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화염 이온화 감지를 갖춘 가스 크로마토그래피(GC)
 
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화염 이온화 감지를 갖춘 가스 크로마토그래피(GC)

Overview

출처: 박사의 실험실.B 질 벤턴 - 버지니아 대학

가스 크로마토그래피(GC)는 가스 상에서 작은 분자량 화합물을 분리하고 검출하는 데 사용됩니다. 시료는 사출 포트에서 기화되는 가스 또는 액체입니다. 전형적으로, 분석된 화합물은 1,000Da 미만이며, 더 큰 화합물을 기화하기가 어렵기 때문이다. GC는 매우 신뢰할 수 있고 거의 지속적으로 실행할 수 있기 때문에 환경 모니터링 및 산업 응용 분야에서 인기가 있습니다. GC는 일반적으로 작고 휘발성 분자가 검출되고 비 수성 용액을 갖는 응용 분야에서 사용됩니다. 액체 크로마토그래피는 수성 샘플에서 측정에 더 인기가 있으며 분자가 기화 할 필요가 없기 때문에 더 큰 분자를 연구하는 데 사용할 수 있습니다. GC는 비극성 분자에 대 한 선호 되는 반면 LC는 극성 분석기 분리에 대 한 더 일반적이다.

가스 크로마토그래피를 위한 이동 상은 캐리어 가스, 일반적으로 헬륨 때문에 저분자량 및 화학적으로 불활성입니다. 압력이 가해지고 이동상이 컬럼을 통해 딜리바이트를 이동합니다. 분리는 고정 된 단계로 코팅 된 컬럼을 사용하여 수행됩니다. 열린 관 모세관 기둥은 가장 인기있는 기둥이며 모세관의 벽에 고정 된 위상을 코팅합니다. 고정 단계는 종종 분리를 조정하기 위해 기능화된 그룹의 5-10%와 함께 폴리디메틸실록산의 유도체입니다. 일반적인 기능성 단은 페닐, 시아노프로필 또는 트리플루오로프로필군이다. 모세관 기둥은 일반적으로 5-50m 길이입니다. 좁은 열은 해상도가 높지만 더 높은 압력이 필요합니다. 포장된 컬럼은 고정 단계가 열에 포장된 구슬에 코팅된 곳에서도 사용할 수 있습니다. 포장된 열은 1~5m 더 짧습니다. 개방형 관 모세혈관은 일반적으로 더 높은 효율성, 더 빠른 분석 및 더 높은 용량을 허용하기 때문에 선호됩니다.

화염 이온화 검출(FID)은 샘플에서 탄소의 양을 감지하는 GC의 유기 화합물에 대한 좋은 일반 검출기입니다. 컬럼 이후에는 뜨거운 수소 공기 불꽃에서 샘플을 태워버린다. 탄소 이온은 연소에 의해 생성됩니다. 공정의 전체 효율이 낮지만(105탄소 이온 중 1개만 화염에 이온을 생성) 이온의 총 양은 시료의 탄소 양에 직접적으로 비례한다. 전극은 이온으로부터 전류를 측정하는 데 사용됩니다. FID는 전체 샘플이 열분해되어 있기 때문에 파괴적인 검출기입니다. FID는 불연성 가스와 물의 영향을 받지 않습니다.

Principles

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가스 크로마토그래피에 대한 평형은 분할되고, 시료의 구성 요소는 고정 위상과 이동상이라는 두 단계 사이에분할(즉, 분배)할 것이다. 고정 된 위상에 대한 선호도가 큰 화합물은 컬럼에 더 많은 시간을 보내고 따라서 나중에 elute및 모바일 단계에 대한 친화력이 높은 샘플보다 더 긴 보존 시간 (tR)을갖습니다. 고정 된 단계에 대한 선호도는 주로 분자 간 상호 작용에 의해 구동되고 고정 된 단계의 극성은 상호 작용을 극대화하고 따라서 분리를 극대화하도록 선택할 수 있습니다. 이상적인 피크는 열과의 분석기 상호 작용의 임의특성으로 인해 가우시안 분포와 대칭입니다. 피크 프론트 링 또는 테일링과 같은 비대칭 피크 특징은 컬럼, 사출 문제 또는 카복실산과 같은 흡착 성 기능 그룹의 존재로 인해 발생할 수 있습니다.

GC에서 온도는 평형을 변경하여 용출 시간을 변경하도록 조정됩니다. GC의 분리는 온도가 낮으면 기둥에 더 높은 비등점 물질이 응축될 수 있기 때문에 변동성을 기반으로 하므로, 용출되거나 엘루트하는 데 시간이 오래 걸리지 않습니다. 이더스말 분리는 분리 시 온도가 상승되는 경우 한 온도 또는 그라데이션 분리에서 수행된다. 온도 경사로를 사용하면 저점 및 고비등점 화합물을 동일한 분리로 분리할 수 있습니다.

GC에서 생성한 판독값은 시간이 지남에 따라 신호를 제공하는 크로마토그램입니다. 피크는 샘플의 각 화합물에 대해 관찰됩니다. 각 피크에 대해 피크 높이와 피크 영역을 계산할 수 있습니다. 피크 영역은 일반적으로 교정 곡선을 만들고 알 수없는 샘플의 농도를 계산하는 데 사용됩니다. 이론적 플레이트(N)의 수는 각 피크에서 계산되어 컬럼 효율을 측정합니다. N을 측정하기위한 실용적인 방정식은 N = 16 (tR/ W)2 여기서 tR은 분석을 유지하고 W는 피크의 바닥의 폭입니다. N은 다른 열의 분리를 비교하는 데 사용됩니다.

화염 이온화 검출기는 질량에 민감합니다. 따라서 신호의 양은 두더지 수가 아니라 시료내의 탄소 질량에 비례한다. 탄소가 많은 화합물은 더 큰 신호를 제공합니다. 탄소의 연소는 전류로 검출되는 이온을 생성합니다. FID는 피코그램 범위에서 검출 의 한계를 가진 GC에 대한 가장 민감한 일반 검출기 중 하나입니다. 응답은 7배 이상의 크기로 선형화되어 큰 선형 범위를 제공합니다.

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Procedure

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1. GC의 초기화

  1. 헬륨 캐리어 가스와 공기를 켜고 기기의 압력 게이지를 조정합니다.
  2. 기둥 오븐을 고온(전형적으로 250°C 이상)으로 켜서 열에서 굽습니다. 열의 최대 온도를 초과하지 마십시오. 이렇게 하면 오염 물질이 제거됩니다. 샘플을 실행하기 전에 적어도 30 분 동안 구워 보자.

2. 메서드 파일 만들기

  1. 계측기를 제어하는 소프트웨어에서 메서드 파일에 대해 원하는 값을 모두 입력합니다. 먼저 자동 샘플러 설정을 설정합니다. 미리 실행된 헹폐 수, 실행 후 헹도 헹도 및 샘플로 헹도 이러한 헹은 것은 다른 샘플 사이의 컬럼을 청소합니다.
  2. 주입된 양은 일반적으로 1 μL입니다. 분할 비율은 일반적으로 모든 샘플을 주입하면 열에 과부하가 있을 수 있으므로 설정됩니다. 분할 비율이 100:1인 경우, 이는 기기에 주입되는 1부1부마다 100개의 부품이 낭비된다는 것을 의미합니다.
  3. 모바일 위상 매개 변수를 입력합니다. 유량은 압력 집합에 의해 제어됩니다. 유량 속도가 빨라질수록 분리 속도가 빨라지지만 분석이 컬럼과 상호 작용하는 시간이 줄어듭니다.
  4. 온도 프로그래밍을 입력합니다. 이더스말 런의 경우 분리 온도를 입력한 다음 분리시간을 입력합니다. 그라데이션 용출의 경우 시작 온도 및 홀드 시간, 엔딩 온도 및 홀드 시간 및 경사로 속도를 °C/min으로 입력합니다. 또한 열이 실행 사이의 원래 온도를 다시 냉각할 수 있도록 평형 시간도 설정됩니다.
  5. 검출기 매개 변수를 입력합니다. 검출기 온도와 샘플링 속도가 입력됩니다. 검출기는 항상 컬럼 온도보다 높은 온도여야 하므로 검출기에 해석이 응축되지 않도록 해야 합니다.
  6. 메서드 파일을 저장합니다. 매개 변수를 다운로드해야 GC에서 읽을 수도 있습니다.

3. GC 데이터 수집

  1. 수소 가스를 켜고 압력 게이지가 올바르게 설정되어 있는지 확인합니다. FID의 불꽃을 밝습니다.
  2. 자동 샘플러 랙에, 아세토닐 또는 메탄올과 같은 세척 용매로 세척 유리병을 채웁니다. 폐 유리병이 비어 있는지 확인합니다.
  3. 샘플을 준비합니다. 시료에 미립자의 기회가 있는 경우 샘플을 필터링합니다. 플라스틱 잔류물은 때때로 GC에서 볼 수 있기 때문에 유리 주사기와 유리 바이알만 사용하여 샘플을 준비하십시오.
  4. 자동 샘플러 주사기가 샘플을 픽업하도록 보장되도록 시료로 바이알의 절반 이상을 채웁니다. 자동 샘플러 바이알은 일반적으로 2mL이지만 샘플 볼륨이 제한된 경우 유리병 인서트가 필요한 샘플 볼륨을 줄일 수 있습니다.
  5. 샘플 바이알(들)을 자동 샘플러 랙에 로드합니다. 각 샘플의 위치를 추적합니다.
  6. 실행 하기 전에 컴퓨터 소프트웨어에 차트 레코더의 기준을 0.
  7. 파일은 단일 실행으로 수집하거나 여러 실행에 대한 일괄 처리 테이블을 사용할 수 있습니다. 샘플에 대한 올바른 바이알 번호를 지정해야 합니다. "시작" 버튼을 누르고 파일을 만듭니다.
  8. 데이터는 일반적으로 소프트웨어 프로그램으로 분석됩니다. 측정할 수 있는 매개 변수에는 보존 시간, 피크 높이, 피크 영역 및 이론플레이트 수가 포함됩니다.

4. 결과: 커피 샘플의 GC 분석

  1. 이 예에서, GC-FID 분석은 카페인과 팔미티산, 커피에서 발견되는 2개의 화합물을 위해 수행되었다. 카페인은 팔미산보다 극성이 적으며, 긴 사슬 알케인 꼬리를 가지고 있습니다. 따라서, 카페인은 덜 유지되고 95% 디메틸폴리실록산과 5% 페닐-아를렌(그림1)의비극성 컬럼에서 먼저 엘루트이다.
  2. 크로마토그램에서 피크 영역을 계산할 수 있습니다. 피크 영역은 검출기를 통과하는 탄소 의 질량에 비례하며 계측기 반응 대 농도의 교정 곡선을 만드는 데 사용할 수 있습니다. 그림 1의경우, 피크 지역은 카페인의 경우 27,315개, 팔미산은 18,852개입니다.
  3. 컬럼 효율의 척도는 이론판 수인 N입니다. N은 각 피크에 대한 크로마토그램에서 계산할 수 있습니다. 그림 1의경우, N은 카페인283,000개, 팔미티산은 261,000입니다.
  4. 도 2는 온도가 이더스말 분리에 미치는 영향을 나타낸다. 두 분리는 동일한 카페인과 팔미티산 샘플의 오버레이됩니다. 첫 번째는 180 °C에서 200 °C에서 두 번째입니다. 온도 가 높을수록 보존 시간이 훨씬 작습니다.

Figure 1
그림 1. 카페인 과 팔미산 샘플의 GC-FID 분석. 5mM 카페인 표준 엘루트가 먼저, 1m 팔미티산 샘플이 그 뒤를 잇습니다. 온도 경사로는 150°C에서 0.1분이었고, 그 다음에는 온도가 5분 동안 유지되었던 10°C/min에서 220°C로 경사로가 이어졌다.

Figure 2

그림 2. GC-FID 분석 이더스 말 다크 로스트 커피 샘플의 실행. GC-FID의 비교는 어두운 로스트 커피 샘플을 위해 180 °C 및 200 °C에서 실행됩니다. 봉우리들은 200°C 온도로 훨씬 더 빨리 엘테우트합니다.

가스 크로마토그래피 또는 GC는 가스 상에서 작은 휘발성 화합물을 분리, 감지 및 정량화하는 데 사용되는 기술입니다.

GC에서 액체 샘플은 기화된 다음 길고 얇은 컬럼을 통해 불활성 가스에 의해 운반됩니다. Aalytes는 컬럼 내부에 코팅된 화학적 친화성에 따라 분리됩니다.

GC는 분석물을 가스 상에 기화해야 하기 때문에, 이 계측기는 질량이 1,000달톤 미만의 휘발성, 비극성 화학 물질에 이상적입니다. 기화하기 어려운 더 큰 수성 또는 극성 분자의 경우 액체 크로마토그래피는 유용한 대안입니다. 이 비디오는 가스 크로마토그래피의 기초를 소개하고, 가스 크로마토그래프를 사용하여 비 수성 혼합물 샘플에서 화학 종을 분석하는 데 필요한 단계를 설명합니다.

GC 계측기에는 5가지 필수 구성 요소가 있습니다. 첫째, 사출 포트는 계측기로 샘플을 소개하는 데 사용된다. 다음으로, 가열 챔버는 시료를 기화시키고 불활성 가스와 혼합합니다. 헬륨 또는 질소와 같은 불활성 가스는 시스템을 통해 기화 샘플을 운반합니다. 결합, 캐리어 가스 및 샘플은 이동 단계를 구성합니다. 그런 다음 이동 단계는 가열된 열을 입력하여 데이터 바이트가 흐를 때 분리합니다. 마지막으로 검출기는 열을 종료하거나 엘ute를 종료할 때 가스를 기록하고 분석을 위해 컴퓨터로 데이터를 보냅니다. 계측기의 가장 중요한 구성 요소는 열입니다. 컬럼은 내부 벽을 코팅 고정 된 위상 매트릭스와 모세관입니다. 또는 컬럼을 매트릭스 코팅 구슬로 포장할 수 있습니다. 고정 단계는 일반적으로 비극성 분자를 해결하는 데 이상적인 폴리디메틸실록산변형입니다. 분리 특성은 5-10% 페닐, 시아노프로필 또는 트리플루오로프로필 그룹을 추가하여 정제됩니다.

고정 된 위상에 대한 낮은 화학 적 친화력을 가진 분석을 컬럼을 통해 빠르게 이동하며, 높은 친화력을 가진 분자는 기둥 벽에 흡착될 때 느려집니다. 화합물이 컬럼 내부에서 보내는 시간의 길이를 보존 시간 또는 Rt라고하며 화합물을 식별할 수 있습니다. 검출기는 컬럼 끝에 앉아 서서 가스가 엘ute로 기록됩니다. 화염 이온화 검출 또는 FID는 탄소 이온을 감지하여 사실상 모든 유기 화합물을 검출할 수 있기 때문에 널리 사용됩니다. FID에서는 탄열을 빠져나갈 때 수소 공기 불꽃에서 연소를 분해하여 근처의 전극에서 전류를 유도하는 탄소 이온을 생성합니다. 전류는 탄소 질량에 직접 비례하므로 화합물의 농도가 결정될 수 있다. 최종 결과는 FID 신호 대 시간의 플롯인 크로마토그램으로, 각 에로테란구성요소가 열을 나갈 때 표시됩니다. 이상적으로, 각 피크는 대칭, 가우시안 모양을해야합니다. 피크 테일링 및 피크 프론트링과 같은 비대칭 특징은 과부하, 사출 문제 또는 카복실산과 같은 기둥에 달라붙는 기능성 그룹의 존재 때문일 수 있습니다.

이제 가스 크로마토그래피의 원리가 논의되었으므로 실험실에서 가스 크로마토그래피 분석을 수행하고 분석하는 방법을 살펴보겠습니다.

실험을 실행하기 전에 헬륨 가스 탱크를 켭니다. 컴퓨터에서 소프트웨어를 열고 열을 구워 잠재적인 오염 물질을 제거합니다. 오븐을 고온, 전형적으로 250°C 이상으로 설정하고, 적어도 30분 동안 열을 굽습니다.

다음으로 자동 샘플러 설정을 조정합니다. 샘플 간의 열을 정리하기 위해 사전 및 사후 실행 헹도 수를 설정합니다.

1 μL의 샘플 부피를 사용하고 계측기를 프로그래밍하여 입력의 일부만 수락하도록 분할 비율 설정을 설정합니다. 캐리어 가스의 유량을 조정하고 설정된 설정 또는 시행 착오를 사용하여 이상적인 압력을 찾습니다.

이제 실험의 온도 설정을 입력합니다. 이더스말 런의 경우, 분리의 온도와 시간을 입력합니다. 또는 온도 그라데이션의 경우 시작 온도 및 홀드 시간, 종료 온도 및 홀드 시간 및 1분당 °C의 경사로 속도를 입력합니다.

그라데이션 또는 이더스말 런에 대한 실행 간에 열을 냉각할 시간을 설정합니다.

마지막으로 샘플링 속도와 검출기 온도를 설정합니다. 응축을 방지하기 위해 검출기는 항상 열보다 더 뜨거워야 합니다. 모든 설정이 프로그래밍된 후 메서드 파일을 저장합니다.

수소 탱크 밸브를 열어 검출기를 활성화하고 FID의 불꽃을 점화합니다. 이제 계측기는 샘플 분석을 위한 준비가 되었습니다.

GC에서 샘플을 실행하려면 먼저 아세토닐또는 메탄올과 같은 세척 용매로 바이알을 채웁니다. 플라스틱 잔류물이 GC를 오염시킬 수 있기 때문에 유리 주사기와 유리 바이알을 사용할 수 있는 샘플을 준비합니다.

이제 파이펫으로 유리병에 준비된 샘플을 추가합니다. 자동 샘플러 주사기가 완전히 침수되도록 적어도 절반 정도 를 채웁니다. 그런 다음 세척 및 샘플 바이알을 자동 샘플러 랙에 적재합니다. 샘플을 실행하기 전에 컴퓨터 소프트웨어에서 크로마토그램의 기준선을 0으로 설정합니다. 데이터는 단일 실행으로 수집하거나 여러 실행에 대한 일괄 처리 테이블을 사용할 수 있습니다. 샘플을 실행하려면 "시작"을 누릅니다.

이 예에서, 커피에 있는 카페인과 팔미트산 수준은 FID를 가진 GC를 사용하여 분석되었습니다. 카페인은 작고 극성도가 적기 때문에 컬럼에 덜 끌리며 먼저 엘테를 합니다. 긴 알케인 사슬 꼬리를 가진 팔미티산은 나중에 고정 된 위상과의 친화성으로 인해 엘테족합니다.

피크 치수는 탄소 질량에 비례하기 때문에 각 성분의 농도는 크로마토그래프의 각각피크 영역에서 결정되고 알려진 농도의 표준에 비해 결정될 수 있다.

컬럼 온도의 효과도 탐구되었습니다. 200°C에서 샘플은 180°C에서 샘플이 실행되는 것보다 두 배 빠른 컬럼을통과했습니다. 피크 높이가 변경되지만 곡선 아래 영역은 일정하게 유지됩니다.

GC는 화학 분석을 위한 중요한 기술이며 과학, 상업 및 산업 응용 분야에서 널리 사용됩니다.

GC의 단순성으로 인해 화학자는 화학 반응과 제품 순도를 모니터링하는 데 일상적으로 사용합니다. 반응은 제품 형성 및 반응제 고갈을 보여주기 위하여 시간이 지남에 따라 샘플링될 수 있습니다. 크로마토그래프는 제품 농도와 의도하지 않은 또는 측면 제품의 존재를 보여줍니다.

GC는 일반적으로 샘플 이나 공기에 있는 화학물질을 명확하게 확인하기 위하여 GS-MS에게 불린 질량 분광과 함께 이용됩니다. 질량 분석법 또는 MS는 질량에 기초하여 분자를 분리하여 전하 비율을 측정하고 복합 정체성의 결정을 가능하게 합니다. GC-MS는 GC가 먼저 복잡한 혼합물을 개별 구성 요소로 분리하고 MS는 정확한 질량 정보와 화학 적 정체성을 제공하기 때문에 강력한 도구입니다.

GC는 환경 오염, 살충제 및 폭발물로 인해 발생할 수 있는 휘발성 유기 화합물 또는 VOC를 감지하기 위해 공기 모니터링에 일상적으로 사용됩니다. GC는 실내에서 헤드스페이스 분석을 위해 실내및 실외, 건강, 안전 및 보안을 위한 VOC를 추적하고 식별하는 데 사용할 수 있습니다.

당신은 방금 FID와 가스 크로마토그래피에 대한 JoVE의 소개를 보았다. 이제 가스 크로마토그래피 및 FID 검출의 기본 원칙을 이해해야 합니다.

시청해 주셔서 감사합니다!

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Applications and Summary

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GC는 다양한 산업 응용 분야에 사용됩니다. 예를 들어, 합성된 화학 제품의 순도를 테스트하는 데 사용된다. GC는 또한 환경 응용 분야에서 인기가 있습니다. GC는 살충제, 다방향화탄화수소 및 프탈레이트를 검출하는 데 사용됩니다. 대부분의 공기 질 응용 프로그램은 환경 오염 물질을 모니터링하기 위해 GC-FID를 사용합니다. GC는 또한 액체에서 증발되는 휘발성체가 수집되고 측정되는 헤드 스페이스 분석에 사용됩니다. 이것은 화장품 및 식음료 산업에 유용합니다. GC는 학대 또는 폭발물의 약물을 감지하는 것과 같은 법의학 응용 프로그램에도 사용됩니다. 또한, GC는 탄화수소 측정을 위한 석유 산업에서 유용하다. 광범위한 응용 분야로 인해 GC는 연간 10억 달러를 전 세계 시장으로 만듭니다.

그림 3은 식품 산업에서 GC를 사용하는 방법의 예를 보여줍니다. 도 3은 인공 바닐라(블랙)와 실제 바닐라(빨간색)의 크로마토그래프를 나타낸다. GC는 바닐라린에 대한 큰 피크를 포함하지만 에틸 바닐린에 대한 두 번째 피크를 포함하지 않는 실제 샘플을 식별하는 데 사용할 수 있습니다.

Figure 3

그림 3. 바닐라 샘플의 GC-FID 크로마토그램. 모조와 실제 바닐라 모두 바닐라의 원리 성분인 바닐라로 인해 4.7분 만에 큰 피크를 보여줍니다. 그러나, 모조 바닐라는 또한 5.3 분에 큰 피크를 가지고, 이는 에틸 바닐린, 실제 바닐라에 대량으로 존재하지 않는 화합물때문이다.

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Transcript

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