Analisis dan Komponen Gas Kromatografi

gas kromatografi (Gas Chromatography) (GC)

Kromatograf gas adalah instrumen analisis kimia untuk pemisahan bahan kimia dalam suatu sampel kompleks. Kromatograf gas menggunakan tabung pendek beraliran yang dikenal sebagai kolom, yang di dalamnya dialirkan gas (gas pembawa, fasa gerak) sambil membawa konstituen sampel yang mengalir dengan laju yang berbeda bergantung pada sifat fisika dan kimia komponen sampel tersebut serta interaksi spesifik dengan pengisi kolom yaitu fasa diam. Setelah sampel keluar di ujung kolom, hasil pemisahan dideteksi dan diidentifikasi secara elektronik. Fungsi fasa diam di dalam kolom untuk memisahkan komponen yang berbeda, mengakibatkan masing-masing keluar dari kolom pada saat yang berbeda (waktu retensi). Parameter lain yang dapat digunakan untuk mengubah urutan atau waktu retensi adalah laju aliran gas pembawa, panjang kolom dan temperatur.

Dalam analisis KG, sejumlah volume gas atau cairan analit yang diketahui diinjeksikan ke dalam lubang masuk kolom, biasanya menggunakan microsyringe (atau serat mikroekstraksi fasa padat, atau sistem pengalih sumber gas). Saat gas pembawa membawa molekul analit melalui kolom, pergerakan ini dihambat oleh adsorpsi molekul analit pada dinding kolom atau bahan yang terikat dalam kolom. Laju progres molekul sepanjang kolom bergantung pada kekuatan adsorpsi, yang pada gilirannya bergantung pada jenis molekul dan bahan fasa diam. Oleh karena masing-masing jenis molekul mempunyai laju progresi yang berbeda, berbagai komponen campuran analit terpisah sesuai progres sepanjang kolom dan mencapai ujung kolom pada waktu yang berbeda (waktu retensi). Sebuah detektor digunakan untuk memantau aliran outlet dari kolom; sehingga, waktu komponen mencapai outlet, jumlah komponen dapat ditentukan. Umumnya, bahan diidentifikasi (secara kualitatif) berdasarkan urutan waktu elusi dari kolom dan waktu retensi analit di dalam kolom.

Komponen

Autosampler menyediakan cara yang efektif untuk memasukkan sampel secara otomatis ke dalam inlet. Dimungkinkan untuk insersi manual sampel, tetapi tidak lagi umum. Insersi otomatis menghasilkan reprodusibilitas dan optimasi waktu yang lebih baik.

Terdapat berbafgai jenis autosampler. Autosampler dapat dikelompokkan dalam hubungannya dengan kapasitas sampel (auto-injektor vs autosampler), teknologi robotik (XYZ robot vs. rotating robot – yang paling umum), atau analisisnya.

  • Cairan
  • Head-space statis oleh syringe technology
  • Head-space dinamis oleh transfer-line technology
  • Ekstraksi mikro fasa padat (En: Solid phase microextraction, SPME)

Pada umumnya, produsen autosampler berbeda dengan produsen KG dan saat ini tidak ada produsen KG yang menawarkan sejumlah model autosampler lengkap. Dalam sejarahnya, negara-negara yang aktif dalam autosampler adalah: Amerika Serikat, Italia, Swiss, dan Inggris Raya.

Inlet

Inlet kolom (atau injektor) berfungsi untuk mengintroduksi sampel ke dalam aliran kontinu gas pembawa. Inlet adalah perangkat keras yang melekat pada pangkal kolom.

Jenis-jenis inlet yang umum adalah:

  • Injektor S/SL (split/splitless). Sampel dimasukkan ke dalam bejana kecil yang dipanaskan menggunakan syringe melalui septum – panas memfasilitasi penguapan sampel dan matriks sampel. Gas pembawa kemudian mengangkut keseluruhan (moda splitless) atau sebagian (moda split) sampel ke dalam kolom. Dalam moda split, bagian campuran sampel/gas pembawa dalam bejana injeksi dihisap melalui ventilator. Injeksi split dipilih jika bekerja dengan sampel berkonsentrasi analit tinggi (>0,1%) sementara injeksi splitless paling baik untuk analisis renik dengan konsentrasi analit rendah (<0,01%). Dalam moda splitless, katup pemisah terbuka setelah waktu yang ditentukan untuk pengawakerakan (En: purge) unsur-unsur yang lebih berat yang berpotensi mengkontaminasi sistem. Waktu splitless yang sudah ditentukan ini harus dioptimalkan. Waktu yang lebih pendek (misal: 0,2 menit) memastikan bahwa tailing akan berkurang, tetapi akah kehilangan respon. Waktu yang lebih panjang (2 menit) meningkatkan tailing tetapi juga meningkatkan sinyal.
  • Inlet on-column; di sini, sampel diintroduksi seluruhnya langsung ke dalam kolom, baik dalam kondisi tanpa pemanasan atau di bawah titik didih pelarut. Temperatur rendah akan mengondensasi sampel ke area yang lebih sempit. Kolom dan inlet kemudian dipanaskan, mengubah sampel menjadi fasa gasnya. Hal ini memastikan temperatur terrendah yang memungkinkan untuk kromatografi dan menjaga sampel agar tidak mengalami dekomposisi di atas titik didihnya
  • Injektor PTV; sampel suhu terprogram pertama kali diperkenalkan oleh Vogt pada tahun 1979. Awalnya, Vogth mengembangkan teknik ini sebagai metode untuk mengintroduksi sampel dalam volume besar (s/d 250 µL) dalam kapiler KG. Vogt mengintroduksi sampel ke dalam jalur dengan laju injeksi terkendali. Temperatur pada jalur dipilih sedikit di bawah titik didih pelarut. Pelarut bertitik didih rendah menguap secara kontinu dan dikeluarkan melalui jalur terpisah. Berdasarkan teknik ini, Poy mengembangkan injektor penguap dengan temperatur terprogram (En: Programmed Temperature Vapourising, PTV). Dengan mengintroduksi sampel pada temperatur awal rendah, banyak kerugian yang dihasilkan dari teknik injeksi panas klasik dapat ditanggulangi.
  • Inlet sumber gas atau katup pengalih gas; sampel gas dalam botol pengumpul dihubungkan dengan katup pengalih enam porta. Aliran gas pembawa tidak diputus sementara sampel dapat berekspansi ke dalam sample loop. Pada pengalihan, isi sample loop dimasukkan ke dalam aliran gas pembawa.
  • Sistem pengawakerakan dan pemerangkapan (En: Purge-and-Trap system, P/T); suatu gas inert digelembungkan ke dalam larutan sampel sehingga menyebabkan bahan kimia yang mudah menguap tetapi tidak mudah larut terawakerakan dari matriks. Uap kemudian “diperangkap” pada kolom penyerap (En: absorbent) (dikenal sebagai perangkap atau konsentrator) pada temperatur ambien. Perangkap kemudian dipanaskan dan uapnya diarahkan ke dalam aliran gas pembawa. Sampel memerlukan prakonsentrasi atau pemurnian agar dapat diintroduksikan melalui sistem ini.

Pemilihan gas pembawa (fasa gerak) adalah hal penting. Hidrogen mempunyai rentang laju aliran yang sebanding dengan helium dalam hal efisiensi. Namun, helium lebih efisien dan menghasilkan pemisahan terbaik jika laju aliran dioptimalkan. Helium bersifat tidak terbakar dan dapat bekerja dengan banyak detektor maupun instrumen lawas. Oleh karena itu, helium menjadi gas pembawa yang paling umum digunakan. Meski demikian, harga helium telah naik sangat banyak beberapa tahun terakhir ini, menyebabkan peningkatan jumlah kromatografiwan/wati yang beralih ke gas hidrogen. Pengalaman historis lebih merupakan alasan utama, bukan alasan rasional, beberapa orang mempertahankan penggunaan helium.

Detektor

Detektor yang paling banyak digunakan adalah detektor ionisasi nyala (En: Flame Ionisation Detector, FID) dan detektor konduktivitas termal (En: Thermal Conductivity Detector, TCD). Keduanya sensitif untuk hampir semua komponen, dan keduanya bekerja pada rentang konsentrasi yang lebar. Sementara TCD adalah detektor universal dan dapat digunakan untuk mendeteksi komponen apapun selain gas pembawa (selama konduktivitas termalnya berbeda dari gas pembawa pada temperatur detektor), FID peka terutama untuk hidrokarbon, dan kepekaannya melebihi TCD pada hidrokarbon. Meski demikian, FID tidak dapat mendeteksi air. Kedua detektor termasuk cukup tegar. Oleh karena TCD bersifat non-destruktif, TCD dapat dipasang secara serial sebelum FID (destruktif), sehingga menghasilkan deteksi yang komplementer untuk analit yang sama.

Detektor lain hanya peka terhadap jenis senyawa tertentu, atau hanya bekerja dengan baik pada rentang konsentrasi yang lebih sempit. Ini mencakup:

  • Detektor konduktivitas termal (Thermal Conductivity Detector, TCD). Ini merupakan detektor umum yang berdasarkan pada konduktivitas termal bahan yang melalui filamen tungsten-rhenium berarus listrik. Untuk detektor ini, helium atau nitrogen berlaku sebagai gas pembawa karena keduanya memiliki konduktivitas termal yang relatif tinggi sehingga menjaga filamen tetap sejuk dan mempertahankan resistivitas dan efisiensi listrik filamen. Meski demikian, ketika molekul analit terelusi dari kolom, bercampur dengan gas pembawa, konduktivitas termal menurun dan ini menyebabkan respon detektor. Respon terjadi karena penurunan konduktivitas termal akibat peningkatan termperatur dan resistivitas filamen menghasilkan fluktuasi tegangan. Kepekaan detektor proposional terhadap arus filamen sementara berbanding terbalik (secara proporsional juga) terhadap temperatur lingkungan detektor akibat laju aliran gas pembawa.
  • Detektor ionisasi nyala (Flame Ionisation Detector, FID). Dalam detektor umum ini, elektrode diletakkan berdampingan dengan nyala api berbahan bakar hidrogen/udara di dekat outlet kolom, dan ketika senawa yang mengandung karbon keluar dari kolom, mereka kemudian dipirlisis oleh nyala api. Detektor ini hanya bekerja untuk senyawa organik atau mengandung hidrokarbon saja karena kemampuan karbon membentuk kation dan elektron selama pirolisis, yang menghasilkan arus di antara elektrode. Kenaikan arus listrik ini diterjemahkan dan muncul sebagai puncak dalam kromatogram. FID mempunyai limit deteksi rendah (beberapa pikogram per detik) tetapi tidak mampu menghasilkan ion dari karbon yang mengandung gugus karbonil. Gas pembawa yang kompatibel dengan FID antara lain nitrogen, helium, dan argon.
  • Detektor pembakaran katalitik (En: Catalytic Combustion Detector, CCD). Mengukur hidrokarbon dan hidrogen yang mudah terbakar.
  • Detektor pelucut ionisasi (En: Discharge Ionisation Detector, DID). Menggunakan pelucut listrik tegangan tinggi untuk menghasilkan ion.
  • Detektor penangkap elektron (En: Electron Capture Detektor, ECD)