Vad är gaskromatografi?
Gaskromatografi (GC) är en analytisk teknik som används för att separera de kemiska komponenterna i en provblandning och upptäcka dem för att bestämma deras närvaro eller frånvaro och / eller hur mycket som finns. Dessa kemiska komponenter är vanligtvis organiska molekyler eller gaser. För att GC ska lyckas i sin analys måste dessa komponenter vara flyktiga, vanligtvis med en molekylvikt under 1250 Da och termiskt stabila så att de inte bryts ned i GC-systemet. GC är en mycket använd teknik inom de flesta branscher: för kvalitetskontroll vid tillverkning av många produkter från bilar till kemikalier till läkemedel; för forskningsändamål från analys av meteoriter till naturprodukter; och för säkerhet från miljö till mat till kriminalteknik. Gaskromatografer avstavas ofta till masspektrometrar (GC-MS) för att möjliggöra identifiering av de kemiska komponenterna.
Hur fungerar gaskromatografi?
Som namnet antyder använder GC en bärargas i separationen, detta spelar rollen för mobilen fas (Figur 1 (1)). Bärargasen transporterar provmolekylerna genom GC-systemet, helst utan att reagera med provet eller skada instrumentkomponenterna.
Provet införs först i gaskromatografen (GC), antingen med en spruta eller överföras från en autosampler (Figur 1 (2)) som också kan extrahera de kemiska komponenterna från fasta eller flytande provmatriser. Provet injiceras i GC-inloppet (Figur 1 (3)) genom ett septum som möjliggör injektion av provblandningen utan att förlora mobilfasen. Ansluten till inloppet är den analytiska kolonnen (figur 1 (4)), ett långt (10 – 150 m), smalt (0,1 – 0,53 mm innerdiameter) smält kiseldioxid eller metallrör som innehåller den stationära fasen belagd på de inre väggarna. Den analytiska kolonnen hålls i kolonnugnen som värms upp under analysen för att eluera de mindre flyktiga komponenterna. Kolumnens utlopp förs in i detektorn (Figur 1 (5)) som svarar på de kemiska komponenterna som eluerar från kolonnen för att producera en signal. Signalen registreras av förvärvsprogrammet på en dator för att producera ett kromatogram (Figur 1 (6)).
Figur 1: Ett förenklat diagram över en gaskromatograf som visar: (1 ) bärargas, (2) autosampler, (3) inlopp, (4) analytisk kolonn, (5) detektor och (6) PC. Kredit: Anthias Consulting.
Efter injektion i GC-inloppet förångas de kemiska komponenterna i provblandningen först om de inte redan är i gasfasen. För lågkoncentrationsprover överförs hela ångmolnet till analytisk kolonn av bärargasen i det som kallas splitless mode. För högkoncentrationsprover överförs bara en del av provet till analytisk kolumn i delat läge, resten spolas från systemet genom delningslinjen för att förhindra överbelastning av analytisk kolumn.
En gång i den analytiska kolumnen separeras provkomponenterna genom olika interaktioner med den stationära fasen. Därför, när man väljer vilken typ av kolumn som ska användas, bör analysernas flyktighet och funktionella grupper övervägas för att matcha dem till den stationära fasen. Flytande stationära faser faller huvudsakligen i två typer: polyetylenglykol (PEG) eller polydimetylsiloxan (PDMS) -baserad, den senare med varierande procentsatser av dimetyl-, difenyl- eller midpolära funktionella grupper, till exempel cyanopropylfenyl. Liksom separerar likadana, därför är icke-polära kolonner med dimetyl eller en låg andel difenyl bra för att separera icke-polära analyter. De molekyler som kan π-π-interaktioner kan separeras på stationära faser innehållande fenylgrupper. De som kan vätebindas, till exempel syror och alkoholer, separeras bäst med PEG-kolonner, såvida de inte har genomgått derivatisering för att göra dem mindre polära.
Det sista steget är detektionen av analytmolekylerna när de eluerar från kolumnen. Det finns många typer av GC-detektorer, till exempel: de som svarar på C-H-bindningar som flamjoniseringsdetektorn (FID); de som svarar på specifika element, till exempel svavel, kväve eller fosfor; och de som svarar på specifika egenskaper hos molekylen, som förmågan att fånga en elektron, som används med elektronupptagningsdetektorn (ECD).
Lägga till massa spektrometri till gaskromatografi (GC-MS)
Masspektrometri (MS) är en analytisk teknik som kan bindas till en GC och användas istället för GC-detektorn. De neutrala molekylerna eluerar från den analytiska kolonnen och joniseras i jonkällan för att producera molekyljoner som kan brytas ned till fragmentjoner. Fragmentet och molekyljonerna separeras sedan i massanalysatorn genom deras förhållande massa: laddning (m / z) och detekteras.Data från en GC-MS är tredimensionell, vilket ger massspektra som kan användas för identitetsbekräftelse, för att identifiera okända analyter och för att bestämma molekylers strukturella och kemiska egenskaper, samt kromatogrammet som kan användas för kvalitativ och kvantitativ analys.
Hur läser du ett kromatogram och vad säger det dig?
Bild 2: Kromatogramutmatning från en GC eller GC -FRÖKEN. Kredit: Anthias Consulting.
Mycket information kan fås från kromatogrammet om hälsan hos GC- eller GC-MS-systemet samt de uppgifter som krävs för att utföra kvalitativ eller kvantitativ analys.
X-axeln är retentionstiden, taget från den tidpunkt då provet injicerades i GC (t0) till slutet av GC-körningen. Varje analyttopp har en retentionstid mätt från toppens topp, till exempel tR. Y-axeln är det uppmätta svaret för analytens topp i detektorn. Baslinjen visar signalen från detektorn när ingen analyt eluerar från kolumnen eller om den är under detektionsgränsen. Baslinjesvaret är en blandning av elektriskt brus (vanligtvis lågt) och kemiskt brus, såsom föroreningar i bärargasen, kolonnens stationära fasblödning och systemförorening. Därför, om baslinjen är högre än den borde vara, är det en indikation på ett problem eller att underhåll krävs. Olika mätningar kan tas från toppen, såsom bredd vid baslinjen, bredd vid halv höjd, total höjd och area. De två sistnämnda är proportionella mot koncentrationen, men det är området som används för kvantifiering eftersom det påverkas mindre av bandbreddning. Mätningarna kan användas för att beräkna omfattningen av bandbreddning, spridningen av analytmolekylerna på kolonnen. Smalare, skarpare toppar ger bättre känslighet (signal / brusförhållande) och bättre upplösning (toppseparation). Topparna som visas är Gaussiska, men toppsvängning (höger sida av toppen är bredare) indikerar aktivitet eller en död volym i systemet, medan en toppfront (vänster sida av toppen är bredare) indikerar att kolonnen är överbelastad. Exakta mätningar påverkas av antalet datapunkter över en topp, med ett idealtal som är 15-25. För få, får toppen att se ut som ett barns ritning som går med i prickar, vilket påverkar topparea, upplösning och, med GC-MS, avveckling. För många minskar signalen till brus och minskar känsligheten. För GC-MS-data är varje datapunkt ett masspektrum, den tredje dimensionen av data.
Tar gaskromatografi i flera dimensioner
Jämfört med vissa andra separeringstekniker har GC en hög toppkapacitet med förmågan att separera hundratals föreningar. Men för vissa applikationer där tusentals toppar behöver separeras finns det inte tillräckligt med teoretiska plattor för att kromatografiskt separera dem alla. Exempel kan inkludera analys av diesel eller där spåranalyter behöver detekteras i komplexa matriser som miljöprover, biologiska eller livsmedelsprover. Spektral upplösning, där en MS avstavas till en GC, möjliggör analys utan fullständig kromatografisk upplösning, men de coeluterande topparna måste ha olika spektra för att detta ska bli fullt framgångsrikt.
Hjärtskärande är användbart när en kolumn väljs för att separera majoriteten av topparna, sedan ”klipps” några grupper av koeluerande toppar och överförs till en andra kolumn som innehåller en annan stationär fas och selektivitet. Endast några få skärningar kan överföras genom körningen , därför kan den bara användas där det finns några få skillnader.
Figur 3: GC x GC konturdiagram av diesel som visar de olika kemiska klasserna separerade. 1: a dimensionskolumnen är icke -polär och andra dimensionens kolumn är mittpolär. Kredit: Anthias Consulting.
För komplexa prover där det ofta förekommer koelutioner används omfattande tvådimensionell kromatografi (GC x GC). Två kolumner som innehåller olika stationära faser och därför olika separationsmekanismer, är uppställda i serie. Den ”normala” inställningen är en icke-polär kolumn 1: a dimension följt av en polär kolumn av 2: a dimensionen, som visas i figur 3, för analys av diesel. En modulator används mellan de två kolumnerna för att ta ett snitt från första kolumnen och återinjiceras i ett smalt provband på den andra kolumnen. Värmemodulatorer uppnår detta med hjälp av temperatur för att fånga upp och sedan frigöra molekylerna, flödesmodulatorer samlar upp utflödet, komprimerar och spolar molekylerna på den andra kolumnen. Skärningar tas under hela körningen , vanligtvis var 1: e till 10: e sekund. Separation på den andra kolumnen bör uppnås innan nästa skärning införs. Denna snabba separering uppnås genom att använda en kort, smal andra kolumn, vanligtvis 1-2 m med 0,1 mm innerdiameter som används med termisk modulatorer, eller en kort, bredare andra kolumn, vanligtvis 5 m med 0,25 mm innerdiameter som används med flödesmodulatorer.GC x GC-toppar är mycket smala, ner till 35 ms, därför måste snabba GC-detektorer eller massupptagshastighetsmasspektrometrar > 100 Hz användas för att få tillräckligt med datapunkter.
Styrkor och begränsningar för gaskromatografi
GC är en allmänt använd teknik inom de flesta branscher. Det används för rutinanalys till forskning, analyserar några till många hundratals (eller tusentals med GC x GC) av föreningar i många olika matriser, från fasta ämnen till gaser. Det är en robust teknik och avstavas lätt till andra tekniker inklusive masspektrometri.
GC är begränsad till att analysera flyktiga föreningar från helium / väte upp till molekylvikter på cirka 1250 u. Termiskt labila föreningar kan brytas ned i en het GC, därför bör kallinjektionstekniker och låga temperaturer användas för att minimera detta. Fler polära analyter kan fastna eller gå förlorade i GC, därför bör systemet inaktiveras och underhållas väl eller så analyseras dessa derivat.
Vanliga problem med gaskromatografi
Det vanligaste problemet i GC är läckor. Den mobila fasen är en gas och flyter genom hela systemet, därför är korrekt installation av delar och förbrukningsvaror viktigt tillsammans med regelbunden läckagekontroll.
Aktivitet är en annan fråga för mer polära analyser, särskilt de som spårnivåer. Silanolgrupper på glasfodren och kolonnen, och även en ansamling av smuts i systemet kan orsaka slutande toppar, irreversibel adsorption eller katalytisk nedbrytning. Inloppet är det område som orsakar mest problem eftersom det är här provet injiceras, förångas och överförs till GC-kolonnen. Därför är regelbundet inloppsunderhåll tillsammans med att använda rätt förbrukningsvaror, till exempel ett inaktiverat inloppsfoder, viktigt för att hålla instrumentet felfritt.