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炎イオン化検出ガスクロマトグラフィー (GC)

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Gas Chromatography (GC) with Flame-Ionization Detection

3.2: Internal Standards

3.15: Cyclic Voltammetry (CV)

280,606 Views

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09:22 min

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April 30, 2023

Overview

ソース: 研究所博士 b. ジル Venton – ヴァージニアの大学の

ガス・クロマトグラフィー (GC) が分離し、ガス相で分子量が小さい化合物を検出する使用されます。サンプルは、ガスまたは注入口で気化した液体です。通常、分析化合物は、大きな化合物を気化しにくい未満 1,000 Da です。それは非常に信頼性が高く、ほぼ継続的に実行することができますので、GC は環境モニタリングおよび産業用アプリケーションで人気です。小さく、揮発性の分子が検出されたアプリケーションと非水溶液、GC は、通常使用されます。液体クロマトグラフィーは、水溶液サンプルでの測定より人気があり、分子が蒸発させる必要がないのでより大きい分子を研究に使用できます。LC は極 analytes の分離のより一般的な非極性分子の GC は支持されます。

ガス・クロマトグラフィーの移動相はキャリアガス、通常ヘリウムの低分子量、化学的に不活性のためです。圧力が適用され、モバイルのフェーズで列を検体に移動します。分離は、液相をコーティングしたカラムを使用して行われます。中空毛細管カラムは最も人気のある列で、毛細血管の壁にコーティングした固定相を持っています。固定相はポリジメチルシロキサンの誘導体の分離をチューニングする機能グループの 5-10% と多い。典型的な官能基、フェニル、シアノプロピル, または trifluoropropyl のグループです。キャピラリーカラムは、通常 5-50 メートルです。狭い列のより高い解像度がより高い圧力を必要とします。詰められたコラムは、ビーズを充填したカラムの固定相のコーティングでも使用できます。詰められたコラムが短く、1-5 メートル、高効率、高速解析を許可する高い容量を持つ開いている尿細管毛細血管が一般に好ましい。

炎イオン化検出 (FID) は、サンプルの炭素の量を検出する GC における有機化合物の良い一般的な器です。列の後のサンプルはホット、水素-空気火炎で焼かれて。炭素イオンは、燃焼によって生成されます。プロセスの全体的な効率が低い (1 の 10⁵炭素イオンを炎のイオン生成) のみイオンの総量は、サンプル中の炭素の量に直接比例。電極は、イオンからの電流を測定するために使用されます。FID は、サンプル全体を熱分解した破壊的な検出器です。FID は不燃ガスと水によって影響を受けるです。

Principles

ガス・クロマトグラフィーの平衡をパーティション分割してサンプルのコンポーネントに分割されます (すなわち配布) 2 つのフェーズ: 移動相と固定相。固定相に強い親和性を持つ化合物列に多くの時間を費やすと従って溶出後、移動相より高い親和性を有するサンプルより長い保持時間 (t_R)。固定相への親和性は分子間相互作用によって主に駆動し、固定相の極性は、相互作用そしてこうして分離を最大化する選択ことができます。理想的なピークがガウス分布と対称、列と試料の相互作用のランダムな性質のため。非対称的なピークなどに面し、テーリングピーク列、インジェクションの問題、またはカルボン酸など吸着官能基の存在をオーバーロードのためすることができます。

GC では、温度を調整して、平衡およびこうして溶出時間を変更します。温度が低い場合、高沸点物質が列に凝縮がありますので GC で分離が揮発性に基づいている、従って彼らは溶出がないまたは溶出に長い時間がかかります。一定の温度で等温の色分解を実行または勾配分離は分離の間に、温度はランプアップが実行されます。温度ランプは、同じ分離における分離へのポイント両方低、高沸点化合物を許可します。

GC によって生成される読み出しは時間の経過とともに合図するクロマトグラムです。サンプルの各化合物のピークが観察されます。各ピークのピークの高さやピーク面積を計算できます。一般的に、ピーク面積を使用すると、較正曲線を作成し、未知試料の濃度を計算します。理論プレート (N) の数は、カラム効率の測定を与える各ピークから計算されます。測定 N の実用的な方程式は、N = 16(t_R/W)² t_Rは試料の保持時間、W がピークの底部の幅です。N を使用すると、別の列で色分解を比較します。

炎イオン化検出器は質量敏感です。したがって、信号の量はほくろの数ではなく、サンプル中の炭素の質量に比例します。多くの炭素化合物は、大きい信号を与えます。炭素の燃焼が電流として検出されるイオンを生成します。FID は、picogram の範囲で検出限界と GC の最も敏感な一般的な検出器のひとつです。応答が線形以上 7 桁、それに大規模な線形範囲を与えます。

Procedure

1. GC の初期化

キャリアヘリウムガスと空気を有効にし、計測器の圧力計を調整します。
高温にカラムオーブンをオンに (通常 250 ° C 以上) 列で焼くため。列の最大温度を超えないようにします。これは、任意の汚染物質が削除されます。サンプルを実行する前に、少なくとも 30 分間焼いてましょう。

2. 作る方法ファイル

計測器を制御するソフトウェア、方法ファイルのすべての必要な値を入力します。まず、オート設定を設定します。実行後のリンス、実行前のすすぎとリンスサンプル数を設定します。これらお手入れが異なるサンプルの間の列。
注入量は、通常 1 μ L です。分割比率は、列をオーバーロード可能性がありますすべてのサンプルを注入するために通常設定されます。分割比は 100: 1、計測器が注入されるすべての 1 部分の 100 の部分が無駄になることになります。
移動相のパラメーターを入力します。流量は、圧力のセットによって制御されます。流れの速度で高速分離につながるが、検体列と対話するための短い時間があります。
温度プログラミングを入力します。等温的に分離し、分離のための時間の温度を入力します。グラジェント溶を開始温度を入力押し時間、終了温度 ° C/分で、時間とランプの速度を保持します。平衡化時間は、実行の間元の温度をクールに列をことができますも設定されます。
検出器のパラメーターを入力します。検出器温度とサンプリングレートが入力されます。検出器は、検出器の試料が凝縮しないカラム温度よりも高い温度に常になりません。
方法ファイルを保存します。パラメーターは、GC によって読み取られるようにダウンロードする必要がありますも。

3. GC データ集

水素ガスを切り、圧力計が正しく設定されていることを確認します。FID の炎を点灯します。
オートサンプラーラック洗浄溶剤、アセトニトリルやメタノールのような洗浄バイアルを入力します。廃棄物のバイアルが空かどうかを確認します。
サンプルを準備します。サンプル中の微粒子の任意のチャンスがある場合は、サンプルをフィルターします。プラスチック残留物は、GC で時々見ることができる、唯一のガラスを使用して注射器やガラス瓶、サンプルを準備します。
サンプルをピックアップするオートサンプラー注射器は保障されるので、サンプルでバイアルの少なくとも半分の方法を入力します。オートサンプラーバイアルは通常 2 mL、試料量が限られている場合バイアル挿入必要検体量を減らすために使用できます。
オートサンプラーラックにサンプルバイアルをロードします。各サンプルは、どのような位置を追跡します。
実行する前にコンピュータソフトウェアにチャートレコーダーのベースラインはゼロします。
単一の実行または複数の実行のバッチテーブルを使用して、ファイルを収集できます。サンプルの正しいバイアル数を指定することを確認します。「スタート」ボタンを押すファイルを作成します。
データを通常ソフトウェアプログラムで解析します。測定することができるパラメーターには、保持時間、ピーク高さ、ピーク領域、および理論的な版の数が含まれます。

4. 結果: コーヒーの GC 分析のサンプルします。

この例では、カフェインとパルミチン酸、コーヒーで見つかった 2 つの化合物のためのガスクロマトグラフ分析を行った。カフェインが少ないパルミチン酸、長鎖アルカン尾より極です。このように、カフェインは少ない保持され、ジメチルポリシロキサン 95% と 5% フェニル arylene (図 1) の非極性カラムの最初を示しています。
、クロマトグラムからピーク面積を計算できます。ピーク面積が検出器を通過する炭素の質量に比例しているし、楽器の応答対濃度の検量線を作成する使用できます。図 1、ピーク面積はカフェイン 27,315 とパルミチン酸の 18,852 です。
カラム効率の測定は N、理論的な版の数。N は、各ピークのクロマトグラムから算出できます。図 1N はカフェインの 283,000 とパルミチン酸の 261,000 です。
図 2は、等温色分解に温度の影響を示しています。2 つの版は、同じカフェインとパルミチン酸のサンプルのオーバーレイされます。最初は 180 ° C、200 ° C で 2 番目、します。保持時間ははるかに小さくなり高温を実行です。

図 1。カフェインとパルミチン酸試料のガスクロマトグラフ分析します。まず、標準の 5 mM カフェインを示して 1 mM パルミチン酸サンプルが続きます。温度ランプ 5 分間温度を開催 220 ° C に 10 ° C/分でランプに続く 150 ° C で 0.1 min であった。

図 2。ダークローストコーヒーサンプルの等温のランのガスクロマトグラフ分析します。180 ° C、ダークローストコーヒーサンプル 200 ° C でガスクロマトグラフの比較が実行されます。ピークは 200 ° C の温度ではるかに速く溶出します。

ガス・クロマトグラフィーまたは GC は、分離、検出、および気相小の揮発性化合物を定量化するために使用する手法です。

GC、液体試料は気化し、細長い列を不活性ガスによって運ばれます。検体が列の内側にコーティングを施した化学親和性に基づいて分かれています。

GC は、検体が気相を蒸発させることを必要とするため、楽器は質量 1,000 ダルトンより少ない揮発性、非極性化学薬品に最適です。蒸発しにくい大きい、水溶液、または極性分子の液体クロマトグラフィーは有用な選択肢です。このビデオは、ガス・クロマトグラフィーの基本を紹介、ガスクロマトグラフを用いた非水混合サンプルの化学種の分析に必要な手順を説明します。

GC 楽器は 5 つの重要なコンポーネントです。最初、注入ポートは、計測器にサンプルを導入する使用されます。次に、加熱室試料を気化し、不活性ガスでそれをミックスします。ヘリウムや窒素などの不活性ガスを運ぶシステムを通じて気化したサンプル。組み合わせることで、キャリアガスとサンプルは、移動相を構成します。次に、移動相を通過すると、検体の分離、温水の列を入力します。最後に、検出器列を終了または溶出と分析のためのコンピューターにデータを送信、ガスを記録します。楽器の最も重要なコンポーネントは、列です。列は、毛管内壁をコーティング固定相マトリックスです。また、列がマトリックスをコートしたビーズをパックできます。固定相は通常変更されたポリジメチルシロキサンは、非極性分子を解決するために理想的です。分離プロパティは 5-10% フェニルやシアノプロピル、trifluoropropyl グループを追加することによって洗練されました。

列壁に吸着するように高い親和性を持つ分子が鈍化、固定相の化学親和性低い検体は列をすぐに移動します。列内の化合物に費やす時間の長さはその保持時間、または R_tと呼ばれます、化合物を識別することができます。検出器は、彼らが溶出と列とレコードのガスの終わりに座っている.炎イオン化検出、または FID、使用されていますこれは炭素イオンを感覚あらゆる有機化合物を検出することができます。FID の水素-空気の analytes 燃焼炎終了近くに電極に電流を誘導する炭素イオンを生成、列。現在では、炭素の質量は、したがって、化合物の濃度に比例を定めることができる直接。最終的な結果は、クロマトグラム終了列各溶出成分を示す、FID 信号対時間のプロットであります。理想的には、各ピークでお越しの左右対称のガウス形状。ピークのテーリングピークに面しなどの非対称的な機能は、オーバーロード、インジェクションの問題、またはカルボン酸などの列に固執する機能グループの存在のためすることができます。

ガスクロマトグラフィーの原理が議論されている今、分析室でのガス・クロマトグラフィー分析を実施するための方法を見てをみましょう。

実験を実行する前にヘリウムのガスのタンクを入れます。開いている、コンピューター上のソフトウェアは、任意の潜在的な汚染物質を削除する列を焼きます。高温は、通常 250 ° C 以上、オーブンを設定し、少なくとも 30 分の列を焼きます。

次に、オート設定を調整します。サンプル間列をきれいにする前と実行後のリンスの数を設定します。

1 μ L の試料体積を使用し、入力の一部のみを受け入れるように楽器をプログラムに分割比の設定を設定します。キャリアにガスの流量を調整し、設定や試行錯誤を使用して理想的な圧力を見つけます。

今実験の温度設定を入力します。等温の実行のため、温度と分離の時間を入力します。または、温度勾配の開始温度を入力して時間終了温度を保持し、時間、およびランプ速度毎分 ° C に保持します。

グラデーションまたは等温実行の実行の間に冷却する列のための時間を設定します。

最後に、サンプリングレートや検出器温度を設定します。検出器は常に結露を防ぐために列より熱くなければなりません。すべての設定をプログラムすると後は、方法ファイルを保存します。

水素タンクのバルブを開くことで検出器をアクティブにし、FID の炎に火を付けます。計測器は、サンプル分析の準備が整いました。

GC のサンプルを実行するには、最初にアセトニトリルやメタノールなどの洗浄溶剤でバイアルを埋めます。サンプルでは、特定のガラスを使用する注射器やプラスチック残留物としてガラスバイアル GC を汚染できることを準備します。

ピペットのバイアルに作製した試料を追加します。オートサンプラー注射器は完全に冠水するだろうので、少なくとも半分の方法を記入してください。オートサンプラーラックに、洗って、サンプル瓶を読み込みます。このサンプルを実行する前に、コンピュータ・ソフトウェアのクロマトグラムのベースラインはゼロします。単一の実行または複数の実行のバッチテーブルを使用して、データを収集できます。サンプルを実行するには、「スタート」を押します。

この例では、コーヒーのカフェインとパルミチン酸のレベルは、FID と GC を使用して分析しました。カフェインはより小さくより少なく極、ので、それは、以下の列に魅了されているし、最初を示しています。長いアルカン鎖尾であるパルミチン酸を示して後固定相との親和性のため。

最大寸法は炭素の質量に比例なのでこの各成分の濃度はクロマトグラフのそれぞれのピーク領域から決定され、濃度既知の標準と比較しています。

カラム温度の効果はまた探検されました。200 ° C で、サンプルは 180 °Cで実行サンプルの 2 倍の速さの列を移動しました。そのピークの高さを変更すると、曲線下面積一定のままに注意してください。

GC は化学分析の重要な技法を科学的、商業、および工業用アプリケーションで広く使用します。

GC の簡単のため化学者は日常的に化学反応と製品純度を監視するそれを使用してください。反応は、製品形成と反応物質の枯渇を時間をかけてサンプリングすることができます。クロマトグラフでは、製品濃度とも予想外の存在または側製品を明らかにします。

GC は、サンプルまたは空気中の化学物質を明確に識別する質量分析法、GS-MS と呼ばれるタンデムで使用されます。質量分析法、または MS、比を充電するためにそれらの質量に基づく分子を分離し、複合アイデンティティの決定可能します。GC は最初、個々のコンポーネントに複雑な混合物を分けるし、MS を与える精密質量情報と化学アイデンティティ、GC-MS は強力なツールです。

GC は空気の揮発性有機化合物や Voc、環境汚染、農薬や爆発物から発生する可能性を検出する監視で使用します。GC は、追跡し、Voc ヘッドスペース分析用、屋内と屋外の両方、健康、安全、およびセキュリティの識別に使用できます。

ゼウスの FID ガスクロマトグラフィー入門を見てきただけ。今、ガス・クロマトグラフィー、FID 検出の基本原理を理解してください。

見てくれてありがとう!

Applications and Summary

GC は、様々な工業用アプリケーションに使用されます。たとえば、合成化学製品の純度をテストするものです。GC も環境用途で人気です。GC は、フタル酸エステル類、多環芳香族炭化水素、農薬を検出するために使用されます。ほとんど空気品質のアプリケーションでは、ガスクロマトグラフを使用して、環境汚染物質を監視します。GC は、ヘッドスペース分析、液体から蒸発する揮発性物質を収集され、測定にも使用されます。これは、化粧品と食べ物と飲み物産業に便利です。GC は法医学のアプリケーションだけでなく、薬物乱用や爆発物の検出などに使用されます。さらに、GC は炭化水素を測定するため石油業界で役に立つです。広範なアプリケーションは、今年世界市場あたりの 10 億ドルを GC になります。

図 3は、GC が食品業界で使用する方法の例を示します。図 3に示す人工バニラ (黒) のクロマトグラフと実際のバニラ (赤)。GC は、バニリンの大きなピークが含まれていますが、エチルバニリンの 2 番目のピークが含まれていない本当のサンプルを識別するために使用できます。

図 3。バニラのサンプルのガスクロマトグラフクロマトグラム。模倣と実質バニラバニラ、バニラの主成分により 4.7 分の大きなピークを表示します。ただし、エチルバニリン、化合物が原因である 5.3 分で大きなピークにも模造バニラ実質バニラで大量に存在しません。

Transcript

Gas Chromatography, or GC, is a technique that is used to separate, detect, and quantify small volatile compounds in the gas phase.

In GC, liquid samples are vaporized, then carried by an inert gas through a long, thin column. Analytes are separated based on their chemical affinity with a coating on the inside of the column.

Because GC requires that analytes are vaporized to the gas phase, the instrument is ideally suited for volatile, nonpolar chemicals less than 1,000 daltons in mass. For larger, aqueous, or polar molecules that are difficult to vaporize, liquid chromatography is a useful alternative. This video will introduce the basics of gas chromatography, and illustrate the steps required to analyze the chemical species in a non-aqueous mixture sample using a gas chromatograph.

The GC instrument has five essential components. First, an injection port is used to introduce the sample into the instrument. Next, a heating chamber vaporizes the sample and mixes it with an inert gas. The inert gas, such as helium or nitrogen, carries the vaporized sample through the system. Combined, the carrier gas and sample make up the mobile phase. Next, the mobile phase enters the heated column, separating the analytes as they flow through. Lastly, a detector records the gases as they exit the column, or elute, and sends data to a computer for analysis. The most critical component of the instrument is the column. The column is a capillary with a stationary phase matrix coating the inner walls. Alternatively, columns can be packed with matrix-coated beads. The stationary phase is usually modified polydimethylsiloxane, which is ideal for resolving nonpolar molecules. Its separation properties are refined by adding 5–10% phenyl, cyanopropyl, or trifluoropropyl groups.

Analytes with low chemical affinity for the stationary phase move quickly through the column, while molecules with high affinity are slowed as they adsorb to the column walls.The length of time a compound spends inside the column is called its retention time, or Rt, and allows compounds to be identified. The detector sits at the end of the column and records gases as they elute. Flame-ionization detection, or FID, is widely used because it senses carbon ions, allowing it to detect virtually any organic compound. In FID, analytes combust in a hydrogen-air flame as they exit the column, producing carbon ions that induce a current in nearby electrodes. The current is directly proportional to the carbon mass, thus, the concentration of the compound can be determined. The final result is a chromatogram, which is a plot of FID signal vs time, showing each eluted component as they exit the column. Ideally, each peak will have a symmetrical, Gaussian shape. Asymmetrical features, such as peak tailing and peak fronting, can be due to overloading, injection problems, or the presence of functional groups that stick to the column, such as carboxylic acids.

Now that the principles of gas chromatography have been discussed, let’s take a look at how to carry out and analyze a gas chromatography analysis in the laboratory.

Before running an experiment, turn on the helium gas tank. Open the software on the computer, then bake out the column to remove any potential contaminants. Set the oven to a high temperature, typically 250 °C or above, and bake the column for at least 30 min.

Next, adjust the autosampler settings. Set the number of pre- and post-run rinses to clean the column between samples.

Use a sample volume of 1 μL and set the split ratio setting to program the instrument to accept only a fraction of the input. Adjust the flow rate of the carrier gas, and use established settings or trial and error to find the ideal pressure.

Now enter the temperature settings for the experiment. For an isothermal run, enter the temperature and the time for the separation. Alternatively, for a temperature gradient, enter the starting temperature and hold time, the ending temperature and hold time, and the ramp speed in °C per min.

Set the time for the column to cool between runs for either a gradient or isothermal run.

Finally, set the sampling rate and the detector temperature. The detector must always be hotter than the column to prevent condensation. After all the settings are programmed, save the methods file.

Activate the detector by opening the hydrogen tank valve and ignite the flame of the FID. The instrument is now ready for sample analysis.

To run the sample on the GC, first fill a vial with a wash solvent, such as acetonitrile or methanol. Prepare the sample, being certain to use glass syringes and glass vials as plastic residues can contaminate the GC.

Now add the prepared sample to a vial with a pipette. Fill at least half way, so that the autosampler syringe will be fully submerged. Then, load the wash and sample vials into the autosampler rack. Before running the sample, zero the baseline of the chromatogram on the computer software. Data can be collected either as a single run or using a batch table for multiple runs. Press “start” to run the sample.

In this example, caffeine and palmitic acid levels in coffee were analyzed using GC with FID. Caffeine is smaller and less polar, so it is less attracted to the column, and elutes first. Palmitic acid, which has a long alkane chain tail, elutes later due to a higher affinity with the stationary phase.

Because peak dimensions are proportional to carbon mass, the concentration of each component can be determined from its respective peak area on the chromatograph and compared to standards of known concentration.

The effect of column temperature was also explored. At 200 °C, samples moved through the column twice as fast as the sample run at 180 °C. Note that while peak heights change, the area under the curve remains constant.

GC is an important technique for chemical analysis, and is widely used in scientific, commercial, and industrial applications.

Due to the simplicity of GC, chemists routinely use it to monitor chemical reactions and product purity. Reactions can be sampled over time to show product formation and reactant depletion. The chromatograph reveals product concentrations and also the presence of unintended or side products.

GC is commonly used in tandem with mass spectrometry, called GS-MS, to unambiguously identify chemicals in samples or air. Mass spectrometry, or MS, separates molecules based on their mass to charge ratio, and enables the determination of compound identities. GC-MS is a powerful tool, as GC first separates complex mixtures into individual components, and MS gives precise mass information and chemical identity.

GC is routinely used in air monitoring to detect volatile organic compounds, or VOCs, which may arise from environmental pollution, pesticides and explosives. GC can be used to track and identify VOCs both indoors for headspace analysis and outdoors, for health, safety, and security.

You’ve just watched JoVE’s introduction to gas chromatography with FID. You should now understand the basic principles of gas chromatography and FID detection.

Thanks for watching!