Kaasukromatografia

Kaasukromatografi

Kaasukromatografia on yksi kromatografian muodoista. Kromatografiset menetelmä ovat aineiden erottelumenetelmiä. Kaasukromatografiassa erottuminen perustuu aineen jakaantumiseen kaasumaisen olomuodon, kantajakaasun, ja paikallaanpysyvän olomuodon, kiinteän faasin, välillä. Kaasukromatografialla erotellaan haihtuvia yhdisteitä.

Historia

Kaasukromatografian historia ulottuu 1950-luvun vaihteeseen, jolloin saksalainen opiskelija Friz Prior kehitti kiinteän faasin kaasukromatografian vuonna 1947. Vuonna 1950 Archer John Porter Martin kehitti nykyisin yleisesti käytössä olevan kaasu-nestekromatografisen menetelmän. Myöhemmin kaasu-nestekromatografia on lähes täysin korvannut kiinteän faasin kaasukromatografian.

Toimintaperiaate

Kaasukromatografin osat

Kaasukromatografinen erotus perustuu kaasumaisen yhdisteen jakautumiseen liikkuvan kaasufaasin ja paikallaan pysyvän faasin (stationäärifaasi) välillä. Liikkuvana faasina on kantajakaasu, joka on yleensä helium tai vety. Erottuminen tapahtuu lämpötilakontrolloidussa uuniissa olevassa kolonnissa, ohuessa putkessa, jonka sisällä stationäärifaasi on. Stationäärifaaseja on monta erilaista tyyppiä. Eri yhdisteillä on erilaisia vuorovaikutuksia käytettävän stationäärifaasin kanssa. Näin ollen eri yhdisteet kulkevat kolonnin läpi eri nopeudella. Näin yhdisteet erottuvat toisistaan ja kukin yhdiste voidaan tunnistaa ja sen pitoisuus määrittää. Yhdisteen kulkuaikaa kolonnin läpi kutsutaan retentioajaksi. Yhdisteiden erottumiseen vaikuttavia kemiallisia ja fysikaalisia ovat molekyylin koko, höyrystymislämpötila, rakenne, polaarisuus tai kiraaliset ominaisuudet.

Laitteisto

Kaasukromatografi HP 7600

Kaasukromatografin pääkomponentit ovat näytteensyöttoyksikkö eli injektori, kolonni, kolonniuuni ja ilmaisin eli detektori.

Näyte syötetään injektorilla. Yleisimpiä näytteen syöttötapoja ovat ns. ohitus- (split) ja jakoinjektio (splitless). Molemmissa näyte kaasuuntuu ja osa siitä johdetaan kolonniin. Myös muita näytteen syöttötapoja käytetään, kuten kolonniin injektointi (on-colunm), purge and trap -menetelmä, ja kiinteäfaasi mikro-uutto (solid phase microextraction, SPME).

Kolonnissa yhdisteet erottuvat. Stationäärifaasi on yleensä nestemäinen ja sidottu ohuen kapillaarikolonnin sisäpinnalle ohueksi kalvoksi. Kolonni on kvartsilasia (fused silica), pituudeltaan 15–50 m ja sisähalkaisijaltaan 0,1–0,5 mm (millimetrin kymmenesosia). Kiinteäfaasikaasukromatografiassa kiinteä faasi on pakattu tiiviisti halkaisijaltaan muutaman millimetrin paksuisen putken sisään. Kolonneja on erilaisia eri käyttötarkoituksiin. Kolonnin sisähalkaisija, pituus, stationäärifaasin paksuus ja stationäärifaasin kemiallinen koostumus valitaan käyttötarkoituksen mukaan.

Kolonni on uunissa, jonka lämpötilaa voidaan säätää tarkasti ja ja toistettavati. Lämpötila on yksi yhdisteiden erottumiseen vaikuttavista tekijöistä.

Detektori eli ilmaisin havaitsee kolonnissa erottuneet yhdisteet. Detektoreista yleisin on FID-detektori, eli liekki-ionisaatiodetektori. FID-detektorissa yhdisteet poltetaan vety-ilma liekissä. Liekissä syntyneet ionit aiheuttavat muutoksen kaasun sähkönjohtokyvyssä, joka mitataan. FID-detektori on selektiivinen hiilivedyille ja sen herkkyys on hyvä. Toinen yleisesti käytetty detektori on TCD-detektori, joka mittaa kaasun lämmönjohtokykyä. TCD-detektori on universaali, ts. se soveltuu myös muille yhdisteille, kuin hiilivedyille, mutta sen herkkyys ei ole yhtä hyvä kuin FID-detektorin. Muita detektorityyppejä ovat muun muassa elektronisieppausdetektori (ECD) ja massaselektiivinen detektori (MSD). Kaasukromatografi voidaan kytkeä myös massaspektrometriin tai NMR-spektrometriin. Detektorit ovat usein ei-selektivisiä, eli yhdisteitä ei voida massaspektrometriaa tai NMR-spektrometriaa lukuun ottamatta tunnistaa suoraan. Tunnistaminen tapahtuu yleisimmin yhdisteiden retentioaikojen vertailulla tunnettuihin standardiyhdisteisiin. Detektorin antaman vasteen perusteella voidaan yhdisteiden pitoisuus määrittää kvantitatiivisesti.

Rajoitukset

Kaasukromatografia soveltuu hajoamatta haihtuvien yhdisteiden analysointiin. Ionisia yhdisteitä ei voida analysoida. Haihtumattomista yhdisteistä voidaan tehdä haihtuva johdos (derivaatta) ennen kaasukromatografista määritystä. Menetelmää kutsutaan derivoinniksi. Derivoinnissa molekyyliin liitetään jokin ryhmä, joka esimerkiksi parantaa yhdisteen stabiilisuutta tai alentaa sen höyrystymislämpötilaa. Yleisimpiä derivointireaktioita ovat muun muassa metylointi tai silylointi. Esimerkiksi huonosti haihtuvat rasvahapot voidaan derivatisoida metyyliestereiksi liittämällä rasvahappoketjuun metyyliryhmä.

Sovellukset

Kaasukromatografialla on hyvin laajat käyttösovellukset muun muassa lääketutkimuksessa, ympäristöanalytiikassa ja yleisesti orgaanisessa analytiikassa.