Gaschromatographie - Gas chromatography
 Ein Gaschromatograph mit Headspace-Sampler
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| Akronym | GC |
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| Einstufung | Chromatographie |
| Analyten |
Organisch Anorganisch Muss flüchtig sein |
| Andere Techniken | |
| Verwandt |
Dünnschichtchromatographie Hochleistungsflüssigkeitschromatographie |
| Bindestrich | Gaschromatographie-Massenspektrometrie |
Die Gaschromatographie ( GC ) ist eine gängige Art der Chromatographie, die in der analytischen Chemie zum Trennen und Analysieren von Verbindungen verwendet wird, die ohne Zersetzung verdampft werden können . Zu den typischen Anwendungen der GC gehören das Testen der Reinheit einer bestimmten Substanz oder das Trennen der verschiedenen Komponenten einer Mischung. In der präparativen Chromatographie kann GC verwendet werden, um reine Verbindungen aus einer Mischung herzustellen.
Gaschromatographie wird manchmal auch als Dampfphasenchromatographie (VPC) oder Gas-Flüssig-Verteilungschromatographie (GLPC) bezeichnet. Diese alternativen Namen sowie ihre jeweiligen Abkürzungen werden in der wissenschaftlichen Literatur häufig verwendet.
Gaschromatographie ist das Verfahren zur Trennung von Verbindungen in einem Gemisch durch Injizieren einer gasförmigen oder flüssigen Probe in eine mobile Phase, die typischerweise als Trägergas bezeichnet wird, und das Gas durch eine stationäre Phase geleitet wird. Die mobile Phase ist üblicherweise ein Inertgas oder ein unreaktives Gas wie Helium , Argon , Stickstoff oder Wasserstoff . Die stationäre Phase ist eine mikroskopische Schicht einer viskosen Flüssigkeit auf einer Oberfläche von festen Partikeln auf einem inerten festen Träger in einem Glas- oder Metallrohr, das als Säule bezeichnet wird. Die Oberfläche der Feststoffpartikel kann in einigen Säulen auch als stationäre Phase fungieren. Die Glas- oder Metallsäule, durch die die Gasphase strömt, befindet sich in einem Ofen, in dem die Temperatur des Gases kontrolliert werden kann und der aus der Säule austretende Eluent von einem computergesteuerten Detektor überwacht wird.
Geschichte
Die Chromatographie stammt aus dem Jahr 1903 in der Arbeit des russischen Wissenschaftlers Mikhail Semenovich Tswett , der Pflanzenpigmente durch Flüssigsäulenchromatographie trennte. Die deutsche Physikochemikerin Erika Cremer entwickelte 1947 zusammen mit dem österreichischen Doktoranden Fritz Prior die theoretischen Grundlagen der GC und baute den ersten Flüssig-Gas-Chromatographen, aber ihre Arbeit galt als irrelevant und wurde lange Zeit ignoriert. Die englischen Chemiker Archer Martin und Richard Synge erhielten 1952 den Nobelpreis für die Erfindung der Verteilungschromatographie in den 1940er Jahren und legten damit den Grundstein für die Gaschromatographie. Die Popularität der Gaschromatographie stieg nach der Entwicklung des Flammenionisationsdetektors schnell an.
GC-Analyse
Ein Gaschromatograph ist ein chemisches Analysegerät zur Trennung von Chemikalien in einer komplexen Probe. Ein Gaschromatograph besteht aus einem engen Durchflussrohr, der sogenannten Säule, durch das die Probe in einem Gasstrom (dem Trägergas) mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten je nach ihren verschiedenen chemischen und physikalischen Eigenschaften und ihrer Wechselwirkung mit einem bestimmten Säulenauskleidung oder -füllung, die sogenannte "stationäre Phase" . Wenn die Chemikalien das Ende der Säule verlassen, werden sie erkannt und elektronisch identifiziert. Die stationäre Phase in der Säule hat die Funktion, verschiedene Komponenten zu trennen, wodurch jeder die Säule zu einem anderen Zeitpunkt verlässt. Andere Parameter, die verwendet werden können, um die Retentionsreihenfolge oder -zeit zu ändern, sind die Trägergasflussrate, die Säulenlänge und die Temperatur.
Bei einer GC-Analyse wird ein bekanntes Volumen eines gasförmigen oder flüssigen Analyten durch eine Gummischeibe und in einen heißen, temperaturgeregelten Anschluss an der Säule injiziert. Als Trägergas der Analytmoleküle durch die Säule transportiert, gibt es die Adsorption der Analyt - Moleküle entweder auf die Säule Wände oder auf Materialien (stationäre Phase) in der Spalte Verpackungs Trennung zu geben. Da jeder Molekültyp eine unterschiedliche Progressionsgeschwindigkeit aufweist, werden die verschiedenen Komponenten des Analytengemisches getrennt, während sie entlang der Säule fortschreiten und das Ende der Säule zu unterschiedlichen Zeiten (Retentionszeit) erreichen. Ein Detektor wird verwendet, um den Zeitpunkt zu überwachen, zu dem jede Komponente den Auslass erreicht, und schließlich kann die Menge dieser Komponente bestimmt werden. Im Allgemeinen werden Substanzen (qualitativ) durch die Reihenfolge, in der sie von der Säule eluieren, und durch die Retentionszeit des Analyten in der Säule identifiziert.
Physikalische Komponenten
Autosampler
Der Autosampler bietet die Möglichkeit, eine Probe automatisch in die Einlässe einzuführen. Das manuelle Einlegen der Probe ist möglich, aber nicht mehr üblich. Das automatische Einlegen sorgt für bessere Reproduzierbarkeit und Zeitoptimierung.
Es gibt verschiedene Arten von Autosamplern. Autosampler können in Bezug auf die Probenkapazität (Autoinjektoren vs. Autosampler, bei denen Autoinjektoren eine kleine Anzahl von Proben verarbeiten können), in Bezug auf Robotertechnologien (XYZ-Roboter vs. rotierender Roboter – am häufigsten) oder Analyse klassifiziert werden:
- Flüssig
- Statischer Headspace durch Spritzentechnologie
- Dynamischer Headspace durch Transfer-Line-Technologie
- Festphasen-Mikroextraktion (SPME)
Einlässe
Der Säuleneinlass (oder Injektor) bietet die Möglichkeit, eine Probe in einen kontinuierlichen Trägergasstrom einzuführen. Der Einlass ist eine Hardware, die am Säulenkopf befestigt ist.
Gängige Einlasstypen sind:
- S/SL (Split/Splitless) Injektor; Eine Probe wird über eine Spritze durch ein Septum in eine beheizte kleine Kammer eingebracht – die Hitze erleichtert die Verflüchtigung von Probe und Probenmatrix. Das Trägergas spült dann entweder die Gesamtheit (Splitless-Modus) oder einen Teil (Split-Modus) der Probe in die Säule. Im Split-Modus wird ein Teil des Proben-/Trägergasgemisches in der Injektionskammer durch den Split-Vent abgelassen. Die Split-Injektion wird bevorzugt, wenn mit Proben mit hohen Analytkonzentrationen (>0,1%) gearbeitet wird, während die Splitless-Injektion am besten für die Spurenanalyse mit geringen Analytmengen (<0,01%) geeignet ist. Im Splitless-Modus öffnet das Splitventil nach einer voreingestellten Zeit, um schwerere Elemente zu spülen, die sonst das System verunreinigen würden. Diese voreingestellte (splitlose) Zeit sollte optimiert werden, die kürzere Zeit (zB 0,2 min) sorgt für weniger Tailing, aber einen Antwortverlust, die längere Zeit (2 min) erhöht das Tailing, aber auch das Signal.
- Eingang auf der Säule; die Probe wird dabei vollständig ohne Wärmeeinwirkung oder mit einer Temperatur unterhalb des Siedepunktes des Lösungsmittels direkt in die Säule eingebracht. Die niedrige Temperatur kondensiert die Probe zu einer engen Zone. Die Säule und der Einlass können dann erhitzt werden, wodurch die Probe in die Gasphase abgegeben wird. Dies gewährleistet die niedrigstmögliche Temperatur für die Chromatographie und verhindert, dass sich die Proben über ihrem Siedepunkt zersetzen.
- PTV-Injektor; Die temperaturprogrammierte Probenaufgabe wurde erstmals 1979 von Vogt beschrieben. Ursprünglich entwickelte Vogt die Technik als Methode zur Einführung großer Probenvolumina (bis 250 µL) in der Kapillar-GC. Vogt führte die Probe mit kontrollierter Injektionsrate in den Liner ein. Die Temperatur des Liners wurde etwas unterhalb des Siedepunktes des Lösungsmittels gewählt. Das niedrigsiedende Lösungsmittel wurde kontinuierlich verdampft und durch die Trennleitung entlüftet. Basierend auf dieser Technik entwickelte Poy den Verdampfungsinjektor mit programmierter Temperatur; PTV. Durch das Einbringen der Probe bei einer niedrigen anfänglichen Linertemperatur konnten viele der Nachteile der klassischen Heißinjektionstechniken umgangen werden.
- Gasquelleneinlass oder Gasumschaltventil; gasförmige Proben in Sammelflaschen werden an ein meist 6-Wege-Umschaltventil angeschlossen. Der Trägergasfluss wird nicht unterbrochen, während eine Probe in eine zuvor evakuierte Probenschleife expandiert werden kann. Beim Umschalten wird der Inhalt der Probenschleife in den Trägergasstrom eingefügt.
- P/T (Purge-and-Trap)-System; Ein Inertgas wird durch eine wässrige Probe geblasen, wodurch unlösliche flüchtige Chemikalien aus der Matrix entfernt werden. Die flüchtigen Stoffe werden auf einer Absorptionskolonne (bekannt als Falle oder Konzentrator) bei Umgebungstemperatur „gefangen“. Die Falle wird dann erhitzt und die flüchtigen Stoffe werden in den Trägergasstrom geleitet. Proben, die vorkonzentriert oder gereinigt werden müssen, können über ein solches System eingeführt werden, das normalerweise an den S/SL-Port angeschlossen wird.
Die Wahl des Trägergases (mobile Phase) ist wichtig. Wasserstoff hat eine Reihe von Durchflussraten, die hinsichtlich der Effizienz mit Helium vergleichbar sind. Helium kann jedoch effizienter sein und die beste Trennung bieten, wenn die Durchflussraten optimiert werden. Helium ist nicht brennbar und funktioniert mit einer größeren Anzahl von Detektoren und älteren Instrumenten. Daher ist Helium das am häufigsten verwendete Trägergas. Allerdings ist der Heliumpreis in den letzten Jahren stark gestiegen, was dazu geführt hat, dass immer mehr Chromatographen auf Wasserstoffgas umsteigen. Eine historische Verwendung anstelle einer rationalen Betrachtung kann dazu beitragen, dass Helium weiterhin bevorzugt verwendet wird.
Detektoren
Häufig verwendete Detektoren sind der Flammenionisationsdetektor (FID) und der Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD). Während TCDs insofern vorteilhaft sind, als sie zerstörungsfrei sind, verhindert ihre niedrige Nachweisgrenze für die meisten Analyten eine weit verbreitete Verwendung. FIDs sind in erster Linie empfindlich gegenüber Kohlenwasserstoffen und reagieren empfindlicher auf diese als TCD. FIDs können kein Wasser oder Kohlendioxid erkennen, was sie ideal für die Analyse organischer Umweltanalyten macht. FID ist zwei- bis dreimal empfindlicher gegenüber dem Nachweis von Analyten als TCD.
Der WLD beruht auf der Wärmeleitfähigkeit von Materie, die um einen dünnen Wolfram-Rhenium-Draht fließt, wobei ein Strom durch ihn fließt. In dieser Anordnung dienen Helium oder Stickstoff aufgrund ihrer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit als Trägergas, die den Glühfaden kühl halten und einen einheitlichen spezifischen Widerstand und elektrischen Wirkungsgrad des Glühfadens aufrechterhalten. Wenn Analytmoleküle gemischt mit Trägergas aus der Säule eluieren, nimmt die Wärmeleitfähigkeit ab, während die Filamenttemperatur und der spezifische Widerstand ansteigen, was zu Spannungsschwankungen führt, die letztendlich eine Detektorreaktion verursachen. Die Empfindlichkeit des Detektors ist proportional zum Heizfadenstrom, während sie umgekehrt proportional zur unmittelbaren Umgebungstemperatur dieses Detektors sowie zur Durchflussrate des Trägergases ist.
Bei einem Flammenionisationsdetektor (FID) werden Elektroden neben einer mit Wasserstoff/Luft gespeisten Flamme in der Nähe des Säulenausgangs platziert, und wenn kohlenstoffhaltige Verbindungen die Säule verlassen, werden sie von der Flamme pyrolysiert. Dieser Detektor funktioniert nur für organische / kohlenwasserstoffhaltige Verbindungen aufgrund der Fähigkeit des Kohlenstoffs, bei der Pyrolyse Kationen und Elektronen zu bilden, wodurch ein Strom zwischen den Elektroden erzeugt wird. Der Stromanstieg wird übersetzt und erscheint als Peak in einem Chromatogramm. FIDs haben niedrige Nachweisgrenzen (einige Pikogramme pro Sekunde), können jedoch keine Ionen aus carbonylhaltigen Kohlenstoffen erzeugen . FID-kompatible Trägergase umfassen Helium, Wasserstoff, Stickstoff und Argon.
Alkali-Flammendetektor (AFD) oder Alkali-Flammen-Ionisations-Detektor (AFID) hat eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Stickstoff und Phosphor, ähnlich wie NPD. Die Alkalimetallionen werden jedoch mit dem Wasserstoffgas zugeführt und nicht mit einer Perle über der Flamme. Aus diesem Grund erleidet die AFD nicht die „Ermüdung“ der NPD, sondern sorgt über einen langen Zeitraum für eine konstante Sensibilität. Wenn der Flamme keine Alkaliionen hinzugefügt werden, funktioniert AFD wie ein Standard-FID. Ein katalytischer Verbrennungsdetektor (CCD) misst brennbare Kohlenwasserstoffe und Wasserstoff. Der Entladungsionisationsdetektor (DID) verwendet eine elektrische Hochspannungsentladung, um Ionen zu erzeugen.
Der Polyarc-Reaktor ist eine Ergänzung zu neuen oder bestehenden GC-FID-Instrumenten, die alle organischen Verbindungen vor ihrer Detektion durch den FID in Methanmoleküle umwandeln. Diese Technik kann verwendet werden, um die Reaktion des FID zu verbessern und den Nachweis vieler weiterer kohlenstoffhaltiger Verbindungen zu ermöglichen. Die vollständige Umwandlung von Verbindungen in Methan und das nun äquivalente Ansprechverhalten im Detektor machen auch Kalibrierungen und Standards überflüssig, da alle Ansprechfaktoren denen von Methan entsprechen. Dies ermöglicht die schnelle Analyse komplexer Gemische, die Moleküle enthalten, für die keine Standards verfügbar sind.
Flammenphotometrischer Detektor (FPD) verwendet eine Photomultiplier-Röhre, um Spektrallinien der Verbindungen zu erkennen, wenn sie in einer Flamme verbrannt werden. Von der Säule eluierende Verbindungen werden in eine wasserstoffbetriebene Flamme getragen, die spezifische Elemente in den Molekülen anregt, und die angeregten Elemente (P,S, Halogene, einige Metalle) emittieren Licht mit spezifischen charakteristischen Wellenlängen. Das emittierte Licht wird gefiltert und von einer Photomultiplier-Röhre detektiert. Insbesondere liegt die Phosphoremission bei etwa 510–536 nm und die Schwefelemission bei 394 nm. Bei einem Atomemissionsdetektor (AED) tritt eine aus einer Säule eluierende Probe in eine Kammer ein, die durch Mikrowellen erregt wird, die ein Plasma induzieren. Das Plasma bewirkt, dass sich die Analytprobe zersetzt und bestimmte Elemente erzeugen Atomemissionsspektren. Die Atomemissionsspektren werden von einem Beugungsgitter gebeugt und von einer Reihe von Photomultiplier-Röhren oder Photodioden erfasst.
Der Elektroneneinfangdetektor (ECD) verwendet eine Quelle für radioaktive Betateilchen (Elektronen), um den Grad des Elektroneneinfangs zu messen. ECD werden zum Nachweis von Molekülen verwendet, die elektronegative / abziehende Elemente und funktionelle Gruppen wie Halogene, Carbonyl, Nitrile, Nitrogruppen und Organometalle enthalten. Bei diesem Detektortyp wird als Trägergas der mobilen Phase entweder Stickstoff oder 5% Methan in Argon verwendet. Das Trägergas strömt zwischen zwei Elektroden, die am Ende der Säule angeordnet sind, und angrenzend an die Kathode (negative Elektrode) befindet sich eine radioaktive Folie wie 63Ni. Die radioaktive Folie emittiert ein Beta-Partikel (Elektron), das mit dem Trägergas kollidiert und es ionisiert, um mehr Ionen zu erzeugen, was zu einem Strom führt. Bei Analytmolekülen mit elektronegativen/entziehenden Elementen oder funktionellen Gruppen werden Elektronen eingefangen, was zu einer Stromabnahme führt, die eine Detektorantwort erzeugt.
Stickstoff-Phosphor-Detektor (NPD), eine Form des thermionischen Detektors, bei dem Stickstoff und Phosphor die Austrittsarbeit an einer speziell beschichteten Perle ändern und ein resultierender Strom gemessen wird.
Der Trockenelektrolyt-Leitfähigkeitsdetektor (DELCD) verwendet eine Luftphase und eine hohe Temperatur (v. Coulsen), um chlorierte Verbindungen zu messen.
Massenspektrometer (MS), auch GC-MS genannt ; hochwirksam und empfindlich, auch bei geringer Probenmenge. Mit diesem Detektor können die Analyten in Chromatogrammen anhand ihres Massenspektrums identifiziert werden. Einige GC-MS sind mit einem NMR-Spektrometer verbunden, das als Backup-Detektor fungiert. Diese Kombination ist als GC-MS-NMR bekannt . Einige GC-MS-NMR sind mit einem Infrarot-Spektrophotometer verbunden, das als Backup-Detektor fungiert. Diese Kombination ist als GC-MS-NMR-IR bekannt. Es muss jedoch betont werden, dass dies sehr selten ist, da die meisten erforderlichen Analysen über eine reine GC-MS abgeschlossen werden können.
Vakuum-Ultraviolett (VUV) ist die neueste Entwicklung bei Gaschromatographie-Detektoren. Die meisten chemischen Spezies absorbieren und haben einzigartige Gasphasen-Absorptionsquerschnitte im überwachten VUV-Wellenlängenbereich von etwa 120–240 nm. Wenn Absorptionsquerschnitte für Analyten bekannt sind, kann der VUV-Detektor die Anzahl der in der Durchflusszelle vorhandenen Moleküle ohne chemische Interferenzen absolut (ohne Kalibrierung) bestimmen.
Olfaktometrischer Detektor , auch GC-O genannt, verwendet einen menschlichen Prüfer, um die Geruchsaktivität von Verbindungen zu analysieren. Mit einem Geruchsport oder einem Schnüffelport kann die Geruchsqualität, die Geruchsintensität und die Dauer der Geruchswirkung einer Verbindung beurteilt werden.
Andere Detektoren umfassen den elektrolytischen Hall-Leitfähigkeitsdetektor (ElCD), den Helium-Ionisations-Detektor (HID), den Infrarot-Detektor (IRD), den Photo-Ionisations-Detektor (PID), den Impuls-Entladungs-Ionisations-Detektor (PDD) und den thermionischen Ionisations-Detektor (TID).
Methoden
Die Methode ist die Sammlung von Bedingungen, unter denen der GC für eine gegebene Analyse arbeitet. Die Methodenentwicklung ist der Prozess der Bestimmung, welche Bedingungen für die erforderliche Analyse angemessen und/oder ideal sind.
Bedingungen, die für eine erforderliche Analyse variiert werden können, umfassen Einlasstemperatur, Detektortemperatur, Säulentemperatur und Temperaturprogramm, Trägergas- und Trägergasflussraten, stationäre Phase der Säule, Durchmesser und Länge, Einlasstyp und Flussraten, Probengröße und Injektion Technik. Je nach Detektor(en) (siehe unten), die auf dem GC installiert sind, können verschiedene Detektorbedingungen ebenfalls variiert werden. Einige GCs enthalten auch Ventile, die die Route des Proben- und Trägerflusses ändern können. Der Zeitpunkt des Öffnens und Schließens dieser Ventile kann für die Methodenentwicklung wichtig sein.
Trägergasauswahl und Durchflussraten
Typische Trägergase umfassen Helium , Stickstoff , Argon und Wasserstoff . Welches Gas zu verwenden ist, wird in der Regel durch den verwendeten Detektor bestimmt, beispielsweise benötigt ein DID Helium als Trägergas. Bei der Analyse von Gasproben wird der Träger auch basierend auf der Matrix der Probe ausgewählt, beispielsweise wird bei der Analyse einer Mischung in Argon ein Argon-Träger bevorzugt, da das Argon in der Probe im Chromatogramm nicht auftaucht. Sicherheit und Verfügbarkeit können auch die Auswahl des Spediteurs beeinflussen.
Auch die Reinheit des Trägergases wird häufig vom Detektor bestimmt, wobei auch die erforderliche Empfindlichkeit eine wesentliche Rolle spielen kann. Typischerweise werden Reinheiten von 99,995% oder höher verwendet. Die gebräuchlichsten Reinheitsgrade, die von modernen Instrumenten für die meisten Empfindlichkeiten benötigt werden, sind 5,0 oder 99,999 % rein, was bedeutet, dass das Trägergas insgesamt 10 ppm Verunreinigungen enthält, die die Ergebnisse beeinträchtigen könnten. Die gebräuchlichsten Reinheitsgrade sind 6,0, aber der Bedarf an Nachweisen in sehr geringen Konzentrationen in einigen forensischen und Umweltanwendungen hat den Bedarf an Trägergasen mit einer Reinheit von 7,0 erhöht, und diese sind jetzt im Handel erhältlich. Handelsnamen für typische Reinheiten umfassen "Zero Grade", "Ultra-High Purity (UHP) Grade", "4.5 Grade" und "5.0 Grade".
Die Lineargeschwindigkeit des Trägergases beeinflusst die Analyse auf die gleiche Weise wie die Temperatur (siehe oben). Je höher die Lineargeschwindigkeit, desto schneller die Analyse, aber desto geringer die Trennung zwischen den Analyten. Die Wahl der Lineargeschwindigkeit ist daher der gleiche Kompromiss zwischen Trenngrad und Analysendauer wie die Wahl der Säulentemperatur. Die Lineargeschwindigkeit wird über den Trägergasdurchfluss bezogen auf den Innendurchmesser der Säule realisiert.
Bei GCs, die vor den 1990er Jahren hergestellt wurden, wurde die Trägerflussrate indirekt durch Steuern des Trägereinlassdrucks oder "Säulenkopfdrucks" gesteuert. Die tatsächliche Flussrate wurde am Auslass der Säule oder des Detektors mit einem elektronischen Flussmesser oder einem Blasenflussmesser gemessen und könnte ein komplizierter, zeitaufwendiger und frustrierender Prozess sein. Es war nicht möglich, die Druckeinstellung während des Laufs zu variieren, und somit war der Fluss während der Analyse im Wesentlichen konstant. Das Verhältnis zwischen Durchflussmenge und Eingangsdruck wird mit der Poiseuille-Gleichung für kompressible Flüssigkeiten berechnet .
Viele moderne GCs messen jedoch elektronisch die Flussrate und steuern elektronisch den Trägergasdruck, um die Flussrate einzustellen. Folglich können Trägerdrücke und Flussraten während des Laufs angepasst werden, wodurch Druck-/Flussprogramme ähnlich den Temperaturprogrammen erstellt werden.
Stationäre Compoundauswahl
Die Polarität des gelösten Stoffes ist entscheidend für die Wahl der stationären Verbindung, die im optimalen Fall eine ähnliche Polarität wie der gelöste Stoff aufweisen würde. Übliche stationäre Phasen in offenen Röhrensäulen sind Cyanopropylphenyldimethylpolysiloxan, Carbowaxpolyethylenglykol, Biscyanopropylcyanopropylphenylpolysiloxan und Diphenyldimethylpolysiloxan. Für gepackte Säulen stehen weitere Optionen zur Verfügung.
Einlassarten und Durchflussmengen
Die Wahl des Einlasstyps und der Injektionstechnik hängt davon ab, ob die Probe in flüssiger, gasförmiger, adsorbierter oder fester Form vorliegt und ob eine Lösungsmittelmatrix vorhanden ist, die verdampft werden muss. Gelöste Proben können über einen COC-Injektor direkt auf die Säule aufgegeben werden, wenn die Bedingungen bekannt sind; wenn eine Lösungsmittelmatrix verdampft und teilweise entfernt werden muss, wird ein S/SL-Injektor verwendet (häufigste Injektionstechnik); gasförmige Proben (z. B. Luftflaschen) werden normalerweise unter Verwendung eines Gasumschaltventilsystems eingespritzt; adsorbierte Proben (z. B. auf Adsorptionsröhrchen) werden entweder unter Verwendung einer externen (online oder offline) Desorptionsvorrichtung, wie beispielsweise einem Purge-and-Trap-System, eingeführt oder im Injektor desorbiert (SPME-Anwendungen).
Probengröße und Injektionstechnik
Probeninjektion
Die eigentliche chromatographische Analyse beginnt mit dem Einbringen der Probe auf die Säule. Die Entwicklung der Kapillargaschromatographie führte zu vielen praktischen Problemen bei der Injektionstechnik. Die bei gepackten Säulen häufig verwendete Technik der On-Column-Injektion ist bei Kapillarsäulen in der Regel nicht möglich. Beim Injektionssystem im Kapillargaschromatographen sollte die injizierte Menge die Säule nicht überladen und die Breite des injizierten Pfropfens sollte klein sein im Vergleich zur Spreizung aufgrund des chromatographischen Prozesses. Die Nichteinhaltung dieser letztgenannten Anforderung verringert die Trennfähigkeit der Säule. Als allgemeine Regel sollte das injizierte Volumen V inj und das Volumen der Detektorzelle V det etwa 1/10 des Volumens betragen, das von dem Teil der Probe eingenommen wird, der die interessierenden Moleküle (Analyten) enthält, wenn sie die Säule.
Einige allgemeine Anforderungen, die eine gute Injektionstechnik erfüllen sollte, sind, dass es möglich sein sollte, die optimale Trennleistung der Säule zu erreichen, sie sollte genaue und reproduzierbare Injektionen kleiner Mengen repräsentativer Proben ermöglichen, sie sollte keine Veränderung der Probenzusammensetzung bewirken, sie sollte nicht eine Diskriminierung aufgrund von Unterschieden in Siedepunkt, Polarität, Konzentration oder thermischer/katalytischer Stabilität aufweisen und sollte sowohl für die Spurenanalyse als auch für unverdünnte Proben anwendbar sein.
Die Verwendung von Spritzen zur Injektion ist jedoch mit einer Reihe von Problemen verbunden. Selbst die besten Spritzen geben eine Genauigkeit von nur 3% an, und in ungeübten Händen sind die Fehler viel größer. Die Nadel kann kleine Gummistücke aus dem Septum schneiden, wenn die Probe durch sie injiziert wird. Diese können die Nadel blockieren und verhindern, dass sich die Spritze beim nächsten Gebrauch füllt. Es mag nicht offensichtlich sein, dass dies passiert ist. Ein Teil der Probe kann im Gummi eingeschlossen werden und bei nachfolgenden Injektionen freigesetzt werden. Dies kann zu Geisterpeaks im Chromatogramm führen. Durch Verdunstung von der Nadelspitze kann es zu einem selektiven Verlust der flüchtigeren Bestandteile der Probe kommen.
Spaltenauswahl
Die Auswahl der Säule hängt von der Probe und der aktiven Messung ab. Das wichtigste chemische Attribut bei der Auswahl einer Säule ist die Polarität der Mischung, aber funktionelle Gruppen können bei der Säulenauswahl eine große Rolle spielen. Die Polarität der Probe muss eng mit der Polarität der stationären Phase der Säule übereinstimmen, um die Auflösung und Trennung zu erhöhen und gleichzeitig die Laufzeit zu reduzieren. Die Trenn- und Laufzeit hängt auch von der Filmdicke (der stationären Phase), dem Säulendurchmesser und der Säulenlänge ab.
Säulentemperatur und Temperaturprogramm
Die Säule(n) in einem GC befinden sich in einem Ofen, dessen Temperatur elektronisch präzise geregelt wird. (Bei der Diskussion der "Temperatur der Säule" bezieht sich ein Analytiker technisch auf die Temperatur des Säulenofens. Die Unterscheidung ist jedoch nicht wichtig und wird in diesem Artikel nicht weiter ausgeführt.)
Die Geschwindigkeit, mit der eine Probe die Säule passiert, ist direkt proportional zur Temperatur der Säule. Je höher die Säulentemperatur, desto schneller bewegt sich die Probe durch die Säule. Je schneller sich jedoch eine Probe durch die Säule bewegt, desto weniger wechselwirkt sie mit der stationären Phase und desto weniger werden die Analyten getrennt.
Im Allgemeinen wird die Säulentemperatur so gewählt, dass ein Kompromiss zwischen der Länge der Analyse und dem Grad der Trennung besteht.
Eine Methode, bei der die Säule während der gesamten Analyse auf der gleichen Temperatur gehalten wird, wird als "isotherm" bezeichnet. Die meisten Methoden erhöhen jedoch die Säulentemperatur während der Analyse, die Anfangstemperatur, die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs (die Temperatur-"Rampe") und die Endtemperatur werden als Temperaturprogramm bezeichnet.
Ein Temperaturprogramm ermöglicht es Analyten, die früh in der Analyse eluieren, angemessen zu trennen, während die Zeit verkürzt wird, die spät eluierende Analyten brauchen, um die Säule zu passieren.
Datenreduktion und -analyse
Qualitative Analyse
Im Allgemeinen werden chromatographische Daten als ein Diagramm der Detektorantwort (y-Achse) gegen die Retentionszeit (x-Achse) dargestellt, das als Chromatogramm bezeichnet wird. Dies liefert ein Spektrum von Peaks für eine Probe, die die Analyten darstellt, die in einer Probe vorhanden sind, die zu verschiedenen Zeiten aus der Säule eluiert. Die Retentionszeit kann verwendet werden, um Analyten zu identifizieren, wenn die Methodenbedingungen konstant sind. Außerdem ist das Peakmuster für eine Probe unter konstanten Bedingungen konstant und kann komplexe Mischungen von Analyten identifizieren. In den meisten modernen Anwendungen ist der GC jedoch mit einem Massenspektrometer oder einem ähnlichen Detektor verbunden, der die durch die Peaks repräsentierten Analyten identifizieren kann.
Quantitative Analyse
Die Fläche unter einem Peak ist proportional zur im Chromatogramm vorhandenen Analytmenge. Durch Berechnung der Peakfläche mit der mathematischen Integrationsfunktion kann die Konzentration eines Analyten in der Originalprobe bestimmt werden. Die Konzentration kann unter Verwendung einer Kalibrierungskurve berechnet werden , die erstellt wird, indem die Reaktion für eine Reihe von Analytkonzentrationen ermittelt wird oder indem der relative Reaktionsfaktor eines Analyten bestimmt wird. Der relative Reaktionsfaktor ist das erwartete Verhältnis eines Analyten zu einem internen Standard (oder externen Standard ) und wird berechnet, indem die Reaktion einer bekannten Menge an Analyt und einer konstanten Menge an internem Standard (einer Chemikalie, die der Probe mit einer konstanten Konzentration, mit einer deutlichen Retentionszeit zum Analyten).
In den meisten modernen GC-MS - Systeme, Computer - Software ist zu zeichnen und integrieren Spitzen verwendet, und passen Sie MS - Spektren Bibliotheksspektren.
Anwendungen
Im Allgemeinen können Stoffe, die unterhalb von 300 °C verdampfen (und damit bis zu dieser Temperatur stabil sind), quantitativ gemessen werden. Die Proben müssen außerdem salzfrei sein ; sie sollten keine Ionen enthalten . Sehr kleine Mengen einer Substanz können gemessen werden, aber oft ist es erforderlich, dass die Probe im Vergleich zu einer Probe gemessen wird, die die reine verdächtige Substanz enthält, die als Referenzstandard bekannt ist .
Verschiedene Temperaturprogramme können verwendet werden, um die Messwerte aussagekräftiger zu machen; B. um Substanzen zu unterscheiden, die sich während des GC-Prozesses ähnlich verhalten.
Fachleute, die mit GC arbeiten, analysieren den Inhalt eines chemischen Produkts, zum Beispiel bei der Qualitätssicherung von Produkten in der chemischen Industrie; oder das Messen von Chemikalien in Boden, Luft oder Wasser, wie zum Beispiel Bodengase . GC ist bei sachgemäßer Anwendung sehr genau und kann Picomol einer Substanz in einer 1-ml-Flüssigkeitsprobe oder Konzentrationen in Teilen pro Milliarde in gasförmigen Proben messen .
In praktischen Kursen an Hochschulen lernen Studenten manchmal den GC kennen, indem sie den Inhalt von Lavendelöl untersuchen oder das Ethylen messen , das von Nicotiana benthamiana- Pflanzen nach künstlicher Verletzung ihrer Blätter ausgeschieden wird. Diese GC analysieren Kohlenwasserstoffe (C2-C40+). In einem typischen Experiment wird eine gepackte Säule verwendet, um die leichten Gase zu trennen, die dann mit einem WLD nachgewiesen werden . Die Kohlenwasserstoffe werden über eine Kapillarsäule getrennt und mit einem FID nachgewiesen . Eine Komplikation bei Leichtgasanalysen, die H 2 enthalten, besteht darin, dass He, der häufigste und empfindlichste inerte Träger (Sensitivität ist proportional zur Molekülmasse) eine fast identische Wärmeleitfähigkeit wie Wasserstoff hat (es ist der Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit zwischen zwei separate Filamente in einer Anordnung vom Typ Wheatstone Bridge, die anzeigt, wann eine Komponente eluiert wurde). Aus diesem Grund sind Dual-WLD-Instrumente üblich, die mit einem separaten Kanal für Wasserstoff verwendet werden, der Stickstoff als Träger verwendet. Argon wird häufig bei der Analyse von Gasphasenchemiereaktionen wie der FT-Synthese verwendet, sodass ein einzelnes Trägergas anstelle von zwei separaten verwendet werden kann. Die Empfindlichkeit wird verringert, dies ist jedoch ein Kompromiss zur Vereinfachung der Gasversorgung.
Die Gaschromatographie wird in der forensischen Wissenschaft häufig verwendet . So unterschiedliche Disziplinen wie die Identifizierung und Quantifizierung fester Drogendosen (Form vor dem Konsum), Brandstiftung, Farbsplitteranalyse und toxikologische Fälle verwenden GC, um verschiedene biologische Proben und Tatortbeweise zu identifizieren und zu quantifizieren.
Siehe auch
- Analytische Chemie
- Chromatographie
- Gaschromatographie–Massenspektrometrie
- Gaschromatographie-Olfaktometrie
- Hochleistungsflüssigkeitschromatographie
- Inverse Gaschromatographie
- Massenspektrometrie mit Protonentransferreaktion
- Sekundäre Elektrospray-Ionisation
- Ausgewählte Ionenflussröhren-Massenspektrometrie
- Standardzusatz
- Dünnschichtchromatographie
- Ungelöstes komplexes Gemisch
Verweise
Externe Links
Medien zum Thema Gaschromatographie bei Wikimedia Commons
- Chromatographische Säulen in der Chemistry LibreTexts Library
- Gaschromatographie bei Curlie