Ce este cromatografia de gaze?
Cromatografia în gaz (GC) este o tehnică analitică utilizată pentru separați componentele chimice ale unui amestec de probă și apoi detectați-le pentru a determina prezența sau absența lor și / sau cât este prezent. Aceste componente chimice sunt de obicei molecule organice sau gaze. Pentru ca GC să aibă succes în analiza lor, aceste componente trebuie să fie volatile, de obicei cu o greutate moleculară mai mică de 1250 Da și stabile termic, astfel încât să nu se degradeze în sistemul GC. GC este o tehnică utilizată pe scară largă în majoritatea industriilor: pentru controlul calității în fabricarea multor produse de la autoturisme la produse chimice până la produse farmaceutice; în scopuri de cercetare de la analiza meteoriților la produse naturale; și pentru siguranța de la mediu la alimentar până la criminalistică. Cromatografele de gaze sunt frecvent împărțite în spectrometre de masă (GC-MS) pentru a permite identificarea componentelor chimice.
Cum funcționează cromatografia de gaze?
După cum sugerează și numele, GC folosește un gaz purtător în separare, acesta joacă rolul mobilului fază (Figura 1 (1)). Gazul purtător transportă moleculele eșantionului prin sistemul GC, în mod ideal fără să reacționeze cu proba sau să deterioreze componentele instrumentului.
Eșantionul este introdus mai întâi în cromatograful de gaze (GC), fie cu un seringă sau transferată dintr-un eșantionator automat (Figura 1 (2)) care poate extrage, de asemenea, componentele chimice din matricile de probă solide sau lichide. Proba este injectată în orificiul de admisie GC (Figura 1 (3)) printr-un sept care permite injectarea amestecului de probă fără a pierde faza mobilă. Conectat la orificiul de intrare este coloana analitică (Figura 1 (4)), un tub de siliciu sau metal metalizat, lung (10 – 150 m), îngust (0,1 – 0,53 mm), care conține faza staționară acoperită pe pereții interiori. Coloana analitică este ținută în cuptorul coloanei care este încălzit în timpul analizei pentru a elua componentele mai puțin volatile. Ieșirea coloanei este introdusă în detector (Figura 1 (5)) care răspunde la componentele chimice care eluează din coloană pentru a produce un semnal. Semnalul este înregistrat de software-ul de achiziție pe un computer pentru a produce o cromatogramă (Figura 1 (6)).
Figura 1: O diagramă simplificată a unui cromatograf de gaze care arată: (1 ) gaz purtător, (2) eșantionare automată, (3) intrare, (4) coloană analitică, (5) detector și (6) PC. Credit: Anthias Consulting.
După injectarea în orificiul de intrare GC, componentele chimice ale amestecului de probă sunt mai întâi vaporizate, dacă nu sunt deja în faza gazoasă. Pentru eșantioanele cu concentrație scăzută, întregul nor de vapori este transferat în coloana analitică de către gazul purtător în ceea ce este cunoscut sub numele de splitless mode. Pentru eșantioanele cu concentrație ridicată, doar o parte din eșantion este transferată în coloana analitică în modul divizat, restul este spălat din sistem prin linia divizată pentru a preveni supraîncărcarea coloanei analitice. în coloana analitică, componentele eșantionului sunt separate prin diferitele lor interacțiuni cu faza staționară. Prin urmare, atunci când selectați tipul de coloană de utilizat, volatilitatea și grupurile funcționale ale analiților ar trebui luate în considerare pentru a le potrivi cu faza staționară. Fazele staționare lichide se încadrează în principal în două tipuri: pe bază de polietilen glicol (PEG) sau polidimetilsiloxan (PDMS), acesta din urmă cu procente variabile de dimetil, difenil sau grupări funcționale polare medii, de exemplu cianopropilfenil. La fel ca separările ca, prin urmare coloanele nepolare cu dimetil sau un procent scăzut de difenil sunt bune pentru separarea analiților nepolari. Acele molecule capabile de interacțiuni π-π pot fi separate pe faze staționare care conțin grupări fenil. Cei capabili de legare a hidrogenului, de exemplu acizi și alcooli, sunt cel mai bine separați cu coloane PEG, cu excepția cazului în care au suferit derivatizare pentru a le face mai puțin polare.
Pasul final este detectarea moleculelor de analit. când eluează din coloană. Există multe tipuri de detectoare GC, de exemplu: cele care răspund la legăturile C-H, cum ar fi detectorul de ionizare a flăcării (FID); cele care răspund la elemente specifice de exemplu sulf, azot sau fosfor; și cele care răspund la proprietățile specifice ale moleculei, cum ar fi capacitatea de a captura un electron, așa cum este utilizat cu detectorul de captare a electronilor (ECD).
Adăugarea masei spectrometrie la gaz cromatografie (GC-MS)
Spectrometria de masă (MS) este o tehnică analitică care poate fi cratimată la un GC și utilizată în locul detectorului GC. Moleculele neutre eluează din coloana analitică și sunt ionizate în sursa ionică pentru a produce ioni moleculari care se pot degrada în ioni fragmentați. Fragmentul și ionii moleculari sunt apoi separați în analizorul de masă prin raportul lor masă: încărcare (m / z) și sunt detectați.Datele de la un GC-MS sunt tridimensionale, oferind spectre de masă care pot fi utilizate pentru confirmarea identității, pentru a identifica analiți necunoscuți și pentru a determina proprietățile structurale și chimice ale moleculelor, precum și cromatograma care poate fi utilizată pentru analiza calitativă și cantitativă.
Cum citiți o cromatogramă și ce vă spune?
Figura 2: Cromatogramă de ieșire dintr-un GC sau GC -DOMNIȘOARĂ. Credit: Anthias Consulting.
Se pot obține multe informații din cromatograma privind starea de sănătate a sistemului GC sau GC-MS, precum și a datelor necesare pentru efectuarea analizei calitative sau cantitative.
Axa x reprezintă timpul de retenție, luat din momentul în care proba a fost injectată în GC (t0) până la sfârșitul cursei GC. Fiecare vârf de analit are un timp de retenție măsurat de la vârful vârfului, de exemplu tR. Axa y este răspunsul măsurat al vârfului analitului din detector. Linia de bază arată semnalul de la detector atunci când niciun analit nu eluează din coloană sau este sub limita de detecție. Răspunsul de bază este un amestec de zgomot electric (de obicei scăzut) și zgomot chimic, cum ar fi impuritățile din gazul purtător, sângerarea în fază staționară a coloanei și contaminarea sistemului. Prin urmare, dacă linia de bază este mai mare decât ar trebui să fie, este o indicație a unei probleme sau că este necesară întreținerea. Pot fi luate diferite măsurători de la vârf, cum ar fi lățimea la linia de bază, lățimea la jumătatea înălțimii, înălțimea totală și zona. Ultimele două sunt proporționale cu concentrația, cu toate acestea este zona care este utilizată pentru cuantificare, deoarece este mai puțin afectată de lărgirea benzii. Măsurătorile pot fi utilizate pentru a calcula gradul de lărgire a benzii, răspândirea moleculelor de analit pe coloană. Vârfurile mai înguste și mai ascuțite oferă o sensibilitate mai bună (raport semnal / zgomot) și o rezoluție mai bună (separarea vârfurilor). Vârfurile afișate sunt gaussiene, cu toate acestea vârful de coadă (partea dreaptă a vârfului este mai largă) indică activitate sau un volum mort în sistem, în timp ce un vârf de orientare (partea stângă a vârfului este mai largă) indică coloana supraîncărcată. Măsurătorile precise sunt afectate de numărul de puncte de date de pe un vârf, un număr ideal fiind de 15-25. Prea puține, face ca vârful să arate ca un desen al unui copil, afectând zona vârfului, rezoluția și, cu GC-MS, deconvoluția. Prea multe reduc semnalul la zgomot, reducând sensibilitatea. Pentru datele GC-MS, fiecare punct de date este un spectru de masă, a treia dimensiune a datelor.
Luând cromatografia gazoasă în mai multe dimensiuni
Comparativ cu altele tehnici de separare, GC are o capacitate de vârf ridicată, cu capacitatea de a separa sute de compuși. Cu toate acestea, pentru unele aplicații în care mii de vârfuri trebuie separate, nu există suficiente plăci teoretice pentru a le separa pe toate prin cromatografie. Exemplele pot include analiza motorinei sau în cazul în care analiza urme trebuie detectată în matrici complexe, cum ar fi probe de mediu, biologice sau alimentare. Rezoluția spectrală, în cazul în care o MS este cratimată la un GC, permite efectuarea analizei fără rezoluție cromatografică completă, cu toate acestea vârfurile de coelutare trebuie să aibă spectre diferite pentru ca acest lucru să aibă un succes deplin.
Heart-cutting este util în cazul în care o coloană este selectată pentru a separa majoritatea vârfurilor, apoi câteva grupuri de vârfuri de coelutare sunt „tăiate” și transferate pe o a doua coloană care conține o fază staționară și selectivitate diferite. Doar câteva tăieturi pot fi transferate prin cursă , prin urmare, poate fi utilizat numai acolo unde există câteva separări de probleme.
Figura 3: Graficul conturului GC x GC al motorinei care prezintă diferitele clase chimice separate. Coloana 1 dimensiune este non -coloana polară și a doua dimensiune este polară medie. Credit: Anthias Consulting.
Pentru eșantioane complexe în care există frecvențe de coelații, se utilizează cromatografie bidimensională completă (GC x GC). , conținând diferite faze staționare și, prin urmare, diferite mecanismele de separare, sunt setate în serie. Configurarea „normală” este o coloană nepolară de prima dimensiune, urmată de o coloană a doua dimensiune mai polară, așa cum se arată în Figura 3, pentru analiza motorinei. Un modulator este utilizat între cele două coloane pentru a lua o tăietură din prima coloană și reinjectați într-o bandă îngustă de probă pe a doua coloană. Modulatorii termici realizează acest lucru folosind temperatura pentru a prinde și apoi elibera moleculele, modulatorii de flux colectează efluentul, comprimă și spală moleculele pe a doua coloană. , de obicei la fiecare 1 până la 10 secunde. Separarea pe a doua coloană trebuie realizată înainte de introducerea următoarei tăieturi. Această separare rapidă se realizează utilizând o a doua coloană scurtă și îngustă, de obicei 1-2 m de 0,1 mm diametru intern utilizat cu sau o a doua coloană scurtă și mai largă, de obicei 5 m cu diametrul intern de 0,25 mm utilizat cu modulatori de debit.Vârfurile GC x GC sunt foarte înguste, până la 35 ms, prin urmare detectoare GC rapide sau spectrometre de masă cu rată de achiziție mare > 100 Hz trebuie utilizate pentru a obține suficiente puncte de date.
Puncte tari și limitări ale cromatografiei gazoase
GC este o tehnică utilizată pe scară largă în majoritatea industriilor. Este folosit pentru analiza de rutină până la cercetare, analizând câteva sute (sau mii cu GC x GC) de compuși în multe matrice diferite, de la solide la gaze. Este o tehnică robustă și este ușor împărțită cu alte tehnici, inclusiv spectrometria de masă.
GC se limitează la analiza compușilor volatili de la heliu / hidrogen până la greutăți moleculare de aproximativ 1250 u. Compușii labili termic se pot degrada într-un GC fierbinte, prin urmare ar trebui folosite tehnici de injectare la rece și temperaturi scăzute pentru a minimiza acest lucru. Mai mulți analiți polari se pot bloca sau pierde în GC, prin urmare sistemul ar trebui să fie dezactivat și bine întreținut sau acești analiți derivatizați.
Probleme obișnuite cu cromatografia gazoasă
Cea mai frecventă problemă în GC sunt scurgerile. Faza mobilă este un gaz și curge în întregul sistem, prin urmare instalarea corectă a pieselor și consumabilelor este importantă împreună cu verificarea periodică a scurgerilor.
Activitatea este o altă problemă pentru analiții mai polari, în special pentru cei din urme de niveluri. Grupurile de silanol de pe căptușelile și stâlpii de sticlă, precum și o acumulare de murdărie în sistem pot provoca vârfuri de coadă, adsorbție ireversibilă sau ruperea catalitică. Orificiul de admisie este zona care cauzează cele mai multe probleme, deoarece este aici proba este injectată, vaporizată și transferată în coloana GC. Prin urmare, întreținerea regulată a intrării împreună cu utilizarea consumabilelor corecte, de exemplu o căptușeală de intrare dezactivată, este importantă pentru a menține instrumentul fără probleme.