Overview
Quelle: Labor von Dr. B. Jill Venton - University of Virginia
Gaschromatographie (GC) wird verwendet, um zu trennen und kleinen Molekulargewicht Verbindungen in der Gasphase zu erkennen. Die Probe wird entweder ein Gas oder eine Flüssigkeit, die in den Spritzenport verdampft wird. In der Regel sind die Verbindungen analysiert weniger als 1.000 Da, weil es schwierig ist, größere Verbindungen zu verdampfen. GC ist beliebt für Umweltüberwachung und industrielle Anwendungen, weil es sehr zuverlässig ist und fast kontinuierlich betrieben werden kann. GC wird normalerweise verwendet, in Anwendungen, wo kleine, flüchtige Moleküle erkannt werden, und mit nicht-wässrigen Lösungen. Flüssigchromatographie wird immer beliebter für Messungen in wässrigen Proben und kann verwendet werden, um größere Moleküle zu studieren weil die Moleküle nicht brauchen, um zu verdampfen. GC ist für unpolaren Molekülen begünstigt, während LC häufiger für polare Analyten zu trennen ist.
Die mobile Phase für die Gaschromatographie ist ein Trägergas, in der Regel Helium aufgrund seiner niedrigen Molekulargewicht und chemisch träge. Druck ausgeübt wird und die mobile Phase bewegt sich der Analyten durch die Säule. Die Trennung erfolgt mit Hilfe einer Spalte mit einer stationären Phase beschichtet. Offenen röhrenförmige Kapillarsäulen sind die beliebtesten Spalten und die stationäre Phase beschichtet die Wände der Kapillaren. Stationäre Phasen sind häufig Derivate von Polydimethylsiloxan, mit 5 – 10 % der Gruppen funktionalisiert, um die Trennung zu optimieren. Typische funktionelle Gruppen sind Phenyl, Cyanopropyl oder Trifluoropropyl. Kapillarsäulen sind in der Regel 5 – 50 m lang. Schmalere Spalten haben eine höhere Auflösung aber erfordern höhere Drücke. Gepackte Säulen können auch verwendet werden, wo die stationäre Phase auf Perlen verpackt in der Spalte beschichtet ist. Gepackte Säulen sind kürzer, 1 – 5 m. Open tubular Kapillaren sind in der Regel bevorzugt, da sie höhere Wirkungsgrade, schnellere Analysen erlauben und höhere Kapazitäten haben.
Flamme-Ionisation Erkennung (FID) ist eine gute allgemeine Detektor für organische Verbindungen in GC, die die Menge an Kohlenstoff in einer Probe erkennt. Nach der Spalte werden die Proben in eine heiße, Wasserstoff-Luft-Flamme verbrannt. Kohlenstoff-Ionen entstehen bei der Verbrennung. Während die Gesamteffizienz des Prozesses gering (nur 1 von 105 Kohlenstoff-Ionen ein Ion in der Flamme produzieren) ist der Gesamtbetrag der Ionen direkt proportional zu der Menge an Kohlenstoff in der Probe. Elektroden werden verwendet, um den Strom von den Ionen messen. FID ist eine destruktive Detektor, wie das gesamte Sample pyrolysiert ist. FID ist unbeeinflusst von brennbarem Gase und Wasser.
Principles
Das Gleichgewicht für die Gaschromatographie Partitionierung und die Bestandteile der Probe werden partitionieren (d.h. verteilen) zwischen den zwei Phasen: die stationäre Phase und der mobilen Phase. Verbindungen, die eine größere Affinität für die stationäre Phase haben mehr Zeit in der Spalte eluieren später und haben eine längere Aufbewahrungszeit (tR) als Beispiele, die höheren Affinität für die mobile Phase haben. Affinität für die stationäre Phase wird hauptsächlich von intermolekularen Wechselwirkungen angetrieben und die Polarität der stationären Phase kann gewählt werden, um Wechselwirkungen und damit die Trennung zu maximieren. Ideale Gipfel sind Gaußsche Verteilungen und symmetrisch, wegen der Zufälligkeit der Analyten Interaktionen mit der Spalte. Asymmetrische Peak Funktionen wie Peak Frontmann oder beschatten, kann wegen Überlastung der Spalte, Injektion Probleme oder das Vorhandensein von adsorptiven Funktionsgruppen wie Carbonsäuren.
In GC wird die Temperatur eingestellt, um das Gleichgewicht und damit die Elution Zeiten ändern. Trennungen in GC basieren auf Volatilität, weil höhere Siedepunkt Substanzen auf eine Spalte kondensieren können, wenn die Temperatur niedrig ist, damit sie nicht eluiert oder nehmen eine lange Zeit zu eluieren. Isotherme Trennungen bei einer Temperatur oder Steigung Trennungen sind ausgeführt, wo die Temperatur während der Trennung hochgefahren ist. Temperaturrampen ermöglichen beide Low und hochsiedenden Punkt Verbindungen in der gleichen Trennung getrennt werden.
Das Auslesen von GC produziert ist ein Chromatogramm, der das Signal im Laufe der Zeit gibt. Spitzen werden für jede Verbindung in der Probe beobachtet. Für jeden Peak können eine Scheitelhöhe und einer Peakfläche berechnet werden. Peakfläche dient in der Regel Kalibrierkurven und Konzentrationen der Proben in unbekannten zu berechnen. Die Zahl der theoretischen Böden (N) errechnet sich aus jeder Gipfel, ein Maß für die Effizienz der Spalte zu geben. Eine praktische Gleichung für Mess N ist N = 16(tR/W)2 wo tR ist die Retentionszeit des Analyten und W ist die Breite der Unterseite des Berges. N wird verwendet, um Trennungen auf verschiedenen Spalten vergleichen.
Die Flammenionisationsdetektor ist Masse empfindlich. So ist die Stärke des Signals proportional zur Masse des Kohlenstoffs in der Probe, nicht die Anzahl der Muttermale. Verbindungen mit mehr Kohlenstoff geben mehr Signale. Die Verbrennung von Kohlenstoff produziert Ionen, die als Strom erkannt werden. FID ist eines der empfindlichsten allgemeine Detektoren für GC mit einem Limit von Erkennung im Bereich von Picogram. Die Antwort ist linear über sieben Größenordnungen, gibt es einen großen linearen Bereich.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. Initialisierung des GC
- Schalten Sie das Trägergas Helium und Luft und passen Sie das Manometer am Instrument.
- Schalten Sie den Säulenofen auf eine hohe Temperatur (in der Regel 250 ° C oder höher) in der Spalte zu backen. Überschreiten Sie nicht die maximale Temperatur der Spalte. Dadurch werden Verunreinigungen entfernt. Lassen Sie es für mindestens 30 min vor dem Ausführen einer Probe zu backen.
2. Herstellung einer Methoden-Datei
- Geben Sie in der Software, die das Instrument steuert die gewünschten Werte für ein Methoden-Datei. Richten Sie zunächst die Autosampler-Einstellungen. Legen Sie die Anzahl der vor dem Rechenlauf Spülungen, Post-Spülungen, laufen und Spülungen mit Probe. Diese Spülungen reinigen Sie die Spalte zwischen den verschiedenen Proben.
- Injiziert wird in der Regel 1 µL. Eine Split-Verhältnis ist in der Regel festgelegt, da Injektion alle einer Probe die Spalte überlasten könnte. Wenn das Split-Verhältnis 100: 1 ist, bedeutet dies, dass für jeden 1 Teil, das in das Gerät gespritzt wird 100 Teile geht verloren.
- Die mobile Phase Eingabeparameter. Die Fließgeschwindigkeit wird durch das Druck-Set gesteuert. Schnellere Strömungsgeschwindigkeiten führen zu schneller Trennungen, aber es gibt weniger Zeit für den Analyten zur Interaktion mit der Spalte.
- Geben Sie die Temperatur-Programmierung. Geben Sie für eine Isotherme ausführen die Temperatur der Trennung und dann eine Zeit für die Trennung. Geben Sie für einen Gradienten Elution die Anfangstemperatur und Haltezeit, die Endung Temperatur und Haltezeit, und die Rampe Geschwindigkeit in ° C/min. Eine Gleichgewichtherstellung Zeit wird auch festgelegt, die die Spalte cool zurück auf die ursprüngliche Temperatur zwischen den Läufen ermöglicht.
- Geben Sie die Detektor-Parameter. Eine Detektor Temperatur und Sampling-Rate wird eingegeben werden. Der Detektor muss immer eine höhere Temperatur als die Säulentemperatur sein, so dass keine Analyten auf den Detektor kondensiert.
- Speichern Sie die Methoden-Datei. Die Parameter müssen auch heruntergeladen werden, so dass sie von der GC gelesen werden.
3. Datenerhebung GC
- Schalten Sie das Wasserstoffgas und stellen Sie sicher, dass das Manometer richtig eingestellt ist. Licht der Flamme von der FID.
- Füllen Sie auf dem Autosampler-Rack das Waschen-Fläschchen mit Waschlösung, wie Acetonitril oder Methanol. Stellen Sie sicher, dass die Abfälle Fläschchen leer ist.
- Die Probe vorbereiten. Wenn es irgendeine Chance der Partikel in der Probe, Filtern Sie die Probe. Da Kunststoff Rückstände mit GC manchmal gesehen werden können, nur Glas Spritzen und Glas-Fläschchen, Ihre Probe vorzubereiten.
- Füllen Sie das Fläschchen zumindest halbwegs mit Probe, so dass die Autosampler Spritze gewährleistet ist, die Probe abholen. Autosampler Vials sind in der Regel 2 mL, aber wenn Probenvolumen begrenzt ist, sind Fläschchen Einsätze zur Verfügung, um die benötigte Probenmenge zu reduzieren.
- Laden Sie Probe Durchstechflasche(n) im Autosampler-Rack. Behalten Sie den Überblick welche Position jeder Probe ist.
- Vor dem Lauf Null der Grundlinie der Chart Recorder auf die Computer-Software.
- Dateien können entweder als eine einzelne Ausführung oder mit Hilfe einer Batchtabelle für mehrere Durchläufe gesammelt werden. Achten Sie darauf, das richtige Fläschchen der Probe festlegen möchten. Drücken Sie die Schaltfläche "Start" und machen Sie eine Datei zu.
- Daten werden in der Regel mit einem Softwareprogramm analysiert. Parameter, die gemessen werden können gehören Retentionszeit, Scheitelhöhe Peakfläche und Zahl der theoretischen Böden.
4. Ergebnisse: GC-Analyse von Proben, Kaffee
- In diesem Beispiel wurde die GC-FID-Analyse für Koffein und Palmitinsäure, zwei Verbindungen in Kaffee durchgeführt. Das Koffein ist weniger polar als Palmitinsäure, die einen langkettigen Alkans Schweif hat. So das Koffein wird weniger beibehalten und elutes zunächst auf die unpolaren Säule von 95 % Dimethylpolysiloxane und 5 % Phenyl-Arylene (Abbildung 1).
- Aus dem Chromatogramm können die Peakflächen berechnet werden. Die Peakflächen sind proportional zur Masse von Kohlenstoff, die durch den Detektor geht und sie können zu einer Kalibrierkurve des Instruments Antwort Vs Konzentration verwendet werden. Abbildung 1ist die Peakfläche 27.315 für Koffein und 18.852 für Palmitinsäure.
- Ist ein Maß für die Effizienz der Spalte N, die Anzahl der theoretischen Böden. N kann aus dem Chromatogramm für jeden Peak berechnet werden. Abbildung 1ist N 283.000 für Koffein und 261.000 für Palmitinsäure.
- Abbildung 2 zeigt die Auswirkung der Temperatur auf isothermen Separationen. Zwei Trennungen werden der gleichen Koffein und Palmitinsäure Probe überlagert. Die erste ist bei 180 ° C und die zweite bei 200 ° C. Die Aufbewahrungsfristen sind viel kleiner, für die höhere Temperatur laufen.
Abbildung 1: GC-FID-Analyse von Proben, Koffein und Palmitinsäure. Die 5 mM Koffein standard elutes zuerst, gefolgt von 1 mM Palmitinsäure Probe. Die Temperaturrampe war 0,1 min bei 150 ° C, gefolgt von einer Rampe bei 10 ° C/min auf 220 ° C wo die Temperatur für 5 min gehalten wurde.
Abbildung 2: GC-FID Analyse der Isotherme verläuft eine dunkle Röstung Kaffee Probe. Ein Vergleich der GC-FID läuft bei 180 ° C und 200 ° C für eine dunkle Röstung Kaffee-Probe. Die Peaks eluieren viel schneller mit einer Temperatur von 200 ° C.
Gaschromatographie ist, GC, eine Technik, die verwendet wird, um zu trennen, zu entdecken und zu kleine flüchtige Verbindungen in der Gasphase zu quantifizieren.
In GC flüssige Proben verdampft, dann von einem inerten Gas durch eine lange, dünne Säule durchgeführt. Analyten werden anhand ihrer chemischen Affinität mit einer Beschichtung auf der Innenseite der Spalte getrennt.
Weil GC erfordert, dass Analyten in der Gasphase verdampft sind, eignet sich das Instrument für flüchtige, unpolaren Chemikalien von weniger als 1.000 Dalton in Masse. Für größere, wässrigen oder polare Moleküle, die schwer zu verdampfen, ist flüssige Chromatographie eine sinnvolle Alternative. Dieses Video wird vermittelt Grundkenntnisse der Gaschromatographie und veranschaulichen die Schritte erforderlich, um die chemischen Spezies in einer nicht-wässrigen Mischung Probe mit einem Gaschromatographen analysiert.
Das GC-Instrument hat fünf wesentliche Bestandteile. Zunächst wird ein Injektion-Port verwendet, um die Probe in das Gerät einführen. Als nächstes eine Heizkammer Probe verdampft und mischt es mit einem inerten Gas. Das Edelgas wie Helium oder Stickstoff, trägt die verdampfte Probe durch das System. Kombiniert, bilden das Trägergas und Probe der mobilen Phase. Als nächstes geht in die mobile Phase der beheizten Spalte Analyten zu trennen, während sie durchlaufen. Zu guter Letzt zeichnet ein Detektor der Gase wie sie die Spalte beenden oder eluieren, und Daten an einen Computer für Analyse sendet. Die wichtigste Komponente des Instruments ist die Spalte. Die Spalte ist eine Kapillare mit einer stationären Phase Matrix Beschichtung der Innenwände. Alternativ können Spalten mit Matrix-beschichtete Perlen verpackt werden. Die stationäre Phase ist meist modifizierte Polydimethylsiloxan, ideal für die Lösung von unpolaren Molekülen. Die Trenneigenschaften sind verfeinert durch Zugabe von 5 – 10 % Phenyl, Cyanopropyl oder Trifluoropropyl Gruppen.
Analyten mit geringe chemische Affinität für die stationäre Phase bewegen schnell durch die Spalte, während Moleküle mit hoher Affinität verlangsamt werden, da sie auf die Spalte Wände adsorbieren. Die Länge der Zeit verbringt eine Verbindung innerhalb der Spalte nennt man die Verweilzeit oder Rtund ermöglicht Verbindungen identifiziert werden. Der Detektor befindet sich am Ende der Spalte und Aufzeichnungen Gase wie sie eluieren. Flamme-Ionisation Erkennung oder FID, ist weit verbreitet, weil er spürt Kohlenstoffionen, ermöglicht es, praktisch jede organische Verbindung zu erkennen. In FID Flamme verbrennen Analyten in einem Wasserstoff-Luft wie sie aus der Spalte "" Herstellung von Kohlenstoff-Ionen, die eine Strömung in der Nähe Elektroden zu induzieren. Der Strom ist direkt Proportional zur Kohlenstoff-Masse, damit die Konzentration der Verbindung ermittelt werden kann. Das Endergebnis ist ein Chromatogramm, das ist ein Grundstück von FID Signal Vs Zeit, jede eluierten Komponente zeigt, wie sie aus die Spalte. Im Idealfall wird jede Spitze eine symmetrische, Gaußsche Form aufweisen. Asymmetrische Features, z. B. Tailing-Peak und Peak Frontmann, kann aufgrund von Überlastung, Injektion Probleme oder das Vorhandensein von funktionellen Gruppen, die auf die Spalte, wie z. B. Carbonsäuren kleben.
Nun, dass die Grundsätze der Gaschromatographie diskutiert worden sind, werfen Sie einen Blick an, wie man durchführen und eine Gas-Chromatographie-Analyse im Labor zu analysieren.
Schalten Sie vor dem Ausführen von einem Experiment, das Helium-Gas-Tank. Offene Software auf dem Computer dann aus der Spalte, um alle möglichen Verunreinigungen entfernen backen. Legen Sie den Ofen auf eine hohe Temperatur, in der Regel 250 ° C oder höher, und Backen Sie die Spalte für mindestens 30 min.
Stellen Sie als nächstes die Autosampler-Einstellungen. Legen Sie die Anzahl der vor und nach einem Testlauf Spülungen die Spalte zwischen den Proben zu reinigen.
Verwenden Sie ein Probenvolumen von 1 μl und festlegen Sie die Split-Verhältnis, das Instrument zu akzeptieren, nur einen Bruchteil der Eingabe zu programmieren. Einstellen der Durchflussmenge des Trägergases und etablierten Einstellungen oder Versuch und Irrtum, um den ideale Druck zu finden.
Geben Sie nun die Temperatur-Einstellungen für das Experiment. Geben Sie für eine Isotherme Lauf die Temperatur und die Zeit für die Trennung. Alternativ für einen Temperaturgradienten, geben Sie die Anfangstemperatur und Haltezeit, die Endung Temperatur und Haltezeit, und die Rampe Geschwindigkeit in ° C / Min..
Stellen Sie die Uhrzeit für die Spalte zwischen den Läufen für einen Farbverlauf oder isothermen laufen abkühlen lassen.
Legen Sie abschließend die Sampling-Rate und der Detektor-Temperatur. Der Detektor muss immer heißer als die Spalte, um Kondensation zu verhindern. Nachdem alle Einstellungen programmiert werden, speichern Sie die Methoden-Datei.
Aktivieren des Detektors durch das Wasserstoff-Tank-Ventil öffnen und entzünden der Flamme von der FID. Das Gerät ist nun bereit für die Probenanalyse.
Zum Ausführen des Beispiels auf der GC, füllen Sie zuerst ein Fläschchen mit einer Waschlösung, z. B. Acetonitril oder Methanol. Probe, sicher Gebäudeabschlüsse Spritzen und Glasfläschchen als Kunststoff Rückstände die GC verunreinigen können.
Jetzt fügen Sie die vorbereitete Probe hinzu, ein Fläschchen mit einer Pipette. Füllen Sie mindestens die Hälfte Weg, damit die Autosampler Spritze vollständig eingetaucht werden. Laden Sie anschließend die waschen und Proben-Fläschchen im Autosampler-Rack. Vor dem Ausführen des Beispiels, Null die Grundlinie des Chromatogramms auf der Computersoftware. Daten können entweder als eine einzelne Ausführung oder mit Hilfe einer Batchtabelle für mehrere Läufe erfasst werden. Drücken Sie auf "Start" zum Ausführen des Beispiels.
In diesem Beispiel wurden Koffein und Palmitinsäure Ebenen in Kaffee mit GC mit FID analysiert. Koffein ist kleiner und weniger polar, so dass es weniger auf die Spalte angezogen wird, und elutes zuerst. Palmitinsäure, hat einen langen Alkans Kette Schweif und elutes später durch eine höhere Affinität mit der stationären Phase.
Da Peak Abmessungen, Carbon Masse proportional sind, kann die Konzentration der einzelnen Komponenten aus ihrer jeweiligen Peakfläche auf der Chromatograph ermittelt und im Vergleich zu Standards bekannter Konzentration.
Die Wirkung der Säulentemperatur wurde ebenfalls untersucht. Bei 200 ° C Proben zogen durch die Spalte doppelt so schnell wie die Probe laufen bei 180 °C. Beachten Sie, dass während der Peak-Höhen zu ändern, die Fläche unter der Kurve konstant bleibt.
GC ist eine wichtige Technik für die chemische Analyse und ist weit verbreitet in wissenschaftlichen, kommerziellen und industriellen Anwendungen.
Aufgrund der Einfachheit des GC verwenden Chemiker routinemäßig es um chemische Reaktionen und Produktreinheit zu überwachen. Reaktionen können im Laufe der Zeit Produktbildung und Reaktanten Erschöpfung zeigen beprobt werden. Die Chromatograph zeigt Produktkonzentrationen und auch das Vorhandensein von unbeabsichtigten oder Nebenprodukte.
GC wird häufig im Tandem mit der Massenspektrometrie, genannt GS-MS, verwendet, um Chemikalien in Luft oder Proben eindeutig zu identifizieren. Massenspektrometrie oder MS, trennt Moleküle anhand ihrer Masse, Verhältnis zu berechnen, und ermöglicht die Ermittlung von zusammengesetzten Identitäten. GC-MS ist ein leistungsfähiges Werkzeug, wie GC zunächst komplexe Gemische in Einzelkomponenten trennt, und MS genaue Masse Informationen und chemische Identität gibt.
GC ist routinemäßig in Luft Überwachung um flüchtige organische Verbindungen oder VOC, die Umweltverschmutzung, Pestizide und Sprengstoffe entstehen zu erkennen. GC kann verwendet werden, zu verfolgen und VOC in Innenräumen für Headspace-Analyse sowohl im Freien, Gesundheit und Sicherheit zu identifizieren.
Sie habe nur Jupiters Einführung in die Gaschromatographie mit FID beobachtet. Sie sollten nun die Grundlagen der Gaschromatographie und FID-Detektion verstehen.
Danke fürs Zuschauen!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
GC ist für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen verwendet. Es ist z. B. die Reinheit eines synthetisierten chemischen Produkts zu testen. GC ist auch populär in Umweltanwendungen. GC dient zum Aufspüren von Pestiziden, polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen und Phthalate. Die meisten Air-Qualität-Anwendungen verwenden GC-FID, um Umweltschadstoffe zu überwachen. GC ist auch für Headspace-Analyse verwendet, wo die flüchtigen Bestandteile, die von einer Flüssigkeit verdampft werden erfasst und gemessen werden. Dies ist nützlich für die Kosmetik und Lebensmittel und Getränke-Industrie. GC ist für forensische Anwendungen sowie, wie Feststellung Drogen Missbrauch oder Sprengstoff benutzt. Darüber hinaus eignet sich GC in der Erdölindustrie zur Messung von Kohlenwasserstoffen. Die umfangreichen Anwendungen macht GC 1 Milliarde Dollar pro Jahr weltweit Markt.
Abbildung 3 zeigt ein Beispiel wie GC in der Lebensmittelindustrie genutzt werden kann. Abbildung 3 zeigt eine Chromatograph künstliche Vanille (schwarz) und echte Vanille (rot). GC kann verwendet werden, um die reale Probe zu identifizieren, die einen großen Höhepunkt für Vanillin enthält jedoch keine zweite Spitze für Ethylvanillin.
Abbildung 3. GC-FID Chromatogramm Vanille Proben. Nachahmung und echte Vanille zeigen große Gipfel bei 4,7 min durch Vanillin, das Prinzip-Komponente von Vanille. Nachahmung Vanille hat jedoch auch einen großen Höhepunkt bei 5,3 min, die aufgrund Ethylvanillin, eine Verbindung ist nicht vorhanden in großen Mengen in echter Vanille.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
