Zasada działania

Chromatografia gazowa to jedna z fundamentalnych technik separacyjnych wykorzystywanych do analizy jakościowej i ilościowej szerokiej gamy substancji chemicznych. Podobnie jak inne techniki, również ta ewoluuje i rozwija się. Obecnie coraz większą popularność zyskuje jej dwuwymiarowa odmiana, nazywana pełną dwuwymiarową chromatografią gazową (z ang. comprehensive twodimensional gas chromatography). Prace nad nią spowodowane były m.in. licznymi problemami z zadowalającym rozdziałem złożonych mieszanin. Problem ten szczególnie widoczny jest w przypadku próbek petrochemicznych, środowiskowych o skomplikowanej matrycy czy żywności.

Dwuwymiarowy układ chromatografii gazowej (GC x GC) tworzy się poprzez połączenie – z wykorzystaniem tego samego interfejsu – dwóch niezależnych kolumn chromatograficznych. Kolumny te różnią się od siebie właściwościami rozdzielczymi, najczęściej polarnością wypełnienia. Para kolumn dobierana jest w taki sposób, aby związki, które korelują wspólnie na pierwszej kolumnie, na drugiej mogły zostać rozdzielone z zadowalającą selektywnością.

W dwuwymiarowej chromatografii gazowej wyróżnia się dwa zasadnicze tryby pracy – tzw. heart-cutting oraz GC x GC. Pierwszy z nich polega na tym, że na drugą z pary kolumn wprowadzane są jedynie wybrane frakcje, dla których pożądany jest bardziej złożony rozdział chromatograficzny. Taki tryb sprawdza się w przypadku, gdy użytkownik wie, jaki analit chce wydzielić z początkowej mieszaniny, zatem gdy analiza jest ukierunkowana. Drugi tryb – GC x GC – polega na tym, że cała frakcja z pierwszej kolumny trafia do drugiej kolumny. Taki tryb zapewnia znacznie bardziej kompleksowy rozdział składników całej mieszaniny.

Układ pomiarowy

Układ wykorzystywany do dwuwymiarowej chromatografii gazowej nie różni się znacząco od klasycznego GC. Większość elementów jest taka sama. W technice dwuwymiarowej wykorzystuje się chociażby te same dozowniki czy detektory. Również próbka wprowadzana jest do urządzenia analogicznie. Nawet kolumny, mimo że stosuje się dwie o właściwościach dopełniających, to równie dobrze można wykorzystać każdą z osobna w technice jednowymiarowej.

Podstawową i najistotniejszą różnicą pomiędzy techniką jednowymiarową i dwuwymiarową jest jednoczesne użycie dwóch kolumn chromatograficznych, o odpowiednio dobranych właściwościach tak, aby dopełniały się wzajemnie. Kolumny stosowane w pierwszym wymiarze mają zwykle niepolarne fazy stacjonarne. Obydwie kolumny łączy się z wykorzystaniem urządzeń nazywanych modulatorami. Ich zadaniem jest zatężanie analitów wychodzących z pierwszej kolumny oraz przekazywanie ich do drugiej. Najczęściej stosuje się modulatory termiczne oraz zaworowe. Zwykle kolumny wraz z modulatorem są umieszczone w jednym piecu chromatograficznym, aczkolwiek istnieją rozwiązania, gdzie każda z kolumn jest umieszczona indywidualnie w osobnym piecu – pozwala to skuteczniej monitorować temperaturę dla każdego rozdziału. Co ważne, kolumny do drugiego wymiaru są zwykle krótsze. Jest to spowodowane tym, że pożądane jest, aby czas analizy w drugiej kolumnie był stosunkowo krótki, nie dłuższy niż tzw. okres modulacji, czyli czas zatrzymywania składników w modulatorze między pierwszą a drugą kolumną. W dwuwymiarowej chromatografii gazowej wybierane są te same detektory, co w jednowymiarowej technice. Istotnym kryterium wyboru powinna być duża szybkość działania. Do najczęściej typowanych należą detektory płomieniowo-jonizacyjne, wychwytu elektronów czy emisji atomowej.

Obszary zastosowania

Analiza produktów ropopochodnych

GC x GC pierwotnie była stosowana głównie do analizy produktów ropopochodnych. Są to mieszaniny składające się z setek składników, dlatego niezwykle ważne jest dokładne poznanie ich składu. Z wykorzystaniem dwuwymiarowej chromatografii gazowej bada się głównie ropę naftową, rozpuszczalniki na bazie węglowodorów alifatycznych czy frakcje olefinowe ropy naftowej. Transformacje energetyczne, związane z tym odchodzenie od paliw kopalnych i wprowadzanie alternatywnych produktów, wymaga kompleksowego poznania ich składu, co pomaga badać ich właściwości.

Kryminalistyka

Interesujące zastosowanie dwuwymiarowa chromatografia gazowa znalazła w kryminalistyce. GC x GC jest niezwykle przydatna w analizie ludzkiego zapachu. Wykorzystywana jest do wyznaczania profilu zapachowego ludzkiego ciała, np. dłoni. Wymaga to ustalenia rodzaju lotnych związków organicznych uwalnianych przez ludzki organizm. Równie ciekawe jest wykorzystanie tej techniki do analizy podpaleń. Okazuje się, że w większości przypadków, jako przyspieszacze pożarów, stosowane są ciecze bazujące na ropie naftowej. Z natury są to złożone, lotne mieszaniny, do których separacji doskonale nadaje się GC x GC.

Analiza środowiskowa

Analiza środowiskowa GC x GC w dużej mierze obejmuje próbki powietrza atmosferycznego. Niskie stężenia części składników, głównie tych na poziomie śladowym, sprawiły, że nie jest możliwe ich oznaczenie ilościowe innymi technikami. Pozostałe zastosowania obejmują analizę zawartości m.in. wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych czy polichlorowanych bifenyli.

Analiza produktów żywnościowych

Produkty żywnościowe cechują się wyjątkowo skomplikowanymi i złożonymi matrycami. Dwuwymiarowa chromatografia gazowa jest szczególnie chętnie wykorzystywana do oznaczania pozostałości pestycydów, które charakteryzują się wysoką zdolnością do bioakumulacji oraz wyjątkową trwałością. Niektóre zastosowania obejmują także rozróżnianie odmian owoców lub miodów z różnych regionów, w zależności od ich składu.