Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography: Instrumental and Methodological Development

Abstract

Comprehensive two-dimensional gas chromatography (GC×GC) offers enhanced separation efficiency, reliability in qualitative and quantitative analysis, capability to detect low quantities, and information on the whole sample and its components. These features are essential in the analysis of complex samples, in which the number of compounds may be large or the analytes of interest are present at trace level. This study involved the development of instrumentation, data analysis programs and methodologies for GC×GC and their application in studies on qualitative and quantitative aspects of GC×GC analysis. Environmental samples were used as model samples.

Instrumental development comprised the construction of three versions of a semi-rotating cryogenic modulator in which modulation was based on two-step cryogenic trapping with continuously flowing carbon dioxide as coolant. Two-step trapping was achieved by rotating the nozzle spraying the carbon dioxide with a motor. The fastest rotation and highest modulation frequency were achieved with a permanent magnetic motor, and modulation was most accurate when the motor was controlled with a microcontroller containing a quartz crystal. Heated wire resistors were unnecessary for the desorption step when liquid carbon dioxide was used as coolant. With use of the modulators developed in this study, the narrowest peaks were 75 ms at base.

Three data analysis programs were developed allowing basic, comparison and identification operations. Basic operations enabled the visualisation of two-dimensional plots and the determination of retention times, peak heights and volumes. The overlaying feature in the comparison program allowed easy comparison of 2D plots. An automated identification procedure based on mass spectra and retention parameters allowed the qualitative analysis of data obtained by GC×GC and time-of-flight mass spectrometry.

In the methodological development, sample preparation (extraction and clean-up) and GC×GC methods were developed for the analysis of atmospheric aerosol and sediment samples. Dynamic sonication assisted extraction was well suited for atmospheric aerosols collected on a filter. A clean-up procedure utilising normal phase liquid chromatography with ultra violet detection worked well in the removal of aliphatic hydrocarbons from a sediment extract.

GC×GC with flame ionisation detection or quadrupole mass spectrometry provided good reliability in the qualitative analysis of target analytes. However, GC×GC with time-of-flight mass spectrometry was needed in the analysis of unknowns. The automated identification procedure that was developed was efficient in the analysis of large data files, but manual search and analyst knowledge are invaluable as well.

Quantitative analysis was examined in terms of calibration procedures and the effect of matrix compounds on GC×GC separation. In addition to calibration in GC×GC with summed peak areas or peak volumes, simplified area calibration based on normal GC signal can be used to quantify compounds in samples analysed by GC×GC so long as certain qualitative and quantitative prerequisites are met. In a study of the effect of matrix compounds on GC×GC separation, it was shown that quality of the separation of PAHs is not significantly disturbed by the amount of matrix and quantitativeness suffers only slightly in the presence of matrix and when the amount of target compounds is low.

The benefits of GC×GC in the analysis of complex samples easily overcome some minor drawbacks of the technique. The developed instrumentation and methodologies performed well for environmental samples, but they could also be applied for other complex samples.

Laaja kaksivaiheinen kaasukromatografia (GC×GC) tarjoaa lisää erotustehokuutta, luotettavuutta kvalitatiiviseen ja kvantitatiiviseen analytiikkaan, mahdollisuuden havaita pieniä pitoisuuksia ja saada tietoa koko näytteestä. Nämä ominaisuudet ovat oleellisia, kun analysoidaan monimutkaisia näytteitä, joissa yhdisteiden lukumäärä on suuri tai yksittäisten yhdisteiden pitoisuus on hyvin pieni. Tässä tutkimuksessa kehitettiin laitteistoa ja ohjelmistoja laajaa kaksivaiheista kaasukromatografiaa varten ja käytettiin kehitettyä systeemiä kvalitatiivisessa ja kvantitatiivissa analytiikassa. Ympäristönäytteitä käytettiin esimerkki esimerkkinäytteitä.

Laitteistokehitykseen kuului kolmen erilaisen kääntyvän kylmäloukkumodulaattorin kehittäminen. Kaikissa versioissa modulointi perustui kaksivaiheiseen kylmäloukkutekniikkaan, jossa jäähdytyskaasuna käytettiin hiilidioksidia. Kaksivaiheinen kylmäloukku saatiin aikaan kääntämällä suutinta moottorin avulla. Nopein käännöstaajuus saavutettiin kestomagneettimoottorilla, kun taas tarkin käännösaika vaihteistollisella moottorilla, jota ohjasi kvartsikiteen tahdistama mikro-ohjain. Lämmitysvastuksia ei välttämättä tarvittu tehostamaan analyyttien irrottamista kylmäloukusta, kun jäähdyttimenä oli hiilidioksidi. Kehitetyt modulaattorit toimivat hyvin ja niillä saavutettiin kapeita piikkejä, parhaimmillaan piikin kannanleveys oli vain 75 ms.

Kehitetyissä data-analyysiohjelmissa oli kolme toimintoa: perus-, vertailu- ja tunnistustoiminnot. Perustoimintoihin kuului GC×GC-erotuksen visualisointi sekä erilaisten parametrien määritys (retentioajat, piikin tilavuus ja korkeus). Vertailutoiminto pystyttiin hyvin asettamaan kaksi retentiotasokuvaaja päällekkäin eroavaisuuksien tai yhtäläisyyksien löytämiseksi. Kvalitatiivista analytiikkaa varten kehitetty tunnistustoiminto käyttää massaspektri- ja retentioparametreja yhdisteiden tunnistuksessa, kun ne on kerätty GC×GC-laitteistolla, joka on kytketty lentoaikamassaspektriin.

Menetelmäosiossa pureuduttiin näytteenvalmistukseen (uutto ja puhdistus) ja GC×GC-menetelmien kehittämiseen alailmakehän aerosolien ja sedimenttinäytteiden analysoimiseksi. Dynaaminen ultraääniuutto soveltui hyvin esikäsittelymenetelmäksi aerosolinäytteille, jotka oli kerätty suodattimelle. Näytteen puhdistuksessa käänteisfaasinestekromatografia – ultravioletti detektointi sopi erinomaisesti alifaattisten hiilivetyjen poistamiseen sedimenttinäytteestä.

GC×GC soveltui hyvin kvalitatiiviseen kohdeyhdisteanalytiikaan, kun ilmaisimena käytettiin liekki-ionisaatiodetektoria tai quadrupolimassaspektrometria. Tuntemattomien yhdisteiden tunnistuksessa sen sijaan lentoaikamassaspektrometri oli välttämätön. Kehitetty tunnistusohjelma oli hyödyllinen ja säästi aikaa, kun suuri määrä dataa täytyi käydä läpi, mutta manuaalinen tunnistus oli silti luotettavin, joskin aikaa vievää. Kvantitatiivista analyysia tarkasteltiin kalibroinnin ja matrisikomponenttien vaikutuksen näkökulmista. Kalibrointi voitiin tehdä joko käyttäen summattuja piikkien pinta-aloja tai tilavuuksia, mutta myös yksinkertaistetulla tavalla käyttäen GC ajoilla määritettyjä pinta-aloja. Tällöin oli kuitenkin huomioitava tietyt kvalitatiiviset ja kvantitatiiviset kriteerit. Näytteen sisältämä suuri määrä matriisiyhdisteitä ei heikentänyt polyaromaattisten hiilivetyjen GC×GC-erotusta kvalitatiivisesti, ja vaikutus oli vähäinen myös kvantitatiivisesti tarkasteltuna.

GC×GC-tekniikan edut korostuvat monimutkaisten näytteiden analyysissa ja voittavat kirkkaasti muutamat tekniikan heikkoudet. Kehitetty laitteisto ja menetelmät soveltuivat erinomaisesti ympäristönäytteidenanalysointiin, mutta niitä voidaan hyödyntää myös muuntyyppisten monimutkaisten näytteiden analysoinnissa.