KROMATOGRAFI GAS
Any Guntarti
Gas Chromatography
Dasar Pemisahan
• Penyebaran cuplikan antara
2 fase → fase diam & fase gerak
• Aplikasi → senyawa mudah ↑
erdasarkan Fase Diam
• KGP → fase diam padat
Dasar → penyerapan fase diam / adsorpsi
Ex: silika gel, ayakan nol, arang dsb.
• KGC → fase diam cair
Dasar pemisahan → partisi sampel yang
masuk/keluar dari lapisan cair
Sampel / cuplikan : bisa cair, padat, gas
Contoh Fase Gerak : gas H2, He, N2
Keuntungan
•
•
•
•
•
•
Kolom scr kontinyu dijaga oleh FG/ gas
Sampel terpisah secara sempurna
Waktu relatif pendek
Sensitivitas tinggi
Sampel sedikit
mudah
Kerugian
• Komponen yang tertahan kuat dalam fase
diam → sulit dipisahkan
↓
diatasi dengan suhu kolom ↑
• Personal tertentu
• Mahal
agian Dasar Kromatografi Gas
Tangki gas pembawa
Pengendali aliran & pengatur tekanan
Gerbang suntik
Kolom
Detektor
Perekam
Termostat
SCHEMATIC OF GC
Injector
Detector
Recorder and
Data
processing
Carrier gas
Column
9
1. Tangki gas pembawa/fase gerak
• Gas pembawa → H2, He, N2
Syarat :
Lembam
Meminimumkan difusi
Mudah didapat & murni
Cocok dengan detektor → pers. Van Deemter
H = A + B/u + C.u
Gas Purity
A. Molecular Sieve Trap B. Hydrocarbon Trap C. Oxygen Trap
Traps
Molecular Sieve Trap
(moisture trap)
Hydrocarbon Trap
Oxygen Trap
14
2. Sample Injection System
• Introduced as a plug of vapor
with suitable size
• Slow injection or oversized
samples cause band spreading
and poor resolution
• Microsyringes
• Injection ports
•
diperkenalkan sebagai plug uap dengan ukuran yang cocok
Injksi lambat atau sampel kebesaran menyebabkan band yang
menyebar dan miskin resolusi
Microsyringes
port injeksi
15
Injection port
Carrier
gas
Vent
Septum
Septum
purge
Heated
injection
port
Inlet liner
Column
• 50º C greater than boiling
point of the least volatile
component
• Sample size: L
• Split mode (1:100)
• Split/splitless mode
• Autosampler
•
50 º C lebih besar dari titik didih
komponen paling volatil
Ukuran sampel: L
Mode split (1:100)
Split / modus pisah
autosampl
16
Vaporization Injectors
• Basic design
– a glass liner resides inside
the heated, metal injector
body
• Sample introduction
– rapidly vaporizes as of high
temperature
– carried by the movement
of carrier gas into the
column
–
dasar desain
liner kaca berada dalam panas, injector
tubuh logam
pengenalan sampel
cepat menguap pada suhu tinggi
dibawa oleh pergerakan gas pembawa ke
17
dalam kolom
Microsyringes/ Autosampler
Autosampler
Gas-tight syringe
Microsyringe
18
Inlet Liners
19
Accessories: Vial, Septa and Caps
20
3. Kolom
Mengkondisikan kolom
Minimum 2 jam, 250C di atas suhu
maksimum kolom yang digunakan
Aliran gas pembawa lambat
(5 – 10 ml/menit)
Jangan disambung ke detektor
Contoh Penyangga
Chromosorb P
Chromosorb W
Chromosorb G
Chromosorb T
Bata
Fluoropak 80
Sifat penyangga :
Lembam
Tidak mudah remuk
Permukaan luas
Bentuk teratur, ukuran
sama
Column Dimensions
• Column Length: 10 – 60 m
• Column Internal Diameter: 0.10 – 0.53 mm
• Stationary Phase Film Thickness: 0.10 – 0.25 m
23
Jenis kolom
• Kolom packed dan kolom kapiler
25
Packed vs Capillary
• Length: 2-50 m or more
• Stainless steel, glass, fused silica, or Teflon
Packed Column
Open-tubular Column
(capillary column)
Packed Column
• Glass or metals
• 2-3 m long, 2-4 mm i.d.
• Densely packed with packing materials or solid support
coated with thin layer of stationary liquid phase
• Diatomaceous earth
• Size: 60-80 mesh (250-170 m) or 80-100 mesh (170149 m)
•
Kaca atau logam
2-3 m panjang, 2-4 mm i.d.
Padat dengan bahan kemasan atau dukungan padat dilapisi dengan lapisan tipis fase cair
stasioner
tanah diatom
Ukuran: 60-80 jala (250-170 m) atau 80-100 jala (170-149 m)
Open Tubular Column
• Better resolution – efficient mass transfer between gas
and SP
• Tubing – fused silica, glass, copper, stainless steel
29
Types of Open Tubular Column
Solid support coated
with liquid phase
Liquid phase
Porous Adsorbent
Wall-coated Open Tubular
Support-coated Open Tubular
Porous Layer Open Tubular
(WCOT)
(SCOT)
(PLOT)
FSOT: Fused-silica open tubular column
30
Characteristics
Type of Column
FSOT
WCOT
SCOT
Packed
10-100
10-100
10-100
1-6
0.1-0.3, 0.53*
0.25-0.75
0.5
2-4
2000-4000
1000-4000
600-1200
500-1000
Sample size (ng)
10-75
10-1000
10-1000
10-106
Relative pressure
Low
Low
Low
High
Relative speed
Fast
Fast
Fast
Slow
Flexible
Yes
No
No
No
Chemical inertness
Best
Length (m)
ID (mm)
Efficiency (Plate/m)
*Megabore column
Poor
31
Stationary Phases

Low volatility, thermal stability, chemical inertness

Provide k and  within a suitable range

consider the polar characteristics of the analytes and
select SP of similar polarity
‘Like dissolves like’
Volatilitas yang rendah, stabilitas termal, inertness kimia
Menyediakan k dan dalam kisaran yang cocok
mempertimbangkan karakteristik kutub analit dan pilih SP polaritas yang sama
32
Stationary Phases
• Solid phase
– Most uses for separation of low MW compounds and
gases
– Common SP: silica, alumina, molecular sieves such as
zeolites, cabosieves, carbon blacks
• Liquid phase
– Over 300 different phases are widely available
– grouped liquid phases
• Non-polar, polar, intermediate and special phases
– Polymer liquid phase
•
fase padat
Sebagian besar menggunakan untuk pemisahan senyawa MW rendah dan gas
SP umum: silika, alumina, saringan molekuler seperti zeolit​​, cabosieves, karbon hitam
fase cair
Lebih dari 300 fase yang berbeda tersedia secara luas
dikelompokkan fasa cair
Non-polar, polar, fase perantara dan khusus
33
Stationary Phase Polymers
• Siloxane

Arylene

Polyethylene glycol
34
Liquid phases
• Non-polar phase
• Primarily separated according to their volatilities
• Elution order varies as the boiling points of analytes
• Common phases: dimethylpolysiloxane,
dimethylphenylpolysiloxane
• Polar phase
• Contain polar functional groups
• Separation based on their volatilities and polar-polar
interaction
• Common phases: polyethyleneglycol
• Intermediate phase
•
Fase non-polar
Terutama dipisahkan menurut volatilitas mereka
Agar Elusi bervariasi sebagai titik didih analit
Fase umum: dimetil, dimethylphenylpolysiloxane
fase polar
Mengandung gugus polar
Pemisahan berdasarkan volatilitas mereka dan interaksi kutub-kutub
Fase umum: polietilenaglikol
35
Bonded and Cross-linked SP
Polymer chains
Cross-linking
Bonding
Fused silica tubing surface
• Bonded and cross-linked SP provides long term stability,
better reproducibility and performance.
36
Common stationary phase coating for capillary column
Composition
Polarity
Applicaitons
Temp
limits
100% dimethyl polysiloxane
(Gum)
Nonpolar
Phenols, Hydrocarbons, Amines,
Sulfur compounds, Pesticides,
PCBs
-60oC to
325oC
100% dimethyl polysiloxane
(Fluid)
Nonpolar
Amino acid derivatives, Essential
oils
0oC to 280oC
5% diphenyl 95% dimethyl
polysiloxane
Nonpolar
Fatty acids, Methyl esters,
Alkaloids, Drugs, Halogenated
compounds
-60oC to
325oC
14% cyanopropyl phenyl
polysiloxane
Immediate
Drugs, Steroids, Pesticides
-20oC to
280oC
50% phenyl, 50% methyl
polysiloxane
Immediate
Drugs, Steroids, Pesticides, Glycols
60oC to 240oC
50% cyanopropylmethyl, 50%
phenylmethyl polysiloxane
Immediate
Fatty acids, Methyl esters, Alditol
acetates
60oC to 240oC
50% trifluoropropyl polysiloxane
Immediate
Halogenated compounds,
+Aromatics
45oC to 240oC
Polyethylene glycol – TPA
modified
Polar
Acids, Alcohols, Aldehydes
acrylates, Nitriles, Ketones
60oC to 240oC
Polyethylene glycol
Polar
Free acids, Alcohols, Ethers,
Essential oils, Glycols, Solvents
60oC to 220o37C
38
4. Suhu / Termostat :
sistempengendali
1. Suhu gerbang suntik
- cukup panas me↑ suhu cuplikan
- cukup rendah mencegah penguraian
2. Suhu kolom
- cukup tinggi → analisis tercapai
- cukup rendah → Rs
3. Suhu detektor
- jenis detektornya
5. Purpose of Detector
- Monitor the carrier gas as it emerges from
the column
- Generate a signal in response to variation
in its composition due to eluted
components.
-
Memantau gas pembawa seperti itu muncul dari kolom
- Menghasilkan sinyal dalam menanggapi variasi dalam komposisi karena
komponen dielusi.
40
Ideal Detector
• Adequate sensitivity 10-8 – 10-15 g solute/s
• Good stability and reproducibility
• Linear response to analytes
• Temperature range from room temperature to at least 400oC
• Short response time
• High reliability and ease of use
• Similarity in response
• Nondestructive of sample
• Low background noise and ease of operation
41
• Sensitivitas yang memadai 10-8 - 10-15 g zat terlarut / s
Stabilitas yang baik dan reproduktifitas
Respon linier untuk analit
Kisaran suhu dari suhu kamar sampai setidaknya 400oC
Waktu respon yang singkat
Kehandalan tinggi dan kemudahan penggunaan
Kesamaan dalam menanggapi
Nondestructive sampel
Rendah kebisingan latar belakang dan kemudahan operasi
DETEKTOR, ada 2 jenis :
A. DHB (detektor hantar bahang) → TCD ( thermal
Conductivity Detector)
Peka terhadap laju aliran gas pembawa
Makin besar jumlah tumbukan molekul dengan
kawat pijar per waktu → makin besar pelepasan
bahang
Nama lain Katarometer → Claesson (1946)
Prinsip Operasional T.C.D
• Thermal conductivity detector didasarkan pada
prinsip bahwa suatu badan yang panas akan
melepaskan panas pada suatu tingkat yang
tergantung pada komposisi dari lingkungan
sekitarnya. Kebanyakan thermal conductivity detector
berisi kawat logam yang dipanaskan secara elektrik
dan menjulang pada aliran gas. Resistan elektrik
adalah secara normal diukur oleh Wheatstone brigde
circuit.
• TCD merupakan detektor universal dan tidak mudah rusak
B. DPN (detektor pengionan nyala) → FID (flame
ionization det)
Bahwa hantar listrik suatu gas berbanding
lurus dengan konsentrasi zarah bermuatan
dalam gas
lanjutan
• Sejumlah besar detektor dalam kromatografi gas
diklasifikasikan sebagai Ionization Detectors. Dalam
ionization detectors, konduktivitas elektrik dari gas diukur
pada kehadiran komponen analit.
• Jenis ionization detector adalah :
•
•
•
•
Flame Ionization Detector (F.I.D.)
Electron Capture Detector (E.C.D.)
Thermionic Spesific Detector N, P spesific (T.S.D.)
Photo Ionization Detector (P.I.D.)
FID Assembly
47
Flame Ionization Detector (F.I.D.)
• Pada F.I.D, sumber ionisasi adalah pembakaran biasanya berasal
dari hidrogen dan udara atau oksigen.
•
FID ini sempurna dan mungkin merupakan detektor yang paling
banyak digunakan. Bersifat sensitif dan digunakan secara
ekstensif dengan kolom kapiler.
• FID akan memberi respon hanya terhadap senyawa organik,
tidak pada udara atau air atau gas ringan yang telah ditetapkan.
• Pada senyawa-senyawa organik, selektivitas sangat kecil.
Electron Capture Detector (E.C.D.)
• Nitrogen sebagai gas pembawa mengalir
melalui detektor dan terionisasi oleh
sumber elektron biasanya tritum yang
teradsorbsi pada Titanium atau Scandium
(TiH3, ScH3) atau Nickel 63 (Ni63).
• Nitrogen terionisasi akan membentuk arus
antar elektroda-elektroda.
• Analit tertentu masuk ke detektor akan
bereaksi dengan elektron-elektron untuk
membentuk ion negatif.
• R- X + e → R- X –
• Pada saat ini terjadi, arus akan berkurang
sebagai respon negatif. Detektor akan
sangat sensitif terhadap molekul yang
mengandung atom-atom elektronegatif. ( N.
O, S, F, Cl)
Electron capture detector sangat sensitif terhadap
molekul tententu, yaitu :
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Alkil halida
Conjugated carboxyl
Nitrit
Nitrat
Organometals
Tetapi tidak sensitif terhadap :
Hydrocarbons
Alcohols
Ketones
Sebagai akibat dari sensitivitasnya terhadap alkil halida, ECD
ini telah digunakan secara ekstensif dalam analisa pestisida
dan obat-obatan dimana alkil halida telah diderivatisasi.
Pestisida tertentu telah terdeteksi pada sub picogram level.
Karena tingginya sensitivitas, ECD ini telah digunakan secara
ekstensif pada kolom kapiler.
Thermionic Spesific Detector (T.S.D)
untuk N dan P
• Dengan mengoperasikan flame ionization detector
pada temperatur lebih rendah dan memasukkan
atom-atom logam alkali ke dalam resulting plasma,
maka detektor dapat dibuat selektif terhadap
nitrogen dan phosphorus.
• TSD untuk Nitrogen dan fosfor menggunakan ujung
keramik yang dipanaskan secara elektrik yang terdiri dari
logam alkali-Rubidium yang dioperasikan dalam
lingkungan hidrogen-udara. Sebuah potensial dipasang
pada sistem dan menghasilkan arus yang sebanding
dengan konsentrasi nitrogen atau fosfor yang ada.
• Digunakan secara ekstensif dalam analisa obat-obatan
dan pestisida.
• Dibandingkan dengan Flame Ionization Detector, T.S.D.
50 kali lebih sensitif untuk senyawa nitrogen 500 kali
lebih sensitif untuk phosphorus. Dibandingkan dengan
Flame Photometric Detector, T.S.D. kira-kira 100 kali
lebih sensitif.
GC Detector
Type
Applicable samples
Typical detection
limit
Flame ionization (FID)
Hydrocarbons
0.2 pg/s
Thermal conductivity (TCD)
Universal detector
500 pg/mL
Electron Capture (ECD)
Halogenated compounds
5 fg/s
Mass Spectometer (MSD)
Tunable for any species
0.25-100 pg
Nitrogen-phosphorous (NPD)
N, P compounds
0.1 pg/s (P)
1 pg/s (N)
0.5 pg Cl/s
Electrolytic conductivity (ELCD)
Compounds containing halogens,
S, or N
2 pg S/s
4 pg N/s
Photoionization (PID)
Compounds ionized by UV
Flame Photometric (FPD)
S, P compounds
Fourier Transform IR (FTIR)
Organic compounds
2 pg/C/s
10-100 pg (S)
1-10 pg (P)
0.2-40 ng
56
SFC (Supercritical Fluid Chromat)
* Pengembangan HPLC dan KG
Fase gerak
fase diam
↓
↓
Cairan superkritikal
HPLC / KG
↓
Gas diubah menjadi 1 fase tunggal
Fase diam :
• Terpacking (50 m)
• Kolom kapiler
• Kerapatan cairan > → mudah larut
• Viskositas, tetapi 100 x lebih besar dari fase cairan
• Koef. difusi cairan diantara fase cair & fase gas →
pelebaran puncak ≥
Fase Gerak : CO2
Detektor : UV-Vis, Flouresns, Masspek
anjutan…
Aplikasi SFC :
Pencemaran udara : HC, Aldehid, keton, SO2, H2S, H2O
Klinik : asam amino, CO2, KH, dll
Penyalut : damar
M. atsiri
Makanan
Sisa pestisida
Minyak bumi
Bahan farmasi & Obat
Kromatogram Gas pada Spektrometer Massa
(GC-MS)
Ketika detektor menunjukkan puncak, setelah melewati
detektor kemudian akan diuapkan untuk diuji
spektrometer massa.
Hal ini akan memberikan pola fragmentasi yang dapat
dibandingkan dengan data dasar senyawa yang telah
diketahui sebelumnya pada komputer. Identitas senyawasenyawa dalam jumlah besar dapat dihasilkan tanpa harus
mengetahui waktu retensinya
Instrument GC-MS
Mass Spectrometer Detector (MSD)
MS with EI ion source, a quadrupole mass analyzer and a
continuous-dynode electron multiplier.
63
MSD Assembly
64
Hyphenated GC-MS
65
EI process
• M + e-
f1
M+*
f2
f3
f4
This is a remarkably reproducible process. M will fragment in the
same pattern every time using a 70 eV electron beam
Ini adalah proses yang sangat direproduksi. M akan fragmen dalam pola yang sama setiap
kali menggunakan 70 eV berkas elektron
sungguh
Ion Chromatogram of Safflower Oil
CI/ ion-molecule reaction
• 2CH4 + e-  CH5+ and C2H5+
• CH5+ + M  MH+ + CH4
• The excess energy in MH+ is the difference in
proton affinities between methane and M,
usually not enough to give extensive
fragmentation
•
Kelebihan energi dalam MH + adalah perbedaan afinitas proton antara metana dan M,
biasanya tidak cukup untuk memberikan fragmentasi yang luas
EI spectrum of phenyl acetate
Contoh :
Kromatogram GC biji jinten hitam
Komponen dalam biji jinten hitam
No puncak kromatogram
Perkiraan komponen
1
4
16
21
22
23
24
25
26
1,2,4 Trimetil Benzen
2,6 Dimetilnonan
Undekan
Eugenol
Alfa-Kubeben
Kopaen
Beta-Kariofilli
Alfa-Humulen
Eugenil Asetat
Classification of Detectors
• Concentration vs. Mass flow rate
• Selective vs. Universal
• Destructive vs. Nondestructive
• Konsentrasi Massa vs laju alir
Selektif vs Universal
Merusak vs tak rusak
78
Concentration vs. Mass Flow
• Concentration-dependent detectors: TCD, ECD
– normally non-destructive
– can be used in series
– make-up gas lower the response
• Mass flow dependent detectors: FID, NPD, FPD
– signal related to rate of solute molecules enter the detector
– destructive
– unaffected by make-up gas
–
Tergantung konsentrasi detektor: TCD, ECD
biasanya non-destruktif
dapat digunakan dalam seri
make-up gas menurunkan respon
Aliran massa tergantung detektor: FID, NPD, FPD
sinyal berkaitan dengan tingkat molekul terlarut masukkan detektor
destruktif
tidak terpengaruh oleh gas make-up
79
Selective vs. Universal
• Universal detectors: TCD
– Detecting all solutes
– Beneficial for qualitative screening
• Selective detectors: ECD,NPD,FPD
– Responds to particular types of compounds
• common chemical or physical property
– Enhances sensitivity for trace analysis
–
Detektor Universal: TCD
Mendeteksi semua zat terlarut
Bermanfaat untuk skrining kualitatif
Detektor selektif: ECD, NPD, FPD
Tanggapi jenis tertentu senyawa
kimia umum atau properti fisik
Meningkatkan kepekaan untuk analisis jejak
80