3.8: Газовая хроматография (ГХ) с пламенно-ионизационным детектированием

1. Инициализация GC

1. Включите газообразный носитель гелия и воздух и отрегулируйте манометры на приборе.
2. Включите духовку на высокой температуре (обычно 250 °C или выше), чтобы выпекать в колонне. Не превышайте максимальную температуру колонны. Это удалит любые загрязнения. Дайте ему выпекаться не менее 30 минут, прежде чем запускать образец.

2. Создание файла методов

1. В программном обеспечении, управляющем прибором, введите все желаемые значения для файла методов. Во-первых, установите настройки автосамплера. Задайте количество полосканий перед запуском, после прогона, а также полоскания с образцом. Эти промывки очищают колонку между разными образцами.
2. Вводимое количество обычно составляет 1 μл. Коэффициент разделения обычно устанавливается, потому что внедрение всей выборки может привести к перегрузке столбца. Если коэффициент разделения составляет 100:1, это означает, что на каждую 1 деталь, которая вводится в прибор, 100 деталей идет впустую.
3. Введите параметры подвижной фазы. Расход регулируется заданным давлением. Более высокая скорость потока приводит к более быстрому разделению, но у анализируемого вещества меньше времени для взаимодействия с колонкой.
4. Войдите в программирование температуры. Для изотермического прогона введите температуру разделения, а затем время разделения. Для градиентного элюирования введите начальную температуру и время удержания, конечную температуру и время удержания, а также скорость нарастания в °C/мин. Также устанавливается время уравновешивания, которое позволяет колонне охлаждать исходную температуру между прогонами.
5. Введите параметры детектора. Будет введена температура детектора и частота дискретизации. Температура детектора всегда должна быть выше, чем температура колонки, чтобы аналит не конденсировался на детекторе.
6. Сохраните файл методов. Также может потребоваться загрузить параметры, чтобы они были прочитаны сборщиком мусора.

3. Сбор данных GC

1. Включите газообразный водород и убедитесь, что манометр настроен правильно. Зажгите пламя FID.
2. На штативе автосамплера заполните промывочный флакон промывочным растворителем, таким как ацетонитрил или метанол. Убедитесь, что флакон с отходами пуст.
3. Подготовьте образец. Если существует вероятность попадания твердых частиц в пробу, отфильтруйте пробу. Поскольку при использовании ГХ иногда можно увидеть остатки пластика, для подготовки образца используйте только стеклянные шприцы и стеклянные флаконы.
4. Заполните флакон образцом не менее чем наполовину, чтобы шприц автосамплера был уверен в том, что он сможет забрать образец. Флаконы с автосамплером обычно имеют объем 2 мл, но если объем образца ограничен, доступны вкладыши для флаконов для уменьшения необходимого объема образца.
5. Загрузите флаконы с образцами в штатив автосамплера. Следите за тем, в каком положении находится каждый образец.
6. Перед прогоном обнулите базовую линию самописца в компьютерном программном обеспечении.
7. Файлы могут быть собраны как за один прогон, так и с помощью пакетной таблицы для нескольких прогонов. Убедитесь, что вы указали правильный номер флакона для образца. Нажмите кнопку «Пуск» и создайте файл.
8. Данные обычно анализируются с помощью программного обеспечения. Параметры, которые можно измерить, включают время удержания, высоту пика, площадь пика и количество теоретических пластин.

4. Результаты: GC-анализ образцов кофе

1. В этом примере был проведен анализ GC-FID на кофеин и пальмитиновую кислоту, два соединения, обнаруженные в кофе. Кофеин менее полярен, чем пальмитиновая кислота, которая имеет длинноцепочечный алкановый хвост. Таким образом, кофеин в меньшей степени удерживается и вымывается сначала на неполярном столбике, состоящем из 95% диметилполисилоксана и 5% фенил-арилена (Рисунок 1).
2. По хроматограмме можно рассчитать пиковые площади. Пиковые площади пропорциональны массе углерода, проходящего через детектор, и с их помощью можно построить калибровочную кривую зависимости отклика прибора от концентрации. Для Рисунок 1, пиковая площадь составляет 27 315 для кофеина и 18 852 для пальмитиновой кислоты.
3. Мерой эффективности колонны является N, количество теоретических пластин. N может быть вычислено по хроматограмме для каждого пика. Для Рисунок 1, N равно 283 000 для кофеина и 261 000 для пальмитиновой кислоты.
4. На рисунке 2 показано влияние температуры на изотермическое разделение. Два разделения накладываются на один и тот же образец кофеина и пальмитиновой кислоты. Первый — при 180 °C, а второй — при 200 °C. Время удержания намного меньше при работе при более высоких температурах.

Рисунок 1. Анализ GC-FID образцов кофеина и пальмитиновой кислоты. Сначала вымывают стандартное содержание кофеина в 5 мМ, а затем образец пальмитиновой кислоты в 1 мМ. Нарастание температуры составляло 0,1 мин при 150 °C, за которым следовал нарастание при 10 °C/мин до 220 °C, где температура поддерживалась в течение 5 мин.

Рисунок 2. GC-FID анализ изотермических прогонов образца кофе темной обжарки. Сравнение GC-FID работает при 180 °C и 200 °C для образца кофе темной обжарки. При температуре 200 °C пики размываются гораздо быстрее.

Газовая хроматография, или ГХ, — это метод, который используется для разделения, обнаружения и количественного определения небольших летучих соединений в газовой фазе.

При ГХ жидкие образцы испаряются, а затем переносятся инертным газом через длинную тонкую колонну. Аналиты разделяются на основе их химического сродства с помощью покрытия на внутренней стороне колонны.

Поскольку ГХ требует, чтобы аналиты испарялись до газовой фазы, прибор идеально подходит для летучих неполярных химических веществ массой менее 1000 дальтон. Для более крупных, водных или полярных молекул, которые трудно испаряются, жидкостная хроматография является полезной альтернативой. В этом видео будут представлены основы газовой хроматографии и проиллюстрированы шаги, необходимые для анализа химических веществ в образце неводной смеси с помощью газового хроматографа.

Инструмент GC состоит из пяти основных компонентов. Во-первых, для введения образца в прибор используется инъекционный порт. Далее нагревательная камера испаряет образец и смешивает его с инертным газом. Инертный газ, такой как гелий или азот, переносит испарившийся образец через систему. В совокупности газ-носитель и проба образуют подвижную фазу. Далее подвижная фаза поступает в нагретую колонну, разделяя аналиты по мере их прохождения. Наконец, детектор записывает газы, когда они выходят из колонки, или элюирования, и отправляет данные на компьютер для анализа. Самым ответственным компонентом инструмента является колонка. Колонна представляет собой капилляр со стационарной фазовой матрицей, покрывающей внутренние стенки. В качестве альтернативы колонки могут быть упакованы бусинами с матричным покрытием. Стационарная фаза обычно представляет собой модифицированный полидиметилсилоксан, который идеально подходит для разрешения неполярных молекул. Его разделительные свойства улучшаются путем добавления 5-10% фениловых, цианопропиловых или трифторпропиловых групп.

Аналиты с низким химическим сродством к стационарной фазе быстро перемещаются по колонне, в то время как молекулы с высоким сродством замедляются по мере адсорбции к стенкам колонок. Время, в течение которого соединение находится внутри столбца, называется временем его удержания, или Rt, и позволяет идентифицировать соединения. Детектор находится в конце колонки и регистрирует газы по мере их вымывания. Пламенно-ионизационное детектирование, или FID, широко используется, поскольку оно обнаруживает ионы углерода, что позволяет обнаруживать практически любые органические соединения. В FID аналиты сгорают в водородно-воздушном пламени при выходе из колонки, образуя ионы углерода, которые индуцируют ток в близлежащих электродах. Ток прямо пропорционален массе углерода, таким образом, можно определить концентрацию соединения. Конечным результатом является хроматограмма, которая представляет собой график зависимости сигнала FID от времени, показывающий каждый элюированный компонент при выходе из столбца. В идеале каждая вершина должна иметь симметричную, гауссову форму. Асимметричные особенности, такие как хвостовое покрытие пика и фронтирование пика, могут быть вызваны перегрузкой, проблемами с впрыском или наличием функциональных групп, которые прилипают к колонке, таких как карбоновые кислоты.

Теперь, когда мы обсудили принципы газовой хроматографии, давайте рассмотрим, как проводить и анализировать анализ газовой хроматографии в лаборатории.

Перед проведением эксперимента включите гелиевый газовый баллон. Откройте программное обеспечение на компьютере, затем запекайте колонку, чтобы удалить все потенциальные загрязнения. Установите духовку на высокую температуру, обычно 250 ? C или выше, и запекайте колонку не менее 30 минут.

Затем отрегулируйте настройки автосамплера. Установите количество промывок до и после прогона, чтобы очистить колонку между образцами.

Используйте объем образца 1 ? L и установите настройку коэффициента разделения, чтобы запрограммировать прибор на прием только части входного сигнала. Отрегулируйте расход газа-носителя и используйте установленные настройки или метод проб и ошибок, чтобы найти идеальное давление.

Теперь введите настройки температуры для эксперимента. Для изотермического прогона введите температуру и время разделения. В качестве альтернативы, для температурного градиента введите начальную температуру и время удержания, конечную температуру и время удержания, а также скорость нарастания в ? C в минуту

Установите время охлаждения колонны между прогонами для градиентного или изотермического прогона.

Наконец, установите частоту дискретизации и температуру детектора. Детектор всегда должен быть горячее, чем колонка, чтобы предотвратить образование конденсата. После того, как все настройки запрограммированы, сохраните файл методов.

Активируйте детектор, открыв клапан водородного бака, и подожгите пламя FID. Теперь прибор готов к анализу образцов.

Чтобы запустить образец на ГХ, сначала заполните флакон промывочным растворителем, таким как ацетонитрил или метанол. Подготовьте образец, обязательно используя стеклянные шприцы и стеклянные флаконы, так как остатки пластика могут загрязнить ГХ.

Теперь добавьте подготовленный образец во флакон с помощью пипетки. Заполните его не менее чем наполовину, чтобы шприц автосамплера был полностью погружен в воду. Затем загрузите промывочные флаконы и пробирки с образцами в штатив автосамплера. Перед запуском образца обнулите базовую линию хроматограммы в компьютерном программном обеспечении. Данные могут собираться как в виде одного прогона, так и с помощью пакетной таблицы для нескольких прогонов. Нажмите «старт», чтобы запустить образец.

В этом примере уровни кофеина и пальмитиновой кислоты в кофе были проанализированы с помощью ГХ с FID. Кофеин меньше и менее полярен, поэтому он меньше притягивается к колонке, и вымывается первым. Пальмитиновая кислота, имеющая длинный хвост алкановой цепи, позже элюируется из-за более высокого сродства к неподвижной фазе.

Поскольку размеры пиков пропорциональны массе углерода, концентрация каждого компонента может быть определена по соответствующей пиковой площади на хроматографе и сравнена со стандартами известных концентраций.

Также было изучено влияние температуры столба. В 200 ? C, сэмплы перемещались по столбцу в два раза быстрее, чем выборка при 180 °C. Обратите внимание, что в то время как высоты пиков изменяются, площадь под кривой остается постоянной.

ГХ является важным методом химического анализа и широко используется в научных, коммерческих и промышленных приложениях.

Из-за простоты ГХ химики регулярно используют его для контроля химических реакций и чистоты продукта. Реакции могут быть отобраны с течением времени, чтобы показать образование продукта и истощение реагентов. Хроматограф выявляет концентрацию продукта, а также наличие непреднамеренных или побочных продуктов.

ГХ обычно используется в тандеме с масс-спектрометрией, называемой GS-MS, для однозначной идентификации химических веществ в образцах или воздухе. Масс-спектрометрия, или МС, разделяет молекулы на основе их отношения массы к заряду и позволяет определить идентичность соединений. ГХ-МС является мощным инструментом, так как ГХ-МС сначала разделяет сложные смеси на отдельные компоненты, а ГХ-МС дает точную информацию о массе и химической идентификации.

ГХ обычно используется при мониторинге воздуха для обнаружения летучих органических соединений или ЛОС, которые могут образовываться в результате загрязнения окружающей среды, пестицидов и взрывчатых веществ. ГХ можно использовать для отслеживания и идентификации ЛОС как в помещении для анализа свободного пространства, так и на открытом воздухе для охраны труда.

Вы только что посмотрели введение JoVE в газовую хроматографию с FID. Теперь вы должны понять основные принципы газовой хроматографии и детектирования FID.

Спасибо за просмотр!