9.2.1 Praktyka chromatografii gazowej
Typowe wyposażenie do chromatografii gazowej składa się z układu gazu nośnego, iniektora, kolumny do chromatografii gazowej, detektora i przetwarzania danych jednostka. Gaz nośny jest na ogół gazem stałym o małej lub pomijalnej zdolności adsorpcji, tj. Wodór, hel lub azot. Charakter gazu nośnego może wpływać na charakterystykę separacji systemu GC i może modyfikować czułość wykrywania. Ponieważ stabilność i powtarzalność natężenia przepływu gazu nośnego jest warunkiem wstępnym pomyślnej analizy metodą chromatografii gazowej, mają one znaczący wpływ zarówno na skuteczność separacji, jak i kwantyfikację wyników. Wtryskiwacze dostarczają próbkę na szczyt kolumny GC. Wtryskiwacze można podzielić na dwie główne grupy: wtryskiwacze odparowujące i wtryskiwacze kolumnowe. Wtryskiwacze odparowujące wykorzystują wysokie temperatury (100–300oC) do szybkiego odparowania ciekłej próbki. Zwykle do wprowadzenia próbki do termostatowanego iniektora używa się strzykawki. W tym przypadku próbka szybko odparowuje, miesza się z gazem nośnym i jest transportowana do kolumny. Wtryskiwacze do kolumny umieszczają próbkę bezpośrednio w kolumnie bez polegania na odparowaniu próbki i jej późniejszym transporcie do kolumny. Rozdział lotnych związków z wstrzykniętej próbki przeprowadza się w kolumnie GC.
Kolumny do chromatografii gazowej można podzielić na dwie odrębne grupy; kolumny wypełnione i kapilarne o różnych wymiarach (Spangler, 2001). Kolumna z wypełnieniem to sztywna kolumna metalowa lub szklana wypełniona małymi cząstkami, które są często pokryte cienką warstwą polimeru o dużej masie cząsteczkowej. Najpopularniejszymi nośnikami stałymi są ziemie okrzemkowe, fluorowęglowodory, grafityzowana sadza i kulki szklane. Około 90% wszystkich podłoży to różne rodzaje ziemi okrzemkowej. Stacjonarna faza ciekła kolumn GC musi spełniać następujące wymagania: niska prężność par, wysoka stabilność chemiczna i stosunkowo niska lepkość w temperaturze analizy; selektywność badanych składników próbki; dobra zdolność zwilżania zarówno powierzchni obojętnej podpory, jak i ewentualnie obojętnej ściany kolumny. Długość kolumny z wypełnieniem jest ograniczona do około 3 m z powodu wysokich ciśnień, które są wymagane do utrzymania natężeń przepływu gazu nośnego przy prędkościach niezbędnych dla optymalnej wydajności. Kolumny z wypełnieniem mają kilka zalet w porównaniu z kolumnami kapilarnymi. Kolumny z wypełnieniem mają od 10 do 1000 razy większą pojemność próbki niż kolumny kapilarne. To sprawia, że kolumny z wypełnieniem są lepsze dla analitów, w przypadku których konieczne jest przeanalizowanie dużych ilości próbek. Jednak kolumny z wypełnieniem mają o 25–50% mniej półek teoretycznych na metr niż kolumny kapilarne. W połączeniu z krótszymi długościami kolumn z wypełnieniem (1–3 m w porównaniu z 10–60 m dla kolumn kapilarnych) całkowita liczba półek teoretycznych jest znacznie mniejsza niż w przypadku kolumn kapilarnych.
Kapilara (nazywana również otwartą rurowa) to rurka szklana lub z topionej krzemionki o bardzo małej średnicy wewnętrznej (zwykle między 0,20–0,53 mm). Wewnętrzna powierzchnia kolumny kapilarnej jest pokryta cienką warstwą fazy stacjonarnej, dzięki czemu nadal istnieje możliwość kontaktu cząsteczek substancji rozpuszczonej z wewnętrznymi ściankami rurki. Większość stacjonarnych faz kolumny kapilarnej jest usieciowana i związana kowalencyjnie z powierzchnią topionej krzemionki. Ilość fazy stacjonarnej w kolumnie kapilarnej jest oznaczona grubością jej błony, która zwykle wynosi 0,1-5 µm. Retencja związku jest proporcjonalna do grubości filmu w kolumnach kapilarnych, retencja wzrasta wraz ze wzrostem grubości filmu i maleje, gdy grubość warstwy maleje. Zaletą kolumn kapilarnych jest ich bardzo duża zdolność separacji. Pozwala to na rozdzielenie pików w złożonych próbkach, które nie są odpowiednio oddzielone przez kolumny z wypełnieniem. Ze względu na lepszą wydajność separacji kolumny kapilarne były częściej używane w chromatografii gazowej niż kolumny z wypełnieniem. Skuteczność analiz GC można znacznie zwiększyć stosując technikę przełączania kolumn (Samuel i Davis, 2002).
Aby uzyskać skuteczne i niezawodne rozdzielanie, kolumna chromatografii gazowej musi być termostatowana w stałej temperaturze (tryb separacji izotermicznej) lub można go modyfikować zgodnie z zadanym programem temperaturowym (gradient temperatury). Zastosowanie gradientu temperatury znacznie zwiększa skuteczność separacji (Davis et al., 2000). Ponieważ temperatura kolumny jest jednym z najbardziej decydujących parametrów w analizie GC, jej dokładna regulacja ma ogromne znaczenie. Detektory oddziałują z rozpuszczonymi cząsteczkami, gdy opuszczają kolumnę. Ta interakcja jest przekształcana na sygnał elektryczny, który jest wysyłany do urządzenia rejestrującego lub przechowującego dane. Następnie tworzony jest chromatogram, który jest wykresem intensywności sygnału w funkcji upływającego czasu.Podstawową cechą detektorów jest najniższa wykrywalna ilość związku (czułość) i który związek w tej samej ilości wywołuje najsilniejszą odpowiedź detektora (selektywność).
Wiele różnych detektorów (jonizacja płomieni = FID , azot-fosfor = NPD, fotometria płomieniowa = FPD, wychwytywanie elektronów = ECD, przewodnictwo cieplne = TCD, emisja atomowa = AED, przewodnictwo elektrolityczne = ELCD, chemiluminescencja, itp.) zostały opracowane do czułego i selektywnego wykrywania i oznaczania ilościowego próbki składniki. FID wykorzystuje przepływ wodoru zmieszany z gazem nośnym. Mieszanina jest zapalana, anality są spalane, a jony powstałe podczas procesu spalania zbierane są w cylindrycznej elektrodzie pod wysokim napięciem przyłożonym między strumień płomienia a elektrodę. Wynikowy prąd jest wzmacniany i wykrywany. NPD jest podobna do FID w swojej konstrukcji. Zawiera kulki rubidu lub cezu wewnątrz cewki grzejnej w pobliżu strumienia wodoru. Częściowo spalone cząsteczki azotu i fosforu adsorbują się na powierzchni kulki, zmniejszając emisję elektronów, co zwiększa prąd. FPD specjalnie wykrywa związki siarki i fosforu. Anality są spalane w płomieniu. Ze względu na wzbudzenie płomienia emitowane jest światło przy 392 (siarka) i 526 (fosfor) nm. Filtr wybiera długości fal docierające do fotopowielacza.
ECD wykorzystuje niskoenergetyczne źródło promieniowania β do produkcji elektronów i jonów. Cząsteczki wychwytujące elektrony (związki chlorowcowane) wchodzące do detektora zmniejszają prąd elektronów, który można wzmocnić i zarejestrować. TCD reaguje na zmiany przewodności cieplnej i ciepła właściwego za pomocą żarnika pod prądem umieszczonym w strumieniu gazu nośnego. Zmiany przewodności cieplnej i / lub ciepła właściwego obecnego gazu spowodowane przez anality modyfikują potencjał w poprzek włókna. AED jest odpowiedni do wykrywania wybranych atomów lub grup atomów, ELCD może być specjalnie używany do wykrywania analitów zawierających Cl, N lub S. Detektor chemiluminescencji jest używany głównie do wykrywania związków siarki. W ostatnich dziesięcioleciach metody GC w połączeniu z różnymi systemami detekcji spektrometrii mas (MS) znalazły coraz większe zastosowanie w analizach GC.
Detekcja MS opiera się na zjawisku, w którym jony lub cząsteczki mogą być jonizowane w wysokiej próżni, wytwarzając dodatkowe gatunki naładowane. Gatunki te można oddzielić, a ich względna liczebność (widmo mas) jest charakterystyczna dla pierwotnego analitu. Spektrometr mas musi generować cząsteczki jonowe, a następnie rozdzielać je i wykrywać. Generowanie jonów można osiągnąć za pomocą technik zderzenia elektronów (EI) i jonizacji chemicznej (CI). W metodzie EI fragmentacja i ładowanie analitów odbywa się w wyniku zderzeń między nimi a elektronami generowanymi z gorącego włókna.
Technika CI wykorzystuje gaz reagujący, taki jak amoniak lub metan, zjonizowany wiązką elektronów. Zjonizowany gaz reaguje z analitami tworząc stosunkowo stabilne kompleksy jon-cząsteczka. Ponieważ najczęściej występującymi kompleksami są proste addukty, takie jak + lub +, można łatwo obliczyć masę cząsteczkową analitów. Do zastosowań terenowych opracowano również inne przenośne instrumenty GC z łącznikami (Arnold i in., 2000). Aktualne trendy w instrumentacjach i metodologiach GC zostały niedawno omówione przez Yashin i Yashin, (2001).