Kromatografi gas

Kromatografi gas, disingkat KG, (Bahasa Inggris: Gas chromatography, disingkat GC) merupakan jenis kromatografi yang umum digunakan dalam analisis kimia untuk pemisahan dan analisis senyawa yang dapat menguap tanpa mengalami dekomposisi. Penggunaan umum KG mencakup pengujian kemurnian senyawa tertentu, atau pemisahan komponen berbeda dalam suatu campuran (kadar relatif komponen tersebut dapat pula ditentukan). Dalam beberapa kondisi, KG dapat membantu mengidentifikasi senyawa. Dalam kromatografi preparatif, KG dapat digunakan untuk menyiapkan senyawa murni dari suatu campuran.^[1]^[2]

Dalam kromatografi gas, fasa gerak berupa gas pembawa, biasanya gas inert seperti helium atau gas yang tidak reaktif seperti nitrogen. Fasa diam berupa lapisan cairan mikroskopik atau polimer di atas padatan pendukung fasa diam, yang berada di dalam tabung kaca atau logam yang disebut kolom. Instrumen yang digunakan untuk melakukan kromatografi gas disebut dengan gas kromatograf (atau "aerograf" atau "pemisah gas").

Senyawa dalam fasa gas yang dianalisis berinteraksi dengan dinding kolom, yang dilapisi dengan fasa diam. Hal ini menyebabkan masing-masing senyawa mengalami elusi pada waktu yang berbeda, dan ini dikenal sebagai waktu retensi senyawa. Perbandingan waktu retensi merupakan keluaran dari KG yang dapat dianalisis.

Secara prinsip, kromatografi gas sama dengan kromatografi kolom (sama juga dengan kromatografi jenis lain seperti KCKT, KLT), tetapi terdapat beberapa perbedaan yang perlu dicatat. Pertama, proses pemisahan campuran terjadi antara fasa diam cairan dan fasa gerak gas, sementara dalam kromatografi kolom, fasa diam adalah padat dan fasa gerak berupa cairan. (Oleh karena itu, sebutan lengkap prosedur ini adalah "Kromatografi gas–cair", yang merujuk pada fasa gerak dan fasa diam.) Kedua, kolom yang dilalui fasa gas terletak di dalam oven dengan temperatur gas yang dapat dikendalikan, sementara kromatografi kolom (biasanya) tidak dilengkapi pengendali temperatur. Terakhir, konsentrasi senyawa dalam fasa gas murni merupakan fungsi dari tekanan uap gas.^[1]

Kromatografi gas juga mirip dengan distilasi fraksi, karena keduanya melakukan proses pemisahan komponen campuran berdasarkan perbedaan titik didih (atau tekanan uap). Meski demikian, distilasi fraksi biasanya digunakan untuk memisahkan komponen campuran dalam skala besar, sementara KG hanya dapat digunakan untuk skala yang jauh lebih kecil (skala mikro).^[1]

Kromatografi gas kadang dikenal sebagai kromatografi fasa uap (KFU) (en: vapour-phase chromatography, VPC), atau kromatografi partisi gas–cair (KPGC) (en: gas–liquid partition chromatography, GLPC). Nama alternatif ini, begitu pula singkatannya, sering digunakan dalam literatur saintifik. Sejujurnya, KPGC adalah terminologi yang paling tepat, dan oleh karenanya banyak digunakan oleh para penulis sains.^[1]

Sejarah

Kromatografi pertama kali dilakukan tahun 1903 oleh ilmuwan Rusia, Mikhail Semenovich Tswett. Ilmuwan Jerman Fritz Prior mengembangkan kromatografi fasa padat pada tahun 1947. Archer John Porter Martin, yang memenangkan hadiah Nobel untuk penelitiannya mengembangkan kromatografi cair–cair (1941) dan kromatografi kertas (1944), memberikan dasar pengembangan kromatografi gas dan dia kemudian memproduksi kromatografi gas–cair (1950). Erika Cremer memperkuat dasar yang telah dikembangkan oleh Fritz Prior.

Analisis KG

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 fisik

Diagram kromatografi gas

Pengambil sampel otomatis (Autosamplers)

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.^[3]

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.^[4] 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.^[4]^[5] Meski demikian, ketika molekul analit terelusi dari kolom, bercampur dengan gas pembawa, konduktivitas termal menurun dan ini menyebabkan respon detektor.^[5] Respon terjadi karena penurunan konduktivitas termal akibat peningkatan termperatur dan resistivitas filamen menghasilkan fluktuasi tegangan.^[4] Kepekaan detektor proposional terhadap arus filamen sementara berbanding terbalik (secara proporsional juga) terhadap temperatur lingkungan detektor akibat laju aliran gas pembawa.^[4]
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.^[4]^[5] 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.^[4]^[5] 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.^[4] Gas pembawa yang kompatibel dengan FID antara lain nitrogen, helium, dan argon.^[4]^[5]
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)

Metode

Gambar di atas menunjukkan bagian dalam GeoStrata Technologies Eclipse Gas Chromatography yang bekerja kontinu dalam siklus tiga-menitan. Dua katup digunakan untuk mengalihkan gas yang diuji ke dalam sample loop. Setelah sample loop terisi dengan gas yang diuji, katup kemudian dialihkan kembali untuk memasukkan gas pembawa ke dalam sample loop dan mendorong sampel ke dalam kolom untuk dipisahkan.

Ukuran sampel dan teknik injeksi

Injeksi sampel

Aturan sepuluh dalam kromatografi gas

Temperatur kolom dan pemrogram temperatur

Oven gas kromatografi, dibuka untuk menunjukkan kolom kapilernya

Lihat juga

Referensi

^ ^a ^b ^c ^d Pavia, Donald L., Gary M. Lampman, George S. Kritz, Randall G. Engel (2006).
^ "Gas Chromatography" Diarsipkan 2013-07-17 di Wayback Machine..
^ "Gas Chromatography" Diarsipkan 2019-03-29 di Wayback Machine..
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h Kesalahan pengutipan: Tag <ref> tidak sah; tidak ditemukan teks untuk ref bernama Harris
^ ^a ^b ^c ^d ^e Kesalahan pengutipan: Tag <ref> tidak sah; tidak ditemukan teks untuk ref bernama Higson

Pranala luar

UC Davis Wiki On Chromatographic Columns
Gas Chromatography Diarsipkan 2015-12-08 di Wayback Machine. at DMOZ

[Pavia-1] Pavia, Donald L., Gary M. Lampman, George S. Kritz, Randall G. Engel (2006).

[2] "Gas Chromatography" Diarsipkan 2013-07-17 di Wayback Machine..

[3] "Gas Chromatography" Diarsipkan 2019-03-29 di Wayback Machine..

[Harris-4] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h Kesalahan pengutipan: Tag <ref> tidak sah; tidak ditemukan teks untuk ref bernama Harris

[Higson-5] Kesalahan pengutipan: Tag <ref> tidak sah; tidak ditemukan teks untuk ref bernama Higson

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]