Any Guntarti

KROMATOGRAFI GAS

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 H 2 , He, N 2

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

Carrier gas

SCHEMATIC OF GC

Injector Detector Recorder and Data processing Column

9

1. Tangki gas pembawa/fase gerak

• Gas pembawa → H 2 , He, N 2

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

Carrier gas Vent

Injection port

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 dalam kolom 17

Microsyringes/ Autosampler

Gas-tight syringe Autosampler Microsyringe

18

Inlet Liners 19

Accessories: Vial, Septa and Caps 20

3. Kolom Mengkondisikan kolom Minimum 2 jam, 25 0 C 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 (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 29

Liquid phase

Types of Open Tubular Column

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

30

Characteristics

Length (m) ID (mm) Efficiency (Plate/m) Sample size (ng) Relative pressure Relative speed Flexible Chemical inertness FSOT 10-100 0.1-0.3, 0.53* Type of Column WCOT 10-100 0.25-0.75

SCOT 10-100 0.5

2000-4000 1000-4000 600-1200 10-75 Low Fast Yes Best 10-1000 Low Fast No *Megabore column 10-1000 Low Fast No Packed 1-6 2-4 500-1000 10-10 6 High Slow No 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’

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 Fase cair Polimer 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 fase menengah 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

100% dimethyl polysiloxane (Gum) 100% dimethyl polysiloxane (Fluid) 5% diphenyl 95% dimethyl polysiloxane 14% cyanopropyl phenyl polysiloxane 50% phenyl, 50% methyl polysiloxane 50% cyanopropylmethyl, 50% phenylmethyl polysiloxane 50% trifluoropropyl polysiloxane Polyethylene glycol – TPA modified Polyethylene glycol

Polarity

Nonpolar Nonpolar Nonpolar Immediate Immediate

Applicaitons

Phenols, Hydrocarbons, Amines, Sulfur compounds, Pesticides, PCBs Amino acid derivatives, Essential oils Fatty acids, Methyl esters, Alkaloids, Drugs, Halogenated compounds Drugs, Steroids, Pesticides Drugs, Steroids, Pesticides, Glycols

Temp limits

-60 o C to 325 o C 0 o C to 280 -60 325 o o C to C o C -20 o C to 280 o C 60 o C to 240 o C Immediate Immediate Polar Polar Fatty acids, Methyl esters, Alditol acetates Halogenated compounds, +Aromatics Acids, Alcohols, Aldehydes acrylates, Nitriles, Ketones Free acids, Alcohols, Ethers, Essential oils, Glycols, Solvents 60 o C to 240 o C 45 o C to 240 o C 60 o C to 240 o C 60 o C to 220 o C

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 400 o C 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 (TiH 3 , ScH 3 ) atau Nickel 63 (Ni 63 ).

• 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.

Type Flame ionization (FID) Thermal conductivity (TCD) Electron Capture (ECD) Mass Spectometer (MSD) Nitrogen-phosphorous (NPD) Electrolytic conductivity (ELCD) Photoionization (PID) Flame Photometric (FPD) Fourier Transform IR (FTIR)

GC Detector

Applicable samples Typical detection limit Hydrocarbons Universal detector Halogenated compounds Tunable for any species N, P compounds 0.2 pg/s 500 pg/mL 5 fg/s 0.25-100 pg 0.1 pg/s (P) 1 pg/s (N) Compounds containing halogens, S, or N 0.5 pg Cl/s 2 pg S/s 4 pg N/s Compounds ionized by UV S, P compounds 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 ↓ Cairan superkritikal ↓ fase diam ↓ 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 : CO 2 Detektor : UV-Vis, Flouresns, Masspek

Lanjutan…

Aplikasi SFC :

Pencemaran udara : HC, Aldehid, keton, SO 2 , H 2 S, H 2 O Klinik : asam amino, CO 2 , 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

M ass S pectrometer D etector (MSD)

63

MSD Assembly

64

Hyphenated GC-MS

65

• M + e-

EI process

M +* f 1 f 2 f 3 f 4 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

• 2CH 4 + e  CH 5 + and C 2 H 5 + • CH 5 + + M  MH + + CH 4 • • 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 1 4 16 21 22 23 24 25 26 Perkiraan komponen 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