Co to jest chromatografia gazowa?
Chromatografia gazowa (GC) to technika analityczna stosowana do oddzielić składniki chemiczne mieszaniny próbki, a następnie wykryć je, aby określić ich obecność lub brak i / lub ich ilość. Te składniki chemiczne to zwykle cząsteczki organiczne lub gazy. Aby GC odniosło sukces w ich analizie, składniki te muszą być lotne, zwykle o masie cząsteczkowej poniżej 1250 Da i stabilne termicznie, aby nie ulegały degradacji w układzie GC. GC to technika szeroko stosowana w większości branż: do kontroli jakości przy wytwarzaniu wielu produktów, od samochodów po chemikalia i farmaceutyki; do celów badawczych od analizy meteorytów po produkty naturalne; oraz dla bezpieczeństwa, od środowiska po żywność po kryminalistykę. Chromatografy gazowe są często łączone ze spektrometrami mas (GC-MS), aby umożliwić identyfikację składników chemicznych.
Jak działa chromatografia gazowa?
Jak sama nazwa wskazuje, GC wykorzystuje gaz nośny do separacji, który odgrywa rolę mobilnego fazę (Rysunek 1 (1)). Gaz nośny transportuje cząsteczki próbki przez system GC, najlepiej bez reakcji z próbką lub uszkodzenia elementów instrumentu.
Próbka jest najpierw wprowadzana do chromatografu gazowego (GC), albo strzykawkę lub przeniesiony z autosamplera (Rysunek 1 (2)), który może również wyodrębniać składniki chemiczne z matryc próbek stałych lub ciekłych. Próbka jest wprowadzana do wlotu GC (Rysunek 1 (3)) przez przegrodę, która umożliwia wstrzyknięcie próbki mieszaniny bez utraty fazy ruchomej. Do wlotu podłączona jest kolumna analityczna (rys. 1 (4)), długa (10 – 150 m), wąska (o średnicy wewnętrznej 0,1 – 0,53 mm) topiona krzemionka lub metalowa rura zawierająca fazę stacjonarną pokrytą wewnętrznymi ścianami. Kolumna analityczna jest trzymana w piecu kolumny, który jest podgrzewany podczas analizy w celu wymycia mniej lotnych składników. Wylot kolumny jest wprowadzany do detektora (Rysunek 1 (5)), który reaguje na składniki chemiczne wymywane z kolumny w celu wytworzenia sygnału. Sygnał jest rejestrowany przez oprogramowanie do akwizycji na komputerze w celu utworzenia chromatogramu (Rysunek 1 (6)).
Rysunek 1: Uproszczony schemat chromatografu gazowego przedstawiający: (1 ) gaz nośny, (2) autosampler, (3) wlot, (4) kolumna analityczna, (5) detektor i (6) PC. Credit: Anthias Consulting.
Po wstrzyknięciu do wlotu GC, składniki chemiczne mieszaniny próbki są najpierw odparowywane, jeśli nie znajdują się jeszcze w fazie gazowej. W przypadku próbek o niskim stężeniu cała chmura par jest przenoszona do kolumny analitycznej przez gaz nośny w tak zwanym trybie bez rozszczepienia. W przypadku próbek o wysokim stężeniu tylko część próbki jest przenoszona do kolumny analitycznej w trybie podziału, a pozostała część jest przepłukiwana z systemu przez linię podziału, aby zapobiec przeciążeniu kolumny analitycznej.
Raz w kolumnie analitycznej składniki próbki są rozdzielane przez ich różne interakcje z fazą stacjonarną. Dlatego przy wyborze rodzaju stosowanej kolumny należy wziąć pod uwagę zmienność i grupy funkcyjne analitów, aby dopasować je do fazy stacjonarnej. Ciekłe fazy stacjonarne dzielą się głównie na dwa typy: na bazie glikolu polietylenowego (PEG) lub polidimetylosiloksanu (PDMS), przy czym ten ostatni zawiera różne procentowe grupy funkcyjne dimetylowe, difenylowe lub środkowo-polarne, na przykład cyjanopropylofenyl. Podobnie jak w przypadku separatów, dlatego niepolarne kolumny z dimetylem lub niskim procentem difenylu są dobre do oddzielania niepolarnych analitów. Te cząsteczki zdolne do oddziaływań π-π można rozdzielić na stacjonarne fazy zawierające grupy fenylowe. Te zdolne do tworzenia wiązań wodorowych, na przykład kwasy i alkohole, najlepiej oddzielać za pomocą kolumn PEG, chyba że zostały poddane derywatyzacji, aby uczynić je mniej polarnymi.
Ostatnim krokiem jest wykrycie cząsteczek analitu kiedy wymywają się z kolumny. Istnieje wiele typów detektorów GC, na przykład: te, które reagują na wiązania C-H, takie jak detektor płomieniowo-jonizacyjny (FID); te, które reagują na określone pierwiastki, na przykład siarkę, azot lub fosfor; oraz te, które reagują na określone właściwości cząsteczki, takie jak zdolność do wychwytywania elektronu, tak jak jest to wykorzystywane w przypadku detektora wychwytu elektronów (ECD).
Dodawanie masy Spektrometria do chromatografii gazowej (GC-MS)
Spektrometria mas (MS) to technika analityczna, którą można podzielić na GC i zastosować zamiast detektora GC. Cząsteczki obojętne wymywają się z kolumny analitycznej i są jonizowane w źródle jonów w celu wytworzenia jonów molekularnych, które mogą rozpadać się na jony fragmentaryczne. Fragment i jony molekularne są następnie rozdzielane w analizatorze mas na podstawie stosunku masy: ładunku (m / z) i są wykrywane.Dane z GC-MS są trójwymiarowe i zawierają widma masowe, które można wykorzystać do potwierdzenia tożsamości, identyfikacji nieznanych analitów oraz określenia strukturalnych i chemicznych właściwości cząsteczek, a także chromatogramu, który można wykorzystać do analizy jakościowej i ilościowej.
Jak odczytujesz chromatogram i co on ci mówi?
Rysunek 2: Wyjście chromatogramu z GC lub GC -SM. Źródło: Anthias Consulting.
Wiele informacji można uzyskać z chromatogramu na temat stanu systemu GC lub GC-MS, a także z danych wymaganych do przeprowadzenia analizy jakościowej lub ilościowej.
Oś x to czas retencji, mierzony od momentu wstrzyknięcia próbki do GC (t0) do końca rozdziału GC. Każdy pik analitu ma czas retencji mierzony od wierzchołka piku, na przykład tR. Oś Y to zmierzona odpowiedź piku analitu w detektorze. Linia bazowa przedstawia sygnał z detektora, gdy z kolumny nie wypływa analit lub jest on poniżej granicy wykrywalności. Odpowiedź podstawowa to mieszanka szumu elektrycznego (zwykle niskiego) i szumu chemicznego, takiego jak zanieczyszczenia w gazie nośnym, wyciek fazy stacjonarnej kolumny i zanieczyszczenie systemu. Dlatego też, jeśli poziom bazowy jest wyższy niż powinien, oznacza to problem lub konieczność konserwacji. Ze szczytu można pobrać różne pomiary, takie jak szerokość na linii bazowej, szerokość w połowie wysokości, całkowita wysokość i powierzchnia. Te dwa ostatnie są proporcjonalne do stężenia, jednak jest to obszar używany do oznaczania ilościowego, ponieważ jest mniej podatny na poszerzenie pasma. Pomiary można wykorzystać do obliczenia zakresu poszerzenia pasma, rozprzestrzeniania się cząsteczek analitu na kolumnie. Węższe, ostrzejsze piki dają lepszą czułość (stosunek sygnału do szumu) i lepszą rozdzielczość (separacja pików). Pokazane piki są gaussowskie, jednak ogonowanie pików (prawa strona piku jest szersza) wskazuje na aktywność lub martwą objętość w systemie, podczas gdy frontowanie piku (lewa strona piku jest szersza) wskazuje na przeciążenie kolumny. Na dokładne pomiary ma wpływ liczba punktów danych na szczycie, przy czym idealna liczba to 15-25. Za mało, sprawia, że pik wygląda jak dziecięcy rysunek łączenia kropek, wpływając na obszar piku, rozdzielczość i, w przypadku GC-MS, dekonwolucję. Zbyt wiele redukuje sygnał do szumu, zmniejszając czułość. W przypadku danych GC-MS każdy punkt danych to widmo masowe, trzeci wymiar danych.
Wielowymiarowa chromatografia gazowa
W porównaniu z innymi techniki separacji, GC ma wysoką wydajność szczytową z możliwością oddzielenia setek związków. Jednak w niektórych zastosowaniach, w których trzeba oddzielić tysiące pików, nie ma wystarczającej liczby półek teoretycznych, aby je wszystkie chromatograficznie rozdzielić. Przykłady mogą obejmować analizę oleju napędowego lub sytuacje, w których należy wykryć ślady analitów w złożonych matrycach, takich jak próbki środowiskowe, biologiczne lub próbki żywności. Rozdzielczość widmowa, w której MS jest dzielona na GC, umożliwia przeprowadzenie analizy bez pełnej rozdzielczości chromatograficznej, jednak koelutujące piki muszą mieć różne widma, aby było to w pełni skuteczne.
Cięcie serca jest przydatne, gdy kolumna jest wybrana do oddzielenia większości pików, a następnie kilka grup koelujących pików jest „ciętych” i przenoszonych na drugą kolumnę zawierającą inną fazę stacjonarną i selektywność. Tylko kilka cięć można przenieść w trakcie próby , dlatego może być używany tylko w przypadku kilku problemów z rozdziałami.
Rysunek 3: Wykres konturowy GC x GC oleju napędowego przedstawiający rozdzielone różne klasy chemiczne. Kolumna pierwszego wymiaru nie jest Kolumna -polarna i 2. wymiar jest środkowo-biegunowa. Źródło: Anthias Consulting.
W przypadku złożonych próbek, w których często występują koelucje, stosowana jest wszechstronna chromatografia dwuwymiarowa (GC x GC). Dwie kolumny , zawierający różne fazy stacjonarne, a zatem różne mechanizmy separacji są ustawione szeregowo. „Normalna” konfiguracja to niepolarna kolumna pierwszego wymiaru, po której następuje bardziej polarna kolumna w drugim wymiarze, jak pokazano na rysunku 3, do analizy oleju napędowego. Między dwiema kolumnami stosuje się modulator, aby uzyskać wycięcie z pierwszą kolumnę i ponownie wstrzyknąć w wąskim paśmie próbki do drugiej kolumny. Modulatory termiczne osiągają to za pomocą temperatury w celu wyłapania, a następnie uwolnienia cząsteczek, modulatory przepływu zbierają odciek, ściskają i wypłukują cząsteczki do drugiej kolumny. , zwykle co 1 do 10 sekund. Separację na drugiej kolumnie należy przeprowadzić przed wprowadzeniem następnego cięcia. Szybką separację uzyskuje się za pomocą krótkiej, wąskiej drugiej kolumny, zwykle 1-2 m średnicy wewnętrznej 0,1 mm używanej z modulatory lub krótka, szersza druga kolumna, zwykle 5 m o średnicy wewnętrznej 0,25 mm, stosowana z modulatorami przepływu.Piki GC x GC są bardzo wąskie, do 35 ms, dlatego szybkie detektory GC lub spektrometry masowe o dużej szybkości akwizycji > 100 Hz muszą być użyte do uzyskania wystarczającej liczby punktów danych.
Mocne i słabe strony chromatografii gazowej
GC jest szeroko stosowaną techniką w większości gałęzi przemysłu. Służy do rutynowych analiz, aż po badania, analizując od kilku do wielu setek (lub tysięcy z GC x GC) związków w wielu różnych matrycach, od ciał stałych po gazy. Jest to solidna technika i można ją łatwo podzielić na inne techniki, w tym spektrometrię mas.
GC ogranicza się do analizowania lotnych związków, od helu / wodoru do masy cząsteczkowej około 1250 u. Związki nietrwałe termicznie mogą ulegać degradacji w gorącym GC, dlatego w celu zminimalizowania tego zjawiska należy stosować techniki wtrysku na zimno i niskie temperatury. Więcej polarnych analitów może utknąć lub zgubić się w GC, dlatego system powinien być dezaktywowany i dobrze konserwowany lub te anality derywatyzowane.
Typowe problemy z chromatografią gazową
Najczęstszym problemem w GC są wycieki. Faza ruchoma jest gazem i przepływa przez system, dlatego ważna jest prawidłowa instalacja części i materiałów eksploatacyjnych, a także regularne sprawdzanie szczelności.
Aktywność jest kolejną kwestią dla analitów bardziej polarnych, zwłaszcza tych w poziomy śladowe. Grupy silanolowe na szklanych wykładzinach i kolumnie, a także gromadzenie się brudu w układzie mogą powodować piki ogonowe, nieodwracalną adsorpcję lub rozpad katalityczny. Wlot jest obszarem, który sprawia najwięcej problemów, ponieważ to tutaj próbka jest wtryskiwana, odparowywana i przenoszona do kolumny GC. Dlatego regularna konserwacja wlotu wraz z użyciem odpowiednich materiałów eksploatacyjnych, na przykład dezaktywowanej wkładki wlotowej, jest ważna, aby utrzymać urządzenie bezawaryjnie.