Mi a gázkromatográfia?
A gázkromatográfia (GC) egy analitikai technika, különítsük el a mintakeverék kémiai komponenseit, majd detektáljuk őket, hogy meghatározzuk jelenlétüket vagy hiányukat és / vagy mennyit. Ezek a kémiai komponensek általában szerves molekulák vagy gázok. Ahhoz, hogy a GC sikeres legyen elemzésükben, ezeknek az összetevőknek illékonyaknak kell lenniük, általában 1250 Da alatti molekulatömegűek, és termikusan stabilak, hogy ne degradálódjanak a GC rendszerben. A GC széles körben alkalmazott technika a legtöbb iparágban: minőségellenőrzésre számos termék gyártásában, az autóktól a vegyszereken át a gyógyszerekig; kutatási célokra a meteoritok elemzésétől a természetes termékekig; valamint a környezetvédelemtől az élelmezésen át a törvényszékig. A kromatográfiákat gyakran tömegspektrométerekre (GC-MS) kötik be, hogy lehetővé tegyék a kémiai komponensek azonosítását.
Hogyan működik a gázkromatográfia?
Ahogy a neve is mutatja, a GC vivőgázt használ az elválasztásnál, ez a mobil részét képezi fázis (1. ábra (1)). A vivőgáz a mintamolekulákat a GC rendszeren keresztül szállítja, ideális esetben anélkül, hogy a mintával reagálna, vagy a műszer alkatrészeit károsítaná.
A mintát először egy gázkromatográfba (GC) vezetik be fecskendő vagy önminta-vevőből (1. ábra (2)), amely szilárd vagy folyékony mintamátrixokból is kivonhatja a kémiai komponenseket. A mintát egy septumon keresztül injektáljuk a GC bemenetébe (1. ábra (3)), amely lehetővé teszi a minta keverék injektálását a mozgófázis elvesztése nélkül. A bemenethez csatlakozik az analitikai oszlop (1. ábra (4)), egy hosszú (10–150 m), keskeny (0,1–0,53 mm belső átmérőjű) kondenzált szilícium-dioxid vagy fémcső, amely a belső falakon bevont állófázist tartalmazza. Az analitikai oszlopot az oszlop kemencében tartják, amelyet az elemzés során melegítenek a kevésbé illékony komponensek eluálása céljából. Az oszlop kimenetét a detektorba helyezzük (1. ábra (5)), amely reagál az oszlopból eluálódó kémiai komponensekre, hogy jelet hozzon létre. A jelet az adatgyűjtő szoftver rögzíti a számítógépen egy kromatogram előállításához (1. ábra (6)).
1. ábra: A gázkromatográf egyszerűsített diagramja, amely a következőket mutatja: (1 ) vivőgáz, (2) automatikus mintavevő, (3) bemenet, (4) analitikai oszlop, (5) detektor és (6) PC. Hitel: Anthias Consulting.
A GC bemenetbe történő befecskendezés után a mintakeverék kémiai összetevőit először elpárologtatják, ha még nem a gázfázisban vannak. Alacsony koncentrációjú minták esetében a teljes gőzfelhőt a vivőgáz továbbítja az analitikai oszlopba úgynevezett osztatlan módban. Nagy koncentrációjú minták esetén a minta csak egy részét viszik át az analitikai oszlopba osztott módban, a maradékot a rendszerből az osztóvonalon át öblítik, hogy megakadályozzák az analitikai oszlop túlterhelését.
Egyszer az analitikai oszlopban a minta komponenseit az álló fázissal való különböző kölcsönhatásuk választja el. Ezért az alkalmazandó oszlop típusának kiválasztásakor figyelembe kell venni az analitok volatilitását és funkcionális csoportjait, hogy azok illeszkedjenek az álló fázishoz. A folyékony állófázisok főleg két típusba sorolhatók: polietilénglikol (PEG) vagy polidimetil-sziloxán (PDMS) alapúak, utóbbiak változó százalékban tartalmaznak dimetil-, difenil- vagy középpoláris funkciós csoportokat, például ciano-propil-fenil-csoportot. A hasonló elválasztja a hasonlót, ezért a dimetil- vagy alacsony százalékos difenil-csoportot tartalmazó nem poláros oszlopok alkalmasak a nem poláros analitok elválasztására. A π-π kölcsönhatásokra képes molekulák szétválaszthatók a fenilcsoportokat tartalmazó állófázisokon. A hidrogénkötésre képeseket, például savakat és alkoholokat, PEG oszlopokkal lehet a legjobban elválasztani, hacsak nem derivatizálták őket, hogy kevésbé polárosak legyenek.
Az utolsó lépés az analitmolekulák kimutatása. amikor eluálódnak az oszlopból. Sokféle GC detektor létezik, például: olyanok, amelyek reagálnak a C-H kötésekre, mint például a lángionizációs detektor (FID); azok, amelyek specifikus elemekre reagálnak, például kénre, nitrogénre vagy foszforra; és azok, amelyek reagálnak a molekula bizonyos tulajdonságaira, például az elektron befogásának képességére, ahogyan azt az elektron befogó detektorral (ECD) használják.
Tömeg hozzáadása spektrometriától gázkromatográfiáig (GC-MS)
A tömegspektrometria (MS) egy analitikai technika, amelyet elválasztva GC-vel lehet használni, és a GC detektor helyett. A semleges molekulák eluálódnak az analitikai oszlopból, és ionizálódnak az ionforrásban olyan molekuláris ionok előállítására, amelyek lebonthatók fragmentumionokká. A fragmenst és a molekuláris ionokat ezután a tömegelemzőben elválasztják tömeg: töltés (m / z) arányukkal, és detektálják.A GC-MS-ből származó adatok háromdimenziósak, olyan tömegspektrumokat nyújtanak, amelyek felhasználhatók az azonosság megerősítésére, az ismeretlen analitok azonosítására és a molekulák szerkezeti és kémiai tulajdonságainak meghatározására, valamint a kvalitatív és kvantitatív elemzéshez használható kromatogramra.
Hogyan olvassa el a kromatogramot, és mit mond neked?
2. ábra: Kromatogram kimenet GC-ről vagy GC-ről -KISASSZONY. Köszönetnyilvánítás: Anthias Consulting.
Sok információ nyerhető a GC vagy a GC-MS rendszer állapotáról szóló kromatogramon, valamint a kvalitatív vagy kvantitatív elemzés elvégzéséhez szükséges adatokból.
Az x tengely a retenciós idő, amely a minta GC-be történő befecskendezésétől (t0) a GC-futás végéig számít. Minden analit csúcs retenciós ideje a csúcs csúcsától mérve van, például tR. Az y tengely az analit csúcsának mért válasza a detektorban. Az alapvonal megmutatja a detektor jelét, amikor egyetlen elemzés sem eluálódik az oszlopból, vagy a kimutatási határ alatt van. Az alapválasz az elektromos zaj (általában alacsony) és a kémiai zaj keveréke, például a hordozógáz szennyeződései, az oszlop állófázisú légtelenítése és a rendszer szennyeződése. Ennélfogva, ha az alapvonal magasabb, mint kellene, akkor ez jelzi a problémát vagy karbantartást igényel. Különböző méréseket lehet elvégezni a csúcsról, például szélesség az alapvonalon, szélesség félmagasságban, teljes magasság és terület. Ez utóbbi kettő arányos a koncentrációval, azonban a kvantitatív meghatározáshoz a területet használják, mivel a sávszélesedés kevésbé befolyásolja. A mérésekkel kiszámolható a sávszélesedés mértéke, az analitmolekulák oszlopon való elterjedése. A keskenyebb, élesebb csúcsok jobb érzékenységet (jel / zaj arány) és jobb felbontást (csúcs elválasztás) biztosítanak. A bemutatott csúcsok Gauss-féleek, azonban a csúcsfarok (a csúcs jobb oldala szélesebb) aktivitást vagy holt térfogatot jelez a rendszerben, míg a csúcs homlokzata (a csúcs bal oldala szélesebb) azt jelzi, hogy az oszlop túlterhelt. A pontos méréseket befolyásolja az adatpontok száma egy csúcson, ideális szám 15-25. Túl kevés, a csúcsot úgy néz ki, mint egy gyermek rajzpontja, ami befolyásolja a csúcs területét, a felbontást és a GC-MS esetén a dekonvolúciót. Túl sok csökkenti a jelet zajra, csökkentve az érzékenységet. A GC-MS adatokhoz minden adatpont egy tömegspektrum, az adatok harmadik dimenziója.
A gázkromatográfia több dimenzióba vétele
összehasonlítva másokkal elválasztási technikák, a GC magas csúcskapacitással rendelkezik, és több száz vegyületet képes elválasztani. Egyes alkalmazásoknál azonban, ahol a csúcsok ezreit kell elválasztani, nincs elegendő elméleti lemez mindegyik kromatográfiás elválasztására. Ilyen lehet például a gázolaj elemzése, vagy ha nyomelemeket kell kimutatni olyan összetett mátrixokban, mint a környezeti, biológiai vagy élelmiszer minták. A spektrális felbontás, ahol az MS elválasztva van GC-vel, lehetővé teszi az elemzés teljes kromatográfiai felbontás nélküli elvégzését, azonban a koelúciós csúcsoknak eltérő spektrummal kell rendelkezniük ahhoz, hogy ez teljes mértékben sikerüljön.
Szívvágás Akkor hasznos, ha egy oszlopot választunk ki a csúcsok többségének elválasztására, majd néhány csoport koelúciós csúcsot “kivágunk” és átviszünk egy másik oszlopra, amely eltérő állófázist és szelektivitást tartalmaz. , ezért csak akkor alkalmazható, ha van néhány problémás elválasztás.
3. ábra: GC x GC kontúrdiagram a különböző vegyi osztályokat elválasztva. -pólusú és a 2. dimenziós oszlop közepesen poláris. Köszönetnyilvánítás: Anthias Consulting.
Azoknál a komplex mintáknál, ahol gyakori koelúció van, átfogó kétdimenziós kromatográfiát (GC x GC) használunk. , amelyek különböző állófázisokat tartalmaznak, ezért különbözőek elválasztó mechanizmusok, sorba vannak állítva. A “normál” felépítés egy 1. dimenziós, nem poláris oszlop, amelyet egy második dimenzióval polárisabb oszlop követ, a 3. ábra szerint, a gázolaj elemzéséhez. A két oszlop között egy modulátort használnak, hogy kivágják a Az első oszlopot visszahelyezzük egy keskeny mintasávban a második oszlopra. A hőmodulátorok ezt a hőmérséklet segítségével érik el a molekulák befogására, majd felszabadítására, az áramlásmodulátorok összegyűjtik a szennyvizet, összenyomják és átöblítik a molekulákat a második oszlopra. , általában 1-10 másodpercenként. A második oszlop elválasztását a következő vágás bevezetése előtt kell elérni. Ezt a gyors elválasztást egy rövid, keskeny második oszlop, általában 1-2 m 0,1 mm belső átmérőjű hőkezeléssel érjük el. modulátorok, vagy egy rövid, szélesebb második oszlop, általában 5 m 0,25 mm belső átmérőjű, áramlásmodulátorokkal együtt.A GC x GC csúcsok nagyon keskenyek, legfeljebb 35 ms-osak, ezért elegendő adatpont megszerzéséhez gyors GC detektorokat vagy nagy felvételi arányú tömegspektrométereket kell használni > 100 Hz.
A gázkromatográfia erősségei és korlátai
A GC a legtöbb iparágban széles körben alkalmazott technika. Rutin analízishez és kutatáshoz használják, néhány-sok száz (vagy ezredes GC-vel és GC-vel) vegyületek elemzését sokféle mátrixban, a szilárd anyagtól a gázig. Robusztus technika, és könnyen elválasztható más technikákkal, ideértve a tömegspektrometriát is.
A GC az illékony vegyületek elemzésére korlátozódik, a héliumból / hidrogénből egészen az 1250 u körüli molekulatömegig. A termikusan labilis vegyületek forró GC-ben lebomlanak, ezért ennek minimalizálására hideg injektálási technikákat és alacsony hőmérsékleteket kell alkalmazni. Több poláros elemzőanyag megrekedhet vagy elveszhet a GC-ben, ezért a rendszert deaktiválni és jól karbantartani, vagy ezeket az analitokat derivatizálni kell.
Gyakori problémák a gázkromatográfiával
A GC leggyakoribb problémája a szivárgás. A mobil fázis gáz, amely az egész rendszerben áramlik, ezért fontos az alkatrészek és a fogyóeszközök megfelelő beszerelése a rendszeres szivárgásellenőrzés mellett.
Az aktivitás egy másik kérdés a polárisabb elemzők számára, különösen a nyomszintek. Az üvegbetéteken és az oszlopon található szilanolcsoportok, valamint a szennyeződés lerakódása a fázisban csúcsokat, irreverzibilis adszorpciót vagy katalitikus lebontást okozhat. A beömlőnyílás az a terület, amely a legtöbb problémát okozza, mivel itt a mintát befecskendezik, elpárologtatják és átvezetik a GC oszlopba. Ezért fontos a rendszeres bemeneti karbantartás, valamint a megfelelő fogyóeszközök, például egy deaktivált bemeneti bélés használata, hogy a készülék problémamentesen megmaradjon.