Gas Chromatography (GC): Pengertian, Prinsip Kerja dan Aplikasinya
Pengertian GC
Gambar 1. Instrumen GC
GC adalah singkatan Gas Chromatography dalam versi bahasa Indonesia sering juga disebut Gas Kromatografi atau Kromatografi Gas. Gas Chromatography merupakan teknik analitik yang digunakan untuk memisahkan, mendeteksi, dan menganalisis komponen-komponen dalam campuran yang bisa diuapkan tanpa terurai/terdekomposisi.
GC merupakan salah satu instrument kromatografi. Apa itu kromatografi? Kromatografi adalah sebuah teknik atau metode pemisahan molekul yang didasarkan pada perbedaan pola pergerakan antara fase gerak dan fase diam.
Sesuai namanya, Gas Chromatography, GC menggunakan fasa gerak berupa gas, sedangkan fasa diam yang digunakan adalah solid yaitu kolom. Gas yang umum digunakan sebagai fasa gerak di GC yaitu Nitrogen, Helium dan Hydrogen.
Gambar 2. Prinsip Kerja Kromatografi
Bagaimana Prinsip Kerja GC?
Terdapat 5 komponen utama pada, yaitu fasa gerak, syringe/autosampler, injector, kolom, detector data system/ software. Pada analisis GC, senyawa gas atau cairan diinjeksikan ke dalam kolom menggunakan microsyringe dan dipanaskan dengan suhu tertentu, sehingga berubah menjadi senyawa dalam bentuk gas. Di dalam kolom, senyawa gas yang dianalisis berinteraksi dengan dinding kolom yang dilapisi dengan fase diam. Molekul dari senyawa tersebut akan tertahan oleh fasa diam. Lamanya penahanan komponen tergantung pada afinitas komponen dengan fase diam. Bila penahannya lemah, maka waktu retensi akan lebih cepat sehingga komponen cepat keluar dari kolom. Tetapi apabila penahannya kuat, maka waktu retensi akan lebih lambat. sehingga dapat terjadi pemisahan komponen dalam kolom. Senyawa keluar dari kolom dan terbaca oleh detector yang kemudian diolah oleh data system/rekorder. Data keluaran adalah hasil analisa Gc adalah kromtogram.
Gambar 3. Skema Prinsip Kerja GC
Gambar 4. Kromatogram GC
Syarat Senyawa yang Dapat Dianalisis Menggunakan GC
GC merupakan instrument analitik yang digunakan untuk analisa senyawa organic. Terdapat beberapa syarat senyawa yang dapat dianalisa menggunakan GC, yaitu
- Thermal Stabil
Syarat pertama senyawa yang dapat di analisa menggunakan GC adalah stabil terhadap pemanasan, atau tidak mudah terdekomposisi akibat suhu yang tinggi, karena GC menggunakan suhu yang tinggi pada injector dan oven kolom sekitar 300 oC bahkan lebih.
- Bersifat volatile/ mudah menguap
Syarat kedua adalah senyawa bersifat volatile atau mudah menguap yaitu dapat diuapkan pada suhu dibawah 400 – 500 oC, karena pada GC senyawa dipisahkan di kolom dalam bentuk gasnya, sehingga seyawa yang dianalisa menggunakan GC harus mudah diuapkan.
- Umumnya bersifat non polar
Sebagian besar senyawa yang bersifat non polar, dapat dianalisa menggunakan GC, seperti Poly Aromatic Hydrocarbon (PAH), asam lemak dll
Preparasi Sampel
Terdapat tiga preparasi sampel yang umum dilakukan sebelum sampel dianalisa menggunakan GC, yaitu
- Pengenceran (Dilution)
Preparasi sampel yang paling umum dilakukan adalah pengenceran. Pengenceran dilakukan untuk mengencerkan sampel agar konsentrasi sampel yang dianalisa, masuk ke dalam spesifikasi instrument. Jika konsentrasi terlalu besar, maka detector menjadi saturasi dan peak yang dihasilkan tidak sempurna.
- Derivatisasi
Derivatisasi merupakan suatu reaksi kimia yang berfungsi untuk mengubah atau menambahkan gugus tertentu pada senyawa target. Derivatisasi dilakukan agar senyawa target berubah sifatnya seperti membuat senyawa menjadi bersifat lebih volatile, thermal stabil dan mengubah kepolaran suatu senyawa. Contoh reaksi derivatisasi adalah reaksi derivatisasi asam lemak menjadi fatty acid methyl ester (FAME).
Gambar 5. Reaksi Derivatisasi fatty acid
- Sample Clean Up
Clean up dilakukan untuk menghilangkan senyawa yang bersifat nonvolatile, sehingga tidak masuk ke dalam system GC. Contoh sample cleanup adalah SPE (solid phase extraction).
Konfigurasi GC
Sistem GC terdiri dari 5 modul utama yaitu fasa gerak, flow control, autosampler, injector, kolom oven, detector dan data system/software.
Gambar 6. Skema Konfigurasi GC
- Fasa Gerak
Gambar 7. Fasa Gerak GC
Fasa gerak berfungsi untuk membawa sampel dari injector sampai dengan detector. GC menggunakan gas sebagai fasa gerak. Syarat gas yang dapat digunakan di GC yaitu inert dan tipe UHP (Ulta High Purity) 99,999%. Beberapa gas yang umum digunakan di GC yaitu :
- Nitrogen
Nitrogen merupakan salah satu gas yang dapat digunakan di GC. Nitrogen bersifat inert tetapi memiliki viskositas yang tinggi.
- Helium
Helium merupakan gas yang paling banyak digunakan di GC, karena helium bersifat sangat inert dan tidak mudah terbakar.
- Hidrogen
Hidrogen merupakan salah satu gas yang dapat digunakan di GC, hydrogen bersifat inert namun memiliki sifat mudah terbakar.
- Flow/Pressure Control
Flow/Pressure controller merupakan bagian dari GC yang berfungsi untuk mengatur jumlah keluaran gas pembawa.
- Autosampler/Syringe
Gambar 8. Autosampler GC
Autosampler / Syringe digunakan untuk memasukkan sampel ke dalam injector. Penginjekan sampel dapat dilakukan manual menggunakan syringe atau otomatis menggunakan autosampler. Terdapat beberapa jenis autosampler pada GC, tergantung dengan teknik sample introduction yang digunakan, yaitu On column Injection, Liquid injeksi, Headspace, SMPE, Pyrolisis, Thermal Desorber, Purge and Trap
- Injektor
Injektor di GC berfungsi untuk menguapkan sampel menjadi bentuk gasnya dan mencampurkannya dengan fasa gerak. Senyawa dalam bentuk gas yang terbentuk kemudian dibawa oleh fasa gerak menuju ke kolom.
Pada GC, terdapat beberapa jenis injector. Secara umum dibedakan menjadi dua, yaitu vaporizing injector dan non vaporizing injector.
Vaporizing Injector
- Split/Splitless (SSL) Injector
Gambar 9. Injektor SSL
SSL Injector dapat digunakan untuk dua mode yaitu Split dan Splitless dan hanya dapat diatur pada satu suhu injector. Mode split digunakan untuk sampel yang memiliki konsentrasi tinggi, sedangkan mode splitless digunakan untuk sampel yang memiliki konsentrasi rendah.
- Programmable Temperature Vaporizer (PTV) Injector
Gambar 10. Injektor PTV
PTV injector digunakan untuk analisa sampel dengan kandungan senyawa yang memiliki titik didih yang beragam. Pada PTV injector, suhu injector dapat lebih dari satu suhu yang berfungsi untuk menguapkan sampel satu per satu sesuai dengan titik didihnya
Non-Vaporizing Injector
- On column injector (OCI)
Gambar 11. Injektor OCI
On column injection digunakan untuk analisa sampel yang sangat thermal labil atau tidak stabil terhadap pemanasan. Sampel tidak diubah menjadi fasa gas di injector tetapi langsung dimasukan ke dalam kolom pada suhu yang rendah. On column injection memiliki kekurangan yaitu banyak senyawa yang bersifat non volatile masuk ke dalam kolom sehingga dapat memperpendek umur kolom.
- Gas sampling valve (GSV)
Gas sampling valve (GSV) merupakan injector khusus untuk analisa sampel-sampel gas. Misalnya analisa kemurnian gas N2, H2, He, dll. Sampel-sampel gas dimasukan ke dalam GSV dan dengan cepat akan diteruskan ke dalam kolom.
- Oven Kolom
Gambar 12. Oven Kolom
Oven kolom digunakan sebagai tempat pemanasan kolom pada saat analisa. Oven kolom memiliki rentang suhu yang dapat disekitar 30 – 300 oC, dapat menampung 1 sampai 2 kolom tergantung dengan konfigurasinya.
Kolom oven pada GC memiliki 2 tipe pemanasan, yaitu :
- Isothermal
Pada tipe pemanasan isothermal, hanya satu suhu oven yang digunakan dari awal analisa sampai akhir analisa. Biasanya digunakan untuk analisa sampel- sampel dengan matriks yang ringan.
Gambar 13. Pemanasan Isothermal
- Temperature Program
Pada tipe pemanasan temperature program, suhu oven diatur gradient dari awal analisa sampai akhir analisa. Gradient suhu ini dapat mempercepat waktu analisa dan menyebabkan pemisahan menjadi lebih baik terutama untuk sampel yang memiliki matriks yang berat.
Gambar 14. Pemanasan Terprogram
- Kolom
Kolom merupakan jantungnya kromatografi, keberhasilan pemisahan sangat dipengaruhi oleh kolom. Berbeda dengan HPLC, yang memiliki kolom berukuran 15 cm, GC memiliki kolom dengan panjang sampai 100 m dalam bentuk kumparan. Terdapat beberapa 2 jenis kolom GC yaitu packed column dan capillary column.
Packed Column
Packed column terbuat dari kaca, baja tahan karat, tembaga, atau aluminium, dan biasanya panjangnya 2–6 m dengan diameter internal 2–4 mm. Kolom diisi dengan penyangga padat partikulat, dengan diameter partikel mulai dari 37–44 μm hingga 250–354 μm.
Gambar 15. Packed Column
Capillary Column
Kolom kapiler terbuat dari leburan silika dan dilapisi dengan polimer pelindung. Panjang kolom berkirsar 15 – 100 m dengan diameter internal sekitar 150 – 300 um. Kolom kapiler merupakan kolom yang paling banyak digunakan di GC. Kolom kapiler memiliki beberapa tipe, tergantung dengan material pengisinya.
Gambar 16. Capillary Column
- Detektor
GC memiliki beberapa jenis detector. Pemilihan detector di GC sangat dipengaruhi oleh target senyawa/komponen yang akan dianalisa dan limit deteksi yang ingin dicapai. Berikut merupakan jenis-jenis detector di GC:
- Flame Ionization Detector (FID)
Flame ionization detector (FID) merupakan detector universal yang dapat digunakan untuk analisa senyawa hidrokarbon. Rentang konsentrasi senyawa yang dapat diukur menggunakan FID adalah ppm – %. Contoh aplikasinya yaitu analisa asam lemak, analisa residu solvent, analisa VOCs dll
- Thermal Conductivity Detector (TCD)
Thermal Conductivity Detector (TCD) merupakan detector universal yang dapat mendeteksi semua senyawa kecuali fasa geraknya. Rentang konsentrasi senyawa yang dapat diukur menggunakan TCD adalah ppm – %. Biasanya digunakan untuk analisa gas, seperti gas N2, H2, He dll
- Electron Capture Detector (ECD)
Electron Capture Detector (ECD) merupakan detector yang digunakan untuk analisa senyawa yang mengandung unsur yang memiliki elektronegatif yang tinggi (senyawa halogen). Rentang konsentrasi senyawa yang dapat diukur menggunakan ECD adalah ppb – ppm. ECD memiliki radioaktif 63Ni, sehingga ada persyaratan khusus yang harus dipenuhi oleh laboratorium dan operator sebelum menggunakan ECD. Biasanya digunakan untuk analisa organoklorin, PCB dll
- Nitrogen Phosphorus Detector (NPD)
Nitrogen Phosphorus Detector (NPD) merupakan detector yang sensitive mendeteksi senyawa organic yang mengandung unsur N dan P. NPD memiliki limit deteksi dalam rentang ppb. Biasanya digunakan untuk analisa nitrosamine, organophosphate dll
- Flame Photometric Detector (FPD)
Flame Photometric Detector (FPD) merupakan detector yang sensitive mendeteksi senyawa organic yang mengandung unsur P, S dan Sn. FPD memiliki limit deteksi dalam rentang ppb – ppm. Biasanya digunakan untuk analisa organophosphate dll
- Mass Spectrometry Detector
Mass Spectrometer Detector merupakan detector yang sensitif. MS Detector membaca massa per muatan (m/z) dari senyawa. Senyawa-senyawa yang telah dipisahkan di kolom akan diubah menjadi ion, baik positif atau negative dan detector akan membaca ion-ion yang dihasilkan berdasarkan m/z nya. Detektor MS ini biasanya digunakan untuk analisa residu, contohnya residu pestisida, residu nitrosamine, residu antibiotic dll Terdapat beberapa jenis detector MS yaitu GCMS, GC-MS/MS, dan GC-HRMS.
- Data System/Software
Software memegang peranan yang sangat penting di GC. Instrument yang powerfull juga harus didukung dengan software yang powerfull. Software di GC berfungsi untuk mengkontrol instrument dari proses pengkondisian, analisa, pengolahan data sampai reporting. Berikut merupakan contoh tampilan software pada GC.
Aplikasi GC
GC memiliki aplikasi yang luas diberbagai bidang, seperti
- Pertanian dan Pangan
Pada bidang pertanian dan pangan, GC biasanya digunakan untuk memeriksa keamanan dan kualitas produk, seperti analisa pestisida pada hasil pertanian, analisa asam lemak, analisa PAH, PCB, Dioksin Furan, ethylene oxide, 3 MCPD dan MOSH MOAH
- Lingkungan
Pada bidang lingkungan, GC biasanya digunakan untuk memeriksa keamanan dan kualitas lingkungan, seperti analisa polutan udara (VOCs, PAH), analisa pemantauan kualitas air dan polutan di air (Organoklorin, organophosphate, pestisida di air), analisa polutan tanah (pestisida dan bahan kimia di tanah), pemantauan kualitas air laut (analisa tumpahan minyak di laut) dll
- Farmasi dan Klinik
Pada bidang farmasi dan klinik, GC memiliki berbagai macam aplikasi :
- Analisis zat aktif farmasi dan metabolitnya
- Kontrol kualitas, seperti analisis impurities/pengotor seperti EG DEG, residu pelarut
- Analisis metabolit pada urine, darah, rambut dan sampel biologi yang lain
- Analisis narkoba dan zat terlarang lainnya
- Perikanan
Pada bidang perikanan, GC biasanya digunakan untuk memeriksa keamanan dan kualitas hasil perikanan, seperti analisis residu pestisida, organoklorin, PCB, PAH dan dioksin pada produk perikanan.
- Kimia
Pada bidang kimia, GC biasanya digunakan untuk identifikasi dan pemurnian senyawa, analisis produk reaksi dan pengotor pada produk hasil sintesis, analisis metabolit sekunder pada produk hasil isolasi bahan alam dll
Sumber :
5.1. Chromatography – MOOC: Instrumental analysis of cultural heritage objects (ut.ee)
AI/AS 1610 Liquid Autosampler (thermofisher.com)
TraceGOLD TG-5MS GC Columns (thermofisher.com)
TRACE™ 1600 Series Gas Chromatograph
