Omfattande tvådimensionell gaskromatografi

Omfattande tvådimensionell gaskromatografi , eller GC×GC är en flerdimensionell gaskromatografiteknik som ursprungligen beskrevs 1984 av J. Calvin Giddings och först framgångsrikt implementerad 1991 av professor Phillips och hans student Zaiyou Liu.

GC×GC använder två olika kolonner med två olika stationära faser . I GC×GC avleds allt avloppsvatten från kolumnen med första dimensionen till kolumnen med andra dimensionen via en modulator. Modulatorn fångar snabbt och "injicerar" sedan utflödet från kolumnen med den första dimensionen till den andra dimensionen. Denna process skapar ett retentionsplan av 1:a dimensionsseparationen x 2:a dimensionsseparationen.

Olje- och gasindustrin var tidiga användare av tekniken för de komplexa oljeproverna för att bestämma de många olika typerna av kolväten och dess isomerer . Nuförtiden i dessa typer av prover har det rapporterats att över 30 000 olika föreningar kunde identifieras i en råolja med denna Comprehensive Chromatography Technology (CCT).

CCT utvecklades från en teknik som endast används i akademiska FoU-laboratorier, till en mer robust teknik som används i många olika industriella laboratorier. Omfattande kromatografi används inom kriminalteknik, livsmedel och smak, miljö, metabolomik , biomarkörer och kliniska tillämpningar. Några av de mest väletablerade forskargrupperna i världen som finns i Australien , Italien , Nederländerna , Kanada , USA och Brasilien använder denna analysteknik.

Modulering: Processen

I GC × GC är två kolumner sekventiellt sammankopplade, vanligtvis är den första dimensionen en konventionell kolumn och den andra dimensionen är en kort snabb GC-typ, med en modulator placerad mellan dem. Modulatorns funktion kan delas in i i princip tre processer:

kontinuerligt samla upp små fraktioner av avloppsvattnet från 1D, vilket säkerställer att separationen bibehålls i denna dimension;
fokusera eller omfokusera utflödet av ett smalt band;
för att snabbt överföra den insamlade och fokuserade 2D-fraktionen som en smal puls. Sammantaget kallas dessa tre steg för moduleringscykel, som upprepas under hela den kromatografiska körningen.

Termisk modulering

Den mest använda typen av modulering är termisk modulering (patentinnehavaren är ZOEX Corporation), där flytande kväve används för att (kryogent) fånga (immobilisera) alla komponenter som eluerar från den första dimensionen. Efter ett fast tidsintervall mobiliserar en varmströmspuls en del av föreningarna igen. Denna heta puls kan betraktas som startpunkten för injektionen i den andra dimensionskolumnen. Den senaste versionen kallas en termisk modulator av loop-typ där de frigjorda föreningarna fångas in och fokuseras om för en andra gång (och släpps igen) för att få perfekta toppformer och maximal upplösning i den andra dimensionen. Med den termiska modulatorn kan mycket flyktiga föreningar moduleras.

Den termiska moduleringen är i praktiken ett slingsystem som kyls med flytande kväve som ger den lägsta temperaturen för termisk modulering och som modulerar det bredaste intervallet (C2 till C55) av organiska föreningar. Temperaturen vid strålen är -189 °C. Den heta strålens maximala temperatur är 475 °C. Även metan har modulerats med flytande kväve kylda gasstrålar som de i den här typen av modulatorer.

Kylslingamodulering med sluten cykel

Detta loopmoduleringssystem eliminerar behovet av flytande kväve för termisk modulering. Systemet använder ett kylskåp/värmeväxlare med sluten cykel för att producera -90 °C vid strålen. Kylningen sker genom indirekt kylning av gasformigt kväve och därför modulerar denna typ flyktiga och halvflyktiga föreningar över C6+-området.

Flödesmodulering

Detta är ett ventilbaserat tillvägagångssätt, där differentialflöden används för att "fylla" och "spola" en provslinga. Flödesmodulering lider inte av samma flyktighetsbegränsningar som termisk modulering, eftersom den inte förlitar sig på att fånga analyter med en kall stråle - vilket betyder flyktiga ämnen

Moduleringsperiod

Den tid som krävs för att slutföra en cykel kallas moduleringsperioden (modulationstiden) och är faktiskt tiden mellan två heta pulser, som vanligtvis varar mellan 2 och 10 sekunder, är relaterad till den tid som krävs för att föreningarna ska elueras i 2D.

Känslighet

En annan nyckelaspekt av GC x GC som kan lyftas fram är att resultatet från omfokuseringen i 2D, som sker under moduleringen, orsakar en signifikant ökning av känsligheten när termiska modulatorer används. Moduleringsprocessen gör att de kromatografiska banden i GC × GC-system är 10-50 gånger närmare än i 1D-GC, vilket resulterar i värden för mycket bättre toppbredder (FWHM Full Width Half Mass) mellan 50 ms till 500 ms, vilket kräver detektorer med snabb respons och små interna volymer.

När traditionella flödesmodulatorer används har de högre flödena som används för att frigöra analyterna från fällan en utspädningseffekt och ger ingen ökning av känsligheten (GC × GC-FID). Dessutom, eftersom de flesta masspektrometrar inte kan hantera de högre flödena, måste en delningsanordning användas, vilket kraftigt minskar mängden material som når MS (1/10 till 1/20), vilket orsakar en ytterligare förlust av känslighet.

Kolumnuppsättning

Uppsättningen kolumner kan konfigureras med olika typer. I det ursprungliga arbetet var kolonnuppsättningar huvudsakligen poly(dimetylsiloxan) i den första dimensionen och poly(etylenglykol) i den andra dimensionen. Dessa så kallade rakfaskolonnsatser är lämpliga för kolväteanalys. Därför används dessa fortfarande mest frekvent inom olje- och gasindustrin. För applikationer som kräver analys av polära föreningar i en opolär matris, ger en omvänd-fas kolumnuppsättning mer upplösning. Den första dimensionskolumnen i denna situation är en polär kolumn, följt av en mellanpolär andradimensionskolumn. Andra applikationer kan konfigureras annorlunda beroende på deras specifika behov. Till exempel kan de inkludera kirala kolonner för optisk isomerseparation eller PLOT-kolonner för flyktiga ämnen och gasprover.

programvara

Att optimera applikationen är mer komplext jämfört med 1D-separationer, eftersom det finns fler parametrar inblandade. Oavsett om du använder flödes- eller termisk modulering är kolonnflödet och ugnstemperaturprogrammet fortfarande viktigt. Emellertid, med termisk modulering, kall jet och hot jet pulslängd, påverkar längden av den andra dimensionen kolumn och modulering tid också de slutliga resultaten. Vid flödesmodulering är moduleringstiden, delat flöde (för MS), laddningsflöde, avlastningsflöde, ventiltider avgörande.

Resultatet är också annorlunda: GC×GC-tekniken producerar en tredimensionell plot snarare än ett traditionellt kromatogram, vilket underlättas av specialdesignade mjukvarupaket. Till exempel var GC Image den första programvaran som utvecklades för tvådimensionell gaskromatografi. Vissa mjukvarupaket används utöver de vanliga GC-paketen (eller GC-MS) medan andra är byggda som en komplett plattform, som kontrollerar alla aspekter av analysen. Det nya och annorlunda sättet att presentera och utvärdera data ger ytterligare information. Till exempel kan modern programvara utföra separation av grupptyp såväl som automatiserad toppidentifiering (med masspektrometri).

Detektorer

På grund av den lilla bredden på toppen i den andra dimensionen behövs lämpliga detektorer. Exempel inkluderar flamjoniseringsdetektor (FID), (mikro) elektronfångstdetektor (µECD) och masspektrometrianalysatorer som snabb flygtid (TOF). Flera författare har publicerat arbete med kvadrupolmasspektrometri (qMS), även om vissa avvägningar måste accepteras eftersom dessa är mycket långsammare.