uva-dare (digital academic repository) method development ... · john mommers uitnodiging voor het...

194
UvA-DARE is a service provided by the library of the University of Amsterdam (http://dare.uva.nl) UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development for comprehensive two‐dimensional gas chromatography Mommers, J.H.M. Link to publication License Other Citation for published version (APA): Mommers, J. H. M. (2018). Method development for comprehensive two‐dimensional gas chromatography. General rights It is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Disclaimer/Complaints regulations If you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, please let the Library know, stating your reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the material inaccessible and/or remove it from the website. Please Ask the Library: https://uba.uva.nl/en/contact, or a letter to: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam, The Netherlands. You will be contacted as soon as possible. Download date: 23 Jan 2021

Upload: others

Post on 25-Sep-2020

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

UvA-DARE is a service provided by the library of the University of Amsterdam (http://dare.uva.nl)

UvA-DARE (Digital Academic Repository)

Method development for comprehensive two‐dimensional gas chromatography

Mommers, J.H.M.

Link to publication

LicenseOther

Citation for published version (APA):Mommers, J. H. M. (2018). Method development for comprehensive two‐dimensional gas chromatography.

General rightsIt is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s),other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content license (like Creative Commons).

Disclaimer/Complaints regulationsIf you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, please let the Library know, statingyour reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the material inaccessible and/or remove it from the website. Please Askthe Library: https://uba.uva.nl/en/contact, or a letter to: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam,The Netherlands. You will be contacted as soon as possible.

Download date: 23 Jan 2021

Page 2: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

Method Development for ComprehensiveTwo-Dimensional Gas Chromatography

John Mommers

Metho

d D

evelop

ment fo

r Co

mp

rehensive Two

-Dim

ensional G

as Chro

mato

grap

hyJo

hn Mo

mm

ers

UITNODIGING

Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift

Method Development for Comprehensive

Two-Dimensional Gas Chromatography

Op donderdag 15 maart 2018 om 12.00 uur in de

AgnietenkapelOudezijds Voorburgwal 231

te Amsterdam

Receptie ter plaatse na afloop van de promotie

John [email protected]

Page 3: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

 

 

Method Development for Comprehensive 

Two‐Dimensional Gas Chromatography 

 

 

ACADEMISCH PROEFSCHRIFT 

 

 

ter verkrijging van de graad van doctor 

aan de Universiteit van Amsterdam 

op gezag van Rector Magnificus 

Prof. dr. ir. K.I.J. Maex 

ten overstaan van een door het College voor Promoties ingestelde 

commissie, in het openbaar te verdedigen in de 

in de Agnietenkapel 

op donderdag 15 maart 2018, te 12:00 uur 

door 

 

 

Johannes Helena Michael Mommers 

 

geboren te Meerssen 

 

 

 

 

 

 

Page 4: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

Promotiecommissie 

 

Promotor:  Prof. dr. S. Van der Wal 

Universiteit van Amsterdam 

Co‐Promotors:  Prof. dr. ir. P. J. Schoenmakers 

Universiteit van Amsterdam 

  Prof. dr. C. G. de Koster 

Universiteit van Amsterdam 

 

Overige leden:  Prof. dr. J. Focant 

Université de Liège 

  Prof. dr. T. Hankemeier 

Universiteit Leiden 

 

  Prof. dr. ir. J.G.M. Janssen 

Universiteit van Amsterdam 

 

  Prof. dr. R.A.H. Peters 

Universiteit van Amsterdam 

  Prof. dr. W.P. de Voogt 

Universiteit van Amsterdam 

  Dr. M. Camenzuli 

Universiteit van Amsterdam 

 

 

Faculteit der Natuurwetenschappen, Wiskunde en Informatica 

   

Page 5: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Title:     Method Development for Comprehensive Two‐Dimensional Gas Chromatography 

ISBN:    978‐94‐6295‐871‐5 

Printed by:  ProefschriftMaken  www.proefschriftmaken.nl 

Cover:    Designed in Blender 2.79 by John Mommers 

 

Page 6: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

TABLE OF CONTENTS 

1  0B0BINTRODUCTION ......................................................................................................... 7 

1.1  12B12BGENERAL INTRODUCTION TO GC×GC ................................................................................... 7 

1.2  13B13BADVANTAGES OF GC×GC ................................................................................................... 8 

1.3  14B14BGC×GC HISTORY, APPLICATIONS, AND TRENDS ...................................................................... 9 

1.4  15B15BGENERAL OBSTACLES AND LIMITATIONS OF GC×GC .............................................................. 10 

1.5  16B16BOVERVIEW OF THESIS ....................................................................................................... 13 

1.6  17B17BREFERENCES ................................................................................................................... 14 

2  1B1BMETHOD DEVELOPMENT FOR COMPREHENSIVE TWO‐DIMENSIONAL GAS 

CHROMATOGRAPHY; A REVIEW ....................................................................................... 15 

2.1  18B18BINTRODUCTION ............................................................................................................... 15 

2.2  19B19BGC×GC METHOD DEVELOPMENT ...................................................................................... 16 

2.3  20B20BCHOICE OF THE GC×GC SET‐UP ......................................................................................... 21 

2.4  21B21BCHOICE OF THE GC×GC COLUMN‐SET ................................................................................ 28 

2.5  22B22BGC×GC OPTIMIZATION .................................................................................................... 40 

2.6  23B23BDATA PROCESSING .......................................................................................................... 46 

2.7  24B24BCONCLUSIONS ................................................................................................................ 48 

2.8  25B25BREFERENCES ................................................................................................................... 50 

3  2B2BPREDICTION OF COMPREHENSIVE TWO‐DIMENSIONAL GAS CHROMATOGRAPHY 

SELECTIVITY AND RANKING OF COLUMN‐SETS; APPLICATION TO BIO‐OIL SAMPLES ......... 61 

3.1  26B26BINTRODUCTION ............................................................................................................... 61 

3.2  27B27BEXPERIMENTAL ............................................................................................................... 63 

3.3  28B28BRESULTS AND DISCUSSION ................................................................................................ 71 

3.4  29B29BCONCLUSIONS ................................................................................................................ 86 

3.5  30B30BACKNOWLEDGMENTS ...................................................................................................... 87 

3.6  31B31BREFERENCES ................................................................................................................... 87 

3.7  32B32BSUPPLEMENTARY DATA .................................................................................................... 89 

4  3B3BRETENTION TIME LOCKING PROCEDURE FOR COMPREHENSIVE TWO‐DIMENSIONAL 

GAS CHROMATOGRAPHY ................................................................................................. 99 

4.1  INTRODUCTION ............................................................................................................... 99 

4.2  34B34BEXPERIMENTAL ............................................................................................................. 101 

4.3  35B35BRESULTS AND DISCUSSION .............................................................................................. 104 

Page 7: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

 

4.4  36B36BCONCLUSIONS .............................................................................................................. 117 

4.5  37B37BREFERENCES ................................................................................................................. 118 

5  4B4BA PROCEDURE FOR COMPREHENSIVE TWO‐DIMENSIONAL GAS CHROMATOGRAPHY 

RETENTION TIME LOCKED DUAL DETECTION ................................................................... 121 

5.1  38B38BINTRODUCTION ............................................................................................................. 121 

5.2  39B39BEXPERIMENTAL ............................................................................................................. 123 

5.3  40B40BRESULTS AND DISCUSSION .............................................................................................. 127 

5.4  41B41BCONCLUSIONS .............................................................................................................. 142 

5.5  42B42BREFERENCES ................................................................................................................. 142 

5.6  43B43BSUPPLEMENTARY DATA .................................................................................................. 144 

6  5B5BTEMPERATURE‐TUNABLE SELECTIVITY IN COMPREHENSIVE TWO‐DIMENSIONAL GAS 

CHROMATOGRAPHY ....................................................................................................... 145 

6.1  44B44BINTRODUCTION ............................................................................................................. 145 

6.2  45B45BEXPERIMENTAL ............................................................................................................. 146 

6.3  46B46BRESULTS AND DISCUSSIONS ............................................................................................. 148 

6.4  47B47BCONCLUSIONS AND DISCUSSIONS ..................................................................................... 157 

6.5  48B48BREFERENCES ................................................................................................................. 158 

7  6B6BTUNABLE SECONDARY DIMENSION SELECTIVITY IN COMPREHENSIVE TWO‐

DIMENSIONAL GAS CHROMATOGRAPHY ........................................................................ 161 

7.1  49B49BINTRODUCTION ............................................................................................................. 161 

7.2  50B50BEXPERIMENTAL ............................................................................................................. 163 

7.3  51B51BRESULTS AND DISCUSSIONS ............................................................................................. 166 

7.4  52B52BCONCLUSIONS AND DISCUSSIONS ..................................................................................... 177 

7.5  53B53BREFERENCES ................................................................................................................. 179 

8  7B7BSUMMARY .............................................................................................................. 181 

9  8B8BSAMENVATTING ..................................................................................................... 183 

10  9B9BLIST OF AUTHOR’S PUBLICATIONS ........................................................................... 185 

11  10B10BOVERVIEW OF AUTHOR’S CONTRIBUTIONS ............................................................. 189 

12  11B11BDANKWOORD ......................................................................................................... 191 

Page 8: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

 

   

Page 9: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

1 0B0BIntroduction 

1.1 12B12BGeneral introduction to GC×GC 

Comprehensive two‐dimensional gas chromatography (GC×GC), was introduced by Liu 

and Phillips in 1991 [1]. A schematic overview of a standard GC×GC set‐up, showing its 

main components, is given in figure 1. It consists of a primary dimension GC column 

(1column) which is coupled in series to a secondary dimension GC column (2column), 

having a different selectivity, by means of a GC column connector [2]. The 1column is 

attached to the GC‐injector and the 2column is attached to the detector. The 1column 

is positioned in the main GC oven (1oven) and the 2column is in installed in the 1oven 

or  in  a  separate,  secondary GC oven  (2oven).  The most  important  component of  a 

GCGC instrument, often referred to as the ‘heart’ of a GCGC, is the modulator. In 

most cases the modulation takes places on the 2column or on a retention gap, which 

is a deactivated capillary column without a stationary‐phase, having the same internal 

diameter as the 2column.  

 

Figure  1  A  schematic  overview  of  a  standard  GCGC  setup  showing  its  main 

components 

 

GC Inlet

1Column

2Column

Modulator

1Oven

2Oven

Detector

Page 10: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

The  main  function  of  the  modulator  is  to  periodically  trap  the  1column  effluent, 

refocusing analytes into a narrow chromatographic band and injecting this band into 

the 2column [3]. The modulator must trap at least 2.5 to 3 fractions per eluting primary 

peak  [4,  5].  As  a  consequence  the  secondary  separation  must  be  very  fast.  For 

example, obtaining 2.5 to 3 fractions of a primary peak with a peak width at base of, 

say, 12 seconds implies that the secondary retention‐time must be 4.8 seconds or less. 

Longer secondary retention‐times would lead to “undersampling”, thus compromising 

the primary  separation.  The  1column  is  generally  a GC  column having a  length  (1L) 

between 20 and 60 m and an internal diameter (1dc) of 0.25 mm. On the other hand, 

the 2column is generally a short (2L between 0.5 and 2 m), narrow bore (2dc between 

0.1 and 0.15 mm) GC column, providing a fast separation roughly between 2 and 20 s.  

 

Both columns should have significantly different stationary‐phase selectivities to make 

optimal use of the 2D separation space. This is also referred to as orthogonality [2]. A 

GCGC analysis results in a 1D modulated chromatogram which is transformed by the 

software  into a 2D‐chromatogram. This transformation  is performed by stacking all 

the  sequential  second‐dimension  chromatograms  side  by  side  to  create  a  2D‐

chromatogram  representing  the  retention  of  the  1column  on  the  x‐axis  and  the 

retention of the 2column on the y‐axis, often visualized as a 2D color plot.  

1.2 13B13BAdvantages of GC×GC  

The three main reasons to use GC×GC instead of one‐dimensional GC are: 

because of its highly increased separation power; the peak capacity in GC×GC 

roughly equals the peak capacity of the 1column times the peak capacity of 

the 2column (nGC×GC  1n × 2n); 

because GC×GC may provide  (highly)  structured 2D‐chromatograms, where 

compounds  which  are  chemically  related  (e.g.  aldehydes,  degree  of 

unsaturation,  isomers  or  homologous)  elute  in  the  same  chromatographic 

region or in a structured and recognizable manner. Structured chromatograms 

enable group‐type analysis, assist in structure elucidation of unknown peaks, 

or may assist in the verification of peaks identified by mass spectrometry (MS); 

Page 11: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

because of its increased sensitivity (5 to 10 times) due to trapping, refocusing 

and  fast  injection  of  the  narrow  band  into  the  2column  by  the modulator, 

which leads to an increased signal‐to‐noise ratio.     

1.3 14B14BGC×GC history, applications, and trends  

Since the introduction of GC×GC in 1991, the number of scientific publications on the 

subject shows a steep annual increase in the early years and seem to stabilize in the 

last  few  years  (cf.  figure  2).  GC×GC  technology  is  becoming  more  mature,  more 

accessible,  and  increasingly  adopted  by  analytical  chemists.  Topics  of  published 

GC×GC  papers  clearly  shifted  from  instrumental  developments,  data  processing 

approaches and chemometrics, more and more towards real‐life applications.    

 

Figure  2  Number  of  scientific  publications  involving  GC×GC  per  year;  information 

obtained  by  searching  “comprehensive  two‐dimensional  gas  chromatography”  or 

“GC×GC” in title, abstracts, and keywords by using Scopus   

 

GC×GC applications are  found mainly  in  the  fields of  (1) characterization of oil and 

petrochemicals,  (2)  food,  food  safety,  flavor,  and  fragrances,  (3)  environmental 

analysis, (4) circular economy (e.g. characterization of alternative green bio/pyrolysis 

fuels and materials), (5) metabolomics, biomarker discovery, health, and diagnostics 

and  (6)  forensic  analysis  (e.g.  concerning  oil  spills  and  characterization  of  fire 

Page 12: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

10 

accelerants). An overview of the main GC×GC application fields  in 2016 is shown in 

figure 3. In total 130 scientific papers concerning GC×GC were published in 2016.      

 

 

Figure 3 Overview of GC×GC main topics published in 2016 

1.4 15B15BGeneral obstacles and limitations of GC×GC 

As  stated,  GC×GC  provides more  separation  power,  structured  2D‐chromatograms 

and enhanced sensitivity when compared to one‐dimensional GC. However, GC×GC 

also suffers from several obstacles and limitations.  

 

To  start,  GC×GC  method  development  is  significantly  more  difficult  than  method 

development  for  1D‐GC.  For  GC×GC  more  choices  need  to  be  made,  such  as  the 

selection  of  the  GC×GC  column‐set  (phase  chemistries  and  dimensions)  and  the 

modulator  settings.  Also,  GC×GC method  optimization  is more  difficult  due  to  the 

complex  interplay of  the many  1D and  2D parameters  [6]. This complex  interplay  is 

visualized in figure 4.  

Page 13: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

11 

 

Figure  4  Complex  interplay  of  GC×GC  parameters  of  a  standard GC×GC  setup.  The 

parameters that can be chosen are indicated by the ‘pinion icons’. All parameters are 

1Reten

‐tion (k)

Temp 

Rate

Analysis 

Time

Mass / 

mod

Pm

1P/

P

Pmid

1 df

1dc

1L

1W

h

Chan

ce of 

1overload

ing

Pin

info

2 df

2dc

T elution

2 RS

Chan

ce of 

2Overload

ing

2u

2P

2 Reten

‐tion (k)

2 D space

2W

h

2L

Pout

1P 1 u

uopt

1RS

1Stat 

Phase

2Stat 

Phase

1 Selec‐

tivity (r)

2Selec‐

tivity (r)

1 Column

2Column

Modulator

Inlet

Detector

Page 14: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

12 

given  in  the  colored  boxes,  primary  dimension  parameters  in  blue,  secondary 

dimension  parameters  green,  modulator  parameters  in  yellow  and  overall  GC×GC 

parameters  in  red.  The  arrows,  pointed  from  the  input  to  the  output  parameter, 

indicate an increase (green), a decrease (red) or both possibilities (grey)  in case the 

input parameter is increased (Adapted from [6])      

 

Furthermore, the method‐development choices and optimization are also restricted 

by the need to maintain the first‐dimension separation and by column temperature 

limitations. The upper temperature limit of the least stable column (often the most 

polar column) determines the upper temperature limitation of the entire column‐set.  

 

Moreover, due to the usual difference in the internal diameters of the primary and 

secondary column (mostly 1dc > 2dc), both columns cannot be simultaneously operated 

at their optimal linear gas velocities. This is referred to as the flow‐mismatch issue [7]. 

This  complicates  optimization  and  leads  to  compromise  pressure/flow  parameter 

settings. Additionally, the difference in the internal diameters may also lead to mass‐

loadability issues [8, 9] for the secondary column given the fact that mass loadability 

is proportional with the dc2 as the volume of stationary‐phase per plate is proportional 

with dc2df [10] and focussing in the modulator worsen these loadability issues. Mass 

overloading will  lead to broader 2peaks and to a decrease of the overall separation 

power.       

 

Also,  in  GC×GC,  a  chromatographic  peak  has  two  retention‐times,  one  for  each 

dimension [11]. Thus, peaks may shift in two directions, which causes alignment issues 

that  are  less  straightforward  to  solve  than  retention‐time  shifts  in  1D‐GC.  An 

additional  issue  is  that  the  secondary  chromatograms  are  stacked  (no 

chromatographic continuum anymore), so a shift in the second dimension may lead 

to  peaks  “jumping”  from  the  top  of  the  chromatogram  to  the  bottom  of  the 

chromatogram (wrap‐around) or visa‐versa.  This aggravates alignment issues [12]. In 

GC×GC,  a  shift  in  the  primary  retention‐time  also  causes  a  shift  in  the  secondary 

retention‐time, because the peak  is eluting  from the primary column at a different 

temperature  (due  to  the  inevitable  temperature  programming)  and  is,  therefore, 

Page 15: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

13 

‘analyzed’  at  a  different  (approximately  isothermal)  temperature  on  the  2column. 

Peaks may shift in time due to column aging or upon replacing a column or the whole 

column‐set.  Peak  alignment  is  especially  important  when  comparing  complex 

chromatographic  data,  for  example  when  comparing  different  samples  with  each 

other  or  when  following  chromatographic  data  in  time  to  investigate  changes  or 

trends. Due to the complexity of the chromatograms, manual peak alignment is not 

an option in GC×GC. 

1.5 16B16BOverview of thesis  

Chapter 2 ‐‐ in this chapter a review is given in which several approaches to GC×GC 

method development are discussed and guidelines for GC×GC method development 

are  proposed.  The  focus  is  on  selecting  the  GC×GC  instrumental  set‐up  and  the 

column‐set, optimization of  the GC×GC  settings,  and dealing with  two‐dimensional 

retention‐time shifts.    

Chapter 3 ‐‐ In this chapter the selection of column‐sets is discussed. A procedure is 

described for the global prediction of the best GC×GC column‐sets for the analysis of 

complex  samples.  Also,  two new orthogonality  parameters  (%FIT  and %BIN5×5)  are 

described and evaluated. The GC×GC  retention prediction  is based on  the adapted 

Abrahams solvation parameter model, as published by Seeley et al. [13]. 

Chapter  4  ‐‐  In  this  chapter,  a  fast  and  easy  to  perform,  two‐step  retention‐time‐

locking  procedure  for  GC×GC  is  proposed  and  its  feasibility  is  demonstrated.  It  is 

demonstrated  that  retention‐time  shifts  in  both  the  primary  and  secondary 

dimension,  which may  occur,  for  example,  after  replacing  the  column‐set,  can  be 

reduced to less than half of the peak‐base width.  

Chapter 5 ‐‐ In this chapter, a retention‐time‐locking procedure is proposed for locking 

primary  and  secondary  retention‐times  corresponding  to  peaks  observed  in  dual‐

detection GC×GC. Its advantages are demonstrated and discussed.  

Chapter  6  ‐‐  In  this  chapter,  a  temperature‐tunable GC×GC  setup  is  described  and 

discussed, which consists of three capillary columns with different selectivities. In this 

setup,  the  selectivity  of  the  primary  dimension  can  be  tuned  by  adjusting  the 

Page 16: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

14 

temperature offset of two capillary columns coupled in series. Both columns form part 

of the primary dimension and they are positioned in two separate GC ovens.  

Chapter 7 ‐‐ In this chapter, two tunable GC×GC setups are compared and described. 

In  both  cases  the  secondary  dimension  consists  of  two different  capillary  columns 

coupled in series. These setups can be used to optimize the overall GC×GC separation 

by altering the second‐dimension column selectivity. Moreover,  these set‐ups offer 

enhanced possibilities for qualitative analysis.  

Summary ‐‐ Includes a summary, conclusive notes and recommendations. 

1.6 17B17BReferences 

[1] Liu, Z., Phillips, J.B., (1991) J Chromatogr Sci, 29 (5), pp. 227‐231.  

[2] Dallüge, J., Beens, J., (2003) J Chromatogr A, 1000 (1‐2), pp. 69‐108.  

[3]  Tranchida,  P.Q.,  Purcaro,  G.,  Dugo,  P., Mondello,  L.,  Purcaro,  G.,  (2011)  TrAC  ‐ 

Trends in Anal Chem, 30 (9), pp. 1437‐1461. 

[4] Beens, J., Janssen, H.‐G., Adahchour, M., Brinkman, U.A.Th., (2005) J Chromatogr 

A, 1086 (1‐2), pp. 141‐150.  

[5] Khummueng, W., Harynuk, J., Marriott, P.J., (2006) Anal Chem, 78 (13), pp. 4578‐

4587.  

[6] Harynuk, J., Górecki, T., (2007) Am Lab, 39 (4), pp. 36‐39.  

[7] Peroni, D., Janssen, H.‐G., (2014) J Chromatogr A, 1332, pp. 57‐63.  

[8] Koek, M.M., Muilwijk, B., van Stee, L.L.P., Hankemeier, T., (2008) J Chromatogr A, 

1186 (1‐2), pp. 420‐429.  

[9] Harynuk, J., Górecki, T., De Zeeuw, J., (2005) J Chromatogr A, 1071 (1‐2), pp. 21‐27.  

[10] Ghijsen, R.T., Poppe, H., Kraak, J.C., Duysters, P.P.E., (1989) Chromatographia, 27 

(1‐2), pp. 60‐66.  

[11] Mommers, J., Knooren, J., Mengerink, Y., Wilbers, A., Vreuls, R., van der Wal, S., 

(2011) J Chromatogr A, 1218 (21), pp. 3159‐3165. 

[12] Weusten, J.J.A.M., Derks, E.P.P.A., Mommers, J.H.M., van der Wal, S., (2012) Anal 

Chim Acta, 726, pp. 9‐21. 

[13] J. Seeley, E. Libby, K. Hill Edwards, S. Seeley, J Chromatogr A, 1216 (2009), 1650‐

1657. 

Page 17: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

15 

2 1B1BMethod development for comprehensive two‐dimensional gas 

chromatography; a review  

2.1 18B18BIntroduction 

Method  development  for  comprehensive  two‐dimensional  gas  chromatography 

(GC×GC) is significantly more difficult than method development for one‐dimensional 

gas chromatography (1D‐GC).  

 

Compared to 1D‐GC, more method‐development choices need to be made, such as 

the selection of the GC×GC column‐set and the modulator settings. GC×GC method 

optimization is complex, because the individual dimensions (1D and 2D) cannot simply 

be optimized separately, due to a complex interplay of many 1D and 2D parameters 

[1].   Additionally, GC×GC optimization is restricted by certain requirements, such as 

the modulation criterion (2tr/1σ ≤1.5) [2, 3] and the temperature limits of the individual 

columns. 

 

In  case  the  internal  diameter  of  the  primary  column  is  larger  than  the  internal 

diameter of the secondary column, both columns cannot be simultaneously operated 

under optimal separation conditions. This is referred to as the flow‐mismatch problem 

[4, 5]. This  issue complicates  the optimization and  results  in  a compromise of  sub‐

optimal flow settings for both columns. This difference in column diameters may also 

lead to issues with column loadability [6‐9] of the second‐dimension column and may, 

therefore, indirectly contribute to a reduction of the overall separation efficiency.  

 

Compared to 1D‐GC, GC×GC data processing can be judged as less complex, especially 

for truly complex samples, because GC×GC provides more separation power, resulting 

in  fewer coelutions. GC×GC also provides structured chromatograms, which greatly 

supports  qualitative  analysis.  However,  compared  to  1D‐GC,  GC×GC  provides  two‐

dimensional  retention  data,  which  implies  that  each  peak  contains  two  different 

retention‐times,  one  for  each  dimension.  Therefore,  peak  shifts may  occur  in  two 

dimensions, for example changes in time or after changing a column. This causes peak‐

Page 18: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

16 

alignment  issues  that  complicate  data  processing,  for  example  when  comparing 

chromatographic data of complex samples or when using GC×GC to follow complex 

samples over a long period of time. 

 

In this review, several papers concerning GC×GC method development are discussed 

and  guidelines  for  GC×GC  method  development  are  proposed.  The  focus  is  on 

selecting the GC×GC instrumental set‐up and column‐set, optimization of the GC×GC 

settings, and dealing with retention‐time shifts in two dimensions.    

2.2 19B19BGC×GC Method development  

The choices to be made for developing a GC×GC method mainly depend on (1) the 

analytical question, (2) the sample characteristics and (3) the available equipment. A 

schematic  overview  of  important  topics,  parameters,  and  limitations,  related  to 

GC×GC method development, is given in figure 1.  

 

The analytical question can be seen as the objective of the analytical method to be 

developed: which analytical question needs to be answered? The analytical question 

can roughly be divided in (1a) type of analysis and (1b) requirements. 

 

Ad 1a. Analytical question – type of analysis 

The “types of analysis” can be (1) target analysis [10‐12], which entails the analysis of 

an often limited set of known target analytes, (2) profiling or fingerprinting analysis 

[13‐15], which implies the analysis of “all” known and unknown GC‐amenable analytes 

(or all within a certain chemical group; e.g. profiling of carboxylic acids) in the given 

sample and (3) group‐type analysis [16‐18], which indicates the analysis of groups of 

chemically  related  analytes  (e.g.  homologues  or  isomers)  instead  of  individual 

analytes.  Chemically  related  compounds  show  similar  GC×GC  retention  behavior, 

which  leads  to  structured  GC×GC  chromatograms,  rendering  group‐type  analysis 

possible.  For  group‐type  analysis  structured  chromatograms  and  well  separated 

signals  for  the  different  groups  are  more  important  than  the  separation  of  ‘all’ 

individual analytes. 

Page 19: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

17 

 

 

Figure 1 Schematic overview of GC×GC method development  

Page 20: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

18 

 

The “type of analysis” also includes whether the analytical method to be developed 

must be quantitative, qualitative, both quantitative and qualitative (also referred to 

as  speciation),  or  will  be  used  for  differential  analysis  only.  The  latter  implies 

comparing (raw) chromatographic data to discern differences or trends, which may be 

further  identified  and/or  quantified  later.  The  “type  of  analysis”  also  largely 

determines how the data must be processed and how the results must be presented 

or visualized in order to answer the original analytical question. 

 

Ad 1b. Analytical question – requirements 

The  analytical  question  comes  with  requirements,  such  as  the  required  limit  of 

detection  (LOD),  required  concentration  range  in  which  the  analytes  should  be 

analyzed (related to the dynamic range), required accuracy, and required precision of 

the analytical method. Also, speed of the analysis, or analysis cycle time (time between 

two successive injections) may be important requirements.  

 

Ad 2. Sample characteristics  

Sample  parameters  (after  possible  sample  pre‐treatment)  are  very  important  in 

making method‐development choices. A sample contains the analytes of interest and 

matrix compounds. Thus, method development may firstly aim at the separation of all 

the analytes from the sample matrix compounds. As an example, the analysis of polar 

carboxylic acids in hydrocarbon samples containing less‐polar aliphatic and aromatic 

hydrocarbons as  the matrix  compounds. By applying,  for example,  a  “polar   non‐

polar”  column‐set,  the  polar  acids  can  be  separated  from  the  less‐polar  matrix 

compounds. The polarities of the analytes (and matrix compounds) are important in 

selecting the stationary‐phase polarities and also the order of the columns (i.e. non‐

polar  ×  polar  or  polar  ×  non‐polar).  The  concentration  ranges  of  the  analytes  and 

matrix compounds (which might interfere with the target analytes) are important in 

relation to,  for example,  the required  limit of detection, specificity, dynamic range, 

and  column  loadability.  For  example,  matrix  compounds  with  significantly  higher 

concentrations than the analytes of interest may cause loadability issues (mainly on 

the  second  column)  that may  lead  to  co‐elutions,  distortion  of  analyte  peaks,  and 

Page 21: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

19 

reduced  separation  efficiencies.  In  this  case  column  loadability  issues  may  be 

minimized by, for example, increasing the secondary column internal diameter, based 

on  the  fact  that  the column mass  loadability  is proportional with dc2  [9]. However, 

changing  2dc  will  affect  the  optimum  flow  rate,  the  second‐dimension  separation 

efficiency and the limit of detection.  

 

Usually,  a  sample  contains  analytes  and  matrix  compounds  with  different  boiling 

points. The analyte boiling‐point range is important in selecting the analytical column‐

set. The analysis of volatile analytes requires longer columns and/or thicker stationary‐

phase  films,  while  the  analysis  of  high‐boiling‐point  analytes  require  thinner 

stationary‐phase  films  and,  especially,  high‐temperature‐stable  stationary‐phases. 

The  analysis  of  volatile  analytes  in  samples  containing  high‐boiling‐point  matrix 

compounds may result in fouling of the column‐set, possibly causing bad peak shapes. 

This problem may be prevented by using back‐flushing [19, 20] to prevent the high‐

boiling matrix compounds to enter the primary GC column. The thermal stability of 

analytes of interest limits the temperature settings for the GC injector, GC ovens (both 

the primary and secondary one), the GC×GC modulator (modulator temperature and 

modulator hot‐jet flows), transfer tubings and detectors. Analytes which are thermally 

less  stable  may  require  lower  operating  temperatures  in  combination  with,  for 

example, shorter GC columns, thinner stationary‐phase films and higher column flows, 

so  as  to  lower  elution  temperatures, while maintaining  enough  separation  power. 

Usually, the complexity of a sample (related to the number of peaks) is important for 

the choice of the column‐set in relation to its peak capacity; the higher the complexity, 

the  more  separation  power  is  required.  More  GC×GC  separation  power  can  be 

achieved by using longer columns, optimized stationary‐phase film thickness, smaller 

internal diameters, lower temperature‐programming rates and, especially, optimized 

GC×GC orthogonality, providing appropriate selectivity, so as to make optimal use of 

the two‐dimensional separation plane. 

 

Ad 3. Hardware restrictions  

Hardware restrictions can be divided in (3a) GC×GC equipment restrictions and (3b) 

column‐set  restrictions.  The  GC×GC  equipment  restrictions  are  mainly  related  to 

Page 22: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

20 

temperature and flow settings, corresponding with the available injector type (e.g. hot 

split/splitless injector or programmed‐temperature‐vaporizer injector), detector type 

(e.g.  flame‐ionization  detector  or  mass  spectrometer),  and  modulator  type.  The 

column‐set  restrictions  are mainly  related  to  temperature  restrictions.  For  a  given 

column‐set the maximum temperature is determined by the primary or the secondary 

column, whichever has the  lowest upper temperature  limit. An overview of several 

commercially available GC stationary‐phases, including their polarities and maximum 

operating temperatures, is given in table 1.   

 

Table 1 Several commercially available GC stationary‐phases including their polarities 

and  maximum  operating  temperatures  [21,  22];  the  last  three  are  ionic  liquid 

stationary‐phases. 

GC Stationary‐phase composition  Maximum 

Operating  

Temp. C 

Polarity 

100% dimethylpolysiloxane   340  low 

5% phenyl 95% dimethylpolysiloxane  340  low 

35% phenyl 65% dimethylpolysiloxane   310  mid 

35% trifluoropropyl 65% dimethylpolysiloxane  310  mid 

14% cyanopropylphenyl 86% dimethylpolysiloxane   290  low / mid 

50% phenyl 50% dimethylpolysiloxane   290  mid 

6% cyanopropylphenyl 94% dimethylpolysiloxane   290  low / mid 

50% cyanopropyl 50% methylpolysiloxane   255  high 

88% cyanopropyl 12% arylpolysiloxane   255  high 

polyethyleneglycol  255  high 

50% trifluoropropyl 50% dimethylpolysiloxane  250  high 

acid modified polyethylene glycol  250  high 

50% cyanopropylphenyl 50 dimethylpolysiloxane   240  mid / high 

1,12‐Di(tripropylphosphonium)dodecane 

bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (SLB‐IL60) 

300  high 

Tri(tripropylphosphoniumhexanamido)triethylamine 

bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (SLB‐IL76) 

270  high 

1,5‐Di(2,3‐dimethylimidazolium)pentane 

bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (SLB‐IL111) 

270  very high 

Page 23: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

21 

2.3 20B20BChoice of the GC×GC set‐up 

A standard GC×GC set‐up consists of (1) a GC injector (see 2.3.1), (2) a single or dual 

GC oven, in which the primary and secondary columns are installed, (3) a modulator 

(see 2.3.2) and (4) a detector  (see 2.3.3). The choice of the complete set‐up will  in 

general depend on the analytical question, requirements, and sample characteristics. 

Besides a standard GC×GC setup, alternative setups may be considered to minimize or 

solve GC×GC flow mismatch and/or mass loadability issues and/or to provide multiple 

detection options, as described in literature:   

  

(1) using dual or multiple secondary columns in parallel, referred to as GC×GCn 

[5, 23‐29];  

(2) adjusting the midpoint pressure by, for example, splitting the column flow 

before the secondary column, referred to as split‐flow GC×GC [30‐34];  

(3) using equal internal diameters for both the primary and secondary column, 

referred to as equal i.d. GC×GC [35]; 

(4) using GC×GC in stop‐flow mode [36‐38]; 

(5) using monolithic secondary columns [39]; 

(6) adjusting  the  outlet  pressure  by  adding  a  restrictor  at  the  end  of  the 

secondary column [4]. 

 

Ad 1. By using multiple secondary columns (connection to primary column before the 

modulator),  it  is  possible  to  operate  both  GC×GC  dimensions  under  optimal  flow 

conditions. By using multiple secondary columns, the volumetric flow rates difference 

between the optima of both dimensions can be minimized or even eliminated. Two 

different GC×GCn setups can be defined: (1) the multiple secondary columns are all 

connected to the same detector [5] and (2) one of each secondary column is attached 

to a different detector  [23‐29]. The  first  setup  requires  that all  secondary  columns 

have exactly the same column dimensions and requires that all secondary columns are 

properly installed; small variations will lead to differences in retention between the 

different secondary columns, causing peak splitting or peak broadening. In the second 

GC×GCn  setup  the  end  of  the  primary  column  may  be  attached  to  a  pressure‐

Page 24: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

22 

controlled splitter. The secondary columns are also attached to the splitter and  led 

through  the modulator  and  the  ends  of  the  secondary  columns  are  connected  to 

different detectors. For quantitative analysis, a pressure controlled splitter is required 

for keeping the pressure at the split point constant during temperature programming, 

so as to keep the split‐ratio constant during the analysis.  

 

Ad 2. By splitting the column effluent of the primary column, towards the secondary 

column and towards an uncoated capillary attached to a split‐valve (directed towards 

waste), the split ratio and the GC×GC midpoint pressure can be regulated and primary 

and secondary gas velocities can be optimized. A major disadvantage of this approach, 

especially for trace analysis, is a decrease in sensitivity, in proportion with the primary 

column effluent split‐ratio. However, split‐flow GC×GC enables the use of column‐sets 

(under optimized  conditions) with  large  internal‐diameter differences between  the 

primary and secondary column, such as a column‐set with a 0.25 mm 1dc and a 0.05 

mm 2dc.  

    

Ad 3.  For  the analysis of  samples  containing analytes and/or matrix  compounds of 

which the concentrations are unknown and possibly high, the use of larger secondary 

column diameter or  equal  i.d.  columns  (both 0.25 µm) minimizes  the  chances  and 

consequences  (loss  of  column  efficiency)  of  overloading  the  second‐dimension 

column. Especially for “chemical fingerprinting” or “profiling” analysis of moderately 

complex samples, featuring large analyte concentration differences (requiring a large 

dynamic range), primary and secondary columns having equal internal diameters may 

successfully  be  used.  Compared  to  conventional‐internal  diameter GC×GC  column‐

sets, equal diameter column‐sets will provide less efficiency. However, both columns 

can be operated at near‐optimum carrier‐gas velocities and the mass loadability will 

increase  significantly.  This  will  lead  to  more  reliable  qualitative  and  quantitative 

“fingerprinting” results.     

 

Ad 4. In stop‐flow GC×GC, the carrier‐gas flow in the primary column is stopped (with 

pneumatic switching) for a given time, followed by injection of the trapped band into 

the  secondary  column  by  the  modulator.  The  carrier‐gas  flow  to  the  secondary 

Page 25: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

23 

column, supplied from an auxiliary source, is not stopped. After the given time, the 

flow  in  the  primary  column  is  restored,  a  new  analyte  band  is  collected  in  the 

modulator and the process is repeated. The main advantage of this approach is that 

the modulation period, and thereby the second‐dimension separation time, can be 

varied independently of the first‐dimension peak width. However, increasing the stop‐

flow time will also increase peak broadening (caused by longitudinal diffusion) of the 

primary dimension peaks. 

     

Ad 5. The use of a monolithic second‐dimension column may allow optimum linear gas 

velocities for both dimensions simultaneously. Macroporous polymer monoliths can 

be tailored towards the required flow characteristics and analytical performance by 

optimizing the polymerization recipe and conditions. Peroni et al. [39] demonstrated 

the potential of monolithic 2D columns for real‐life applications.  

 

Ad 6. Adding a restrictor at the end of the secondary column, causes an elevated outlet 

pressure and slightly reduces the flow‐mismatch. Also, van Deemter curves become 

flatter at higher outlet pressures resulting in a lower loss in efficiency at higher inlet 

pressures.  However,  a  major  disadvantage  of  this  approach  is  that  analysis  times 

becomes much longer. This approach is only attractive if a slightly improved resolution 

is required for a given column‐set. 

2.3.1 54B54BGC×GC Injectors  

As for 1D‐GC, the injector, and injection‐mode, in GC×GC is mainly determined by the 

sample characteristics such, as the (thermal) stability, boiling point range, the sample 

potential  of  fouling  the  injector  (“dirty  samples”)  and  the  analytical  requirements, 

such  as  the  required  limit  of  detection  (e.g.  bulk  or  trace  analysis),  the  required 

“robustness”, and ease of operation of  the analytical method.  In  table 2,  the most 

commonly used GC(xGC) injectors are summarized including their main characteristics 

[40]. Representative sampling means that the sample plug entering the GC column has 

the  same  composition  as  the  sample  itself,  so  that  the  injector  causes  no  sample 

discrimination.  This  is  especially  important  when  analyzing  samples  with  a  broad 

Page 26: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

24 

boiling point range or samples containing analytes which are prone to adsorption or 

which are thermally labile.  

 

Table 2 Commonly used GC×GC injectors and their main characteristics  

  Hot split 

Hot splitless 

PTV split 

PTV splitless 

Cool On‐column 

Type of analysis   bulk  trace  Bulk or labile  trace or labile  Trace or labile 

Representative sampling  Poor  Poor  Moderate  to 

high Moderate  to 

high High 

Inertness  Medium  Low  Medium  Medium  High 

Robustness for dirty samples  Moderate  Moderate  High  High  Low 

Sample volume flexibility  Medium  Medium  High  Medium 

Including LVI1 

Medium to high 

Including LVI1 

1 LVI=large volume injection   

2.3.2 55B55BGC×GC secondary oven 

A dual‐oven set‐up, in which the secondary column is installed in the secondary oven 

and the primary column in the main GC oven, provides more flexibility  in adjusting 

and/or optimizing the secondary retention, for example to prevent wrap‐around by 

applying a  fixed  temperature off‐set between  the primary and  secondary ovens. A 

dual‐oven set‐up can also be used for selectivity tuning, installing a third column (with 

a  different  selectivity)  in  the  secondary  oven  [41,  42],  and  for  dual‐detection 

retention‐time  locking  to  match  primary  and  secondary  retention‐times  for  both 

detectors used [43].   

2.3.3 56B56BGC×GC modulators 

The modulator, often referred to as the ‘heart’ of the GC×GC instrument, periodically 

traps condensable analytes in the primary column effluent, refocusing this to a narrow 

band, and injecting it  in the secondary column. Since the first GC×GC publication in 

1991  by  John  Phillips  [44],  many  developments  in  the  field  of  GC×GC modulators 

happened  and  have  been  published  [45‐50].  At  present,  the  three most  used  and 

commercially  available  modulators  are,  (1)  the  thermal  dual‐stage  quad‐jet 

modulator,  (2)  the  thermal  dual‐stage  loop  modulator  and  (3)  the  microfluidic 

differential‐flow modulator (DFM).  

Page 27: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

25 

Thermal dual‐stage modulators   

The thermal dual‐stage modulators using liquid nitrogen are the most popular and are 

considered  the  most  effective  modulators.  However,  the  DFM  are  gaining  in 

popularity.  Both  thermal  dual‐stage  modulators  can  be  operated  by  using  liquid 

nitrogen,  which  enables  the  efficient  trapping  of  propane  and  higher‐molecular‐

weight compounds or by using cooled gas‐streams, referred to as consumable free 

modulators,  which  enables  trapping  of  heptane  and  higher‐molecular‐weight 

compounds.    

 

Optimization of modulator settings should aim for (1) efficient trapping to prevent or 

minimize analyte breakthrough, (2) focusing the trapped analytes in a narrow band to 

obtain high secondary column efficiencies and (3) efficient and fast remobilization of 

the  trapped  analytes  to  the  secondary  column  to  avoid  injection band broadening 

and/or peak tailing in the second dimension.  

 

In most cases the coupling of the primary and the secondary column, for example by 

means of a universal press‐fit connector, is positioned before the modulator, so the 

analyte  trapping and  remobilization processes occur  in  the  secondary  column. The 

presence of the stationary‐phase will usually increase the analyte trapping efficiency, 

capacity, and band  focusing, but decrease  the remobilization speed,  in comparison 

with  a  retention  gap  containing  no  stationary‐phase.  In  case  remobilization  is  not 

efficient  and  causes  severe  peak  broadening  and/or  tailing,  increasing  the  hot‐jet 

temperature, hot‐jet time, lowering the cold‐jet flow or temperature, or trapping in a 

retention gap may offer a solution. A disadvantage of this last solution is that an extra 

column connector is required, positioned after the modulator, to couple the retention 

gap to the secondary column. This may lead to extra band broadening of the second‐

dimension peaks.        

 

Analytes with different volatilities require different cryogenic modulation conditions 

to  achieve  optimum  trapping  and  remobilization  [51,  52].  To  achieve  efficient 

trapping, the cold spot should be at a temperature 120 to 140°C lower than the elution 

temperature.  Thus,  preferably,  a  constant  temperature  offset  between  the 

Page 28: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

26 

chromatographic oven and the modulator should be set, to achieve efficient volatility‐

dependent modulation. The cold‐jet flow must be optimized for efficient trapping and 

remobilization of all the analytes of interest. Insufficient cooling will lead to analyte 

breakthrough and excessive  cooling will  lead  to poor GC×GC performance,  such as 

peak  tailing  due  to  incomplete  or  slow  analyte  remobilization.  The  hot‐jet 

temperature  should  be  at  least  40°C higher  than  the  analyte  elution  temperature. 

However, this temperature should not exceed the temperature limit of the secondary 

column  stationary‐phase.  Otherwise,  an  uncoated  thermally  stable  retention  gap 

should be used for trapping. The hot‐pulse time must be short enough so as to prevent 

analyte  breakthrough  and  long  enough  to  fully  remobilize  the  trapped  analytes.  A 

good starting point for all GC×GC applications is a hot‐pulse time of 300 ms [52].     

 

Loop‐type modulator 

A  critical  parameter  of  a  loop‐type modulator  is  the  length of  the delay  loop.  The 

length should not be too long, to ensure that analytes are trapped and focused by the 

downstream cold spot, and not be short, to avoid analyte breakthrough during the 

hot‐pulse period. A good starting point is a delay‐loop length of 1 to 1.5 m. However, 

the length should preferably be calculated based on the actual linear gas velocity in 

the delay loop.  

 

Microfluidic DFM 

A  microfluidic  DFM  can  be  used  to  analyze  a  wide  range  of  compounds  from 

permanent  gases  up  to  high‐boiling  compounds.  The  modulator  can  be  operated 

across a range exceeding 400C. Thereby it covers the largest range of all modulators. 

The column stationary‐phases are the main reason for temperature limitations. The 

secondary  column  flow  is  always  high,  typically  20 mL/min,  thereby  excluding  the 

direct  use  of  a  mass  spectrometer.  DFM  modulation  does  not  require  additional 

consumables, besides a higher carrier‐gas consumption, which makes it well suited for 

routine implementation. DFM modulators produce similar sensitivity enhancements 

as thermal modulators when using an FID. However, thermal modulation generates 

higher  second‐dimension  resolution,  due  to  more  efficient  cryogenic  trapping, 

focusing the analytes in a narrower band, compared to DFM modulation. Optimization 

Page 29: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

27 

of  DFM  to  achieve  optimal  performance,  is  more  laborious  than  for  thermal 

modulators and strongly depends on the modulator dimensions and the ratio of the 

primary  and  secondary  flows.  This  flow  ratio  must  be  maintained  throughout  a 

chromatographic  run.  The  dimensions  of  the  DFM  device  must  be  altered  if 

substantially  different  primary  and  secondary  flows  are  desired.  Fortunately, 

modulator dimensions can easily be calculated by using flow‐resistance models. 

2.3.4 57B57BGC×GC detectors 

Ideally,  the  detector  should  not  affect  the  result  of  the  GC×GC  chromatographic 

process.  It  should  cause  negligible  additional  band  broadening  and  it  should  be 

capable of adequately measuring the profiles of very fast second‐dimension peaks. In 

general,  a  detector  acquisition  rate  of  at  least  100  Hz  is  required  for  quantitative 

GC×GC applications, generating secondary peaks with peaks widths at base of about 

100 ms.     

 

Of all detectors, the universal FID shows the lowest peak broadening, due to its fast 

ionization and acquisition process and negligible internal volume. The FID also has a 

very  large  dynamic  range  of  6  to  7  decades  and  detection  limits  down  to  2‐5  pg 

carbon/s. Besides this, the FID is very robust, shows long term stability and is easy to 

operate.  The  FID  is  mostly  considered  as  the  ideal  detector  for  quantification 

purposes.  

 

Selective detectors are often used to increase the selectivity, and often also to obtain 

lower detection  limits for the target analytes by reducing or eliminating the signals 

from interfering (coeluting) matrix compounds. Mass spectrometers can be used as 

both universal (using full mass‐scan range) and selective (using selective m/z values, 

e.g.  in selected‐ion‐monitoring mode) detectors. A  list of  the most commonly used 

detectors coupled to GC×GC, including their characteristics and selected applications, 

is provided in table 7.         

 

   

Page 30: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

28 

Table 7 Commonly used detectors for GC×GC including typical characteristics [87, 88] 

Detector  Acquisition 

rate  

Selectivity  Detection 

limit 

Dynamic 

range 

Applications 

TOFMS 

 

≥100 Hz  Universal  or 

selective 

pg to ng   

 

103 to 105  54‐57 

High  resolution 

TOFMS 

≥50 Hz  Universal  or 

selective 

pg to ng   

 

103 to 105  58‐62 

Fast scanning  

Quadrupole MS 

~10.000 

AMU/s 

Universal  or 

selective 

pg to ng   

 

103 to 105  63‐66 

µECD 

 

≥50 Hz  Selective  to 

halogens 

50 fg/mL  104  67‐69 

NCD 

 

≥100 Hz  Selective  to 

nitrogen 

3 pg N/s  104  70‐71 

SCD 

 

≥100 Hz  Selective to sulfur  0.5 pg S/s  104  72‐75 

NPD  ≥100 Hz  Selective  to 

nitrogen  or 

phosphorus 

0.4 pg N/s 

0.2 pg P/s 

105  76‐77 

FPD  ≥100 Hz  Selective  to  sulfur 

or phosphorus 

4 pg S/s 

100 fg P/s 

103  78‐81 

FID 

 

≥100 Hz  Universal to carbon  2 pg C/s  107  82‐85 

2.4 21B21BChoice of the GC×GC column‐set 

The most important step in GC×GC method development is the choice of the column‐

set. The column‐set should provide adequate separation of the analytes of interest. 

The  degree  of  a  chromatographic  1D  separation  of  two  peaks  ‘j’  and  ‘i’  can  be 

expressed by the resolution Rji and can be determined by: 

 

∆ ,                    (1) 

 

Where ΔtR,ji  is  the  retention  difference  between both  peaks  and j  and i  are  the 

standard deviations of the peaks. In case of two equally sized peaks, an R value of 1.5 

Page 31: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

29 

corresponds to  full peak separation. The resolution R can also be expressed by the 

following equation: 

 

                 (2) 

 

Where L is the column length, H is the plate height, r is the selectivity factor (=kj/ki) 

and k is the retention factor. To obtain an adequate separation, the selectivity factor 

must be sufficiently large. Resolution is small in case of retention factors close to zero, 

even  if  the  selectivity  is  large.  For  an  optimal  resolution  the  plate  height,  which 

depends on the linear gas velocity, should be as low as possible (Hmin). The resolution 

increases  with  the  square  root  of  L,  but  increasing  the  length  of  the  column  also 

increases the analysis time and the pressure drop across the column.  

 

GC×GC is almost always used to separate complex mixtures, showing a large retention 

range  of  the  components.  Therefore,  a  temperature  program  is  used  during  the 

1separation  to  limit  the  analysis  time  by  decreasing  retention  of  the  later  eluting 

compounds, as it is clear from equation 2 that at k>2 little resolution gain is obtained 

at the expense of increased analysis time.  

 

The degree of a chromatographic separation in a two‐dimensional space, where one 

peak is now surrounded by more than two peaks, can be described by the valley‐to‐

peak ratio, which is based on the concept of the ‘saddle point’, as proposed by Peters 

et al. [86]. This allows the calculation of valley‐to‐peak ratio also for ‘real’ peaks that 

are  not  Gaussian  in  shape.  In  this  approach,  prior  to  the  calculations,  criteria  are 

applied to determine which peaks can be considered as (meaningful) neighbors. This 

resolution metric can also be used as an estimator of the quantification errors and to 

estimate  the  separation  quality  of  the  entire  chromatogram,  which  makes  it  also 

suitable for optimization purposes. 

Page 32: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

30 

2.4.1 58B58BStationary‐phase chemistry 

The choice of the stationary‐phase chemistries of the column‐set mainly depends on 

the sample properties which includes the properties of the analytes and the properties 

of sample‐matrix compounds. For a given sample, a good GC×GC column‐set should 

provide adequate retention, resolution, orthogonality (appropriate selectivity), group‐

type separation (in case of group‐type analysis), and good analyte peak shapes.    

   

Retention in GC is based on the sum of polar, if polar functional groups are present in 

either  or  both  the  sample  molecules  and  the  stationary‐phase,  and  non‐polar 

interactions.  Molecules  interact  with  each  other  through  intermolecular  “van  der 

Waals”  forces, which  can be  reduced by  increasing  the  temperature.  The  “van der 

Waals”  forces  include  dipole‐dipole  (Keesom),  dipole‐induced  dipole  (Debye),  and 

induced dipole‐induced dipole (London dispersion) interactions [87‐89].   

 

When  using  an  apolar  stationary‐phase  in  GC,  induced  dipole‐induced  dipole,  or 

dispersive  interactions, which are  temporary dipole  interactions,  are  the dominant 

intermolecular  attractive  force.  Dispersive  interactions  are  non‐polar  and  exist 

between all molecules. The magnitude of the dispersive interaction increases with the 

size of the molecule; for this reason, boiling point and GC chromatographic retention 

increases  with  the  size  of  the  molecule.  When  using  a  column  with  a  non‐polar 

stationary‐phase the sample molecules (polar and non‐polar compounds) will only be 

retained by dispersive  interactions  and  they will  elute  in  the order of  their  boiling 

points.  

 

Selectivity in GC arises also from different strengths and types of interactions between 

the  analytes  and  the  stationary‐phase  molecules.  Polarity  of  a  compound  is 

determined by the nature of the polar groups and the molecular structure itself.  In 

case of polar interactions between the analyte and the stationary‐phase, the analyte 

will  be more  retained  compared  to  non‐polar  (or  less‐polar)  compounds of  similar 

molecular weight.  

 

Page 33: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

31 

Electronegative atoms in a molecule may cause a permanent dipole. The magnitude 

of  a  molecule’s  permanent  dipole,  or  the  distortion  of  the  electron  cloud  of  the 

molecule,  is  expressed  in  its  dipole moment.  Two  permanent  dipoles  attract  each 

other (dipole‐dipole interaction). The stronger the dipole moments of the analytes and 

the stationary‐phase molecules, the higher the chromatographic retention.  

An additional  type of  very  strong  interactions  is hydrogen bonding. Atoms  such as 

nitrogen  (N)  and oxygen  (O), present  in organic molecules,  act  as  strong hydrogen 

(proton) acceptors. A hydrogen atom bound to O or N in an organic molecule becomes 

a strong proton donor. A proton acceptor and a proton donor will strongly interact by 

forming hydrogen bonds. Hydrogen bonds are the strongest interactions encountered 

in GC.  

 

The  dipole‐induced  dipole  is  the  weakest  polar  interaction.  It  occurs  when  a 

permanent dipole  induces a temporary dipole  in another molecule by distorting  its 

electron  cloud. A permanent dipole  can only distort  the electron  cloud of  another 

molecule when this molecule is polarizable (e.g. aromatic compounds). The stronger 

the permanent dipole and the stronger the polarizability of the other molecule, the 

stronger the interaction will be. 

 

Thus, the choice of the stationary‐phase chemistries of the GC×GC column‐set should 

be based on the expected analyte and stationary‐phase molecular‐interaction types 

and strengths.  

 

Poole et al. [89] describes the use of the Abraham solvation‐parameter model for the 

classification of GC stationary‐phases [90‐95]. This model describes the transfer of an 

analyte molecule from the gas phase to the stationary‐phase as a three‐step process: 

(1)  formation of a  cavity  in  the  stationary‐phase with  the same size as  the analyte 

molecule, (2) reorganization of the analyte molecule and (3) insertion of the analyte 

molecule in the cavity. Once in the cavity, analyte – stationary‐phase interactions can 

occur,  which  include  hydrogen  bonding,  induction,  orientation,  and  dispersion 

interactions. The model uses descriptors for the different interactions and is written 

as follows:  

Page 34: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

32 

            (3) 

 

Where K is the gas‐liquid partition coefficient and c is a constant. The uppercase letters 

are descriptors of the analyte molecules and the lowercase letters are the descriptors 

of  the  stationary‐phase.  The  letter  combinations  describe  the  contributions  of  the 

specific  analyte‐phase  interactions  where:  eE  is  the  contribution  from  lone‐pair 

interactions between polarizable molecules; sS is the contribution from dipole‐dipole 

and/or  dipole  –  induced  dipole  interactions;  aA  is  the  contribution  of  hydrogen 

bonding with an analyte behaving as a hydrogen donor (acid); bB is the contribution 

of hydrogen bonding with an analyte behaving as an hydrogen‐bond acceptor (base) 

and lL is the contribution of the opposing cavity formation and dispersion interactions. 

By using  the  solvation parameter model  to determine  the  system constants of  the 

most  commonly  used  non‐ionic  GC  stationary‐phases  and  principal‐component 

analysis (PCA), Poole et al. observed four distinct groups of stationary‐phases. Based 

on these groups, five columns were selected, which roughly span the PCA selectivity 

space (see table 3).   

 

Table 3  System constants  for  columns  selected  from different  selectivity  groups at 

100C; b is 0 for all columns [89] 

      System Constants 

Stationary‐phase  Temperature 

Limit Polar  e  s  a  l 

100% Dimethylpolysiloxane DB‐1 

360C  Non  0  0.22  0.18  0.51 

(50%‐Phenyl)‐methylpolysiloxane DB‐17 

300C  Mid  0.05  0.85  0.38  0.57 

(50%‐Trifluoropropyl)‐methylpolysiloxane  DB‐210 

260C  Highly  ‐0.46  1.38  0.20  0.46 

(50%‐Cyanopropylphenyl)‐dimethylpolysiloxane DB‐225 

260C  Mid / Highly  ‐0.06  1.33  1.32  0.51 

(50%‐Cyanopropyl)‐methylpolysiloxane DB‐23 

260C  Highly  0.03  2.04  1.95  0.43 

Poly(ethylene glycol) DB‐WAX 

260C  Highly  0.21  1.41  2.12  0.51 

 

Page 35: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

33 

Based on these six stationary‐phases, 30 column combinations can be envisaged, if the 

order of the stationary‐phases is not taken into account. This number of combinations 

should be narrowed down by choosing the columns based on the expected analyte – 

stationary‐phase molecular interactions and considering the limitations, such as the 

maximum  column  temperature,  in  relation  to  the  method  requirements. 

Furthermore, certain interactions may be enhanced or reduced by choosing a column 

containing a higher or a lower percentage of the corresponding functional group. For 

example,  the  retention  of  aromatics  can  be  reduced  by  using  a  35%  diphenyl 

polydimethylsiloxane column instead of 50% diphenyl polydimethylsiloxane.  

 

A  relatively  novel  type  of  commercially  available  GC  stationary‐phases  are  ionic 

liquids, or liquid salts, which are highly temperature stable, highly polar, and claimed 

to have a broad application range [96]. Commercially available ionic‐liquids columns 

for GC have also been characterized by using the solvation parameter model [97‐99]. 

A noticeable difference between ionic liquids and the commonly used poly(siloxane) 

and  poly(ethylene  glycol)  stationary‐phases  is  that  ionic  liquids  show  significant 

hydrogen‐bond  acidity.  The  non‐ionic  liquid  stationary‐phases  typically  show  “b” 

values between 0.5 and 1.6 instead of 0 [97]. 

 

Ionic liquids are said to show very low column bleed, due to their high thermal stability 

and low vapor pressures. They can be operated at high temperatures. Non‐ionic polar 

stationary‐phases  show  relatively  high  bleed  at  higher  temperatures,  resulting  in 

‘bleed lines’ throughout the 2D‐chromatogram, which may interfere with analytes of 

interest.   

 

However, ionic‐liquid GC column technology is not as mature yet as the conventional 

poly(siloxane) and poly(ethylene) glycol column technology. As stated by Poole et al. 

[99], column‐coating techniques, film stability, inertness, stationary‐phase chemistry 

and column activity require further exploration. Despite this, the use of (commercially 

available) ionic‐liquid columns in GC×GC is of interest and examples in literature are 

increasing [100‐104].  

 

Page 36: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

34 

Order of the stationary‐phases 

The order of the stationary‐phases (primary and secondary column) in a column‐set is 

also  important  to  consider  [105‐107].  Usually,  the  primary  column, which  in most 

cases has standard column dimensions as used for 1D‐GC, provides a high‐resolution 

separation  in  GC×GC.  Also,  the  primary  separation  almost  always  involves 

temperature programming. The secondary column, which in most cases is significantly 

shorter  and  has  a  smaller  internal  diameter,  provides  significantly  fewer 

chromatographic  plates.  The  secondary  separation  is  significantly  faster  that  the 

primary separation and takes place under virtually isothermal conditions. The choice 

of  the order of  the  stationary‐phases  should be based on  the expected  “analyte – 

phase”  molecular  interactions  and  on  the  extent  to  which  the  order  will  affect 

retention, separation, and chromatographic behavior of the analytes. As an example, 

the method development for the analysis of a homologous series of polar carboxylic 

acids in a complex hydrocarbon matrix is discussed. In this case, method development 

could aim for a separation of all the carboxylic acids from the less‐polar hydrocarbon 

matrix. Good peak shape and separation of the acids is important, while peak shapes 

and separation of the matrix compounds is not important, provided that they do not 

interfere  with  the  analysis  of  the  analytes.  For  the  polar  acids,  a  polar 

polyethyleneglycol  (PEG)  stationary‐phase  would  provide  significant  retention, 

separation,  and  good  peak  shapes.  The  matrix  compounds,  however,  will  show 

significantly less retention and inferior peak shapes. For the paraffinic and aromatic 

matrix  compounds,  a  50% diphenyl  dimethylpolysiloxane would provide  significant 

retention  and  good  peak  shapes.  However,  the  polar  carboxylic‐acid  analytes  will 

show significantly less retention and poor peak shapes. Thus, a good choice would be 

to use  the PEG column as  the primary column, providing adequate  separation and 

good  peak  shapes  for  all  the  acid  homologs,  and  to  use  the  50%  diphenyl 

dimethylpolysiloxane  as  the  secondary  column,  providing  adequate  separation 

between the acid analytes and the matrix compounds. For this column‐set, the polar 

acid analytes, which enter the secondary column at higher temperatures compared to 

the  less‐polar  matrix  compounds  with  similar  molecular  weights,  will  show  low 

retention in the second dimension. The matrix compounds that co‐elute from the first 

dimension will  show significant  retention,  thus providing good  separation between 

Page 37: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

35 

the  acids  and  the matrix  compounds,  while  good  peak  shapes  for  the much‐less‐

retained polar acid analytes are maintained in both dimensions.  In  literature, many 

examples can be found were “polar  medium polar” column‐sets are used for the 

analysis of polar analytes  in  less‐polar matrices  in order  to obtain good  separation 

between analytes and matrix, optimal analyte peak shapes, and adequate resolution 

[108‐118]. 

 

Thus, available information concerning the chemical properties and possible analyte 

– stationary‐phase interactions of the analytes and matrix compounds should be used 

as a starting point for the column‐set selection. This selection may be based on the 

expected  molecular  interactions  and/or  on  information  available  in  literature. 

However, if sample information is not available or not adequate, the following general 

guidelines may be followed: 

 

Start with a “Non‐polar  Medium polar” column‐set, such as a “100% dimethyl 

polysiloxane” ×  “50% diphenyl dimethylpolysiloxane”. The analysis with  this 

column‐set  will  provide  (more)  information  on  the  sample  composition, 

including the boiling point and polarity ranges (chemical group‐types) of the 

GC‐amenable analytes and matrix compounds. This  information can then be 

used for a better considered column‐set selection (see table 3);   

Use preferably  the  least polar  stationary‐phases  that provide adequate and 

appropriate separation, retention, resolution, orthogonality, and satisfactory 

primary  and  secondary  analysis  times. More  polar  columns  are  usually  less 

robust,  less  thermally  stable  and  may  cause  more  ‘column  bleed  lines’ 

throughout  the 2D‐chromatogram. For high‐temperature applications, polar 

ionic‐liquid columns may be considered [89, 97‐99].   

Choose  the  order  of  the  stationary‐phases  of  the  column‐set  based  on  the 

expected analyte – stationary‐phase molecular interactions and on the extent 

to  which  the  order  will  affect  retention,  separation,  and  chromatographic 

behavior (peak shapes) of the analytes [105‐107]. 

   

Page 38: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

36 

Prediction of GC×GC retention 

Prediction  of  GC×GC  retention  may  be  useful  for  (1)  selecting  the  primary  and 

secondary  stationary‐phase  chemistries  to  obtain  optimal  resolution,  retention, 

orthogonality, and/or group‐type separation, (2) optimizing a given GC×GC separation, 

and (3) confirming identifications of components, which are well separated, but have 

nearly identical mass spectra. Prediction of GC×GC retention requires input, such as 

relevant chemical properties (e.g. molecular descriptors) of the sample analytes, the 

primary  and  secondary  stationary‐phase  chemistries  and/or  relevant  GC×GC 

conditions  (e.g.  temperature,  flow,  pressure).  As  GC×GC  is  mainly  used  for  the 

separation of highly complex samples, containing often hundreds or even thousands 

of  compounds,  prediction  of  the  approximate  retention‐times  of  a  limited  set  of 

analytes may be of limited use. However, predicting GC×GC retention, could be useful 

for a first selection of primary and secondary stationary‐phase chemistries and/or for 

GC×GC method optimization [119‐132]. 

2.4.2 59B59BColumn dimensions  

The choice of the column dimensions, column length (L), column internal diameter (dc) 

and stationary‐phase  film thickness  (df),  for  the primary  (1L,  1dc,  1df) and secondary 

columns (2L, 2dc, 2df) should be based on (1) the application requirements, which are 

mainly  the  analysis  time,  the  desired  peak  capacity  (1n  and  2n),  and  the  required 

column  loadability  or  dynamic  range  for  both  dimensions,  and  on  (2)  the  GC×GC 

requirements, which mainly entail fulfilling the modulation criterion of having at least 

2.5‐3 modulations  [2,  3] per primary peak,  implying  that  the  secondary  separation 

must be fast enough to prevent wrap‐around. Also, acceptable flow regimes should 

be  realized  in  both  dimensions,  which  often  requires  some  kind  of  compromise. 

However, flow‐mismatch and loadability issues may be solved or minimized by using 

alternative GC×GC setups as discussed above.   

 

For  an optimized GC method,  an average  linear  gas  velocity  ( )  should be used at 

which the column plate height (Hmin) is at its minimum and the column generates its 

maximum number of theoretical plates (Nmax).    

Page 39: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

37 

                       (4) 

 

The experimental number of theoretical plates N can be determined by: 

 

5.54

.                 (5) 

 

Where tR is the retention time,  is the peak standard deviation and W0.5 is the peak 

width at half height. More theoretical plates can be achieved by  increasing L or by 

decreasing Hmin. The plate height H can be described by the simplified Golay equation: 

 

               (6) 

 

Where Dm  is  the diffusion  coefficient  of  the  analyte  in  the mobile  phase, dc  is  the 

column diameter, Df is the diffusion coefficient of the analyte in the stationary phase 

and df is the stationary phase (film) thickness. The retention factor k can be calculated 

by: 

 

                  (7) 

 

Where K is the partition coefficient, Vs/Vm is the phase ratio and t0 is the dead time. 

Based on k the selectivity r12 of peak‐1 and peak‐2 can be calculated by: 

 

                   (8) 

 

The f(k) and g(k) factor are: 

 

                  (9) 

 

                  (10) 

Page 40: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

38 

 

When  introducing  the  following  dimensionless  parameters  h  (dimensionless  plate‐

height), v (dimensionless gas velocity) and δf (dimensionless film thickness): 

  

                      (11) 

 

                    (12) 

 

                    (13) 

 

The Golay plate‐height equation can be simplified in 

 

                (14) 

 

where  the  factor  f(k)  “describes”  the mobile‐phase mass  transfer  and    the 

stationary‐phase mass transfer [164]. Based on this equation it can be concluded that 

the reduced film thickness δf should best be less than 0.3 and the df not much larger 

than 0.001dc. For higher δf values minimum reduced plate‐height (hmin)  is  large and 

the slope of the h‐v curve steeply increases with increasing k values. Higher 1δf values 

(thick  films)  are  more  favourable  with  respect  to  mass‐loadability  of  the  first 

dimension  column  and  also  increases  1retention  and  1peak‐widths  of  the  analytes 

which  may  be  favourable  with  respect  to  modulation  performance  and  mass‐

loadability of the second dimension column; in case of more modulations (cuts) per 

1peak less mass is transferred into the second column thereby reducing the chance of 

mass‐overloading and also the modulation criterion is easier to fulfil in case of broader 

primary peaks. More important, thick films are favourable for the analysis of volatiles 

or low molecular weight compounds. Furthermore, the retention factors k should be 

kept low, given the fact that the plate‐height usually increases rapidly with increasing 

k. Low k values can generally be achieved by programmed temperature conditions as 

is the case for the primary dimension in GC×GC.  

Page 41: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

39 

 

Shorter  columns  and  especially  columns  with  thinner  stationary‐phase  films  will 

decrease the elution temperature of analytes, expanding the opportunity to analyse 

less‐volatile  and  less‐thermally‐stable  compounds,  and  permitting  the  use  of  less‐

thermally‐stable  stationary  phases.  The  advantage  of  thin‐film  columns with  small 

internal diameters is that they provide high column efficiencies (low plate heights) at 

high  average  linear  gas  velocities,  thus  providing  fast  and  efficient  separations. 

However, disadvantages of such columns are their high pressure drop, low loadability 

[6‐9], and ‐ related to this ‐ their limited dynamic range.    

  

To  fulfil  the  GC×GC  modulation  criterion,  the  secondary  separation  needs  to  be 

significantly faster than the primary separation. For this reason, the secondary column 

is  often  significantly  shorter  than  the  primary  column  (1L  >>  2L).  Also,  the  internal 

diameter of  the secondary column  is usually chosen to be smaller  than  that of  the 

primary column, to increase the speed and efficiency of the secondary separation. The 

commonly used GC×GC primary and secondary column dimensions are summarized in 

table 4.  

 

Table 4 Conventional GC×GC primary and secondary column dimensions  

Column  

dimension 

  Primary 

column 

Secondary 

column 

In general 

Length  L (m)  15 ‐ 60  0.5 – 2  1L >> 2L 

Internal diameter  dc (mm)  0.25  0.1 – 0.25  1dc > 2dc 

Film thickness  df (µm)  0.25 – 0.51  0.1 – 0.2  1df > 2df 

1 thicker films may be used for the analysis of volatiles and or low molecular weight compounds or to increase mass loadability  

 

Broad peaks,  caused by mass overloading, are experienced especially with narrow, 

thin‐film  columns,  because  the  loadability  is  proportional  to  dfdc2  [9].  The  main 

advantage of a narrow internal diameter, in case of no overloading (e.g. trace analysis, 

no large interfering matrix peaks), is separation speed or peak production rate (peak 

capacity per unit time). When speed of analysis  is more important than secondary‐

dimension resolution thin‐film primary columns and narrow secondary columns are 

Page 42: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

40 

preferred.  When  high  resolution  is  more  important  than  speed  and  the  sample 

features  a  broad  analyte‐concentration  range  (large  dynamic  range),  thicker  film 

primary columns and  larger diameter secondary columns are better. An acceptable 

compromise between speed and resolution, might be a 0.25 mm i.d., 0.25‐0.5 µm film 

thickness  primary  column  combined with  0.1  µm  thin‐film,  150  µm  i.d.  secondary 

column [134].  

2.5 22B22BGC×GC optimization 

After  selecting  the  GC×GC  set‐up,  the  injector  and  detector,  the  primary  and 

secondary  stationary  phase  chemistries,  and  the  corresponding  (initial)  column 

dimensions, the GC×GC parameters need to be set and optimized. The most important 

GC×GC parameters to optimize are the inlet pressure or column‐flow, the main oven 

temperature program, and the modulation settings.     

 

For method optimization and evaluation of  the  separation performance of  a  (two‐

dimensional)  chromatographic  system,  performance  metrics  are  necessary  [135].  

Optimization of the separation performance can focus on (1) the separation of specific 

solutes  (target  analytes  or  target  group  types)  or  (2)  on  general  separation 

performance, such as the total number of peaks that can be resolved within a given 

analysis time. Retention times (1tR, 2tR) and the corresponding peak widths (1, 2) of 

chromatographic peaks are  the basic parameters  to asses  separation performance. 

Metrics of separation performance are:  

‐ the resolution (see 2.4); 

‐ the  peak  capacity  (n)  which  describes  the  number  of  adjacent  and  equally 

spaced ‘peaks’ (e.g. peak width of 4 required to fully resolve two peaks) that 

may be accommodated in the chromatogram;  

‐ the expected number of peaks that can be resolved in a given time window 

which depends on the number of solutes and the peak saturation of the time 

interval.   

Optimization of a GC×GC separation towards several chromatographic performance 

goals, such as resolution, peak capacity, orthogonality, dynamic range, and analysis 

Page 43: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

41 

time, may be approached by multi‐criterion‐decision‐making (MCDM) methods, such 

as Derringer’s  desirability  function  [136],  Pareto‐optimality  [137],  chromatographic 

response functions (CRF) [162, 163], or combined‐threshold criteria [138]. Conflicting 

chromatographic goals, such as maximizing peak capacity while minimizing analysis 

time, lead to compromise settings. Balancing all goals against each other should result 

in the most‐acceptable solution to the multi‐criterion chromatographic optimization 

problem.  

 

The Derringer desirability function is based on the (one‐ or two‐sided) transformation 

of  measured  ‘performance  values’  to  a  dimensionless  desirability  scale  for  each 

criterion,  so  that  these  values  can  be  combined  to  calculate  the  geometric  mean 

representing the overall‐quality D value. Bourguignon et al. [136] demonstrated the 

use  of  this  concept  for  the  simultaneous  optimization  of  three  chromatographic 

performance  goals.  It  offers  interesting  opportunities  for  GC×GC  optimization  to 

simultaneously optimize three or even more performance goals (such as “normalized 

resolution  product”,  “group‐type  resolution”,  “total  number  of  separated  peaks”, 

“orthogonality”, and “analysis time”), especially for complex samples.    

 

For  the  Pareto‐optimality  approach  the  minimum  resolution  among  the  target 

compounds  (as  a  measure  of  separation)  and  the  maximum  retention  time  was 

explored.  The  minimum  resolution  and  retention  factors  of  each  solute  can  be 

calculated  at  every  point  in  the  ‘factor  space’,  for  example  for  all  values  of  the 

parameters within their predefined ranges. This results in a series (“front”) of possible 

Pareto‐optimal settings. Likewise, for complex samples the Pareto optimal front of the 

peak capacity vs. analysis time can be determined. 

 

Chromatographic response functions (CRF) contain factors related to separation and 

analysis time, but include weighing factor (X; for example CRF = ‘separation metrics’ + 

X* ”analysis time”) [162, 163]. For complex samples containing unknown numbers of 

compounds, the number of detected peaks – which may vary during optimization – 

may be added to the CRF. Thresholds criteria may be combined with CRF to define 

‘solutions’ where, for example, resolution is considered to be sufficient. 

Page 44: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

42 

2.5.1 60B60BInlet pressure or column‐flow   

Beens et al. [2] describe a validated Microsoft Excel® spreadsheet for calculating the 

efficiency of both columns in GC×GC‐FID and GC×GC‐MS as a function of the column‐

set  inlet  pressure.  This  Microsoft  Excel®  sheet  may  be  used  to  assist  in  selecting 

column dimensions and for inlet‐pressure or column‐flow optimization. The program 

requires prospective column dimensions and carrier‐gas type (helium or hydrogen) as 

the main input parameters. By using this program and published GC×GC data, Beens 

et  al.  concluded  that  most  column  combinations  reported  in  literature  had  been 

operated  far  from the optimal  flow settings, with negative effects on  the obtained 

resolution. Conventional column‐sets, using 0.1 mm i.d. second‐dimension columns, 

were found to not necessarily be the best choice for GC×GC.  

 

Although the dimensions suggested in table 4 are a good general starting point, the 

optimal conditions may be different for the specific application being developed. As 

an example, optimum conditions were calculated for a complex mixture of moderately 

volatile compounds using the parameters in table 5 for GC×GC‐MS using helium as the 

carrier gas.  

 

   

Page 45: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

43 

Table 5 Parameters used for the calculation of optimum GC×GC‐MS conditions using 

helium as the carrier gas  

Primary column length  1L  15; 30; 60  m 

Primary column internal diameter  1dc  250  µm 

Primary column film thickness  1df  0.25  µm 

Primary column coating efficiency  1CE  90  % 

Secondary column length  2L  0.5; 1.0; 2.0  m 

Secondary column internal diameter  2dc  100; 150; 200; 250  mm 

Secondary column film thickness  2df  0.1  µm 

Secondary column coating efficiency  2CE  90  % 

Initial oven temperature   Tb  100  C 

Final oven temperature  Te  300  C 

Temperature gradient   r  10C/t0 [139]  C/s 

Inlet (absolute) pressure   Pi  50 ‐ 600  kPa 

Outlet pressure   Po  0 (MS)  kPa 

Primary retention factor at elution  1k  2 [140]   

Secondary retention factor   2k  Optimum (k  1)   

Dm at 100C  Dm  4*10‐5  m2/s 

Ds for “silicone films”  Ds  8*10‐10  m2/s 

Modulator band broadening   mod  0.008 [141]  s 

 

The total column‐set peak capacity (PC) is calculated by: 

    

                     (15) 

 

Where 1n and 2n are the primary and secondary column peak capacities, respectively.  

The primary 1n peak capacity is estimated by: 

 

.

                 (16) 

 

Page 46: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

44 

Where Tb  is the initial oven temperature, Te  is the final oven temperature, 1k  is the 

primary‐column retention factor at elution [140], 1t0 is the primary‐column dead time, 

and  1  is  the  primary‐column  peak  width.  This  calculation  assumes  the  optimal 

temperature  rate  of  10C  per  1t0  void  time  [139]  and  isothermal  elution  during 

1t0(1+1k) before starting the temperature program. The secondary 2n peak capacity is 

roughly estimated by: 

 

                (17) 

 

This calculation includes the time between 0 and 2t0 seconds as being part of the entire 

usable secondary separation time which then equals 2tr.   describes the secondary 

peak broadening at 2t0 and is calculated by: 

 

                 (18) 

 

The extra peak broadening due to the modulator re‐injection ( ) is estimated to 

be 0.008 seconds [141]. Additionally,   describes the peak broadening at 2tR + 

2t0 and is calculated by: 

 

               (19) 

 

The results of the calculations, for GC×GC‐MS using helium as the carrier gas are given 

in table 6. The results for the different column dimensions are given as peak capacities 

(PC/1000, 1n and 2n) and the corresponding inlet pressures at three different analysis 

times. Only results are shown for which 2tR/1σ is less than 1.5 (=modulation criterion). 

 

   

Page 47: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

45 

Table 6 Calculated GC×GC‐MS settings using helium as  the carrier gas  for different 

column dimensions and analysis times. The following dimensions were kept constant: 

1dc=250µm, 1df=0.25µm and 2df=0.1µm.      

analysis time  

0.5 h 

analysis time  

1 h 

analysis time  

2 h 

analysis time  

3 h 

1L  2L  2dc  PC   Pi  1n  2n  PC   Pi  1n  2n  PC   Pi  1n  2n  PC   Pi  1n  2n 

m  m  µm  103   kPa    

103   kPa    

103   kPa    

103   kPa    

60  0.5  100           10  529  748  13  16  270  708  23  13  182  554  24 

60  1  100                    20  358  704  28  19  243  602  31 

60  2  100                    23  534  763  30  25  358  700  36 

60  0.5  150           11  380  839  13  11  199  658  17  7  133  472  14 

60  1  150           13  419  671  19  14  215  592  23  9  144  461  19 

60  2  150                    16  254  545  29  11  171  466  23 

60  0.5  200           11  358  824  13  8  182  617  13          60  1  200           12  369  634  19  10  188  540  18  6  127  420  13 

60  2  200                    10  204  473  21  6  138  402  15 

60  0.5  250           10  347  818  12  7  182  616  11  4  122  439  8 

60  1  250           12  353  729  16  8  182  578  13  4  122  425  9 

60  2  250                    7  188  447  17  4  127  378  12 

30  0.5  100  7  336  587  12  9  177  472  19           2  61  186  11 

30  1  100  8  496  506  15  12  259  488  25  8  138  330  23          30  2  100                    12  221  351  33  7  149  274  25 

30  0.5  150  7  204  536  13  4  105  354  13  2  56  198  8          30  1  150  8  237  501  16  6  127  380  16                   30  2  150                    3  83  203  15  2  56  156  10 

30  0.5  200  6  177  534  10  3  94  335  8                   30  1  200  7  188  444  15  3  100  321  11  1  50  179  6          30  2  200                                     30  0.5  250  5  171  402  13  2  89  289  8                   30  1  250  6  177  425  13  3  94  307  8                   30  2  250                    1  50  144  6          15  0.5  100  5  127  215  23  2  67  152  16                   15  1  100  7  204  266  26  4  111  198  21  1  56  112  12          15  2  100           6  193  194  32  3  100  138  19  1  67  100  12 

15  0.5  150  2  61  138  13                            15  1  150  3  78  195  13                            15  2  150  1  50  119  9                            15  0.5  200  1  50  178  5                            15  1  200  1  56  156  8                            15  0.5  250  1  50  180  5                            15  1  250  1  50  144  6                            

 

Table 6 may be used to select column dimensions and the corresponding optimum 

inlet pressure for GC×GC‐MS using helium as the carrier gas, based on (1) the required 

analysis time, (2) the required peak capacity and (3) the required dynamic range, as 

the  secondary  column  loadability  is  proportional  with  2dc2  [9].  Caveat:  the  rough 

estimates of peak capacities should be treated with care. In literature no experimental 

confirmation for the peak capacity estimates could be found.  

 

Page 48: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

46 

It  should  be  stressed  that  the  peak  capacity  signifies  the  potential  of  separating 

compounds in a fully utilized two‐dimensional separation space. Although this is never 

the case, it can be used to compare systems if “retention matched” columns are used 

(showing peaks  that  span equal  fractions of  the entire  two‐dimensional  separation 

space) and orthogonality is taken into account (cf. chapter 3). Additionally, for a given 

sample 2df should be adjusted when 2dc is changed, to keep the phase ratio the same. 

2.5.2 61B61BOven‐temperature programming 

Often, a slow GC×GC programming rate of 2 to 5 C/min is used to produce relatively 

broad primary peaks, which are required to fulfil the modulation criterion. As a good 

starting point,  the optimum programming  rate,  for  the primary dimension may be 

estimated as 10°C per primary void time [139].  

 

When using two independent GC ovens, usually the main GC‐oven, with the primary 

column installed and a second oven for the secondary column, the temperatures of 

the two columns can, to some extent, be programmed independently. The secondary 

retention can then be tuned and wrap‐around may be prevented. Usually, the same 

programming  rates  are  applied,  but  a  temperature  offset  is  introduced  (e.g.  a 

secondary oven temperature offset of +5 to +30C). Chow et al. [142] demonstrated 

the potential of temperature programming for the secondary dimension separation. 

This is technically complicated, because of the short modulation time, during which 

the column needs to be heated and cooled in a reproducible manner.       

2.6 23B23BData processing 

The data‐processing approach depends on the analytical question and on the related 

type of analysis, as illustrated in figure 1. The type of analysis may be screening, target, 

or  group‐type  and  each  could  be  quantitative,  qualitative,  both  quantitative  and 

qualitative, or differential analysis. 

 

The quality of GC×GC results strongly depends on the quality of the acquired raw data, 

the data‐processing approach, and the settings. Key for obtaining good‐quality GC×GC 

Page 49: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

47 

data are, as discussed previously, GC×GC method development, method optimization, 

and good chromatography practice. 

 

Compared  to  1D‐GC,  GC×GC  provides  more  separation  power  and  may  provide 

structured  chromatograms.  More  separation  power  implies  more  resolution  and 

fewer  co‐elutions,  which  should  lead  to  enhanced  qualitative  and  quantitative 

analysis,  for  example  because more  single‐component mass  spectra  are  obtained. 

Structured chromatograms also greatly support qualitative analysis; the peak position 

contains information on molecular structure (e.g. isomers, branching) and/or chemical 

group types, which may be used for structure elucidation of unknowns.  

 

The  aim  of  data  processing  is  to  extract  as  much  relevant  information  from  the 

obtained  data  as  possible  in  order  to  answer  the  analytical  question.  Preferably, 

irrelevant  or  interfering  data  should  be  filtered  out,  but  no  relevant  information 

should  be  missed.  The  data‐processing  approach  includes  transformation  of  the 

modulated raw “1D‐data” into 2D‐data, data pre‐treatment, data processing, and data 

post‐treatment [143‐148].  

 

Transformation  is  performed  by  stacking  all  the  sequential  second‐dimension 

chromatograms  side  by  side,  so  as  to  create  a  two‐dimensional  chromatogram 

representing the retention on the first column on the x‐axis and the retention on the 

second column on the y‐axis  [149]. Transformation and visualization the generated 

2D‐chromatogram, for example as a 2D‐contour plot or a 3D‐plot, can be performed 

by commercial GC×GC software [150‐152].  

 

Data pre‐treatment may include baseline correction, smoothing and resampling of the 

raw data. Resampling entails removing data points or certain mass traces (m/z values), 

which  do  not  contain  relevant  information  This  may  speed  up  or  simplify  data 

processing and/or improve the visualization.  

Data processing mainly includes peak detection, peak integration, and calculation of 

the peak volume. When using MS, mass deconvolution may be used for peak detection 

and  for  obtaining  (deconvoluted)  mass  spectra  for  identification,  for  example  by 

Page 50: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

48 

searching in an MS library. Peaks may also be identified based on their known primary 

and  secondary  retention  times,  an  analyte‐retention‐time  database  and  retention‐

time windows or by using so‐called 2D templates. The final step of data processing is 

in most cases  the generation of a peak  list  containing,  for examples,  the names of 

identified peaks, retention times (1tR and 2tR), and peak volumes.  

 

Data  post‐treatment may  involve  adjusting  the peak  list,  for  example by  removing 

non‐relevant peaks (such as column‐bleed peaks) or by summing areas of peaks which 

belong to the same group in case of group‐type analysis.  

 

In case the results of multiple complex samples must be compared, peak alignment 

should be performed, preferably using chemometric tools [153‐160]. This is required, 

because  retention‐time  shifts may occur  in  both  dimensions.  Retention‐time  shifts 

often occur after changing a column or column‐set, or in time due to column aging. 

Retention‐time shifts are minimized by performing  two‐dimensional  retention  time 

locking  before  a  series  of  analyses  [161].  This  improves  the  performance  of  post‐

treatment  chemometric  alignment  tools,  because  only  peaks  with  relatively  small 

shifts need to be aligned. 

2.7 24B24BConclusions 

It can be concluded that GC×GC method development  is significantly more difficult 

than method development for 1D‐GC. (1) more method‐development choices need to 

be made, (2) optimization is complex, because of the complex interplay of many first‐ 

and  second‐dimension  parameters,  (3)  optimization  is  restricted  by  certain GC×GC 

requirements, such as the modulation criterion and temperature restrictions, and (4) 

the difference in the primary and secondary column diameters lead to flow‐mismatch 

and column‐loadability issues.  

 

GC×GC  method  development  starts  with  a  thorough  understanding  of  the  main 

analytical question, since this determines the type of analysis (e.g. target, screening, 

or  group‐type)  and  the  analytical  requirements  (e.g.  limit  of  detection,  speed  of 

Page 51: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

49 

analysis  and  dynamic  range)  for  the  method  to  be  developed.  Knowledge  of  the 

sample characteristics (analytes and matrix compounds) is essential for determining 

the required GC×GC setup,  including a GC injector and injection mode that ensures 

representative sampling, and a detector or multiple detectors that ensure appropriate 

analyte  detection.  Alternative  GC×GC  setups  may  be  chosen,  such  as  a  dual‐

secondary‐column‐setup (GC×GC2) to ensure more optimal flow conditions for both 

columns and/or to facilitate dual‐detection.  

The most‐important  and most‐difficult  task  in  GC×GC method  development  is  the 

choice of the column‐set. The choice should be based on the expected interactions 

between the sample  (analytes and matrix compounds) and the  first‐dimension and 

second‐dimension  stationary  phases.  The  column‐set  must  provide  adequate 

retention,  resolution,  selectivity  (orthogonality),  and  good  analyte  peak  shapes.  In 

case  of  group‐type  analysis  adequate  separation  between  groups  is  required.  The 

choice of  the  column‐set  also  includes  the  selection of  the primary  and  secondary 

column  dimensions  (L,  dc,  df).  This  should  be mainly  based  on  (1)  the  application 

requirements, such as required analysis time, required efficiency (peak capacity), and 

required  loadability  and  (2)  the  GC×GC  requirements  (or  restrictions),  such  as  the 

modulation criterion and adequate retention.  

 

A table is provided for an example in which GC×GC‐MS is employed, using helium as 

the carrier gas. Optimal column dimensions are discussed. The results may be used to 

select  column  dimensions  and  the  corresponding  inlet  pressure  based  on  (1)  the 

required analysis time, (2) the required peak capacity and (3) the required dynamic 

range.   

 

GC×GC data processing is in some respects less complex than 1D‐GC data processing, 

especially  for  truly  complex  samples.  However,  compared  to  one‐dimensional  GC, 

peaks shifts may occur in two dimensions, causing peak alignment issues. Retention‐

time shifts  can be minimized or eliminated by  (pre‐analysis)  retention‐time  locking 

and/or by applying chemometric (post‐analysis) peak‐alignment procedures.     

Page 52: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

50 

2.8 25B25BReferences  

[1] Harynuk, J., Górecki, T., (2007) Am. Lab., 39 (4), pp. 36‐39.  

[2] Beens, J., Janssen, H.‐G., Adahchour, M., Brinkman, U.A.Th., (2005) J. Chromatogr. 

A., 1086 (1‐2), pp. 141‐150.  

[3] Khummueng, W., Harynuk, J., Marriott, P.J., (2006) Anal. Chem., 78 (13), pp. 4578‐

4587.  

[4] Peroni, D., Janssen, H.‐G., (2014) J. Chromatogr. A., 1332, pp. 57‐63.  

[5] Peroni, D., Sampat, A.A.S., van Egmond, W., de Koning, S., Cochran, J., Lautamo, R., 

Janssen, H.‐G., (2013) J. Chromatogr. A., 1317, pp. 3‐11.  

[6] Koek, M.M., Muilwijk, B., van Stee, L.L.P., Hankemeier, T., (2008) J. Chromatogr. A., 

1186 (1‐2), pp. 420‐429.  

[7] Harynuk, J., Górecki, T., De Zeeuw, J., (2005) J. Chromatogr. A., 1071 (1‐2), pp. 21‐

27.  

[8] Kallio, M., Hyötyläinen, T., (2007) J. Chromatogr. A., 1148 (2), pp. 228‐235.  

[9] Ghijsen, R.T., Poppe, H., Kraak, J.C., Duysters, P.P.E., (1989) Chromatographia, 27 

(1‐2), pp. 60‐66.  

[10]  Dallüge,  J.,  Van  Rijn, M.,  Beens,  J.,  Vreuls,  R.J.J.,  Brinkman,  U.A.Th.,  (2002)  J. 

Chromatogr. A., 965 (1‐2), pp. 207‐217.  

[11] Xia, D., Gao, L., Zheng, M., Wang, S., Liu, G., (2016) Anal. Chim. Acta, 937, pp. 160‐

167.  

[12] Muscalu, A.M., Edwards, M., Górecki, T., Reiner, E.J.,  (2015) J. Chromatogr. A., 

1391 (1), pp. 93‐101.  

[13] Magagna, F., Cordero, C., Cagliero, C., Liberto, E., Rubiolo, P., Sgorbini, B., Bicchi, 

C., (2017) Food Chem., 225, pp. 276‐287.  

[14] Almstetter, M.F., Oefner, P.J., Dettmer, K., (2012) Methods in Molecular Biology, 

815, pp. 399‐411.  

[15] Schmarr, H.‐G., Bernhardt, J., (2010) J. Chromatogr. A., 1217 (4), pp. 565‐574.  

[16] Jennerwein, M.K., Eschner, M., Gröger, T., Wilharm, T., Zimmermann, R., (2014) 

Energy and Fuels, 28 (9), pp. 5670‐5681.  

[17] Cordero, C., Bicchi, C., Rubiolo, P., (2008) J. Arg. Food Chem., 56 (17), pp. 7655‐

7666.  

Page 53: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

51 

[18] Van Deursen, M., Beens,  J., Reijenga,  J.,  Lipman, P., Cramers, C., Blomberg,  J., 

(2000) J. Sep. Sci., 23 (7‐8), pp. 507‐510.  

[19] Edwards, M., Górecki, T., (2015) J. Chromatogr. A., 1402, pp. 110‐123.  

[20] Nizio, K.D., Harynuk, J.J., (2014) Energy and Fuels, 28 (3), pp. 1709‐1716.  

[21] www.Agilent.com Agilent J&W GC Column Selection Guide 

[22] www.sigmaaldrich.com Column Selection Guide 

[23]  Sgorbini,  B.,  Cagliero,  C.,  Boggia,  L.,  Liberto,  E.,  Reichenbach,  S.E.,  Rubiolo,  P., 

Cordero, C., Bicchi, C., (2015) Flavour Frag. J., 30 (5), pp. 366‐380.  

[24] Nicolotti,  L., Cordero, C., Bressanello, D., Cagliero, C.,  Liberto, E., Magagna, F., 

Rubiolo, P., Sgorbini, B., Bicchi, C., (2014) J. Chromatogr. A., 1360, pp. 264‐274.  

[25] Seeley, J.V., Kramp, F.J., Sharpe, K.S., (2001) J. Sep. Sci., 24 (6), pp. 444‐450.  

[26] Seeley, J.V., Kramp, F.J., Sharpe, K.S., Seeley, S.K., (2002) J. Sep. Sci., 25 (1‐2), pp. 

53‐59.  

[27] Cordero, C., Rubiolo, P., Reichenbach, S.E., Carretta, A., Cobelli, L., Giardina, M., 

Bicchi, C., (2017) J. Chromatogr. A., 1480, pp. 70‐82.  

[28] Reichenbach, S.E., Rempe, D.W., Tao, Q., Bressanello, D., Liberto, E., Bicchi, C., 

Balducci, S., Cordero, C., (2015) Anal. Chem., 87 (19), pp. 10056‐10063.  

[29] Bieri, S., Marriott, P.J., (2006) Anal. Chem., 78 (23), pp. 8089‐8097.  

[30] Tranchida, P.Q., Zoccali, M., Franchina, F.A., Dugo, P., Mondello, L., (2013) J. Sep. 

Sci., 36 (1), pp. 212‐218.  

[31] Tranchida, P.Q., Purcaro, G., Fanali, C., Dugo, P., Dugo, G., Mondello, L., (2010) J. 

Chromatogr. A., 1217 (25), pp. 4160‐4166.  

[32] Tranchida, P.Q., Purcaro, G., Conte, L., Dugo, P., Dugo, G., Mondello, L., (2009) J. 

Chromatogr. A., 1216 (43), pp. 7301‐7306.  

[33] Tranchida, P.Q., Purcaro, G., Conte, L., Dugo, P., Dugo, G., Mondello, L., 81 (20), 

pp. 8529‐8537.  

[34] Tranchida, P.Q., Casilli, A., Dugo, P., Dugo, G., Mondello, L., (2007) Anal. Chem., 

79 (6), pp. 2266‐2275.  

[35] Cordero, C., Bicchi, C., Galli, M., Galli, S., Rubiolo, P., (2008) J. Sep. Sci., 31 (19), 

pp. 3437‐3450.  

[36] Oldridge, N., Panic, O., Górecki, T., (2008) J. Sep. Sci., 31 (19), pp. 3375‐3384.  

Page 54: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

52 

[37] Harynuk, J., Górecki, T., (2006) J. Chromatogr. A., 1105 (1‐2 SPEC. ISS.), pp. 159‐

167.  

[38] Harynuk, J., Górecki, T., (2004) J. Sep. Sci., 27 (5‐6), pp. 431‐441.  

[39] Peroni, D., Vonk, R.J., van Egmond, W., Janssen, H.‐G., (2012) J. Chromatogr. A., 

1268, pp. 139‐149.  

[40] Grob R, Barry E. Modern Practice of Gas Chromatography. Hoboken, N.J.: Wiley‐

Interscience; 2004.  

[41] Mommers, J., Pluimakers, G., Knooren, J., Dutriez, T., van der Wal, S., (2013) J. 

Chromatogr. A., 1297, pp. 179‐185.  

[42]  Mommers,  J.,  Knooren,  J.,  Dutriez,  T.,  Ritzen,  E.,  van  der  Wal,  S.,  (2012)  J. 

Chromatogr. A., 1270, pp. 305‐309.  

[43] Mommers,  J., Ritzen, E., Dutriez, T.,  van der Wal, S.,  (2016)  J. Chromatogr. A., 

1461, pp. 153‐160.  

[44] Liu, Z., Phillips, J.B., (1991) J. Chrom. Sci., 29 (5), pp. 227‐231.  

[45] Sharif, K.M., Chin, S.‐T., Kulsing, C., Marriott, P.J., (2016) TrAC ‐ Trends in Anal. 

Chem., 82, pp. 35‐54.  

[46] Seeley, J.V., (2012) J. Chromatogr. A., 1255, pp. 24‐37.  

[47] Edwards, M., Mostafa, A., Górecki, T., (2011) Anal. Bioanal. Chem.., 401 (8), pp. 

2335‐2349.  

[48] Tranchida, P.Q., Purcaro, G., Dugo, P., Mondello, L., Purcaro, G.,  (2011) TrAC  ‐ 

Trends in Anal. Chem., 30 (9), pp. 1437‐1461.  

[49] Seeley, J.V., Micyus, N.J., McCurry, J.D., Seeley, S.K., (2006) Am. Lab., 38 (9), pp. 

24‐26.  

[50] Pursch, M., Sun, K., Winniford, B., Cortes, H., Weber, A., McCabe, T., Luong, J. 

, (2002) Anal. Bioanal. Chem.., 373 (6), pp. 356‐367.  

[51] Begnaud, F., Debonneville, C., Probst, J.‐P., Chaintreau, A., Morrison, P.D., Adcock, 

J.L., Marriott, P.J., (2009) J. Sep. Sci., 32 (18), pp. 3144‐3151.  

[52] Gaines, R.B., Frysinger, G.S., (2004) J. Sep. Sci., 27 (5‐6), pp. 380‐388.  

[53] Mondello, L., Tranchida, P.Q., Dugo, P., Dugo, G., (2008) Mass Spectrom. Rev., 27 

(2), pp. 101‐124.  

[54] Pasikanti, K.K., Ho, P.C., Chan, E.C.Y., (2008) J. Chrom. B.: Analytical Technologies 

in the Biomedical and Life Sciences, 871 (2), pp. 202‐211.  

Page 55: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

53 

[55]  Dallüge,  J.,  Van  Rijn, M.,  Beens,  J.,  Vreuls,  R.J.J.,  Brinkman,  U.A.Th.,  (2002)  J. 

Chromatogr. A., 965 (1‐2), pp. 207‐217.  

[56] Dallüge, J., Vreuls, R.J.J., Beens, J., Brinkman, U.A.Th., (2002) J. Sep. Sci., 25 (4), 

pp. 201‐214.  

[57] Li, X., Xu, Z., Lu, X., Yang, X., Yin, P., Kong, H., Yu, Y., Xu, G., (2009) Anal. Chim. 

Acta, 633 (2), pp. 257‐262.  

[58] Ochiai, N., Ieda, T., Sasamoto, K., Takazawa, Y., Hashimoto, S., Fushimi, A., Tanabe, 

K., (2011) J. Chromatogr. A., 1218 (39), pp. 6851‐6860.  

[59]  Ieda, T., Ochiai, N., Miyawaki, T., Ohura, T., Horii, Y., (2011) J. Chromatogr. A., 

1218 (21), pp. 3224‐3232.  

[60] Reichenbach,  S.E.,  Tian,  X.,  Tao, Q.,  Ledford  Jr.,  E.B., Wu,  Z.,  Fiehn, O.,  (2011) 

Talanta, 83 (4), pp. 1279‐1288.  

[61] Ubukata, M., Jobst, K.J., Reiner, E.J., Reichenbach, S.E., Tao, Q., Hang, J., Wu, Z., 

Dane, A.J., Cody, R.B., (2015) J. Chromatogr. A., 1395, pp. 152‐159.  

[62] Veenaas, C., Haglund, P., (2017) Anal. Bioanal. Chem.., 409 (20), pp. 4867‐4883.  

[63] Maciel, G.P.S., Machado, M.E., Da Cunha, M.E., Lazzari, E., Da Silva, J.M., Jacques, 

R.A., Krause, L.C., Barros, J.A.S., Caramão, E.B., (2015) J. Sep. Sci., 38 (23), pp. 4071‐

4077.  

[64] Schneider, J.K., da Cunha, M.E., dos Santos, A.L., Maciel, G.P.S., Brasil, M.C., Pinho, 

A.R., Mendes, F.L., Jacques, R.A., Caramão, E.B., (2014) J. Chromatogr. A., 1356, pp. 

236‐240.  

[65] Mondello, L., Casilli, A., Tranchida, P.Q., Dugo, G., Dugo, P., (2005) J. Chromatogr. 

A., 1067 (1‐2), pp. 235‐243.  

[66] Adahchour, M., Brandt, M., Baier, H.‐U., Vreuls, R.J.J., Batenburg, A.M., Brinkman, 

U.A.Th., (2005) J. Chromatogr. A., 1067 (1‐2), pp. 245‐254.  

[67] Xia, D., Gao,  L.,  Zhu, S.,  Zheng, M.,  (2014) Anal. Bioanal. Chem.., 406  (29), pp. 

7561‐7570.  

[68] da Silva, J.M., Zini, C.A., Caramão, E.B., (2011) J. Chromatogr. A., 1218 (21), pp. 

3166‐3172.  

[69] Bordajandi, L.R., Ramos, L., González, M.J., (2006) J. Chromatogr. A., 1125 (2), pp. 

220‐228.  

Page 56: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

54 

[70]  Toraman,  H.E.,  Franz,  K.,  Ronsse,  F.,  Van  Geem,  K.M.,  Marin,  G.B.,  (2016)  J. 

Chromatogr. A., 1460, pp. 135‐146.  

[71] Lissitsyna, K., Huertas, S., Quintero, L.C., Polo, L.M., (2013) J. Sep. Sci., 36 (11), pp. 

1768‐1773.  

[72] Ruiz‐Guerrero, R., Vendeuvre, C., Thiébaut, D., Bertoncini, F., Espinat, D., (2006) 

J. Chrom. Sci., 44 (9), pp. 566‐573.  

[73] Blomberg, J., Riemersma, T., Zuijlen, M.V., Chaabani, H., (2004) J. Chromatogr. A., 

1050 (1), pp. 77‐84.  

[74] Hua, R., Wang, J., Kong, H., Liu, J., Lu, X., Xu, G., (2004) J. Sep. Sci., 27 (9), pp. 691‐

698.  

[75] Hua, R., Li, Y., Liu, W., Zheng, J., Wei, H., Wang, J., Lu, X., Kong, H., Xu, G., (2003) 

J. Chromatogr. A., 1019 (1‐2), pp. 101‐109.  

[76] Nizio, K.D., Harynuk, J.J., (2014) Energy and Fuels, 28 (3), pp. 1709‐1716.  

[77]  von  Mühlen,  C.,  de  Oliveira,  E.C.,  Morrison,  P.D.,  Zini,  C.A.,  Caramão,  E.B., 

Marriott, P.J., (2007) J. Sep. Sci., 30 (18), pp. 3223‐3232.  

[78] Liu, X., Mitrevski, B., Li, D., Li, J., Marriott, P.J., (2013) Microchemical Journal, 111, 

pp. 25‐31.  

[79] Mitrevski, B., Amer, M.W., Chaffee, A.L., Marriott, P.J., (2013) Anal. Chim. Acta, 

803, pp. 174‐180.  

[80] Chin, S.‐T., Wu, Z.‐Y., Morrison, P.D., Marriott, P.J., (2010) Analytical Methods, 2 

(3), pp. 243‐253.  

[81] Liu, X., Li, D., Li, J., Rose, G., Marriott, P.J., (2013) Journal of Hazardous Materials, 

263, pp. 761‐767.  

[82] Freye, C.E., Fitz, B.D., Billingsley, M.C., Synovec, R.E., (2016) Talanta, 153, pp. 203‐

210.  

[83] Blase, R.C., Patrick, E.L., Mitchell, J.N., Libardoni, M., (2015) Anal. Chem. Research, 

3, pp. 54‐62.  

[84] Amorim, L.C.A., Dimandja, J.‐M., Cardeal, Z.d.L., (2009) J. Chromatogr. A., 1216 

(14), pp. 2900‐2904.  

[85] Marsman, J.H., Wildschut, J., Mahfud, F., Heeres, H.J., (2007) J. Chromatogr. A., 

1150 (1‐2), pp. 21‐27.  

Page 57: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

55 

[86]  Peters  S,  Vivó‐Truyols  G,  Marriott  P,  Schoenmakers  P.,  J.  Chromatogr.  A., 

2007;1146:232‐241. 

[87] Poole C, Poole S. Chromatography Today, Oxford: Elsevier Science; 1991.  

[88]  Berezkin  V.  Poole,  Coulin  F.,  The  Essence  of  Chromatography,  Amsterdam, 

Elsevier Science, 2002, 925 pp. Journal Of Anal. Chem., 2005;(2):193.  

[89] Poole, C.F., (2012) Gas Chromatography, pp. 137‐159.  

[90] Abraham, M.H., Poole, C.F., Poole, S.K., (1999) J. Chromatogr. A., 842 (1‐2), pp. 

79‐114.  

[91] Abraham, M.H., Ibrahim, A., Zissimos, A.M., (2004) J. Chromatogr. A., 1037 (1‐2), 

pp. 29‐47.  

[92] C.F. Poole, S.N. Atapattu, S.K. Poole, A.K. Bell, Anal. Chim. Acta. 652 (2009) 32‐53. 

[93] M. Vitha, P.W. Carr, J. Chromatogr. A 1126 (2006) 143‐194. 

[94] S.N. Atapattu, C.F. Poole, J. Chromatogr. A 1195 (2008) 136e145. 

[95] Poole, C.F., Poole, S.K., (2002) J. Chromatogr. A., 965 (1‐2), pp. 263‐299.  

[96] Nan, H., Zhang, C., O'Brien, R.A., Benchea, A., Davis, J.H., Jr., Anderson, J.L., (2017) 

J. Chromatogr. A., 1481, pp. 127‐136.  

[97] Poole CF, Poole SK., J. Sep. Sci. 34 (2011) 888‐900. 

[98] C. Yao, J.L. Anderson, J. Chromatogr. A 1216 (2009) 1658‐1712. 

[99] Poole, C.F., Lenca, N., (2014) J. Chromatogr. A., 1357, pp. 87‐109.  

[100]  Seeley,  J.V.,  Seeley,  S.K.,  Libby,  E.K.,  Breitbach,  Z.S., Armstrong, D.W.,  (2008) 

Anal. Bioanal. Chem.., 390 (1), pp. 323‐332.  

[101] Krupčík, J., Gorovenko, R., Špánik, I., Bočková, I., Sandra, P., Armstrong, D.W., 

(2013) J. Chromatogr. A., 1301, pp. 225‐236.  

[102] Zapadlo, M., Krupčík,  J., Kovalczuk, T., Májek, P.,  Špánik,  I., Armstrong, D.W., 

Sandra, P., (2011) J. Chromatogr. A., 1218 (5), pp. 746‐751.  

[103]  Zapadlo,  M.,  Krupčík,  J.,  Májek,  P.,  Armstrong,  D.W.,  Sandra,  P.,  (2010)  J. 

Chromatogr. A., 1217 (37), pp. 5859‐5867.  

[104] Cappelli Fontanive, F., Souza‐Silva, É.A., Macedo da Silva, J., Bastos Caramão, E., 

Alcaraz Zini, C., (2016) J. Chromatogr. A., 1461, pp. 131‐143.  

[105]  Adahchour, M.,  Beens,  J.,  Vreuls,  R.J.J.,  Batenburg,  A.M.,  Brinkman,  U.A.Th., 

(2004) J. Chromatogr. A., 1054 (1‐2), pp. 47‐55.  

Page 58: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

56 

[106] Hu, S.Z., Li, S.F., Cao, J., Zhang, D.M., Ma, J., He, S., Wang, X.L., Wu, M., A, (2014) 

Petroleum Science and Technology, 32 (5), pp. 565‐574.  

[107] Zhu, S., (2009) J. Chromatogr. A., 1216 (15), pp. 3312‐3317.  

[108] Ristic, N.D., Djokic, M.R., Konist, A., Van Geem, K.M., Marin, G.B., (2017) Fuel 

Processing Technology, 167, pp. 241‐249. 

[109] Mcgregor, L.A., Gauchotte‐Lindsay, C., Daéid, N.N., Thomas, R., Daly, P., Kalin, 

R.M., (2011) J. Chromatogr. A., 1218 (29), pp. 4755‐4763.  

[110] Freye, C.E., Fitz, B.D., Billingsley, M.C., Synovec, R.E.,  (2016) Talanta, 153, pp. 

203‐210.  

[111] Li, S., Cao, J., Hu, S., Luo, G., (2015) Marine and Petroleum Geology, 66, pp. 791‐

800.  

[112] Toraman, H.E., Dijkmans, T., Djokic, M.R., Van Geem, K.M., Marin, G.B., (2014) J. 

Chromatogr. A., 1359, pp. 237‐246.  

[113] Kehimkar, B., Hoggard, J.C., Marney, L.C., Billingsley, M.C., Fraga, C.G., Bruno, 

T.J., Synovec, R.E., (2014) J. Chromatogr. A., 1327, pp. 132‐140.  

[114] Li, S., Hu, S., Cao, J., Wu, M., Zhang, D., (2012) International Journal of Molecular 

Sciences, 13 (9), pp. 11399‐11410.  

[115] van der Westhuizen, R., Ajam, M., De Coning, P., Beens, J., de Villiers, A., Sandra, 

P., (2011) J. Chromatogr. A., 1218 (28), pp. 4478‐4486.  

[116]  Dutriez,  T.,  Borras,  J.,  Courtiade,  M.,  Thiébaut,  D.,  Dulot,  H.,  Bertoncini,  F., 

Hennion, M.‐C., (2011) J. Chromatogr. A., 1218 (21), pp. 3190‐3199.  

[117] Mahé, L., Dutriez, T., Courtiade, M., Thiébaut, D., Dulot, H., Bertoncini, F., (2011) 

J. Chromatogr. A., 1218 (3), pp. 534‐544.  

[118]  Omais,  B.,  Crepier,  J.,  Charon,  N.,  Courtiade, M.,  Quignard,  A.,  Thiébaut,  D., 

(2013) The Analyst, 138 (8), pp. 2258‐2268.  

[119] Seeley, J.V., Libby, E.M., Edwards, K.A.H., Seeley, S.K., (2009) J. Chromatogr. A., 

1216 (10), pp. 1650‐1657.  

[120] Seeley, J.V., Seeley, S.K., (2007) J. Chromatogr. A., 1172 (1), pp. 72‐83.  

[121] Zhu, S., He, S., Worton, D.R., Goldstein, A.H., (2012) J. Chromatogr. A., 1233, pp. 

147‐151.  

[122] Vendeuvre, C., Bertoncini, F., Thiébaut, D., Martin, M., Hennion, M.‐C., (2005) J. 

Sep. Sci., 28 (11), pp. 1129‐1136.  

Page 59: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

57 

[123] Dorman, F.L., Schettler, P.D., Vogt, L.A., Cochran, J.W., (2008) J. Chromatogr. A., 

1186 (1‐2), pp. 196‐201.  

[124] McGinitie, T.M., Harynuk, J.J., (2012) J. Chromatogr. A., 1255, pp. 184‐189.  

[125] Zhu, S., Zhang, W., Dai, W., Tong, T., Guo, P., He, S., Chang, Z., Gao, X., (2014) 

Analytical Methods, 6 (8), pp. 2608‐2620.  

[126] Lu, X., Kong, H., Li, H., Ma, C., Tian, J., Xu, G., (2005) J. Chromatogr. A., 1086 (1‐

2), pp. 175‐184.  

[127] Burel, A., Vaccaro, M., Cartigny, Y., Tisse, S., Coquerel, G., Cardinael, P., (2017) J. 

Chromatogr. A., 1485, pp. 101‐119.  

[128] Silva, A.C.A., Ebrahimi‐Najafadabi, H., McGinitie, T.M., Casilli, A., Pereira, H.M.G., 

Aquino Neto, F.R., Harynuk, J.J., 407 (14), art. no. 8627, pp. 4091‐4099.  

[129]  Barcaru,  A.,  Anroedh‐Sampat,  A.,  Janssen,  H.‐G.,  Vivó‐Truyols,  G.,  (2014)  J. 

Chromatogr. A., 1368, pp. 190‐198.  

[130]  Kulsing,  C.,  Nolvachai,  Y.,  Zeng,  A.X.,  Chin,  S.‐T., Mitrevski,  B., Marriott,  P.J., 

(2014) ChemPlusChem, 79 (6), pp. 790‐797.  

[131] Noorizadeh, H., Noorizadeh, M., (2012) Medicinal Chemistry Research, 21 (8), 

pp. 1997‐2005.  

[132] D'Archivio, A.A., Incani, A., Ruggieri, F., (2011) Anal. Bioanal. Chem.., 399 (2), pp. 

903‐913.  

[133] Harynuk, J., Marriott, P.J., (2006) Anal. Chem., 78 (6), pp. 2028‐2034.  

[134] Zhu, Z., Harynuk, J., Górecki, T., (2006) J. Chromatogr. A., 1105 (1‐2 SPEC. ISS.), 

pp. 17‐24.  

[135] Blumberg L., J. Chromatogr. A., January 1, 2011;1218:5375‐5385. 

[136] Bourguignon B, Massart D., J. Chromatogr. A., 1991;586:11‐20.  

[137] Vanhoutte D, Vivó‐Truyols G, Schoenmakers P., J. Chromatogr. A., 2012;1235:39‐

48. 

[138] Debets H, Weyland J, Doornbos D., Anal. Chim. Acta, 1983;150:259‐265. 

[139] Blumberg, L.M., Klee, M.S., (2000) Journal of Microcolumn Separations, 12 (9), 

pp. 508‐514.  

[140] Blumberg L, Klee M., J. Chromatogr. A., January 1, 2001;918:113‐120.  

[141] Klee M, Cochran J, Merrick M, Blumberg L., J. Chromatogr. A.,  2015;1383:151‐

159. 

Page 60: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

58 

[142] Chow, H.‐Y.J., Górecki, T., (2017) Anal. Chem., 89 (16), pp. 8207‐8211.  

[143] van Stee, L.L.P., Brinkman, U.A.T., (2016) TrAC ‐ Trends in Anal. Chem., 83, pp. 1‐

13.  

[144] Zeng, Z., Li, J., Hugel, H.M., Xu, G., Marriott, P.J., (2014) TrAC ‐ Trends in Anal. 

Chem., 53, pp. 150‐166.  

[145] Murray, J.A., (2012) J. Chromatogr. A., 1261, pp. 58‐68.  

[146] Pierce, K.M., Kehimkar, B., Marney, L.C., Hoggard, J.C., Synovec, R.E., (2012) J. 

Chromatogr. A., 1255, pp. 3‐11.  

[147] Pierce, K.M., Mohler, R.E., (2012) Separation and Purification Reviews, 41 (2), 

pp. 143‐168.  

[148]  Synovec,  R.E.,  Prazen,  B.J.,  Johnson,  K.J.,  Fraga,  C.G.,  Bruckner,  C.A.,  (2003) 

Advances in Chromatography, 42, pp. 1‐42.  

[149] Adahchour, M., Beens, J., Vreuls, R.J.J., Brinkman, U.A.Th., (2006) TrAC ‐ Trends 

in Anal. Chem., 25 (5), pp. 438‐454.  

[150]  Chromatof,  Leco:  https://www.leco.com/products/separation‐

science/software‐accessories/chromatof‐software 

[151] GC Image, Zoex: http://www.gcimage.com/index.html 

[152] ChromSquare, Shimadzu: http://www.shimadzu.com/an/2d‐chrom/gc_cs.html 

[153] Fraga, C.G., Prazen, B.J., Synovec, R.E., (2000) Anal. Chem., 72 (17), pp. 4154‐

4162.  

[154] Kim, S., Fang, A., Wang, B., Jeong, J., Zhang, X., (2011) Bioinformatics, 27 (12), 

art. no. btr188, pp. 1660‐1666.  

[155] Parastar, H.,  Jalali‐Heravi, M., Tauler, R.,  (2012) Chemometrics and Intelligent 

Laboratory Systems, 117, pp. 80‐91.  

[156] Kim, S., Koo, I., Fang, A., Zhang, X., (2011) BMC Bioinformatics, 12, art. no. 235, 

[157] Jeong, J., Shi, X., Zhang, X., Kim, S., Shen, C., (2012) BMC Bioinformatics, 13 (1), 

art. no. 27, 

[158] Bean, H.D., Hill, J.E., Dimandja, J.‐M.D., (2015) J. Chromatogr. A., 1394, pp. 111‐

117.  

[159]  Kim,  S.,  Zhang,  X.,  (2013)  Computational  and  Mathematical  Methods  in 

Medicine, 2013, art. no. 509761,  

Page 61: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

59 

[160] Deng, B., Kim, S., Li, H., Heath, E., Zhang, X., (2016) Journal of Bioinformatics and 

Computational Biology, 14 (6), art. no. 1650032, 

[161] Mommers  J,  Knooren  J, Mengerink  Y, Wilbers A, Vreuls R,  van der Wal  S.,  J. 

Chromatogr. A., 2011;1218, 3159‐3165 

[162] Wright A.G., Fell A.F., Berridge J.C., Chromatographia, 24 (1987), 533‐590 

[163] Berridge J.C., J. Chromatogr. A., 244 (1982), 1‐14 

[164] Schoenmakers, P.J., J. High Res. Chrom. 11 (1988), 278‐282 

Page 62: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

60 

   

Page 63: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

61 

3 2B2BPrediction of Comprehensive Two‐dimensional Gas 

Chromatography Selectivity and Ranking of Column‐sets; 

Application to Bio‐Oil Samples 

 

In this chapter, a procedure is described for the global prediction of the most‐suitable 

GC×GC  column‐sets  for  the  analysis  of  a  particular  complex  sample.  The  GC×GC 

retention prediction is based on the adapted Abrahams solvation parameter model as 

published by Seeley et al. In our approach, we extended this model by incorporating 

estimation  of  individual  solute‐elution  temperatures  in  order  to  re‐calculate  the 

temperature‐dependent  column  descriptors  for  each  individual  solute.  A  global 

ranking of column‐sets based on three orthogonality parameters,  is presented. The 

new  orthogonality  parameters  %FIT  and  %BIN5×5  are  in  agreement  with  the 

orthogonality scores of 2D‐chromatograms of experts.  

3.1 26B26BIntroduction 

GC×GC is becoming more and more a routine analytical technique for solving all kinds 

of analytical questions in a wide variety of application fields, including the chemical 

characterization of pyrolysis bio‐oils [1‐7].  

 

As described in chapter 2, GC×GC method development is not straightforward and the 

most important and difficult task is the proper choice of the primary and secondary 

stationary phase chemistries,  in order  to obtain optimal  separation  for a particular 

complex sample [8].  

 

Nowadays, more than 50 GC columns with different  types of stationary phases are 

commercially  available,  resulting  in  many  possible  GC×GC  column‐sets  [9‐10]. 

Theoretically,  the number of column combinations for 50 different column types  is 

2450 (502 – 50), including the reversed combinations. For method development, from 

a practical point of view, it is highly desirable to test only a limited set of column‐sets. 

In table 3, chapter 2, six GC columns (stationary phases equivalent to DB‐1, DB‐17, DB‐

Page 64: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

62 

210,  DB‐225,  DB‐23,  DB‐WAX) with  different  selectivities were  recommended  as  a 

good choice  for starting method development. From these six columns, 30 column 

combinations could be made, if the order of the columns is allowed to vary. In chapter 

2  it was advised to narrow down the possible combinations based on the expected 

molecular  interactions  between  the  analyte  and  the  stationary  phase  and  by 

considering constraints, such as the maximum column temperature. The choice could 

be facilitated by theoretically predicting the GC×GC retention for a particular set of 

solutes  (analytes  and matrix  compounds),  which  should  be  representative  for  the 

entire sample. However, for truly complex samples, often containing hundreds or even 

thousands  of  compounds,  and  especially  for  samples  containing  many  unknown 

solutes, the choice of a limited set of representative solutes may be an impossible task.  

 

Several different models for predicting GC×GC retention have been developed, most 

of which are based on single‐column retention data [11‐14]. Abraham et al. [15‐17], 

developed a model for the prediction of retention factors for single‐column isothermal 

separations. This model makes use of a linear combination of five solute descriptors 

(L, S, A, B and E) and five stationary‐phase descriptors (l, s, a, b, e).  

 

            (1) 

 

The five terms are (loosely) related to physical properties, i.e. solute size (lL), solute 

dipolarity/polarizability (sS), hydrogen bond acidity (aA), hydrogen bond basicity (bB) 

and  excess  polarizability  (eE).  Seeley  et  al.  [18‐20],  used  the  solvation‐parameter 

model for predicting GC×GC retention by converting the predicted retention factors 

first  to  indices  and  then  to  primary  and  secondary  retention data  for  constructing 

GC×GC retention diagrams.  

 

In our approach the prediction of GC×GC retention is based on the adapted solvation‐

parameter model as published by Seeley [19]. We adapted this model as described in 

section 3.2.3.  

Page 65: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

63 

3.2 27B27BExperimental 

3.2.1 62B62BEquipment and materials 

All GC×GC analyses were performed using a Leco  (St.  Joseph, MI, USA) Pegasus 4D 

GC×GC  system,  equipped  with  a  secondary  GC  oven,  a  Combipal  (CTC  Analytics, 

Zwingen, Switzerland) auto sampler, a hot split/splitless injector and a Leco Pegasus 

time‐of‐flight mass  spectrometer  (TOFMS).  Instrument  control and data processing 

were  performed  by  Leco  ChromaTOF  software  version  3.25  and  NIST  (NIST, 

Gaithersburg,  Maryland,  USA)  MS‐Search  2.0.  All  used  GC×GC  column‐sets  are 

summarized in table 1.  

 

Table 1 GC×GC column‐sets. Dimensions are given as L(m) × i.d. (mm); film thickness. 

Column  

set nr. 

Primary column 

 

Primary  column 

dimensions 

Secondary column 

 

Secondary  column 

dimensions 

1  VF1   30x0.25; 1.0 µm  VF17ms   2x0.1; 0.2 µm 

2  ZB‐FFAP  30x0.25; 0.5 µm  VF17ms  2x0.1; 0.2 µm 

3  VF1  30x0.25; 1.0 µm  BPX90  2x0.1; 0.1 µm 

4  ZB‐FFAP  30x0.25; 0.5 µm  DB‐1  2x0.1; 0.2 µm 

5  RTX‐200  30x0.25; 1.0 µm  MG‐WAX‐HT  2x0.1; 0.1 µm 

6  VF1  30x0.25; 1.0 µm  DB‐1  2x0.1; 0.2 µm 

7  RTX‐200  30x0.25; 1.0 µm  DB‐1  2x0.1; 0.2 µm 

8  DB‐1701  30x0.25; 1.0 µm  DB‐1  2x0.1; 0.2 µm 

9  RTX‐225  30x0.25; 0.5 µm  VF17ms  2x0.1; 0.2 µm 

 

The VF1, DB‐1, DB‐1701 and VF‐17ms columns were purchased from Agilent (Santa 

Clara, CA, USA), the ZB‐FFAP column from Phenomenex (Torrance, CA, USA), and the 

Rtx‐200, Rtx‐225 columns from Restek (Bellefonte, PA, USA). The BPX90 column was 

obtained from SGE (Ringwood, Victoria, Australia) and the MG‐WAX‐HT column from 

Mega (Milano, Italy). 

 

A  bio‐oil  sample was  kindly  provided by  the Bioboost  consortium  [21].  This  bio‐oil 

sample was prepared by flash pyrolysis of biomass material. For GC×GC analysis 100 

Page 66: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

64 

mg  of  sample were  dissolved  in  1 mL  acetone  resulting  in  a  clear,  brown‐colored 

solution. 

3.2.2 63B63BAnalytical method 

For all GC×GC analyses, the GC oven was held for 1 min at 40C and then programmed 

at a rate of 3Cmin‐1 to the maximum temperature of the installed columns and held 

there for 5 min. For each column combination, a modulation time was chosen at which 

the degree of wrap‐around was “acceptable”. All separations were carried out using a 

constant helium flow of 1.2 mL/min. The injector temperature was 250C, using a split 

ratio of 1:30 and an injection volume of 1 µL. The TOFMS was operated in electron‐

ionization mode at 70 eV, a source temperature of 250C and a mass range of 15 to 

550 amu. 

3.2.3 64B64BGC×GC prediction model 

The  prediction  of  GC×GC  retention  is  based  on  an  adapted  version  of  Abraham’s 

solvation‐parameter model [15‐17], as published by Seeley et al. [19]. In our work, we 

extend  this  model  by  incorporating  the  estimation  of  individual  solute‐elution 

temperatures (Te) to re‐calculate the temperature‐dependent column descriptors (l, 

s, a, e) for each individual solute.   

 

The column descriptors are assumed to depend logarithmically on temperature (e.g. 

descriptor  =  d0  *  ln(T)  +  d1)  [9‐10].  The  descriptors  are  first  calculated  at  one 

temperature (T), for example the final oven temperature for a given analysis. These 

column descriptors are then used to compute the individual solute indices (i). After 

determining the relationship between indices and elution temperatures of a series n‐

alkanes,  the  elution  temperatures  of  the  individual  solutes  can  be  estimated  from 

their  computed  descriptors.  For  each  individual  solute,  the  estimated  elution 

temperature  is  then  used  to  re‐calculate  the  corresponding  stationary‐phase 

descriptors at a more relevant column temperature. The column descriptors for the 

secondary dimension are calculated at the primary‐dimension elution temperatures 

(2T=Te) of the solute. The primary column is temperature programmed, so that a solute 

Page 67: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

65 

will  interact with  the  stationary  phase  from  the  initial  oven  temperature  up  to  its 

elution temperature. The column descriptors for the primary dimension are calculated 

at 0.9 times the solute elution temperature (1T=0.9*Te) given the fact that solutes will 

mainly interact with the stationary phase toward the end of their elution trajectories. 

The correlation between predicted primary  indices and experimental solute elution 

temperatures was established for the set of nine different column‐sets, featuring five 

different  stationary  phases  in  the  primary  columns.  The  correlation  between  the 

predicted primary indices of 31 selected components of bio‐oil (calculated at T=300C) 

and their corresponding experimental elution temperatures was calculated. The linear 

regression u‐, v‐ and r2 values (1Te = u * 1Index + v), are given in table 2.  

 

Table  2  Correlation  between  predicted  retention  indices  and  their  experimental 

primary elution temperatures (1Te = u * 1Index + v) for a set of 9 different column‐sets 

set nr.  1  2  3  4  5  6  7  8  9 

1Column  VF‐1  ZB‐FFAP  VF‐1  ZB‐FFAP  RTX‐200  VF‐1  RTX‐200  DB‐

1701 

RTX‐225 

2Column  VF17ms  VF‐

17ms 

BPX90  DB‐1  MGWAX  DB‐1  DB‐1  DB‐1  DB‐17 

                   

u  15.4  11.6  15.3  11.5  10.2  14.6  10.6  14.1  10.7 

v  ‐20.9  ‐71.0  ‐34.1  ‐84.4  ‐30.4  ‐29.2  ‐36.7  ‐38.6  ‐39.5 

r2  0.92  0.82  0.92  0.90  0.82  0.89  0.80  0.91  0.91 

 

As described by Seeley [18], a GC×GC retention diagram  is defined as a plot of  the 

calculated primary “Seeley‐retention index” (1i, x‐axis) versus 1.6i (y‐axis), where i 

is  the  difference  between  the  calculated  secondary  index  (2i)  and  the  calculated 

primary index (i=2i‐1i). In this paper, we scale the range of x‐axis and y‐axis values to 

reasonable  peak  capacities  1n  (200)  and  2n  (50),  respectively.  This  choice  of  peak 

capacities  is  based  on  experimental  settings  using  which  the  bio‐oil  sample  was 

analyzed  by  the  nine  different  column‐sets  (see  table  3).  The  experimental  peak 

capacities, 1n and 2n, are given  in  table 3.  It  should be noted that  these values are 

obtained using standard (non‐optimized) GC×GC settings. The modulation time was 

10 s for column‐sets 3 and 5 and 6 s for all other column‐sets. To roughly estimate the 

Page 68: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

66 

peak capacities of the primary and secondary columns average peak widths of 18 and 

0.1 s were used, respectively.    

 

Table 3 Experimental peak capacities (1n and 2n) determined for nine different column‐

sets, using standard, non‐optimized GC×GC settings        

set nr.  1  2  3  4  5  6  7  8  9 

1 Col  VF‐1  ZB‐FFAP  VF‐1  ZB‐FFAP  RTX‐200  VF‐1  RTX‐200  DB‐1701  RTX‐225 

2 Col  VF17ms  VF‐17ms  BPX90  DB‐1  MGWAX  DB‐1  DB‐1  DB‐1  DB‐17 

                   

1n  164  204  174  203  163  173  163  182  168 

2n  20  39  64*  44  81**  9  44  10  31 

* Solutes 4‐hydroxy‐3,5‐dimethoxy‐benzaldehyde and hydroquinone were not included due to extensive wrap‐around  

** Solutes   2‐naphthalenol and hydroquinone were not included due to extensive wrap‐around 

Scaling  is  desired  to  compare  and  rank  predicted  retention  diagrams  based  on 

selectivity.  Scaling  of  the  x‐  and  y‐axis  is  performed  as  given  in  equation  1  and  2, 

respectively.  

 

xnormalized  = ( x ‐ xminimum ) * ( 1n / ( xmaxium ‐ xminimum ) )         (1) 

 

ynormalized  = ( y ‐ yminimum ) * ( 2n / ( ymaximum ‐ yminimum ) )        (2) 

  

In order to perform a visual comparison of predicted versus experimental data, the 

experimentally determined retention times, 1tR and 2tR, are normalized using the same 

equations as used for x (x=1tR) and y (y=2tR), respectively.   

 

Solute descriptors (A, B, L, S, E) are computed using ACD/Absolve software (Advanced 

Chemistry  Development,  Toronto,  Canada).  The  solutes  and  their  computed 

descriptors are given in supplementary data 1. It has to be noted that the computed 

descriptors  are  estimates  that  may  deviate  from  experimentally  determined 

descriptors.  For  prediction  and  ranking  calculations  19  different  GC  columns were 

selected,  including  the  six  columns  summarized  in  table 3,  chapter 2. The  selected 

columns and their corresponding temperature‐dependent column descriptors [9, 10] 

are listed in supplementary data 2.  

Page 69: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

67 

3.2.4 65B65BColumn‐set ranking parameters 

For ranking column‐sets based on the predicted retention diagrams, a robust measure 

for the degree of orthogonality  is needed, since the orthogonalities of hundreds of 

predicted diagrams (in our case 361 diagrams) need to be assessed automatically.  

 

The first choice was to use only the parameter %Ao (based on the Asterisk equations) 

as published by Camenzuli and Schoenmakers [27]. Compared to most other existing 

orthogonality  parameters  [28],  the  %Ao  shows  good  agreement  between  the 

calculated orthogonality values and the visual, subjective assessment of the observed 

two‐dimensional chromatograms for a wide variety of chromatogram “types”. Also, 

%Ao is quite intuitive and easy to calculate. No settings (e.g. the number of bins) need 

to be selected and the values do not strongly depend on the total number of peaks. 

However, due to the fact that this parameter proved to be “insensitive” to (strong) 

uneven clustering of peaks in the x‐ or y‐direction, and because such chromatograms 

are predicted by our model (e.g. a diagram with most peaks at the bottom and only a 

few at the top), it was decided to develop additional orthogonality parameters. These 

are  designed  to  be more  sensitive  to  clustering  in  the  x‐  or  y‐direction  and more 

sensitive  for  local  peak  densities.  For  the  ranking  the  following  orthogonality 

parameters are used (1) %Ao, (2) %FIT and (3) %BIN.  

 

Ad 1. The %Ao  is based on a  set of  “asterisk” equations  [27].  In  this approach,  the 

primary  and  secondary  retention  times  are  normalized  to  1.  The  normalized 

separation space is crossed (not divided as in case of the bin approach), through the 

middle, by four lines, one horizontal, one vertical and two diagonals. The position of 

the  peaks  around  these  lines  is  computed;  in  case  of  full  orthogonality  the  peak 

spreading around all lines is maximized and the %Ao will be close to 100%. 

 

Ad 2.  For  the %FIT,  two polynomials of degree 2 are  calculated  that provide  least‐

squares fits of the scaled, according to equations (1) and (2), xy and yx data. For each 

data point in the xy and the yx data space, the minimal distance to the corresponding 

fitted curve is computed. From data, obtained in the xy and yx data space, the average 

Page 70: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

68 

distances  and  standard  deviations  of  all  peaks  below  the  curve  (xy1_avg,  xy1_SD, 

yx1_avg, yx1_SD) and for all peaks above the curve (xy2_avg, xy2_SD, yx2_avg, yx2_SD) are 

calculated.  

 

In case of full orthogonality, the average distance of the peaks below and above the 

fitted curve will be close  to  2n/4,  for  the xy data, or  1n/4,  for  the yx data, and  the 

corresponding standard deviation will be approximately 2n/7, for the xy data, or 1n/7 

for the yx data. The factor 7 is based on the second moment of a homogeneous block 

function of duration C which equals C*12‐0.5 [30]. For example, normalized xy and yx 

diagrams of data set 9 (100 peaks) are shown in figure 1. The fitted curves are shown 

as  the  red  lines.  In  case of  full orthogonality,  the absolute average distance of  the 

peaks to the fitted curve, in the xy‐diagram, is approximately 12.5 (=2n/4 = 50/4) and 

the standard deviation approaches 7.1 (2n/(2*120.5)). 

Page 71: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

69 

 

Figure 1 Diagrams of scaled xy (top) and yx (bottom) data of data‐set 9. The peaks are 

shown as blue circles,  the  fitted curves are shown as  the red  lines and the bins are 

shown  as  green  rectangles.  The  x‐date  is  normalized  to  1n=200  and  y‐data  is 

normalized to 2n=50 

2tr

scal

ed

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

2tr scaled

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Page 72: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

70 

The %FIT orthogonality parameter is calculated as follows: 

 

xyAVG = (1 ‐ 1‐(xy1AVG * 4 / 2n)) + (1 ‐ 1‐(xy2AVG * 4 / 2n)) / 2      (1) 

 

xySD = (1 ‐ 1‐(xy1SD * 7 / 2n)) + (1 ‐ 1‐(xy2SD * 7 / 2n)) / 2      (2) 

 

yxAVG = (1 ‐ 1‐(yx1AVG * 4 / 1n)) + (1 ‐ 1‐(yx2AVG * 4 / 1n)) / 2      (3) 

 

yxSD = (1 ‐ 1‐(yx1SD * 7 / 1n)) + (1 ‐ 1‐(yx2SD * 7 / 1n)) / 2      (4) 

 

%FIT = ( xyAVG + xySD + yxAVG + yxSD ) / 4           (5) 

 

Note that equations 1 through 4 are normalized to 1, so that %FIT is insensitive to peak 

capacities.  

 

Ad 3. For calculating the %BIN, the normalized x‐axis is divided into 1n/m steps and 

the  y‐axis  is  divided  into  2n/m  steps,  so  the  2D‐space  is  divided  into  1n/m  ×  2n/m 

rectangles or bins, for example in figure 1 (left), for m=10, the bins (200/10 × 50/10 = 

100 bins) are shown as green rectangles. If the number of peaks is known, the average 

number of peaks per bin can be calculated. 

  

AVGp/b = (total number of peaks) / (total number of bins)        (6) 

 

In case of ideal peak spreading the actual number of peaks in each bin is close to the 

AVGp/b  value.  To  calculate %BIN,  the  sum  of  the  absolute  deviation  of  the  actual 

number of peaks observed  in  each bin  from  the average number of peaks per bin 

(dev) is calculated. The sum of the absolute deviation in case of full peak spreading 

(devfs) and in case of no peak spreading (devns; one bin contains one peak, one bin 

contains all but one peaks and all the others are empty) are also calculated. The %BIN 

is then calculated from 

 

Page 73: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

71 

%BIN = 100(1  ‐ ((dev – devfs) / (devns ‐ devfs))           (7) 

  

%BIN can only be used if the total number of peaks is larger than the number of bins. 

In  our  “bio‐oil”  case  a  set  of  only  31  solutes  is  used  for  prediction  and  ranking  of 

column‐sets. Therefore, %BIN was also calculated and evaluated for 5×5 bins. 

 

All calculations of prediction, orthogonality and ranking were performed using Matlab, 

version R2017b, (MathWorks, Natick, MA, USA).  

3.3 28B28BResults and discussion 

3.3.1 66B66BTesting orthogonality parameters  

For testing and comparing the three orthogonality parameters, 14 different types of 

data  sets  (see  table  4),  containing  1000,  100,  or  50  data  points  (peaks),  were 

constructed. Within each type ten data sets were generated to calculate the average 

orthogonality values and the corresponding coefficients of variation (CV%). Data set 1 

can be considered as fully orthogonal given the fact that the x‐ and y‐values of all data 

points  were  generated  randomly.  All  data‐set  types  are  shown  as  xy  plots  in 

supplementary data 3. The results of the three orthogonality parameters %FIT, %BIN 

(%BIN20×5, %BIN8x2 and %BIN5×5) and %Ao, calculated for the 14 different types of data 

sets with 1000 peaks, are given  in  table 4. All  results  for all  types of data  sets,  for 

various numbers of peaks, are given in supplementary data 4. 

 

   

Page 74: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

72 

Table  4  Calculated  orthogonality  values  (average  of  10  replicates)  for  14  different 

types of data sets  (see supplementary data 3) using 1000 peaks. The three highest 

values are written in bold font and the highest is underlined.  

1000 peaks  %BIN20×5  %BIN8x2  %BIN5×5  %Ao  %FIT 

  AVG  CV%  AVG  CV%  AVG  CV%  AVG  CV%  AVG  CV% 

1‐ORTHO  87  1,3  95  1,3  93  1,8  96  1,1  97  1,3 

2‐DENSITY GRADIENT  76  0,5  79  0,6  78  0,6  91  0,6  89  1,1 

3‐SLOPE  54  1,1  64  1,9  56  1,7  61  2,5  51  4,4 

4‐CORRELATION  32  1,9  52  1,6  37  2,6  30  1,6  11  1,4 

5‐OUTLIERS  22  5,0  48  0,0  19  5,8  46  0,7  56  1,7 

6‐LOCAL DENSITY  68  2.5  96  0.7  80  1.7  89  0.9  89  0,8 

7‐CLUSTERING x (5:5)  40  0,5  47  0,0  38  0,5  57  1,4  71  1,7 

8‐CLUSTERING x (9:1)  30  1,0  31  0,0  27  0,9  88  0,7  58  3,3 

9‐U‐SHAPE  51  0,7  72  1,3  50  0,4  73  3,2  83  1,3 

10‐L‐SHAPE  36  0,7  59  1,1  34  0,8  66  1,4  61  2,3 

11‐X‐SHAPE  36  1,0  61  2,1  34  1,1  54  3,4  79  0,6 

12‐CLUSTERING y (5:5)  40  0,4  95  1,2  38  0,5  57  1,3  68  1,9 

13‐CLUSTERING y (7:3)  40  0,8  79  0,0  38  0,6  67  1,8  67  3,2 

14‐CLUSTERING y (9:1)  30  0,8  58  0,0  28  1,1  88  0,7  56  4,2 

 

Based on table 4, it can be concluded that %FIT, %BIN and %Ao all show the highest 

orthogonality value for data type 1 (fully orthogonal). %BIN using 5×5 and 20×5 bins 

give  very  similar  results  and  are most  sensitive  for  peak‐density  differences,  as  is 

observed by the lower value for set 6, while 8x2 is not discriminative. %Ao is insensitive 

for uneven x‐ or y‐clustering as  is seen from the high values for sets 8 and 14. The 

values increase from even (5:5) to uneven (9:1) peak clustering in the x‐ or y‐direction. 

The %FIT is the most sensitive for strong correlations between x and y, as is evident 

from the lowest value for set 4. In table 5, the calculated orthogonality values for the 

14 different types of data sets, using 50 peaks, are summarized.  

 

   

Page 75: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

73 

Table  5  Calculated  orthogonality  values  (average  of  10  replicates)  for  14  different 

types of data sets (see supplementary 3) using 50 peaks. The three highest values are 

written in bold font and the highest is underlined. 

50 peaks  %BIN8x2  %BIN5×5  %Ao  %FIT 

  AVG  CV%  AVG  CV%  AVG  CV%  AVG  CV% 

1‐ORTHO  82  6  74  5  84  7  88  5 

2‐DENSITY GRADIENT  71  6  65  5  87  9  76  9 

3‐SLOPE  66  5  50  7  63  9  58  14 

4‐CORRELATION  52  6  34  12  27  6  11  10 

5‐OUTLIERS  57  6  21  5  52  4  68  8 

6‐LOCAL DENSITY  88  5  64  8  81  4  88  5 

7‐CLUSTERING x (5:5)  47  5  38  0  49  4  71  7 

8‐CLUSTERING x (9:1)  31  4  28  9  85  3  57  10 

9‐U‐SHAPE  66  7  47  5  63  6  80  8 

10‐L‐SHAPE  55  6  35  7  59  10  58  11 

X‐SHAPE  60  6  42  11  63  9  76  4 

11‐CLUSTERING y (5:5)  82  3  37  3  49  9  67  8 

12‐CLUSTERING y (7:3)  73  5  36  5  60  8  58  18 

13‐CLUSTERING y (9:1)  57  5  30  12  85  3  53  14 

%BIN 20×5 could not be calculated since the number of peaks is smaller than the number of bins 

Based on tables 4 and 5, it can be concluded that for set 1 (orthogonal) a decrease in 

peak numbers from 1000 to 50 shows a decrease of 20, 12 and 9% in the orthogonality 

values using %BIN, %Ao and for %FIT, respectively. For set 1 (orthogonal) the influence 

of the number of peaks on the orthogonality values is the largest of all types of data 

sets.  Also  for  lower  numbers  of  data  points  the  %BIN8x2  parameter  is  less 

discriminative towards clustering. It was decided to use only the %BIN5×5 parameter 

for the evaluation of the 31‐solute ‘bio‐oil’ case. 

 

The  orthogonality  values  for  the  parameters  %BIN5×5,  %FIT  and  %Ao  were  also 

calculated for two different data sets that were used and published by Schure et al. 

[28]. They performed a comparison of 20 orthogonality parameters by evaluating 47 

2D‐chromatograms.  The  authors,  concluded  that  the  specific  orthogonality 

parameters were related and that products of certain orthogonality parameters were 

able to identify the chromatograms that were thought best by a panel of nine experts 

Page 76: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

74 

in 2D chromatography. For the calculations the data were normalized to the maximum 

value of 1tr (s) for x‐ and the maximum value of 2tR (s) for the y‐axis. The calculated 

values are compared with the average “orthogonality” score (scale from A+ down to 

F, or from 98 down to 55) of the expert panel. For the first data set, containing 21 

chromatograms, each with 196 peaks, our newly developed parameters %BIN5×5 and 

%FIT,  as  well  as  the  product  of  both  show  excellent  agreement  with  the  experts’ 

orthogonality scores for best and worst chromatograms. A high correlation is observed 

between %FIT  and %BIN5×5  and  the  experts’  orthogonality  scores,  with  r‐squared 

values  of  0.95  and  0.94,  respectively.  The  results  are  show  in  table  6  and  the 

chromatograms ‘D14’, ‘D12’ and ‘D26R’ are given supplementary data 5A. 

 

Table 6 Orthogonality values %BIN5×5, %Ao, %FIT and product “%BIN5×5 × %FIT” for a 

data set of 21 2D‐chromatograms [29]. The 4 best chromatograms for each parameter 

and for the reviewer’s scores are marked in yellow and the 4 worst are marked in grey.   

Chromatogram  %BIN 5×5  %Ao  %FIT  PRODUCT  EXPERTSAVG 

'D14'  60  50  71  42  90,1 

'D35'  56  53  65  36  89,2 

'D24'  59  53  71  42  88,1 

'D47'  56  46  66  37  88,1 

'D36R'  54  58  60  33  87,2 

'D34'  54  52  55  30  84,9 

'D16R'  51  55  50  26  84,4 

'D67R'  50  51  58  29  84,2 

'D46R'  52  44  47  24  84,0 

'D23'  51  55  40  20  83,3 

'D13'  52  53  40  21  82,8 

'D26R'  49  58  50  24  82,6 

'D15'  53  47  39  21  82,1 

'D57'  53  44  51  27  81,8 

'D25'  51  49  37  19  79,9 

'D56R'  49  46  45  22  79,1 

'D45'  50  38  35  17  76,5 

'D37'  43  45  24  10  75,7 

'D27'  38  36  15  6  67,9 

'D17'  37  32  14  5  67,1 

'D12'  27  20  6  2  58,0 # scale from 55 (lowest orthogonality) to 98 (full orthogonal) 

For the other data set, containing 26 chromatograms and numbers of peaks ranging 

from 13 to 192, the correlation is not as good. However three of the experts’ top 5 are 

Page 77: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

75 

also in the top 5 of values obtained for %FIT, %BIN5×5, %Ao and the product of %FIT × 

%BIN5×5. Also, four of the experts’ bottom 5 are also in the bottom 5 of the %FIT and 

%Ao scores. The results are given in supplementary data 5B. Remarkable is the high 

%Ao value (in top 5 for %Ao and in experts’ bottom 5) for chromatogram ‘YExp13’, due 

to  clustering  in  x  and  y.  For  %FIT  much  poorer  correlations  are  observed  for 

chromatograms containing fewer than 40 peaks.  

   

Page 78: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

76 

3.3.2 67B67BSelection of representative sample solutes  

First  the bio‐oil  sample was  analyzed using  column‐set  1  (VF1 × VF17ms).  The  2D‐

chromatogram, including the identification of 31 bio‐oil solutes, is given in figure 2. 

These  31  identified  solutes  are  used  for  the  prediction  and  column‐set‐ranking 

calculations. They are considered to be relevant and representative for the whole bio‐

oil sample based on their chemical diversity. The solutes and their calculated solute 

descriptors are given in supplementary data 1.  

 

Figure 2 GC×GC chromatogram of the bio‐oil sample analyzed using column‐set 1 (VF1 

×  VF17ms)  under  standard  GC×GC  settings;  peak  identifications  are  given  in 

supplementary data 1 

3.3.3 68B68BPrediction and ranking results   

For  the  31  representative  bio‐oil  solutes  and  for  361  different  column‐sets  (19 

different stationary phases), the retention diagrams have been computed. For each 

retention diagram  the 3 different  ranking parameters, %FIT, %BIN5×5,  and Ao%,  are 

Page 79: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

77 

calculated.  The  ranking  parameters  for  each  column‐set  (shown  as  column‐set 

numbers) are plotted as %FIT versus %Ao and as %BIN5×5 versus %FIT in figure 3 and 4, 

respectively. For each ranking parameter, the top 20 column‐sets are summarized in 

table 6. 

 

Table  6  The  predicted  top‐20  column‐sets  for  the  different  ranking  parameters 

%BIN5×5, %Ao and %FIT, calculated for 31 solutes representative of bio‐oil. The column‐

sets in bold font are present in all three parameters’ top‐20 lists  

%BIN5×5    %Ao    %FIT   

  305 ‐ Rtx‐440 × DB‐5  74    150 ‐ DB‐624 × Rtx‐440  92    7 ‐ DB‐5 × DB‐1301  80 

  40 ‐ DB‐35 × DB‐1  71    134 ‐ DB‐624 × DB‐5  92    8 ‐ DB‐5 × DB‐624  77 

  7 ‐ DB‐5 × DB‐1301  70    148 ‐ DB‐624 × DB‐XLB  92    273 ‐ DB‐XLB × DB‐1301  77 

  306 ‐ Rtx‐440 × DB‐1  70    66 ‐ DB‐17ms × DB‐1701  91    17 ‐ DB‐5 × Rtx‐440  77 

  15 ‐ DB‐5 × DB‐XLB  69    57 ‐ DB‐35 × Cyclosil B  91    283 ‐ DB‐XLB × Rtx‐440  77 

  58 ‐ DB‐17ms × DB‐5  68    131 ‐ DB‐1301 × Rtx‐440  91    274 ‐ DB‐XLB × DB‐624  76 

  286 ‐ Rtx‐50 × DB‐5  68    129 ‐ DB‐1301 × DB‐XLB  90    134 ‐ DB‐624 × DB‐5  76 

  66 ‐ DB‐17ms × DB‐1701  67    115 ‐ DB‐1301 × DB‐5  90    115 ‐ DB‐1301 × DB‐5  76 

  115 ‐ DB‐1301 × DB‐5  67    7 ‐ DB‐5 × DB‐1301  90    150 ‐ DB‐624 × Rtx‐440  75 

  59 ‐ DB‐17ms × DB‐1  67    346 ‐ Cyclosil B × DB‐17ms  88    148 ‐ DB‐624 × DB‐XLB  75 

  116 ‐ DB‐1301 × DB‐1  67    273 ‐ DB‐XLB × DB‐1301  88    66 ‐ DB‐17ms × DB‐1701  74 

  135 ‐ DB‐624 × DB‐1  67    156 ‐ DB‐1701 × DB‐17ms  88    311 ‐ Rtx‐440 × DB‐1301  74 

  60 ‐ DB‐17ms × DB‐35  66    155 ‐ DB‐1701 × DB‐35  87    155 ‐ DB‐1701 × DB‐35  74 

  311 ‐ Rtx‐440 × DB‐1301  66    76 ‐ DB‐17ms × Cyclosil B  87    129 ‐ DB‐1301 × DB‐XLB  74 

  8 ‐ DB‐5 × DB‐624  66    19 ‐ DB‐5 × Cyclosil B  87    131 ‐ DB‐1301 × Rtx‐440  74 

  27 ‐ DB‐1 × DB‐624  66    345 ‐ Cyclosil B × DB‐35  86    47 ‐ DB‐35 × DB‐1701  74 

  39 ‐ DB‐35 × DB‐5  66    26 ‐ DB‐1 × DB‐1301  85    116 ‐ DB‐1301 × DB‐1  73 

  45 ‐ DB‐35 × DB‐1301  66    17 ‐ DB‐5 × Rtx‐440  85    343 ‐ Cyclosil B × DB‐5  73 

  150 ‐ DB‐624 × Rtx‐440  66    305 ‐ Rtx‐440 × DB‐5  85    26 ‐ DB‐1 × DB‐1301  73 

  344 ‐ Cyclosil B × DB‐1  66    319 ‐ Rtx‐440 × DB‐XLB  85    135 ‐ DB‐624 × DB‐1  73 

Of which 5 in %Ao 

Of which 8 in %FIT 

  Of which 5 in %BIN 

Of which 12 in %FIT 

  Of which 12 in %Ao 

Of which 8 in %BIN 

 

 

 

 

Page 80: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

78 

 

Figure 3 Ranking parameters %Ao versus %FIT for the bio‐oil sample of Figure 2 for all 

computed column‐sets 

 

Figure 4 Ranking parameters %BIN5×5 versus %FIT for the bio‐oil sample of Figure 2 for 

all computed column‐sets  

 

Based on table 6, it can be concluded that all of the “top‐20” column‐sets feature only 

non‐polar to medium‐polar columns. Within the top‐10, the low/mid polarity DB‐624, 

DB1701  and  DB‐1301  stationary  phases  contain  cyanopropyl‐phenyl 

dimethylpolysiloxane stationary phases. The mid polarity DB‐35 contains 35% phenyl 

65%  dimethyl  arylene  siloxane  and  the  Rtx‐50  contains  50%  phenyl,  50% 

%FIT

%FIT

Page 81: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

79 

dimethylpolysiloxane.  The medium‐polar  stationary  phase of  the  Cyclosil‐B  column 

consists of 30% heptakis‐B‐cyclodextrin in a DB‐1701 stationary phase. The stationary 

phases of both the non‐polar DB‐1 and DB‐5 columns are 100% dimethyl polysiloxane 

and 95% dimethyl / 5% diphenyl polysiloxane, respectively. The low polarity DB‐XLB 

and mid polarity Rtx‐440 columns contain proprietary stationary phases. 

 

Column‐sets  containing  a  high  and  a  low  or medium  polarity  column  show  lower 

orthogonality values. The retention diagram of DB1 × DB‐FFAP is shown in figure 5. 

The main  reason  for  the  lower orthogonality  values  is  that  the  solute  set  contains 

several highly polar compounds (e.g. 2‐naphthalenol). In comparison with the other 

solutes,  these  show  high  retention  on  (highly)  polar  stationary  phases,  thereby 

lowering  the  overall  orthogonality.  Since  2‐naphthalenol  represents  the  group  of 

hydroxylated polycyclic aromatic hydrocarbons that is known to be present in real bio‐

oils, this solute cannot simply be discarded or ignored.  

 

 

Figure 5 Retention diagram of the 31 representative solutes from the bio‐oil sample of 

Figure2 analyzed with column‐set 33 “DB1 × DB‐FFAP”. 2‐naphthalenol elutes in the 

upper right corner, thereby significantly lowering the overall orthogonality 

 

The results obtained with the best column‐sets according to the ranking parameters 

%FIT, %BIN5×5 and %Ao are shown in figures 6, 7 and 8, respectively.  

y norm

alized

Page 82: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

80 

 

Figure 6 Retention diagram of the 31 representative solutes from the bio‐oil sample of 

Figure2 analyzed on column‐set “DB‐5 × DB‐1301” (best column‐set based on %FIT).  

 

 

Figure 7 Retention diagram of the 31 representative solutes from the bio‐oil sample of 

Figure2 analyzed on column‐set “Rtx‐440 × DB‐5” (best column‐set based on %BIN5×5). 

 

y norm

alized

y norm

alized

Page 83: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

81 

 

Figure 8 Retention diagram of the 31 representative solutes from the bio‐oil sample of 

Figure2 analyzed on column‐set “DB‐624 × Rtx‐440” (best column‐set based on %Ao). 

3.3.4 69B69BPredicted versus experimental data     

3.3.4.1 103B103BColumn‐set ranking  

In order to compare the predicted and experimental ranking, the bio‐oil sample was 

analyzed using nine different column‐sets, under standard GC×GC conditions. For each 

column‐set the primary and secondary retention times of the 31 selected solutes were 

determined and used to calculate the ranking parameters. In table 7, the predicted 

and experimental ranking parameters are summarized for each column‐set.  

 

   

y norm

alized

Page 84: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

82 

Table  7  Predicted  and  experimental  ranking  parameters,  including  the  sum  and 

product of these three values, based on 31 selected solutes and calculated for nine 

different column‐sets.  

RANKING BASED ON  

PREDICTED DATA 

%BIN5×5  %Ao  %FIT  SUM  PRODUCT  INDEX  1i‐2i 

  154 ‐ DB‐1701 × DB‐1  62  66  60  1.9  2.5  2 

  78 ‐ DB‐200 × DB‐1  64  68  59  1.9  2.6  2 

  31 ‐ DB‐1 × BPX90 2  25  68  54  1.5  0.9  ‐16 

  175 ‐ DB‐225 × DB‐17ms  55  54  51  1.6  1.5  4 

  89 ‐ DB‐200 × DB‐WAXetr 2  31  53  51  1.3  0.8  ‐6 

  249 ‐ DB‐FFAP × DB‐1  47  50  42  1.4  1.0  9 

  23 ‐ DB‐1 × DB‐17ms  57  59  40  1.6  1.4  ‐2 

  251 ‐ DB‐FFAP × DB‐17ms  44  47  40  1.3  0.8  7 

  21 ‐ DB‐1 × DB‐11  51  54  38  1.4  1.0  ‐0.1 

RANKING  BASED  ON 

EXPERIMENTAL DATA 

%BIN5×5  %Ao  %FIT  SUM  PRODUCT   

  154 ‐ DB‐1701 × DB‐1  74  86  78  2.4  5.0   

  175 ‐ DB‐225 × DB‐17ms  63  86  77  2.3  4.2   

  78 ‐ DB‐200 × DB‐1  79  87  76  2.4  5.2   

  251 ‐ DB‐FFAP × DB‐17ms  71  65  64  2.0  3.0   

  249 ‐ DB‐FFAP × DB‐1  65  59  62  1.9  2.4   

  23 ‐ DB‐1 × DB‐17ms  64  63  45  1.7  1.8   

  21 ‐ DB‐1 × DB‐1  37  37  14  0.9  0.2   

1) Very low secondary peak capacities (n9) leading to unreliable orthogonality values 

2) RTX‐200 × MG‐WAX‐HT and VF1 × BPX90 are not shown in the Experimental listing, due to significant wrap‐around of polar 

solutes 

The parameters %BIN5×5 and %Ao, predicted two and %FIT predicted all three of the 

experimental top‐3 column‐sets. %BIN5×5 also predicted low orthogonality for “RTX‐

200 × DB‐WAXetr” and “DB‐1 × BPX90”. Ao% shows a relatively high value for the DB1 

×  BPX90  column‐set  (most  peaks  at  the  bottom  of  the  diagram),  which  can  be 

explained by the fact that %Ao is insensitive for uneven clustering in x or y.   

 

The sum and the product of the three parameters predict the entire experimental top‐

3.  The  observation  that  combining  orthogonality  parameters  may  lead  to  better 

assessment of orthogonality was also made by Schure et al. [28].  

 

 In case of  the VF1  DB1 column‐set  the available separation space  is  inefficiently 

used due to lack of retention on DB1. The ‘Seeley’ Index (1i – 2i), calculated by using 

Page 85: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

83 

the predicted  indices  for  the primary  and  secondary dimension, may be used as  a 

rough  indication  of  the  degree  of  the  (required)  secondary  retention.  A  positive 

‘Seeley’ Index indicates a “reversed phase” column‐set and very low absolute values 

are observed for column‐sets having equal or similar stationary phases for example 

DB‐1 × DB‐1 has an Index of ‐0.1 and the reversed phase column‐set DB1 × BPX90 

has a value of ‐16 which indicates significant retention of polar solutes (on the polar 

secondary column), leading to wrap‐ around.  

The use of  retention‐matched  systems  and  conditions may  lead  to  a more  correct 

comparison,  possibly  resulting  in  a  better  correlation  between  predicted  and 

experimental results. 

3.3.4.2 104B104BPrimary and secondary retention data 

The degree of  correlation between  the predicted  (x,  y  values),  calculated with and 

without the temperature correction, and experimental (1tR, 2tR) primary and secondary 

retention data is summarized in table 8. The r‐squared and standard‐error values are 

used to characterize the extent of correlation. 

 

Table 8 Correlation between predicted (x, y) and experimental (1tR, 2tR) primary and 

secondary  retention  data.  Correlation  were  based  on  predicted  values  with  and 

without temperature correction.   

  Temperature  correction  for  re‐calculation  of  column 

descriptors 

No  temperature 

correction 

column‐set  1tR  

2tR  

1tR  2tR  

r2  Standard 

error (PW) 

r2  Standard 

error (PW) 

r2  r2 

DB‐FFAP × DB‐17  0.93  13  0.67  9  0.90  0.69 

DB‐1 × DB‐17  0.97  12  0.77  5  0.92  0.63 

DB‐1 × BPX90  0.96  15  0.61  5  0.92  0.72 

DB‐FFAP × DB‐1  0.93  13  0.75  8  0.92  0.75 

DB‐200 × DB‐WAX  0.88  18  <0.5  9  0.85  <0.5 

DB‐1 × DB‐1  0.89  17  0.6  9  0.89  # 

DB‐200 × DB‐1  0.91  14  0.61  7  0.89  0.56 

DB‐1701 × DB‐1  0.94  14  0.57  9  0.91  0.6 

DB‐225 × DB‐17  0.92  14  <0.5  12  0.91  <0.5 

# cannot be calculated since the primary and secondary indices are identical (y1 = 1,6^(Index2 – index1)) 

Page 86: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

84 

Based on these data it can be concluded that the correlation between the predicted 

and experimental primary dimension data is reasonable, with an average correlation 

coefficient  of  0.9  and  standard  error  of  14  (CV  ca.  7%).  However,  the  correlation 

between the predicted and experimental secondary retention data is much poorer, 

with an average r‐squared value of 0.6 and a standard error of 8 (CV ca. 16%).  

 

When  applying  temperature  correction  to  the  primary‐column  descriptors  the 

average r2 value for the primary columns of the nine different column‐sets increased 

from 0.90 to 0.93 and the standard error decreased from 17 to 14 peak widths (PW).  

 

As an example, the predicted retention diagram of 31 bio‐oil solutes using a DB‐FFAP 

× DB‐1 column‐set  is plotted against  the experimentally obtained GC×GC retention 

diagram  using  a  ZB‐FFAP  ×  DB‐1  column‐set  in  figure  8.  Despite  the  fact  that  the 

prediction accuracy (mainly for the secondary dimension separation) is very limited, 

global elution information and/or trends can be observed. In figure 8b and, especially, 

figure 8a the solutes eluting early from the first‐dimension column (left‐hand side of 

the diagrams) show good secondary retention and peak spreading. The intermediate 

solutes (mainly phenols) show less retention and poorer peak spreading in the second 

dimension. The right upper corner of the separation space is completely empty. 

   

Page 87: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

85 

 

 

Figure 8 A. Predicted retention diagram of 31 bio‐oil solutes using a DB‐FFAP × DB‐1 

column‐set  and  B.  measured  GC×GC  retention  diagram  for  the  analysis  of  these 

analytes using a ZB‐FFAP × DB‐1 column‐set   

 

Higher correlations between predicted and observed retention data were observed by 

Seeley  et  al.  [19],  perhaps  mainly  because  for  each  column  combination  the 

temperature program was optimized, while for our separations of the bio‐oil sample 

a  standard  temperature  program  was  utilized.  Seeley  et  al.  established  unique 

temperature  programs,  containing  three  different  ramps,  for  each  tested  column 

combination.  The  temperature  program  was  adjusted  in  such  a  way  that  each 

homologous series appeared as an approximate horizontal band, with the objective of 

maximizing the visibility of the correlation between predicted indices and observed 

y norm

alized

y norm

alized

8A. 

8B. 

Page 88: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

86 

retention data. Perhaps more  importantly,  Seeley et  al.  use practically determined 

solute descriptors, while in our example the solute descriptors were estimated using 

the Absolv/ACD  labs  software  (see Experimental).  Comparison of  the experimental 

and  calculated  descriptor  values  for  a  few  compounds  [9,  10]  indicates  that  the 

descriptor ‘A’ may be 30% higher and ‘S’ 10% lower than the calculated values.  

3.3.5 70B70BInfluence of choice of 1n and 2n on column‐set ranking 

The column‐sets were ranked on the basis of orthogonality, which does not take into 

account that the peak capacities of the second‐dimension separation are usually much 

smaller than those of the first dimension separation. Because there appears to be no 

correlation  between  the  judgement  of  quality  of  the  2D‐chromatograms  (Experts’ 

view) and the retention‐time ratios (see table 5B in supplementary data) there is as 

yet no indication that the 1n/2n ratio plays an important role in column‐set ranking. 

However, this inequality may have a major effect on the actual separation power of a 

column‐set,  i.e.  the  potential  of  separating  “all”  compounds  in  a  mixture.  For 

estimating separability of a specific sample (e.g. by the NND method [26]) all relevant 

components  of  the  sample  have  to  be  taken  into  account.  For  a  complex mixture 

containing many compounds that are not known on beforehand this is not feasible. 

Thus, we limited ourselves to an overall assessment of the suitability of the collection 

of  potential  column‐sets.  The  initially  obtained  separation  can  be  optimized  (see 

chapter 2) and the actual separability of the sample on the optimized system may be 

compared (in hindsight) with that of other optimized systems. 

3.4 29B29BConclusions 

The extended Abraham model can be used to roughly predict the most appropriate 

column‐sets for GC×GC. The predicted ranking of the best and worst column‐sets is in 

reasonable agreement with experimental observations. However, retention‐matched 

columns  and  conditions  in  GC×GC  are  essential  for  an  optimized  system.  The 

prediction model  can be  slightly  improved by  incorporating  temperature‐corrected 

column  descriptors.  The  new  orthogonality  parameters  %FIT  and  %BIN5×5  are  in 

Page 89: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

87 

agreement with  the  orthogonality  scores  for  2D‐chromatograms  provided  by  nine 

experts [28]. Therefore, these parameters can be used for ranking column‐sets.  

3.5 30B30BAcknowledgments 

The authors would like to thank the Bioboost consortium [21] for kindly providing the 

bio‐oil sample. 

3.6 31B31BReferences 

[1] M. Moraes, M. Migliorini, F. Damasceno, F. Georges, S. Almeida, C. Zini, R. Jacques, 

E. Caramão, J Anal Appl Pyrol, 98 (2012), 51‐64. 

[2]  B.  Onorevoli,  M.  Machado,  C.  Dariva,  E.  Franceschi,  L.  Krause,  R.  Jacques,  E. 

Caramão, Ind Crop Prod, 52 (2014), 8‐16. 

[3] N.Tessarolo, L. dos Santos, R. Silva, D. Azevedo, J Chromatogr A, 1279 (2013), 68‐

75. 

[4] M. Djokic,  T. Dijkmans, G.  Yildiz, W. Prins, K. Van Geem,  J Chromatogr A,  1257 

(2012), 131‐140. 

[5] R. Silva, A. Casilli, A. Sampaio, B. Ávila, M. Veloso, D. Azevedo, G. Romeiro, J Anal 

Appl Pyrol, 106 (2014), 152‐159.  

[6] T. Sfetsas, C. Michailof, A. Lappas, Q. Li, B. Kneale, J Chromatogr A, 1218 (2011), 

21, 3317‐3325. 

[7] J. Marsman, J. Wildschut, F. Mahfud, H. Heeres, J Chromatogr A, 1150 (2007), 1‐2, 

21‐27. 

[8] A. Mostafa, M. Edwards, T. Górecki, J Chromatogr A, 1255 (2012), 38‐55. 

[9] S. N. Atapattu, C.F. Poole, J Chromatogr A, 1195 1‐2, (2008) 136‐145 

[10] C. Poole, S. Poole, J Chromatogr A, 1184 (2008), 254‐280. 

[11] X. Lu, H. Kong, H. Li, C. Ma, J. Tian, G. Xu, J Chromatogr A, 1086 (2005), 175‐184. 

[12] J. Beens, R. Tijssen, J. Blomberg, J Chromatogr A, 822 (1998), 233‐251. 

[13] R. Western, P. Marriott, J Chromatogr A, 1019 (2003), 3‐14 

[14] R.J. Western, P.J. Marriott, J. Sep. Sci. 25 (2002), 832. 

[15] M.H. Abraham, Chem Soc Rev, 22 (1993), 73. 

[16] M. Abraham, C. Poole, S. Poole, J Chromatogr A, 842 (1999), 79‐114. 

Page 90: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

88 

[17] M. Abraham, A. Ibrahim, A. Zissimos, J Chromatogr A, 1037 (2004), 29‐47. 

[18] J. Seeley, S. Seeley, J Chromatogr A, 1172 (2007), 72‐83. 

[19] J. Seeley, E. Libby, K. Hill Edwards, S. Seeley, J Chromatogr A, 1216 (2009), 1650‐

1657. 

[20] J. Seeley, C. Bates, J. McCurry, S. Seeley, J Chromatogr A, 1226 (2012), 103‐109. 

[21] Bioboost http://bioboost.eu/ 

[22] G. Semard, V. Peulon‐Agasse, A. Bruchet, J‐P. Bouillon, P. Cardinaël, J Chromatogr 

A, 1217 (2010), 33, 5449‐5454. 

[23] S. Rutan, J. Davis, P. Carr, J Chromatogr A, 1255 (2012), 267‐276. 

[24] Z. Zeng, J. Li, H. Hugel, G. Xu, P. Marriott, TrAC‐Trend Anal Chem, 53 (2014), 150‐

166. 

[25] Z‐D. Zeng, H. Hugel, P. Marriott, Anal Chem, 85 (2013), 6356‐6363. 

[26] W. Nowik, M. Bonose, S. Héron, M. Nowik, A. Tchapla, Anal Chem, 85  (2013), 

9459‐9468. 

[27] M. Camenzuli, P.J. Schoenmakers, Anal Chim Acta, 838 (2014), 93–101 

[28] M. R. Schure, J. M. Davis, J Chromatogr A, 1414 (2015), 60‐76. 

[29] J.C. Sternberg, in J.C. Giddings, R.A. Keller (eds), Adv. in Chromatography Vol. 2, 

Marcel Dekker (NY), (1966) 205‐270. 

Page 91: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

89 

3.7 32B32BSupplementary Data  

Supplementary data 1 

Solute descriptors (A, B, L, S, E) computed using ACD/Absolv   

 

Solute name 

 

A  B  L  S  E 

ethylbenzene  0  0.119  3.9243  0.6388  0.5790 

propylbenzene  0  0.1221  4.4187  0.6431  0.5772 

1,2,3‐trimethylbenzene  0  0.1173  4.3731  0.5193  0.6295 

o‐xylene  0  0.1166  3.9015  0.5768  0.6051 

styrene  0  0.1699  3.8645  0.696  0.7029 

methyl‐styrene  0  0.1706  4.3362  0.6385  0.7273 

indane  0  0.0961  4.6844  0.6682  0.8145 

5‐methyl‐indane  0  0.0968  5.1560  0.6106  0.8389 

cyclopentanon  0  0.3193  3.2290  0.7658  0.4244 

indene  0  0.1594  4.6766  0.7669  0.9704 

me‐indene  0  0.1785  5.0355  0.7144  0.9474 

tri‐me‐indene  0  0.2283  5.7743  0.6505  0.9324 

2‐cyclopenten‐1‐one  0  0.3826  3.2212  0.8645  0.5802 

benzofuran  0  0.2086  4.4110  0.8935  1.0572 

benzaldehyde  0  0.4037  4.2709  1.1832  0.8142 

naphthalene  0  0.1734  5.3319  1.0158  1.2748 

me‐naphthalene  0  0.1741  5.8036  0.9583  1.2992 

2,6‐di‐me‐naphthalene  0  0.1748  6.2752  0.9007  1.3236 

furfural  0  0.4389  3.3500  1.0608  0.5965 

2‐methoxy‐phenol  0.2746  0.4713  4.5475  0.9647  0.7659 

2‐methoxy‐4‐me‐phenol  0.2746  0.4719  5.0192  0.9072  0.7902 

2‐methoxy‐4‐et‐phenol  0.2746  0.4750  5.5136  0.9116  0.7885 

2,3‐dihydro‐1H‐inden‐1‐one  0  0.3999  5.3899  1.1601  1.0267 

phenol  0.4990  0.3889  3.7766  0.9026  0.7840 

4‐me‐phenol  0.4990  0.3896  4.2483  0.8450  0.8083 

2,6‐di‐me‐phenol  0.3117  0.3902  4.7200  0.7874  0.8327 

2‐me‐phenol  0.4990  0.3896  4.2483  0.8450  0.8083 

3‐et‐phenol  0.4990  0.3927  4.7428  0.8494  0.8065 

2,6‐di‐methoxy‐phenol  0.1624  0.5629  5.2647  1.0306  0.7684 

1,2,4‐trimethoxybenzene  0  0.7512  6.0014  1.5856  0.7425 

2‐naphthalenol  0.4990  0.4470  6.1504  1.2265  1.5024 

 

Page 92: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

90 

Supplementary data 2 

Column descriptors  (e,  s,  a,  l)  for  19  selected GC  stationary  phases  obtained  from 

literature [10, 11], transformed to ln‐functions (column descriptor = d0 * ln(T) + d1). 

 

Descriptor: 

 

 

 

 

 

 

Column 

 

 

e0 

 

e1 

 

s0 

 

s1 

 

a0 

 

a1 

 

l1 

 

l2 

DB‐5  0.1089  ‐0.4872  ‐0.1242  0.8572  ‐0.1443  0.8661  ‐0.2485  1.6509 

DB‐1  0.1013  ‐0.4835  ‐0.0688  0.5460  ‐0.2747  1.4846  ‐0.2794  1.8430 

DB‐35  0.1379  ‐0.5889  ‐0.2788  1.9761  ‐0.2276  1.3699  ‐0.2387  1.6721 

DB‐17ms  0.1995  ‐0.8290  ‐0.3906  2.6464  ‐0.2305  1.4307  ‐0.2275  1.6455 

DB‐200  0.2662  ‐1.6092  ‐0.4060  2.9872  ‐0.2485  1.3417  ‐0.2357  1.5952 

DB‐210  0.3340  ‐1.9927  ‐0.3157  2.8251  ‐0.1982  1.1154  ‐0.1619  1.2071 

DB‐1301  0.1905  ‐0.9633  ‐0.2334  1.5865  ‐0.3206  1.9861  ‐0.2522  1.7469 

DB‐624  0.1964  ‐0.9928  ‐0.2455  1.6571  ‐0.3651  2.1604  ‐0.2609  1.7720 

DB‐1701  0.1918  ‐1.0142  ‐0.3200  2.2436  ‐0.4704  2.8730  ‐0.2842  1.8794 

DB‐225  0.2303  ‐1.1177  ‐0.6870  4.4854  ‐0.6859  4.4242  ‐0.2794  1.7839 

DB‐23  0.1545  ‐0.7698  ‐0.3662  3.2751  ‐0.7312  4.9671  ‐0.2216  1.5143 

BPX90  0.1091  ‐0.4726  ‐0.1383  2.6999  ‐0.7581  5.4512  ‐0.1774  1.2470 

DB‐WAXetr  0.0421  0.0276  ‐0.4640  3.6123  ‐1.1273  7.4005  ‐0.2145  1.5069 

DB‐FFAP  0.0078  0.1894  ‐0.5651  4.1070  ‐1.2503  7.9858  ‐0.2455  1.6312 

DB‐XLB  0.1853  ‐0.8769  ‐0.2198  1.4507  ‐0.2388  1.3701  ‐0.2689  1.8482 

Rtx‐50  0.1613  ‐0.6873  ‐0.3437  2.4332  ‐0.2358  1.4577  ‐0.2315  1.6303 

Rtx‐440  0.1618  ‐0.7548  ‐0.1872  1.3259  ‐0.2913  1.6727  ‐0.2519  1.7675 

HP‐88  0.1189  ‐0.5437  ‐0.3803  3.6252  ‐0.7351  5.2442  ‐0.1994  1.3761 

Cyclosil B  0.3303  ‐1.6326  ‐0.4051  2.5639  ‐1.1752  6.6820  ‐0.2708  1.8407 

 

Page 93: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

91 

Supplementary data 3 

Datasets for testing orthogonality parameters. 

All data sets, from 1 to 14, are shown as xy plots (x‐axis = ‘x‐normalized’ and y‐axis = 

’y‐normalized’). The x‐axes are normalized to 1n=200 and the y‐axes are normalized to 

2n=50. The 2D‐space is divided in 20×5 rectangles or bins, bordered by yellow lines. 

The red line in each plot indicates a quadratic curve fitted through the xy data points.  

 

The following sets are shown: 1‐orthogonal, 2‐density gradient, 3‐slope, 4‐correlation, 

5‐outliers, 6‐local peak density, 7‐clustering x (5:5), 8‐clustering x (9:1), 9‐U‐shape, 10‐

L‐shape,  11‐X‐shape,  12‐clustering  y  (5:5),  13‐clustering  y  (7:3)  and  14‐clustering  y 

(9:1) 

   

   

    

1  2 

3  4 

5  6 

Page 94: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

92 

   

   

   

   

 

  

7  8 

9  10 

11  12 

13  14 

Page 95: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

93 

Supplementary data 4 

Calculated orthogonality parameters for all 14 types of data set using 1000, 100 and 

50 peaks. Results are given as average (AVG) and variation of coefficient (CV%) of 10 

generated data  sets.  The  colors  indicate  the highest  values  in  blue  and  the  lowest 

values in red.  

Set nr.  Data set type  %BIN 20×5  %BIN 8x2  %BIN 5×5  %Ao  %FIT 

1000 peaks  AVG  CV%  AVG  CV%  AVG  CV%  AVG  CV%  AVG  CV% 

SET ‐ 1  ORTHO  87  1,3  95  1,3  93  1,8  96  1,1  97  1,3 

SET ‐ 2  DENSITY GRADIENT  76  0,5  79  0,6  78  0,6  91  0,6  89  1,1 

SET ‐ 3  SLOPE  54  1,1  64  1,9  56  1,7  61  2,5  51  4,4 

SET ‐ 4  CORRELATION  32  1,9  52  1,6  37  2,6  30  1,6  11  1,4 

SET ‐ 5  OUTLIERS  22  5,0  48  0,0  19  5,8  46  0,7  56  1,7 

SET ‐ 6  LOCAL DENSITY  68  2,5  96  0,7  80  1,7  89  0,9  89  0,8 

SET ‐ 7  CLUSTERING x (5:5)  40  0,5  47  0,0  38  0,5  57  1,4  71  1,7 

SET ‐ 8  CLUSTERING x (9:1)  30  1,0  31  0,0  27  0,9  88  0,7  58  3,3 

SET ‐ 9  U‐SHAPE  51  0,7  72  1,3  50  0,4  73  3,2  83  1,3 

SET ‐ 10  L‐SHAPE  36  0,7  59  1,1  34  0,8  66  1,4  61  2,3 

SET ‐ 11  X‐SHAPE  36  1,0  61  2,1  34  1,1  54  3,4  79  0,6 

SET ‐ 12  CLUSTERING y (5:5)  40  0,4  95  1,2  38  0,5  57  1,3  68  1,9 

SET ‐ 13  CLUSTERING y (7:3)  40  0,8  79  0,0  38  0,6  67  1,8  67  3,2 

SET ‐ 14  CLUSTERING y (9:1)  30  0,8  58  0,0  28  1,1  88  0,7  56  4,2 

100 peaks                    

SET ‐ 1  ORTHO  62  5,6  85  3,5  79  3,6  89  3,7  91  4,5 

SET ‐ 2  DENSITY GRADIENT  59  5,7  77  3,9  73  3,5  90  1,3  84  4,7 

SET ‐ 3  SLOPE  45  10,4  66  5,4  53  6,9  60  5,3  52  11,1 

SET ‐ 4  CORRELATION  30  5,4  54  5,8  36  6,7  29  4,0  11  4,6 

SET ‐ 5  OUTLIERS  24  3,0  58  1,9  21  3,4  74  4,8  62  4,8 

SET ‐ 6  LOCAL DENSITY  54  7,1  91  3,5  71  5,4  86  2,8  88  2,5 

SET ‐ 7  CLUSTERING x (5:5)  36  3,9  47  3,1  38  1,2  53  4,7  74  5,0 

SET ‐ 8  CLUSTERING x (9:1)  27  7,9  32  0,8  28  9,3  87  2,1  60  6,7 

SET ‐ 9  U‐SHAPE  44  5,3  71  3,0  50  3,3  68  5,0  84  5,5 

SET ‐ 10  L‐SHAPE  34  5,8  56  5,0  34  3,8  65  5,2  62  5,9 

SET ‐ 11  X‐SHAPE  37  7,7  63  3,8  39  8,5  59  6,5  77  1,5 

SET ‐ 12  CLUSTERING y (5:5)  36  5,7  86  4,7  37  4,5  54  5,1  64  14,0 

SET ‐ 13  CLUSTERING y (7:3)  34  8,1  78  2,4  37  3,6  64  3,8  64  7,8 

SET ‐ 14  CLUSTERING y (9:1)  28  6,8  58  2,0  29  9,1  88  3,1  51  14,8 

   

Page 96: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

94 

50 peaks                      

SET ‐ 1  ORTHO  79  7  82  6  74  5  84  7  88  5 

SET ‐ 2  DENSITY GRADIENT  74  8  71  6  65  5  87  9  76  9 

SET ‐ 3  SLOPE  63  6  66  5  50  7  63  9  58  14 

SET ‐ 4  CORRELATION  48  11  52  6  34  12  27  6  11  10 

SET ‐ 5  OUTLIERS  40  12  57  6  21  5  52  4  68  8 

SET ‐ 6  LOCAL DENSITY  73  7  88  5  64  8  81  4  88  5 

SET ‐ 7  CLUSTERING x (5:5)  57  9  47  5  38  0  49  4  71  7 

SET ‐ 8  CLUSTERING x (9:1)  44  7  31  4  28  9  85  3  57  10 

SET ‐ 9  U‐SHAPE  62  6  66  7  47  5  63  6  80  8 

SET ‐ 10  L‐SHAPE  55  5  55  6  35  7  59  10  58  11 

SET ‐ 11  X‐SHAPE  59  11  60  6  42  11  63  9  76  4 

SET ‐ 12  CLUSTERING y (5:5)  57  9  82  3  37  3  49  9  67  8 

SET ‐ 13  CLUSTERING y (7:3)  54  4  73  5  36  5  60  8  58  18 

SET ‐ 14  CLUSTERING y (9:1)  48  8  57  5  30  12  85  3  53  14 

 

   

Page 97: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

95 

Supplementary data 5A 

Reconstructed chromatograms ‘D12’, ’D14’ and ‘D26R’ from “data set 1” published by 

Schure et al. [29]. The red line indicates the fitted quadratic curve, and the bins (55) 

are shown as blue rectangles. 

 

Chromatogram D12 

 

Chromatogram D14 

 

y norm

alized

y norm

alized

Page 98: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

96 

Chromatogram D26R 

 

 

Supplementary data 5B 

Calculated orthogonality parameters and corresponding average orthogonality scores 

of nine experts in the field of 2D chromatography, for “data set 2” published by Schure 

et al [28]. The colors indicate the top 5 chromatograms in yellow, the bottom 5 in grey, 

orange indicates chromatograms containing less than 100 and red less than 50 peaks. 

The  1tr/2tr  range  is  calculated  from  (1trmax(s)  –  1trmin(s))  /  (2trmax(s)  –  2trmin(s)).  The 

reconstructed chromatograms YExp10, YExp13, Yexp2 and YExp15 are also shown. 

 

y norm

alized

y norm

alized

Page 99: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

97 

 

 

 

 

 

 

   

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1x normalized

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1x normalized

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1x normalized

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

y norm

alized

Page 100: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

98 

Number of pea

ks 

Expert's Score 

chromatogram

 code 

%BIN 5×5

 

%Ao 

%FIT 

%BIN × %FIT 

Ran

ge 1tr(s) / 2tr(s) 

119  90  YExp10  75  75  77  5,7  221 

192  87  YExp15  59  57  61  3,6  193 

67  86  YExp6  67  72  76  5,1  104 

152  86  HExp4  77  75  71  5,5  83 

147  86  HExp1  74  68  65  4,8  80 

138  85  YExp11  70  63  65  4,5  88 

157  85  HExp2  69  71  67  4,7  84 

166  85  YExp14  63  59  62  3,9  447 

153  85  HExp5  69  67  66  4,5  81 

154  84  HExp3  71  67  65  4,6  87 

109  84  YExp12  69  62  62  4,3  43 

144  83  YExp16  68  57  61  4,1  101 

136  83  HExp6  73  70  67  4,9  83 

73  80  YExp7  67  61  62  4,1  40 

55  79  YExp8  63  65  66  4,2  22 

32  78  YExp2  57  77  85  4,9  38 

32  77  YExp3  57  64  76  4,4  19 

30  75  YExp4  57  62  83  4,7  8 

25  75  YExp5  56  65  74  4,1  289 

125  74  XExp1  59  45  40  2,4  87 

37  73  YExp9  59  65  59  3,4  653 

13  73  YExp1  52  48  73  3,8  191 

60  73  YExp13  65  77  58  3,8  1485 

109  72  XExp2  57  46  38  2,2  80 

54  69  XExp4  63  40  39  2,5  79 

43  66  XExp3  60  44  37  2,2  98 

   

Page 101: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

99 

4 3B3BRetention Time Locking Procedure for Comprehensive Two‐

Dimensional Gas Chromatography 

In  gas  chromatography  (GC)  reproducible  retention  times  are  in many  cases  highly 

favorable  or  in  some  cases  even  required.  In  1D‐GC,  retention  time  shifts  can  be 

eliminated or minimized by using a procedure called retention time locking (RTL). This 

procedure is based on adjusting the (constant) column head pressure. Unfortunately, 

this RTL procedure cannot be used in GC×GC given the fact that peaks will shift in both 

dimensions.  Adjusting  the  column  head  pressure  in  GC×GC  will  only  minimize  or 

eliminate the primary retention time shifts.  

 

In this chapter, a fast and easy to perform, two‐step retention time locking procedure 

for  GC×GC  (2D‐RTL)  is  proposed  and  its  feasibility  is  demonstrated.  This  2D‐RTL 

procedure involves adjustment of the column head pressure or constant column flow, 

followed by the adjustment of the effective secondary column length (2Leff). The 2Leff is 

increased  or  decreased,  simply  by moving  it  stepwise  through  the modulator.  It  is 

demonstrated that retention time shifts in both the primary and secondary dimension, 

which may occur after for example replacing the column‐set, can be minimized to less 

than half peak base width. The proposed 2D‐RTL procedure  is used successfully  for 

already 5 years in our laboratory at DSM. 

4.1  Introduction 

One  of  the  main  advantages  of  GC×GC  is  its  high  separation  power  making  this 

technique  ideal  for  unraveling  complex  mixtures.  Another  main  advantage  is  that 

GC×GC provides structured chromatograms in which compounds with similar chemical 

properties  appear  as  distinct  groups  in  the  two‐dimensional  chromatogram. 

Nowadays, GC×GC is used to solve all kinds of real‐life analytical problems in a wide 

variety  of  fields  such  as  food  [1,  2],  biological  [3,  4],  environmental  [5,  6]  and 

petrochemical [7, 8] areas. 

 

As in 1D‐GC, retention time shifts in GC×GC are in many cases undesired. Reproducible 

retention  times  are  highly  favorable  or  even  required  for  visually  comparing  2D‐

Page 102: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

100 

chromatograms, when using 2D  templates  for  group‐type analysis, when using 2D‐

chromatograms as chemical fingerprints, or when applying all kinds of chemometric 

operations. 

 

The problem of  retention  time shifts  in 1D‐GC can be solved by a procedure called 

retention time locking (RTL), introduced by Blumberg and Klee [9]. RTL allows one to 

maintain  equal  retention  times  for  the  same  or  different  columns  as  long  as  both 

columns have the same type of stationary phase and equal nominal phase ratio. By 

using RTL, chromatograms can be reproduced accurately from one column to another 

or  from  one  GC  to  another.  RTL  is  achieved  simply  by  adjusting  the  column  head 

pressure. Since the introduction of RTL many applications can be found in the literature 

[10‐13]. 

 

However,  in  GC×GC  retention  times may  or  will  shift  in  both  the  primary  and  the 

secondary dimensions. Locking both dimension retention times in GC×GC cannot be 

achieved by only adjusting the column head pressure. Given the fact that no retention 

time  locking  tools  exists  for  GC×GC,  only  post‐analysis  alignment  techniques  for 

eliminating retention time shifts in both dimensions have been reported in literature 

[14‐17]. 

 

In this paper, a GC×GC retention time locking procedure is proposed and its feasibility 

is demonstrated. The proposed 2D‐RTL procedure involves two main steps. The first 

step is locking the primary retention times by adjusting the column head pressure or 

the constant column flow. The second step is locking the secondary retention times by 

adjusting the effective secondary column length (2Leff). The 2Leff, which can be defined 

as  the  length  measured  from  the  modulator  to  the  detector,  can  be  adjusted  by 

stepwise moving  the  second  column  through  the modulator.  The main  idea of  this 

procedure is that the part of the secondary column which is positioned in front of the 

modulator does not contribute to the secondary dimension separation and does not 

have a significant influence on the primary dimension separation.  

Page 103: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

101 

4.2 34B34BExperimental 

4.2.1 71B71BChemicals 

Grob test mixtures were purchased from Restek® (Restek Corporation, Bellefonte, PA). 

The naphtha sample was purchased from Sigma‐Aldrich®. 

4.2.2  Instrumental 

All GC×GC‐FID analyses were carried out on a Leco (St. Joseph, MI, USA) GC×GC system 

equipped with an Agilent 7683 autosampler, a hot split/splitless injector and a flame 

ionization  detector  (FID).  Three  VF‐1MS  columns  (50m  ×  0.25mm;  0.4µm  film 

thickness) and three VF‐17MS columns (10m × 0.10mm; 0.2µm film thickness) were 

purchased from Varian B.V. (Middelburg, The Netherlands).      

4.2.3 73B73BSoftware 

GC×GC instrument control and data processing was performed by Leco ChromaTOF® 

software (St. Joseph, MI, USA) version 3.25. For all calculations Microsoft® Office Excel 

2003 (Redmond, WA, USA), was used. 

4.2.4 74B74BChromatographic conditions 

In all experiments using a Grob test mixture a non‐polar VF1‐MS column was used for 

the first dimension separation and a medium‐polar VF17‐MS column (variable length) 

was used for the second dimension separation. The primary and secondary columns 

are  attached  by means  of  a  pressfit  (Varian,  Palo  Alto,  CA, USA)  or Meltfit®  (Nlisis 

Chromatography BV, Veldhoven, Netherlands) connector. The GC×GC instrument was 

operated under temperature‐programmed conditions from 40C, held for 0.2 minutes, 

to 280C for the primary GC oven and from 45C, held for 0.2 minutes, to 285C for 

the secondary GC oven; both at a temperature rate of 5Cmin‐1. The secondary oven 

was only used to connect the secondary column from the modulator directly to the 

primary  GC  oven;  so,  both  columns  are  situated  in  the  primary  GC  oven.  The 

modulation time was 3 seconds. The temperature of the modulator hot jets was 15C 

higher  than  the actual primary oven  temperature, and  the pulse  time was set  to 1 

Page 104: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

102 

second. Helium was used as the carrier gas. All separations were carried out using a 

constant head pressure or constant column flow. The injection volume was 1µL. The 

injector temperature was 280C. A split injection with a split ratio of 100:1 was applied 

for  all  analyses.  The  FID  was  operated  at  a  temperature  of  300C,  using  a  data‐

acquisition rate of 200 Hz.  

 

A naphtha sample was used in order to demonstrate the 2D‐RTL procedure with a real‐

life sample. For these experiments two different column‐sets were used. A non‐polar 

50m × 0.25mm × 0.4µm VF1‐MS column was used for the first‐dimension separation 

and  a medium‐polar  1.5m  ×  0.10mm  ×  0.2µm  VF17‐MS  for  the  second‐dimension 

separation.  The  GC×GC  instrument  was  operated  under  temperature‐programmed 

conditions from 50C, held for 0.5 minutes, to 320C for the primary GC oven and from 

55C, held for 0.5 minutes, to 325C for the secondary GC oven; both at a temperature 

rate of 3Cmin‐1. The secondary oven was only used to connect the secondary column 

from the modulator directly to the primary GC oven; so, both columns are situated in 

the primary GC oven. The modulation time was 4 seconds.  

4.2.5 75B75BOriginal column‐set, method, and retention times 

Column‐set  A  is  defined  as  the  original  column‐set.  The  analysis  method  using  a 

constant column head pressure of 41.75 PSI and a secondary column length of 1.50 

meters is defined as the original method. The retention times obtained by using the 

original  column‐set  (set  A)  and  the  original  method  are  defined  as  the  original 

retention times.  

 

For  the experiment with  the naphtha sample, both constant pressure and constant 

flow modes were used. For these experiments, column‐set A is defined as the original 

column‐set. The constant pressure method uses a constant column head pressure of 

55 PSI and the constant flow method uses a constant column flow of 1 ml/min. Both 

methods are defined as the original methods. The retention times obtained by using 

the column‐set A, and the original methods are defined as the original retention times.  

Page 105: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

103 

4.2.6 76B76BRun‐to‐run repeatability  

In order  to determine  the  repeatability a Grob mixture was analyzed  four  times by 

using the original column‐set A, and the original analysis method.  

4.2.7 77B77BRetention time shifts due to differences in column‐sets 

A Grob mixture was analyzed to determine retention time shifts due to differences in 

column‐sets on  three different column‐sets  (A, B, and C) using  the original analysis 

method.  

4.2.8 78B78B2D‐RTL procedure  

In order to demonstrate the feasibility of the 2D‐RTL procedure a new column‐set, in 

which  the  secondary  column  length  was  approximately  15  cm  longer  than  in  the 

original secondary column length, was installed. The extra 15 cm was situated after 

the modulator so contributing to the second‐dimension separation. Before installing, 

the first 25 cm of the secondary column (modulator side) was graduated by marking 

the column every centimeter by using a heat resistant paint. The extra 15 cm can be 

required  in  case  the  new  second‐dimension  retention  times  are  significantly  lower 

compared to the original retention times. 

 

The first step of the 2D‐RTL procedure is locking the first dimension. For this a Grob 

mixture is analyzed at five different column head pressures or at five different constant 

column flows, in the range of the column head pressure or column flow as used in the 

original  method  +/‐  20%.  From  the  dependence  of  the  retention  time  of  a  target 

compound on column head pressure or column flow, the new column head pressure 

or column flow, at which the primary retention of the target compound matches its 

original  primary  retention  time,  is  calculated,  and  has  to  be  set  into  the  analysis 

method to lock the primary retention time.   

 

The second step of the 2D‐RTL procedure is locking the second‐dimension. For this a 

Grob mixture is analyzed, using the locked primary‐dimension method, at five different 

effective secondary column lengths: the effective secondary column length as installed 

Page 106: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

104 

+/‐ 15 cm. Shortening the effective secondary column length has to be done by sliding 

the secondary column through the modulator making use of  the painted markings. 

Next, the delta second‐dimension retention times (original retention time of the target 

compound minus the new obtained retention time) of the target compound is plotted 

against  the  sliding  distance  measured  in  centimeters.  From  this  plot,  the  sliding 

distance at which the secondary retention of the target compound matches its original 

secondary retention time, is calculated. Next a Grob mixture is analyzed again in order 

to check the 2D‐RTL result. 

 

This procedure is mainly suitable for modulator‐types in which it is possible to lengthen 

of  shorten  the  effective  secondary  column  length by  sliding  the  secondary  column 

through  the  modulator;  these  types  can  be  referred  to  as  so‐called  pass‐through 

modulators.  A  similar  approach  could  also  be  used  for  single‐stage  loop‐type 

modulators in which the position of the loop is displaced across the secondary column 

length.       

 

The  part  of  the  secondary  column  length  situated  before  and  after  the modulator 

should  preferably  reside  in  the  same  thermal  zone, more  specifically  the  length  of 

secondary  column  that  resides  in  each  thermal  zone  (column  part  situated  before 

modulator, in modulator, after modulator and in transfer line or in detector) must stay 

the same before and after sliding the column through the modulator. Therefore, the 

current setup precludes the use of a separate thermal zone (secondary oven) for the 

second dimension separation.  

4.3 35B35BResults and discussion 

4.3.1 79B79BRun‐to‐run repeatability 

The run‐to‐run repeatability was determined by analyzing a Grob mixture four times 

by using the original column‐set A, and the original analysis method. The results are 

given in table 1. The results for the primary and secondary retention time repeatability 

are given in table 1 and 2, respectively. 

 

Page 107: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

105 

Table 1 Grob mix run‐to‐run repeatability of the first dimension retention times 

Compound name 

Average 

Peak 

width 

Analysis 

#1 

Analysis 

#2 

Analysis 

#3 

Analysis 

#4 

   s  s  s  s  s 

butanediol  9  591  591  591  591 

n‐decane  9  1092  1095  1095  1095 

octanol  9  1212  1212  1212  1212 

nonanal  9  1275  1275  1275  1275 

dime‐phenol  9  1287  1287  1287  1287 

n‐undecane  9  1299  1299  1299  1299 

ethylhexanoic acid  12  1302  1302  1302  1302 

dime‐aniline  9  1410  1410  1410  1410 

Me‐decanoate  12  1689  1689  1689  1689 

Me‐undecanoate  9  1857  1857  1857  1857 

dicyclohexylamine  12  1899  1899  1899  1899 

Me‐dodecanoate  9  2016  2016  2016  2016 

 

   

Page 108: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

106 

Table 2 Grob mix run‐to‐run repeatability of the second dimension retention times 

component 

Average 

Peak 

Width 

(Wb)  #1  #2  #3  #4  average  CV% 

   ms  ms  ms  ms  ms  ms  % 

butanediol  143  1835  1815  1815  1820  1821  0.5 

n‐decane  89  1350  1350  1345  1350  1349  0.2 

octanol  88  1780  1775  1770  1775  1775  0.2 

nonanal  88  1845  1840  1840  1840  1841  0.1 

Dime‐phenol  109  2425  2410  2415  2420  2418  0.3 

n‐undecane  76  1415  1415  1415  1415  1415  0.0 

ethylhexanoic acid  108  1810  1805  1805  1805  1806  0.1 

Dime‐aniline  117  2705  2700  2700  2700  2701  0.1 

Me‐decanoate  82  1870  1870  1870  1875  1871  0.1 

Me‐undecanoate  81  1915  1915  1910  1915  1914  0.1 

dicyclohexylamine  92  2125  2120  2120  2125  2123  0.1 

Me‐dodecanoate  81  1965  1965  1955  1960  1961  0.2 

 

The retention time in the first dimension is determined by the modulated peak, which 

has the largest peak area of all modulated peaks belonging to a single compound. The 

first dimension retention time is not a continuum but is expressed as the product of 

the number of the second‐dimension chromatogram and the modulation time. The 

run‐to‐run primary retention time variation for the 12 compounds in the Grob mixture 

is  better  than  the  modulation  period  of  3  seconds  (n=4).  As  a  consequence,  no 

differences in the primary retention times, from run‐to‐run could be determined. The 

peak widths  at  peak  base  (Wb)  in  the  primary‐dimension  have  been  estimated  by 

multiplying the number of modulated peaks, belonging to the single compound, with 

the modulation period of 3 seconds. 

The run‐to‐run second‐dimension retention time variation of the 12 compounds in the 

Grob mixture is on average better than 10 ms for peaks having an average peak base 

width (Wb) of approximately 100 ms.  

Page 109: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

107 

4.3.2 80B80BRetention time shifts due to differences in column‐sets 

In order to get a rough idea about the influence of (small) manufacturing differences 

in GC columns, including small differences in the positioning of the column‐set, a Grob 

mixture was analyzed using three different column‐sets (column‐set A, B, and C). It has 

to be noted that all columns are new and were ordered at the same supplier at the 

same  time,  so  large  variations  in  the  column  parameters  and  stationary  phase 

properties by manufacturing variations or usage are not expected. For each analysis, 

the original analysis method was used. Installation of the column‐sets and analysis was 

performed by one person. The results are summarized in table 3. 

 

Table  3  Retention  time  shifts  determined  by  analysis  of  a  Grob  mixture  by  three 

different column‐sets (column‐set A, B and C) using the original analysis method. 

Compounds  Wb   Wb  

Original 

Column‐set A  Column‐set B  Column‐set C 

   1tr  2tr   1tr   2tr   1tr   2tr   1tr   2tr 

   s  ms  s  ms  s  ms  s  ms 

butanediol  9  143  591  1815  27  ‐55  0  110 

n‐decane  9  89  1095  1345  30  ‐20  3  80 

octanol  9  88  1212  1770  33  ‐45  6  100 

nonanal  9  88  1275  1840  36  ‐55  6  100 

dime‐phenol  9  109  1287  2415  36  ‐90  6  135 

n‐undecane  9  76  1299  1415  33  ‐25  6  75 

ethylhexanoic acid  12  108  1302  1805  36  ‐60  9  105 

dime‐aniline  9  117  1410  2700  36  ‐105  6  155 

me‐decanoate  12  82  1689  1870  39  ‐50  9  105 

me‐undecanoate  9  81  1857  1910  42  ‐45  12  105 

dicyclohexylamine  12  92  1899  2120  42  ‐55  12  115 

me‐dodecanoate  9  81  2016  1955  45  ‐50  12  110 

 

Analysis on column‐set B shows a shift of all peaks to higher primary retention times 

and to lower secondary retention times. Analysis on column‐set C shows a shift of all 

peaks  to  higher  primary  and  secondary  retention  times.  Additionally,  a  correlation 

Page 110: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

108 

between the retention time and the absolute retention time shift is clearly visible; the 

absolute peak shift increases at higher primary and secondary retention times.  

 

It’s obvious that shifts in the primary retention times can be caused by small changes 

in  the  primary  column  dimensions  (1L,  1dc,  1df),  however  these  shifts may  also  be 

caused by changes in the secondary column dimensions (2L, 2dc) given the fact these 

changes  also  influence  the  pressure  drop  across  both  the  secondary  and  primary 

column. The  same  is  true  for  shifts  in  the  secondary  retention  times,  these can be 

caused by small changes in the secondary column dimensions (2L, 2dc, 2df) or by small 

changes  in  the  primary  column  dimensions  (1L,  1dc).  In  case  of  temperature‐

programming, a compound eluting at a different primary retention time, caused by a 

change  in  the  primary  and/or  the  secondary  column  dimension,  will  enter  the 

secondary  column at  a  different oven  temperature, which will  lead  to  a  secondary 

retention time shift. In summary, peaks may shift in both directions and the direction 

and degree of shift cannot be predicted. 

4.3.3 81B81B2D retention time locking procedure  

Locking the first dimension 

After  installing  a  new  column‐set,  in  which  the  secondary  column  length  was 

approximately 15 cm longer, a Grob mixture was analyzed at five different column head 

pressures. In table 4 the original primary retention times (measured by using column‐

set A) and the retention time shifts measured at the different constant column head 

pressures are given for all Grob mix compounds. The results clearly indicate a primary 

retention time shift of 60 to 80 seconds, for all compounds when analyzing the Grob 

mixture using the original analysis method having a constant head pressure of 41.75 

PSI.   

 

   

Page 111: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

109 

Table  4  Differences  in  retention  times,  compared  to  the  original  retention  times, 

measured at different constant column head pressures 

 Column  Head  Pressure 

(psi)  41.75  33.40  37.58  41.75  45.93  50.10 

 

Original  

(column‐set A) 

1tr  1tr  1tr 

 

1tr  1tr  1tr 

  s  s  s  s  s  s 

1,4‐butanediol  591  ‐150  ‐99  ‐57  ‐21  9 

n‐decane  1095  ‐171  ‐114  ‐63  ‐24  15 

Octanol  1212  ‐174  ‐117  ‐66  ‐27  12 

Nonanal  1275  ‐177  ‐120  ‐69  ‐27  12 

dime‐phenol  1287  ‐183  ‐123  ‐69  ‐27  12 

n‐undecane  1299  ‐177  ‐117  ‐66  ‐24  12 

ethylhexanoic acid  1302  ‐174  ‐117  ‐66  ‐27  12 

dime‐aniline  1410  ‐189  ‐126  ‐72  ‐27  12 

me‐decanoate  1689  ‐183  ‐123  ‐72  ‐27  9 

me‐undecanoate  1857  ‐183  ‐126  ‐75  ‐30  9 

dicyclohexylamine  1899  ‐192  ‐129  ‐78  ‐30  12 

me‐dodecanoate  2016  ‐186  ‐126  ‐75  ‐30  9 

 

An overlay  of  the  2D‐chromatograms of  the Grob mixture  analyzed by  the original 

column‐set A and the original analysis method and the 2D‐chromatogram of the Grob 

mixture  analyzed  by  the  newly  installed  column‐set  and  the  original  (not  locked) 

analysis method is given in figure 1. 

Page 112: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

110 

 

Figure 1 Overlay of the 2D‐chromatogram of a Grob mixture obtained by using column‐

set A  (ellipses) and a new  installed column‐set  (rectangles) both obtained using the 

original analysis method  

 

The  results  of methyl decanoate were used  to  calculate  the  constant  column head 

pressure at which  the retention  time difference compared to  the original  retention 

time of methyl decanoate (1689 sec)  is zero. The plot of the constant column head 

pressure versus the primary retention time shift is given in figure 2.   

Page 113: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

111 

 

Figure  2  Primary  retention  time  shift  of methyl  decanoate  compared  to  its  original 

retention time as a function of the constant column head pressure  

 

By using the plot function as given in figure 2, the column head pressure at which the 

retention  time  of  methyl  decanoate  matches  its  original  retention  time  can  be 

calculated. The calculated  locked constant head pressure  is 48.99 PSI. This pressure 

was set into the analysis method used for locking the secondary dimension.  

 

Locking the second‐dimension 

In order to lock the second‐dimension a Grob mixture was analyzed, using the locked 

primary‐dimension method, at  five different effective secondary column  lengths.  In 

table 5 the original secondary retention times and the retention time shifts measured 

with  different  effective  secondary  column  lengths  are  given  for  all  Grob  mix 

compounds.   

 

The results of methyl decanoate were used to calculate the secondary column length 

shift at which the retention time difference compared to the original retention time of 

methyl decanoate (1670 sec) is zero. The plot of the secondary column shift versus the 

secondary retention time shift is given in figure 3.   

Page 114: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

112 

 

Figure 3 Secondary retention time shift of methyl decanoate compared to its original 

retention time as a function of the secondary column length shift 

 

By using the plot function as given in figure 3, the secondary column length shift at 

which the retention time of methyl decanoate matches its original retention time can 

be calculated. The calculated secondary retention time shift is ‐4 cm. The secondary 

column was positioned to ‐4 cm.  

 

In  table  6,  the  differences  in  primary  retention  times,  compared  to  the  original 

retention times, measured at different effective secondary column lengths, are given. 

These  results  clearly  show  that  there  is  no  significant  correlation  of  shifting  the 

secondary  column  through  the  modulator,  thereby  lengthening  or  shortening  its 

effective length, on the primary retention times.  

 

   

Page 115: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

113 

Table  6 Differences  in  primary  retention  times,  compared  to  the  original  retention 

times, measured at different effective secondary column length  

Secondary  Column 

Length shift (cm)      0  ‐2  ‐5  ‐10  ‐15 

  

Original 

(column‐set A) 

1tr 

ms 

1tr 

1tr 

1tr 

1tr 

1tr 

1,4‐butanediol  591  3  3  3  3  3 

n‐decane  1095  6  6  6  6  3 

octanol  1212  3  3  3  6  0 

nonanal  1275  3  3  3  6  0 

dime‐phenol  1287  3  3  3  6  0 

n‐undecane  1299  3  3  6  6  3 

ethylhexanoic acid  1302  3  3  3  6  0 

dime‐aniline  1410  3  3  6  6  3 

me‐decanoate  1689  0  0  3  6  0 

me‐undecanoate  1857  0  0  0  3  ‐3 

Dicyclohexylamine  1899  0  0  3  6  ‐3 

me‐dodecanoate  2016  ‐3  0  0  3  ‐3 

 

After  completing  the  locking  procedure,  a  Grob  mixture  was  analyzed  again.  The 

results  are  summarized  in  table  7.  Both  the primary  and  secondary  retention  time 

shifts are, on average, minimized to less than 0.5 Wb.  

 

   

Page 116: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

114 

Table 7 Summarized results of the 2D‐RTL locking procedure  

 Compounds 

 

 

 

Original 

 

 

  

Original 

 

 

  

not  

locked 

 

  

locked  

primary  

dimension 

  

locked  

primary and 

secondary 

dimension  

   1tr  2tr  1Wb  2Wb  1tr  2tr  1tr  2tr  1tr  2tr 

   s  ms  s  ms  s  ms  s  ms  s  ms 

1,4‐butanediol  591  1815   9  143   ‐57  ‐205  3  ‐85  3  ‐5 

n‐decane  1095  1350   9   89  ‐63  ‐195  6  ‐40  6  15 

octanol  1212  1775   9   88  ‐66  ‐215  3  ‐65  3  15 

nonanal  1275  1840   9   88  ‐69  ‐215  3  ‐70  3  15 

dime‐phenol  1287  2410   9   109  ‐69  ‐250  3  ‐105  3  5 

n‐undecane  1299  1415   9   76  ‐66  ‐205  3  ‐45  3  20 

ethylhexanoic acid  1302  1805   12   108  ‐66  ‐215  3  ‐65  3  10 

dime‐aniline  1410  2700   9   117  ‐72  ‐255  3  ‐105  6  5 

me‐decanoate  1689  1870   12   82  ‐72  ‐240  0  ‐70  3  15 

me‐undecanoate  1857  1915   9   81  ‐75  ‐245  0  ‐70  0  20 

dicyclohexylamine  1899  2120   12   92  ‐78  ‐265  0  ‐80  3  15 

me‐dodecanoate  2016  1965   9   81  ‐75  ‐255  ‐3  ‐60  0  25 

 

An overlay  of  the  2D‐chromatograms of  the Grob mixture  analyzed by  the original 

column‐set A and the original analysis method and the 2D‐chromatogram of the Grob 

mixture analyzed by the new installed column‐set and the locked analysis method is 

given in figure 4. 

Page 117: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

115 

 

Figure 4 Overlay of the 2D‐chromatogram of a Grob mixture obtained by using column‐

set  A  and  the  original  analysis  method  (ellipses)  and  a  new  installed  column‐set 

(rectangles) obtained by using the locked primary and secondary dimension analysis 

method  

4.3.4 82B82BReal life sample 

The naphtha sample was analyzed using column‐set A, and both the original methods, 

utilizing  constant pressure and constant  flow. The 2D‐chromatogram of  the  sample 

obtained  by  using  the  column‐set  A,  and  the  original  constant  pressure  method 

(pressure is 55 PSI) is given in figure 5.  

Page 118: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

116 

 

Figure 5 2D‐chromatogram of a naphtha sample analyzed by using column‐set A and 

the original constant pressure method. 

 

In figure 5, 5 peaks are indicated which are used to check the performance of the 2D‐

RTL procedure. After installing column‐set B, the naphtha sample was analyzed again 

using  both  unlocked  methods.  Next,  the  2D‐RTL  procedure  was  applied  and  the 

naphtha sample was analyzed once more using both  locked methods. The constant 

pressure, used in the constant pressure method was, was changed from 55.00 to 50.47 

PSI  in order  to  lock  the primary‐dimension.  The  constant  column  flow, used  in  the 

constant column flow method, was changed from 1.50 to 1.30 ml/min, in order to lock 

the  primary‐dimension.  For  both  methods,  the  secondary  column  length  was 

shortened 4.5 cm  in order  to  lock  the secondary‐dimension.  In  table 8,  the 2D‐RTL 

results  of  5  different  peaks  are  summarized.  The  5  peaks  are well  spread over  the 

whole  2D‐chromatogram  and  are  therefore  assumed  to  be  representative  for  the 

whole chromatogram. 

 

   

Page 119: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

117 

Table 8 Results of the 2D‐RTL procedure 

 

Constant pressure mode 

 

 

Column‐set A 

 

 

Column‐set B 

Not locked 

 

Column‐set B 

Locked 

 

Column‐set  

A vs. B  

 

Peak  1tr  2tr  1tr  2tr  1tr  2tr  1tr  2tr 

nr.  s  s  s  s  s  s  s  ms 

1  432  1.18  400  1.15  428  1.16  ‐4  ‐20 

2  1876  3.04  1816  3.23  1868  3.07  ‐8  20 

3  2992  3.72  2932  3.91  2988  3.72  ‐4  0 

4  3400  0.371  3344  0.571  3400  0.351  0  ‐20 

5  5536  2.74  5492  2.65  5540  2.70  4  ‐30 

Constant column flow mode 

 

Column‐set A 

 

 

Column‐set B 

Not locked 

 

Column‐set B 

Locked 

 

Column‐set  

A vs. B  

 

Peak  1tr  2tr  1tr  2tr  1tr  2tr  1tr  2tr 

nr.  s  s  s  s  s  s  s  ms 

1  532  1.38  496  1.40  528  1.39  ‐4  10 

2  1948  2.97  1892  3.14  1944  3.00  ‐4  40 

3  2988  3.50  2932  3.67  2984  3.53  ‐4  30 

4  3368  0.081  3316  0.231  3368  0.081  0  0 

5  5508  2.25  5468  2.12  5512  2.25  4  0 

1 these peaks are wrapped around 

The  results  given  in  table  8  clearly  indicate  a  significant  retention  time  difference 

between  column‐set  A  and  B when  using  the  original,  non‐locked, methods.  After 

performing the 2D‐RTL procedure, retention time shifts are on average minimized to 

less than 0.5 Wb for both constant pressure and constant column flow methods. 

4.4 36B36BConclusions  

A  fast  and  easy  two  step  2D‐RTL  procedure  is  proposed  and  its  feasibility  is 

demonstrated. The results show that significant primary and secondary retention time 

shifts (Grob mixture compounds) can be minimized to less than 0.5Wb when applying 

Page 120: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

118 

this  procedure.  The  two‐step  procedure  consists  of  locking  the  first  dimension  by 

adjusting the constant head pressure or constant column flow, followed by locking the 

second‐dimension  by  adjusting  the  effective  secondary  column  length.  Locking  the 

second‐dimension, by moving  the second‐dimension column trough  the modulator, 

thereby shortening or lengthening only its effective length, does not have a significant 

effect on the already locked primary retention times. The 2D‐RTL procedure is mainly 

suitable for to so‐called pass‐through modulators, however the applicability to single‐

stage loop‐type modulators will be part of our future research.  

4.5 37B37BReferences 

[1] M. Adahchour, J. Wiewel, R. Verdel, J. Beens, R.J.J. Vreuls, A.M. Batenburg, U.A.Th. 

Brinkman, J. Chromatogr. A 1086 (2005) 99.  

[2] R. Mayadunne, T.‐T. Nguyen, P.J. Marriott, Anal. Bioanal. Chem. 382 (2005) 836.  

[3] S.M. Song, P.J. Marriott, P. Wynne, J. Chromatogr. A 1058 (2004) 223.  

[4] K.M. Pierce, J.L. Hope, J.C. Hoggard, R.E. Synovec, Talanta 70 (2006) 797.  

[5] R.K. Nelson, B.M. Kile, D.L. Plata, S.P. Sylva, L. Xu, C.M. Reddy, R.B.   Gaines, G.S. 

Frysinger, S.E. Reichenbach, Environ. Forens. 7 (2006) 33. 

[6] M. Kallio, M. Jussila, T. Rissanen, P. Anttila, K. Hartonen, A. Reissell, R.J.J.  Vreuls, M. 

Adahchour, T. Hyötyläinen, J. Chromatogr. A 1125 (2006) 234.  

[7] C. von Muhlen, C.A. Zini, E.B. Caramao, P.J. Marriott, J. Chromatogr. A 1105 (2006) 

39.  

[8] R. Hua, J. Wang, H. Kong, J. Liu, X. Lu, G. Xu, J. Sep. Sci. 27 (2004) 691.  

[9] L.M. Blumberg, M.S. Klee, Anal. Chem. 70 (1998) 3828. 

[10] N. Etxebarria, O. Zuloaga, M. Olivares, L. J. Bartolome, P. Navarro, J. Chromatogr. 

A 1216 (2009) 1624. 

[11] N. Ochiai, K. Sasamoto, H. Kanda, T. Yamagami, F. David, B. Tienpoint, P. Sandra, J. 

Sep. Sci. 28 (2005) 1083. 

[12] T. Ishida, K. Kudo, H. Inoue, A. Tsuji, T. Kojima, N. Ikeda, J. Anal. Toxicol. 30 (2006) 

468. 

[13] I. Rasanen, I. Kontinen, J. Nokua, I. Ojanpera, E. Vuori, J. Chromatogr. B 788 (2003) 

243. 

Page 121: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

119 

[14] T. Skov, J.C. Hoggard, R. Bro, R.E. Synovec, J. Chromatogr. A 1216 (2009) 4020. 

[15] J. Vial, H. Noçairi, P. Sassiat, S. Mallipatu, G. Cognon, D. Thiébaut, B. Teillet, D.N. 

Rutledge, J. Chromatogr. A 1216 (2009) 2866.  

[16] M. Kallio, M. Kivilompolo, S. Varjo, M. Jussila, T. Hyötyläinen, J.   Chromatogr. A 

1216 (2009) 2923. 

[17] D. Zhang, X. Huang, F.E. Regnier, M. Zhang, Anal. Chem. 80 (2008) 2664.  

   

Page 122: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

120 

   

Page 123: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

121 

5 4B4BA Procedure for Comprehensive Two‐dimensional Gas 

Chromatography Retention Time Locked Dual Detection 

 

In  this chapter, a novel, and easy  to perform,  retention  time  locking procedure  for 

locking primary and secondary retention times of detector signals in comprehensive 

two‐dimensional  gas  chromatography  (GC×GC)  dual‐detection  is  proposed  and  its 

advantages  are  demonstrated  and  discussed.  The  dual  detection  retention  time 

locking procedure is a 2‐step process for a GC×GC system in which the effluent of the 

primary  column  is  split,  by using a pressure  regulated  splitter,  towards  the GC×GC 

modulator using two identical secondary GC columns of which one is installed in the 

main GC oven and the other is installed in a secondary GC oven. The first step of the 

locking procedure  is  to minimize  the  secondary  retention  time difference between 

both detectors of a compound, which has a retention factor (k) close to 0. This is done 

by  stepwise  altering  the  effective  secondary  column  length,  simply  by  sliding  the 

secondary column, which is installed in the main oven, forwards or backwards through 

the  modulator.  The  second  step  is  to  minimize  the  secondary  retention  time 

difference of a compound which has a significant retention in both dimensions. This is 

done  by  stepwise  altering  the  secondary  oven  temperature  rate.  This  locking 

procedure was successfully demonstrated for the analysis of a diesel sample by GC×GC 

coupled  to  a  time  of  flight  mass  spectrometer  (TOFMS)  and  a  nitrogen 

chemiluminescence detector (NCD) and by GC×GC coupled to a TOFMS and a flame 

ionization  detector  (FID).  For  all  compounds,  the  average  absolute  secondary 

retention time differences between the NCD or the FID and the TOFMS detectors were 

0.03, and 0.07 seconds, respectively, which are significantly less than the average peak 

widths at half heights, which was 0.2 seconds.  

5.1 38B38BIntroduction 

GC×GC is becoming more and more a routine analytical technique for solving all kinds 

of analytical questions in a wide variety of application fields, for example the nitrogen, 

sulfur and oxygen speciation of complex petrochemical and bio‐oil samples [1‐5].  

 

Page 124: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

122 

For particular GC×GC applications, using two different detectors simultaneously (dual 

detection) can offer a significant advantage compared to single detection. The main 

benefits of GC×GC dual‐detection are speed and efficiency of the particular analysis, 

obtaining two signals per analysis while there is no need to alter the chromatographic 

system [6‐15]. For example, when performing a dual‐detection GC×GC analysis with a 

nitrogen  chemiluminescent  detector  (NCD)  and  a mass  spectrometer  (MS),  in  one 

single  analysis  the  nitrogen  containing  compounds  could  be  detected  with  high 

selectivity and quantified by the NCD and directly be identified and/or verified by the 

MS detector.  

 

However, practically, GC×GC dual‐detection is not that straightforward. The column 

effluent of  the primary or  the secondary column(s) needs  to be  split  towards both 

detectors.  

The  split  ratio  during  a  temperature  programmed  GC  analysis  may  vary,  which 

complicates  quantitation,  especially  for  detectors  operating  at  different  outlet 

pressures. To overcome this problem, the pressure at the split point needs to be kept 

constant [16] in order to keep the split ratio constant; this can be performed by using 

a so‐called electronic pressure regulated splitter. Splitting after the primary column 

and using two secondary columns is highly preferred since it leads to more optimal 

linear  velocity  operation  in  both  dimensions  [17].  Besides  this,  splitting  after  the 

secondary column introduces extra‐column band broadening which could be critical 

for the narrow secondary dimension peaks which have a typically peak width at half 

height in the order of 0.1 seconds. 

Another issue of GC×GC dual‐detection is that the secondary retention times of both 

detectors  are  generally  not  equal.  Retention  time  differences  are  caused  by 

differences in the column or retention gap dimensions towards both detectors and/or 

differences in the capillary flow regimes towards both detectors during a temperature 

programmed  GC×GC  analysis,  again  especially  for  detectors  operating  at  different 

outlet  pressures.  When  using  two  detectors  which  may  show  non‐similar  2D‐

chromatograms,  for  instance  NCD/FID,  NCD/MS,  SCD/FID,  SCD/MS  (FID/MS  show 

similar  2D‐chromatograms),  secondary  retention  time  differences  between  both 

detectors  may  complicate  the  data  processing.  For  example,  for  identifying  the 

Page 125: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

123 

nitrogen  containing  compounds,  at  low  concentration  levels,  in  a  complex 

petrochemical sample matrix, the NCD 2D‐chromatogram must be compared with the 

completely different complex MS chromatogram in order to locate the corresponding 

nitrogen containing compound peaks.   

 

In  this  chapter we  proposed  a  novel,  and  easy  to  perform,  retention  time  locking 

procedure  for  locking primary and secondary  retention  times of detector signals  in 

GC×GC dual‐detection.  

5.2 39B39BExperimental 

5.2.1 83B83BEquipment and materials 

All GC×GC analyses were performed using a Leco Pegasus 4D  (St.  Joseph, MI, USA) 

GC×GC system, equipped with a secondary GC oven, an Agilent Technologies (Santa 

Clara, CA, USA) capillary flow technology splitter, a hot split/splitless injector, a Leco 

Pegasus time‐of‐flight mass spectrometer (TOFMS), an Agilent Technologies Nitrogen 

Chemiluminescent Detector (NCD 255) and an Agilent flame ionization detector (FID). 

Instrument control and data processing was performed by Leco ChromaTOF software 

version 3.25 and NIST MS‐Search 2.0. A VF1ms column (50m × 0.25mm; 0.4µm film 

thickness)  and  a  VF17ms  column  (10m  ×  0.10mm;  0.2µm  film  thickness)  were 

purchased from Agilent Technologies (Santa Clara, CA, USA). 

5.2.2 84B84BTest mixtures and samples  

Two different test mixtures containing nitrogen containing compounds were prepared 

in  toluene. All compounds were purchased from Sigma‐Aldrich. For  test mixtures 1 

and  2,  the  compounds,  compound  purities  and  compound  concentrations,  are 

summarized  in  table 1 and 2,  respectively. A  real‐life diesel  sample was purchased 

from a local gas station.   

  

   

Page 126: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

124 

Table 1 Composition of test mixture 1 

Compounds  Purity 

Conc. 

ppm 

acetonitrile  99  449 

propanenitrile  99  398 

isobutyronitrile  99  438 

 

Table 2 Composition of test mixture 2 

Compounds  Purity 

Conc. 

ppm 

hydantoine   99  439 

acridine  97  344 

phenanthridine  98  362 

2,5‐dimethyl‐pyrrole  98  438 

quinaldine  99  413 

isobutyronitrile  99  459 

4‐picoline  98  452 

propionitrile  99  442 

N,N‐dimethyl‐cyclohexylamine  98  583 

3‐ethyl‐4‐methyl‐pyridin  >95  451 

1‐ethyl‐2‐pyrrolidon  99  558 

4‐pentennitrile  98  444 

pyrrolidine  99  518 

5.2.3 85B85BChromatographic conditions 

For  all  analyses,  the  non‐polar  VF1ms  column  was  used  for  the  first‐dimension 

separation  and  two,  in  parallel  coupled,  2 meters medium‐polar  VF17ms  columns 

were used for the second‐dimension separations. The end of the primary column and 

both the beginnings of the secondary columns were attached to the Agilent electronic 

pressure regulated (EPC) splitter. Both secondary columns were directed through the 

cryogenic modulator. The end of one secondary column was connected to the TOFMS 

Page 127: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

125 

retention gap (0.5m × 0.10mm i.d.), by means of a Siltite® coupling (SGE Analytical 

Science, Ringwood Victoria, Australia), and the end of the other secondary column was 

connected  directly  into  the  NCD  (NCD/TOFMS)  detector  or  directly  into  the  FID 

(FID/TOFMS) detector. The secondary column leading to the NCD or FID was installed 

in the main GC oven and the secondary column leading to the TOFMS was installed in 

the secondary GC oven.  A schematic overview of the GC×GC‐NCD/TOFMS or GC×GC‐

FID/TOFMS dual detection set‐up is given in figure 1.  

 

Figure 1 Schematic overview of the GC×GC‐NCD/TOFMS or the GC×GC‐FID/TOFMS dual 

detection set‐up  

 

The  GC×GC  instrument  was  operated  under  temperature  programmed  conditions 

from 40C, held for 1 minute, to 330C, held for 5 minutes, for the primary GC oven 

and from 45C, held for 1 minute, to 335C, held for 5 minutes, for the secondary GC 

oven.  The  temperature  rate  for  the  main  oven  was  2C/min.  For  retention  time 

locking,  the  temperature  rate  for  the  secondary  oven  was  2+ΔT  C/min.  The 

modulation time was 10 seconds. A hot pulse of 2 seconds, having a temperature of 

20C higher than the actual primary GC oven, was used. Helium was used as the carrier 

gas.  All  separations were  carried  out  using  a  constant  head  pressure  of  35  PSI.  A 

constant split pressure of 18 PSI and 23 PSI was used  for  the NCD/TOFMS and the 

FID/TOFMS  setup,  respectively.  The  injector  temperature  was  300C.  An  injection 

volume of  1µL  and  a  split  ratio  of  1:50 was  applied  for  all  analyses.  The NCD was 

operated  at  a  burner  temperature  of  925C,  with  an  oxidizer  flow  of  10  sccm,  a 

Page 128: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

126 

hydrogen  flow  of  5  sccm  and  using  a  data‐acquisition  rate  of  100Hz.  The  FID 

temperature was 280C, using an air flow of 450 ml/min and a hydrogen flow of 40 

ml/min.  The  TOFMS was  operated  in  electron  impact mode  using  70eV,  a  source 

temperature of 250C and a mass range of 15 to 550 amu. 

5.2.4 86B86BDual detection retention time locking procedure 

The  dual  detection  retention  time  locking  procedure  is  an  easy  to  perform  2‐step 

process. The first step in the locking procedure is to minimize the secondary retention 

time difference of a compound, which has a retention factor (k) preferably close to 0, 

between both the NCD or FID and TOFMS detector signals. For this, the compound 

acetonitrile,  present  in  the  test  mixture  1,  was  used.  In  order  to  minimize  this 

retention time difference, the effective secondary column length of the NCD or FID 

was  stepwise  (using  equal  steps)  increased  or  decreased,  by  sliding  the  secondary 

column through the modulator. The effective secondary column length is the length 

of the column after the modulator, from the cryogenic modulator to the detector, so 

the part of the secondary column which is effectively used for the second dimension 

separation. Adjusting the secondary retention time, by stepwise altering the effective 

secondary  column  length,  was  already  described  by  Mommers  et  al,  for 

comprehensive two‐dimensional gas chromatography retention time locking [18].     

The effective secondary column length of the TOFMS was kept constant. Also, both 

the main and secondary oven temperature rates were kept equal and set to 2C/min. 

When  knowing  the  relationship  of  the  differences  in  secondary  retention  time 

between the NCD or FID and TOFMS signals (delta) of acetonitrile as function of the 

secondary column length shift, the column length shift at which the delta is zero can 

be calculated, set and checked.  

 

The second step in the locking procedure is to minimize the delta of a compound which 

has a significant retention in both dimensions, between the NCD or FID and TOFMS 

detector signals. For this, the compound phenanthridine, present in the test mixture 

2, was used. In order to minimize this delta, the secondary oven temperature rate of 

the  TOFMS  secondary  column  was  stepwise  increased  or  decreased.  The  oven 

Page 129: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

127 

temperature rate of the secondary column (2C/min), installed in the main oven, was 

not altered. Also, here, when knowing the relationship of the delta of phenanthridine 

as function of the TOFMS secondary oven rate, the secondary oven rate at which the 

delta is zero can be calculated, set, and checked. 

5.3 40B40BResults and discussion 

5.3.1 87B87BGC×GC‐NCD/TOFMS 

Locking step 1 

For the initial analysis (no shift of the NCD secondary column), using a primary and 

secondary  oven  temperature  rate  of  2C/min,  the  secondary  retention  time  of 

acetonitrile was  1.89  seconds  for  the NCD  signal  and 1.60  seconds  for  the  TOFMS 

signal. In order to minimize this delta of ‐0.29 seconds, the effective secondary column 

length of  the NCD was stepwise  (equal  steps of approximately 3  cm) decreased by 

sliding the column through the modulator. The effective secondary column length of 

the TOFMS was not changed. In figure 2, the delta of acetonitrile as function of the 

NCD secondary column length shift, is given. 

 

 

Figure  2 Delta  secondary  retention  time  of  acetonitrile  (TOFMS – NCD  signal)  as  a 

function of the NCD secondary column length shift  

Page 130: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

128 

Figure 2 shows a clear linear relationship (r2=0.994) between the effective secondary 

column  length  and  the  delta  secondary  retention  time  of  acetonitrile.  When 

shortening the effective secondary column length of the NCD by 13.8 cm (=intercept), 

the  secondary  retention  time difference  between  the NCD  and  the  TOFMS  is  0.02 

seconds. This retention time difference is significantly smaller than the peak width at 

half height for acetonitrile which is 0.15 seconds.  

   

Locking step 2 

For the initial analysis (secondary retention times of both detector signals are locked 

for acetonitrile), the secondary retention time of phenanthridine is 7.59 seconds for 

the  NCD  signal  and  7.83  seconds  for  the  TOFMS  signal.  In  order  to minimize  this 

retention time difference of 0.24 seconds, the secondary oven temperature rate of 

the  TOFMS  secondary  column  was  altered  stepwise.  An  overlay  of  two  GC×GC 

chromatograms obtained with different secondary oven temperature rates is given in 

figure 3. In figure 4, the delta secondary retention time of phenanthridine as function 

of the TOFMS secondary oven temperature rate, is given.  

   

Page 131: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

129 

 

Figure 3 Overlay of GC×GC chromatograms of test mixture 2 obtained with a TOFMS 

secondary oven temperature rate of 1.90C/min (peaks  indicated with yellow ovals) 

and 2.10C/min. The last indicated peak is phenanthridine. 

 

 

Figure 4 Delta secondary retention time of phenanthridine (TOFMS – NCD signal) as 

function of the TOFMS secondary oven temperature rate (C/min)    

 

Page 132: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

130 

Figure  4  shows  a  quadratic  relationship  (r2=0.997)  between  the  secondary  oven 

temperature rate and the delta of phenanthridine. When analyzing the test mixture 2 

with  a  secondary oven  temperature  rate of  2.02C/min  (=intercept)  the  secondary 

retention time difference of phenanthridine between the NCD and the TOFMS is 0.01 

seconds.  

 

After  performing  the  2‐step  locking  procedure,  thereby  adjusting  the  effective 

secondary column length of the secondary column to the NCD (locking step 1) and 

adjusting  the  secondary  oven  temperature  rate  of  the  secondary  column  to  the 

TOFMS (locking step 2), the test mixture 2 was analyzed 4 times. For all compounds, 

the  results  of  the  two‐step  dual‐detection  retention  time  locking  process  are 

summarized in table 3. 

 

Table 3 Result of the two‐step dual detection retention time locking procedure for the 

analysis of the test mixture 2 (n=4) 

  TOFMS 

Detector 

NCD 

Detector 

       

Name  AVG 

1tr 

(s) 

AVG 

2tr 

(s) 

AVG 

1tr 

(s) 

AVG 

2tr 

(s) 

AVG 

PW1/2 

(s) 

AVG 

1tr 

(s) 

AVG 

2tr 

(ms) 

SD 

2tr 

(ms) 

propanenitrile  360  1,95  360  1,97  0,19  0  15  6 

isobutyronitrile  420  2,09  420  2,13  0,24  0  33  25 

4‐pentennitrile  810  3,44  810  3,41  0,20  0  35  13 

4‐Picoline  1160  3,96  1160  3,91  0,20  0  50  8 

2,5‐dimethyl‐pyrrole  1440  4,29  1440  4,27  0,20  0  20  21 

N,N‐dimethyl‐cyclohexanamine  1780  2,99  1780  2,95  0,18  0  45  6 

3‐ethyl‐4‐methyl‐pyridine  2240  4,68  2240  4,63  0,18  0  57  15 

1‐Ethyl‐2‐pyrrolidinone  2260  6,39  2260  6,27  0,23  0  22  10 

quinaldine  3290  5,78  3290  5,72  0,18  0  55  24 

acridine  5210  7,29  5210  7,28  0,21  0  13  10 

phenanthridine  5290  7,46  5290  7,46  0,22  0  10  8 

 

The results in table 3 show that, by performing the two‐step dual detection locking 

procedure,  the  secondary  retention  time  differences  between  the  NCD  and  the 

Page 133: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

131 

TOFMS detectors are minimized to an absolute average of 0.03 seconds which is, for 

all compounds, significantly less than the average peaks widths at half heights, which 

is  0.20  seconds.  The  standard  deviation  of  the  absolute  secondary  retention  time 

differences is 0.04 seconds. These results also show that the time difference observed 

for the primary dimension is acceptable.  

 

Additionally, differences in the observed Δ2tr for all compounds are mainly caused by 

differences  in  chromatographic  selectivity  (between different  types of  compounds) 

when  changing  the  secondary  oven  temperature  rate.  However,  these  observed 

differences are significantly smaller than the corresponding observed peaks widths at 

half height.     

5.3.2 88B88BGC×GC‐FID/TOFMS 

Locking step 1 

For  the  initial  analysis,  using  a  primary  and  secondary  oven  temperature  rate  of 

2C/min, the secondary retention time of acetonitrile was 2.03 seconds for the TOFMS 

signal  and 2.48  seconds  for  the  FID  signal.  In order  to minimize  this  delta of  ‐0.45 

seconds, the effective secondary column length of the FID was stepwise (equal steps) 

decreased  by  sliding  the  column  through  the  modulator.  The  effective  secondary 

column length of the TOFMS was not changed. In figure 5, the delta of acetonitrile as 

function of the FID secondary column length shift, is given.  

Page 134: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

132 

 

Figure  5  Delta  secondary  retention  time  of  acetonitrile  (TOFMS  –  FID  signal)  as  a 

function of the FID secondary column length shift  

 

When  shortening  the  effective  secondary  column  length  of  the  FID  by  3.4  cm 

(=intercept), the secondary retention time difference between the FID and the TOFMS 

is 0.03 seconds which is significantly less than 0.15 seconds which is the peak width at 

half height for acetonitrile. 

 

Locking step 2 

For the initial analysis, the secondary retention time of phenanthridine is 7.23 seconds 

for the TOFMS signal and 9.32 seconds for the FID signal.  In order to minimize this 

retention time difference of ‐2.09 seconds, the secondary oven temperature rate of 

the  TOFMS  secondary  column  was  altered  stepwise.  In  figure  6,  the  delta  of 

phenanthridine as function of the TOFMS secondary oven temperature rate, is given.  

Page 135: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

133 

 

Figure  6  Delta  of  phenanthridine  (TOFMS  –  FID  signal)  as  function  of  the  TOFMS 

secondary oven temperature rate (C/min)    

 

When  analyzing  the  test  mixture  2  with  a  secondary  oven  temperature  rate  of 

1.85C/min  (=intercept)  the secondary  retention  time difference of phenanthridine 

between the FID and the TOFMS is 0.01 seconds.  

 

After performing the 2‐step locking procedure, the test mixture 2 was analyzed. The 

secondary retention time differences between the FID and the TOFMS detectors are 

minimized  to  an  absolute  average  of  0.07  seconds  which  is,  for  all  compounds, 

significantly less than the average peaks widths at half heights, which is 0.19 seconds. 

The  results  of  the  two‐step  locking  procedure  for  all  compounds  are  given  in 

supplementary 1. The FID chromatograms, before and after performing the  locking 

procedure,  are  given  in  figure  7A  and  7B,  respectively.  The  corresponding  TOFMS 

peaks are indicated by the yellow ovals. 

Page 136: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

134 

 

Figure 7 FID chromatograms of test mixture 2, before (A) and after (B) performing the 

locking procedure; the corresponding TOFMS peaks are indicated by the yellow ovals.  

 

It also has to be noted that the locking procedure is easy and fast to perform; usually, 

only 3 or 4 analyses per locking step are required to calculate the required effective 

secondary  column  length  and  the  required  secondary  oven  temperature  rate, 

respectively. In our lab, this procedure is already, successfully, and routinely, applied 

for more than 5 years for the analysis of a wide variety of petrochemical samples such 

Page 137: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

135 

as  naphtha  cracker  feedstocks,  diesels  and  also  (pyrolysis)  bio‐oils  by  GC×GC‐

NCD/TOFMS and GC×GC‐SCD/TOFMS. In general, the locking procedure is performed 

in less than 1 day and the retention times are stable for several weeks.  

 

Split ratios 

By using a constant split pressure, during the whole temperature program, the column 

flows  of  both  secondary  columns,  and  thereby  the  corresponding  split  ratios,  can 

easily be calculated by using for instance the Agilent pressure flow calculator. For the 

TOFMS/NCD  and  the  TOFMS/FID  setups  the  constant  split  ratios  are  1.0  and  1.3, 

respectively.  Besides  calculating,  the  split  ratios  can  also  be  determined  by  2 

sequential analysis of a test mixture by single (e.g. FID) and dual detection (e.g. FID 

and TOFMS), respectively. The ratio of the corresponding peak areas of the single and 

dual detection analysis, equal the split ratio when performing dual‐detection.         

5.3.3 89B89BSplitting after the secondary column  

As described by Nicolotti et al  [8], GC×GC dual detection can also be performed by 

splitting the secondary column effluent towards two different detectors. In order to 

keep the split ratio constant a constant split pressure must be maintained during the 

whole  analysis  by using  a pressure  regulated  splitter. As  already mentioned  in  the 

introduction, splitting after the secondary column, so after the modulator, has several 

disadvantages compared to splitting before the modulator. Splitting after the primary 

column and using two secondary columns is highly preferred since it leads to more 

optimal  linear  velocity  operation  in  both  dimensions  and  also  higher  column 

loadability, as was demonstrated by Peroni et al  [17]. Splitting after  the secondary 

column  introduces  extra‐column  band  broadening  which  could  be  critical  for  the 

narrow secondary dimension peaks which have a typically peak width at half height in 

the order of 0.2 seconds. Retention gaps are required to obtain a certain required split 

ratio and to ensure flows to be within certain system requirements especially for MS 

systems. These extra retention gaps (restrictions) will lead to less optimal linear gas 

velocities.     

 

Page 138: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

136 

Another approach, of locking GC×GC dual detection MS/FID signals, was described by 

Nicolotti  et  al  [8]  where  the  effluent  of  the  primary  column  was  split  before  the 

modulator,  into  two  secondary  columns,  towards  an  FID  and  a MS detector.  Their 

approach  requires  two  pressure  controllers,  one  situated  before  the  modulator, 

needed  to  keep  the  pressure  at  the  split  point  toward  both  secondary  columns 

constant to ensure a constant split ratio, needed for quantitative analysis. The other 

EPC, situated after the modulator, is needed to change the pressure at the secondary 

column outlet towards the MS detector  in order to adjust the retention times. The 

pressure  controller  situated  after  the  modulator  could  lead  to  some  extra  band 

broadening. Adjusting the retention times by means of altering the outlet pressure is 

done by supplying helium to the column effluent; this is limited to the pump capacity 

of the MS, which should not be exceeded. Retention time differences between the MS 

and FID signals were slightly larger than their measured peak width at half heights. 

 

In  table  4  the  retention  time  results  are  summarized  of  the  GC×GC‐NCD/TOFMS 

analysis of the test mixture by splitting the secondary column effluent towards both 

detectors. Splitting was performed by using a pressure regulated splitter, at a constant 

pressure of 18 PSI, and 2 identical (methyl deactivated 1m × 0.1mm) retention gaps.      

 

   

Page 139: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

137 

Table  4  Result  of  GC×GC‐NCD/TOFMS  dual  detection  by  splitting  the  secondary 

column effluent using a constant split pressure of 18 PSI  

  TOFMS 

Detector 

NCD 

Detector 

     

Name  AVG 

1tr 

(s) 

AVG 

2tr 

(s) 

AVG 

1tr 

(s) 

AVG 

2tr 

(s) 

AVG 

PW1/2 

(s) 

AVG 

1tr 

(s) 

AVG 

2tr 

(ms) 

propanenitrile  650  5,00  650  4,78  0,2  0  220 

isobutyronitrile  760  5,19  760  4,97  0,2  0  220 

4‐pentennitrile  1010  5,56  1010  5,28  0,3  0  280 

4‐Picoline  1780  7,08  1770  6,81  0,2  10  270 

2,5‐dimethyl‐pyrrole  2090  7,28  2090  7,03  0,2  0  250 

N,N‐dimethyl‐cyclohexanamine  2490  6,11  2490  5,85  0,2  0  260 

3‐ethyl‐4‐methyl‐pyridine  2980  7,95  2980  7,67  0,2  0  280 

1‐Ethyl‐2‐pyrrolidinone  2990  9,51  2990  9,23  0,3  0  280 

quinaldine  4060  9,64  4060  9,36  0,3  0  280 

acridine  6000  3,78  6000  3,46  0,3  0  320 

phenanthridine  6080  4,17  6080  3,86  0,3  0  310 

 

The results in table 4 show that splitting the secondary column effluent result in an 

average secondary retention time difference of 270 ms (standard deviation = 30 ms) 

which  is  approximately  equal  to  the  average measured  peak width  at  half  height. 

Adjusting  these  retention  time  differences  between  both  NCD/TOFMS  detector 

signals could only be established by stepwise physically shortening the length of the 

retention gap towards the TOFMS detector. Additionally, compared to splitting after 

the primary column, this setup shows an increase of the secondary peak widths from 

approximately 20 to 30 ms.    

5.3.4 90B90BReal‐life samples 

A  real‐life  diesel  sample  was  analyzed  3  times  by  the  GC×GC‐TOFMS/NCD  dual‐

detection retention time locked system. The TOFMS chromatogram is given in figure 

8a and the corresponding NCD chromatogram is given in figure 8b. The TOFMS data 

was  processed,  which  resulted  in  about  12000  chromatographic  features.  The 

deconvoluted mass spectra were searches against the NIST library. The NCD data were 

also processed, which resulted in about 100 chromatographic features.         

Page 140: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

138 

 

An overlay of the GC×GC NCD chromatogram and the TOFMS peak markers are shown 

in figure 9. For 31 nitrogen containing compounds, the NCD and TOFMS primary and 

secondary  retention  times  are  given  in  table  5.  This  table  also  includes  the 

identification of the nitrogen containing compounds and the primary and secondary 

retention time differences between the NCD and TOFMS signals (1tr and 2tr). The 

primary retention time difference is less than 10 seconds for most compounds and the 

absolute secondary retention time difference is 0.04 seconds which is well within the 

average  peak  width  at  half  height.  The  standard  deviation  (n=3)  for  the  absolute 

secondary retention time differences between the NCD and the TOFMS detectors is 

0.02 seconds.  

   

Page 141: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

139 

 

Figure 8 Analysis of a real‐life diesel samples with dual detection retention time locked 

GC×GC‐TOFMS/NCD; the TOFMS TIC GC×GC chromatogram is given in 8A and the NCD 

GC×GC chromatogram is given in 8B. 

8a 

Nitro‐ 

compounds 

 

Indoles 

Carbazoles 

Anilines 

Unknowns 

8b 

Page 142: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

140 

 

Figure 9 Overlay of the GC×GC NCD chromatogram and the TOFMS peak markers of 

the analyzed diesel sample.   

 

From this overlay, it is clear that most nitrogen containing group‐types coelute with 

many non‐nitrogen containing compounds. In this case, dual detection retention time 

locking  significantly  supports  the  fast  and  efficient  identification  of  nitrogen 

containing compounds in a very complex hydrocarbon matrix. The TOFMS and NCD 

GC×GC  chromatograms  are  complex  and  not  similar which makes  localization  of  a 

particular compound in both chromatograms, if not retention‐time locked, a difficult 

and  time  consuming  task.  After  dual‐detection  retention  time  locking,  the 

corresponding TOFMS peak markers (if detected by the TOFMS) are located within the 

corresponding peak width of  the NCD peaks, making  identification of NCD peaks a 

much easier and more efficient task.  

 

   

Nitro‐ 

compounds 

 

Indoles 

Carbazoles 

Anilines 

Unknowns 

Page 143: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

141 

Table 5 Result of the two‐step dual detection retention time locking procedure for the 

analysis  of  a  real‐life  diesel  sample  by  GC×GC‐TOFMS/NCD;  31  identified  nitrogen 

containing compounds  

 

TOFMS 

detector 

NCD 

detector    

Identified nitrogen  

containing compound  

1tr 

(s) 

2tr 

(s) 

1tr 

(s) 

2tr 

(s) 

1tr 

(s) 

2tr 

(s) 

nitro‐methane  350  1,96  350  1,86  0  ‐0,10 

nitro‐ethane  460  2,51  460  2,52  0  0,01 

nitro‐propane  660  3,18  670  3,12  10  ‐0,06 

nitro‐butane  1020  3,81  1020  3,75  0  ‐0,06 

unknown nitro‐compound   2100  3,78  2100  3,74  0  ‐0,04 

unknown nitro‐compound   2200  3,91  2200  3,86  0  ‐0,05 

dimethyl‐aniline  2630  5,39  2630  5,37  0  ‐0,02 

Indole  3200  6,84  3200  6,78  0  ‐0,06 

methyl‐indole (1)  3500  6,77  3500  6,73  0  ‐0,04 

methyl‐indole (2)    3610  6,54  3610  6,46  0  ‐0,08 

methyl‐indole (3)  3630  6,75  3630  6,72  0  ‐0,03 

dimethyl‐indole (1)  3920  6,34  3920  6,36  0  0,02 

dimethyl‐indole (2)  4000  6,52  4010  6,43  10  ‐0,09 

dimethyl‐indole (3)  4020  6,20  4020  6,18  0  ‐0,02 

dimethyl‐indole (4)  4030  6,43  4030  6,35  0  ‐0,08 

trimethyl‐indole  4340  5,91  4340  5,83  0  ‐0,09 

carbazole  5310  7,90  5310  7,90  0  0,00 

methyl‐carbazole (1)  5570  7,31  5570  7,31  0  0,00 

methyl‐carbazole (2)  5660  7,52  5660  7,54  0  0,02 

methyl‐carbazole (3)  5680  7,46  5680  7,48  0  0,02 

methyl‐carbazole (4)  5720  7,88  5720  7,90  0  0,02 

dimethyl‐carbazole (1)  5790  6,50  5790  6,49  0  ‐0,01 

dimethyl‐carbazole (2)  5940  6,87  5940  6,88  0  0,01 

dimethyl‐carbazole (3)  5980  7,18  5980  7,19  0  0,01 

dimethyl‐carbazole (4)  6020  7,11  6020  7,14  0  0,03 

dimethyl‐carbazole (5)  6080  7,34  6080  7,39  0  0,05 

trimethyl‐carbazole (1)  6130  6,22  6130  6,22  0  0,00 

trimethyl‐carbazole (2)  6180  6,43  6180  6,44  0  0,01 

trimethyl‐carbazole (3)  6260  6,49  6260  6,51  0  0,02 

trimethyl‐carbazole (4)  6280  6,73  6280  6,79  0  0,06 

trimethyl‐carbazole (5)  6320  6,71  6320  6,74  0  0,03 

 

Page 144: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

142 

5.4 41B41BConclusions  

A novel, and easy to perform, two‐step retention time locking procedure for locking 

primary and secondary retention times of detector signals in GC×GC dual‐detection is 

proposed and its feasibility and added value for data processing is demonstrated. The 

results  of  this  locking  procedure  show  that  secondary  retention  time  differences 

between  TOFMS/NCD  and  between  TOFMS/FID  detectors  can  be minimized  to  an 

absolute average of 0.03 and 0.07 seconds, which is significantly less than the average 

corresponding peak widths at half height. Primary retention time differences are for 

most peaks less than the applied modulation time.  

 

Especially  when  using  two  detectors  which  may  show  non‐similar  GC×GC 

chromatograms,  GC×GC  dual  detection  retention  time  locking  may  significantly 

improve  and  speed  up  the  data  processing  of  complex  samples.  After  locking, 

comparing  complex  GC×GC  chromatograms  and/or  localization  of  specific  peaks 

becomes  a  much  easier,  less  time  consuming  and  therefore  more  efficient  task. 

Besides this, locking the retention times of both detectors will also reduce the risk of 

wrong peak localizations which could lead to wrong peak identifications. 

5.5 42B42BReferences 

[1] Adam F., Bertoncini F., Dartiguelongue C., Marchand k., Thiébaut D., Hennion M‐

C., Fuel, 88 (2009), 5, 938‐946 

[2] Adam F., Bertoncini F., Brodusch n., Durand E., Thiébaut D., Espinat D., Hennion M‐

C., J Chromatogr A, 1148 (2007), 1, 55‐64 

[3]  Omais  B.,  Courtiade M.,  Charon N.,  Thiébaut  D.,  Quignard  A.,  Hennion M‐C.,  J 

Chromatogr A, 1218 (2011), 21, 3233‐3240 

[4] Flego C., Zannoni C., Fuel, 90 (2011), 9, 2863‐2869 

[5] Mondello  L., Casilli A.,  Tranchida P.Q., Dugo G., Dugo P.,  J Chromatogr A, 1067 

(2005), 1–2, 235‐243 

[6] Cordero C., Bicchi C., Joulain D., Rubiolo P., J Chromatogr A, 1150 (2007), 1–2, 37‐

49 

[7] Dijkmans T., Djokic M.R., Van Geem K.M., Marin G.B., Fuel, 140 (2015), 15, 398‐406 

Page 145: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

143 

[8] Nicolotti L., Cordero C., Bressanello D., Cagliero C., Liberto E., Magagna F., Rubiolo 

P., Sgorbini B., Bicchi C., J Chromatogr A, 1360 (2014), 264‐274 

[9] Bressanello D., Liberto E., Collino M., Reichenbach S.E., Benetti E., Chiazza F., Bicchi 

C., Cordero C., J Chromatogr A, 1361 (2014), 265‐276 

[10]  Tranchida  P.Q.,  Salivo  S.,  Bonaccorsi  I.,  Rotondo  A.,  Dugo  P.,  Mondello  L.,  J 

Chromatogr A, 1313 (2013), 194‐201 

[11] Krupčík J., Gorovenko R., Špánik I., Sandra P., Armstrong D.W., J Chromatogr A, 

1280 (2013), 104‐111 

[12] Vallejo A., Olivares M.,  Fernández  L.A.,  Etxebarria N.,  Arrasate  S., Anakabe E., 

Usobiaga A., Zuloaga O., J Chromatogr A, 1218 (2011), 20, 3064‐3069 

[13] Tran T.C., Marriott P.J., Atmos. Environ., 42 (2008), 32, 7360‐7372 

[14] Cordero C., Bicchi C., Joulain D., Rubiolo P., J Chromatogr A, 1150 (2007), 1–2, 37‐

49 

[15] Ochiai N., Ieda T., Sasamoto K., Fushimi A., Hasegawa S., Tanabe K., Kobayashi S., 

J Chromatogr A, 1150 (2007), 1–2, 13‐20 

[16] Luong J., Gras R., Shellie R.A., Cortes H.J., J Sep Sci, 36 (2013), 1, 182–191 

[17] Peroni D., Sampat A.A.S., van Egmond W., de Koning S., Cochran J., Lautamo R., 

Janssen H‐G., J Chromatogr A, 1317 (2013), 3‐11 

[18] Mommers J., Knooren J., Mengerink Y., Wilbers A., Vreuls R., van der Wal Sj., J 

Chromatogr A, 1218 (2011), 21, 3159‐3165 

Page 146: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

144 

5.6 43B43BSupplementary data 

Result of the two‐step dual detection retention time locking procedure for the analysis 

of the test mixture 2 by GC×GC TOFMS / FID  

  TOFMS 

Detector 

FID 

Detector 

     

Name  1tr 

(s) 

2tr 

(s) 

1tr 

(s) 

2tr 

(s) 

PW1/2 

(s) 

1tr 

(s) 

2tr 

(ms) 

propanenitrile  490  2,493  490  2,553  0,14  0  ‐60 

isobutyronitrile  570  2,662  570  2,745  0,20  0  ‐83 

4‐Picoline  1410  4,898  1410  4,992  0,19  0  ‐94 

2,5‐dimethyl‐pyrrole  1700  5,297  1700  5,345  0,19  0  ‐48 

N,N‐dimethyl‐cyclohexanamine  2070  3,739  2070  3,746  0,18  0  ‐7 

3‐ethyl‐4‐methyl‐pyridine  2560  6,005  2560  5,909  0,17  0  96 

1‐Ethyl‐2‐pyrrolidinone  2570  8,139  2570  8,066  0,18  0  73 

quinaldine  3630  7,473  3630  7,405  0,19  0  68 

acridine  5620  9,469  5620  9,407  0,21  0  62 

phenanthridine  5700  9,725  5700  9,655  0,21  0  70 

 

   

Page 147: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

145 

6 5B5BTemperature‐Tunable Selectivity in Comprehensive Two‐

dimensional Gas Chromatography  

A  temperature‐tunable  two‐dimensional  gas  chromatography  setup,  consisting  of 

three capillary columns with different selectivities, is described and evaluated. In this 

setup,  the  selectivity  of  the  primary  dimension  can  be  tuned  by  adjusting  the 

temperature offset of  two  in  series‐coupled capillary columns, both columns being 

part of the primary dimension and positioned in two separate GC ovens. The overall 

GC×GC  separation  can  be  optimized  by  altering  the  selectivity  of  the  primary 

dimension. Besides tuning selectivity, in order to achieve optimal separation, this 2D‐

GC  setup  also  offers  enhanced  opportunities  for  qualitative  analysis.  Sequentially 

altering  the  selectivity of  the primary dimension enables one  to  identify  groups of 

compounds which show similar chromatographic retention behavior.  

6.1 44B44BIntroduction 

Comprehensive two‐dimensional gas chromatography (GC×GC), introduced in 1991 by 

Liu  and  Phillips  [1],  is  a  powerful  analytical  technique  providing  structured 

chromatograms and high separation power, making this technique ideal for analyzing 

complex samples. Despite the high separation power of this technique, coelutions of 

target analytes still may occur.  

 

In  this  chapter  we  describe  a  temperature‐tunable  two  dimensional  gas 

chromatography setup in which the column selectivity of the primary dimension can 

be  altered  for  solving  critical  coelutions  of  target  analytes.  In  our  approach,  the 

primary  dimension  consists  of  two  columns  coupled  in  series  in which  the  second 

column  is positioned  in a  separate GC oven. This  second  in  series‐coupled primary 

column  should  have  different  retention  characteristics,  in  terms  of  selectivity  and 

retention mechanism, compared to the other two columns. The contribution of the 

second in series‐coupled primary column, which is positioned in the second oven, can 

be altered by adjusting the temperature offset of this oven compared to the main oven 

and  thereby  the  overall  selectivity  of  the  primary  dimension  can  be  tuned.  The 

contribution  of  the  second  in  series‐coupled  primary  column  to  the  overall  first 

Page 148: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

146 

dimension retention time can be increased by lowering the temperature offset and 

can be decreased or minimized by increasing the temperature offset. 

 

Tuning of column selectivity for one dimensional gas chromatography has extensively 

been described in literature. In most publications column selectivity is tuned by means 

of  controlling  the pressure  at  the  junction point  of  two different  in  series‐coupled 

capillary columns [2‐14]. This approach, however, requires a T‐connector and an extra 

carrier  gas  supply.  Another  approach  for  tuning  selectivity  is  optimizing  the 

temperatures for series‐coupled columns in dual‐oven gas chromatographic systems 

[15‐18]. Column temperature has a significant effect on selectivity, especially for polar 

phases and compounds.  

 

To  our  knowledge,  tuning  strategies  for  comprehensive  two‐dimensional  gas 

chromatography,  based  on  temperature  or  pressure  tuning  the  selectivity  of  the 

primary dimension by using  series‐coupled  columns has not been described  in  the 

literature yet. 

 

Besides optimizing the resolution by tuning the selectivity of the primary dimension, 

our tunable 2D‐GC setup also offers enhanced opportunities for qualitative analysis. 

Altering stepwise the contribution of the second  in‐series coupled primary column, 

which has different retention characteristics compared to the first in series‐coupled 

primary column and second dimension column, enables the opportunity to  identify 

groups of compounds which show similar chromatographic retention behavior (similar 

interactions)  with  the  stationary  phase  of  the  second  in  series‐coupled  primary 

column.  

6.2 45B45BExperimental 

6.2.1 91B91BTest mixtures and samples 

All  experiments  were  carried  out  with  a  homemade  test  mixture  containing  38 

compounds and two different industrial plant samples. The test mixture contained 500 

µL of each of the following compounds: diethylketone, 3,3‐dimethyl‐2‐butanone, 2,4‐

Page 149: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

147 

dimethyl‐3‐pentanone,  3‐methyl‐2‐pentanol,  3‐methyl‐2‐pentanone,  3‐methyl‐2‐

butanone,  2‐methoxyethanol,  2‐pentanone,  methyl‐cyclohexane,  3‐methoxy‐

propionitrile, isobutyronitrile, propionitrile, 1‐pentanal, 3‐methyl‐2‐butanol, butanal, 

1‐hexanol,  isobutanol,  1‐butanol,  benzene,  cyclohexane,  1‐propanol,  hexane, 

dimethylsulfoxide,  ethanol,  heptane,  n‐butylacetate,  chloroform,  ethylacetate, 

diethylether, 2‐cyano‐ethylether and also 100 µL of each of the following compounds: 

allylcyanide, methyl‐cyclopentane, ethyl‐cyclopentane, crotononitrile, 2‐pentanol, 2‐

hexen‐1‐ol, 3‐hexanol, 2‐hexanol.  

6.2.2 92B92BInstrumental  

All  GC×GC‐FID  analyses  were  carried  out  on  a  Leco  (St.  Joseph,  MI,  USA)  GC×GC 

system, equipped with a secondary GC‐oven which is positioned inside the main GC‐

oven, an Agilent 7683 autosampler, a hot split/splitless injector and a flame ionization 

detector  (FID).  Instrument  control  and  data  processing  was  performed  by  Leco 

ChromaTOF®  software  (St.  Joseph,  MI,  USA)  version  3.25.  For  all  calculations 

Microsoft® Office Excel 2007 (Redmond, Washington, VWA, USA), was used. 

 

A schematic overview of the tunable two‐dimensional gas chromatographic setup is 

given in figure 1. In order to be able to tune the overall GC×GC selectivity, all three 

capillary columns must have different retention characteristics.  

Column  1  is  a  non‐polar  25m  ×  0.25mm,  1.2µm  film  thickness  CPSil8CB  column, 

purchased  from  Varian  (Middelburg,  The  Netherlands).  This  column  is  coupled  in 

series with a polar 5m × 0.25mm, 0.5µm film thickness Stabilwax®‐DB column (column 

2, Restek, Bellefonte, PA, USA). The Stabilwax®‐DB‐column is installed in the second 

GC‐oven (oven‐2). The other end of this column is coupled to a 2m × 0.1mm, 0.08µm 

film thickness polar ionic liquid SLB®‐IL59 column (column 3), purchased from Sigma‐

Aldrich (St. Louis, MO, USA). The ionic liquid column is installed in oven‐1 and passes 

through the modulator. All capillary column connections were made by using SilTite™ 

μ‐Unions,  purchased  from  SGE  Europe  (United  Kingdom).  When  performing  two‐

dimensional gas chromatography, the in series coupled columns 1 and 2 make up the 

tunable  primary  dimension  and  column  3  the  secondary  dimension.  Due  to 

Page 150: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

148 

temperature  controlling  restrictions  of  this  GC×GC  system,  oven‐2  must  be 

programmed at least 5C higher than the temperature of oven‐1.  

 

Figure 1 Schematic overview of the tunable two‐dimensional gas chromatography set‐

up  

 

For all experiments, oven‐1 was held for 1 minute at 50C and next programmed to 

180C. Oven‐2 was programmed having a positive temperature offset,  for both the 

initial and final oven temperature, of 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 or 40C compared to 

oven‐1. The temperature rates, for both ovens, were 3Cmin‐1. A modulation time of 

3.5 seconds was used. All separations were carried out using a constant helium flow 

of 1.2 ml/min. The injector temperature was 280C, using a split ratio of 1:50 and an 

injection volume of 1µL. The FID was operated at a temperature of 300C, using a data‐

acquisition rate of 200 Hz.        

6.3 46B46BResults and discussions 

6.3.1 93B93BInfluence of 2oven temperature offset on primary dimension separation 

In  figure  2,  part  of  the  primary  dimension  1D‐chromatograms  of  the  test mixture, 

measured at different oven‐2 temperature offsets, are given. The lower the oven‐2 

Page 151: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

149 

temperature offset the more the Stabilwax®‐DB column will contribute to the primary 

dimension separation. In figure 2 it can clearly be seen that the most polar compounds 

1,  3,  4,  7,  9  and  10,  shift  to  higher  retention  times  when  lowering  the  oven‐2 

temperature  offset.  The  relation  between  the  oven‐2  temperature  offset  and  the 

retention of the polar compounds can be described by a quadratic function.  In this 

example,  the  primary  dimension  separation  can  be  tuned  by  adjusting  the 

temperature offset to 10C,  in order to achieve a full baseline separation for all 10 

compounds.  

 

Figure 2 Influence of oven‐2 temperature offset on the primary dimension separation; 

analysis of a test mixture at different oven‐2 temperature offsets (1=ethanol; 2=ethyl 

ether;  3=1‐propanol;  4=propanenitrile;  5=hexane;  6=ethylacetate;  7=chloroform; 

8=cyclohexane; 9=isobutyronitrile; 10=2‐methyl‐1‐propanol 

6.3.2 94B94BInfluence of the temperature of 2oven offset on two‐dimension separation 

In figure 3 an overlay is given of the two‐dimensional chromatograms of the analysis 

of the test mixture measured at different oven‐2 temperature offsets. The highlighted 

and  colored  peaks  are measured  with  an  oven‐2  temperature  offset  of  40C,  the 

Page 152: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

150 

dark/grey peaks are measured sequentially with an oven‐2 temperature offset of 35, 

30, 25, 20, 15, 10 and 5C.   

 

In figure 3 it clearly can be seen that the influence of lowering the oven‐2 temperature 

offset  is  not  the  same  for  all  compounds.  The  compounds  in  box  A,  all  nonpolar 

compounds, do not shift when lowering the offset temperature indicating that these 

nonpolar  compounds  have  zero  affinity with  the  polar  Stabilwax®‐DB  column.  The 

compounds in the boxes B have significant retention on the polar ionic liquid SLB®‐

IL59 column but almost no retention on the polar Stabilwax®‐DB column. However, 

the compounds in the boxes C have significant retention on the polar ionic liquid SLB®‐

IL59 column and also significant  retention on  the polar Stabilwax®‐DB column. The 

compounds  in  the  boxes  C  are  not  susceptible  to  hydrogen  bonding  with  the 

polyethylene glycol stationary phase of the Stabilwax®‐DB column. The compounds in 

the  boxes  B  however  are  susceptible  to  hydrogen  bonding.  This  result  clearly 

demonstrates  

 the  different  retention  characteristics  of  the  polar  Stabilwax®‐DB‐column  and  the 

polar  ionic  liquid SLB®‐IL59 column: compounds with similar  retention on  the  ionic 

liquid  SLB®‐IL59  column,  for  example  peak  B`  (3‐methyl‐2‐pentanone)  and  C`  (1‐

pentanol) in figure 3, show different retention behavior on the Stabilwax®‐DB column. 

So, by changing the oven‐2 temperature offset, the overall selectivity of the primary 

dimension column can be altered. Partly or fully coeluting peaks, which have adequate 

different selectivity’s on  the Stabilwax®‐DB‐column and the polar  ionic  liquid SLB®‐

IL59 column may be separated simply by tuning the oven‐2 temperature offset. 

Page 153: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

151 

 

Figure 3 Influence of oven‐2 temperature offset on the two‐dimensional separation; 

analysis of a test mixture at different oven‐2 temperature offsets; highlighted colored 

peaks  are  measured  with  a  positive  oven‐2  offset  of  40C,  colorless  peaks  are 

sequentially measured with a positive offset of 35, 30, 25, 20, 15, 10 and 5C 

 

In  figure  4  the  second  dimension  retention  times  of  the  test mix  compounds  are 

plotted against the primary retention time differences measured when analyzing the 

test  mix  applying  a  temperature  oven‐2  offset  of  40C  and  5C.  These  measured 

retention time differences are related to the retention of the compounds on the polar 

Stabilwax®‐DB column (column‐2).      

In this plot three different groups, A, B, and C can be identified. The compounds in 

group  A  (e.g.  cyclohexane,  hexane,  heptane,  diethylether,  methylcyclopentane, 

ethylcyclopentane) show almost no retention on the second dimension column and 

their  retention  is  not  influenced  by  altering  the  temperature  offset  of  the  polar 

Stabilwax®‐DB column (column‐2). Compounds in group A are all nonpolar compounds 

Page 154: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

152 

showing low retention on both polar columns. The compounds in group B (e.g. diethyl 

ketone, 3,3‐dimethyl‐2‐butanone, 2,4‐dimethyl‐3‐pentanone, 3‐methyl‐2‐pentanone, 

3‐methyl‐2‐butanone, 2‐pentanone, 1‐pentanal, butanal)  show significant  retention 

on  the  second  dimension  column  and  low  retention  on  the  polar  Stabilwax®‐DB 

column (column‐2). All these compounds are significantly polar however are not able 

to undergo strong hydrogen bonding with the stationary polyethylene glycol phase of 

the polar Stabilwax®‐DB column. The compounds in group C (3‐methyl‐2‐pentanol, 2‐

methoxyethanol,  3‐methyl‐2‐butanol,  1‐hexanol,  isobutanol,  1‐butanol,  1‐propanol, 

ethanol, 2‐pentanol, 2‐hexen‐1‐ol, 3‐hexanol, 2‐hexanol)  show significant  retention 

on  the  polar  Stabilwax®‐DB  and  the  ionic  liquid  SLB®‐IL59  column.  All  these 

compounds  are  polar  and  able  to  undergo  hydrogen  bonding  with  the  stationary 

phase of the polar Stabilwax®‐DB column.  

This example clearly demonstrates that the selectivity of the primary dimension in this 

GC×GC setup can be tuned and also that this tunable GC×GC setup can be used for the 

identification of compound groups which have different retention behavior on both 

the Stabilwax®‐DB and the ionic liquid SLB®‐IL59 column. 

   

Page 155: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

153 

 

 

Figure 4 Analysis of test mixture by tunable GC×GC applying an oven‐2 temperature 

offset of 40C and 5C;  second dimension  retention  times plotted against  the delta 

primary  retention  time.  Group  A  are  nonpolar  compounds;  group  B  are  polar 

compounds, not able  to undergo hydrogen bonding; group C are polar compounds, 

able to undergo hydrogen bonding   

6.3.3 95B95BAnalysis of real‐life industrial plant samples 

In figure 5, part of the two‐dimensional chromatogram the industrial plant sample A, 

measured at different oven‐2 offset temperatures, is given. A few coelutions or critical 

separations, measured with an oven‐2 temperature offset of 40C, are indicated by 

the  yellow  circles.  When  lowering  the  temperature  offset,  so  increasing  the 

contribution  of  the  Stabilwax®‐DB  column,  the  separation  of  the  critical  pairs 

improves. For the critical pairs in the yellow circle B, it can clearly be seen than one 

peak shows relatively more retention on the Stabilwax®‐DB column compared to the 

other peaks,  leading  to  a  full  separation at  lower oven‐2  temperature offsets.  The 

critical separations indicated in the yellow circles A and C are coelutions of compounds 

which are wrapped‐around with peaks which are non‐polar and not wrapped‐around. 

Page 156: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

154 

At  lower  oven‐2  temperature  offsets  the  wrapped‐around  compounds  have more 

retention on the Stabilwax®‐DB column, compared to the non‐wrapped‐around peaks. 

Lowering  the  oven‐2  temperature  offset  has  no  or  little  effect  on  the  non‐polar 

compounds, while the more polar coeluting compounds show more retention on the 

Stabilwax®‐DB column. 

Of course, in complex chromatograms concurrently a decrease of resolution of other 

compounds will occur, so careful optimization is required. Temperature‐tuning GC×GC 

thus  will  offer  an  alternative  and  convenient  screening‐strategy  for  very  complex 

samples.  

   

Page 157: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

155 

 

 

Figure 5 Analysis of the industrial plant sample B by tunable GC×GC applying an oven‐

2  temperature  offset  of  40C,  30C,  20C,  10C  and  5C;  Yellow  circles  A,  B  and  C 

indicate coelutions or critical separations  

 

Page 158: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

156 

In figure 6, part of the two‐dimensional chromatogram of the industrial plant sample 

B, measured at an oven‐2 offset temperature of 40C and 10C, is given. At an offset 

of 40C, the low intensity peaks A and B coelute with the large intensity peak C. When 

lowering the temperature offset to 10C, peak A and B can be fully separated from 

peak C. Compounds A and B undergo more retention on the Stabilwax®‐DB column 

than compound C. 

 

Figure 6 Analysis of the industrial plant sample B by tunable GC×GC applying an oven‐

2 temperature offset of 40C and 10C; A, B and C indicate the target analytes  

Page 159: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

157 

6.4 47B47BConclusions and discussions   

By  using  the  temperature‐tunable  two  dimensional  gas  chromatography  setup 

described  in  this  paper  it  is  possible  to  tune  the  selectivity  of  the  first  dimension 

separation.  In  this  setup,  the  primary  dimension  exists  of  two  in  series‐coupled 

columns, a nonpolar CPSil8CB and a polar Stabilwax®‐DB column, in which the latter 

is positioned in a separate GC‐oven and a polar ionic liquid SLB®‐IL59 as the second 

dimension column. By altering the temperature offset of the separate GC‐oven the 

contribution  of  the  second,  primary  dimension,  column  (Stabilwax®‐DB)  can  be 

changed and thereby changing the overall primary dimension selectivity.  

 

It is essential that all three columns have different retention characteristics in order 

to optimize the overall two‐dimensional separation. However, the type of stationary 

phase  and  also  the  column  dimensions  of  the  in  series‐coupled  second  primary 

dimension  column  should  be  selected  carefully;  the  contribution  of  this  second 

column  to  the  overall  GC×GC  separation may  not  lead  to  a  significant  decrease  in 

orthogonality.  

 

Moreover, besides optimizing the resolution by tuning the selectivity of the overall 

primary  dimension,  this  temperature  tunable  GC×GC  setup  also  offers  enhanced 

opportunities  for qualitative analysis. By changing stepwise  the contribution of  the 

second  in  series‐coupled  primary  column  (Stabilwax®‐DB),  simply  by  changing  the 

oven‐2  temperature  offset,  groups  of  compounds  which  have  different  retention 

behavior on a polar Stabilwax®‐DB and a polar ionic liquid SLB®‐IL59 can be identified. 

In fact,  in this setup the extra column can be seen as a virtual third dimension. For 

example,  it  was  demonstrated  that  polar  compounds  which  are  susceptible  to 

hydrogen bonding, for instance alcohols, are relatively more retained when lowering 

the  oven‐2  temperature  offset,  so  thereby  increasing  the  Stabilwax®‐DB  retention 

contribution,  than polar  compounds which  are  not  susceptible  to  strong hydrogen 

bonding for example ketones. 

     

Page 160: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

158 

Besides  the  described  temperature‐tunable  GC×GC  setup  also  other  related 

configurations could be applied for tuning the overall two‐dimensional selectivity. A 

similar approach could be used to tune the selectivity of the secondary dimension. For 

this, two in series‐coupled secondary columns having similar internal diameters and 

in which  one  of  the  two  columns  is  positioned  in  a  separate GC  oven,  the  overall 

selectivity of  the  second dimension could be  tuned by optimizing  the  temperature 

offset.  However,  the  main  disadvantage  of  this  setup  is  the  fact  that  the  extra 

secondary  dimension  column,  including  a  required  column  connector,  which  are 

positioned after the GC×GC modulator, would lead to extra band broadening and also 

to a higher, in general less favorable, midpoint pressure.     

6.5 48B48BReferences 

[1] Liu, Z., Phillips, J. B., J. Chromatogr. Sci., 29 (1991), 227‐233. 

[2] Maštovská, K., Lehotay, S.J., J Chromatogr A, 1000 (2003), 1‐2, 153‐180. 

[3] Smith, H., Sacks, R., J Sep Sci, 25 (2002), 1‐2, 37‐44. 

[4] McGuigan, M., Sacks, R., Anal Chem, 73 (2001), 13, 3112‐3118.  

[5] Sacks, R., Coutant, C., Veriotti, T., Grail, A., J Sep Sci, 23 (2000), 3, 225‐234. 

[6] Grall, A.J., Sacks, R.D., Anal Chem, 72 (2000), 11, 2507‐2513. 

[7] Sacks, R., Coutant, C., Veriotti, T., Grall, A., J High Res Chromatog, 23 (2000), 3, 225‐

234. 

[8] Leonard, C., Sacks, R., Anal Chem, 71 (1999), 22, 5177‐5184.  

[9] Smith, H., Sacks, R., Anal Chem, 69 (1997), 24, 5159‐5164. 

[10] Akard, M., Sacks, R., Anal Chem, 68 (1996), 9, 1474‐1479.  

[11] Akard, M., Sacks, R., Anal Chem, 66 (1994), 19, 3036‐3041. 

[12] Sacks, R., Akard, M., Environ Sci  Technol, 28 (1994), 9, 428A‐433A. 

[13] Engewald, W., Maurer, T., J Chromatogr, 520 (1990), 3‐13. 

[14] Maurer, T., Engewald, W., Steinborn, A., J Chromatogr, 517 (1990), 77‐86. 

[15] Sandra P., David F., Proot M., Diricks G., Verstappe M., Verzele M.,  J High Res 

Chromatog, 8 (1985), 782. 

[16] Benická E., Krupčík J., Répka D., Sandra P., Chromatographia, 33 (1992), 9‐10, 463‐

466. 

Page 161: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

159 

[17] Repka D., Krupčík J., Benická E., Maurer T., Engewald W., J High Res Chromatog, 

13 (1990), 5, 333‐337. 

[18] Repka D., Krupčík J., Benická E., J Chromatogr, 463 (1989), 243‐251. 

   

Page 162: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

160 

   

Page 163: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

161 

7 6B6BTunable secondary dimension selectivity in comprehensive two‐

dimensional gas chromatography 

In  this  chapter  two  tunable  two‐dimensional  gas  chromatography  setups  are 

compared and described in which the secondary dimension consists of two different 

capillary  columns coupled  in  series.  In  the  first  setup,  the  selectivity of  the  second 

dimension can be tuned by adjusting the effective column length of the first secondary 

dimension column, simply by sliding it stepwise back or forward through the GC×GC 

modulator.  In  the  second  setup,  in which  the  first  secondary  dimension  column  is 

installed  in  a  separate  GC‐oven  (oven‐2),  the  overall  selectivity  of  the  second 

dimension can be tuned by adjusting the oven‐2 temperature offset with respect to 

the  main  oven.  The  contribution  of  the  first  secondary  dimension  column  to  the 

overall  secondary  dimension  separation  can  be  decreased  by  applying  a  higher 

temperature offset. A real‐life sample, the headspace of a coffee powder, was used to 

demonstrate the added value of tunable GC×GC by solving coelutions of some specific 

aroma compounds. Besides optimizing the overall GC×GC separation, by altering the 

second dimension column selectivity, these set‐ups also offer enhanced possibilities 

for qualitative analysis. By stepwise altering the selectivity of the second dimension, 

classes of compounds showing similar retention behavior could be discriminated. 

7.1 49B49BIntroduction 

GC×GC  method  optimization  is  far  more  complicated  compared  to  1D‐GC.  An 

important reason for this complexity is the fact that the two columns are linked and 

that changes in, for instance the column dimensions, flow or temperature of the first 

dimension affects both the primary and secondary dimension separation. Besides the 

difficult choice of the most optimal stationary phases and column dimensions for both 

the  primary  and  secondary  columns,  also  the modulator  parameters,  carrier  flow, 

oven temperature and detector settings have  to be optimized  in order  to optimize 

overall separation power and sensitivity [1–4]. Despite the high separation power of 

GC×GC, coelutions of target analytes or coelutions of target groups, in case of group‐

type analysis, still may occur especially for truly complex samples. 

Page 164: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

162 

In  this  chapter,  we  describe  two  different  tunable  two‐dimensional  gas 

chromatography setups in which the overall selectivity of the second dimension can 

be  tuned.  Coelutions  of  target  analytes  which  occur  in  the  second  dimension 

separation could be solved by applying  these setups.  In our  tunable GC×GC setups 

three  different  types  of  capillary  GC  columns,  different  in  terms  of  selectivity  and 

retention  mechanisms,  are  used  in  which  the  second  dimension  consists  of  two 

columns  coupled  in  series.  The  contribution  of  the  first  in  series‐coupled  second 

dimension column can be altered in two different ways; in the first setup by altering 

its effective column length, simply by sliding it stepwise back or forward through the 

modulator;  in  the  second  setup,  in  which  the  first  second  dimension  column  is 

installed in a separate GC‐oven (oven‐2), by altering the oven‐2 temperature offset 

with respect to the temperature of the main oven. So, by adjusting the contribution 

of the first second dimension column, the overall selectivity of the second dimension 

can be altered or tuned. 

Tuning  column  selectivity,  for  one‐dimensional  gas  chromatography,  by  using  two 

different  in series‐coupled columns has already been described  in  the  literature.  In 

most cases the selectivity can be altered by adjusting the pressure at the mid‐point of 

the  two  in  series‐coupled columns by using a T‐connector and an extra  carrier gas 

supply  [6–10].  Also,  tuning  of  selectivity  by  optimizing  the  individual  column 

temperatures  for  series‐coupled  columns  in  dual‐oven  one‐dimensional  gas 

chromatographic systems has been described [11–14]. 

To  the  best  of  our  knowledge,  tuning  of  comprehensive  two‐dimensional  gas 

chromatography  separations,  based  on  optimizing  the  overall  second  dimension 

selectivity of two  in series‐coupled columns by altering the effective  lengths or the 

temperature offset of one of the two in series coupled second dimension columns has 

not been described in the literature. Tuning of GC×GC separations by optimizing the 

primary  dimension  selectivity  of  two  in  series‐coupled  columns  by  altering  the 

temperature offset of one of the two columns has been published in literature by the 

authors of this paper [5]. 

Page 165: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

163 

7.2 50B50BExperimental 

7.2.1 96B96BTest mixtures and real‐life samples 

A homemade test mixture, containing 60 compounds, was used for all experiments. 

For  analysis,  the  test  mix  was  diluted  50  times  in  acetonitrile.  The  test  mixture 

contained 25 μL of each of the following compounds: n‐hexane, n‐heptane, n‐octane, 

n‐nonane, n‐decane, 2‐methylbutane, 2‐methylpentane, 2,3‐dimethylbutane, 2,3,4‐

trimethylpentane, 1‐hexene, 1‐heptene, 1‐octene, methanol, ethanol, 1‐propanol, 1‐

butanol,  1‐pentanol,  1‐hexanol,  1‐heptanol,  isobutanol,  2‐heptanol,  3‐methyl‐1‐

butanol,  3‐methyl‐2‐butanol,  2‐methyl‐2‐butanol,  propionaldehyde,  heptanal, 

nonanal, decanal, acetone, 2‐butanone, 2‐pentanone, 2‐hexanone, formic acid, acetic 

acid, propionic acid, pentanoic acid, benzyl acetate, ethyl acetate, ethyl propionate, 

butyl  acetate,  dipropylether,  t‐butylmethylether,  diethylether,  n‐butyronitrile, 

valeronitrile,  propanenitrile,  heptanenitrile,  octanenitrile,  toluene,  o‐xylene,  m‐

xylene, benzene, butylamine, hexylamine, diethylamine, dibutylamine, triethylamine, 

cyclohexane, methylcyclohexane, 1,3‐dimethylcyclohexane. Coffee powder (Senseo®) 

was used as a real‐life sample for demonstrating the use of tunable GC×GC. 

7.2.2 97B97BInstrumental and materials 

All GC×GC‐FID and GC×GC‐TOFMS analyses were carried out on a Leco Pegasus 4D 

GC×GC system  (St.  Joseph, MI, USA), equipped with a  secondary GC‐oven  (oven‐2) 

which  was  positioned  inside  the  main  GC‐oven,  a  Combipal  autosampler  (CTC 

Analytics  AG,  Switzerland)  equipped  with  a  solid  phase  micro  extraction  (SPME) 

option, a hot split/splitless injector, a time‐of‐flight mass spectrometer (ToFMS) and a 

flame  ionization  detector  (FID).  Instrument  control  and  data  processing  was 

performed by Leco ChromaTOF® software (St. Joseph, MI, USA) version 3.25. For all 

calculations  Microsoft®  Excel  version  Office  Professional  Plus  2010  (Redmond, 

Washington, VWA, USA), was used. All tuning experiments were carried out using the 

FID. The TOFMS was only used for identifying compounds. 

A schematic overview of the two different, tunable GC×GC setups, A and B, are given 

in Figure 1. Column 1, the primary dimension column, is a nonpolar 30 m × 0.25 mm, 

Page 166: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

164 

1 μm film thickness VF1ms column, purchased from Agilent Technologies (Santa Clara, 

CA, USA). The second dimension consists of two columns which are coupled in series; 

column  2  is  a  polar  1 m × 0.1 mm,  0.1 μm  film  thickness Wax‐HT®  column  (Mega, 

Legnano,  MI,  Italy)  and  column  3  is  a  medium  polar  2 m × 0.1 mm,  0.2 μm  film 

thickness  VF17ms  column  (Agilent  Technologies,  Santa Clara,  CA, USA).  All  column 

connections were made by using SilTite™ μ‐Unions, purchased from SGE Europe Ltd 

(Buckinghamshire, United Kingdom). 

 

Figure 1 Schematic overview of the two tunable two‐dimensional gas chromatography 

setups. 

 

In setup A, all three columns are installed in the main GC‐oven. Column 2, the Wax‐

HT®, passes through the modulator. The sum of the length of both columns 2 and 3, 

positioned  after  the  last  cold  jet  of  the modulator  can be defined  as  the  effective 

secondary column length; only this part of the column will contribute to the secondary 

dimension  separation.  In  figure  A1,  column  2  is  fully  positioned  in  front  of  the 

modulator so column 2 does not contribute to the second dimension separation; the 

second dimension separation will be  fully based on  interactions of  the compounds 

with the VF17ms stationary phase. In figure A2, column 2 is now fully positioned after 

the modulator so column 2 does fully contribute to the second dimension separation; 

in this case the separation will be based on interactions of the compounds with both 

the  VF17ms  and  the  Wax‐HT®  stationary  phases.  Tuning  of  secondary  dimension 

Page 167: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

165 

separation  can  be  performed  by  sliding  the  column  2  stepwise  back  or  forwards 

through  the  modulator  decreasing  or  increasing  its  contribution  to  the  overall 

selectivity. Sliding the column through the modulator is straightforward and easy to 

perform. In order to determine the final effective column length with precision, the 

column is marked every 5 cm with a heat resistant marker. 

In setup B, column 2, the Wax‐HT® column is installed in a separate GC‐oven (oven‐2), 

the other two columns are positioned in the main GC oven. The contribution of column 

2 can be altered by adjusting the temperature offset of oven‐2 with respect to the 

temperature of the main GC oven. 

In setup C, only column 1 (30 m × 0.25 mm, 1 μm film thickness VF1ms) and column 2 

(2 m × 0.1 mm, 0.1 μm film thickness Wax‐HT®) are used. The front part of column 2 

(1 m) is positioned in the Oven‐2 and the rear part (1 m) is positioned in the main GC 

oven. Setup C is used to demonstrate the added value of adding a third column, with 

different selectivity, to a GC×GC setup by comparing the test mixture results obtained 

with setups B and C. 

7.2.3 98B98BChromatographic conditions 

For  all  the  GC×GC  experiments,  the  oven  was  held  for  2 min  at  50°C  and  next 

programmed  to 280°C and held  for 1 min. The  temperature  rate was 3°C min−1. A 

modulation time of 5 s was used. Helium was used as the carrier gas. All analyses were 

carried out using a constant flow of 1.5 ml/min. The injector temperature was 250°C, 

using a split ratio of 1:50 and an injection volume of 1 μL. The FID was operated at a 

temperature  of  280°C,  using  a  data‐acquisition  rate  of  200 Hz.  For  the  setup  B 

experiments, a positive temperature offset (5 to 40°C in steps of 5°C) with respect to 

the  main  oven  temperature  program  was  used.  The  main  oven  temperature  was 

programmed to 260°C. 

For the headspace analysis of the coffee powder sample by SPME‐GC×GC a Supelco 

(Bellefonte, PA, VS) PDMS/DVB, 65 μm thickness, SPME fiber was used. Approximately 

5 g of the coffee powder sample was transferred into a headspace vial and capped. 

The SPME headspace extraction was performed during 15 min at 50°C. The fiber was 

Page 168: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

166 

desorbed in the GC×GC injector at a temperature of 270°C for 1 min under splitless 

conditions. The modulation time was set to 7 s. 

7.3 51B51BResults and discussions 

7.3.1 99B99BResults of the tunable GC×GC setup A 

Influence of the effective secondary dimension column length on retention times 

As expected, when  increasing  the effective secondary  length of column 2 all peaks 

shift  to  higher  secondary  retention  times  due  to  the  fact  that  the  total  secondary 

column  length  increases  as  does  the  dead  volume  time.  In  Figure  2,  the  two‐

dimensional chromatograms of the test mixture, measured at 0 and 90 cm effective 

lengths of column 2 (Wax‐HT® column) are given, corrected for the dead volume time 

increase.  In  order  to  compensate  for  dead  volume  increase  when  increasing  the 

effective secondary column length, each chromatogram was vertically shifted in the 

secondary dimension by its increase of the dead volume time as measured for octane. 

 

Page 169: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

167 

 

Figure 2. Results of the tunable GC×GC setup A; two‐dimensional chromatograms of 

the test mixture, measured at 0 and 90 cm effective secondary  lengths of column 2 

(Wax‐HT® column). Data are corrected for the second dimension dead time increase. 

Peak identifications: #1 = 3‐methyl‐1‐butanol), #2 = 1‐pentanol, #3 = toluene, #4 = 2‐

hexanone, #5 = valeronitrile, #6 = butyl acetate, and #7 = methylcyclohexane. 

 

These results clearly show that the selectivity of the second dimension can be altered 

simply by adjusting the effective length of the first secondary dimension column. For 

example,  peak  1  (3‐methyl‐1‐butanol),  2  (1‐pentanol)  and  5  (valeronitrile),  shift 

significantly more than peak 3 (toluene), 4 (2‐hexanone) and 6 (butyl acetate), when 

increasing the effective secondary column  length of column 2  from 0 cm to 90 cm; 

even  the  second  dimension  elution  order  of  peak  1  and  2  compared  to  peak  4  is 

reversed. Peak 1 and 2 are alcohols and peak 5 is a nitrile; alcohols and nitriles can 

Prim. dimension (s) 

Sec. dim

ension (s) 

Page 170: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

168 

undergo strong hydrogen‐bonding with the stationary phase of column‐2 (Wax‐HT® 

column). So,  increasing the effective length of the Wax‐HT® relatively  increases the 

second dimension retention of compounds which can undergo hydrogen bonding. 

Additionally, it is observed that the primary retention times do not shift when varying 

the effective secondary column length. This can be explained by the fact that the sum 

of the lengths of columns 2 and 3 are for all experiments constant, thus the pressure‐

drop across the primary column 1 and therefore also the primary retention times, are 

constant. This also proves that the residence time of the column 2 segment upstream 

of the modulator is negligible. 

For all different compounds  in  the  test mixture an approximately  linear  function  is 

observed  for  the  secondary  retention  time  increase  versus  the  effective  length  of 

column 2. The increase is different for different types of compounds and is also related 

to the secondary retention time. 

In Figure 3, the secondary retention times of the test mixture compounds, measured 

at an effective column‐2 (Wax‐HT®) length of 0 cm, are plotted versus the secondary 

retention time measured at an effective column‐2 length of 90 cm. The dashed line in 

Figure  3  represents  the  theoretical  situation  when  the  influence  of  altering  the 

effective secondary length of the first secondary column is zero. Also, the linear plot 

of  the  alkanes  is  extrapolated.  For  the  nonpolar  alkanes,  it  is  expected  that  the 

interaction  with  the  stationary  phase  of  the  polar Wax‐HT®  column  (column‐2)  is 

virtually zero; so the increase of the second dimension retention times of the alkanes, 

when increasing the effective length of the Wax‐HT® column, could be fully attributed 

to  the corresponding  increase of  the dead volume times. The  increase of  the dead 

volume time going from 0 cm to 90 cm effective length of the first second dimension 

column is approximately 1 s for all alkanes. 

 

Page 171: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

169 

 

Figure 3. Secondary retention time of the test mixture compounds measured using an 

effective secondary length of column‐2 (Wax‐HT®) of 0 cm versus 90 cm. 

 

Based on Figure 3 and the assumption that the alkanes have no significant interaction 

with stationary phase of the Wax‐HT® column, it can be concluded that alkenes, ethers 

and cycloalkanes also show no significant  interaction with the Wax‐HT® column; all 

compounds of  these  groups  are positioned on  the  linear  alkane plot.  The medium 

polar acetates, ketones and aromatics undergo significant interaction with the Wax‐

HT® and the most  interaction  is observed for  the nitriles and the primary alcohols, 

both able to undergo strong hydrogen bonding with the stationary phase of the Wax‐

HT®  column.  These  observations  are  in  good  agreement  with  data  published 

previously  concerning  the  analysis  of  homologous  series  on  “Non‐polar × Wax” 

column‐sets [15]. In figure 3, all groups showing significant interaction with the Wax‐

HT® column are positioned above the linear alkane plot; each group having a higher 

slope compared to the slope of the alkane plot. 

Based on these results it is clear that compounds within one chemical group undergo 

similar  retention  behavior  on  the  Wax‐HT®  column;  all  compounds  within  one 

chemical group are approximately positioned on the same linear plot having a certain 

Page 172: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

170 

slope. For example, the 9 primary alcohols: methanol, ethanol, 1‐propanol, 2‐methyl‐

1‐propanol (isobutanol), 1‐butanol, 3‐methyl‐1‐butanol, 1‐pentanol, 1‐hexanol and 1‐

heptanol having a carbon range from C1 to C7 and a primary retention time range 

from 5 to 27 min are all approximately positioned on the same linear plot, as given in 

figure 3, having an r‐squared value of 0.99. 

7.3.2 100B100BResults of the tunable GC×GC setup B 

In figure 4, the two‐dimensional chromatograms of the test mixture, measured at a 

positive oven‐2 temperature offset of 40 and 5°C, compared to the main oven, are 

given. For setup B, the test mixture results, with respect to selectivity, are similar with 

the results obtained for setup A. When decreasing the oven‐2 temperature offset the 

contribution  of  the Wax‐HT®  column  increases  and  thereby  increases  the  second 

dimension  retention  of  compounds  which  can  undergo  hydrogen  bonding,  for 

example peak 1  (3‐methyl‐1‐butanol), 2  (1‐pentanol) and 5  (valeronitrile), with  the 

stationary phase of the Wax‐HT® column. 

   

Page 173: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

171 

 

Figure 4. Results of the tunable GC×GC setup B; two‐dimensional chromatograms of 

the test mixture, measured at an oven‐2 temperature offset of 40 and 5°C (Wax‐HT® 

column is installed in the oven‐2). 

 

In contrast to setup‐A, altering the oven‐2 temperature offset has nearly no effect on 

the second dimension dead volume time, given the fact that the effective secondary 

column length is kept constant. So, the increase of the second dimension retention 

times, when lowering the oven‐2 temperature offset, could be fully attributed to the 

interaction of the compounds with the stationary phase of column‐2 (Wax‐HT®). For 

all  test  mixture  compounds  a  quadratic  function  is  observed  for  the  secondary 

retention time decrease versus the oven‐2 temperature offset. 

Besides this,  it  is observed that the primary retention times slightly decrease when 

lowering  the  oven‐2  temperature  offset.  The  primary  retention  time  shifts  are 

Prim. dimension (s) 

Sec. dim

ension (s) 

Page 174: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

172 

calculated for each test mixture compound by subtracting its retention time measured 

at an oven‐2 offset of 35, 30, 25, 20, 15, 10 or 5°C minus its retention time measured 

at an oven‐2 offset of 40°C. A linear function (r2 = 0.999) is observed for the influence 

of the oven‐2 temperature offset on the primary retention time shift. This could be 

explained  by  the  fact  that  the  viscosity  of  the  carrier  gas  helium  increases  when 

increasing the oven‐2 temperature. So, when increasing the oven‐2 temperature, the 

viscosity of the helium gas increases, therefore the pressure at the GC×GC midpoint 

also will increase leading to a lower pressure drop across the primary column resulting 

in an increase of the primary retention times. However,  it has to be noted that the 

observed  primary  retention  time  shift  is  not  larger  than  5  modulations  and  no 

noticeable primary separation selectivity changes were induced. 

In figure 5 the secondary retention times of the test mixture compounds, measured 

at an oven‐2 temperature offset of 40°C are plotted versus the secondary retention 

times measured at an oven‐2 temperature offset of 5°C. The dashed line in Figure 5 

represents  the  theoretical  situation  when  the  influence  of  altering  the  oven‐2 

temperature offset is zero. Furthermore, the linear plot of the nonpolar alkanes, which 

are expected to have virtually no interaction with the stationary phase of the Wax‐

HT® column, is extrapolated. However, as can be observed in Figure 5, the nonpolar 

alkanes show a slight retention time increase when lowering the oven‐2 temperature 

offset from 40°C to 5°C. 

 

Page 175: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

173 

 

Figure 5. Secondary retention time of test mixture compounds measured at an oven‐2 

temperature offset of 40°C versus 5°C. 

 

Additionally, it is observed that the influence of the tuning experiments on the second 

dimension retention time shifts is larger for setup A than for setup B. The influence of 

setup B could be significantly increased by using, for instance a negative temperature 

oven‐2 offset, which was not possible with our current GC×GC setup. 

As for setup A, it is clear that compounds within one chemical group undergo similar 

retention  behavior  on  the Wax‐HT®  column.  For  setup  A,  the  9  different  primary 

alcohols having a carbon range from C1 to C7 and a primary retention time range from 

5 to 27 min are all approximately positioned on the same linear plot, as given in Figure 

5, having an r‐squared value of 0.99. 

7.3.3 101B101BResults of the GC×GC setup C 

In Figure 6, the two‐dimensional chromatograms of the test mixture, measured at a 

positive oven‐2 temperature offset of 40 and 5°C, compared to the main oven, are 

given.  In  contrast  to  setups A and B, no noticeable differences  in  selectivity  in  the 

secondary dimension separation are observed for setup C when lowering the oven‐2 

Page 176: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

174 

temperature offset from 40°C to 5°C. The secondary retention time shift for all peaks 

is  approximately  equal  and  proportional  to  the  relative  retention  in  the  second 

dimension. 

 

Figure 6. Results of the GC×GC setup C; two‐dimensional chromatograms of the test 

mixture, measured at an oven‐2 temperature offset of 40 and 5°C. 

 

In Figure 7 the secondary retention times of the test mixture compounds, measured 

at an oven‐2 temperature offset of 40°C are plotted versus the secondary retention 

times measured at an oven‐2 temperature offset of 5°C. The dashed line in Figure 7 

represents  the  theoretical  situation  when  the  influence  of  altering  the  oven‐2 

temperature offset is zero. As can be seen in Figure 7, all test mixture compounds from 

different chemical classes can be positioned on one linear plot having an r‐squared of 

0.99. Based on these results it can be concluded that altering the temperature offset 

Prim. dimension (s) 

Sec. dim

ension (s) 

Page 177: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

175 

of part of the second dimension column (Wax‐HT®), so without using a different third 

column,  will  not  introduce  noticeable  selectivity  differences.  In  order  to  alter  the 

selectivity of the second dimension, a different third column, different than the other 

two columns with respect to selectivity, should be used as demonstrated using setup 

A or B. 

 

Figure 7. Secondary retention time of test mixture compounds measured at an oven‐2 

temperature offset of 40°C versus 5°C. 

 

The main advantage of setup B compared to setup A is the ease of use; for setup B, 

tuning by altering the oven‐2 temperature offset can be programmed using the GC×GC 

acquisition software, for setup A, tuning must be performed by physically increasing 

or decreasing the effective length of the first column of the second dimension. 

7.3.4 102B102BReal‐life example 

The headspace of a coffee powder sample has been analyzed by SPME‐GC×GC using 

setup‐A with an effective secondary column  length (Wax‐HT® column) of 0, 20 and 

90 cm. In Figure 8 the two‐dimensional chromatograms are given. The chromatograms 

Page 178: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

176 

are  corrected  for  the  second  dimension  dead  time  increase  when  increasing  the 

effective secondary column length. 

 

 

Figure  8.  Two‐dimensional  chromatograms  of  the  headspace  of  a  coffee  powder 

sample, measured at 0, 20 and 90 cm effective secondary lengths of column 2 (Wax‐

HT® column). Data are corrected for the second dimension dead time increase. 

Sec. dim

ension (s) 

Prim. dimension (s) 

Page 179: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

177 

This real‐life example clearly demonstrates the added value of the tunable‐GC×GC. For 

example  the  coelution of  the  two aroma  compounds 2‐methyl‐3‐hydroxy‐4‐pyrone 

(maltol) and 1‐methylpyrrole‐2‐carboxaldehyde (see Figure 8, number 1), observed at 

an effective secondary column length of 0 cm is solved when increasing the effective 

column  length  to  20  or  40 cm.  In  this  case  the  1‐methylpyrrole‐2‐carboxaldehyde 

undergoes more interaction with the stationary phase of the WAX‐HT® column and is 

therefore more retained when  increasing the effective  length than the 2‐methyl‐3‐

hydroxy‐4‐pyrone. 

However,  coelutions  also  may  be  introduced  when  altering  the  selectivity  of  the 

second dimension. For example the two aroma compounds 4‐hydroxy‐2,5‐dimethyl‐

3(2H)‐furanone (Furaneol) and 2‐acetylpyrrole (see Figure 8, number 2) are baseline 

separated using an effective secondary column length of 0 cm and show full coelution 

when  increasing  the effective  secondary  length  to 40 cm.  In  this  case  the Furaneol 

undergoes more interaction with the WAX‐HT® stationary phase and is therefore more 

retained  when  increasing  the  effective  length  of  column  2,  compared  to  2‐

acetylpyrrole. 

Besides tuning the selectivity in order to optimize separation or solve coelutions, this 

setup  also  can  be  used  to  discriminate  different  types  of  chemical  compounds  or 

chemical classes in order to support identification. In this setup compounds which are 

able to undergo strong hydrogen bonding with the stationary phase of the Wax‐HT® 

column can easily be discriminated from compounds which show no or significantly 

less  interaction  with  the  Wax‐HT®  column.  For  example,  peak  3  (3‐pyrrole 

carboxaldehyde),  show  significantly  more  retention  when  increasing  the  effective 

secondary  column  length  of  the  Wax‐HT®  column,  than  peak  4  (2‐furanmethyl 

acetate), which has similar retention times, indicating that peak 3 is able to undergo 

strong hydrogen bonding with the stationary phase of the Wax‐HT® column. 

7.4 52B52BConclusions and discussions 

The  two‐dimensional  gas  chromatography  setups A  and B,  in which  the  secondary 

dimension consists of two different capillary columns coupled in series, can both be 

used to alter or tune the overall column selectivity of the second dimension. 

Page 180: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

178 

In  setup A,  the  selectivity  of  the  second dimension  can  be  tuned  by  adjusting  the 

effective column length of the first secondary dimension column, simply by sliding it 

stepwise back or forward through the GC×GC modulator. In setup B, in which the first 

secondary dimension column is installed in a separate GC‐oven (oven‐2), the overall 

selectivity of the second dimension can be tuned by adjusting the oven‐2 temperature 

offset with respect to the main oven. Increasing the effective secondary column length 

of column 2 or lowering the temperature offset of column‐2 compared to the main 

oven lead to similar results with respect to the second dimension selectivity changes. 

For both setups, the influence of tuning on the second dimension retention times is 

the most for compounds which are able to undergo strong hydrogen bonding with the 

stationary phase of the Wax‐HT® column. 

Both setups also show that compounds within one chemical group undergo similar 

retention behavior on the Wax‐HT® column; all compounds within one chemical group 

are approximately positioned on the same linear plot of second dimension retention 

time measured at an effective length of 0 cm or an oven‐2 temperature offset of 5°C 

plotted versus second dimension retention time measured at an effective length of 

40 cm  or  an  oven‐2  temperature  offset  of  40°C,  respectively.  Analogous  to  the 

structure in two‐dimensional GC×GC chromatograms tunable two‐dimensional GC×GC 

leads additionally to structured‐difference GC×GC chromatograms. To conclude, this 

approach could be used  to  support  the  identification or discrimination of different 

chemical groups which show different retention behavior. 

For  setup A,  increasing  the  secondary  effective  length of  column‐2  also  leads  to  a 

proportional  increase  of  the  secondary  dimension  dead  volume  time.  Altering  the 

second dimension effective length has no significant effect on the primary retention 

times due to the fact that the total secondary column length is constant. For setup B, 

changing the oven‐2 temperature offset of column‐2 from 40°C to 5°C has a minor 

effect  on  the  primary  dimension  retention  times  (this  effect  is  not  larger  than  5 

modulations) which all slightly decrease. This influence could be explained by the fact 

that  the  viscosity  of  the  carrier  gas  helium  increases  when  increasing  the  oven‐2 

temperature offset. 

Future  research  will  mainly  focus  on  the  use  of  tunable  GC×GC  to  support  the 

identification or discrimination of different chemical groups (or homologous series) by 

Page 181: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

179 

developing chemometric data processing tools. When altering the selectivity of one of 

both GC×GC dimensions, these chemometric tools should be able to predict for each 

individual compound, known or unknown, its primary and secondary retention times 

but also its retention time shift induced by the change of the GC×GC selectivity. This 

retention time shift corresponds to the contribution of the extra third column to the 

overall  selectivity;  this  retention  time  shift  could  be  defined  as  a  “pseudo  third 

dimension”  retention  time.  The  ease  of  determining  the  retention  time  shifts 

accurately  for  each  individual  compound,  by  correlating  two  or  preferably  more 

GC×GC  chromatograms,  will  strongly  depend  on  the  complexity  of  the  GC×GC 

chromatograms. 

7.5 53B53BReferences 

[1] A. Mostafa, M. Edwards, T. Górecki, J. Chromatogr. A, 1255 (2012), pp. 38‐55 

[2] J. Dallüge, R.J.J. Vreuls, J. Beens, U.A.Th. Brinkman, J. Sep. Sci., 25 (2002), pp. 201‐

214 

[3] K. Banerjee, S.H. Patil, S. Dasgupta, D.P. Oulkar, S.B. Patil, R. Savant, P.G. Adsule, J. 

Chromatogr. A, 1190 (1/2) (2008), pp. 350‐357 

[4] J. Omar, I. Alonso, M. Olivares, A. Vallejo, N. Etxebarria, Talanta, 88 (2012), pp. 145‐

151 

[5] J. Mommers, J. Knooren, T. Dutriez, S. van der Wal, J. Chromatogr. A, 1270, (2012), 

pp. 305‐309 

[6] K. Maštovská, S.J. Lehotay, J. Chromatogr. A, 1000 (1/2) (2003), pp. 153‐180 

[7] M. McGuigan, R. Sacks, Anal. Chem., 73 (13) (2001), pp. 3112‐3118 

[8] A.J. Grall, R.D. Sacks, Anal. Chem., 72 (11) (2000), pp. 2507‐2513 

[9] W. Engewald, T. Maurer, J. Chromatogr., 520 (1990), pp. 3‐13 

[10] T. Maurer, W. Engewald, A. Steinborn, J. Chromatogr., 517 (1990), pp. 77‐86 

[11] P. Sandra, F. David, M. Proot, G. Diricks, M. Verstappe, M. Verzele 

J. High Resolut. Chromatogr., 8 (1985), p. 782 

[12] E. Benická, J. Krupčík, D. Répka, P. Sandra, Chromatographia, 33 (9/10) (1992), pp. 

463‐466 

Page 182: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

180 

[13]  D.  Repka,  J.  Krupčík,  E.  Benická,  T.  Maurer,  W.  Engewald,  J.  High  Resolut. 

Chromatogr., 13 (5) (1990), pp. 333‐337 

[14] D. Repka, J. Krupčík, E. Benická, J. Chromatogr., 463 (1989), pp. 243‐251 

[15] J.V. Seeley, E.M. Libby, K.A. Hill Edwards, S.K. Seeley, J. Chromatogr. A, 1216 (10) 

(2009), pp. 1650‐1657 

   

Page 183: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

181 

8 7B7BSummary 

Method Development for Comprehensive Two‐Dimensional Gas Chromatography  

Comprehensive  two‐dimensional  gas  chromatography  (GC×GC)  is  a  powerful 

analytical technique capable of proving high separation power, enhanced sensitivity, 

and  structured  chromatograms.  Although,  GC×GC  technology  is  becoming  more 

mature,  more  accessible,  and  increasingly  adopted  by  analytical  chemists,  GC×GC 

method development is significantly more difficult than for 1D‐GC. For GC×GC more 

method development choices need to be made and optimization is difficult due to a 

complex  interplay of the many 1D and 2D parameters. Method development  is also 

restricted by the modulation criterion and column‐set temperature limitations. Also, 

the usual  difference  in  the primary  and  secondary  internal  diameters prevent  that 

both columns can be operated at their optimal  linear gas velocities (flow mismatch 

issue) and the usually  smaller  secondary  internal diameter may often  lead  to mass 

loadability issues. If that’s not all, peaks in GC×GC may shift in two directions which 

causes alignment issues which are less straightforward to solve compared to 1D‐GC 

retention time shifts.  

In  order  to  make  optimal  use  of  GC×GC,  a  systematic  approach  of  method 

development is essential. The choices should be based on a thorough understanding 

of the main analytical question (and its requirements) and knowledge of the sample 

analytes and matrix compounds. Based on this, the GC×GC set‐up, the initial column‐

set and all other parameters could be chosen, tested and optimized. In chapter 2, a 

review is given in which several papers concerning GC×GC method development are 

discussed and guidelines  for GC×GC method development are proposed.  The most 

important and also most difficult task in GC×GC method development is the choice of 

the column‐set. In chapter 3, a procedure is described for the global prediction of best 

GC×GC column‐sets, based on the adapted Abraham solvation parameter model as 

published by Seeley et al. This prediction procedure may assist  in roughly selecting 

best column‐sets as a starting point. In chapter 4 the issue of GC×GC retention time 

shifts  is  addressed.  A  fast  and  easy  to  perform,  two‐step  retention  time  locking 

procedure  for  GC×GC  is  proposed  and  its  feasibility  is  demonstrated.  This  2D‐RTL 

procure  is  routinely  used  for  already  5  years  in  our  Lab  at  DSM.  In  chapter  5,  a 

Page 184: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

182 

retention time locking procedure for locking primary and secondary retention times 

of detector signals in GC×GC dual‐detection is proposed and its practical advantages 

are demonstrated and discussed. Chapter 6 and 7, both deal with optimizing GC×GC 

selectivity  by  tuning  selectivity  in  the  first  and/or  the  second  dimension.  These 

approaches could be used to further optimize or fine‐tune certain (difficult) target or 

group‐type  separations  especially  for  truly  complex  chromatograms.  These  set‐ups 

also offer enhanced possibilities for qualitative analysis.  

The actual analytical power of GC×GC for the analysis of a particular complex sample 

(application) strongly depends on the method development choices and optimization, 

but also on good chromatography practice and the data processing approach; all of 

this to be able to answer the analytical question. 

 

   

Page 185: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

183 

9 8B8BSamenvatting 

Methodeontwikkeling voor “comprehensive” tweedimensionale gaschromatografie 

“Comprehensive”  (Alomvattende)  tweedimensionale  gaschromatografie  (GC×GC)  is 

een  krachtige  analysetechniek  en  biedt  in  vergelijking  tot  eendimensionale 

gaschromatografie  (1D‐GC)  mogelijkheden  tot  een  groter  scheidend  vermogen, 

betere gevoeligheid en gestructureerde chromatogrammen.   

GC×GC  is  in  de  afgelopen  20  jaar  uitgegroeid  tot  een  relatief  volwassen  en 

toegankelijke analysetechniek die steeds vaker wordt toegepast voor het oplossen van 

complexe analytische vraagstukken.   GC×GC‐methodeontwikkeling  is echter niet  zo 

eenvoudig als die voor 1D‐GC. Voor GC×GC‐methodeontwikkeling moeten veel meer 

keuzes gemaakt worden en optimalisatie is moeilijk door een complexe wisselwerking 

tussen  de  vele  eerste‐  en  tweede‐dimensionale  parameters. 

Methodeontwikkelingskeuzes  zijn ook gelimiteerd door het modulatie  criterium en 

door de maximale  toelaatbare  temperatuur van de kolommen. Ook het  feit dat de 

diameter van de tweede dimensie kolom in de meeste gevallen kleiner is dan die van 

de eerste dimensie kolom, verhindert dat beide kolommen kunnen worden bedreven 

onder hun optimale  lineaire gassnelheden, dit wordt ook wel het  “flow‐mismatch” 

probleem  genoemd.  Het  verschil  in  diameters  kan  ook  leiden  tot 

massabelaadbaarheidsproblemen  van  de  tweede  dimensie  kolom.  Een  andere 

moeilijkheid  is het  feit dat pieken  in GC×GC kunnen verschuiven  in twee richtingen 

hetgeen kan  leiden tot problemen met onder andere het onderling vergelijken van 

chromatogrammen of problemen met het gebruik van 2D‐sjablonen (2D‐templates). 

In 1D‐GC kunnen piek  verschuivingen eenvoudig worden opgelost door aanpassing 

van  de  kolom  inlaat  druk  (retentietijd  locking),  in  GC×GC  is  dit  echter  niet  zo 

eenvoudig. 

Om optimaal gebruik te kunnen maken van GC×GC is een systematische aanpak voor 

methodeontwikkeling  essentieel.  Belangrijk  bij  het  maken  van  de  juiste 

methodeontwikkelingskeuzes is het grondig begrijpen van de analytische vraagstelling 

en kennis van de te analyseren monsters. Op basis hiervan kan de GC×GC‐opstelling 

en  een  eerste  kolommen‐set  worden  gekozen  en  geoptimaliseerd.  In  hoofdstuk  2 

wordt  een  overzicht  gegeven  met  betrekking  tot  GC×GC‐methodeontwikkeling, 

Page 186: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

184 

gebaseerd  op  verschillende  wetenschappelijke  artikelen,  waarin  deze  worden 

bediscussieerd  en  richtlijnen  worden  voorgesteld  voor  methodeontwikkeling.  De 

belangrijkste en tevens moeilijkste taak bij GC×GC‐methodeontwikkeling is de keuze 

van  de  kolommen‐set.  In  hoofdstuk  3  wordt  een  procedure  beschreven  voor  het 

globaal voorspellen van de beste GC×GC‐kolommensets, voor een specifieke set van 

geselecteerde  componenten.  De  procedure  is  gebaseerd  op  een  model  dat 

gepubliceerd  is  door  Seeley  en  gebruik  maakt  van  Abraham’s 

oplosbaarheidsparameters. Deze procedure kan gebruikt worden voor het selecteren 

van  een  eerste  kolommen‐set  als  startpunt  van  de  methodeontwikkeling.    In 

hoofdstuk  4  wordt  een  eenvoudige  twee‐staps  procedure  beschreven  voor  het 

“locken” (=vastleggen) van GC×GC‐retentietijden; met deze procedure is het mogelijk 

om piek verschuivingen te minimaliseren. Deze 2D‐locking procedure wordt al meer 

dan vijf jaar succesvol toegepast binnen DSM. In hoofdstuk 5 wordt een opstelling en 

procedure  beschreven  voor  het  “locken”  van  retentie  tijden  in  GC×GC  met 

tweevoudige  detectie.  De  praktische  voordelen  van  een  dergelijke  opstelling  en 

procedure worden in dit hoofdstuk gedemonstreerd en bediscussieerd. 

In  hoofdstuk  6  en  7  worden  opstellingen  en  procedures  beschreven  voor  het 

optimaliseren van GC×GC‐selectiviteit door het afstellen (“tunen”) van de selectiviteit 

van  de  eerste  en/of  de  tweede  dimensie  kolom.  Deze  opstellingen  en  procedures 

kunnen worden gebruikt voor het verder optimaliseren van met name moeilijke (doel 

of  groep‐type  analyses)  scheidingen  in  zeer  complexe  chromatogrammen.  Tevens 

bieden  deze  opstellingen  en  procedures  extra  mogelijkheden  voor  kwalitatieve 

analyse. 

De werkelijke analytische kracht van GC×GC voor de analyse van een bepaald complex 

monster  hangt  sterk  af  van  de  keuzes  die  worden  gemaakt  bij  de 

methodeontwikkeling,  de  methode  optimalisatie,  goede  chromatografische 

praktische  vaardigheden  (“good  chromatography  practice”)  en  de  keuze  van  de 

dataverwerkings aanpak. Dit alles gericht op het beantwoorden van de analytische 

vraagsteling.   

   

Page 187: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

185 

10 9B9BList of Author’s publications  

Mommers, J., Ritzen, E., Dutriez, T., van der Wal, S., A procedure for comprehensive 

two‐dimensional gas chromatography retention time locked dual detection, (2016) J 

Chromatogr A, 1461, pp. 153‐160.  

 

Mommers, J., Pluimakers, G., Knooren, J., Dutriez, T., van der Wal, S. 

Tunable  secondary  dimension  selectivity  in  comprehensive  two‐dimensional  gas 

chromatography, (2013) J Chromatogr A, 1297, pp. 179‐185.  

 

Mommers, J., Knooren, J., Dutriez, T., Ritzen, E., van der Wal, S. 

Temperature‐tunable  selectivity  in  comprehensive  two‐dimensional  gas 

chromatography, (2012) J Chromatogr A, 1270, pp. 305‐309.  

 

Mommers, J., Knooren, J., Mengerink, Y., Wilbers, A., Vreuls, R., van der Wal, S. 

Retention  time  locking  procedure  for  comprehensive  two‐dimensional  gas 

chromatography, (2011) J Chromatogr A, 1218 (21), pp. 3159‐3165.  

 

Patent  WO2011147974  A1,  Retention  time  locking  for  multi‐dimensional  gas 

chromatography,  Johannes  Helena  Michael  Mommers,  Jeroen  Albert  Angelicus 

Knooren, DSM IP Assets B.V. 

 

Mommers, J., et al., Method development for comprehensive two‐dimensional gas 

chromatography; a review, to be published. 

 

John Mommers, Peter Tummers, Thomas Dutriez, Jelle Bos, Erik‐Jan Altink, Sjoerd van 

der Wal, The use of  Curve  Fitting as  new method  for measuring orthogonality  in 

multidimensional‐chromatography, to be published in Journal of Chromatography A  

 

Weusten, J.J.A.M., Derks, E.P.P.A., Mommers, J.H.M., van der Wal, S., Alignment, and 

clustering strategies for GC×GC‐MS features using a cylindrical mapping, (2012) Anal 

Chim Acta, 726, pp. 9‐21.  

Page 188: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

186 

 

Other publications (not related to GC×GC)  

 

Mommers, J., Mengerink, Y., Ritzen, E., Weusten, J., van der Heijden, J., van der Wal, 

S. 

Quantitative analysis of morphine  in dried blood spots by using morphine‐d3 pre‐

impregnated dried blood spot cards, (2013) Anal Chim Acta, 774, pp. 26‐32.  

 

Mommers, J.H.M., de Wildeman, S.M.A., Koolen, W.A.F., Duchateau, A.L.L. 

Enantioselective  gas  chromatographic  analysis  of  aqueous  samples  by  on‐line 

derivatization. Application to enzymatic reactions, (2008) J Chromatogr A, 1182 (2), 

pp. 215‐218.  

 

Mengerink, Y., Mommers, J., Qiu, J., Mengerink, J., Steijger, O., Honing, M. 

A new DBS card with spot sizes independent of the hematocrit value of blood 

(2015) Bioanalysis, 7 (16), pp. 2095‐2104. 

 

Peters, R., Tonoli, D., van Duin, M., Mommers, J., Mengerink, Y., Wilbers, A.T.M., van 

Benthem,  R.,  de  Koster,  Ch.,  Schoenmakers,  P.J.,  van  der Wal,  Sj.,  Low‐molecular‐

weight model study of peroxide cross‐linking of ethylene‐propylene (‐diene) rubber 

using  gas  chromatography  and  mass  spectrometry.  I.  Combination  reactions  of 

alkanes 

(2008) J Chromatogr A, 1201 (2), pp. 141‐150.  

 

Sonke,  T.,  Kaptein,  B.,  Wagner,  A.F.V.,  Quaedflieg,  P.J.L.M.,  Schultz,  S.,  Ernste,  S., 

Schepers,  A.,  Mommers,  J.H.M.,  Broxterman,  Q.B.,  Peptide  deformylase  as 

biocatalyst for the synthesis of enantiomerically pure amino acid derivatives 

(2004) Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 29 (1‐6), pp. 265‐277.  

 

de Vries, A.H.M., Mulders, J.M.C.A., Mommers, J.H.M., Henderickx, H.J.W., de Vries, 

J.G. 

Page 189: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

187 

Homeopathic ligand‐free palladium as a catalyst in the heck reaction. A comparison 

with a palladacycle, (2003) Organic Letters, 5 (18), pp. 3285‐3288.  

 

de Vries, A.H.M., Parlevliet, F.J., Schmieder‐van De Vondervoort, L., Mommers, J.H.M., 

Henderickx, H.J.W., Walet, M.A.M., De Vries, J.G., A Practical Recycle of a Ligand‐Free 

Palladium Catalyst for Heck Reactions, (2002) Advanced Synthesis and Catalysis, 344 

(9), pp. 996‐1002.  

 

   

Page 190: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

188 

   

Page 191: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

189 

11 10B10BOverview of author’s contributions 

It has to be noted that the contribution of each co‐author was of great and essential 

value  for  all  chapters/papers,  which  is  difficult  to  briefly  summarize  in  just  a  few 

words.  

 

Chapter 1 

John Mommers – performed literature search and wrote the chapter. 

Sjoerd van der Wal – provided discussions and corrections.  

Peter Schoenmakers – provided discussions and corrections.  

Chapter 2 

John Mommers – performed literature search and wrote the chapter. 

Sjoerd  van  der  Wal  –  provided  discussions  concerning  theoretical  aspects  of 

chromatography and method development, corrections, pointed out to useful papers 

and checked all calculations. 

Peter Schoenmakers – provided discussions and corrections.  

Chapter 3 

John  Mommers  –  performed  literature  search,  Matlab  coding  and  calculations, 

practical work and wrote the chapter. 

Peter Tummers – provided valuable help in Matlab coding.  

Thomas Dutriez – provided discussions concerning the theoretical approach.  

Jelle Bos – performed descriptor calculations, gathered all column descriptor data and 

performed practical work. 

Erik‐Jan Altink – performed descriptor calculations and performed practical work. 

Sjoerd van der Wal – provided discussions and corrections, pointed out to valuable 

papers and information, discussed and checked all calculations.  

Peter Schoenmakers – provided discussions and corrections.  

Chapter 4 

John Mommers – performed literature search, calculations, practical work and wrote 

the chapter. 

Jeroen Knooren – provided discussions, performed calculations, practical work, and 

processing the data. 

Page 192: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

190 

Ynze Mengerink – provided discussions / challenging ideas and initiated the filing of a 

US Patent for retention time locking for multi‐dimensional gas chromatography.    

Arno Wilbers – provided discussions concerning mathematical approaches.  

Rene Vreuls – provided discussions / challenging ideas. 

Sjoerd  van  der  Wal  –  provided  discussions  and  corrections  and  checked  all 

calculations.  

Chapter 5 

John Mommers – performed literature search, calculations, practical work and wrote 

the chapter. 

Erik Ritzen – provided discussions and performed practical work.  

Thomas Dutriez – provided discussions and performed practical work.  

Sjoerd  van  der  Wal  –  provided  discussions  and  corrections  and  checked  all 

calculations.  

Chapter 6  

John Mommers – performed literature search, calculations, GC×GC analysis and wrote 

the chapter. 

Erik Ritzen – provided discussions and performed practical work.  

Thomas Dutriez – provided discussions / challenging ideas. 

Sjoerd  van  der  Wal  –  provided  discussions  and  corrections  and  checked  all 

calculations.  

Chapter 7 

John Mommers – performed literature search, calculations, practical work and wrote 

the chapter. 

Erik Ritzen – provided discussions and performed practical work.  

Thomas Dutriez – provided discussions / challenging ideas. 

Jeroen Knooren – provided discussions, calculations and practical work. 

Giulia Pluimakers ‐ provided discussions, calculations and practical work. 

Sjoerd  van  der  Wal  –  provided  discussions  and  corrections  and  checked  all 

calculations. 

 

 

Page 193: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

191 

12 11B11BDankwoord 

Dit proefschrift is mede tot stand gekomen door de hulp, steun en motivatie van 

velen. Bij deze wil ik iedereen, die op welke manier dan ook een bijdrage heeft 

geleverd, heel erg bedanken. 

 

Mijn promotor Prof. dr. S. Van der Wal. Beste Sjoerd, enorm bedankt voor je grote 

betrokkenheid (soms bezorgdheid), gedrevenheid, hulp, motivatie en het (eindeloos) 

blijven stellen van kritische vragen. Ik weet, ik was niet altijd even makkelijk. Ik ken je 

al meer dan 20 jaar (vanaf het moment dat ik als stagiair bij DSM begon op de 

chromatografie afdeling) en heb altijd grote bewondering voor je gehad, voor je 

chromatografie kennis, deskundigheid en inzichten maar zeker ook als mens. Ik heb 

zeer veel van je geleerd, je was voor mij altijd een groot voorbeeld en het was dus 

voor mij ook een hele eer dat je mijn promotor bent geworden. Nogmaals zeer 

bedankt, en geniet van je pensioen samen met Martien en je familie.    

 

Mijn co‐promotor Prof. dr. ir. P. J. Schoenmakers. Beste Peter, ik wil je bedanken 

voor het kritisch nakijken van mijn proefschrift en regelen van zaken rondom mijn 

promotie.  

 

De overige leden van de promotiecommissie, Prof. dr. C. G. de Koster, Prof. dr. J. F. 

Focant, Prof. dr. T. Hankemeier, Prof. dr. ir. J.G.M. Janssen, Prof. Dr. R.A.H. Peters, 

Prof. Dr. W.P. de Voogt en Dr. M. Camenzuli, dank ik zeer voor het kritisch lezen en 

beoordelen van mijn proefschrift. 

 

Ik wil ook mijn werkgever DSM zeer bedanken voor de mogelijkheid die me werd 

geboden om te kunnen promoveren en het sponseren van het drukken van dit 

proefschrift. Naast het gebruik van de beschikbare GCxGC apparatuur heb ik ook de 

ondersteuning kunnen krijgen van een aantal stagiaires die ik binnen DSM heb 

mogen begeleiden. Beste Jelle, Erik‐Jan en Giulia, bedankt voor jullie enthousiasme 

en inzet, jullie hebben een belangrijke bijdrage geleverd aan het tot stand komen 

van dit proefschrift.  

Page 194: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Method development ... · John Mommers UITNODIGING Voor het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift Method Development for

192 

Mijn DSM (ex) collega’s, Peter Tummers, Thomas Dutriez, Ynze Mengerink, Arno 

Wilbers, Erik Ritzen, Rene Vreuls en Jeroen Knooren die allen een directe bijdrage 

hebben geleverd aan een of meerdere van de gepubliceerde artikelen. Beste (ex) 

collega’s bedankt voor jullie deskundige inbreng. Ik kon bij jullie terecht om te 

sparren, om advies of hulp te vragen als ik er zelf niet uitkwam. Zonder jullie was dit 

proefschrift niet tot stand gekomen. Daarnaast wil ik al mijn DSM (ex) collega’s van 

de chromatografie afdeling (Wilma, Math, Sonja, Marianne, Jos, Huub, Ilse, Jan, Tim, 

Henk, Wil, Esra, Marcel, Ward, Gerard, Benjamin, Remco, Erwin) en van de wiskunde 

en statistiek afdeling (Eduard, Jos) enorm bedanken voor jullie steun en hulp.  

 

De promotie periode is niet altijd even makkelijk geweest en dit was dan ook zeker 

niet mogelijk zonder de hulp en steun van mijn ouders. Mijn ouders hebben ons al 

die jaren enorm geholpen met onder andere ons huishouden, Linde naar school 

brengen en weer ophalen, klussen in huis, tuinieren en noem maar op. Pap en mam, 

zonder jullie hulp was dit zeker niet mogelijk geweest, bedankt voor alles. 

 

Mijn vrienden en familie. Bedankt voor jullie steun en interesse en dat jullie hebben 

gezorgd voor de nodige afleiding.  

 

Last but not least wil ik mijn vrouw Estelle en mijn dochter Linde bedanken. Lieve 

schat, je hebt me al die jaren geweldig gesteund. We hebben door de jaren heen 

talloze gesprekken gevoerd over mijn promotie. Je hebt me meer dan eens goed 

advies gegeven (soms zelfs inhoudelijk). Mijn promotietraject kende pieken en dalen. 

Bij elk dal wist je mij weer te motiveren en sleepte je mij er doorheen. Je hebt al die 

jaren gezorgd voor een goede balans in ons gezin. Zonder jou had ik dit uiteraard 

nooit kunnen doen. Lieve Linde, we hebben vaak samen huiswerk gemaakt. Het was 

niet altijd even leuk dat pappa vaak moest werken aan zijn promotieonderzoek. 

Binnenkort gaan we vaker leuke dingen doen. Beloofd!