3.1: Принципи газової хроматографії

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18777

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Арчер Дж.П. Мартін (рис.\(\PageIndex{1}\)) та Ентоні Джеймс (рис.\(\PageIndex{2}\)) представили хроматографію розподілу рідких газів у 1950 році на засіданні Біохімічного товариства, що відбувся в Лондоні, за кілька місяців до подання трьох основних статей до біохімічного журналу. Саме ця робота і забезпечила основу для розвитку газової хроматографії. Насправді Мартін передбачав газову хроматографію майже за десять років до цього, працюючи з Р.Л. Синге (рис.\(\PageIndex{3}\)) на перегородкової хроматографії. Мартін і Синге, які були удостоєні Нобелівської премії з хімії в 1941 році, припустили, що поділ летких сполук може бути досягнуто шляхом використання пари в якості рухомої фази замість рідини.

Фігура\(\PageIndex{1}\): Британський хімік Арчер J.P. Martin, FRS (1910-2002) розділив Нобелівську премію в 1952 році за розділову хроматографію. Малюнок\(\PageIndex{2}\) британського хіміка Ентоні Джеймса (1922-2006). Малюнок\(\PageIndex{3}\) британський біохімік Річард Л.М. Синге, FRS (1914-1994) розділив Нобелівську премію в 1952 році за розділову хроматографію.

Газова хроматографія швидко отримала загальне визнання, оскільки вона була введена в той час, коли в нафтохімічній промисловості потрібні були вдосконалені аналітичні засоби контролю, і потрібні нові методи для подолання обмежень старих лабораторних методів. В даний час газова хроматографія є зрілою методикою, широко використовується у всьому світі для аналізу майже кожного типу органічної сполуки, навіть тих, які не летючі в початковому стані, але можуть бути перетворені в летючі похідні.

Хроматографічний процес

Газова хроматографія - це метод поділу, при якому компоненти зразка поділяють між двома фазами:

Стаціонарна фаза.
Рухлива газова фаза.

За станом стаціонарної фази газову хроматографію можна класифікувати на газотверду хроматографію (ГСК), де стаціонарна фаза є твердою, і газорідинну хроматографію (ГЛК), яка використовує рідину як стаціонарну фазу. GLC в значній мірі більш широко використовується, ніж GSC.

Під час сепарації ГК зразок випаровується і переноситься рухомою газовою фазою (тобто газом-носієм) через колонку. Поділ різних компонентів досягається на основі їх відносного тиску пари та спорідненості до стаціонарної фази. Спорідненість речовини до стаціонарної фази може бути описана в хімічному відношенні як постійна рівноваги, яка називається постійною розподілу K _c, також відома як коефіцієнт поділу,\ ref {1}, де [A] _s - концентрація сполуки А в стаціонарній фазі і [A] _m - концентрація з'єднання А в рухомій фазі.

\[ K_{c} = [A]_{s}/[A]_{m} \label{1} \]

Константа розподілу (K _c) контролює рух різних сполук через колону, тому відмінності в постійній розподілу дозволяють хроматографічне поділ. \(\PageIndex{4}\)На малюнку зображено схематичне зображення хроматографічного процесу. K _c залежить від температури, а також залежить від хімічної природи стаціонарної фази. Таким чином, температура може використовуватися як спосіб поліпшення поділу різних з'єднань через колону, або різну стаціонарну фазу.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Схематичне зображення хроматографічного процесу. Адаптовано від Гарольда Макнейра, Джеймса Міллера, *Базова газова хроматографія*, Джон Уайлі та сини, Нью-Йорк, 1998. Відтворено люб'язно John Wiley & Sons, Inc.

Типова хроматограма

\(\PageIndex{5}\)На малюнку показана хроматограма аналізу залишкового метанолу в біодизелі, що є одним з необхідних властивостей, яке необхідно виміряти для забезпечення якості продукту в момент і в місці поставки.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Хроматограма аналізу метанолу в біодизелі B100 за методологією EN 14110. Відтворено люб'язно Perkinelmer Inc. (http://www.perkinelmer.com/)

Хроматограма (рис.\(\PageIndex{5}\) А) показує стандартний розчин метанолу з 2-пропанолом як внутрішній стандарт. З малюнка видно, що метанол має більш високу спорідненість до рухомої фазі (нижче _{К с}), ніж 2-пропанол (ізо-пропанол), і тому спочатку елютується. Хроматограми (рис.\(\PageIndex{5}\) b і в) показують два зразки біодизеля, один з метанолом (рис.\(\PageIndex{5}\) b), а інший без виявлення метанолу. Внутрішній стандарт був доданий до обох зразків для кількісного визначення.

Огляд приладу

Компоненти системи газового хроматографа

\(\PageIndex{6}\)На малюнку показана принципова схема компонентів типового газового хроматографа, тоді як на малюнку\(\PageIndex{7}\) зображена фотографія типового газового хроматографа, з'єднаного з мас-спектрометром (GC/MS).

Малюнок\(\PageIndex{6}\) Принципова схема компонентів типового газового хроматографа. Адаптовано з http://en.Wikipedia.org/wiki/Gas_chromatography

Малюнок\(\PageIndex{7}\) Зображення Перкіна Елмера Кларуса SQ 8S GC/MS Відтворено люб'язно надано компанією Perkinelmer Inc. (http://www.perkinelmer.com/).

Газ-носій

Роль рухомої фази газу-носія -GC - полягає у проведенні молекул зразка вздовж колони, поки вони не розчиняються або не адсорбуються на стаціонарній фазі. Газ-носій інертний і не взаємодіє зі зразком, і, таким чином, селективність сепарації ГК можна віднести лише до стаціонарної фази. Однак вибір газу-носія важливий для підтримки високої ефективності. Вплив різних газів-носіїв на ККД колони представлений ван Демтером (упакованими колонами) і рівнянням Голая (капілярні колони). Рівняння Ван Дімтера,\ ref {2}, описує три основні ефекти, які сприяють розширенню смуги в упакованих колонок і, як наслідок, зниженню ефективності в процесі поділу.

\[ HEPT\ =\ A+\frac{B}{u} + Cu \label{2} \]

Цими трьома факторами є:

вихрова дифузія (А-термін), що виникає в результаті того, що в упакованих стовпчиках проміжки між частинками уздовж колони неоднорідні. Тому деякі молекули займають більш тривалі шляхи, ніж інші, а також існують варіації швидкості рухомої фази.
поздовжня молекулярна дифузія (B-термін), що є наслідком наявності областей з різними концентраціями аналітів.
масоперенесення в стаціонарній рідкій фазі (C-термін)

Розширення описується з точки зору висоти, еквівалентної теоретичній плиті HEPT, як функція середньої лінійної швидкості газу, u. Невелике значення HEPT вказує на вузький пік і більш високий ККД.

Оскільки капілярні колонки не мають жодної упаковки, рівняння Голая,\ ref {3}, не має терміна А. Рівняння Голея має 2 С-члени, один для масоперенесення в потім стаціонарній фазі (_С) і один для масоперенесення в рухомій фазі (C _M).

\[ HEPT\ =\ \frac{B}{u} \ +\ (C_{s}\ +\ C_{M})u \label{3} \]

Висока чистота водень, гелій і азот зазвичай використовуються для газової хроматографії. Також, в залежності від типу використовуваного детектора, віддають перевагу різним газам.

Інжектор

Це місце, де зразок випаровується і кількісно вводиться в потік газу-носія. Зазвичай шприц використовується для впорскування зразка в отвір для ін'єкцій. Зразки можуть вводитися вручну або автоматично за допомогою механічних пристроїв, які часто розміщуються поверх газового хроматографа: автопробовідбірників.

Колонка

Газова хроматографічна колонка може вважатися серцем системи ГК, де відбувається поділ компонентів зразка. Колони класифікуються як упаковані, так і капілярні колони. Загальне порівняння насадних і капілярних колонок наведено в табл\(\PageIndex{1}\). Зображення упакованих стовпців показані на малюнку\(\PageIndex{8}\) та малюнку\(\PageIndex{9}\).

Таблиця\(\PageIndex{1}\) Короткий зміст відмінностей між упакованої і капілярної колоною.
Тип стовпця	Упакована колонка	капілярна колонка
Історія	Перший тип використовуваної колонки ГК	Сучасні технології. Сьогодні більшість додатків ГК розробляються з використанням капілярних колонок.
Склад	Упакований частинками кремнезему, на які нанесена стаціонарна фаза.	Чи не упакований з твердих частинок матеріалу. Виготовлений з хімічно обробленого кремнезему, покритого тонкими однорідними плівками рідкої фази.
Ефективність	Низький	Високі
Зовнішній діаметр	2-4 мм	0,4 мм
Довжина стовпця	2-4 метри	15-60 метрів
переваги	Нижча вартість, більші зразки	Швидше, краще для складних сумішей

Малюнок\(\PageIndex{8}\) Типовий капілярний стовп ГК. Адаптовано з Ф.М. Дунніванта та Дж.В. Гінсбаха, *газова хроматографія, рідинна хроматографія, капілярний електрофорез — мас-спектрометрія. Основне введення*, авторське право Dunnivant & Ginsbach (2008).. Малюнок\(\PageIndex{9}\) A Скляна упакована колонка GC. Адаптовано з Ф.М. Дунніванта та Дж.В. Гінсбаха, *газова хроматографія, рідинна хроматографія, капілярний електрофорез — мас-спектрометрія. Основне введення*, авторське право Dunnivant & Ginsbach (2008).

Оскільки більшість поширених застосувань, що застосовуються в даний час, використовують капілярні колонки, ми зупинимося на цьому типі колон. Для визначення капілярної колонки необхідно вказати чотири параметри:

Стаціонарна фаза - це параметр, який визначатиме отримане остаточне дозвіл, і буде впливати на інші параметри вибору. Зміна стаціонарної фази є найпотужнішим способом зміни селективності в аналізі ГК.
Довжина пов'язана із загальною ефективністю колонки та загальним часом аналізу. Більш довга колонка збільшить пікову ефективність і якість поділу, але це також збільшить час аналізу. Один з класичних компромісів у поділі газової хроматографії (GC) полягає між швидкістю аналізу та піковою роздільною здатністю.
Внутрішній діаметр колони (ID) може впливати на ефективність колони (а отже, і роздільну здатність), а також на потужність колонки. Зменшуючи внутрішній діаметр колони, можна досягти кращого поділу, але перевантаження колони та розширення піків можуть стати проблемою.
Ємність зразка колони також буде залежати від товщини плівки. Більш того, на утримання компонентів зразка впливатиме товщина плівки, а отже, і час її утримання. Більш короткий час роботи та більш високу роздільну здатність можна досягти за допомогою тонких плівок, однак ці плівки пропонують меншу ємність.

Детектор

Детектор відчуває фізико-хімічну властивість аналіту і забезпечує відповідь, яка посилюється і перетворюється в електронний сигнал для отримання хроматограми. Більшість детекторів, що використовуються в ГК, були винайдені спеціально для цієї техніки, за винятком детектора теплопровідності (TCD) і мас-спектрометра. Всього в ГК було використано приблизно 60 детекторів. Детектори, які демонструють посилену реакцію на певні типи аналітів, відомі як «селективні детектори».

Протягом останніх 10 років спостерігалося все більше використання ГК у поєднанні з мас-спектрометрією (МС). Мас-спектрометр став стандартним детектором, який дозволяє знизити межі виявлення і не вимагає поділу всіх компонентів, присутніх у зразку. Мас-спектроскопія - один з видів виявлення, який забезпечує найбільшу інформацію лише мікрограмами зразка. Якісна ідентифікація невідомих сполук, а також кількісний аналіз зразків можлива за допомогою ГК-МС. Коли ГК з'єднаний з мас-спектрометром, сполуки, що виділяються з колонки ГК, іонізуються за допомогою електронів (EI, іонізація електронів) або хімічного реагенту (CI, хімічна іонізація). Заряджені фрагменти фокусуються і прискорюються в аналізатор маси: зазвичай квадрупольний аналізатор маси. Фрагменти з різним співвідношенням маси до заряду генеруватимуть різні сигнали, тому будь-яка сполука, яка виробляє іони в межах масового діапазону аналізатора маси, буде виявлено. Межі виявлення 1-10 нг або навіть менші значення (наприклад, 10 pg) можуть бути досягнуті, вибравши відповідний режим сканування.

Методи підготовки зразків

дериватизація

Газова хроматографія в основному використовується для аналізу термічно стійких летких сполук. Однак при роботі з нелеткими зразками на зразку можуть проводитися хімічні реакції для підвищення летючості сполук. Сполуки, що містять функціональні групи, такі як OH, NH, CO ₂ H і SH, важко аналізувати ГК, оскільки вони недостатньо летючі, можуть занадто сильно притягуватися до стаціонарної фази або термічно нестабільні. Найбільш поширені реакції дериватизації, використовувані для ГК, можна розділити на три типи:

Силірування.
Ацилювання.
Алкілування та етерифікація.

Зразки дериватизуються перед аналізом, щоб:

Збільшення летючості і зниження полярності з'єднання
Зменшити термічну деграда
Підвищення чутливості шляхом включення функціональних груп, які призводять до більш високих сигналів детектора
Поліпшити поділ і зменшити хвостик

Переваги та недоліки

ГК є провідною аналітичною технікою для поділу летких сполук. Кілька функцій, таких як швидкість аналізу, простота експлуатації, відмінні кількісні результати та помірні витрати, допомогли GC стати однією з найпопулярніших методів у всьому світі.

переваги ГК

Завдяки високій ефективності ГК дозволяє розділяти компоненти складних сумішей в розумні терміни.
Точне кількісне визначення (зазвичай виходять різкі відтворювані піки)
Зріла техніка з багатьма додатками нотаток, доступних для користувачів.
Доступні кілька детекторів з високою чутливістю (ppb), які також можуть використовуватися послідовно з мас-спектрометром, оскільки MS є неруйнівним методом.

недоліки ГК

Обмежується термічно стійкими і летючими сполуками.
Більшість детекторів ГК є руйнівними, крім MS.

Газова хроматографія проти високоефективної рідинної хроматографії (ВЕРХ)

На відміну від газової хроматографії, яка непридатна для нелетких і термічно крихких молекул, рідинна хроматографія дозволяє безпечно відокремити дуже широкий спектр органічних сполук, від маломолекулярних метаболітів ліків до пептидів і білків.

Таблиця\(\PageIndex{2}\) Відносні переваги та недоліки ГК проти ВЕРХ.
ГК	ВЕРХ
Зразок повинен бути летючим або дериватизованим перед аналізом ГК	Волатильність не важлива, однак розчинність у мобільній фазі стає критичною для аналізу.
Більшість аналітів мають молекулярну масу (МВт) нижче 500 Да (через проблеми з волатильністю)	Не існує верхньої межі молекулярної маси, оскільки зразок може бути розчинений у відповідній рухомій фазі
Може бути з'єднаний з MS. Кілька масових спектральних бібліотек доступні, якщо використовується електронна іонізація (наприклад, http://chemdata.nist.gov/)	Методи повинні бути адаптовані перед використанням детектора MS (енергонезалежні буфери використовувати не можна)
Може бути з'єднаний з декількома датчиками в залежності від області застосування	Для деяких детекторів розчинник повинен бути проблемою. При зміні детекторів деякі методи потребують попередньої модифікації.