Niklas Dahrén
Gaskromatografi (GC)
Gaskromatografi (GC)
ü GC=”gaschromatography”ellerpåsvenska”gaskromatografi”.
ü Gaskromatografiärenavanceradkemiskanalysmetodsomanvändsfört.ex.gift-,drog- ochläkemedelsanalyser.Kanävenanvändasföranalyseravdopingpreparat,brandfarligavätskor,miljögifterochmångaandraämnen.
ü Namnet”kromatografi”kommeravdetgrekiskaordet”chroma” sombetyderfärg.Ibörjananvändeskromatografiska metoderendastförfärgadeämnenmennuanvändsdessaäventillofärgadeämnensånamnetärdärförlitemissvisande.
Vilka olika typer av analyser kan utföras med GC?
1. Undersökavilkaokändaämnensomfinnsiettprov:Vikanidentifieraokändaämnen(t.ex.gifter,droger,dopingpreparat,miljögifter,brandfarligavätskorellerläkemedel)meddennametod.OmvidessutomkopplarvårGCtillenmasspektrometer(enspecielldetektor)fårviettmycketkraftfulltverktygförattidentifieraokändaämnen.
2. Bestämmakoncentrationenavolikaämnensomfinnsiettprov:GCkanocksåanvändaskvantitativtförattmätakoncentrationenavdeämnensomfinnsiettprov.
3. Renhetstester:Vikanundersökaomettprovärförorenatmedandraämnensomintebörfinnasdär(t.ex.renhetstesteravläkemedelellerlivsmedel).
En gaskromatograf (GC)
3 saker viktiga saker som ingår vid GC
ü Prov:IGCtillsättsettprovinnehållandeolikaämnensomskaanalyseras.
ü Mobilfas:IGCfinnsens.k.mobilfas(rörligfas).DenmobilafaseniGCbeståravengas(helium,kvävgasellervätgas).Syftetmeddenmobilafasenäratttransporteraprovetgenomgaskromatografen,alltsågenomdenmaskinsomskautförasjälvaanalysen.
ü Stationärfas:IGCfinnsenkolonn(ettihåligtrör)sompåinsidanärbekläddmedenstationärfas(stillaståendefas)sombeståravolikamolekyler.Denstationärafasenkanvaraifastformellerbeståaventrögflytandevätska.Molekylernasuppgiftidenstationärafasenärattbindatilldeolikaämnenaiprovetsåattdessaämnenbromsasuppinutikolonnen.Vissaämnenkanbindamycketstarkaretillmolekylernaidenstationärafasenochtardärförlängretidpåsiggenomkolonnen.
Principen bakom GC
DetektorMobilfas
Iinjektorntillsättsprovet.
Injektor
Detektorn”kännerav”närmolekylernaavettämnepasserarochregistrerarämnetsretentionstidochsignalstyrkan(hurmycketdetfinnsavämnet).
Detektorngörettkromatogramdärvarjetoppmotsvararettämneiprovet.
Gasbehållaremeddenmobilafasen(gas).
Ugn
Kolonnmedstationärfas
Enugnförgasarämnenaiprovet.Temperaturenäröverämnenaskokpunkter.
Temperaturenikolonnenärlägreändenvidinjektorn.Dettainnebärattvissaämnenakondenseraribörjanpåkolonnenmedanvissamedlågkokpunktfortsätterdirektigenom.Temperaturenhöjssedangradvisinutikolonnenenligtettförprogrammeratschemavilketledertillattallaämnentillslutpåbörjarsin”resa”genomkolonnen.
Ikolonnenseparerasämnenaiprovetfrånvarandraeftersomolikaämnenharolikakokpunkterochövergårigasformolikalätt(vidolikatemperaturer).Debinderocksåolikalätt/olikastarkttilldenstationärafasenikolonnen.Ämnenakommerdärförutvidolikatidpunkter.Denstationärafasenäroftaentrögflytandevätskasomtäckerinsidanpåkolonnen.
En gaskromatograf (GC)
Exempel på ett kromatogram
Bildkälla:"Hplc-perfume-chromatogram"byLukke - Own work.Licensed underCCBY-SA3.0viaCommons -https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hplc-perfume-chromatogram.png#/media/File:Hplc-perfume-chromatogram.png
Retentionstiden
Intensite
ten(signa
lstyrkan)
ü Retentionstiden:Retentionstidenärspecifikförvarjeämneiettgivetsystemochdärförkanvianvändaretentionstidenförattidentifieraolikaämnen(kvalitativanalys).
ü Toppensarea:Detektornmäterintensiteten(signalstyrkan)avvarjeämnesompasserar,vilketmotsvararhurmångamolekyleravämnetsompasserardetektorn.Utifråndetritasentopputikromatogrammetdärareanavtoppenmotsvararhurhögkoncentrationviharämnet(kvantitativanalys).
Ett exempel på temperaturprogrammering i en GC
ü Injektornstemperatur:Iinjektornärtemperaturen180grader.Dennatemperaturäröverkokpunktenfördeämnensomingåriprovet(ijustdethärexemplet).
ü Kolonnenstemperatur:Ikolonnenärtemperatureninitialt110graderi2minuter,därefterskerenokningmed14grader/minupptill200grader.Dennasluttemperaturhållssedaniytterligare2minuterförattviskavarasäkerpåattallaämnentarsigigenomsystemetochuttilldetektorn.
ü Detektornstemperatur:Idetektornärtemperaturen230graderförattsäkerställaattingaämnenblirkvar.
Retentionstiden i en GC bestäms av 2 faktorer:
Ämnenaskokpunkter
Ämnenaspolaritet
GC-analyser kan utföras på 2 olika sätt
Molekylermedlågkokpunktåkerutförst
Polärstationärfas(molekylermedOH-grupper)
Polärkolonn(kokpunktenochpolaritetavgör)
Opolärkolonn(kokpunktenavgör)
Mobilfas(t.ex.kvävgas)
Mobilfas(t.ex.kvävgas)
Molekylersomäropolära ochharlågkokpunktåkerutförst
1. Opolärkolonn(kokpunktenavgör):Dettaärdenvanligastemetoden,användst.ex.alltidnärdetärenbartopolära ämneniprovet.Deämnensomharlägstkokpunktövergårlättastigasformochåkerdärförfortastgenomkolonnen.Bådepoläraochopolära ämnenkanbindalikastarkt(ellersvagt)tilldenopolära kolonnen.Kortastretentionstidfårdärfördeämnensomharlägstkokpunkt.
2. Polärkolonn(kokpunkten+polaritetenavgör):Användsoftanärmanvetellermisstänkerattdetfinnspoläraämneniprovet.Kokpunktenharfortfarandestorbetydelseeftersomdenbestämmerhurlättämnenaövergårigasform.Polaritetenspelardockenstörrerollhär.Poläraämnenkanskapavätebindningar(ellervanligadipol-dipolbindningar)meddenstationärapolärafasenochkommerdärförbromsasuppmycketmerinneikolonnenjämförtmedopoläraämnen.Kortastretentionstidfårdärfördeämnensomharlågkokpunktochäropolära.
Opolärstationärfas(kolväten,t.ex.C18)
Obs.DenmobilafaseniGCärengassomintereagerarmedprovetsolikaämnen(skaparejbindningar).Poläraresp.opoläraämnen”trivs”därförlikadåligtidenmobilafasen.Anledningenattdeändååkerigenomkolonnenärdetgastrycksomuppstår.
Separationen vid polär resp. opolär kolonn
Mobilfas(t.ex.kvävgas)
Opolärstationärfas(kolväten,t.ex.C18)
MyckethögkokpunktHögkokpunkt
Lågkokpunkt
Polärstationärfas(OH-grupper)
MyckethögkokpunktPolärmolekyl
HögkokpunktPolärmolekyl
HögkokpunktOpolärmolekyl
LågkokpunktOpolärmolekyl
Ienpolärkolonnkommerpoläraämnenbindahårdaretilldenpolärastationärafasen(framföralltpoläraämnensomkanskapastarkavätebindningar).Kokpunktenochpolaritetenkommerdärförvaraavgörandeförseparationen.
Ienopolärkolonnkommerpoläraochopoläraämnenkunnabindalikahårt/svagttilldenopolärastationärafasen,omdeharungefärsammastorlek(allaämnenkanskapavanderWaalsbindningar,antaletavgörsavmolekylernasstorlekochform).Kokpunktenavgördärförseparationen.
Mobilfas(t.ex.kvävgas)Molekylersomäropoläraochharlågkokpunkt
åkerutförst
Molekylermedlågkokpunktåkerutförst
Varför är det enbart kokpunkten som avgör separationen vid en opolär kolonn?
ü PolaritetenharingenstörrebetydelsenärdetgällerförmåganattbindatillenopolärkolonniGCeftersombådepoläraochopoläraämnenkanskapavanderWaalsbindningar(Londondispersionskrafter)tillenopolärkolonn.IGCfinnsdetbaraen”fas”somdeolikaämnenakanbindatill,nämligendenstationära.DenmobilafaseniGCattraheraringamolekylereftersomdenbeståravenickereaktivgas(kvävgas,heliumetc.)sominteallsbindertilldeolikaämnenaiprovetutanenbartfungerarsomen”vind”somblåserämnenasmolekylerfrånstarttillmål.IGCmedopolärkolonnkommerdärförpoläraämnenilikastorutsträckningsomopoläraämnen”välja”attbindadenopolärakolonnenpåsinvägmotdetektorn.
ü Detsomavgörhurmycketolikaämnenbindertilldenopolärakolonnen ärhurbraämnenaärpåattskapavanderWaalsbindningartillkolonnen.Storaochavlångamolekylerärbästpådetochdärförkommerdessaämnen(oavsettvilkenpolaritetdehar)bromsasuppmestikolonnen.
ü Deämnensomharhögstkokpunktärocksådeämnensomoftastkanbindastarkasttilldenopolärastationärafasen.Dettap.g.a.attämnenmedhögkokpunktoftaärämnensomharstoraochavlångamolekylerochdärmedocksåärbrapåattskapavanderWaalsbindningar.Detfinnsalltsåettvisstsambandmellanhögkokpunktochhögförmågaattbindatillenopolärkolonnochdärförräckerdetoftastmedatttittapåämnenaskokpunkterförattvetavilketämnesomkommerfåkortastresp.längstretentionstid.
ü Dekemiskaforensikerna påNationelltforensisktcentrum(NFC)iLinköpingfårtilluppgiftattanalyseraettokäntprovmedhjälpavGC.
ü Forensikernamisstänkerattprovettroligtvisinnehålleropoläraämnen(kolväten)ochväljerdärförattanalyseraprovetmedhjälpavenopolärkolonn.
ü Förattkunnaidentifieraolikaämnenutifrånderasretentionstidermåstevihakändaretentionstiderattjämföramed.Forensikernaanvändersigdärföraventabellmedkändaretentionstiderfördeämnensomdemisstänkerkanfinnasiprovet.Genomattjämföradeerhållnaretentionstidernameddekändasåkanforensikerna listautvilkaokändaämnensomfinnsiprovet.
Ämne: Retentionstider(min):
Pentan 3,0Cyklopentan 4,5Oktan 7,5Dekan 8,0Hexadekan 9,5
Obs.Påhittaderetentionstider!
Exempel: Analys av ett prov med hjälp av GC
Exempel: Analys av ett prov med hjälp av GC
Ämne: Retentionstid(min): Identifiering utifråndekändaretentionstiderna:
4,5
7,5
9,5
Mobilfas
Opolärstationärfas
Opolärstationärfas
C16C8C5 C16C16
Detektorn
C8C8C5
C5
Oktan
Hexadekan
Cyklopentan
Ett kromatogram visar retentionstiden för de 3 ämnena
0
2
4
6
8
10
12
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11ü Retentionstidenärspecifikförvarjeämneochvisardärförvilketämnetär(kvalitativanalys).
ü Toppensareaavslöjardäremothurstorkoncentrationviharavämnet(kvantitativanalys).
Retentionstiden
Cyklopentan Oktan Hexadekan
Intensite
ten(signa
lstyrkan)
C5
C8
C16
De 3 ämnena får olika retentionstid beroende på deras kokpunkt (opolär kolonn)
Ämne: Retentionstid(min): Kokpunkter:
Cyklopentan 4,5 49°C
Oktan 7,5 125°C
Hexadekan 9,5 287°C
ü Hexadekanharhögstkokpunktochhardärförsvårastattövergåigasformikolonnen.Hexadekanharhögkokpunktp.g.a.avattdetämnetbeståravstoraochavlångamolekylermedförmågaattskapamångavanderWaalsbindningarmellanvarandra.Denegenskapeninnebärävenatthexadekan bromsasuppmestinutikolonneneftersomhexadekan därmedocksåärbästpåattskapavanderWaalsbindningarmeddenopolärakolonnen.Härservialltsåetttydligtsambandmellanhögkokpunktochhögförmågaattbindatillenopolärkolonn.
C5
C16
C8
ü Retentionstiden:Dentiddettarförämnetattpasseraigenomkolonnenochframtilldetektorn. Retentionstidenärspecifikförvarjeämneiettgivetsystemochvikandärföranvändaretentionstidenförattidentifieradeämnenviharivårtprov.
Vi kan förbättra separationen i kolonnen genom att ändra olika faktorer
1. Användaenkolonnmedenannanstorlek:Ienlängreoch/ellersmalarekolonnkommerdeolikaämnenaiprovetbindaflergångertilldenstationärafasenochdärmedseparerasfrånvarandra ihögreutsträckning.
2. Sänkahastighetenavdenmobilafasen: Omvisänkerdenmobilafasenshastighetsåkommerämnenaiprovethalängretidpåsiginutikolonnenochdekommerhinnabindaistörreutsträckningtilldenstationärafasen.Detledertillenbättreseparation.
3. Ändrakolonnenspolaritet:Omvifårendåligseparationpåenopolärkolonnsåkanvitestamedattbytautdenmotenpolärkolonn(ellertvärtom).
4. Ändratemperaturen:IGCkanvisänkatemperaturenvilketinnebärattämnenakommerhalättareattbindatilldenstationärafasen(övergårinteigasformlikalätt).Detledertilltotaltsättflerinteraktionermellanämnenaochdenstationärafasenochdärmedenbättreseparation.
ü Iblandkandetvarasåatttopparnafrånfleraolikaämnensammanfallerikromatogrammet(dåligupplösning).Detkrånglarisåfalltillvåranalyseftersomdetblirsvårareattidentifieraolikaämnenochattbestämmakoncentrationenavdessa.
ü Åtgärderförattförbättraseparationenochfåenbättreupplösningikromatogrammet:
Uppgift 1: Ett prov som innehåller hexan (69,0 °C), pentan (36,1 °C) och metanol (64,7,4 °C) analyseras i en GC som har en opolär kolonn. Vilket ämne
får kortast resp. längst retentionstid?
Hexan MetanolPentan
Lösning:IenGCmedenopolär kolonnärdetenbartkokpunktensomavgörretentionstiden.Kokpunktenbestämsavmolekylernasstorlek,geometriskaformochpolaritet.Iuppgiftenstårdockkokpunkternautskrivnaochdärförärdennauppgiftenkelattlösa.Hexan harhögstkokpunktochhardärförsvårastattövergåigasform.Hexan kommeralltsåfålängstretentionstid.Pentanharlägstkokpunktochkommerdärförövergåigasformlättastochfårdärförkortastretentionstid.Hexan harhögstkokpunkttackvareatthexanmolekylerna ärstoraochharenavlångform,därmedkanmångavanderWaalsbindningar(Londondispersionskrafter)bildasmellanhexanmolekyler.
Svar:Längstretentionstid:Hexan Kortastretentionstid:Pentan
Uppgift 2: Ett prov som innehåller hexan (69,0 °C), pentan (36,1 °C) och metanol
(64,7,4 °C) analyseras i en GC som har en polär kolonn. Vilket ämne får kortast resp. längst retentionstid?
Hexan MetanolPentan
Lösning:IenGCmedenpolär kolonnärdetbådekokpunktenochmolekylernaspolaritetsomavgörretentionstiden.Hexan harhögstkokpunktochhardärförsvårastattövergåigasform.Metanolhardockenkokpunktsomärnästanlikahögsomhexans kokpunkt.Metanolärocksåettpolärtämnesomkanskapavätebindningarmeddenpolärakolonnen.Metanolkommeralltsåbromsasuppmestinutikolonnenochfårdärförlängstretentionstid.Pentanfårkortastretentionstideftersompentanbådeärettopolärt ämnenochharlägstkokpunkt.
Svar:Längstretentionstid:Metanol Kortastretentionstid:Pentan
Uppgift 3: Ett prov bestående av butan, glycerol och butanol körs i en GC. Tre retentionstider erhålls; 2,5, 7,7 och 12,3. Vilken retentionstid tillhör
vilket ämne?
Butan ButanolGlycerol
Lösning:IenGCmedenpolärkolonnärdetkombinationenavkokpunktochpolaritetsomavgörretentionstiden.Alla3ämnenharlikartadstorlekochgeometriskformochärdärförungefärlikabrapåattskapavanderWaalsbindningar.SkillnadenikokpunktmellanämnenaberoralltsåintepåvanderWaalsbindningar.Glycerolhardock3OH-gruppervilketmöjliggörmångavätebindningar.Mångavätebindningargörattglyceroldelsharenhögkokpunktochdelsenhögförmågaattbindatilldenpolärakolonnen.Glycerolfårdärförlängstretentionstid(12,3).Butanolhar1OH-gruppochkandärförocksåskapavätebindningar,mendockintelikamångasomglycerol.Butanfårdärförnästlängstretentionstid(7,7).ButanärdäremotenopolärföreningutanOH-grupperochutanmöjlighetattskapavätebindningarellervanligadipol-dipolbindningar.Butanhardärförlägstkokpunktochbinderocksåsvagasttilldenpolärakolonnen.
Svar:Retentionstid2,5:Butan Retentionstid7,7:Butanol Retentionstid12,3:Glycerol
En annan liknande metod är ”Högupplösande vätskekromatografi” (HPLC)
Vad är de viktigaste skillnaderna mellan GC och HPLC?
ü Olikamobilafaser:Igaskromatografianvändsengassommobilfas(helium,kvävgasellervätgas)medanenvätska(enblandningavolikaämnen)användsvidHPLC.
ü HPLCkananvändasförflerämnen:GCkanenbartsepareraochanalyseraämnensomärflyktiga(kanövergåigasformrelativtlätt)ochsomärvärmetåliga.GaserochlättflyktigavätskorkananalyserasmedGCmedandeflestavanligavätskorejkananalyseras.Detärenbartämnensomharenlägrekokpunktän350gradersomkananalyserasmedGC,vilketmotsvararca15-20%avallakändaämnen.HPLCkandäremotanvändasävenförickeflyktigaämnenochförämnensomärvärmekänsliga ochhardärförettstörreanvändningsområde (t.ex.användsHPLCförkolhydrater,fetterochproteinerochhardärförstorbetydelseinombiokemi,medicinetc.).
ü FördelenmedGC:FördelenmedGCjämförtmedHPLCärframföralltattdetärensnabbareochliteenklaremetodattgenomföra ochsjälvamaskinenäroftastintelikadyr.
För den bästa kvalitativa analysen krävs dock en masspektrometer som detektor
ü Mångaproverärkomplexaochinnehållerettstortantalämnenmedlikartaderetentionstider.DessaärdärförsvåraattidentifieramedenbartHPLCellerGCkoppladtillen”vanlig”detektor.OmvidäremotkopplarvårHPLCellerGCtillendetektorsomheter”masspektrometer”(MS)såkommervifåettmycketkraftfulltverktyg.DessaanalysmetoderkallasförHPLC-MSresp.GC-MS.
ü Medhjälpavenmasspektrometerkanmassanavdeolikaämnenaiprovetbestämmas.Masspektrometernkanäven”lista”utvilkadelarsomfinnsideolikaämnenasmolekylereftersommolekylerna”slåssönder”imindrebeståndsdelarochsedanvägsvarjebeståndsdel.Varjebeståndsdelimolekylenkandåidentifierasochvikangöraenstrukturbestämningavhelamolekylen.Masspektrometernskaparpådettasättettkemisktfingeravtryckförvarjeämne.Därmedkanviidentifieraheltnyaämnen(t.ex.heltnyadroger).
SegärnaflerfilmeravNiklasDahrén:http://www.youtube.com/Kemilektionerhttp://www.youtube.com/Medicinlektioner