가스 크로마토 그래피 란 무엇입니까?
가스 크로마토 그래피 (GC)는 샘플 혼합물의 화학 성분을 분리 한 다음 검출하여 존재 여부 및 / 또는 존재 량을 확인합니다. 이러한 화학 성분은 일반적으로 유기 분자 또는 가스입니다. GC가 분석에 성공하려면 이러한 구성 요소는 일반적으로 분자량이 1250 Da 미만인 휘발성이어야하며 열적으로 안정해야 GC 시스템에서 분해되지 않습니다. GC는 대부분의 산업 분야에서 널리 사용되는 기술입니다. 자동차에서 화학, 제약에 이르기까지 다양한 제품의 품질 관리를 위해; 운석 분석에서 천연물에 이르기까지 연구 목적으로; 환경에서 식품, 법의학에 이르기까지 안전합니다. 가스 크로마토 그래프는 화학 성분을 식별 할 수 있도록 질량 분석기 (GC-MS)에 자주 하이픈으로 연결됩니다.
가스 크로마토 그래피는 어떻게 작동합니까?
이름에서 알 수 있듯이 GC는 분리시 캐리어 가스를 사용하므로 모바일의 역할을합니다. 단계 (그림 1 (1)). 운반 가스는 이상적으로는 시료와 반응하거나 기기 구성 요소를 손상시키지 않고 GC 시스템을 통해 시료 분자를 운반합니다.
시료는 먼저 가스 크로마토 그래프 (GC)에 도입됩니다. 주사기 또는 자동 시료 주입기 (그림 1 (2))에서 옮겨져 고체 또는 액체 시료 매트릭스에서 화학 성분을 추출 할 수도 있습니다. 시료는 이동상을 잃지 않고 시료 혼합물을 주입 할 수있는 격막을 통해 GC 입구 (그림 1 (3))로 주입됩니다. 입구에는 분석 컬럼 (그림 1 (4)), 길고 (10 – 150m) 좁은 (내경 0.1 – 0.53mm) 용융 실리카 또는 내부 벽에 코팅 된 고정상이 포함 된 금속 튜브가 연결되어 있습니다. 분석 컬럼은 분석 중에 가열되는 컬럼 오븐에 보관되어 휘발성이 적은 성분을 용리합니다. 컬럼의 출구는 신호를 생성하기 위해 컬럼에서 용리되는 화학 성분에 반응하는 검출기에 삽입됩니다 (그림 1 (5)). 신호는 크로마토 그램을 생성하기 위해 컴퓨터의 수집 소프트웨어에 의해 기록됩니다 (그림 1 (6)).
그림 1 : 다음을 보여주는 가스 크로마토 그래피의 단순화 된 다이어그램 : (1 ) 운반 가스, (2) 자동 시료 주입기, (3) 입구, (4) 분석 컬럼, (5) 검출기 및 (6) PC. 출처 : Anthias Consulting.
GC 주입구에 주입 한 후 샘플 혼합물의 화학 성분이 기체 상태가 아닌 경우 먼저 기화됩니다. 저농도 샘플의 경우 전체 증기 구름은 분할없는 모드로 알려진 운반 가스에 의해 분석 컬럼으로 전달됩니다. 고농도 시료의 경우 시료의 일부만 분할 모드로 분석 컬럼으로 전송되고 나머지는 분석 컬럼의 과부하를 방지하기 위해 분할 라인을 통해 시스템에서 플러시됩니다.
한 번 분석 컬럼에서 시료 성분은 고정상과의 서로 다른 상호 작용에 의해 분리됩니다. 따라서 사용할 컬럼 유형을 선택할 때 분석 물의 휘발성 및 기능 그룹을 고정상과 일치하도록 고려해야합니다. 액체 고정상은 주로 폴리에틸렌 글리콜 (PEG) 또는 폴리 디메틸 실록산 (PDMS) 기반의 두 가지 유형으로 나뉩니다. 후자는 디메틸, 디 페닐 또는 중간 극성 작용기 (예 : 시아 노 프로필 페닐)의 비율이 다양합니다. 분리 물과 마찬가지로 디메틸 또는 낮은 비율의 디 페닐이 포함 된 비극성 컬럼은 비극성 분석 물을 분리하는 데 좋습니다. π-π 상호 작용이 가능한 분자는 페닐기를 포함하는 고정상에서 분리 될 수 있습니다. 예를 들어 산과 알코올과 같이 수소 결합이 가능한 물질은 극성을 낮추기 위해 유도체 화를 거치지 않는 한 PEG 컬럼으로 분리하는 것이 가장 좋습니다.
마지막 단계는 분석 물질 분자의 검출입니다. 컬럼에서 용출 될 때. 예를 들어, 여러 유형의 GC 검출기가 있습니다. 화염 이온화 검출기 (FID)와 같은 C-H 결합에 반응하는 검출기; 예를 들어 황, 질소 또는 인과 같은 특정 원소에 반응하는 것; 전자 포획 검출기 (ECD)와 함께 사용되는 전자 포획 능력과 같은 분자의 특정 특성에 반응하는 특성.
질량 추가 가스 크로마토 그래피에 대한 분광법 (GC-MS)
질량 분석법 (MS)은 GC에 하이픈으로 연결하고 GC 검출기 대신 사용할 수있는 분석 기술입니다. 중성 분자는 분석 컬럼에서 용출되고 이온 소스에서 이온화되어 조각 이온으로 분해 될 수있는 분자 이온을 생성합니다. 조각과 분자 이온은 질량 분석기에서 질량 : 전하 (m / z) 비율로 분리되고 검출됩니다.GC-MS의 데이터는 3 차원으로 식별 확인, 알려지지 않은 분석 물 식별, 분자의 구조 및 화학적 특성 결정에 사용할 수있는 질량 스펙트럼과 정성 및 정량 분석에 사용할 수있는 크로마토 그램을 제공합니다.
크로마토 그램을 어떻게 읽고 그것이 무엇을 알려주나요?
그림 2 : GC 또는 GC에서 출력 된 크로마토 그램 -MS. 출처 : Anthias Consulting.
GC 또는 GC-MS 시스템의 상태와 정성 또는 정량 분석을 수행하는 데 필요한 데이터에 대한 크로마토 그램에서 많은 정보를 얻을 수 있습니다.
x 축은 샘플이 GC에 주입 된 시간 (t0)부터 GC 실행이 끝날 때까지 취한 머무름 시간입니다. 각 분석 물 피크에는 피크의 정점에서 측정 된 머무름 시간 (예 : tR)이 있습니다. y 축은 검출기에서 분석 물질 피크의 측정 된 응답입니다. 기준선은 컬럼에서 용리되는 분석 물질이 없거나 검출 한계 미만일 때 검출기의 신호를 보여줍니다. 기본 응답은 전기적 잡음 (일반적으로 낮음)과 운반 기체의 불순물, 컬럼 고정상 블리드 및 시스템 오염과 같은 화학적 잡음의 혼합입니다. 따라서 기준선이 예상보다 높으면 문제가 있거나 유지 관리가 필요함을 나타냅니다. 기준선의 너비, 절반 높이의 너비, 총 높이 및 면적과 같은 다양한 측정을 피크에서 가져올 수 있습니다. 후자의 두 가지는 농도에 비례하지만 밴드 확장의 영향을 덜 받기 때문에 정량에 사용되는 영역입니다. 측정 값을 사용하여 밴드 확장 정도, 컬럼에서 분석 물질 분자의 확산 정도를 계산할 수 있습니다. 더 좁고 날카로운 피크는 더 나은 감도 (신호 대 잡음비)와 더 나은 해상도 (피크 분리)를 제공합니다. 표시된 피크는 가우시안이지만 피크 테일링 (피크의 오른쪽이 더 넓음)은 시스템의 활동 또는 불감 부피를 나타내는 반면 피크 프론 팅 (피크의 왼쪽이 더 넓음)은 컬럼이 과부하되었음을 나타냅니다. 정확한 측정은 피크에 걸친 데이터 포인트 수의 영향을받으며 이상적인 수는 15-25입니다. 너무 적 으면 피크가 어린이의 점을 연결하는 그림처럼 보이게하여 피크 면적, 해상도에 영향을 미치며 GC-MS를 사용하면 디컨 볼 루션됩니다. 너무 많으면 신호를 노이즈로 줄여 감도를 떨어 뜨립니다. GC-MS 데이터의 경우 각 데이터 포인트는 데이터의 3 차원 인 질량 스펙트럼입니다.
가스 크로마토 그래피를 여러 차원으로 전환
다른 데이터와 비교 분리 기술인 GC는 수백 개의 화합물을 분리 할 수있는 높은 피크 용량을 가지고 있습니다. 그러나 수천 개의 피크를 분리해야하는 일부 응용 분야의 경우 모든 피크를 크로마토 그래피로 분리 할 이론적 플레이트가 충분하지 않습니다. 예로는 디젤 분석이나 환경, 생물학적 또는 식품 샘플과 같은 복잡한 매트릭스에서 미량 분석 물을 검출해야하는 경우가 포함될 수 있습니다. MS가 GC에 하이픈으로 연결되는 스펙트럼 분해능을 사용하면 전체 크로마토 그래피 분해능없이 분석을 수행 할 수 있지만, 이것이 완전히 성공하려면 공용 리 피크가 다른 스펙트럼을 가져야합니다.
심장 절단 대부분의 피크를 분리하기 위해 컬럼을 선택한 다음 일부 공동 용리 피크 그룹을 “절단”하여 다른 고정상 및 선택성을 포함하는 두 번째 컬럼으로 이동하는 경우 유용합니다. 실행을 통해 몇 개의 절단 만 전송할 수 있습니다. 따라서 분리에 문제가있는 경우에만 사용할 수 있습니다.
그림 3 : 분리 된 다른 화학 등급을 보여주는 디젤의 GC x GC 등고선 플롯. 1 차원 컬럼은 비 -polar 및 2 차원 컬럼은 mid-polar입니다. Credit : Anthias Consulting.
공동 용리가 빈번한 복잡한 샘플의 경우 포괄적 인 2 차원 크로마토 그래피 (GC x GC)가 사용됩니다. 두 개의 컬럼 , 다른 고정상을 포함하므로 다른 분리 메커니즘은 직렬로 설정됩니다. “정상”설정은 디젤 분석을 위해 그림 3에 표시된 것처럼 1 차원 비극성 컬럼 다음에 2 차원 더 극성 컬럼이 뒤 따르는 것입니다. 모듈레이터는 두 컬럼 사이에 사용되어 첫 번째 컬럼을 사용하고 좁은 샘플 밴드에서 두 번째 컬럼에 재 주입합니다. 열 변조기는 온도를 사용하여 분자를 포착 한 다음 방출하고, 흐름 변조기는 유출 물을 수집하고, 분자를 압축하고 두 번째 컬럼으로 플러시합니다. 실행 내내 절단이 수행됩니다. 일반적으로 1 ~ 10 초마다 두 번째 컬럼에서 분리는 다음 절단이 도입되기 전에 이루어져야합니다.이 빠른 분리는 일반적으로 열과 함께 사용되는 0.1mm의 내경 1-2m의 짧고 좁은 두 번째 컬럼을 사용하여 달성됩니다. 변조기; 또는 짧고 더 넓은 두 번째 컬럼, 일반적으로 유량 변조기와 함께 사용되는 0.25mm 내경의 5m.GC x GC 피크는 35ms까지 매우 좁으므로 충분한 데이터 포인트를 획득하려면 빠른 GC 검출기 또는 높은 획득 속도 질량 분석기 > 100Hz를 사용해야합니다.
가스 크로마토 그래피의 강점과 한계
GC는 대부분의 산업에서 널리 사용되는 기술입니다. 고체에서 기체에 이르기까지 다양한 매트릭스에서 수 백 개 (또는 GC x GC를 사용하여 수천 개)의 화합물을 분석하고 연구를 통해 일상적인 분석에 사용됩니다. 강력한 기술이며 질량 분석법을 비롯한 다른 기술에 쉽게 하이픈 연결됩니다.
GC는 헬륨 / 수소에서 최대 분자량 1250u의 휘발성 화합물을 분석하는 데 제한됩니다. 열적으로 불안정한 화합물은 뜨거운 GC에서 분해 될 수 있으므로이를 최소화하기 위해 저온 주입 기술과 저온을 사용해야합니다. 더 많은 극성 분석 물이 GC에서 고착되거나 손실 될 수 있으므로 시스템을 비활성화하고 잘 유지하거나 이러한 분석 물을 유도체 화해야합니다.
가스 크로마토 그래피의 일반적인 문제
GC에서 가장 일반적인 문제는 누출입니다. 이동상은 기체이며 시스템 전체에 흐르기 때문에 정기적 인 누출 검사와 함께 부품 및 소모품의 올바른 설치가 중요합니다.
활동은 극성 분석 물질, 특히 분석 물질의 또 다른 문제입니다. 추적 수준. 유리 라이너와 컬럼의 실라 놀 그룹과 시스템의 먼지 축적은 테일링 피크, 비가 역적 흡착 또는 촉매 분해를 유발할 수 있습니다. 입구는 샘플이 주입되고 기화되어 GC 컬럼으로 전달되기 때문에 대부분의 문제를 일으키는 영역입니다. 따라서 기기를 문제없이 유지하려면 올바른 소모품 (예 : 비활성화 된 주입구 라이너)과 함께 정기적 인 주입구 유지 관리가 중요합니다.