TEORIE, PRAXE A ÚDRŽBA: GC – Plynová chromatografie – základy a principy

Dělení v čase

Plynová chromatografie (GC1) je jednou ze separačních technik, stejně jako destilace a podobně. Na rozdíl od nich, se ale zpravidla nevyužívá k fyzickému oddělení jednotlivých složek, ale slouží k separaci složek v čase.

Toho je docíleno tím, že odpařená směs (nebo směs plynů) je vedena do trubice obsahující materiál, který zadržuje některé složky více než jiné. Dochází tak k oddělení složek v čase. Detekcí na výstupu je získán chromatogram (viz Obrázek 1), ve kterém každý pík reprezentuje jinou složku původní směsi.

Každý chromatografický pík charakterizuje jeho retenční čas a velikost (výška nebo plocha). Retenční čas je specifický pro různé látky a využívá se proto při identifikaci jednotlivých složek. Velikost píku potom odpovídá množství dané látky a dá se použít při kvantifikaci.

Části chromatografického systému

Sestava pro plynovou chromatografii obsahuje:

• Regulovaný zdroj čistého plynu, který tlačí vzorek skrz plynový chromatograf.
• Inlet, kterým se dávkuje a ve kterém také dochází ke zplynění kapalných vzorků.
• Kolonu, na které dochází k chromatografické separaci.
• Detektor, který reaguje na přítomnost látek na výstupu z kolony a odezvu převádí na elektrický signál.
• Řídící počítač pro sběr a vyhodnocení dat.

Schématicky je systém znázorněn na Obrázku 2.

Nosný plyn

V plynové chromatografii se využívá plyn jako základní médium, které unáší vzorek z inletu přes kolonu do detektoru. Nejčastěji se pro tyto účely používá helium, dusík, vodík, případně argon.

Nosný plyn musí být čistý. I malá koncentrace nečistot může nežádoucím způsobem reagovat se vzorkem nebo kolonou. V praxi se to projeví například výskytem falešných píků, sníženou citlivostí nebo zvýšením šumu detektoru. V krajním případě může dojít i k nevratnému poškození přístroje. Proto je potřeba používat plyny s vysokou čistotou. Případně lze systém vybavit sorpčními trapy zachycujícími vlhkost, uhlovodíky a kyslík. Typické zapojení je uvedeno na Obrázku 4.

V praxi se často používají kombinované trapy, které obsahují všechny tři sorbenty. U nich je vždy vyznačeno, jakým směrem se mají zapojit. Pokud jsou plyny přivedeny z centrálního rozvodu, je doporučeno umístit čisticí trapy co nejblíže k přístroji.

K nastavení tlaku nosného plynu je potřeba použít kvalitní dvoustupňový redukční ventil s kovovou membránou. Dvoustupňová regulace nejprve sníží tlak z lahve (až 350 bar) na zhruba 50 bar a následně ve druhém stupni dochází k poklesu tlaku na nastavenou hodnotu. Tímto mechanismem je zajištěna velice přesná a stabilní regulace výstupního tlaku. Oproti tomu jednostupňové regulační ventily snižují tlak z lahve přímo na nastavenou hodnotu. Vzhledem k velkému tlakovému spádu je taková regulace méně přesná, což může vést ke zvlnění základní linie detektoru a posunům retenčních časů.

Levné redukční ventily jsou zpravidla vybavené gumovou membránou, skrz kterou může difundovat kyslík a další nečistoty z okolí. Dramaticky se tím snižuje kvalita nosného plynu. Pro účely plynové chromatografie jsou takové ventily naprosto nevhodné.

Inlet

Inlet je část plynového chromatografu, která slouží k přenesení zplyněného vzorku do proudu nosného plynu. Nejčastěji se k tomuto účelu používá nástřikový port případně dávkovací ventil.

Dávkovací ventily využívají dávkovací smyčku, která se nejprve naplní vzorkem a následně se po přepnutí ventilu celý obsah vypláchne na kolonu. Pomocí ventilů lze dávkovat jak plyny, tak i kapaliny.

Nástřikovým portem můžeme přes septum pomocí stříkačky dávkovat plynné i kapalné vzorky. Za účelem rychlého zplynění je inlet zpravidla vyhříván. Základní princip dávkování je uveden na Obrázku 3. S různými technikami nástřiku a s tím spojeným technickým řešením se blíže seznámíme příště.

Všechny inlety však mají jedno společné. Abychom získali kvalitní výsledky je potřeba zajistit těsnost a čistotu nástřikového portu. V případě netěsnosti bude vzorek unikat ze systému a měření nebude opakovatelné. Navíc se skrz opotřebené septum nebo špatnou feruli do přístroje snadno dostane kyslík, který jsme složitě eliminovali pomocí kvalitních redukčních ventilů a čisticích trapů.

Kolona

Na chromatografické koloně dochází k separaci jednotlivých složek. Uživatelsky je možné do přístroje namontovat různé typy kolon a přístroj tak využít pro různé typy analýz.

Vzhledem k tomu, že dělení složek silně závisí na teplotě, jsou kolony instalovány v horkovzdušné peci s přesně regulovanou teplotou, viz Obrázek 5.

Nyní jen předesílám, že zejména za vyšších teplot dochází u řady kolon k nevratné degeneraci, která může být umocněna přítomností kyslíku a vody. Proto je potřeba, aby byla kolona pod stálým průtokem čistého nosného plynu.

Detektor

Proud nosného plynu, který obsahuje oddělené látky, je z kolony veden do detektoru. Existuje celá řada detektorů, které se vzájemně liší konstrukcí a principy na kterých fungují. Základní funkce je ale u všech stejná:

• Pokud detektorem prochází čistý nosný plyn, je generován stabilní elektrický signál – základní linie.
• Při průchodu sledovaných látek se elektrický signál změní – zaznamená se chromatografický pík.

Obecně je však potřeba mít napaměti, že většina detektorů obsahuje části ohřáté na vysokou teplotu. Pokud se za těchto podmínek dostanou do kontatku s kyslíkem, dochází k oxidaci jejich povrchu, což může vést k jejich poškození nebo trvalé změně vlastností. Proto je potřeba, aby byly během provozu detektory neustále promývány čistými provozními plyny.

Závěr

V úvodním dílu seriálu o plynové chromatografii jsme se seznámily se základními částmi chromatografického systému a ukázali si, jaký význam má čistota provozních plynů.

Příště si povíme více o technikách nástřiku vzorku, představíme si faktory, které nástřik zásadním způsobem ovlivňují a seznámíme se s různými typy inletů. Pokud nechcete čekat na další článek, můžete se přihlásit na naše odborné semináře, kde se o plynové chromatografii dozvíte víc.

• HPST GC školení - uživatelské dovednosti a diagnostika
• HPST MS (single-quad/QQQ pro GC) školení - uživatelské dovednosti a diagnostika

Přehled literatury k základům a principům v plynové chromatografii od Agilent Technologies (ke stažení v knihovně LabRulezGCMS)

• Mass Spectrometry Fundamentals –Theory (Prezentace | 2016)

• Fundamentals of Gas Chromatography: Theory and Hardware, Mass Spectrometry Fundamentals –Theory and Hardware (Prezentace | 2020)

• Fundamentals and Troubleshootingof the Split/Splitless Inlet (Prezentace | 2020)

• GC/MS Fundamentals: What are GC/SQ, TQ, and Q-TOF and When to Use Them? (Prezentace | 2019)

• Time-of-Flight Mass Spectrometry (Aplikace | 2004)

• Single Quad, Tandem Quad and QTOF Mass Spectrometers: What is Used and When? (Prezentace | 2019)