Wat is gaschromatografie?
Gaschromatografie (GC) is een analytische techniek die wordt gebruikt om scheid de chemische componenten van een monstermengsel en detecteer ze om hun aanwezigheid of afwezigheid te bepalen en / of hoeveel aanwezig is. Deze chemische componenten zijn meestal organische moleculen of gassen. Om GC succesvol te laten zijn in hun analyse, moeten deze componenten vluchtig zijn, meestal met een molecuulgewicht van minder dan 1250 Da, en thermisch stabiel, zodat ze niet worden afgebroken in het GC-systeem. GC is een veelgebruikte techniek in de meeste industrieën: voor kwaliteitscontrole bij de fabricage van veel producten, van autos tot chemicaliën tot farmaceutische producten; voor onderzoeksdoeleinden van de analyse van meteorieten tot natuurlijke producten; en voor veiligheid van milieu tot voedsel tot forensisch onderzoek. Gaschromatografen worden vaak afgebroken met massaspectrometers (GC-MS) om de identificatie van de chemische componenten mogelijk te maken.
Hoe werkt gaschromatografie?
Zoals de naam al aangeeft, gebruikt GC een draaggas bij de scheiding, dit speelt de rol van de mobiele fase (Figuur 1 (1)). Het dragergas transporteert de monstermoleculen door het GC-systeem, idealiter zonder te reageren met het monster of de instrumentcomponenten te beschadigen.
Het monster wordt eerst in de gaschromatograaf (GC) gebracht, hetzij met een spuit of overgebracht van een autosampler (Figuur 1 (2)) die ook de chemische componenten kan extraheren uit vaste of vloeibare monstermatrices. Het monster wordt in de GC-inlaat (Figuur 1 (3)) geïnjecteerd via een septum dat de injectie van het monstermengsel mogelijk maakt zonder de mobiele fase te verliezen. Verbonden met de inlaat is de analytische kolom (Figuur 1 (4)), een lange (10 – 150 m), smalle (0,1 – 0,53 mm inwendige diameter) gesmolten siliciumdioxide of metalen buis die de stationaire fase bevat gecoat aan de binnenwanden. De analytische kolom wordt in de kolomoven gehouden die tijdens de analyse wordt verwarmd om de minder vluchtige componenten te elueren. De uitlaat van de kolom wordt in de detector gestoken (Figuur 1 (5)) die reageert op de chemische componenten die uit de kolom elueren om een signaal te produceren. Het signaal wordt geregistreerd door de acquisitiesoftware op een computer om een chromatogram te maken (Figuur 1 (6)).
Figuur 1: Een vereenvoudigd diagram van een gaschromatograaf met: (1 ) draaggas, (2) autosampler, (3) inlaat, (4) analytische kolom, (5) detector en (6) pc. Credit: Anthias Consulting.
Na injectie in de GC-inlaat worden de chemische componenten van het monstermengsel eerst verdampt, als ze zich nog niet in de gasfase bevinden. Voor monsters met een lage concentratie wordt de gehele dampwolk door het draaggas in de zogenaamde splitless-modus overgebracht naar de analytische kolom. Voor monsters met een hoge concentratie wordt slechts een deel van het monster overgebracht naar de analytische kolom in gesplitste modus, de rest wordt uit het systeem gespoeld via de splitsingslijn om overbelasting van de analytische kolom te voorkomen.
Eenmaal in de analytische kolom worden de monstercomponenten gescheiden door hun verschillende interacties met de stationaire fase. Daarom moeten bij het selecteren van het type kolom dat moet worden gebruikt, de vluchtigheid en functionele groepen van de analyten worden overwogen om ze af te stemmen op de stationaire fase. Vloeibare stationaire fasen vallen hoofdzakelijk in twee typen: op basis van polyethyleenglycol (PEG) of op basis van polydimethylsiloxaan (PDMS), de laatste met variërende percentages dimethyl-, difenyl- of middenpolaire functionele groepen, bijvoorbeeld cyanopropylfenyl. Zoals scheidt, zijn daarom niet-polaire kolommen met dimethyl of een laag percentage difenyl goed voor het scheiden van niet-polaire analyten. Die moleculen die in staat zijn tot π-π-interacties, kunnen worden gescheiden op stationaire fasen die fenylgroepen bevatten. Degenen die in staat zijn tot waterstofbinding, bijvoorbeeld zuren en alcoholen, kunnen het beste worden gescheiden met PEG-kolommen, tenzij ze derivatisering hebben ondergaan om ze minder polair te maken.
De laatste stap is de detectie van de analytmoleculen wanneer ze uit de kolom elueren. Er zijn veel soorten GC-detectoren, bijvoorbeeld: degene die reageren op C-H-bindingen zoals de vlamionisatiedetector (FID); degenen die reageren op specifieke elementen, bijvoorbeeld zwavel, stikstof of fosfor; en die reageren op specifieke eigenschappen van het molecuul, zoals het vermogen om een elektron te vangen, zoals wordt gebruikt met de elektronenvangstdetector (ECD).
Massa toevoegen spectrometrie naar gaschromatografie (GC-MS)
Massaspectrometrie (MS) is een analytische techniek die kan worden afgebroken tot een GC en kan worden gebruikt in plaats van de GC-detector. De neutrale moleculen elueren uit de analytische kolom en worden geïoniseerd in de ionenbron om moleculaire ionen te produceren die kunnen worden afgebroken tot fragmentionen. Het fragment en de moleculaire ionen worden vervolgens in de massa-analysator gescheiden door hun massa: lading (m / z) -verhouding en worden gedetecteerd.Gegevens van een GC-MS zijn driedimensionaal en bieden massaspectra die kunnen worden gebruikt voor identiteitsbevestiging, om onbekende analyten te identificeren en om structurele en chemische eigenschappen van moleculen te bepalen, evenals het chromatogram dat kan worden gebruikt voor kwalitatieve en kwantitatieve analyse.
Hoe lees je een chromatogram en wat vertelt het je?
Figuur 2: Chromatogram output van een GC of GC -MEVROUW. Credit: Anthias Consulting.
Er kan veel informatie worden verkregen uit het chromatogram over de gezondheid van het GC- of GC-MS-systeem, evenals de gegevens die nodig zijn om kwalitatieve of kwantitatieve analyses uit te voeren.
De x-as is de retentietijd, genomen vanaf het moment dat het monster in de GC (t0) werd geïnjecteerd tot het einde van de GC-run. Elke analytpiek heeft een retentietijd gemeten vanaf de top van de piek, bijvoorbeeld tR. De y-as is de gemeten respons van de analytpiek in de detector. De basislijn toont het signaal van de detector wanneer er geen analyt uit de kolom elueert, of onder de detectielimiet. De basisrespons is een mix van elektrische ruis (meestal laag) en chemische ruis, zoals onzuiverheden in het dragergas, aftappen van de stationaire fase van de kolom en systeemverontreiniging. Dus als de basislijn hoger is dan zou moeten, is dit een indicatie van een probleem of dat onderhoud vereist is. Vanaf de top kunnen verschillende metingen worden gedaan, zoals breedte aan de basislijn, breedte op halve hoogte, totale hoogte en oppervlakte. De laatste twee zijn evenredig met de concentratie, maar het is het gebied dat wordt gebruikt voor kwantificering omdat het minder wordt beïnvloed door bandverbreding. De metingen kunnen worden gebruikt om de mate van bandverbreding, de spreiding van de analytmoleculen op de kolom, te berekenen. Kleinere, scherpere pieken geven een betere gevoeligheid (signaal-ruisverhouding) en een betere resolutie (piekscheiding). De weergegeven pieken zijn Gaussiaans, maar peak tailing (de rechterkant van de piek is breder) duidt op activiteit of een dood volume in het systeem, terwijl een peak fronting (de linkerkant van de piek is breder) aangeeft dat de kolom overbelast is. Nauwkeurige metingen worden beïnvloed door het aantal datapunten over een piek, met een ideaal aantal van 15-25. Te weinig, zorgt ervoor dat de piek eruitziet als een tekening van een kind tussen de punten, waardoor het piekoppervlak, de resolutie en, met GC-MS, deconvolutie wordt beïnvloed. Te veel vermindert het signaal naar ruis, waardoor de gevoeligheid afneemt. Voor GC-MS-gegevens is elk gegevenspunt een massaspectrum, de derde dimensie van gegevens.
Gaschromatografie in meerdere dimensies opnemen
Vergeleken met andere scheidingstechnieken, GC heeft een hoge piekcapaciteit met de mogelijkheid om honderden verbindingen te scheiden. Voor sommige toepassingen waarbij duizenden pieken gescheiden moeten worden, zijn er echter niet genoeg theoretische platen om ze allemaal chromatografisch te scheiden. Voorbeelden hiervan zijn de analyse van diesel, of waar sporenanalyses moeten worden gedetecteerd in complexe matrices zoals milieu-, biologische of voedselmonsters. Spectrale resolutie, waarbij een MS wordt afgebroken tot een GC, maakt het mogelijk analyse uit te voeren zonder volledige chromatografische resolutie, maar de coeluterende pieken moeten verschillende spectra hebben om dit volledig succesvol te laten zijn.
Heart-cutting is handig wanneer een kolom wordt geselecteerd om de meerderheid van de pieken te scheiden, waarna een paar groepen coeluting-pieken worden afgesneden en overgebracht naar een tweede kolom die een andere stationaire fase en selectiviteit bevat. Er kunnen slechts een paar delen worden overgedragen tijdens de run , daarom kan het alleen worden gebruikt als er een paar probleemscheidingen zijn.
Figuur 3: GC x GC-contourdiagram van diesel met de verschillende chemische klassen gescheiden. Kolom 1ste dimensie is niet -polaire en 2e dimensie kolom is mid-polair. Credit: Anthias Consulting.
Voor complexe monsters met frequente coeluties wordt uitgebreide tweedimensionale chromatografie (GC x GC) gebruikt. Twee kolommen , met verschillende stationaire fasen en dus verschillend scheidingsmechanismen worden in serie opgesteld. De “normale” opstelling is een 1ste dimensie niet-polaire kolom gevolgd door een 2de dimensie meer polaire kolom, zoals weergegeven in Figuur 3, voor de analyse van diesel. Een modulator wordt gebruikt tussen de twee kolommen om een snede uit de eerste kolom en injecteer ze opnieuw in een smalle monsterband op de tweede kolom. Thermische modulatoren bereiken dit met behulp van temperatuur om de moleculen op te vangen en vervolgens vrij te geven, stromingsmodulatoren verzamelen het effluent, comprimeren en spoelen de moleculen naar de tweede kolom. Tijdens de run worden bezuinigingen gemaakt , gewoonlijk elke 1 tot 10 seconden. Scheiding op de tweede kolom moet worden bereikt voordat de volgende snede wordt geïntroduceerd. Deze snelle scheiding wordt bereikt door een korte, smalle tweede kolom te gebruiken, meestal 1-2 m met een interne diameter van 0,1 mm die wordt gebruikt met thermische modulatoren, of een korte, bredere tweede kolom, gewoonlijk 5 m met een binnendiameter van 0,25 mm, gebruikt met stromingsmodulatoren.GC x GC-pieken zijn erg smal, tot 35 ms, daarom moeten snelle GC-detectoren of massaspectrometers met hoge acquisitiesnelheid > 100 Hz worden gebruikt om voldoende datapunten te verkrijgen.
Sterke punten en beperkingen van gaschromatografie
GC is een veelgebruikte techniek in de meeste industrieën. Het wordt gebruikt voor routinematige analyse tot onderzoek, waarbij enkele tot vele honderden (of duizenden met GC x GC) verbindingen in veel verschillende matrices, van vaste stoffen tot gassen, worden geanalyseerd. Het is een robuuste techniek en kan gemakkelijk worden gekoppeld aan andere technieken, waaronder massaspectrometrie.
GC is beperkt tot het analyseren van vluchtige verbindingen van helium / waterstof tot molecuulgewichten van ongeveer 1250 u. Thermisch labiele verbindingen kunnen worden afgebroken in een hete GC, daarom moeten koude injectietechnieken en lage temperaturen worden gebruikt om dit te minimaliseren. Meer polaire analyten kunnen vast komen te zitten of verloren gaan in de GC, daarom moet het systeem worden gedeactiveerd en goed worden onderhouden of moeten deze analyten worden gederivatiseerd.
Veelvoorkomende problemen met gaschromatografie
Het meest voorkomende probleem bij GC zijn lekken. De mobiele fase is een gas en stroomt door het systeem, daarom is de juiste installatie van onderdelen en verbruiksmaterialen belangrijk samen met regelmatige lekcontrole.
Activiteit is een ander probleem voor meer polaire analyten, vooral die bij trace niveaus. Silanolgroepen op de glazen voeringen en kolom, en ook een opeenhoping van vuil in het systeem, kunnen tailing pieken, onomkeerbare adsorptie of katalytische afbraak veroorzaken. De inlaat is het gebied dat de meeste problemen veroorzaakt, aangezien hier het monster wordt geïnjecteerd, verdampt en overgebracht naar de GC-kolom. Daarom is regelmatig onderhoud van de inlaat samen met het gebruik van de juiste verbruiksartikelen, bijvoorbeeld een gedeactiveerde inlaatvoering, belangrijk om het instrument storingsvrij te houden.