FASTER GAS CHROMATOGRAPHY AND ITS UTILIZATION IN BREWING. PART 1. – THEORETICAL AND PRACTICAL ASPECTS

Význam tématu

Růst nároků na množství vzorků, efektivitu instrumentace a rychlé dodání výsledků klade v analytické chemii důraz na zkrácení doby chromatografických analýz.
Ve pivovarnictví přináší rychlá plynová chromatografie možnost okamžité kontroly aromatických a vedlejších složek, což zlepšuje kvalitu a efektivitu výroby.

Cíle a přehled studie

Studie představuje teoretické základy rychlé (fast) plynové chromatografie a rozebírá vliv nosného plynu, parametrů kapilárních kolon, teplotního programu a detektorů na rychlost a účinnost analýzy.
Tato první část se věnuje definicím rychlejší GC a praktickým aspektům pro využití v pivovarnickém výzkumu.

Použitá instrumentace

• Nosné plyny: helium, vodík, dusík, argon
• Regulace tlaku: elektronické moduly umožňující konstantní průtok či tlakovou programaci
• Kolony: kapilární o průměrech 50–530 µm, délce 10–50 m, filmu 0,1–0,5 µm
• Pec: konvenční s izolační vložkou i flash ohřev až 100 °C/s v odporově vyhřívané trubici; kryo-ochlazení CO₂/N₂
• Detektory:
  • FID s make-up plynem pro minimalizaci mrtvého objemu
  • mikro-ECD s minimálním prostorem mezi elektrodami
  • TOF-MS schopné >500 spekter/s

Hlavní výsledky a diskuse

Zužší kolonou (100 µm) a vodíkem lze dosáhnout až 9× užších píků a obdobné separační účinnosti při devítinásobně kratší době rozdělení.
Vodík umožňuje vyšší optimální rychlost se šetrnějším poklesem účinnosti nad optimem než helium či dusík.
Elektronické řízení tlaku a flash ohřev pece udržují stabilní podmínky při teplotním programu a umožňují rychlé následné běhy.
Detektory s vysokou vzorkovací frekvencí (min. 200 Hz) zajišťují věrné snímání úzkých píků.

Přínosy a praktické využití metody

• Výrazné zrychlení rutin­ních analýz kvality piva
• Okamžitá detekce a kvantifikace aroma a kontaminant
• Úspora plynů a energie díky optimalizovanému teplotnímu režimu
• Možnost on-line sledování výrobních procesů

Budoucí trendy a možnosti využití

Další zkrácení doby analýzy pomocí mikrofluidních a integrovaných „fast GC“ modulů s topnými bloky s nízkou tepelnou kapacitou.
Bezplynové generátory vodíku zvýší bezpečnost pracovišť.
Propojení s umělou inteligencí a pokročilou dekonvolucí dat a QTOF-MS rozšíří aplikace na monitoring mikroznečištění a biomarkerů.

Závěr

Rychlejší plynová chromatografie nabízí v pivovarnictví efektivní zkrácení doby analýz bez ztráty rozlišení.
Optimalizace nosného plynu, kolon, teplotního programu a detekční techniky položila základ pro rutinní implementaci v průmyslové výrobě.

Reference

• Martin A.J.P., Synge R.L.M.: A new form of chromatogram employing two liquid phases. Biochem. J. 35, 1941, 1358–1368
• James A.T., Martin A.J.P.: Gas-liquid partition chromatography: the separation and micro-estimation of volatile fatty acids from formic acid to dodecanoic acid. Biochem. J. 50, 1952, 679–690
• James A.T., Martin A.J.P.: Gas-liquid partition chromatography. A technique for the analysis of volatile materials. Analyst 77, 1952, 915–932
• Golay M.J.E.: Gas Chromatography. Academic Press, New York 1958
• Golay M.J.E.: Gas Chromatography. Butterworths, London 1958
• Desty D.H., Goldup A., Swanton W.T.: Gas Chromatography. Academic Press, New York 1962, 105
• Sacks R., Smith H., Nowak M.: High-speed gas chromatography. Anal. Chem. 70, 1998, 29A–37A
• Van Es A., Janssen J., Cramers C.A., Rijks J.: Sample enrichment in high speed narrow bore capillary gas chromatography. J. High Resolut. Chromatogr. 11, 1988, 852–857
• Klemp M.A., Akard M.L., Sacks R.D.: Cryofocusing inlet with reverse flow sample collection for gas chromatography. Anal. Chem. 65, 1993, 2516–2521
• Akard M.L., Sacks R.D.: High speed GC air monitoring using cryointegration for sample collection. J. Chromatogr. Sci. 32, 1994, 499–505
• Dagan S., Amirav A.: Fast, very fast and ultra-fast gas chromatography-mass spectrometry of thermally labile steroids, carboxylates and drugs in supersonic molecular beams. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 7, 1996, 737–752
• van Deursen M.M., Beens J., Janssen H.G., Leclercq P.A., Cramers C.A.: Evaluation of time-of-flight mass spectrometric detection for fast gas chromatography. J. Chromatogr. A 878, 2000, 205–213
• Korytár P., Matisová E.: Rýchla plynová chromatografia. Chem. Listy 95, 2001, 470–476
• Korytár P., Janssen H.G., Matisová E., Brinkman U.A.Th.: Practical fast gas chromatography: methods, instrumentation and application. Trends Anal. Chem. 21, 2002, 558–572
• Klee M.S., Blumberg L.M.: Theoretical and practical aspects of fast gas chromatography and method translation. J. Chromatogr. Sci. 40, 2002, 234–247
• Blumberg L.M.: Theory of fast capillary gas chromatography. Part 1: Column efficiency. J. High Resolut. Chromatogr. 20, 1997, 597–604
• Blumberg L.M.: Theory of fast capillary gas chromatography. Part 2: Speed of analysis. J. High Resolut. Chromatogr. 20, 1997, 679–687
• Blumberg L.M., Berger T.A.: Molecular basics of peak width in capillary gas chromatography under high pressure drop. Anal. Chem. 65, 1993, 2686–2689
• Giddings J.C., Seager S.L., Stucki L.R., Stewart G.H.: Plate height in gas chromatography. Anal. Chem. 32, 1960, 867–870
• David F., Sandra P.: Use of hydrogen as carrier gas in capillary GC. Am. Lab. 31, 1999, 18–19
• Grand D.W.: Capillary Gas Chromatography. Wiley, Chichester 1996
• Korytár P., Matisová E.: Inštrumentácia pre rýchlu plynovú chromatografiu. Chem. Listy 95, 2001, 783–790
• Zeeuw de J., Vonk N., Smits R., Gummersbach J.: Efficient and fast analysis of a wide range of chemical products using a non-polar 0.15-mm-I.D. capillary column. Int. Lab. 29, 1999, 28–30
• Leclercq P.A., Cramers C.A.: High-speed GC-MS. Mass Spectrom. Rev. 17, 1998, 37–49
• Jaulmes A., Ignatiadis I., Cardot P., Vidal-Madjar C.: Characterization of peak asymmetry with overloaded capillary columns. J. Chromatogr. 395, 1987, 291–306
• Ghijsen R.T., Poppe H., Kraak J.C., Duysters P.P.E.: The mass loadability of various stationary phases in gas chromatography. Chromatographia 27, 1989, 60–66
• David F., Gere D.R., Scanlan F., Sandra P.: Instrumentation and applications of fast high-resolution capillary gas chromatography. J. Chromatogr. 842, 1999, 309–319
• van Deursen M.M., Beens J., Cramers C.A., Janssen H.G.: Possibilities and limitations of fast temperature programming as a route towards fast GC. J. High Resolut. Chromatogr. 22, 1999, 509–513
• Dallüge J., Ou-Aissa R., Vreuls J.J., Brinkman U.A.Th., Veraart J.R.: Fast temperature programming in gas chromatography using resistive heating. J. High Resolut. Chromatogr. 22, 1999, 459–464
• Annino R.: Practical limits of high speed chromatography: Evaluation with a computer based theoretical model of several commercially available gas chromatographs. J. High Resolut. Chromatogr. 19, 1996, 285–290
• Dyson N.: Peak distortion, data sampling errors and the integrator in the measurement of very narrow chromatographic peaks. J. Chromatogr. A 842, 1999, 321–340