Gaschromatografie: een nauwkeurige analyse van mengsels

Als je een druppel gekleurde inkt op je overhemd krijgt, ontstaat een vlek met kringen. Die kringen ontstaan doordat de verschillende stoffen in de inkt met diverse snelheden uitvloeien. Dit principe biedt de mogelijkheid om stoffen te scheiden. De algemene naam van deze methode is chromatografie (schrijven met kleuren). Er zijn allerlei vormen van chromatografie waarbij kwalitatief, maar in veel gevallen ook kwantitatief, kan worden vastgesteld welke stoffen in mengsels aanwezig zijn. Chromatografie is een scheidingsmethode voor kleine hoeveelheden stof. Met de gaschromatograaf kan in korte tijd de samenstelling van mengsels nauwkeurig worden vastgesteld.

Chromatografie

Friedlieb Ferdinand Runge was een Duitse scheikundige die in 1855 de wereld zijn 'Kapillarbilder' (Runge Chromatogrammen) presenteerde. Runge voerde experimenten uit met zeer kleine hoeveelheden stof op een oppervlak van papier. Hij liet een druppel met een oplossing van stof A op het papier vallen en wachtte tot het papier gedroogd was. Vervolgens liet hij een oplossing van stof B op dezelfde plek vallen. Terwijl stof B door de capillaire vaatjes van het papier trok en reageerde met stof A ontstond een cirkelvormig patroon van kleuren. Runge zelf dacht niet aan een praktische toepassing van zijn technieken. Dat deed de Russische botanist Micail Tswett in 1906 wel. Hij schonk een extract van plantenpigmenten op een kolom van krijt poeder. Terwijl de vloeistof door het krijtbed zakte ontstonden gekleurde ringen. Uiteindelijk loopt eerst de rood gekleurde vloeistof eruit, daarna kun je in een ander bekerglas de geel gekleurde vloeistof opvangen.

Chromatografie met papier

Bij chromatografie heb je altijd te maken met een middel dat het mengsel meevoert, dat kan een vloeistof (de loopvloeistof) of een gas (het dragergas) zijn en een medium waaraan de stoffen in het mengsel hechten (adsorberen). We spreken over de mobiele fase en de stationaire fase. Bij papierchromatografie is het papier de stationaire fase en de vloeistof die in het papier trekt de mobiele fase. De vloeistof stijgt in de capillaire vaatjes van het papier. Boven het vloeistofniveau waarin het papier staat is een kleine stip met het mengsel aangebracht. Als de loopvloeistof het vlekje bereikt zal (een deel van) de stoffen oplossen. Stel je voor dat een stof stevig aan het papier hecht en niet zo goed oplost in de loopvloeistof. Dan heb je veel vloeistof nodig om die stof door het papier te 'spoelen'. De stof beweegt langzaam mee. Een stof die daarentegen niet zo stevig hecht aan het papier en heel goed oplost, zal veel sneller worden meegevoerd. Het is sterk afhankelijk van de kwaliteit van het papier of de scheiding goed plaatsvindt. Er zal altijd een staartje achter de vlekjes aanlopen en de stof loopt ook in andere richtingen uit, waardoor de vlekjes langzaam maar zeker wat groter worden. De scheiding is volledig als deze grotere vlekken los van elkaar komen.

Analyse van mengsels

Een veel nauwkeuriger variant op de papierchromatografie is de dunne laag chromatografie (TLC = Thin Layer Chromatography). Hierbij is een dunne laag adsorberend materiaal, bijvoorbeeld aluminiumoxide, aangebracht op een onbuigzame ondergrond (meestal glas). De manier waarop de laag wordt aangebracht is reproduceerbaar, waardoor de verschillende resultaten vergelijkbaar worden. Het is nu mogelijk een kwantitatieve eigenschap aan de stof toe te kennen. Dit is de Rf-waarde (Rate of flow):


Die waarde is dus voor, in dit geval, de gele stof 0,40 en voor de rode stof 0,85. Deze waarden zijn stofeigenschappen, dat wil zeggen eigenschappen waaraan je de stoffen kunt herkennen. De aanwezigheid van een stof in een mengsel kan ook op een andere manier duidelijk worden, bijvoorbeeld als het gaat om een verboden kleurstof in een snoepje. Je brengt dan naast het extract van de kleurstoffen van het snoepje deze verboden kleurstof aan. Die vlek komt wel (verboden kleurstof is aanwezig) of niet (verboden kleurstof is niet aanwezig) op dezelfde hoogte als de rode kleurstof in het snoepje.

De gaschromatograaf

Gaschromatografie is een analysemethode die gebaseerd is op GLC (Gas Luiquid Chromatography). Het is een snelle en betrouwbare methode om kwalitatief en kwantitatief de samenstelling van een mengsel vast te stellen. De voorwaarde is dat het mengsel in de gasfase moet kunnen worden gebracht. Het hart van de gaschromatograaf is een tientallen meters lange, dunne buis, gevuld met adsorbens, een vaste stof met een dun vloeistoflaagje erop. Tienden van microliters van een oplossing van het mengsel worden geïnjecteerd (vaak automatisch) in de gasstroom die in de meeste gevallen uit helium of waterstof bestaat. Het mengsel verdampt in de verwarmde ruimte en komt in de kolom. Door de lengte van de kolom is de scheidingsgraad zeer hoog. De componenten komen één voor één langs de detector die het signaal doorgeeft aan een computer. De software analyseert de data (aan de hand van een grote database van stoffen) en geeft de samenstelling van het mengsel.

De detector

De detector bestaat vaak uit een apparaat dat de warmtegeleiding door het dragergas vergelijkt met die van het dragergas dat uit de kolom komt (TCD, Thermal Conductivity Detector). Daarbij wordt de weerstand vergeleken van twee weerstanden (R3 en R4) die zich in de stromen bevinden (met een wheatstone-brug). Als er geen andere stof in de uitstroom aanwezig is dan het dragergas, is het signaal 0. Zodra een component in het dragergas passeert, verandert de warmtegeleiding van de omgeving, waardoor de temperatuur van het materiaal verandert en daarmee de weerstand. De TCD reageert bij organische stoffen uitsluitend op de hoeveelheid stof, niet op de soort, waardoor hij breed toepasbaar is. Bovendien is het grote voordeel dat er met de componenten zelf niets gebeurt. Een andere methode is de vlam-ionisatie detector (FID, Flame Ionisation Detector). Daarbij wordt het dragergas, in dit geval waterstof, verbrand terwijl de elektrische geleiding in de vlam wordt gemeten. Zodra er namelijk organische componenten verbranden, worden er geladen deeltjes gevormd, waardoor de geleiding toeneemt. De respons van de FID is eveneens onafhankelijk van de soort stof. Nadeel van deze methode is wel dat de componenten van het mengsel worden vernietigd. Steeds vaker wordt een massaspectograaf aan de gaschromatograaf gehangen. Een dergelijk apparaat produceert een massaspectrogram dat vergeleken kan worden met een zeer grote database, zodat de identiteit en de hoeveelheid van de stof makkelijk kan worden vastgesteld.

Het chromatogram

Het chromatogram is een grafische voorstelling van het passeren van de componenten van het mengsel. Als de respons van de detector tegen de tijd wordt uitgezet, krijg je een lijn, die ideaal gesproken bestaat uit gescheiden normaalverdelingen. In de praktijk komen ze er wat scheef uit. Vooral naar links is de verdeling wat breder door het effect dat men 'tailing' noemt, vergelijkbaar met de staart die bij een papierchromatogram achter het vlekje wordt gevormd. De verhouding tussen de oppervlakken onder deze lijnen geeft de verhouding tussen de hoeveelheid component aan. De tijd die de component nodig heeft om van het injectiepunt naar de detector te komen, is de retentietijd. Deze tijd is een sterke aanwijzing voor de identiteit van de stof die langs de detector komt.

Toepassingen van gaschromatografie

(Gas)chromatografie wordt breed toegepast. In de toxicologie, onderzoek naar doping, bij forensisch onderzoek, in de petrochemische industrie, bij de bewaking van voedselveiligheid, in de farmaceutische industrie. Het gaat hierbij vaak om kleine hoeveelheden stof of verontreiniging, die zeer snel kunnen worden vastgesteld. Dit vindt steeds meer volledig geautomatiseerd plaats in steeds kleinere apparaten.