9.2.1 Utövandet av gaskromatografi
Vanlig gaskromatografisk utrustning består av ett bärargassystem, injektor, gaskromatografisk kolonn, detektor och databehandling enhet. Bärargasen är i allmänhet en permanent gas med låg eller försumbar adsorptionskapacitet, dvs väte, helium eller kväve. Bärargasens beskaffenhet kan påverka GC-systemets separationsegenskaper och kan modifiera detektionens känslighet. Eftersom bärargasflödeshastighetens stabilitet och reproducerbarhet är en förutsättning för en framgångsrik gaskromatografisk analys, påverkar de avsevärt både effektiviteten vid separering och kvantifiering av resultaten. Injektorer levererar provet till huvudet på GC-kolumnen. Injektorer kan klassificeras i två huvudgrupper: förångning och injektorer på kolumnen. Förångningsinjektorer använder höga temperaturer (100–300 oC) för att snabbt förånga ett flytande prov. Vanligtvis används en spruta för att införa provet i den termostaterade injektorn. I detta fall förångas provet snabbt, blandas med bärargasen och transporteras in i kolonnen. Injektorer på kolumnen avsätter provet direkt i kolonnen utan att förlita sig på förångning av provet och dess efterföljande transport in i kolonnen. Separation av flyktiga föreningar i det injicerade provet utförs i GC-kolonnen.
Kolumner för gaskromatografi kan delas in i två olika grupper; packade och kapillärpelare i olika dimensioner (Spangler, 2001). En packad kolonn är en stel metall- eller glaskolonn fylld med små partiklar som ofta är belagda med ett tunt skikt av en högmolekylär polymer. De vanligaste fasta bärarna är kiselgur, fluorkolväten, grafiterat kolsvart och glaspärlor. Cirka 90% av alla stöd är olika typer av kiselgur. Den stationära vätskefasen hos GC-kolonner måste uppfylla följande krav: lågt ångtryck, hög kemisk stabilitet och relativt låg viskositet vid analystemperaturen; selektivitet för de provkomponenter som undersöks; god vätningskapacitet både för ytan på det inerta stödet eller för den eventuellt inerta väggen i kolonnen. Längden på en packad kolonn är begränsad till cirka 3 m på grund av de höga tryck som krävs för att bibehålla bärgasflödeshastigheterna med de hastigheter som är nödvändiga för optimal prestanda. Packade kolumner har flera fördelar jämfört med kapillärpelare. Packade kolumner har 10 till 1000 gånger större provkapacitet än kapillärkolumner. Detta gör packade kolumner överlägsna för analyser där stora mängder prov måste analyseras. Emellertid har packade kolumner 25–50% färre teoretiska plattor per meter än kapillärpelare. Tillsammans med de kortare längderna på packade kolumner (1-3 m kontra 10–60 m för kapillärpelare) är det totala antalet teoretiska plattor väsentligt lägre än kapillärpelare.
En kapillär (även kallad öppen) rörformig) kolonn är ett glas- eller smältkiseldioxidrör med mycket liten innerdiameter (vanligtvis mellan 0,20–0,53 mm). Den inre ytan av en kapillärkolonn är belagd med ett tunt lager av stationär fas så det är fortfarande möjligt för de lösta molekylerna att komma i kontakt med slangens inre väggar. De flesta stationära faser med kapillärkolonn är tvärbundna och kovalent bundna till den smälta kiseldioxidytan. Mängden stationär fas i en kapillärkolonn betecknas med dess filmtjocklek, som vanligtvis är 0,1-5 μm. Föreningens retention är proportionell mot filmtjockleken i kapillärkolonner, retentionen ökar när filmtjockleken ökar och den minskar när filmtjockleken minskar. Fördelen med kapillärpelare är deras mycket höga separeringskapacitet. Detta möjliggör upplösning av toppar i komplexa prover som inte är adekvat åtskilda av packade kolumner. På grund av bättre separationsprestanda har kapillärkolonner oftare använts i gaskromatografi än packade kolumner. Effekten av GC-analyser kan förbättras markant med hjälp av en kolonnväxlingsteknik (Samuel och Davis, 2002).
För att uppnå effektiv och tillförlitlig separation måste gaskromatografikolonnen termostateras vid en konstant temperatur (isotermiskt separationsläge) eller det kan modifieras enligt ett förutbestämt temperaturprogram (temperaturgradient). Tillämpningen av en temperaturgradient ökar avsevärt effektiviteten av separationen (Davis et al., 2000). Eftersom kolonntemperaturen är en av de mest avgörande parametrarna i GC-analys är dess exakta reglering av yttersta vikt. Detektorer interagerar med de lösta molekylerna när de lämnar kolonnen. Denna interaktion omvandlas till en elektrisk signal som skickas till en inspelnings- eller datalagringsenhet. Därefter skapas ett kromatogram som är ett diagram över signalens intensitet mot förfluten tid.De primära egenskaperna hos detektorer är den lägsta mängden av en förening som är detekterbar (känslighet) och vilken förening i samma mängd ger det starkaste detektorresponsen (selektivitet).
Många olika detektorer (flamjonisering = FID , kväve-fosfor = NPD, flamfotometrisk = FPD, elektronuppsamling = ECD, värmeledningsförmåga = TCD, atomemission = AED, elektrolytisk konduktivitet = ELCD, kemiluminiscens, etc.) har utvecklats för känslig och selektiv detektion och kvantifiering av prov komponenter. FID använder ett väteflöde blandat med bärargasen. Blandningen antänds, analyterna bränns och jonerna som bildas under förbränningsprocessen samlas i en cylindrisk elektrod med en hög spänning som anbringas mellan flamstrålen och elektroden. Den resulterande strömmen förstärks och detekteras. NPD liknar FID i sin design. Den innehåller rubidium- eller cesiumpärlor inuti en värmespole nära vätgasstrålen. De partiellt förbrända kväve- och fosformolekylerna adsorberar på ytan av pärlan och minskar emissionen av elektroner vilket ökar strömmen. FPD detekterar speciellt svavel- och fosforföreningar. Analyter bränns i lågan. På grund av excitationen i flamman avges ljus vid 392 (svavel) och 526 (fosfor) nm. Ett filter väljer våglängderna som når ett fotomultiplikatorrör.
ECD använder en β-strålkälla med låg energi för produktion av elektroner och joner. Elektronfångande molekyler (halogenerade föreningar) som kommer in i detektorn minskar elektronströmmen som kan förstärkas och registreras. TCD svarar på förändringar i värmeledningsförmåga och specifik värme med hjälp av ett glödtråd under ström placerat i bärgasflödet. Förändringar i värmeledningsförmågan och / eller den specifika värmen hos den aktuella gasen som orsakas av analyterna ändrar potentialen över glödtråden. AED är lämplig för detektering av utvalda atomer eller grupper av atomer, ELCD kan användas speciellt för detektion av Cl-, N- eller S-innehållande analyter. En kemiluminescensdetektor används huvudsakligen för detektion av svavelföreningar. Under de senaste decennierna har GC-metoder kombinerat med olika masspektrometriska (MS) detekteringssystem funnit ökande tillämpning i GC-analyser.
MS-detektion baseras på fenomenet att joner eller molekyler kan joniseras i högvakuumproducerande ytterligare laddade arter. Dessa arter kan separeras och deras relativa överflöd (deras masspektrum) är karakteristisk för den ursprungliga analyten. En masspektrometer måste generera joniska arter och sedan separera och upptäcka dem. Jongenerering kan uppnås genom elektronpåverkan (EI) och kemisk jonisering (CI). I EI-metoden utförs fragmentering och laddning av analyter genom att producera kollisioner mellan dem och elektronerna som genereras från ett hett glödtråd.
CI-tekniken använder en reagensgas såsom ammoniak eller metan joniserad av en elektronstråle. Den joniserade gasen reagerar med analyterna som bildar relativt stabila jonmolekylkomplex. Eftersom de vanligast förekommande komplexen är enkla addukter, såsom + eller +, kan analyternas molekylvikt lätt beräknas. Andra bärbara bindestreckade GC-instrument har också utvecklats för fältapplikationer (Arnold et al., 2000). De nuvarande trenderna inom GC-instrument och metoder har nyligen granskats av Yashin och Yashin, (2001).