plyn-kapalinová chromatografie

šablona:Infobox chemická analýzagyn-kapalinová chromatografie (GLC) nebo jednoduše plynová chromatografie (GC) je typ chromatografie, ve které je mobilní fáze nosným plynem, obvykle inertním plynem, jako je helium nebo neaktivním plynem, jako je dusík, a stacionární fáze je mikroskopická vrstva kapaliny nebo polymeru na inertní pevné podložce, uvnitř skleněné nebo kovové trubky, nazývané kolona. Přístroj používaný k provádění plynových chromatografických separací se nazývá plynový chromatograf (také: aerograf, odlučovač plynu).

historie

chromatografie pochází z roku 1903 v díle ruského vědce Michaila Semenoviče Tswetta. Německý postgraduální student Fritz Prior vyvinul v roce 1947 plynovou chromatografii v pevné fázi. Archer John Porter Martin, který získal Nobelovu cenu za svou práci ve vývoji chromatografie kapalina-kapalina (1941) a papír (1944), položil základy pro vývoj plynové chromatografie a později vyrobil chromatografii kapalina-plyn (1950).

Britská kosmická loď Beagle 2, která měla přistát na Marsu v roce 2003, byla vybavena hmotnostním spektrometrem plynového chromatografu (GC-MS) jako součást svého přístrojového balíčku za účelem detekce uhlíku přisuzovaného živým organismům.

GC analýza

plynový chromatograf je nástroj chemické analýzy pro separaci chemických látek v komplexním vzorku. Plynový chromatograf používá průtokovou úzkou trubici známou jako kolona, kterou různé chemické složky vzorku procházejí proudem plynu (nosný plyn, mobilní fáze) různými rychlostmi v závislosti na jejich různých chemických a fyzikálních vlastnostech a jejich interakci se specifickou náplní kolony, nazývanou stacionární fáze. Když chemikálie opouštějí konec kolony, jsou detekovány a identifikovány elektronicky. Funkce stacionární fáze ve sloupci je oddělit různé komponenty, což způsobí, že každá z nich opustí sloupec v jiném čase(retenční čas). Dalšími parametry, které lze použít ke změně pořadí nebo doby zadržení, jsou průtok nosného plynu a teplota.

v GC analýze se do „vstupu“ (hlavy) kolony vstříkne známý objem plynného nebo kapalného analytu, obvykle za použití mikrosyringe (nebo mikroextrakčních vláken v pevné fázi nebo spínacího systému zdroje plynu). Jak nosný plyn zametá molekuly analytu kolonou, je tento pohyb inhibován adsorpcí molekul analytu buď na stěny kolony, nebo na obalové materiály ve sloupci. Rychlost, s jakou molekuly postupují podél kolony, závisí na síle adsorpce, která zase závisí na typu molekuly a na stacionárních fázových materiálech. Protože každý typ molekuly má jinou rychlost progrese, různé složky směsi analytu se oddělují, jak postupují podél kolony a dosahují konce kolony v různých časech(retenční čas). Detektor se používá k monitorování výstupního proudu z kolony; lze tedy určit čas, kdy každá složka dosáhne výstupu a množství této složky. Obecně jsou látky identifikovány (kvalitativně) podle pořadí, v jakém se vynořují (eluují) z kolony, a podle doby retence analytu ve sloupci.

fyzikální komponenty

Autosamplery

autosampler poskytuje prostředky pro automatické zavedení vzorku do vstupů. Ruční vložení vzorku je možné, ale již není běžné. Automatické vkládání poskytuje lepší reprodukovatelnost a optimalizaci času.

existují různé druhy autosamplerů. Autosamplery lze klasifikovat podle kapacity vzorku (autoinjektory VS autosamplery, kde autoinjektory mohou pracovat s malým počtem vzorků), na robotické technologie (XYZ robot VS rotující / SCARA – robot-nejběžnější) nebo na analýzu:

• Liquid
• Static head-space pomocí technologie stříkačky
• Dynamic head-space technologií přenosové linky
• SPME

tradičně se výrobci autosamplerů liší od výrobců GC a v současné době žádná výroba GC nenabízí kompletní řadu autosamplerů. Historicky nejaktivnějšími zeměmi ve vývoji technologií autosampleru jsou Spojené státy, Itálie a Švýcarsko.

vstupy

vstup kolony (nebo vstřikovač) poskytuje prostředky pro zavedení vzorku do kontinuálního toku nosného plynu. Vstup je kus hardwaru připojeného k hlavě sloupce.

běžné typy vstupů jsou:

• s/SL (Split / Splitless) injector; vzorek se zavádí do zahřáté malé komory pomocí stříkačky přes přepážku-teplo usnadňuje odpařování vzorku a matrice vzorku. Nosný plyn pak buď zametá celý (režim bez rozdělení) nebo část (režim rozdělení) vzorku do kolony. V děleném režimu je část směsi vzorku / nosného plynu ve vstřikovací komoře odsávána děleným větracím otvorem.
• vstup na kolonu; vzorek je zde zaveden v plném rozsahu bez tepla.
• PTV injektor; zavedení vzorku naprogramovaného na teplotu poprvé popsal Vogt v roce 1979. Původně Vogt vyvinul techniku jako metodu pro zavedení velkých objemů vzorků (až 250 µL) do kapilárního GC. Vogt zavedl vzorek do vložky řízenou rychlostí vstřikování. Teplota vložky byla zvolena mírně pod bodem varu rozpouštědla. Nízkovroucí rozpouštědlo se kontinuálně odpařovalo a odvzdušňovalo dělenou čarou. Na základě této techniky, Poy vyvinul naprogramovaný vstřikovač odpařování teploty; PTV. Zavedením vzorku při nízké počáteční teplotě vložky bylo možné obejít mnoho nevýhod klasických technik vstřikování za tepla.
• vstupní nebo spínací ventil zdroje plynu; plynné vzorky ve sběrných lahvích jsou připojeny k tomu, co je nejčastěji spínacím ventilem se šesti porty. Proud nosného plynu není přerušen, zatímco vzorek může být rozšířen do dříve evakuované smyčky vzorku. Po přepnutí se obsah vzorkovací smyčky vloží do nosného proudu plynu.
• p / t (Purge-and-Trap) systém; inertní plyn se probublává vodným vzorkem, což způsobuje, že se z matrice proplachují nerozpustné těkavé chemikálie. Těkavé látky jsou „zachyceny“ na absorpční koloně (známé jako past nebo koncentrátor) při okolní teplotě. Lapač se pak zahřívá a těkavé látky jsou směrovány do nosného proudu plynu. Vzorky vyžadující předkoncentraci nebo čištění mohou být zavedeny takovým systémem, obvykle připojeným k portu S/SL.
• SPME (solid phase microextraction) nabízí pohodlnou, levnou alternativu k p / t systémům s všestranností stříkačky a jednoduchým použitím portu S/SL.

sloupce

v GC se používají dva typy sloupců:

• balené kolony jsou 1,5-10 m na délku a mají vnitřní průměr 2-4 mm. trubka je obvykle vyrobena z nerezové oceli nebo skla a obsahuje balení jemně děleného, inertního, pevného nosného materiálu (např. křemelina), která je potažena kapalnou nebo pevnou stacionární fází. Povaha povlakového materiálu určuje, jaký typ materiálů bude nejsilněji adsorbován. Tak jsou k dispozici četné sloupce, které jsou určeny k oddělení specifických typů sloučenin.
• kapilární sloupce mají velmi malý vnitřní průměr, řádově několik desetin milimetrů, a délky mezi 25-60 metry jsou běžné. Stěny vnitřních sloupů jsou potaženy aktivními materiály (sloupce WCOT), některé sloupy jsou kvazi pevné vyplněné mnoha paralelními mikropóry(sloupy grafů). Většina kapilárních kolon je vyrobena z taveného oxidu křemičitého s polyimidovým vnějším povlakem. Tyto sloupce jsou flexibilní, takže velmi dlouhý sloupec může být navinut do malé cívky.
• je hledán nový vývoj, kdy stacionární fázové nekompatibility vedou ke geometrickým řešením paralelních sloupců v jednom sloupci. Mezi tyto novinky patří:
  • interně vyhřívané mikrofastové sloupce, kde jsou dva sloupce, vnitřní topný drát a teplotní čidlo kombinovány v rámci společného pláště sloupce (microFAST);
  • Mikropackované sloupce (1/16 “ OD) jsou sloupce balené ve sloupci, kde vnější sloupcový prostor má obal odlišný od vnitřního sloupcového prostoru, čímž zajišťuje separační chování dvou sloupců v jednom. Snadno se vejdou do vstupů a detektorů přístroje kapilární kolony.

teplotní závislost molekulární adsorpce a rychlosti progrese podél kolony vyžaduje pečlivou kontrolu teploty kolony do několika desetin stupně pro přesnou práci. Snížení teploty vytváří největší úroveň separace, ale může mít za následek velmi dlouhé doby eluce. V některých případech je teplota rampována buď kontinuálně nebo v krocích, aby se zajistilo požadované oddělení. Toto se označuje jako teplotní program. Elektronická regulace tlaku může být také použita k úpravě průtoku během analýzy, což napomáhá rychlejším dobám běhu při zachování přijatelné úrovně oddělení.

volba nosného plynu (mobilní fáze) je důležitá, přičemž vodík je nejúčinnější a poskytuje nejlepší separaci. Hélium má však větší rozsah průtokových toků, které jsou srovnatelné s účinností vodíku, s další výhodou, že hélium je nehořlavé a pracuje s větším počtem detektorů. Proto je helium nejběžnějším nosným plynem.

detektory

v plynové chromatografii se používá řada detektorů. Nejběžnější jsou detektor ionizace plamene (FID) a detektor tepelné vodivosti (TCD). Oba jsou citlivé na širokou škálu složek a oba pracují v širokém rozsahu koncentrací. Zatímco TCD jsou v podstatě univerzální a mohou být použity k detekci jakékoli jiné složky než nosného plynu (pokud se jejich tepelná vodivost liší od vodivosti nosného plynu, při teplotě detektoru), Fid jsou citlivé především na uhlovodíky a jsou na ně citlivější než TCD. Fid však nemůže detekovat vodu. Oba detektory jsou také poměrně robustní. Protože TCD je nedestruktivní, může být provozován v sérii před fid (destruktivní), čímž poskytuje komplementární detekci stejných eluentů.

jiné detektory jsou citlivé pouze na specifické typy látek nebo dobře fungují pouze v užších rozsazích koncentrací. Patří mezi ně:

• detektor ionizace výboje (DID)
• detektor elektronového zachycení (ECD)
• plamenový fotometrický detektor (FPD)
• Hallův detektor elektrolytické vodivosti (ElCD)
• detektor ionizace helia (HID)
• detektor dusíku fosforu (NPD)
• hmotnostní selektivní detektor (MSD)
• foto-ionizační detektor (PID)
• detektor ionizace pulzního výboje (PDD)

některé plynové chromatografy jsou připojeny k hmotnostnímu spektrometru, který funguje jako detektor. Tato kombinace je známá jako GC-MS. Některé GC-MS jsou připojeny k nukleárnímu magnetickému rezonančnímu spektrometru, který funguje jako záložní detektor. Tato kombinace je známá jako GC-MS-NMR.Některé GC-MS-NMR jsou připojeny k infračervenému spektru, které funguje jako záložní detektor. Tato kombinace je známá jako GC-MS-NMR-IR.It je však třeba zdůraznit, že je to velmi vzácné, protože většina potřebných analýz může být uzavřena čistě metodami GC-MS

metodou je sběr podmínek, za kterých GC pracuje pro danou analýzu. Vývoj metody je proces určování toho, jaké podmínky jsou přiměřené a / nebo ideální pro požadovanou analýzu.

podmínky, které se mohou měnit tak, aby vyhovovaly požadované analýze, zahrnují vstupní teplotu, teplotu detektoru, teplotu a teplotní program kolony, průtoky nosného plynu a nosného plynu, stacionární fázi kolony, průměr a délku, typ vstupu a průtoky, velikost vzorku a techniku vstřikování. V závislosti na detektorech(viz níže) instalovaných na GC může existovat řada podmínek detektoru, které se mohou také měnit. Některé GCs také zahrnují ventily, které mohou změnit trasu toku vzorku a nosiče, a načasování otáčení těchto ventilů může být důležité pro vývoj metody.

výběr nosného plynu a průtoky

mezi typické nosné plyny patří helium, dusík, argon, vodík a vzduch. Který plyn se používá, je obvykle určen použitým detektorem, například DID vyžaduje helium jako nosný plyn. Při analýze vzorků plynu je však nosič někdy vybrán na základě matrice vzorku, například při analýze směsi v argonu je preferován nosič argonu, protože argon ve vzorku se na chromatogramu nezobrazuje. Bezpečnost a dostupnost mohou také ovlivnit výběr nosiče, například vodík je hořlavý a v některých oblastech světa může být obtížné získat hélium s vysokou čistotou. (Viz: Helium-výskyt a produkce.)

čistota nosného plynu je také často určena detektorem, i když potřebná úroveň citlivosti může také hrát významnou roli. Obvykle se používají čistoty 99,995% nebo vyšší. Obchodní názvy pro typické čistoty zahrnují „Zero Grade“, „Ultra-High Purity (UHP) Grade“, „4.5 Grade“ A “ 5.0 Grade.“

průtok nosného plynu ovlivňuje analýzu stejným způsobem jako teplota (viz výše). Čím vyšší je průtok, tím rychlejší je analýza, ale čím nižší je oddělení mezi analyty. Volba průtoku je tedy stejný kompromis mezi úrovní separace a délkou analýzy jako volba teploty kolony.

u GCs vyrobených před 90. lety byl průtok nosiče řízen nepřímo řízením vstupního tlaku nosiče nebo „tlaku hlavy sloupce“.“Skutečný průtok byl měřen na výstupu z kolony nebo detektoru pomocí elektronického průtokoměru nebo bublinového průtokoměru a mohl by to být zapojený, časově náročný a frustrující proces. Nastavení tlaku nebylo možné během běhu měnit, a proto byl průtok během analýzy v podstatě konstantní.

mnoho moderních GCs však elektronicky měří průtok a elektronicky řídí tlak nosného plynu pro nastavení průtoku. V důsledku toho mohou být během běhu nastaveny nosné tlaky a průtoky, čímž se vytvoří programy tlaku / průtoku podobné teplotním programům.

typy vstupů a průtoky

volba typu vstupu a techniky vstřikování závisí na tom, zda je vzorek v kapalné, plynové, adsorbované nebo pevné formě, a na tom, zda je přítomna matrice rozpouštědla, která musí být odpařena. Rozpuštěné vzorky mohou být zavedeny přímo do kolony pomocí COC injektoru, pokud jsou podmínky dobře známy; pokud musí být matrice rozpouštědla odpařena a částečně odstraněna, použije se vstřikovač S/SL (nejběžnější technika vstřikování); plynné vzorky (např. vzduchové lahve) se obvykle vstřikují pomocí systému plynových spínacích ventilů; adsorbované vzorky (např.(on-line nebo off-line) desorpční zařízení, jako je systém proplachování a zachycování, nebo jsou desorbovány v injektoru S/SL (aplikace SPME).

velikost vzorku a technika vstřikování

injekce vzorku

skutečná chromatografická analýza začíná zavedením vzorku do kolony. Vývoj kapilární plynové chromatografie vedl k mnoha praktickým problémům s injekční technikou. Technika vstřikování do kolony, často používaná u balených kolon, obvykle není u kapilárních kolon možná. Vstřikovací systém v kapilárním plynovém chromatografu by měl splňovat následující dva požadavky:

1. vstřikované množství by nemělo kolonu přetížit.
2. šířka vstřikované zátky by měla být malá ve srovnání s rozmetáním v důsledku chromatografického procesu. Nedodržení tohoto požadavku sníží schopnost oddělení kolony. Obecně platí, že vstřikovaný objem, Vinj a objem detekorové buňky, Vdet, by měly být asi 1/10 objemu obsazeného částí vzorku obsahujícího zajímavé molekuly (analyty), když opouštějí kolonu.

některé obecné požadavky, které by měla dobrá injekční technika splňovat, jsou:

• mělo by být možné dosáhnout optimální účinnosti separace kolony.
• měl by umožňovat přesné a reprodukovatelné injekce malého množství reprezentativních vzorků.
• neměl by vyvolávat žádné změny ve složení vzorku. Nesmí vykazovat diskriminaci na základě rozdílů v bodě varu, polaritě, koncentraci nebo tepelné/katalytické stabilitě.
• měl by být použitelný pro stopovou analýzu i pro nezředěné vzorky.

šablona: rozbalit

výběr sloupce

šablona: rozbalit

program teploty a teploty sloupce

kolony v GC jsou obsaženy v peci, jejíž teplota je přesně řízena elektronicky. (Při diskusi o „teplotě kolony“ analytik technicky odkazuje na teplotu kolony. Rozlišení však není důležité a nebude následně provedeno v tomto článku.)

rychlost, při které vzorek prochází kolonou, je přímo úměrná teplotě kolony. Čím vyšší je teplota sloupce, tím rychleji se vzorek pohybuje kolonou. Čím rychleji se však vzorek pohybuje kolonou, tím méně interaguje se stacionární fází a čím méně jsou analyty odděleny.

obecně je teplota kolony zvolena tak, aby kompromisovala mezi délkou analýzy a úrovní separace.

metoda, která drží sloupec při stejné teplotě pro celou analýzu, se nazývá “ izotermická.“Většina metod však během analýzy zvyšuje teplotu sloupce, počáteční teplotu, rychlost zvýšení teploty (teplota „rampa“) a konečná teplota se nazývá „teplotní program“.“

teplotní program umožňuje analytům, které eluují brzy v analýze, adekvátně se oddělit, zatímco zkracuje čas potřebný k tomu, aby analyty s pozdním eluováním prošly kolonou.

redukce a analýza dat

kvalitativní analýza:

obecně jsou chromatografická data prezentována jako graf odezvy detektoru (osa y) proti retenčnímu času (osa x). To poskytuje spektrum píků pro vzorek představující analyty přítomné ve vzorku eluující z kolony v různých časech. Retenční čas lze použít k identifikaci analytů, pokud jsou podmínky metody konstantní. Vzor píků bude také konstantní pro vzorek za konstantních podmínek a může identifikovat složité směsi analytů. Ve většině moderních aplikací je však GC připojen k hmotnostnímu spektrometru nebo podobnému detektoru, který je schopen identifikovat analyty představované vrcholy.

kvantitativní analýza:

plocha pod vrcholem je úměrná množství přítomného analytu. Výpočtem plochy píku pomocí matematické funkce integrace lze určit koncentraci analytu v původním vzorku. Koncentrace může být vypočtena pomocí kalibrační křivky vytvořené nalezením odezvy pro řadu koncentrací analytu nebo stanovením relativního faktoru odezvy analytu. Relativní faktor odezvy je očekávaný poměr analytu k internímu standardu (nebo externímu standardu) a vypočítá se pomocí findng odezvu známého množství analytu a konstantního množství vnitřního standardu(chemická látka přidaná do vzorku při konstantní koncentraci, se zřetelným retenčním časem k analytu).

ve většině moderních systémů GC-MS se počítačový software používá k kreslení a integraci vrcholů a porovnávání MS spekter s knihovními spektry.

aplikace

obecně platí, že látky, které se odpařují pod ca. 300 °C (a proto jsou stabilní až do této teploty) lze měřit kvantitativně. Vzorky musí být také bez soli, neměly by obsahovat ionty. Lze měřit velmi malé množství látky, ale často se vyžaduje, aby byl vzorek měřen ve srovnání se vzorkem obsahujícím čistou podezřelou látku.

lze použít různé teplotní programy, aby byly hodnoty smysluplnější; například rozlišovat mezi látkami, které se chovají podobně během procesu GC.

odborníci pracující s GC analyzují obsah chemického produktu, například při zajišťování kvality výrobků v chemickém průmyslu; nebo měření toxických látek v půdě, vzduchu nebo vodě. GC je při správném použití velmi přesný a může měřit pikomoly látky v 1 ml kapalného vzorku nebo koncentrace dílů na miliardu v plynných vzorcích.

v praktických kurzech na vysokých školách se studenti někdy seznámí s GC studiem obsahu levandulového oleje nebo měřením ethylenu, který je vylučován rostlinami Nicotiana benthamiana po umělém zranění jejich listů. Tyto analýzy GCUHLOVODÍKY (C2-C40+). V typickém experimentu se balená kolona používá k oddělení lehkých plynů, které jsou pak detekovány pomocí TCD. Uhlovodíky se oddělí pomocí kapilární kolony a detekují se FID. Komplikace s analýzami lehkých plynů, které zahrnují H2, spočívá v tom, že He, který je nejběžnějším a nejcitlivějším inertním nosičem (citlivost je úměrná molekulové hmotnosti), má téměř identickou tepelnou vodivost s vodíkem (je to rozdíl v tepelné vodivosti mezi dvěma samostatnými vlákny v uspořádání typu Wheatstone Bridge, který ukazuje, kdy byla složka eluována). Z tohoto důvodu se používají duální nástroje TCD se samostatným kanálem pro vodík, který používá dusík jako nosič. Argon se často používá při analýze chemických reakcí v plynné fázi, jako je syntéza F-T, takže lze použít spíše jediný nosný plyn než 2 samostatné. Citlivost je menší, ale jedná se o kompromis pro jednoduchost v dodávce plynu.

GCs v populární kultuře

filmy, knihy a televizní pořady mají tendenci zkreslovat schopnosti plynové chromatografie a práci s těmito nástroji.

v americké televizní show CSI se například GCs používají k rychlé identifikaci neznámých vzorků. „Jedná se o benzín zakoupený na stanici Chevron v posledních dvou týdnech,“ řekne analytik patnáct minut po obdržení vzorku.

ve skutečnosti typická GC analýza trvá mnohem více času; někdy musí být jeden vzorek spuštěn déle než hodinu podle zvoleného programu; a ještě více času je zapotřebí k „zahřátí“ kolony, takže je bez prvního vzorku a může být použit pro další. Stejně tak je zapotřebí několik běhů k potvrzení výsledků studie – GC analýza jednoho vzorku může jednoduše přinést výsledek na šanci (viz statistická významnost).

také GC neidentifikuje většinu vzorků pozitivně; a ne všechny látky ve vzorku budou nutně detekovány. Vše, co vám GC skutečně řekne, je, v jakém relativním čase se komponenta eluovala ze sloupce a že detektor byl na ni citlivý. Aby výsledky byly smysluplné, analytici potřebují vědět, které složky, při kterých lze očekávat koncentrace; a dokonce i malé množství látky se může skrýt za látku, která má jak vyšší koncentraci, tak stejnou relativní dobu eluace. V neposlední řadě je často nutné zkontrolovat výsledky vzorku proti GC analýze referenčního vzorku obsahujícího pouze podezřelou látku.

GC-MS může odstranit většinu této nejednoznačnosti, protože hmotnostní spektrometr identifikuje molekulovou hmotnost komponenty. Ale to stále vyžaduje čas a dovednost dělat správně.

podobně většina GC analýz není tlačítkovými operacemi. Nemůžete jednoduše upustit lahvičku se vzorkem do zásobníku automatického vzorkovače, stisknout tlačítko a nechat počítač, aby vám řekl vše, co potřebujete vědět o vzorku. Podle látek, které člověk očekává, že zjistí, že operační program musí být pečlivě vybrán.

může existovat tlačítková operace pro opakované spouštění podobných vzorků, například v prostředí chemické výroby nebo pro porovnání 20 vzorků ze stejného experimentu pro výpočet průměrného obsahu stejné látky. Pro druh investigativní práce vylíčené v knihách, filmech a televizních pořadech to však zjevně neplatí.

výrobci plynových chromatografů, kolon a dodávek

výrobci přístrojů

• Agilent Technologies (dříve Hewlett-Packard)
• GOW-MAC Instrument Co.
• HTA
• PerkinElmer, Inc.
• Shimadzu Corporation
• Thermo Electron Corporation (dříve Carlo Erba Strumentazioni)
• Varian, Inc.
• DANI Instruments SpA

sloupce a příslušenství plynové chromatografie

• Agilent Technologies
• Phenomenex
• Sigma-Aldrich
• SGE Analytical Science
• Varian, Inc.
• DANI Instruments SpA
• Pierce Biotechnology, Inc.

Viz také

• tenkovrstvá chromatografie
• Analytická chemie
• chromatografie
• plynová chromatografie – hmotnostní spektrometrie
• standardní adice

• šablona:Dmoz

• Gas Chromatography Help Site

bs:Gasna hromatografijade:Gaschromatographieit:Gascromatografianl:Gaschromatografieno:Gasskromatografisk:Plynová chromatografiafi:Kaasukromatografiasv:Gaskromatografi