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 Recorder and Data processing Detector Injector Carrier gas Column

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

Analytical Chemistry II Gas Purity So the first one that I will looking at is carrier gas velocity. This graph is a van Deemter plot which shows the relationship between the HETP ( the height equivalent of the theoretical plates) and carrier gas velocity. The minimal value of HETP corresponds to the optimal efficiency and resolution for separation. From this graph we can see that the optimal efficiency can get when the carrier gas velocities are 12 cm/s for N2, 25 cm/s for He and 40 cm/s for H2 which normally use in conventional GC. So our goal to speed up the analysis time is increase the carrier gas velocity if it’s possible. We can see that the curve are U-shaped. This means the efficiency is lost when the velocity of carrier gas is far above the optimal value. Anyway, the shape of curve for H2 and He are flat in high velocity region. This possibly increases the velocity of carrier gas when using H2 or He as carrier gas without significantly lost in resolution. However, H2 is better than He as the curve is flatter. So in high-speed GC, they usually use H2 as carrier gas. However, using H2 always requires special safety precautions in the event of a leak. A. Molecular Sieve Trap B. Hydrocarbon Trap C. Oxygen Trap พุทธรักษา วรานุศุภากุล

Molecular Sieve Trap (moisture trap) Traps Hydrocarbon Trap Molecular Sieve Trap (moisture trap) Oxygen Trap

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

Injection port 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 Carrier gas Septum Septum purge Heated injection port Vent Inlet liner Column

Vaporization Injectors Analytical Chemistry II 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 dalam kolom พุทธรักษา วรานุศุภากุล

Microsyringes/ Autosampler Gas-tight syringe Microsyringe

Inlet Liners

Accessories: Vial, Septa and Caps

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 Sifat penyangga : 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 mm

Jenis kolom Kolom packed dan kolom kapiler

Open-tubular Column (capillary column) Packed vs Capillary Length: 2-50 m or more Stainless steel, glass, fused silica, or Teflon Open-tubular Column (capillary column) Packed 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 (170-149 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

Types of Open Tubular Column Solid support coated with liquid phase Porous Adsorbent Liquid phase Wall-coated Open Tubular (WCOT) Support-coated Open Tubular (SCOT) Porous Layer Open Tubular (PLOT) FSOT: Fused-silica open tubular column

Characteristics Type of Column *Megabore column FSOT WCOT SCOT Packed Length (m) 10-100 1-6 ID (mm) 0.1-0.3, 0.53* 0.25-0.75 0.5 2-4 Efficiency (Plate/m) 2000-4000 1000-4000 600-1200 500-1000 Sample size (ng) 10-75 10-1000 10-106 Relative pressure Low High Relative speed Fast Slow Flexible Yes No Chemical inertness Best Poor *Megabore column

Low volatility, thermal stability, chemical inertness 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

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 Fase cair Polimer

Stationary Phase Polymers Arylene Siloxane Polyethylene glycol

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 fase menengah

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.

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) Amino acid derivatives, Essential oils 0oC to 280oC 5% diphenyl 95% dimethyl polysiloxane Fatty acids, Methyl esters, Alkaloids, Drugs, Halogenated compounds 14% cyanopropyl phenyl polysiloxane Immediate Drugs, Steroids, Pesticides -20oC to 280oC 50% phenyl, 50% methyl polysiloxane Drugs, Steroids, Pesticides, Glycols 60oC to 240oC 50% cyanopropylmethyl, 50% phenylmethyl polysiloxane Fatty acids, Methyl esters, Alditol acetates 50% trifluoropropyl polysiloxane Halogenated compounds, +Aromatics 45oC to 240oC Polyethylene glycol – TPA modified Polar Acids, Alcohols, Aldehydes acrylates, Nitriles, Ketones Polyethylene glycol Free acids, Alcohols, Ethers, Essential oils, Glycols, Solvents 60oC to 220oC

4. Suhu / Termostat : sistempengendali 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

- Monitor the carrier gas as it emerges from the column 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.

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

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

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.

Typical detection limit 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) Electrolytic conductivity (ELCD) Compounds containing halogens, S, or N 0.5 pg Cl/s 2 pg S/s 4 pg N/s Photoionization (PID) Compounds ionized by UV 2 pg/C/s Flame Photometric (FPD) S, P compounds 10-100 pg (S) 1-10 pg (P) Fourier Transform IR (FTIR) Organic compounds 0.2-40 ng

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

Lanjutan… 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 senyawa-senyawa 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.

MSD Assembly

Hyphenated GC-MS

EI process M+* M + e- f1 f2 f4 f3 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 1,2,4 Trimetil Benzen 4 2,6 Dimetilnonan 16 Undekan 21 Eugenol 22 Alfa-Kubeben 23 Kopaen 24 Beta-Kariofilli 25 Alfa-Humulen 26 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

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

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