9.2.1 De praktijk van gaschromatografie
Gangbare gaschromatografische apparatuur bestaat uit een draaggassysteem, injector, gaschromatografische kolom, detector en gegevensverwerking eenheid. Het dragergas is in het algemeen een permanent gas met een lage of verwaarloosbare adsorptiecapaciteit, d.w.z. waterstof, helium of stikstof. De aard van het dragergas kan de scheidingseigenschappen van het GC-systeem beïnvloeden en kan de gevoeligheid van de detectie wijzigen. Aangezien de stabiliteit en reproduceerbaarheid van het draaggasdebiet een voorwaarde is voor een succesvolle gaschromatografische analyse, hebben ze een aanzienlijke invloed op zowel de doeltreffendheid van de scheiding als de kwantificering van de resultaten. Injectoren brengen het monster naar de kop van de GC-kolom. Injectoren kunnen in twee hoofdgroepen worden ingedeeld: verdamping en injectoren op de kolom. Verdampingsinjectoren gebruiken hoge temperaturen (100–300oC) om een vloeibaar monster snel te verdampen. Gewoonlijk wordt een injectiespuit gebruikt om het monster in de injector met thermostaatregeling te brengen. In dit geval verdampt het monster snel, vermengt het zich met het draaggas en wordt het naar de kolom getransporteerd. Injectoren op de kolom zetten het monster rechtstreeks in de kolom zonder te vertrouwen op verdamping van het monster en het daaropvolgende transport naar de kolom. Scheiding van vluchtige verbindingen van het geïnjecteerde monster wordt uitgevoerd in de GC-kolom.
Kolommen voor gaschromatografie kunnen in twee verschillende groepen worden verdeeld; gepakte en capillaire kolommen van verschillende afmetingen (Spangler, 2001). Een gepakte kolom is een stijve metalen of glazen kolom gevuld met kleine deeltjes die vaak zijn bedekt met een dunne laag van een polymeer met een hoog molecuulgewicht. De meest voorkomende vaste dragers zijn diatomeeënaarde, fluorkoolwaterstoffen, gegrafitiseerd roet en glasparels. Ongeveer 90% van alle dragers zijn verschillende soorten diatomeeënaarde. De stationaire vloeistoffase van GC-kolommen moet aan de volgende eisen voldoen: lage dampspanning, hoge chemische stabiliteit en relatief lage viscositeit bij de analysetemperatuur; selectiviteit voor de onderzochte monstercomponenten; goede bevochtigingscapaciteit zowel voor het oppervlak van de inerte drager als voor de mogelijk inerte wand van de kolom. De lengte van een gepakte kolom is beperkt tot ongeveer 3 m vanwege de hoge drukken die nodig zijn om de stroomsnelheden van het dragergas te handhaven op de snelheden die nodig zijn voor optimale prestaties. Gepakte kolommen hebben verschillende voordelen ten opzichte van capillaire kolommen. Gepakte kolommen hebben een 10 tot 1.000 keer grotere monstercapaciteit dan capillaire kolommen. Dit maakt gepakte kolommen superieur voor analyten waarbij grote hoeveelheden monster moeten worden geanalyseerd. Gepakte kolommen hebben echter 25-50% minder theoretische platen per meter dan capillaire kolommen. In combinatie met de kortere lengtes van gepakte kolommen (1–3 m versus 10-60 m voor capillaire kolommen) is het totale aantal theoretische platen aanzienlijk lager dan dat van capillaire kolommen.
Een capillair (ook wel open buisvormige) kolom is een glazen of gesmolten silica buis met een zeer kleine binnendiameter (gewoonlijk tussen 0,20 en 0,53 mm). Het binnenoppervlak van een capillaire kolom is bedekt met een dunne laag stationaire fase, zodat het nog steeds mogelijk is dat de opgeloste moleculen in contact komen met de binnenwanden van de buis. De meeste stationaire fasen van de capillaire kolom zijn verknoopt en covalent gebonden aan het gesmolten siliciumdioxide-oppervlak. De hoeveelheid stationaire fase in een capillaire kolom wordt aangegeven door de filmdikte, die typisch 0,1 – 5 μm is. De retentie van de verbinding is evenredig met de filmdikte in capillaire kolommen, de retentie neemt toe naarmate de filmdikte toeneemt, en neemt af naarmate de filmdikte afneemt. Het voordeel van capillaire kolommen is hun zeer hoge scheidingscapaciteit. Hierdoor kunnen pieken worden opgelost in complexe monsters die niet voldoende zijn gescheiden door gepakte kolommen. Vanwege een beter scheidend vermogen worden capillaire kolommen vaker gebruikt bij gaschromatografie dan gepakte kolommen. De doeltreffendheid van GC-analyses kan aanzienlijk worden verbeterd door gebruik te maken van een kolomwisseltechniek (Samuel en Davis, 2002).
Om een effectieve en betrouwbare scheiding te bereiken, moet de gaschromatografische kolom op een constante temperatuur worden gehouden (isotherme scheidingsmodus) of het kan worden gewijzigd volgens een vooraf bepaald temperatuurprogramma (temperatuurgradiënt). De toepassing van een temperatuurgradiënt verhoogt de effectiviteit van de scheiding aanzienlijk (Davis et al., 2000). Aangezien de kolomtemperatuur een van de meest bepalende parameters is bij GC-analyse, is de exacte regeling ervan van het grootste belang. Detectoren werken samen met de opgeloste moleculen wanneer ze de kolom verlaten. Deze interactie wordt omgezet in een elektrisch signaal dat naar een opname- of gegevensopslagapparaat wordt gestuurd. Vervolgens wordt een chromatogram gemaakt dat een grafiek is van de intensiteit van het signaal versus de verstreken tijd.De primaire kenmerken van detectoren zijn de laagste hoeveelheid van een verbinding die detecteerbaar is (gevoeligheid) en welke verbinding bij dezelfde hoeveelheid de sterkste detectorrespons geeft (selectiviteit).
Veel verschillende detectoren (vlamionisatie = FID , stikstof-fosfor = NPD, vlamfotometrische = FPD, elektronenvangst = ECD, thermische geleidbaarheid = TCD, atomaire emissie = AED, elektrolytische geleidbaarheid = ELCD, chemiluminescentie, enz.) zijn ontwikkeld voor de gevoelige en selectieve detectie en kwantificering van monsters componenten. FID gebruikt een waterstofstroom gemengd met het draaggas. Het mengsel wordt ontstoken, de analyten worden verbrand en de ionen die tijdens het verbrandingsproces worden gevormd, worden verzameld in een cilindrische elektrode met een hoge spanning die wordt aangelegd tussen de straal van de vlam en de elektrode. De resulterende stroom wordt versterkt en gedetecteerd. NPD lijkt qua ontwerp op FID. Het bevat rubidium- of cesiumparels in een verwarmingsspiraal nabij de waterstofstraal. De gedeeltelijk verbrande stikstof- en fosformoleculen adsorberen op het oppervlak van de parel, waardoor de emissie van elektronen wordt verminderd, waardoor de stroom toeneemt. FPD detecteert speciaal zwavel- en fosforverbindingen. Analyten worden in de vlam verbrand. Door de excitatie in de vlam wordt licht uitgezonden bij 392 (zwavel) en 526 (fosfor) nm. Een filter selecteert de golflengten die een fotomultiplicatorbuis bereiken.
ECD gebruikt een energiezuinige β-stralenbron voor de productie van elektronen en ionen. Elektronenvangende moleculen (gehalogeneerde verbindingen) die de detector binnenkomen, verminderen de elektronenstroom die kan worden versterkt en geregistreerd. TCD reageert op veranderingen in thermische geleidbaarheid en soortelijke warmte met behulp van een gloeidraad onder stroom geplaatst in de transportgasstroom. Veranderingen in de thermische geleidbaarheid en / of soortelijke warmte van het huidige gas, veroorzaakt door de analyten, modificeren de potentiaal over het filament. AED is geschikt voor de detectie van geselecteerde atomen of groepen atomen, ELCD kan speciaal worden gebruikt voor de detectie van Cl-, N- of S-bevattende analyten. Een chemiluminescentiedetector wordt voornamelijk gebruikt voor de detectie van zwavelverbindingen. In de afgelopen decennia hebben GC-methoden in combinatie met verschillende massaspectrometrische (MS) detectiesystemen een toenemende toepassing gevonden in GC-analyses.
MS-detectie is gebaseerd op het fenomeen dat ionen of moleculen kunnen worden geïoniseerd in een hoog vacuüm, waardoor extra geladen soorten. Deze soorten kunnen worden gescheiden en hun relatieve overvloed (hun massaspectrum) is kenmerkend voor de oorspronkelijke analyt. Een massaspectrometer moet ionensoorten genereren en ze vervolgens scheiden en detecteren. Het genereren van ionen kan worden bereikt door elektroneninslag (EI) en chemische ionisatie (CI) technieken. Bij de EI-methode wordt de fragmentatie en lading van analyten uitgevoerd door botsingen te produceren tussen hen en de elektronen die worden gegenereerd door een hete gloeidraad.
De CI-techniek maakt gebruik van een reagensgas zoals ammoniak of methaan geïoniseerd door een elektronenstraal. Het geïoniseerde gas reageert met de analyten en vormt relatief stabiele ion-molecuulcomplexen. Aangezien de meest voorkomende complexen eenvoudige adducten zijn, zoals + of +, kan de molecuulmassa van analyten gemakkelijk worden berekend. Andere draagbare GC-instrumenten met koppeltekens zijn ook ontwikkeld voor veldtoepassingen (Arnold et al., 2000). De huidige trends in GC-instrumentatie en methodologieën zijn onlangs beoordeeld door Yashin en Yashin, (2001).