Overview
מקור: המעבדה של ד"ר .B ג'יל וטון - אוניברסיטת וירג'יניה
כרומטוגרפיה גז (GC) משמשת להפרדת ולזיהוי תרכובות משקל מולקולריות קטנות בשלב הגז. המדגם הוא גז או נוזל שמאודה ביציאת ההזרקה. בדרך כלל, התרכובות שנותחו הן פחות מ 1,000 Da, כי קשה לאדות תרכובות גדולות יותר. GC פופולרי עבור ניטור סביבתי ויישומים תעשייתיים כי זה מאוד אמין והוא יכול להיות מופעל כמעט ברציפות. GC משמש בדרך כלל ביישומים שבהם מולקולות קטנות ונדיפות מזוהות ועם פתרונות לא מימיים. כרומטוגרפיה נוזלית פופולרית יותר למדידות בדגימות מימיות וניתן להשתמש בה כדי לחקור מולקולות גדולות יותר, מכיוון שהמולקולות אינן צריכות להתאדות. GC הוא מועדף עבור מולקולות לא קוטביות בעוד LC נפוץ יותר להפרדת ניתוחי קוטב.
השלב הנייד לכרומטוגרפיה של גז הוא גז נושא, בדרך כלל הליום בגלל משקלו המולקולרי הנמוך והיותו אדיש מבחינה כימית. הלחץ מופעל והשלב הנייד מעביר את הניתוח דרך העמודה. ההפרדה מתבצעת באמצעות עמודה מצופה בשלב נייח. עמודים נימיים צינוריים פתוחים הם העמודים הפופולריים ביותר ויש להם את השלב הנייח מצופה על הקירות של נימי. שלבים נייחים הם לעתים קרובות נגזרות של polydimethylsiloxane, עם 5-10% של הקבוצות פונקציונלי כדי לכוון את ההפרדה. קבוצות פונקציונליות אופייניות הן פניל, ציאנופרופיל, או קבוצות טריפלואורופרופיל. עמודות נימיות הן בדרך כלל 5-50 מ '. לעמודות צרות יותר יש רזולוציה גבוהה יותר אך דורשות לחצים גבוהים יותר. ניתן להשתמש בעמודות ארוזות גם כאשר השלב הנייח מצופה על חרוזים ארוזים בעמודה. העמודות הארוזות קצרות יותר, 1-5 מ'. נימים צינוריים פתוחים מועדפים בדרך כלל מכיוון שהם מאפשרים יעילות גבוהה יותר, ניתוחים מהירים יותר, ויש להם יכולות גבוהות יותר.
זיהוי יינון להבה (FID) הוא גלאי כללי טוב עבור תרכובות אורגניות ב- GC המזהה את כמות הפחמן במדגם. לאחר הטור, דגימות נשרפות בלהבת אוויר מימן חמה. יונים פחמנית מיוצרים על ידי הבעירה. בעוד היעילות הכוללת של התהליך נמוכה (רק 1 מתוך10 5 יונים פחמן לייצר יון בלהבה) הכמות הכוללת של יונים היא פרופורציונלית ישירות לכמות הפחמן במדגם. אלקטרודות משמשות למדידת הזרם מהיונים. FID הוא גלאי הרסני, כמו המדגם כולו הוא pyrolyzed. FID אינו מושפע גזים ומים לא דליקים.
Principles
שיווי המשקל לכרומטוגרפיה של הגז מתחלק, ורכיבי המדגם יחלקו(כלומר תחלק) בין שני השלבים: השלב הנייח והשלב הנייד. תרכובות שיש להן זיקה רבה יותר לשלב הנייח מבלות יותר זמן בעמודה ובכך חומקות מאוחר יותר ויש להן זמן שימור ארוך יותר (tR)מאשר דגימות שיש להן זיקה גבוהה יותר לשלב הנייד. הזיקה לשלב הנייח מונעת בעיקר על ידי אינטראקציות בין-מולקולריות וניתן לבחור את הקוטביות של השלב הנייח כדי למקסם אינטראקציות ובכך את ההפרדה. פסגות אידיאליות הן הפצות גאוסיות וסימטריות, בגלל האופי האקראי של אינטראקציות הניתוח עם העמודה. תכונות שיא אסימטריות, כגון חזית שיא או מעקב, יכולות להיות עקב עומס יתר על העמוד, בעיות הזרקה או נוכחות של קבוצות פונקציונליות סופגות כגון חומצות קרבוקסיליות.
ב- GC, הטמפרטורה מותאמת כדי לשנות את שיווי המשקל ובכך את זמני ההתחמקות. הפרדות ב- GC מבוססות על תנודתיות מכיוון שחומרי נקודת רתיחה גבוהים יותר עשויים להתעבה על עמוד אם הטמפרטורה נמוכה, ולכן הם אינם מנוטרלים או לוקחים זמן רב לחמוק. הפרדות איזותרמיות מבוצעות בטמפרטורה אחת או הפרדות הדרגתיות מבוצעות כאשר הטמפרטורה עולה במהלך ההפרדה. רמפות טמפרטורה מאפשרות להפריד בין תרכובות נקודת רתיחה נמוכות וגבוהות באותה הפרדה.
הקריאה המיוצרת על ידי GC היא כרומטוגרמה שנותנת את האות לאורך זמן. פסגות נצפות עבור כל תרכובת במדגם. עבור כל פסגה, ניתן לחשב גובה שיא ואזור שיא. אזור שיא משמש בדרך כלל כדי להפוך עקומות כיול ולחשב ריכוזים של דגימות לא ידועים. מספר הלוחות התיאורטיים (N) מחושב מכל שיא כדי לתת מידה של יעילות עמודה. משוואה מעשית למדידת N היא N = 16(tR/ W)2 כאשר tR הוא זמן השמירה של הניתוח ו- W הוא רוחב תחתית הפסגה. N משמש להשוואה בין הפרדות בעמודות שונות.
גלאי היוננות של הלהבות רגיש למסה. לפיכך, כמות האות היא פרופורציונלית למסת הפחמן במדגם, ולא למספר המולים. תרכובות עם יותר פחמן לתת אותות גדולים יותר. שריפת פחמן מייצרת יונים אשר מזוהים כזרם. FID הוא אחד הגלאים הכלליים הרגישים ביותר עבור GC עם מגבלה של זיהוי בטווח picogram. התגובה היא ליניארית על פני שבעה סדרי גודל, נותן לו טווח ליניארי גדול.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. אתחול ה- GC
- הפעל את גז ואוויר נושאת הליום ולהתאים את מדי הלחץ על המכשיר.
- הפעל את תנור העמודים לטמפרטורה גבוהה (בדרך כלל 250 °C (250 °C) ומעלה) כדי לאפות בעמודה. אל תחרוג מהטמפרטורה המרבית של העמודה. זה יסיר את כל המזהמים. תן לו לאפות לפחות 30 דקות לפני הפעלת מדגם.
2. יצירת קובץ שיטות
- בתוכנה השולטת במכשיר, הזן את כל הערכים הרצויים עבור קובץ שיטות. תחילה, הגדר את הגדרות הדגימה האוטומטית. הגדר את מספר השטיפות לפני ההפעלה, השטיפות לאחר הריצה ושטיפה עם דגימה. שטיפות אלה מנקות את העמודה בין דוגמאות שונות.
- הכמות המוזרקת היא בדרך כלל 1 μL. יחס פיצול מוגדר בדרך כלל מכיוון שהזרקת כל המדגם עלולה להעמיס על העמודה. אם יחס הפיצול הוא 100:1, משמעות הדבר היא כי עבור כל חלק אחד כי הוא מוזרק לתוך המכשיר 100 חלקים הולך לפסולת.
- הזן את פרמטרי הפאזה הניידים. קצב הזרימה נשלט על ידי קבוצת הלחץ. קצבי זרימה מהירים יותר מובילים להפרדות צבע מהירות יותר, אך יש פחות זמן לנתח אינטראקציה עם העמודה.
- הזן את תכנות הטמפרטורה. לריצה איזותרמית, הזן את טמפרטורת ההפרדה ולאחר מכן זמן להפרדה. לקבלת בחינה הדרגתית, הזינו את טמפרטורת ההתחלה והחזקו את זמן ההמתנה, את טמפרטורת הסיום ואת זמן ההמתנה ואת מהירות הרמפה ב- °C/min. נקבע גם זמן שיווי משקל המאפשר לעמודה להתקרר בחזרה לטמפרטורה המקורית בין ריצות.
- הזן את פרמטרי הגלאי. טמפרטורת גלאי וקצב דגימה יוכנסו. הגלאי חייב תמיד להיות בטמפרטורה גבוהה יותר מטמפרטורת העמוד כך שאין עיבוי ניתוח בגלאי.
- שמור את קובץ השיטות. ייתכן שיהיה צורך גם להוריד את הפרמטרים כך שהם ייקראו על-ידי ה- GC.
3. איסוף נתוני GC
- הפעל את גז המימן ולוודא מד הלחץ מוגדר כראוי. תדליק את הלהבה של ה-FID.
- על מתלה autosampler, למלא את בישול לשטוף עם ממס לשטוף, כמו acetonitrile או מתנול. תוודא שמיקן הפסולת ריק.
- הכן את הדגימה. אם יש סיכוי לחלקיקים במדגם, סנן את המדגם. מכיוון שניתן לראות לעתים שאריות פלסטיק עם GC, השתמש רק במזרקי זכוכית ובבקבוקוני זכוכית כדי להכין את הדגימה שלך.
- מלא את הקרבון לפחות באמצע הדרך עם מדגם כך מזרק autosampler מובטח להרים את המדגם. בקבוקונים של דוגמייה אוטומטית הם בדרך כלל 2 מ"ל, אך אם נפח הדגימה מוגבל, תוספות בקבוקון זמינות כדי להפחית את נפח הדגימה הדרוש.
- טען את ה- vials לדוגמה לתוך מתלה הדגימה האוטומטית. עקוב אחר המיקום שבו נמצאת כל דגימה.
- לפני ההפעלה, אפס את קו הבסיס של מקליט התרשים בתוכנת המחשב.
- ניתן לאסוף קבצים כהפעלה יחידה או באמצעות טבלת אצווה עבור ריצות מרובות. הקפד לציין את מספר הטלפון הערוך הנכון עבור המדגם. לחץ על כפתור "התחל" ובצע קובץ.
- הנתונים מנותחים בדרך כלל באמצעות תוכנה. פרמטרים שניתן למדוד כוללים זמן שמירה, גובה שיא, אזור שיא ומספר לוחות תיאורטיים.
4. תוצאות: ניתוח GC של דגימות קפה
- בדוגמה זו, ניתוח GC-FID בוצע עבור קפאין וחומצה פלמיטית, שתי תרכובות שנמצאו בקפה. הקפאין פחות קוטבי מהחומצה הפלמית, שיש לה זנב אלקין ארוך שרשרת. לכן, הקפאין נשמר פחות ומתחמק תחילה מהטור הלא קוטבי של 95% דימתילפוליסילוקסן ו-5% פניל-ארילן(איור 1).
- מהכרומטוגרמה, ניתן לחשב את אזורי השיא. אזורי השיא הם פרופורציונליים למסת הפחמן העוברת דרך הגלאי וניתן להשתמש בהם כדי ליצור עקומת כיול של תגובת מכשיר לעומת ריכוז. באיור 1, אזור השיא הוא 27,315 קפאין ו-18,852 חומצה פלמיטית.
- מדד של יעילות עמודה הוא N, מספר הלוחות התיאורטיים. N ניתן לחשב מתוך הכרומטוגרמה עבור כל שיא. עבור איור 1, N הוא 283,000 עבור קפאין ו 261,000 עבור חומצה פלמיטית.
- איור 2 מראה את השפעת הטמפרטורה על הפרדות איזותרמיות. שתי הפרדות הן על אותו קפאין ודגימת חומצה פלמיטית. הראשון הוא ב 180 °C (50 °F) והשני ב 200 °C (50 °F). זמני השמירה קטנים בהרבה לריצה בטמפרטורה גבוהה יותר.
איור 1. ניתוח GC-FID של קפאין ודגימות חומצה פלמיטית. תקן הקפאין 5 mM מתחמק תחילה, ואחריו דגימת חומצה פלמיטית של 1 מ"מ. רמפה הטמפרטורה הייתה 0.1 דקות ב 150 °C (50 °F) ואחריו רמפה ב 10 ° C / דקה עד 220 °C (5 °F) שבו הטמפרטורה הוחזקה במשך 5 דקות.
איור 2. ניתוח GC-FID של ריצות איזותרמיות של דגימת קפה צלוי כהה. השוואה של GC-FID פועלת ב 180 °C (50 °F) ו 200 °C (50 °F) עבור מדגם קפה צלוי כהה. הפסגות חומקות הרבה יותר מהר עם טמפרטורת 200 מעלות צלזיוס.
כרומטוגרפיה של גז היא טכניקה המשמשת להפרדת, זיהוי וכימות של תרכובות נדיפות קטנות בשלב הגז.
ב- GC, דגימות נוזל מתאדות, ואז נישאות על ידי גז אינרטי דרך עמוד ארוך ודק. ניתוחים מופרדים על סמך הזיקה הכימית שלהם עם ציפוי בחלק הפנימי של העמוד.
מכיוון ש- GC דורש שניתוחים יתאדו לשלב הגז, המכשיר מתאים באופן אידיאלי לכימיקלים נדיפים ולא קוטביים פחות מ -1,000 דלטון במסה. עבור מולקולות גדולות יותר, מימיות או קוטביות שקשה לאדות, כרומטוגרפיה נוזלית היא חלופה שימושית. וידאו זה יציג את היסודות של כרומטוגרפיה גז, ולהמחיש את הצעדים הנדרשים כדי לנתח את המינים הכימיים בדגימת תערובת לא מימית באמצעות כרומטוגרפיה גז.
מכשיר GC יש חמישה מרכיבים חיוניים. ראשית, יציאת הזרקה משמשת כדי להציג את המדגם לתוך המכשיר. לאחר מכן, תא חימום מאדה את הדגימה ומערבב אותה עם גז אינרטי. הגז אינרטי, כגון הליום או חנקן, נושא את המדגם המאודה דרך המערכת. יחד, גז הנושא והדגימה מהווים את השלב הנייד. לאחר מכן, השלב הנייד נכנס לעמוד המחומם, מפריד בין הניתוחים כשהם זורמים דרכם. לבסוף, גלאי מתעד את הגזים כשהם יוצאים מהעמודה, או חומק, ושולח נתונים למחשב לניתוח. הרכיב הקריטי ביותר של המכשיר הוא העמודה. העמוד הוא נימי עם מטריצת פאזה נייחת המכסה את הקירות הפנימיים. לחלופין, ניתן לארוז עמודות עם חרוזים מצופים מטריצה. השלב הנייח הוא בדרך כלל שונה polydimethylsiloxane, שהוא אידיאלי לפתרון מולקולות לא קוטביות. תכונות ההפרדה שלה מעודנות על ידי הוספת קבוצות פניל, ציאנופרופיל או טריפלואורופרופיל 5-10%.
מנתח עם זיקה כימית נמוכה לשלב הנייח לנוע במהירות דרך העמוד, בעוד מולקולות עם זיקה גבוהה מואטים כפי שהם ספיח לקירות העמוד. משך הזמן שמתחם מבלה בתוך העמודה נקרא זמן השמירה שלו, או Rt, ומאפשר לזהות תרכובות. הגלאי יושב בסוף הטור ומתעד גזים כשהם חומטים. זיהוי יינון להבה, או FID, נמצא בשימוש נרחב מכיוון שהוא חש יונים פחמנים, ומאפשר לו לזהות כמעט כל תרכובת אורגנית. ב- FID, מנתחים את התלקחות בלהבת אוויר מימן כשהם יוצאים מהעמוד, ומייצרים יוני פחמן הגורמים לזרם באלקטרודות סמוכות. הזרם הוא פרופורציונלי ישירות למסת הפחמן, ולכן ניתן לקבוע את ריכוז המתחם. התוצאה הסופית היא כרומטוגרמה, שהיא עלילה של אות FID לעומת זמן, המציגה כל רכיב מלוטע כשהם יוצאים מהעמודה. באופן אידיאלי, לכל פסגה תהיה צורה סימטרית, גאוסית. תכונות א-סימטריות, כגון מעקב שיא וחזית שיא, יכולות להיות בגלל עומס יתר, בעיות הזרקה או נוכחות של קבוצות פונקציונליות הנצמדות לעמוד, כגון חומצות קרבוקסיליות.
כעת, לאחר שעקרונות הכרומטוגרפיה של הגז נדונו, בואו נבחן כיצד לבצע ולנתח ניתוח כרומטוגרפיה של גז במעבדה.
לפני שתריץ ניסוי, תדליק את מיכל הדלק של הליום. פתח את התוכנה במחשב ולאחר מכן לאפות את העמודה כדי להסיר את כל מזהמים פוטנציאליים. הגדר את התנור לטמפרטורה גבוהה, בדרך כלל 250 °C (50 °F) ומעלה, ואופים את העמודה לפחות 30 דקות.
לאחר מכן, התאם את הגדרות הדגימה האוטומטית. הגדר את מספר השטיפות שלפני ההפעלה ולאחר ההפעלה כדי לנקות את העמודה בין דוגמאות.
השתמש באמצעי אחסון לדוגמה של 1 μL והגדר את הגדרת יחס הפיצול כדי לתכנת את המכשיר לקבל רק חלק קטן מהקלט. התאם את קצב הזרימה של גז המוביל, והשתמש בהגדרות מבוססות או בניסוי וטעייה כדי למצוא את הלחץ האידיאלי.
עכשיו הזן את הגדרות הטמפרטורה לניסוי. לריצה איזותרמית, הזן את הטמפרטורה ואת הזמן להפרדה. לחלופין, עבור שיפוע טמפרטורה, הזן את טמפרטורת ההתחלה והחזק את זמן ההמתנה, את טמפרטורת הסיום ואת זמן האחיזה, ואת מהירות הרמפה ב ° C לדקה.
הגדר את הזמן להתקררות העמודה בין הפעלות עבור הפעלה הדרגתית או איזותרמית.
לבסוף, הגדר את קצב הדגימה ואת טמפרטורת הגלאי. הגלאי חייב תמיד להיות חם יותר מהעמודה כדי למנוע עיבוי. לאחר שכל ההגדרות מתוכנתות, שמור את קובץ השיטות.
הפעל את הגלאי על ידי פתיחת שסתום מיכל המימן ולהצית את הלהבה של FID. המכשיר מוכן כעת לניתוח מדגם.
כדי להפעיל את המדגם על GC, תחילה למלא את המשחקון עם ממס לשטוף, כגון acetonitrile או מתנול. הכן את המדגם, להיות בטוח להשתמש מזרקי זכוכית ובקבוקונים זכוכית כמו שאריות פלסטיק יכול לזהם את GC.
עכשיו מוסיפים את הדגימה המוכנה למוסך עם פיפטה. מלא לפחות באמצע הדרך, כך מזרק autosampler יהיה שקוע לחלוטין. לאחר מכן, לטעון את הכביסה ולטעום בקבוקונים לתוך מתלה autosampler. לפני הפעלת המדגם, אפס את קו הבסיס של הכרומטוגרמה בתוכנת המחשב. ניתן לאסוף נתונים כהפעלה בודדת או באמצעות טבלת אצווה עבור ריצות מרובות. לחץ על "התחל" כדי להפעיל את המדגם.
בדוגמה זו, קפאין ורמות חומצה פלמיטית בקפה נותחו באמצעות GC עם FID. קפאין קטן יותר ופחות קוטבי, ולכן הוא נמשך פחות לעמודה, ומתחמק ראשון. חומצה פלמיטית, אשר יש זנב שרשרת אלקין ארוך, מתחמק מאוחר יותר בשל זיקה גבוהה יותר עם השלב הנייח.
מכיוון שממדי השיא הם פרופורציונליים למסת הפחמן, ניתן לקבוע את הריכוז של כל רכיב מאזור השיא שלו בכרומטוגרפיה בהשוואה לסטנדרטים של ריכוז ידוע.
ההשפעה של טמפרטורת העמודים נחקרה גם היא. ב 200 °C (50 °F), דגימות עברו דרך העמודה פעמיים מהר יותר כמו המדגם לרוץ ב 180 מעלות צלזיוס. שים לב שבעוד שגבהי השיא משתנים, האזור שמתחת לעקומה נשאר קבוע.
GC היא טכניקה חשובה לניתוח כימי, והיא נמצאת בשימוש נרחב ביישומים מדעיים, מסחריים ותעשייתיים.
בשל הפשטות של GC, כימאים משתמשים בו באופן שגרתי כדי לפקח על תגובות כימיות וטוהר המוצר. ניתן לדגום תגובות לאורך זמן כדי להראות היווצרות המוצר ודלדול מגיב. הכרומטוגרפיה חושפת ריכוזי מוצרים וגם נוכחות של מוצרים לא מכוונים או צדדיים.
GC משמש בדרך כלל בד בבד עם ספקטרומטריית מסה, הנקרא GS-MS, כדי לזהות באופן חד משמעי כימיקלים בדגימות או באוויר. ספקטרומטריית מסה, או טרשת טרשת-אס, מפרידה בין מולקולות בהתבסס על יחס המסה למטען שלהן, ומאפשרת קביעת זהויות מורכבות. GC-MS הוא כלי רב עוצמה, שכן GC מפרידה תחילה תערובות מורכבות לרכיבים בודדים, ו- MS נותן מידע מסה מדויק וזהות כימית.
GC משמש באופן שגרתי בניטור אוויר כדי לזהות תרכובות אורגניות נדיפות, או VOCs, אשר עשוי לנבוע זיהום סביבתי, חומרי הדברה וחומרי נפץ. ניתן להשתמש ב- GC כדי לעקוב ולזהות VOCs הן בתוך הבית לניתוח מרחב הראש והן בחוץ, לבריאות, בטיחות ואבטחה.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לכרומטוגרפיה של גז עם FID. עכשיו אתה צריך להבין את העקרונות הבסיסיים של כרומטוגרפיה גז וגילוי FID.
תודה שצפיתם!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
GC משמש עבור מגוון רחב של יישומים תעשייתיים. לדוגמה, הוא משמש כדי לבדוק את הטוהר של מוצר כימי מסונתז. GC פופולרי גם ביישומים סביבתיים. GC משמש לזיהוי חומרי הדברה, פחמימנים פוליארומטיים ופתלטים. רוב היישומים באיכות האוויר משתמשים ב- GC-FID לניטור מזהמים סביבתיים. GC משמש גם לניתוח מרחב הראש, שבו הנדיפים המתאדים מנוזל נאספים ונמדדים. זה שימושי עבור תעשיות הקוסמטיקה והמזון והמשקאות. GC משמש גם עבור יישומים משפטיים, כגון גילוי סמים של התעללות או חומרי נפץ. בנוסף, GC שימושי בתעשיית הנפט למדידת פחמימנים. היישומים הנרחבים הופכים את GC למיליארד דולר בשנה בשוק העולמי.
איור 3 מראה דוגמה לאופן שבו GC יכול לשמש בתעשיית המזון. איור 3 מציג כרומטוגרפיה של וניל מלאכותי (שחור) ווניל אמיתי (אדום). GC יכול לשמש כדי לזהות את המדגם האמיתי, אשר מכיל שיא גדול עבור ונילין אבל אינו מכיל פסגה שנייה עבור אתילבנילין.
איור 3. כרום GC-FID של דגימות וניל. הן חיקוי והן וניל אמיתי מראים פסגות גדולות ב 4.7 דקות בשל ונילין, המרכיב העיקרי של וניל. עם זאת, וניל חיקוי יש גם שיא גדול ב 5.3 דקות, אשר בשל אתילבנילין, תרכובת לא קיים בכמויות גדולות וניל אמיתי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
