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