Advantages and Disadvantages of Substitution of Helium as Carrier Gas in Gas Chromatography by Hydrogen. Part III. – Sample Introduction and Detectors

Význam tématu

Rostoucí nedostupnost a vysoká cena helia vedou k hledání alternativních nosných plynů v plynové chromatografii. Vodík nabízí díky nízké viskozitě a vysoké lineární rychlosti lepší účinnost separace, ostřejší chromatografické píky a nižší detekční limity. Tyto vlastnosti jsou klíčové pro rutinní i výzkumné aplikace v pivovarské analytice, kde se řeší detekce a kvantifikace složek ovlivňujících kvalitu piva.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem článku je shrnout specifika použití vodíku jako nosného plynu v různých technikách nástřiku vzorku a popsat vliv na citlivost a použitelnost běžných detektorů v pivovarských analýzách. Článek navazuje na předchozí díly série zabývající se substitucí helia vodíkem a zaměřuje se na zásadní kroky od zavedení vzorku až po detekční část chromatografického zařízení.

Použitá metodika a instrumentace

Pro ilustraci je diskutováno několik konvenčních typů vstřikovacích modulů a detektorů:

• Split/Splitless inlet – kapilární plynový chromatograf se dvěma režimy vstřiku;
• Statická head-space – množství plynné fáze z uzavřené vialky, vstřik přes plynotěsnou stříkačku nebo ventil a smyčku;
• Dynamická head-space (purge-and-trap) – extrakce těkavých složek proplachováním nosným plynem a zachycení v sorpční pasti;
• Detektory FID a FPD – vodík jako palivo, dusík jako make-up plyn pro stabilní hoření;
• Detektor ECD – dusík jako nosný i pomocný plyn (vodík a helium se nedoporučují jako make-up);
• Hmotnostní detektor (GC-MS) – obvykle heliový nosný plyn, u vodíku nutné úpravy kolony s menším vnitřním průměrem kvůli optimálnímu vakuu.

Hlavní výsledky a diskuse

V splitless režimu umožňuje vodík vyšší lineární rychlost, což vede k ostřejším pikům a nižším detekčním limitům. Při přechodu z helia je nutné experimentálně nastavit split poměr pro zachování citlivosti a tvaru píků. U statické head-space analýzy je třeba proplach vialek inertním plynem (dusíkem), vodík může sloužit jen jako nosný plyn. V detektorech FID/FPD umožňuje vodík dosáhnout vysokého výkonu, avšak vyžaduje pečlivé seřízení poměru vodík/kyslík. ECD detektor využívá výhradně dusík, vodík jako make-up plyn se nehodí. Při použití vodíku v MS je nutné zajistit dostatečné vakuum a snížit viskózní tlaky – doporučují se úzké kapilární kolony.

Přínosy a praktické využití metody

• Snížení provozních nákladů díky levnějšímu zdroji vodíku a možnosti generace in situ;
• Zrychlení analýz díky vyšším lineárním rychlostem;
• Zvýšení citlivosti a lepší tvar chromatografických píků;
• Široká paleta aplikací v pivovarské analytice: stanovení těkavých senzorických látek, kontaminantů i složek s nízkou koncentrací.

Budoucí trendy a možnosti využití

Ve vývoji jsou kompaktní generátory vysoce čistého vodíku integrované přímo do chromatografů. Očekává se rozšíření standardizovaných protokolů pro přechod z helia na vodík a další optimalizace tepelně stabilních injektorů. Další výzvou je propojení s pokročilou detekcí (MS/MS, HR-MS) a rozvoj on-line aplikací v provozních podmínkách pivovarů.

Závěr

Vodík je plnohodnotnou náhradou helia pro plynovou chromatografii v pivovarské analytice. Nabízí ekonomické výhody, zrychlení a zvýšení citlivosti analýz, avšak vyžaduje dodržení bezpečnostních zásad a úpravu provozních parametrů vstřiku i detekce.

Reference

Čulík J. a kol.: Stanovení vyšších senzoricky aktivních alkoholů v pivě (Kvasny Prum. 45, 1999, s. 4–7)
Čulík J. a kol.: SPE-GC-MS aromatických alkoholů v pivu (Kvasny Prum. 55, 2009, s. 177–186; 273–277)
Čulík J. a kol.: Stanovení halogenoctových kyselin v pivě (Kvasny Prum. 44, 1998, s. 168–171)
Horák T. a kol.: Pivovarské detektory GC a head-space (Kvasny Prum. 57, 2011, s. 138–142; 58, 2012, s. 2–5)
Heseltine J.V.: Hydrogen as a carrier gas for GC and GC-MS (LCGC N. Am. 28, 2010, s. 16–19)
Kolb B., Ettre L.S.: Static headspace-gas chromatography, 2nd ed., Wiley, 2006
Chromacademy: Translating GC Methods from Helium to Hydrogen Carrier Gas [online]
Chromatographyonline: Switching to Hydrogen Carrier Gas [online]