Che cosè la gascromatografia?
La gascromatografia (GC) è una tecnica analitica utilizzata per separare i componenti chimici di una miscela campione e quindi rilevarli per determinare la loro presenza o assenza e / o quanto è presente. Questi componenti chimici sono solitamente molecole organiche o gas. Affinché GC abbia successo nella loro analisi, questi componenti devono essere volatili, di solito con un peso molecolare inferiore a 1250 Da, e termicamente stabili in modo che non si degradino nel sistema GC. GC è una tecnica ampiamente utilizzata nella maggior parte dei settori: per il controllo di qualità nella fabbricazione di molti prodotti, dalle automobili ai prodotti chimici ai prodotti farmaceutici; per scopi di ricerca dallanalisi di meteoriti a prodotti naturali; e per la sicurezza dallambiente al cibo alla scientifica. I gascromatografi sono spesso contrassegnati da un trattino in spettrometri di massa (GC-MS) per consentire lidentificazione dei componenti chimici.
Come funziona la gascromatografia?
Come suggerisce il nome, GC utilizza un gas di trasporto nella separazione, che svolge la parte del cellulare fase (Figura 1 (1)). Il gas di trasporto trasporta le molecole del campione attraverso il sistema GC, idealmente senza reagire con il campione o danneggiare i componenti dello strumento.
Il campione viene prima introdotto nel gascromatografo (GC), con un siringa o trasferito da un autocampionatore (Figura 1 (2)) che può anche estrarre i componenti chimici da matrici di campioni solide o liquide. Il campione viene iniettato nelliniettore GC (Figura 1 (3)) attraverso un setto che consente liniezione della miscela del campione senza perdere la fase mobile. Allingresso è collegata la colonna analitica (Figura 1 (4)), un tubo di silice o metallo fuso lungo (10 – 150 m), stretto (0,1 – 0,53 mm di diametro interno) che contiene la fase stazionaria rivestita sulle pareti interne. La colonna analitica viene mantenuta nel forno della colonna che viene riscaldato durante lanalisi per eluire i componenti meno volatili. Luscita della colonna viene inserita nel rivelatore (Figura 1 (5)) che risponde ai componenti chimici che eluiscono dalla colonna per produrre un segnale. Il segnale viene registrato dal software di acquisizione su un computer per produrre un cromatogramma (Figura 1 (6)).
Figura 1: Un diagramma semplificato di un gascromatografo che mostra: (1 ) gas di trasporto, (2) autocampionatore, (3) ingresso, (4) colonna analitica, (5) rivelatore e (6) PC. Credito: Anthias Consulting.
Dopo liniezione nellingresso del GC, i componenti chimici della miscela campione vengono prima vaporizzati, se non sono già in fase gassosa. Per campioni a bassa concentrazione, lintera nuvola di vapore viene trasferita nella colonna analitica dal gas di trasporto in quella che è nota come modalità splitless. Per i campioni ad alta concentrazione solo una parte del campione viene trasferita alla colonna analitica in modalità suddivisa, la parte restante viene scaricata dal sistema attraverso la linea di divisione per evitare il sovraccarico della colonna analitica.
Una volta nella colonna analitica, i componenti del campione sono separati dalle loro diverse interazioni con la fase stazionaria. Pertanto, quando si seleziona il tipo di colonna da utilizzare, è necessario considerare la volatilità e i gruppi funzionali degli analiti per abbinarli alla fase stazionaria. Le fasi stazionarie liquide si dividono principalmente in due tipi: a base di polietilenglicole (PEG) o polidimetilsilossano (PDMS), questultimo con percentuali variabili di gruppi funzionali dimetilici, difenilici o medio-polari, ad esempio cianopropilfenile. Simili separa simili, quindi le colonne non polari con dimetile o una bassa percentuale di difenile sono adatte per separare analiti non polari. Quelle molecole capaci di interazioni π-π possono essere separate su fasi stazionarie contenenti gruppi fenilici. Quelli in grado di legarsi a idrogeno, ad esempio acidi e alcoli, sono meglio separati con colonne PEG, a meno che non siano stati sottoposti a derivatizzazione per renderli meno polari.
Il passaggio finale è il rilevamento delle molecole di analita quando eluiscono dalla colonna. Esistono molti tipi di rivelatori GC, ad esempio: quelli che rispondono ai legami C-H come il rivelatore a ionizzazione di fiamma (FID); quelli che rispondono a elementi specifici come zolfo, azoto o fosforo; e quelli che rispondono a proprietà specifiche della molecola, come la capacità di catturare un elettrone, come viene utilizzato con il rivelatore a cattura di elettroni (ECD).
Aggiunta di massa spettrometria alla gascromatografia (GC-MS)
La spettrometria di massa (MS) è una tecnica analitica che può essere sillabata in un GC e utilizzata al posto del rivelatore GC. Le molecole neutre eluiscono dalla colonna analitica e vengono ionizzate nella sorgente ionica per produrre ioni molecolari che possono degradarsi in ioni frammentati. Il frammento e gli ioni molecolari vengono quindi separati nellanalizzatore di massa dal loro rapporto massa: carica (m / z) e vengono rilevati.I dati di un GC-MS sono tridimensionali e forniscono spettri di massa che possono essere utilizzati per la conferma dellidentità, per identificare analiti sconosciuti e per determinare le proprietà strutturali e chimiche delle molecole, nonché il cromatogramma che può essere utilizzato per lanalisi qualitativa e quantitativa.
Come leggi un cromatogramma e cosa ti dice?
Figura 2: output del cromatogramma da un GC o GC -SM. Credito: Anthias Consulting.
Molte informazioni possono essere ottenute dal cromatogramma sullo stato di salute del sistema GC o GC-MS, nonché i dati richiesti per eseguire analisi qualitative o quantitative.
Lasse x è il tempo di ritenzione, preso dal momento in cui il campione è stato iniettato nel GC (t0) alla fine dellanalisi GC. Ogni picco dellanalita ha un tempo di ritenzione misurato dallapice del picco, ad esempio tR. Lasse y è la risposta misurata del picco dellanalita nel rivelatore. La linea di base mostra il segnale dal rivelatore quando nessun analita sta eluendo dalla colonna o è al di sotto del limite di rilevamento. La risposta di base è un mix di rumore elettrico (generalmente basso) e rumore chimico, come impurità nel gas di trasporto, spurgo della fase stazionaria della colonna e contaminazione del sistema. Quindi, se la linea di base è più alta di quanto dovrebbe essere, è unindicazione di un problema o che è necessaria una manutenzione. Varie misurazioni possono essere prese dal picco, come larghezza alla linea di base, larghezza a metà altezza, altezza totale e area. Gli ultimi due sono proporzionali alla concentrazione, tuttavia è larea che viene utilizzata per la quantificazione poiché è meno interessata dallampliamento della banda. Le misurazioni possono essere utilizzate per calcolare lentità dellampliamento della banda, la diffusione delle molecole di analita sulla colonna. I picchi più stretti e più nitidi offrono una migliore sensibilità (rapporto segnale / rumore) e una migliore risoluzione (separazione dei picchi). I picchi mostrati sono gaussiani, tuttavia la coda del picco (il lato destro del picco è più largo) indica unattività o un volume morto nel sistema, mentre un fronte del picco (il lato sinistro del picco è più largo) indica che la colonna è sovraccarica. Le misurazioni accurate sono influenzate dal numero di punti dati su un picco, con un numero ideale compreso tra 15 e 25. Troppo pochi, fa sembrare il picco come il disegno unisci i punti di un bambino, influenzando larea del picco, la risoluzione e, con GC-MS, la deconvoluzione. Troppi riduce il segnale in rumore, riducendo la sensibilità. Per i dati GC-MS, ogni punto dati è uno spettro di massa, la terza dimensione dei dati.
Considerare la gascromatografia in più dimensioni
Rispetto ad altri tecniche di separazione, GC ha unelevata capacità di picco con la capacità di separare centinaia di composti. Tuttavia, per alcune applicazioni in cui è necessario separare migliaia di picchi, non ci sono abbastanza piastre teoriche per separarli cromatograficamente tutti. Gli esempi possono includere lanalisi del diesel o dove gli analiti in tracce devono essere rilevati in matrici complesse come campioni ambientali, biologici o alimentari. La risoluzione spettrale, in cui un MS è sillabato in un GC, consente di eseguire lanalisi senza una risoluzione cromatografica completa, tuttavia i picchi di coeluizione devono avere spettri diversi affinché questo abbia pieno successo.
Taglio del cuore è utile quando si seleziona una colonna per separare la maggior parte dei picchi, quindi alcuni gruppi di picchi coeluenti vengono “tagliati” e trasferiti su una seconda colonna contenente una diversa fase stazionaria e selettività. Solo pochi tagli possono essere trasferiti attraverso la corsa , pertanto può essere utilizzato solo in presenza di alcune separazioni problematiche.
Figura 3: diagramma di contorno GC x GC del diesel che mostra le diverse classi chimiche separate. -polare e la colonna di seconda dimensione è medio-polare. Credito: Anthias Consulting.
Per campioni complessi in cui sono presenti coeluizioni frequenti, viene utilizzata la cromatografia bidimensionale completa (GC x GC). Due colonne , contenente fasi stazionarie differenti e quindi differenti meccanismi di separazione, sono installati in serie. La configurazione “normale” è una colonna non polare di 1a dimensione seguita da una colonna più polare di 2a dimensione, come mostrato in Figura 3, per lanalisi del diesel. Un modulatore viene utilizzato tra le due colonne per prendere un taglio dal prima colonna e reiniettare in una stretta banda di campione sulla seconda colonna. I modulatori termici ottengono ciò utilizzando la temperatura per intrappolare e quindi rilasciare le molecole, i modulatori di flusso raccolgono leffluente, comprimono e scaricano le molecole sulla seconda colonna. I tagli vengono eseguiti durante il ciclo , di solito ogni 1 a 10 secondi. La separazione sulla seconda colonna deve essere ottenuta prima dellintroduzione del taglio successivo. Questa separazione rapida si ottiene utilizzando una seconda colonna corta e stretta, solitamente 1-2 m di diametro interno di 0,1 mm utilizzata con modulatori; o una seconda colonna corta e più larga, solitamente 5 m di diametro interno di 0,25 mm utilizzata con i modulatori di flusso.I picchi GC x GC sono molto stretti, fino a 35 ms, pertanto è necessario utilizzare rivelatori GC veloci o spettrometri di massa ad alta velocità di acquisizione > 100 Hz per acquisire punti dati sufficienti.
Punti di forza e limiti della gascromatografia
La GC è una tecnica ampiamente utilizzata nella maggior parte dei settori. Viene utilizzato per analisi di routine fino alla ricerca, analizzando da poche a molte centinaia (o migliaia con GC x GC) di composti in molte matrici diverse, dai solidi ai gas. È una tecnica robusta ed è facilmente sillababile con altre tecniche, compresa la spettrometria di massa.
GC è limitato allanalisi di composti volatili da elio / idrogeno fino a pesi molecolari di circa 1250 u. I composti termicamente labili possono degradarsi in un GC caldo, pertanto è necessario utilizzare tecniche di iniezione a freddo e basse temperature per minimizzarlo. Più analiti polari possono bloccarsi o perdersi nel GC, pertanto il sistema deve essere disattivato e ben mantenuto oppure questi analiti devono essere derivati.
Problemi comuni con la gascromatografia
Il problema più comune in GC sono le perdite. La fase mobile è un gas e scorre in tutto il sistema, pertanto la corretta installazione di parti e materiali di consumo è importante insieme al controllo regolare delle perdite.
Lattività è un altro problema per gli analiti più polari, specialmente quelli a livelli di traccia. I gruppi di silanolo sui rivestimenti in vetro e sulla colonna e anche un accumulo di sporco nel sistema possono causare picchi di coda, adsorbimento irreversibile o rottura catalitica. Liniettore è larea che causa la maggior parte dei problemi poiché è qui che il campione viene iniettato, vaporizzato e trasferito nella colonna GC. Pertanto, la manutenzione regolare delliniettore insieme alluso dei materiali di consumo corretti, ad esempio un rivestimento delliniettore disattivato, è importante per mantenere lo strumento senza problemi.