GC-MS)
Massaspektrometria (MS) on analyyttinen tekniikka, joka voidaan tavoittaa GC: ksi ja käyttää GC-ilmaisimen sijasta. Neutraalit molekyylit eluoituvat analyyttisestä pylväästä ja ionisoidaan ionilähteessä tuottamaan molekyyli-ioneja, jotka voivat hajota fragmentti-ioneiksi. Fragmentti ja molekyyli-ionit erotetaan sitten massa-analysaattorissa niiden massa: varaus (m / z) -suhteella ja havaitaan.GC-MS: n tiedot ovat kolmiulotteisia, ja ne tarjoavat massaspektrejä, joita voidaan käyttää identiteetin vahvistamiseen, tuntemattomien analyyttien tunnistamiseen ja molekyylien rakenteellisten ja kemiallisten ominaisuuksien määrittämiseen, samoin kuin kromatogrammi, jota voidaan käyttää kvalitatiiviseen ja kvantitatiiviseen analyysiin.
Kuinka luet kromatogrammin ja mitä se kertoo sinulle?
Kuva 2: GC: n tai GC: n kromatogrammilähtö -NEITI. Luotto: Anthias Consulting.
Paljon tietoa voidaan saada kromatogrammista GC- tai GC-MS-järjestelmän kunnosta sekä laadullisen tai kvantitatiivisen analyysin suorittamiseen tarvittavista tiedoista.
X-akseli on retentioaika, joka otetaan hetkestä, jolloin näyte injektoitiin GC: hen (t0) GC-ajon loppuun. Jokaisella analyyttihuipulla on retentioaika, joka mitataan piikin kärjestä, esimerkiksi tR. Y-akseli on analyytin piikin mitattu vaste detektorissa. Perustaso näyttää detektorin signaalin, kun mitään analyyttiä ei eluoitu pylväästä tai se on alle havaitsemisrajan. Perusvaste on sekoitus sähköistä kohinaa (yleensä matala) ja kemiallista melua, kuten epäpuhtauksia kantokaasussa, kolonnin paikallaan olevan vaihevuodon ja järjestelmän saastumisen. Siksi, jos lähtötaso on korkeampi kuin sen pitäisi olla, se on osoitus ongelmasta tai siitä, että huoltoa tarvitaan. Huipusta voidaan tehdä erilaisia mittauksia, kuten leveys perusviivalla, leveys puolikorkeudella, kokonaiskorkeus ja pinta-ala. Kaksi viimeksi mainittua ovat verrannollisia pitoisuuteen, mutta kvantitointiin käytetään pinta-alaa, koska kaistan laajeneminen vaikuttaa siihen vähemmän. Mittauksia voidaan käyttää laskemaan kaistan laajenemisen laajuus, analyyttimolekyylien leviäminen pylvääseen. Kapeammat, terävämmät huiput antavat paremman herkkyyden (signaali-kohinasuhde) ja paremman resoluution (piikkien erotus). Esitetyt piikit ovat Gaussin, mutta piikkien pyrstö (piikin oikea puoli on leveämpi) osoittaa aktiivisuutta tai kuollutta tilavuutta järjestelmässä, kun taas piikin etuosa (piikin vasen puoli on leveämpi) osoittaa, että pylväs on ylikuormitettu. Tarkkoihin mittauksiin vaikuttaa datan pisteiden määrä huipun yli, ihanteellinen luku on 15-25. Liian vähän, tekee huipusta näyttävän lapsen liitospisteen piirustus, joka vaikuttaa piikin pinta-alaan, resoluutioon ja GC-MS: n kanssa dekonvoluutioon. Liian moni vähentää signaalin kohinaksi, mikä vähentää herkkyyttä. GC-MS-tiedoissa kukin datapiste on massaspektri, tietojen kolmas ulottuvuus.
Kaasukromatografian ottaminen useisiin ulottuvuuksiin
Verrattuna muihin erotustekniikoilla, GC: llä on korkea huippukapasiteetti ja kyky erottaa satoja yhdisteitä. Joissakin sovelluksissa, joissa tuhannet piikit on erotettava, ei kuitenkaan ole tarpeeksi teoreettisia levyjä erottamaan ne kaikki kromatografisesti. Esimerkkejä voivat olla dieselin analyysi tai jos hiveanalyytit on löydettävä monimutkaisista matriiseista, kuten ympäristö-, biologiset tai elintarvikenäytteet. Spektraaliresoluutio, jossa MS on tavutettu GC: ksi, mahdollistaa analyysin suorittamisen ilman täydellistä kromatografista resoluutiota, mutta kelautuvien piikkien on oltava eri spektrit, jotta tämä onnistuu täysin.
Sydänleikkaus on hyödyllinen, jos valitaan pylväs erottamaan suurin osa piikeistä, sitten muutama ryhmä kehittyneitä piikkejä ”leikataan” ja siirretään toiseen pylvääseen, joka sisältää erilaisen paikallaan olevan vaiheen ja selektiivisyyden. Vain muutama leikkaus voidaan siirtää ajon aikana , joten sitä voidaan käyttää vain silloin, kun on olemassa muutama ongelmaerottelu.
Kuva 3: Dieselin GC x GC -muotoilukaavio, joka näyttää eri kemialliset luokat erotettuna. 1. ulottuvuuden sarake ei ole -polaarinen ja 2. ulottuvuuden sarake on keskipolaarinen. Luotto: Anthias Consulting.
Monimutkaisissa näytteissä, joissa esiintyy usein koeluutioita, käytetään kattavaa kaksiulotteista kromatografiaa (GC x GC). , joka sisältää erilaisia kiinteitä vaiheita ja siten erilaisia erotusmekanismit, asetetaan sarjaan. ”Normaali” kokoonpano on ensimmäisen ulottuvuuden ei-polaarinen pylväs, jota seuraa toinen ulottuvuus polaarisempi pylväs, kuten kuvassa 3 esitetään, diesel-analyysissä. Kahden pylvään välissä käytetään modulaattoria leikkaukseen ensimmäisen kolonnin ja työnnä se kapealla näytealueella toiseen kolonniin. Lämpömodulaattorit saavuttavat tämän käyttämällä lämpötilaa molekyylien vangitsemiseksi ja vapauttamiseksi, virtauksen modulaattorit keräävät jäteveden, puristavat ja huuhtelevat molekyylit toiseen kolonniin. , yleensä 1-10 sekunnin välein. Erotus toisesta pylväästä tulisi saavuttaa ennen seuraavan leikkauksen aloittamista. Tämä nopea erotus saavutetaan käyttämällä lyhyttä, kapeaa toista pylvästä, yleensä 1-2 m 0,1 mm: n sisähalkaisijaa käytettäessä modulaattorit; tai lyhyt, leveämpi toinen pylväs, yleensä 5 m sisähalkaisijaltaan 0,25 mm, jota käytetään virtauksen modulaattoreiden kanssa.GC x GC -piikit ovat hyvin kapeita, jopa 35 ms: iin, joten riittävän datapisteen hankkimiseksi on käytettävä nopeita GC-ilmaisimia tai korkean vastaanottonopeuden massaspektrometrejä > 100 Hz.
Kaasukromatografian vahvuudet ja rajoitukset
GC on laajalti käytetty tekniikka useimmilla teollisuudenaloilla. Sitä käytetään rutiinianalyyseihin ja tutkimuksiin, joissa analysoidaan muutamia satoja (tai tuhansia GC x GC: llä) yhdisteitä monissa eri matriiseissa kiinteistä aineista kaasuihin. Se on vankka tekniikka ja se voidaan helposti yhdistää muihin tekniikoihin, mukaan lukien massaspektrometria.
GC rajoittuu haihtuvien yhdisteiden analysointiin heliumista / vedystä molekyylipainoon noin 1250 u. Lämpölabiilit yhdisteet voivat hajota kuumassa GC: ssä, joten tämän minimoimiseksi tulisi käyttää kylmää ruiskutustekniikkaa ja matalia lämpötiloja. Lisää polaarisia analyyttejä voi juuttua tai kadota GC: hen, joten järjestelmä tulisi deaktivoida ja ylläpitää hyvin tai nämä analyytit derivatisoida.
Yleisiä ongelmia kaasukromatografiassa
Yleisin ongelma GC: ssä on vuodot. Liikkuva vaihe on kaasu ja virtaa koko järjestelmässä, joten osien ja kuluvien osien oikea asennus ja säännöllinen vuototarkastus ovat tärkeitä.
Aktiivisuus on toinen ongelma polaarisemmille analyytteille, etenkin niille, jotka ovat jäljitystasot. Silanoliryhmät lasivuoreissa ja pylväässä ja myös lian kertyminen järjestelmään voivat aiheuttaa jäännöshuippuja, peruuttamattoman adsorption tai katalyyttisen hajoamisen. Tuloaukko on alue, joka aiheuttaa eniten ongelmia, koska näyte injektoidaan, höyrystetään ja siirretään GC-kolonniin. Siksi säännöllinen tulohuolto ja oikeiden kulutusosien, esimerkiksi deaktivoidun tulovaipan, käyttö on tärkeää, jotta laite pysyy ongelmattomana.