Медиатека

LECO Corporation; Сант Джозеф, Мичиган, США

Введение

Комплексная двумерная газовая хроматография (GCxGC) в сочетании с времяпролетной масс-спектрометрией (TOFMS) хорошо зарекомендовала себя в качестве метода, позволяющего охарактеризовать образцы нефтепродуктов. На трехмерной хроматограмме происходит разделение аналитов на отдельные структурированные полосы, соответствующие классам соединений, которые затем можно идентифицировать на основании сравнения с библиотекой масс-спектров. Однако перенос традиционных методов одномерной газовой хроматографии на оптимизированные двумерные методы может быть сложной задачей из-за огромного количества опций, доступных для настройки коммерческих систем GCxGC, включая подбор колонок с различной селективностью, смещение температуры вторичной печи, температуры модулятора, а также продолжительность вторичного разделения.

В предлагаемом исследовании описаны этапы подбора оптимальных условий для адаптации известной ГХ-методики анализа дизельного топлива применительно к двумерной ГХ с помощью нового онлайн-инструмента Simply GCxGC. Значения параметров, доступных пользователю, были рассчитаны таким образом, чтобы максимально эффективно использовать возможности двумерной ГХ. Подобранные настройки позволили повысить пиковую емкость и хроматографическое разрешение, а также оптимизировать время удержания аналита при разделении на второй колонке.

Рис. 1. Скриншот онлайн-программы Simply GCxGC. На левой боковой панели показаны различные этапы настройки оптимизированного анализа, а в правой области «Обзор» приведены подробные сведения об экспериментальных параметрах. Интерактивная просматриваемая история того, как изменения параметров влияют на расчетную пиковую мощность, отображается внизу центрального столбца.

Экспериментальная часть

С помощью веб-инструмента Simply GCxGC были изучены различные экспериментальные параметры. Те значения, которые оставались постоянными на различных этапах оптимизации разделения образца коммерческого дизельного топлива, показаны в таблице 1 ниже.

Таблица 1. Условия для GCxGC-TOFMS (Pegasus^® BT 4D)

Результаты и обсуждение

В начале эксперимента пользователь вводит параметры, используемые в одномерном методе ГХ-МС, после чего следует несколько экспериментальных циклов для оценки загрузки образца и определения оптимальных параметров GCxGC. Затем предлагается начальный набор условий для достижения оптимального разделения с учетом возможностей колонки или исходя из требуемого времени анализа. Дальнейшая оптимизация позволяет увеличить общую пиковую емкость или пиковую емкость второго измерения.
На Рис. 2 показано начальное разделение образца дизельного топлива методом обычной (одномерной) ГХ. После ввода параметров 1D метода на первичной колонке Rxi-5MS 0,25 мм x 0,25 мкм программа рекомендует использовать для нефтяных приложений колонку Rxi-17MS 0,25 мм x 0,25 мкм в качестве вторичной колонки. Вторичная колонка длиной 2 м присоединена к первой через модулятор. При этом ее начальный участок, обозначенный в Simply GCxGC равным 0,3 м, находится во вторичной печи.

Рис. 2. Хроматограмма одномерного разделения образца дизельного топлива на колонке Rxi-5MS 30 м x 0,25 мм x 0,25 мкм

На первом этапе преобразования анализа из одномерного разделения в двумерное GCxGC оценивается загрузка образца, поскольку процесс криофокусировки в модуляторе может вызвать перегрузку вторичной колонки. На рисунке 3 приведена масштабированная хроматограмма образца дизельного топлива, полученная экспериментально методом GCxGC для оценки загрузки образца. Значение m/z 57,07 служит характеристической массой алканов, которые присутствуют в дизельном топливе в высоких концентрациях. Показано, что формы пиков симметричны и не имеют плато, демонстрируя приемлемую загрузку образца, когда впускное отверстие настроено на разделение потока 100:1. Если система перегружена, то наблюдаемый пик может быть асимметричным или даже расщепленным.

Рис. 3. Масштабированная хроматограмма для оценки загрузки образца

После оценки количества загруженного образца выполняются две инжекции образца дизельного топлива (одна со смещением температуры вторичной печи +5°C и вторая со смещением температуры вторичной печи +40°C). Это нужно для определения оптимальных значений смещения температуры нагрева вторичной печи и времени разделения во втором измерении, иногда называемом периодом модуляции. Смысл процедуры – удержать все интересующие пики в зоне между линией времени выхода неудерживаемого компонента (оранжевая пунктирная линия) и линией времени выхода неудерживаемого компонента + линией оптимального времени разделения во вторичном измерении (желтая пунктирная линия), как показано на Рис. 4.

Рис. 4. Скриншот, на который следует обратить внимание при определении времени выхода неудерживаемого компонента и оптимального времени разделения для вторичного измерения, как показано в Simply GCxGC.

Время элюирования как для первого хроматографичеcкого измерения, так и для второго измерения для последнего элюируемого компонента вводится в инструмент Simply GCxGC, который определяет оптимальное смещение температуры вторичной печи, время разделения для 2-го измерения, длительность импульса нагрева для текущей конфигурации колонки и скорость изменения температуры первичной печи. Также могут быть даны рекомендации по увеличению или уменьшению длины вторичной колонки. Этот шаг можно повторять несколько раз по мере изучения других конфигураций. В зависимости от целей пользователя инструмент помогает разрабатывать оптимальные хроматографические методы, позволяющие сократить время анализа или получить максимальную пиковою емкость с учетом доступных наборов колонок. На Рис. 5 представлены двумерные хроматограммы для первой итерации этого эксперимента.

Рис. 5. Масштабированная хроматограмма GCxGC образца дизельного топлива для нахождения последнего элюируемого пика в диапазоне сдвигов температур вторичной печи +5°C и +40°C с отображением XIC последнего пика элюирования, что позволяет подобрать соответствующие GCxGC параметры. Обзор TIC (хроматограмма ионного тока) показан в правом верхнем углу каждой хроматограммы.

После запуска образца с оптимизированными параметрами можно оценить пиковую емкость. Затем пользователь может решить, требуется ли увеличение пиковой ёмкости. На Рис. 6 показан первый набор параметров, рассчитанных с помощью Simply GCxGC, при которых чистая пиковая емкость составила 2523.

Рис. 6. Образец дизельного топлива GCxGC на колонке Rxi-5MS 30 м x 0,25 мм x 0,25 мкм, соединенной с колонкой Rxi-17SilMS 2 м x 0,25 мм x 0,25 мкм, с использованием расчетных оптимальных параметров GCxGC 0,3 м во вторичной печи, скорости увеличения температуры 10,3°C/мин от 50°C до 300°C, скорости потока газа-носителя 1,4 мл/мин, смещения вторичной печи +16°C, время разделения для вторичного измерения 1,1 с с длительностью импульса нагрева 0,33 с, скорость сбора спектров 309 спектров/с.

На Рис. 7-9 показаны этапы последовательной оптимизации в соответствии с руководством Simply GCxGC с использованием той же колонки, что и в первом измерении, показанной на предыдущих рисунках, с целью увеличения пиковой емкости после каждой итерации. В начале, за счет замедления скорости повышения температуры достигается увеличение чистой пиковой емкости, как показано на Рис. 7.

Рис. 7. Образец дизельного топлива GCxGC на колонке Rxi-5MS 30 м x 0,25 мм x 0,25 мкм, соединенной с колонкой Rxi-17SilMS 2 м x 0,25 мм x 0,25 мкм, с использованием расчетных оптимальных параметров GCxGC 0,3 м во вторичной печи, скорость повышения температуры 4,2 °C/мин от 50 °C до 300 °C, скорость потока газа-носителя 1,4 мл/мин, смещение вторичной печи +9 °C, время разделения для вторичного измерения 2,4 с с длительностью импульса нагрева 0,73 с, скорость сбора спектров 192 спектр/с. Общая рассчитанная пиковая емкость составила 3858.

Затем для увеличения пиковой емкости для вторичного разделения использовали колонку с меньшим внутренним диаметром, измененным с исходных 0,25 мм до 0,18 мм. Результаты после изменения внутреннего диаметра вторичной колонки показаны на Рис. 8.

Рис. 8. Образец дизельного топлива после GCxGC на колонке Rxi-5MS 30 м x 0,25 мм x 0,25 мкм, соединенной с колонкой Rxi-17SilMS 2 м x 0,18 мм x 0,18 мкм, с использованием расчетных оптимальных параметров GCxGC 0,3 м во вторичной печи, скорость повышения температуры 4,7 °C/мин от 50°C до 300°C, скорость потока газа-носителя 1,4 мл/мин, смещение вторичной печи +10°C, время разделения для вторичного измерения 2,2 с с длительностью импульса нагрева 0,60 с, скорость сбора спектров 234 спектра/с. Общая рассчитанная пиковая емкость составила 4145.

Для дальнейшего увеличения пиковой емкости дополнительная петля вторичной колонки помещается во вторичную печь, а скорость повышения температуры еще больше снижается до достижения конечной пиковой емкости 5620, что более чем в два раза превышает значение, полученное при применении первого набора оптимизированных параметров. Разделение большего количества компонентов в дизельном топливе наглядно видно при сравнении Рис. 9 и Рис. 6.

Рис. 9. Образец дизельного топлива после GCxGC на колонке Rxi-5MS 30 м x 0,25 мм x 0,25 мкм, соединенной с колонкой Rxi-17SilMS 2 м x 0,18 мм x 0,18 мкм, с использованием расчетных оптимальных параметров GCxGC 0,45 м во вторичной печи, скорость увеличения температуры 2,7 °C/мин от 50°C до 300°C, скорость потока газа-носителя 1,4 мл/мин, смещение вторичной печи +15°C, время разделения для вторичного измерения 3,6 с с длительностью импульса нагрева 1,10 с, скорость сбора спектров 178 спектров/с. Общая рассчитанная пиковая емкость составила 5620.

Затем провели двумерное хроматографическое разделение того же образца дизельного топлива, поменяв стационарные фазы местами. Колонка 30 м x 0,25 мм x 0,25 мкм Rxi-17SilMS была соединена с колонкой Rxi-5MS 2 м x 0,25 мм x 0,25 мкм, и первоначальные оптимальные параметры дали чистую пиковую емкость 2523, как показано на Рис. 10.

Рис. 10. Образец дизельного топлива GCxGC на колонке Rxi-17SilMS 30 м x 0,25 мм x 0,25 мкм, соединенной с колонкой Rxi-5MS 2 м x 0,25 мм x 0,25 мкм, с использованием расчетных оптимальных параметров GCxGC 0,3 м во вторичной печи, скорость повышения температуры 10,3 °C/мин от 50°C до 300°C, скорость потока газа-носителя 1,4 мл/мин, смещение вторичной печи +32°C, время разделения для вторичного измерения 1,1 с с длительностью импульса нагрева 0,33 с, скорость сбора спектров 309 спектров/с. Общая рассчитанная пиковая емкость составила 2523.

Аналогичные шаги по оптимизации метода были затем предприняты для увеличения чистой пиковой емкости, как показано на рисунках 11-13. В начале дополнительная чистая пиковая емкость была получена за счет замедления скорости повышения температуры печи. Результаты показаны на Рис. 11.

Рис. 11. Образец дизельного топлива GCxGC на колонке Rxi-17SilMS 30м x 0,25мм x 0,25мкм, соединенной с колонкой Rxi-5MS 2м x 0,25мм x 0,25мкм, с использованием расчетных оптимальных параметров GCxGC 0,3 м во вторичной печи, скорость увеличения температуры 4,1°C/мин от 50°C до 300°C, скорость потока газа-носителя 1,4 мл/мин, смещение вторичной печи +9°C, время разделения для вторичного измерения 2,4 с с длительностью импульса нагрева 0,73 с, скорость сбора спектров 193 спектра/с. Общая рассчитанная пиковая емкость составила 3903.

Затрем внутренний диаметр вторичной колонки был изменен с 0,25 мм на 0,18 мм, и во вторичную печь была добавлена дополнительная петля для увеличения пиковой емкости второго измерения. Это привело к потере чистой пиковой емкости, но обеспечило большее хроматографическое разрешение во 2-м измерении между компонентами, которые коэлюируются при первичном разделении, как можно увидеть на Рис. 12.

Рис. 12. Образец дизельного топлива GCxGC на колонке Rxi-17SilMS 30 м x 0,25 мм x 0,25 мкм, соединенной с колонкой Rxi-5MS 2 м x 0,18 мм x 0,18 мкм, с использованием расчетных оптимальных параметров GCxGC 0,45 м во вторичной печи, скорость линейного изменения 9,6°C/мин от 50°C до 300°C, скорость потока газа-носителя 1,4 мл/мин, смещение вторичной печи +9°C, время разделения для вторичного измерения 1,2 с с длительностью импульса нагрева 0,30 с, скорость сбора спектров 349 спектров/с. Общая рассчитанная пиковая емкость составила 3055.

Наконец, скорость линейного изменения снова была снижена, чтобы увеличить чистую пиковую емкость и получить окончательную оптимизированную чистую пиковую емкость 4485, как показано на Рис. 13.

Рис. 13. Образец дизельного топлива GCxGC на колонке Rxi-17SilMS 30 м x 0,25 мм x 0,25 мкм, соединенной с колонкой Rxi-5MS 2 м x 0,18 мм x 0,18 мкм, с использованием расчетных оптимальных параметров GCxGC 0,45 м во вторичной печи, скорость линейного изменения 4,7 °C/мин от 50°C до 300°C, скорость потока газа-носителя 1,4 мл/мин, смещение вторичной печи +9°C, время разделения для вторичного измерения 2,2 с с длительностью импульса нагрева 0,65 с, скорость сбора спектров 248 спектров/с. Общая рассчитанная пиковая емкость составила 4485.

Хотя чистая пиковая емкость в экспериментах, проведенных на основной колонке с неполярной неподвижной фазой, была выше, обратная последовательность фаз колонок могла дать лучшие результаты, если требовалось разделить больше классов соединений на структурированной хроматограмме. Анализируемые соединения проявляют определенное химическое сродство к стационарной фазе, поэтому варьируя ее полярностью можно добиться максимальной эффективности хроматографического разделения методом двумерной ГХ.

Выводы

Использование инструмента Simply GCxGC для настройки и оптимизации методов GCхGC обеспечивает превосходное двумерное разделение. Начальные параметры позволяют сформировать базовую отправную точку для анализа. Simply GCxGC предоставляет руководство по пошаговой оптимизации, которая приводит к более высоким результатам пиковой емкости и лучшему хроматографическому разрешению для образца, независимо от используемой начальной фазы колонки.