Gaschromatografie is een analytische scheidingstechniek waarmee vluchtige en semi-vluchtige verbindingen worden geïdentificeerd en gekwantificeerd. De methode is gebaseerd op het verschil in interactie tussen de te scheiden stoffen en een stationaire fase in een kolom, terwijl een inert dragergas de verbindingen door het systeem voert. Gaschromatografie wordt in laboratoria breed ingezet voor kwaliteitscontrole, residuanalyse, milieubemonstering en procesbewaking.
Een vloeibaar monster wordt via een verwarmde injector in gasvorm gebracht en meegenomen door het dragergas (helium of stikstof). In de kolom — een capillair buisje van 15 tot 60 meter, bekleed met een dunne stationaire fase — verplaatsen de afzonderlijke componenten zich met verschillende snelheden. Stoffen met een hogere affiniteit voor de stationaire fase bewegen langzamer dan stoffen die weinig interactie hebben. Elk component verlaat de kolom op een kenmerkend tijdstip: de retentietijd. Een detector registreert het signaal en een software-interface verwerkt dit tot een chromatogram met pieken.
De retentietijd (tR) is de tijd tussen injectie en het maximum van de piek in het chromatogram. Elke verbinding heeft onder vaste omstandigheden (kolom, temperatuurprogramma, dragergas, flow) een karakteristieke retentietijd die als identificatieparameter wordt gebruikt.
De dode tijd (t0) — ook holdup time of void time genoemd — is de tijd die een niet-retinerende stof nodig heeft om de kolom te passeren. Dit is puur de tijd in de gasfase zonder enige interactie met de stationaire fase. De dode tijd wordt bepaald door injectie van een niet-retinerend gas (methaan bij FID, of lucht bij TCD).
Op basis van beide waarden wordt de gecorrigeerde retentietijd (t'R) berekend:
t'R = tR − t0
De retentiefactor (k) — ook capaciteitsfactor k' — is dimensieloos en systeemonafhankelijker dan de absolute retentietijd:
k = t'R / t0 = (tR − t0) / t0
Een k-waarde tussen 2 en 10 is ideaal: te laag (k < 1) betekent onvoldoende retentie en slechte scheiding van het solventfront; te hoog (k > 20) geeft brede pieken en lange analysetijden. Bij temperatuurprogrammering varieert k tijdens de run — dit is de reden waarom temperatuurprogrammering wordt ingezet voor monsters met componenten van sterk uiteenlopende kookpunten.
GC is beide, afhankelijk van hoe het chromatogram wordt gebruikt:
Het dragergas is een inert gas dat het monster door het systeem voert. Helium wordt het meest gebruikt vanwege de gunstige diffusie-eigenschappen en brede compatibiliteit met detectoren. Stikstof is goedkoper maar geeft een smallere optimale stroomsnelheid. Waterstof biedt de hoogste efficiëntie maar vereist veiligheidsmaatregelen. De keuze en aansluiting van de bijbehorende gasfles, drukregelaar en zuiverheidsgraad worden behandeld in het artikel over werken met gasflessen in het laboratorium.
De injector verdampt het vloeibare monster bij hoge temperatuur (doorgaans 200–280 °C) en brengt het in de gasstroom. De meest gebruikte injectietechnieken zijn split (voor hoge concentraties, waarbij een deel van het monster wordt afgevoerd) en splitless (voor spooranalyse, waarbij het volledige monster de kolom ingaat). Via een septum en een liner wordt het monster uit een GC-vial reproduceerbaar ingespoten — voor vloeibare monsters met een microliter-precisiespuit, voor gasvormige monsters of headspace-bemonstering met een gasdichte injectiespuit (zie gasmeetspuit) die het volume zonder lekkage of diffusie overbrengt.
De keuze tussen split en splitless injectie hangt af van de concentratie van de te analyseren componenten en de gewenste gevoeligheid. Bij split-injectie wordt slechts een fractie van het verdampte monster de kolom ingevoerd — de rest wordt via de splituitlaat afgevoerd. De splitverhouding (bijv. 1:10 of 1:50) bepaalt welk deel de kolom bereikt. Dit voorkomt overbelasting van de kolom bij hoog geconcentreerde monsters en geeft scherpe, symmetrische pieken. Nadeel: de meeste stof gaat verloren, waardoor de methode ongeschikt is voor spooranalyse. Bij splitless-injectie wordt de splitklep gedurende 0,5–1 minuut gesloten zodat het volledige monster de kolom ingaat. Dit verhoogt de gevoeligheid aanzienlijk, maar vereist een goede focussering van de bandvorm aan het kolomhoofd (koud-trap of solvent-effect) om brede, uitgerekte pieken te voorkomen. Splitless is de standaard voor residuanalyse, milieumeting en andere toepassingen waarbij concentraties in het µg/l- of ng/l-bereik worden bepaald.
De capillaire kolom — typisch met een inwendige diameter van 0,18 tot 0,53 mm en een lengte van 15 tot 60 m — is bekleed met een dunne stationaire fase. De polariteit en dikte van deze fase bepalen de selectiviteit. De oven regelt nauwkeurig de kolomtemperatuur. Bij isothermisch meten blijft de temperatuur constant; bij een temperatuurprogramma stijgt de temperatuur geleidelijk om componenten met uiteenlopende kookpunten te scheiden.
De stationaire fase in een GC-capillaire kolom is een vloeibaar polymeer dat als dunne film (0,1–5 μm) op de binnenwand van het capillair is aangebracht. De polariteit van de fase bepaalt welke verbindingen worden geretineerd en in welke volgorde ze elueren. De vuistregel is: like dissolves like — een apolaire fase retineert apolaire verbindingen het sterkst; een polaire fase retineert polaire verbindingen het sterkst.
Naast polariteit bepalen drie kolomparameters de scheidingsefficiëntie:
De meest gebruikte detectoren zijn:
De Flame Ionization Detector (FID) is de meest gebruikte detector in gaschromatografie voor organische verbindingen. Het werkingsprincipe berust op verbranding: de kolomeffluent wordt gemengd met waterstof en lucht en verbrand in een kleine vlam tussen twee elektroden. Wanneer koolstofhoudende verbindingen in de vlam verbranden, worden koolstof-ionen gevormd die een meetbare ionenstroom veroorzaken tussen de elektroden. Deze ionenstroom is evenredig met het aantal koolstofatomen dat per tijdseenheid de detector bereikt. De FID heeft een detectielimiet in het picogram-bereik (10‑12 g/s) en een dynamisch lineair bereik van zeven ordes van grootte, wat hem uitermate geschikt maakt voor kwantitatieve analyse. Belangrijke beperking: de FID reageert niet op verbindingen zonder C‑H-bindingen, zoals water, CO₂, CO, zwaveldioxide en edelgassen — voor die verbindingen is een TCD of specifieke detector vereist. De FID is destructief: het monster wordt verbrand en kan niet worden teruggevoerd.
Gaschromatografie wordt toegepast in uiteenlopende sectoren:
Naast gaschromatografie worden in laboratoria vergelijkbare scheidingstechnieken toegepast. HPLC is de aangewezen keuze voor niet-vluchtige en thermisch labiele verbindingen in vloeistofmatrix. Dunnelaagchromatografie (TLC) biedt een snelle kwalitatieve screening. Voor ionenanalyse in waterige oplossingen is ionenchromatografie (IC) de gebruikelijke methode. Molecuulgewichtskarakterisering van polymeren en eiwitten wordt uitgevoerd via grootte-exclusiechromatografie (SEC/GPC). Voor thermisch labiele verbindingen die niet vluchtig genoeg zijn voor GC maar te apolair voor standaard omgekeerde-fase HPLC, biedt superkritische vloeistofchromatografie (SFC) een milieuvriendelijk alternatief.
Bij standaard GC wordt een enkelvoudige detector gebruikt (FID of TCD) die een elektrisch signaal afgeeft als functie van de hoeveelheid stof. GC-MS koppelt de gaschromatograaf aan een massaspectrometer: elk piek krijgt niet alleen een retentietijd maar ook een massa-spectrum, waardoor definitieve structuuridentificatie mogelijk is. GC-MS is de referentiemethode voor bevestigingsanalyse.
Voor de meeste toepassingen met FID-detectie is helium de voorkeurskeuze vanwege de optimale bandbreedte en compatibiliteit. Bij gebruik van een TCD is stikstof of argon beter, omdat helium en waterstof zelf een hoge thermische geleidbaarheid hebben en het signaal verstoren. Waterstof geeft de hoogste plategetallen maar vraagt om voorzichtige omgang in het lab.
De kolomkeuze hangt af van de polariteit van de te analyseren stoffen. Een apolaire fase (zoals DB-1 of DB-5) scheidt op kookpunt en is geschikt voor koolwaterstoffen en vetzuren. Een polaire fase (zoals DB-Wax) retineert polaire verbindingen langer en is gebruikelijk voor alcoholen en aroma’s. Naast de stationaire fase spelen kolomlengte, binnendiameter en filmdikte een rol in de gewenste resolutie en analysetijd.
Een GC-standaard is een oplossing van een bekende verbinding met een bekende concentratie, die wordt gebruikt om de detector te kalibreren en kwantitatieve resultaten te berekenen. Er zijn drie gangbare kalibratiestrategieën. Bij de externe standaard wordt een kalibratieserie van de doelstof in bekende concentraties afzonderlijk gemeten; de piekoppervlakten worden uitgezet tegen de concentraties om een ijklijn op te stellen. Eenvoudig maar gevoelig voor injectievariatie. Bij de interne standaard wordt een bekende hoeveelheid van een structuurverwante maar in het monster afwezige verbinding aan elk monster en elke kalibratiesolution toegevoegd vóór injectie. De verhouding van piekoppervlak doelstof tot piekoppervlak interne standaard corrigeert automatisch voor variaties in injectievolume en instrumentrespons — dit geeft de hoogste nauwkeurigheid (RSD < 1 %). Bij standaardadditie worden bekende hoeveelheden doelstof toegevoegd aan het echte monster; dit compenseert voor matrixeffecten maar is arbeidsintensiever. Gecertificeerde referentiematerialen (CRM's) voor GC zijn verkrijgbaar in oplosmiddelen als methanol, aceton of hexaan met nauwkeurig gecertificeerde concentraties.
Derivatisering is een chemische voorbehandeling waarbij niet-vluchtige of thermisch instabiele verbindingen worden omgezet in een vluchtig, stabiel derivaat dat wel met GC kan worden geanalyseerd. Verbindingen met vrije hydroxyl-, carbonzuur-, amine- of thiolgroepen zijn vaak te polair, te weinig vluchtig of te thermisch labiel om direct te injecteren. Door ze te derivatiseren worden die polaire groepen geblokkeerd, de vluchtigheid verhoogd en de thermische stabiliteit vergroot. Gangbare derivatiseringsreacties zijn silylering (bijv. met BSTFA of TMS-reagens, voor suikers, aminozuren, vrije vetzuren), methylering (voor vetzuren tot FAME) en acylering (voor aminen en aminozuren). Derivatisering voegt een stap toe aan de monstervoorbereiding en vereist aandacht voor volledige reactie en reproduceerbaarheid, maar maakt GC-analyse mogelijk van verbindingen die anders alleen via HPLC toegankelijk zijn.
Bij headspace-analyse wordt niet het vloeibare of vaste monster zelf geïnjecteerd, maar de dampfase (headspace) boven het monster in een afgesloten vial. Het monster wordt in een thermostaat op een vaste temperatuur gebracht zodat vluchtige componenten een evenwicht instellen tussen de vloeibare en de gasfase; vervolgens wordt een nauwkeurig afgemeten volume van de gasfase ingespoten in de GC. Statische headspace is eenvoudig en breed toepasbaar (alcoholbepaling in bloed, residuele oplosmiddelen in farmaceutische producten, aroma's in voedsel). Dynamische headspace (purge-and-trap) wordt gebruikt voor nog lagere concentraties: het monster wordt doorgespoeld met een inert gas dat de vluchtige componenten meeneemt en op een adsorptiebuis concentreert, waarna thermische desorptie volgt. SPME (solid-phase microextraction) combineert adsorptie en desorptie in één stap via een gecoate vezel die direct in de headspace of het monster wordt gedompeld en daarna in de injector wordt gedesorbeerd — een solventvrije en gevoelige techniek voor spooranalyse.
Kolombloeding (column bleed) is het geleidelijk vrijkomen van stationaire-fasemateriaal uit de GC-kolom als gevolg van thermische afbraak bij hoge temperaturen. Het manifesteert zich als een stijgende basislijn die bij het opwarmen van de oven toeneemt en bij afkoelen weer daalt. Bij GC-MS is kolombloeding herkenbaar aan karakteristieke ionen (m/z 207, 281, 355 voor polysiloxaanfasen). De belangrijkste oorzaken zijn overschrijding van de maximale bedrijfstemperatuur van de kolom, aanwezigheid van zuurstof in het dragergas (oxidatieve afbraak) of vochtindringing. Kolombloeding vermindert u door de kolomtemperatuur minimaal 20 °C onder de opgegeven maximumtemperatuur te houden, een oxygentrap en moisture-trap te plaatsen in de dragergas-lijn, en de kolom periodiek te conditioneren (langzaam opwarmen naar de maximumtemperatuur zonder detector). Een verouderde kolom met structurele bloeding moet worden vervangen.
Bij HPLC is de mobiele fase een vloeistof — doorgaans een mengsel van water met organische oplosmiddelen als acetonitril of methanol — die continu door de kolom wordt gepompt en als afvalstroom het systeem verlaat. Een typische HPLC-methode verbruikt 5–20 ml oplosmiddel per minuut, wat bij een analyse van 30 minuten resulteert in 150–600 ml chemisch afval. GC gebruikt als mobiele fase uitsluitend een inert dragergas (helium, stikstof of waterstof) dat kosteloos en zonder afvalprobleem wordt afgevoerd. Het enige oplosmiddel bij GC zit in de monsteroplossing zelf, doorgaans enkele microliters. Per analyse is de oplosmiddelvoetafdruk van GC daarmee een factor 1000 tot 10.000 kleiner dan van HPLC. Bovendien vereist GC geen gevaarlijke oplosmiddelen als mobiele fase, wat de arbeidshygiënische risico's en afvalverwerkingskosten sterk vermindert. Dit is een van de redenen waarom GC de voorkeur geniet voor vluchtige verbindingen wanneer de chemische aard van het monster de keuze toelaat.
Een systematische aanpak voor het interpreteren van een GC-chromatogram:
Een negatieve piek (piek die onder de basislijn uitsteekt) is in GC een aanwijzing voor een specifiek signaalverstorend effect en geen gewone analytpiek. De meest voorkomende oorzaken zijn de volgende. Bij een TCD treedt een negatieve piek op wanneer de thermische geleidbaarheid van de eluerendeverbinding lager is dan die van het dragergas: de detector registreert dan minder warmtegeleiding dan de referentiestroom, wat resulteert in een omgekeerd signaal. Dit doet zich voor bij zware organische verbindingen in een heliumstroom. Bij een FID zijn negatieve pieken zeldzaam maar kunnen ze optreden door een negatieve ionenstroom als gevolg van electronegatieve verbindingen (zoals gehalogeneerde koolwaterstoffen bij bepaalde vlaminstellingen). Een andere oorzaak is solventeffect bij splitless-injectie: als het oplosmiddel een hogere FID-respons heeft dan het dragergas en het monster een component bevat dat de verbranding onderdrukt, kan een korte dip na de solventpiek zichtbaar zijn. Tot slot kunnen negatieve pieken ontstaan door negatieve matrixeffecten bij injectie van complexe monsters of door incorrecte polariteitsinstellingen van de data-acquisitiesoftware. Systematische negatieve pieken rechtvaardigen altijd controle van de polariteitsinstelling, de detectorvlaminstellingen en de keuze van dragergas en detector.
Voor de karakterisering van vaste, onoplosbare monsters — polymeren, elastomeren, coatings en materialen — is pyrolyse-GC/MS de logische uitbreiding van de standaard GC/MS-opstelling: het monster wordt in milliseconden bij 500–800 °C thermisch afgebroken tot kenmerkende fragmenten die vervolgens door dezelfde GC/MS worden geanalyseerd.
Bekijk het assortiment chromatografie-accessoires, of neem contact op voor advies bij de keuze van de juiste materialen voor uw GC-toepassing.
Disclaimer: De informatie in dit artikel is bedoeld als algemene technische toelichting. Canidae Seal B.V. / Labvakhandel.nl aanvaardt geen aansprakelijkheid voor de toepassing van deze informatie in specifieke analytische, klinische of industriële situaties. Raadpleeg voor uw eigen toepassing altijd de geldende normen, vakliteratuur en de documentatie van fabrikant en apparatuur.
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
