[GC/MS] Components ① Carrier gas, Injector

Reference

#1. SHIMADZU, Introduction to Gas Chromatograph Mass Spectrometry 교육자료

#2. https://www.ssi.shimadzu.com/service-support/faq/gas-chromatography/sample-injection/index.html

 

 

1. Carrier Gas

 - He, N2 가 주로 이용된다. (Capillary column의 경우 He가 권장된다.)

 - HETP : Theoretical number of plates 당 Column 길이(값이 작을수록 더 잘 분리)

 - Linear Velocity : capillary column을 따라 흐르는 carrier gas의 속도

 

Carrier Gas	Pros	Cons
Hydrogen (H2)	• 높은 확산성 및 linear velocities • 우수한 분리 효율 • 짧은 분석 시간 및 실행 시간 (비용 절감)	• 가연성 • 완전한 불활성이 아님    (e.g. 고온에서 일부 화합물과 반응)
Helium (He)	• 불활성 및 불연성 (안전) • 높은 해상도 제공	• 높은 비용 및 어려운 접근성
Nitrogen (N2)	• 저렴한 비용 및 쉬운 접근성	• 높은 프로그래밍 GC 분석 사용에 적합하지 않음 • 낮은 분리 분해능 • 긴 분석 시간 및 실행 시간

 

* Carrier Gas Control Methods : Carrier Gas를 제어하기 위한 방법

 - Constant Flow Control (유속)

  • Packed Column이나 Wide Bore Column을 이용하여 전량을 주입할 때 사용

  • 컬럼의 저항에 상관없이 일정한 유속으로 Carrier Gas를 공급

  • 컬럼 온도의 증가가 압력을 변화시킴

 - Constant Pressure Control (압력)

  • 일반적으로 Capillary GC에 사용

  • 일정한 압력 하에서 Carrier Gas를 Column에 공급

  • 컬럼 저항의 변화는 유속으로 결정한다.

 - Constant Linear Velocity Control (평균선 속도)

  • 컬럼 내의 평균선속도(Linear Velocity)를 항상 일정하게 하여 Carrier Gas를 공급

  • 컬럼의 저항 변화에 따라 압력을 조절한다.

 

2. Injector

* Injection Port

- 역할   • 시료가 기화되는 장소   • 시료를 GC컬럼으로 정확하고 재현성 있게 전달	- 시료 형태   • 액체 또는 기체  - Sample preparation system (전처리 장비)   • Headspace, Purge&Trap, Valve, Pyrolyzer 등
- Column 종류
• Packed Column     a. 고전적인 시료 주입 방식     b. 디자인이 간단하며, 시료가 모두 컬럼으로 전달됨	• Capillary Column     a. Split     b. Splitless     c. On-column

 

* Sample Injection Port (Liner)

 - Split/Splitless Injection Ports

1. Split injection 고농도 시료 (수십 nanograms (ng) 이상) 샘플 일부만 주입	2. Splitless injection 저농도 시료 (수십 nanograms (ng) 미만) 대부분의 샘플 주입
Glass Insert (for split mode)	Glass Insert (for splitless mode)

 

 

* Sample Injection Volume

 - 샘플 주입량 기준

 - 주입량이 너무 많으면 peak 모양이 변형되거나 주입구가 더러워져 문제가 발생할 수 있다.

 - 액체 샘플 : 약 1 - 2 𝜇L

 - 기체 샘플 : 약 0.2 - 1 𝜇L

 - Capillary Column의 경우 시료를 column에 효율적으로 주입하는 방법을 결정하는 것이 중요하다.

 

* Sample Injection Methods : Capillary Column에 사용할 수 있는 다양한 방법

 - Hot Injection

  • Split : 일부만 column에 주입되어 대부분의 시료가 제거된다.

  • Splitless : 주입 시작 1 - 2분 동안 전량 주입된다.

 - Cold Injection

  • Cold on-column injection (OCI)

  • Programmed Temperature Vaporization (PTV)

 

* 참조 정보

 - 각 주입 방법에 대한 적용 가능한 샘플, 주입량 및 column에 대한 지침

 

출처 : https://www.ssi.shimadzu.com/service-support/faq/gas-chromatography/sample-injection/index.html

 

* Split Injection

Split Injection overview

  • Total Carrier Gas Flow = Column Flowrate + Split Flowrate + Purge Flow

  • Split Ratio = Split Flow/Column Flow

 - Capillary Column 사용을 위해 개발된 주입 방식

 - 시료는 고온의 주입구에서 기화된 후 일부만이 컬럼으로 전달되고 나머지는 버려지므로(Vent), Splitless 주입에 비해 피크 크기는 작음

 - 거의 모든 시료에 적용 가능하고 시료용매의 제한이 없으며 피크 형태가 우수함(Sharp)

 - Split Injection을 위한 전용 Glass Insert 사용

 - 극미량의 분석에는 부적합(시료 농도가 높아야 함)

 

* Splitless Injection

Splitless Injection

  • Total Carrier Gas Flow = Column Flow + Purge Flow

 - 시료가 고온의 주입구에서 기화된 후 전량이 컬럼으로 도입됨

 - 주로 미량분석에 이용

 - Splitless Injection을 위한 전용 Glass Insert 사용

 - 비점이 낮은 시료는 용매 피크와 중첩되거나 빨리 검출

 - Solvent가 전량 주입되는 것을 방지하기 위해 Solvent cut time 입력 필요

 - 컬럼 성능이 빨리 저하될 수 있음

 

 

* Solvent effect

 - Splitless Injection의 경우,

  오븐의 온도가 용매의 끓는 점보다 약 20℃ 이상 낮게 온도가 유지되면 컬럼 내에서 기화된 용매가 다시 액화할 수 있다.

  • Sample : n-C11, C13, C15, C17, C18 in n-Hexane (b.p. 69℃)

  • Column : Rtx-1, 0.25mmi.d.x 30m df=0.25𝜇m

  • Splitless injection(Sampling time 1min)