Hva er gasskromatografi?
Gasskromatografi (GC) er en analytisk teknikk som brukes til å skille de kjemiske komponentene i en prøveblanding og deretter oppdage dem for å bestemme deres tilstedeværelse eller fravær og / eller hvor mye som er tilstede. Disse kjemiske komponentene er vanligvis organiske molekyler eller gasser. For at GC skal lykkes i analysen, må disse komponentene være flyktige, vanligvis med en molekylvekt under 1250 Da, og termisk stabile slik at de ikke brytes ned i GC-systemet. GC er en mye brukt teknikk i de fleste bransjer: for kvalitetskontroll ved produksjon av mange produkter fra biler til kjemikalier til legemidler; for forskningsformål fra analyse av meteoritter til naturlige produkter; og for sikkerhet fra miljø til mat til rettsmedisin. Gasskromatografier blir ofte bindestrek til massespektrometre (GC-MS) for å muliggjøre identifisering av de kjemiske komponentene.
Hvordan fungerer gasskromatografi?
Som navnet antyder, bruker GC en bærergass i separasjonen, dette spiller den delen av mobilen fase (figur 1 (1)). Bæregassen transporterer prøvemolekylene gjennom GC-systemet, ideelt sett uten å reagere med prøven eller skade instrumentkomponentene.
Prøven introduseres først i gasskromatografen (GC), enten med en sprøyte eller overføres fra en autosampler (figur 1 (2)) som også kan trekke ut de kjemiske komponentene fra faste eller flytende matriser. Prøven injiseres i GC-innløpet (figur 1 (3)) gjennom et septum som muliggjør injeksjon av prøveblandingen uten å miste den mobile fasen. Koblet til innløpet er den analytiske kolonnen (figur 1 (4)), et langt (10 – 150 m), smalt (0,1 – 0,53 mm innvendig diameter) smeltet silisiumdioksyd eller metallrør som inneholder den stasjonære fasen belagt på innsiden av veggene. Den analytiske kolonnen holdes i kolonneovnen som oppvarmes under analysen for å eluere de mindre flyktige komponentene. Utløpet av kolonnen settes inn i detektoren (figur 1 (5)) som reagerer på de kjemiske komponentene som eluerer fra kolonnen for å produsere et signal. Signalet blir registrert av anskaffelsesprogramvaren på en datamaskin for å produsere et kromatogram (Figur 1 (6)).
Figur 1: Et forenklet diagram av en gasskromatograf som viser: (1 ) bærergass, (2) autosampler, (3) innløp, (4) analytisk kolonne, (5) detektor og (6) PC. Kreditt: Anthias Consulting.
Etter injeksjon i GC-inntaket fordampes de kjemiske komponentene i prøveblandingen først, hvis de ikke allerede er i gassfasen. For prøver med lav konsentrasjon overføres hele dampskyen til den analytiske kolonnen av bærergassen i det som kalles splittfri modus. For prøver med høy konsentrasjon overføres bare en del av prøven til den analytiske kolonnen i delt modus, og resten skylles fra systemet gjennom delelinjen for å forhindre overbelastning av den analytiske kolonnen.
En gang I den analytiske kolonnen skilles prøvelementene av forskjellige interaksjoner med den stasjonære fasen. Derfor, når du velger hvilken type kolonne som skal brukes, bør analysenes flyktighet og funksjonelle grupper vurderes å matche dem med den stasjonære fasen. Flytende stasjonære faser faller hovedsakelig i to typer: polyetylenglykol (PEG) eller polydimetylsiloksan (PDMS) basert, sistnevnte med varierende prosentandeler av dimetyl-, difenyl- eller midpolare funksjonelle grupper, for eksempel cyanopropylfenyl. Som separerer som, derfor er ikke-polære kolonner med dimetyl eller en lav andel difenyl bra for å separere ikke-polære analytter. Disse molekylene som er i stand til π-π-interaksjoner kan skilles fra stasjonære faser som inneholder fenylgrupper. De som er i stand til hydrogenbinding, for eksempel syrer og alkoholer, skilles best med PEG-kolonner, med mindre de har gjennomgått derivatisering for å gjøre dem mindre polare.
Det siste trinnet er påvisning av analytmolekylene. når de eluerer fra kolonnen. Det er mange typer GC-detektorer, for eksempel: de som reagerer på C-H-bindinger som flammeioniseringsdetektoren (FID); de som reagerer på spesifikke elementer, for eksempel svovel, nitrogen eller fosfor; og de som reagerer på spesifikke egenskaper til molekylet, som evnen til å fange et elektron, slik det brukes med elektronfangerdetektoren (ECD).
Legge til masse spektrometri til gasskromatografi (GC-MS)
Massespektrometri (MS) er en analytisk teknikk som kan bindestrekes til en GC og brukes i stedet for GC-detektoren. De nøytrale molekylene eluerer fra den analytiske kolonnen og ioniseres i ionekilden for å produsere molekylioner som kan brytes ned til fragmentioner. Fragmentet og molekylionene separeres deretter i masseanalysatoren ved forholdet mellom masse: ladning (m / z) og detekteres.Data fra en GC-MS er tredimensjonal og gir massespektre som kan brukes til identitetsbekreftelse, for å identifisere ukjente analytter og for å bestemme strukturelle og kjemiske egenskaper til molekyler, samt kromatogrammet som kan brukes til kvalitativ og kvantitativ analyse.
Hvordan leser du et kromatogram og hva forteller det deg?
Figur 2: Kromatogramutgang fra en GC eller GC -MS. Kreditt: Anthias Consulting.
Mye informasjon kan fås fra kromatogrammet om helsen til GC- eller GC-MS-systemet, samt dataene som kreves for å utføre kvalitativ eller kvantitativ analyse.
X-aksen er retensjonstiden, tatt fra prøven ble injisert i GC (t0) til slutten av GC-løpet. Hver analyttopp har en retensjonstid målt fra toppunktet til toppen, for eksempel tR. Y-aksen er den målte responsen til analyttoppen i detektoren. Baselinjen viser signalet fra detektoren når ingen analyt eluerer fra kolonnen, eller det er under deteksjonsgrensen. Basisresponsen er en blanding av elektrisk støy (vanligvis lav) og kjemisk støy, slik som urenheter i bærergassen, kolonnestasjonær faseblødning og systemkontaminering. Derfor, hvis grunnlinjen er høyere enn den burde være, er det en indikasjon på et problem eller at vedlikehold er nødvendig. Ulike målinger kan tas fra toppen, for eksempel bredde ved grunnlinjen, bredde i halv høyde, total høyde og areal. De to sistnevnte er proporsjonale med konsentrasjonen, men det er området som brukes til kvantifisering, da det blir mindre påvirket av båndbredning. Målingene kan brukes til å beregne omfanget av båndbredning, spredningen av analytmolekylene på kolonnen. Smalere, skarpere topper gir bedre følsomhet (signal / støyforhold) og bedre oppløsning (toppseparasjon). Toppene som er vist er gaussiske, men peak tailing (høyre side av toppen er bredere) indikerer aktivitet eller et dødt volum i systemet, mens en topp fronting (venstre side av toppen er bredere) indikerer at kolonnen er overbelastet. Nøyaktige målinger påvirkes av antall datapunkter over en topp, med et ideelt tall som er 15-25. For få, får toppen til å se ut som et barns tegning med prikker, som påvirker toppareal, oppløsning og, med GC-MS, dekonvolusjon. For mange reduserer signalet til støy og reduserer følsomheten. For GC-MS-data er hvert datapunkt et massespektrum, den tredje dimensjonen av data.
Tar gasskromatografi i flere dimensjoner
Sammenlignet med noen andre separasjonsteknikker, har GC høy toppkapasitet med muligheten til å skille hundrevis av forbindelser. Men for noen applikasjoner der tusenvis av topper må skilles, er det ikke nok teoretiske plater til å skille dem alle kromatografisk. Eksempler kan omfatte analyse av diesel, eller hvor sporanalyter må påvises i komplekse matriser som miljø-, biologiske eller matprøver. Spektral oppløsning, hvor en MS er bindestrek til en GC, gjør det mulig å utføre analyse uten full kromatografisk oppløsning, men de coeluting-toppene må ha forskjellige spektre for at dette skal lykkes.
Hjerteskjæring er nyttig der en kolonne er valgt for å skille flertallet av toppene, deretter «klippes» noen få grupper av coeluting topper og overføres til en andre kolonne som inneholder en annen stasjonær fase og selektivitet. Bare noen få kutt kan overføres gjennom løpet , derfor kan den bare brukes der det er noen få skilleseparasjoner.
Figur 3: GC x GC konturplot av diesel som viser de forskjellige kjemiske klassene som er atskilt. 1. dimensjonskolonne er ikke -polær og 2. dimensjon kolonne er midtpolær. Kreditt: Anthias Consulting.
For komplekse prøver der det er hyppige koelusjoner, brukes omfattende to-dimensjonal kromatografi (GC x GC). To kolonner , som inneholder forskjellige stasjonære faser og derfor forskjellige separasjonsmekanismer, er satt opp i serie. Det «normale» oppsettet er en ikke-polær kolonne i 1. dimensjon etterfulgt av en polær kolonne i 2. dimensjon, som vist i figur 3. for analyse av diesel. En modulator brukes mellom de to kolonnene for å ta et kutt fra første kolonne og injiser i et smalt prøvebånd på den andre kolonnen. Termiske modulatorer oppnår dette ved hjelp av temperatur for å fange opp og deretter frigjøre molekylene, strømningsmodulatorer samler avløpet, komprimerer og skyller molekylene på den andre kolonnen. Kutt blir tatt gjennom hele løpet , vanligvis hvert 1. til 10. sekund. Separasjon på den andre kolonnen bør oppnås før neste kutt innføres. Denne raske separasjonen oppnås ved å bruke en kort, smal andre kolonne, vanligvis 1-2 m med 0,1 mm innvendig diameter brukt med termisk modulatorer; eller en kort, bredere andre kolonne, vanligvis 5 m med 0,25 mm innvendig diameter brukt med strømningsmodulatorer.GC x GC-toppene er veldig smale, ned til 35 ms. Derfor må raske GC-detektorer eller massespektrometre med høy opptakshastighet > 100 Hz brukes for å skaffe nok datapunkter.
Styrker og begrensninger ved gasskromatografi
GC er en mye brukt teknikk i de fleste bransjer. Den brukes til rutinemessig analyse til forskning, og analyserer noen få til mange hundre (eller tusenvis med GC x GC) av forbindelser i mange forskjellige matriser, fra faste stoffer til gasser. Det er en robust teknikk og kan lett bindestrekes til andre teknikker, inkludert massespektrometri.
GC er begrenset til å analysere flyktige forbindelser fra helium / hydrogen opp til molekylvekter på rundt 1250 u. Termisk labile forbindelser kan brytes ned i en varm GC, derfor bør kalde injeksjonsteknikker og lave temperaturer brukes for å minimere dette. Flere polare analytter kan bli sittende fast eller tapt i GC, derfor bør systemet deaktiveres og vedlikeholdes godt, eller disse analytene derivatiseres.
Vanlige problemer med gasskromatografi
Det vanligste problemet i GC er lekkasjer. Den mobile fasen er en gass og strømmer gjennom hele systemet. Derfor er riktig installasjon av deler og forbruksvarer viktig sammen med regelmessig lekkasjekontroll.
Aktivitet er et annet problem for mer polare analyser, spesielt de på spornivåer. Silanolgrupper på glassforingene og kolonnen, og også opphopning av smuss i systemet kan forårsake haletopper, irreversibel adsorpsjon eller katalytisk nedbrytning. Innløpet er området som forårsaker de fleste problemer, da det er her prøven blir injisert, fordampet og overført til GC-kolonnen. Derfor er regelmessig vedlikehold av inntaket sammen med bruk av riktige forbruksvarer, for eksempel en deaktivert innløpsforing, viktig for å holde instrumentet problemfritt.