Kaasukromatografia

Kaasukromatografia on yksi kromatografian muodoista. Kromatografiset menetelmät ovat aineiden erottelumenetelmiä. Kaasukromatografiassa erottuminen perustuu aineen jakaantumiseen kaasumaisen olomuodon, kantajakaasun, ja paikallaan pysyvän olomuodon, kiinteän faasin, välillä. Kaasukromatografialla erotellaan haihtuvia yhdisteitä.
Historia.
Kaasukromatografian historia ulottuu 1950-luvun vaihteeseen, jolloin saksalainen opiskelija Friz Prior kehitti kiinteän faasin kaasukromatografian vuonna 1947. Vuonna 1950 Archer John Porter Martin kehitti nykyisin yleisesti käytössä olevan kaasu-nestekromatografisen menetelmän. Myöhemmin kaasu-nestekromatografia on lähes täysin korvannut kiinteän faasin kaasukromatografian.
Toimintaperiaate.
Kaasukromatografinen erotus perustuu kaasumaisen yhdisteen jakautumiseen liikkuvan kaasufaasin ja paikallaan pysyvän faasin (stationäärifaasi) välillä. Liikkuvana faasina on kantajakaasu, joka on yleensä helium, vety, typpi tai argon. Erottuminen tapahtuu lämpötilakontrolloidussa uunissa olevassa kolonnissa, ohuessa putkessa, jonka sisällä stationäärifaasi on. Stationäärifaaseja on monta erilaista tyyppiä. Eri yhdisteillä on erilaisia vuorovaikutuksia käytettävän stationäärifaasin kanssa. Näin ollen eri yhdisteet kulkevat kolonnin läpi eri nopeudella. Näin yhdisteet erottuvat toisistaan ja kukin yhdiste voidaan tunnistaa ja sen pitoisuus määrittää. Yhdisteen kulkuaikaa koko laitteiston läpi kutsutaan retentioajaksi. Yhdisteiden erottumiseen vaikuttavia kemiallisia ja fysikaalisia vakioita ovat molekyylin koko, höyrystymislämpötila, rakenne, polaarisuus ja kiraaliset ominaisuudet.
Laitteisto.
Kaasukromatografin pääkomponentit ovat näytteensyöttöyksikkö eli injektori, kolonni, kolonniuuni ja ilmaisin eli detektori.
Näyte syötetään injektorilla. Yleisimpiä näytteen syöttötapoja ovat ns. jako- (split) ja suorainjektio (splitless). Molemmissa näyte kaasuuntuu ja osa siitä johdetaan kolonniin. Myös muita näytteen syöttötapoja käytetään, kuten kolonniin injektointi (on-colunm), purge and trap -menetelmä, ja kiinteäfaasi mikro-uutto (solid phase microextraction, SPME).
Kolonnissa yhdisteet erottuvat. Stationäärifaasi on yleensä nestemäinen ja sidottu ohuen kapillaarikolonnin sisäpinnalle ohueksi kalvoksi. Kolonni on kvartsilasia (fused silica), pituudeltaan 15–50 m ja sisähalkaisijaltaan 0,1–0,5 mm (millimetrin kymmenesosia). Kiinteäfaasikaasukromatografiassa kiinteä faasi on pakattu tiiviisti halkaisijaltaan muutaman millimetrin paksuisen putken sisään. Kolonneja on erilaisia eri käyttötarkoituksiin. Kolonnin sisähalkaisija, pituus, stationäärifaasin paksuus ja stationäärifaasin kemiallinen koostumus valitaan käyttötarkoituksen mukaan. Kolonnin pakkausmateriaali voi olla piidioksidi eli silika, alumiinioksidi, molekyyliseulat tai huokoinen polymeeri.
Kolonni on uunissa, jonka lämpötilaa voidaan säätää tarkasti ja toistettavasti. Lämpötila on yksi yhdisteiden erottumiseen vaikuttavista tekijöistä.
Detektori eli ilmaisin havaitsee kolonnissa erottuneet yhdisteet. Detektoreista yleisin on FID-detektori ("flame ionization detector"), eli liekki-ionisaatiodetektori. FID-detektorissa yhdisteet poltetaan vety-ilma-liekissä. Liekissä syntyneet ionit aiheuttavat muutoksen kaasun sähkönjohtokyvyssä, joka mitataan. FID-detektori on selektiivinen hiilivedyille ja sen herkkyys on hyvä. Toinen yleisesti käytetty detektori on TCD-detektori ("thermal conductivity detector"), joka mittaa kaasun lämmönjohtokykyä. TCD-detektori on universaali, ts. se soveltuu myös muille yhdisteille, kuin hiilivedyille, mutta sen herkkyys ei ole yhtä hyvä kuin FID-detektorin. Muita detektorityyppejä ovat muun muassa elektronisieppausdetektori (ECD) ("electron capture detector") ja massaselektiivinen detektori (MSD). Kaasukromatografi voidaan kytkeä myös massaspektrometriin tai NMR-spektrometriin. Detektorit ovat usein ei-selektivisiä, eli yhdisteitä ei voida massaspektrometriaa tai NMR-spektrometriaa lukuun ottamatta tunnistaa suoraan. Tunnistaminen tapahtuu yleisimmin yhdisteiden retentioaikojen vertailulla tunnettuihin standardiyhdisteisiin. Detektorin antaman vasteen perusteella voidaan yhdisteiden pitoisuus määrittää kvantitatiivisesti.
Rajoitukset.
Kaasukromatografia soveltuu hajoamatta haihtuvien yhdisteiden analysointiin. Ionisia yhdisteitä ei voida analysoida. Haihtumattomista yhdisteistä voidaan tehdä haihtuva johdos (derivaatta) ennen kaasukromatografista määritystä. Menetelmää kutsutaan derivoinniksi. Derivoinnissa molekyyliin liitetään jokin ryhmä, joka esimerkiksi parantaa yhdisteen stabiilisuutta tai alentaa sen höyrystymislämpötilaa. Yleisimpiä derivointireaktioita ovat muun muassa metylointi tai silylointi. Esimerkiksi huonosti haihtuvat rasvahapot voidaan derivatisoida metyyliestereiksi liittämällä rasvahappoketjuun metyyliryhmä.
Sovellukset.
Kaasukromatografialla on hyvin laajat käyttösovellukset muun muassa lääketutkimuksessa, ympäristöanalytiikassa ja yleisesti orgaanisessa analytiikassa.