آنالیز GC یا گاز کروماتوگرافی چیست آشنایی با کاربردهای آن - دقیق شیمی

آنالیز GC یا گاز کروماتوگرافی چیست و آشنایی با کاربردهای آن

تاریخچه آنالیز GC یا گاز کروماتوگرافی

تاریخچه کروماتوگرافی به سال ۱۹۰۳  و دانشمند روسی، میخائیل سمنوویچ برمی گردد که رنگدانه های گیاهی را از طریق کروماتوگرافی ستون مایع جدا کرد. در رابطه با گاز کروماتوگرافی شیمیدان آلمانی اریکا کرمر در سال ۱۹۴۷ به همراه  یک دانشجوی فارغ التحصیل اتریشی، فریتز پیشین، مبانی نظری GC را ایجاد کرد و اولین کروماتوگراف مایع با گاز مایع را ساخت، اما کار او بی ربط تلقی شده بود و برای مدت طولانی کار او را نادیده گرفتند.

آرچر جان پورتر مارتین دانشمند دیگری بود که به دلیل فعالیتش در زمینه ساخت کروماتوگرافی مایع-مایع (۱۹۴۱) و نوشتن مقاله در این زمینه جایزه نوبل دریافت کرد، به همین خاطر لقب بنیان ‌گذار کروماتوگرافی گازی به او تعلق دارد. محبوبیت کروماتوگرافی گازی پس از توسعه ردیاب یونیزاسیون تابشی به سرعت افزایش یافت و اکنون در بسیاری از مراکز مورد استفاده قرار می گیرد.

بیشتر بخوانید: ژنراتور بخار هیدرید چیست

گاز کروماتوگرافی چیست؟

کروماتوگرافی گازی یا Gas Chromatography یک تکنیک جداسازی برای آنالیز ترکیبات فرار می باشد. در این روش اجزا نمونه در حلال حل می شوند و به حالت بخار تبدیل می شوند، سپس توسط فاز متحرک در طول ستون جریان می یابد. ستون شامل فاز ساکن جامد یا مایع می باشد که اگر فاز ساکن مایع باشد به کروماتوگرافی گاز-مایع (GLC) و اگر فاز ساکن جامد باشد، به کروماتوگرافی گاز-جامد (GSC) معروف است. اساس جداسازی توزیع نمونه بین دو فاز ساکن و متحرک است. 

نکته قابل مهم در مقایسه این کروماتوگرافی با سایر روش ها، عدم وجود برهمکنش بین فاز متحرک و نمونه است.

بیشتر بخوانید: آزمایش کروماتوگرافی HPLC چیست

کاربردهای دستگاه کروماتوگرافی گازی

به طور گسترده در آنالیز مواد غذایی و دارویی استفاده می شود. کاربردهای متداول مربوط به تجزیه و تحلیل کمی و کیفی مواد غذایی، محصولات طبیعی، افزودنی ‌های غذایی، عطر و بوی عطر، انواع آلاینده ‌ها مانند آفت‌ کش‌ ها، آلاینده ‌های زیست‌ محیطی، کشاورزی، آرایشی و بهداشتی، سموم طبیعی، صنایع پتروشیمی، داروهای دامپزشکی و مواد بسته‌ بندی هستند.

به طور کلی از کروماتوگرافی گازی برای آنالیز باقیمانده سموم کشاورزی و آفت کش ها، اسید های چرب، الکل ها، ترکیبات فرار موجود در آب و پساب و عطر و اسانس ها استفاده می شود.

معرفی اجزای دستگاه کروماتوگرافی گازی:

محل تزریق نمونه (Sample injector)

انژکتور برای تزریق نمونه در سر ستون است. در روش های تزریق مدرن، اغلب از انژکتورهای گرم شده استفاده می کنند که از طریق آن می توان نمونه را به طور همزمان تزریق و تبخیر کرد. انژکتور را می توان در دو حالت split یا splitless استفاده نمود. از میکروسرنگ برای رساندن حجمی از نمونه در حد چند میکرولیتر به داخل سپتوم لاستیکی و محفظه بخارساز استفاده می شود.

گاز حامل وارد محفظه شده و بعد از مخلوط شدن با نمونه بخارشده، بخشی از مخلوط وارد ستون می شود و بخشی از طریق خروجی خارج می شود. دمای محفظه بخارساز به طور معمول 50 درجه سانتیگراد بالاتر از نقطه جوش جزئی از نمونه است که دارای کمترین فراریت نسبت به باقی اجزا می باشد. حجم نمونه تزریقی نباید خیلی زیاد باشد و حتما باید به صورت بخار به سر ستون برسد. تزریق آهسته باعث پهن شدن و کم شدن رزولوشن پیک می شود.

بسته به نوع ستون میزان تزریق نمونه از 0.1 تا 20 میکرولیتر متغیر است. گاز حامل وارد محفظه شده و پس از مخلوط شدن با نمونه بخارشده، بخشی از مخلوط وارد ستون می شود و بخشی از طریق خروجی خارج می شود.

گاز حامل (carrier gas)

انتخاب گاز حامل مناسب یکی از مراحل اصلی کار با دستگاه GC است. گاز حامل باید خشک و عاری از اکسیژن و از لحاظ شیمیایی بی اثر باشد. گازهای حامل زیادی وجود دارند که بسته به نوع دتکتور مورد استفاده در دستگاه، انتخاب می شوند. هلیم یکی از گازهای متداول است که خطر آن از هیدروژن کمتر است و به دلیل داشتن گستره ی سرعت جریان بالا، با اکثر دتکتورها سازگار است اما گازی گران است و مقرون به صرفه نیست.

هیدروژن نیز با بیشتر دتکتورها سازگار است اما آتش گیر است به همین دلیل کار با آن زیاد توصیه نمی شود. با توجه به سرعت جریان بالا و وزن مولکولی کم، استفاده از این دو گاز منجر به کاهش زمان آنالیز می شود. نیتروژن و آرگون از دیگر گازهای مورد استفاده در کروماتوگرافی گازی است که بالا بودن وزن مولکولی آن ها باعث استفاده از این گازها هنگام کار با دتکتورهای جرمی می گردد و با دتکتورهای دیگر نیز سازگار هستند. نیتروژن به دلیل ارزان، در دسترس و امن بودن انتخاب بسیار مناسبی به عنوان گاز حامل است.

ستون (Column)

 در GC ستون ها در دو نوع پرشده (Packed Column) و مویین (Capillary Column) وجود دارند.

ستون های مویین که به آن ها ستون های لوله باز(open tubular) هم می گویند خود دارای دو نوع ستون های لوله باز دیوار اندود (WCOT) و ستون های لوله باز پوشش داده شده (SCOT) می باشد. WCOT یک لوله مویین است که لایه نازکی از فاز ساکن بر دیواره آن پوشانده می شود. در ستون های SCOT، دیواره های ستون ابتدا با یک لایه نازک (با حدود 30 میکرومتر ضخامت) از جامد جاذب مانند خاک دیاتومه و سپس با فاز ثابت مایع پوشیده شده است.

علیرغم این که ستون های SCOT به دلیل ظرفیت نمونه بیشتر قادر به نگه داشتن حجم بیشتری از فاز ثابت نسبت به ستون WCOT هستند، ستون های WCOT دارای کارایی ستون بیشتری هستند. هر دو این ستون ها نسبت به ستون های پرشده از کارایی بیشتری برخوردار هستند. جنس اکثر ستون های از شیشه می باشد اما از فولاد زد زنگ، مس، آلومینیوم و پلاستیک نیز استفاده می شود. ستون های پر شده از شیشه یا لوله فلزی که توسط یک جامد مانند خاک دیاتومه پر شده است، ساخته می شود.

ستون FSWC

از محبوب ترین انواع ستون های مویین ستون لوله باز با دیواره سیلیکا (Fused Silica Wall Coated) است. جنس دیواره های ستون از سیلیکا خالص حاوی حداقل اکسید های فلزی است. این ستون ها از ستون های شیشه ای بسیار نازک تر هستند و قطر آن به اندازه 0.1 میلی متر و طول تا 100 متر است. برای محافظت این ستون ها یک پوشش پلی ایمیدی به جداره خارجی آن ها اعمال می گردد. ستون FSWC به صورت تجاری در دسترس است و در حال حاضر به دلیل انعطاف پذیری بالا، افزایش نفوذ شیمیایی، بازده ستون بیشتر و حجم کمتر نمونه گیری جایگزین ستون های قدیمی شده است.

برنامه ریزی دمایی و ایزوترمال در GC

آون ترموستات برای کنترل درجه حرارت ستون به منظور افزایش دقت جداسازی تعبیه شده است. آون در دو حالت برنامه ریزی ایزوترمال و برنامه ریزی دمایی عمل می کند. در برنامه ریزی ایزوترمال (Isothermal Programming)، درجه حرارت ستون در طول جداسازی ثابت است. دمای ستون بهینه کمی بالاتر از نقطه جوش متوسط نمونه است. برنامه ریزی ایزوترمال هنگامی که گستره نقطه جوش نمونه محدود باشد به خوبی عمل می کند. به طور مثال اگر دمای ستون ایزوترمال کم باشد و با ترکیبات دارای نقطه جوش گسترده استفاده شود، در این صورت اجزای با نقطه جوش پایین به خوبی حل می شوند، اما اجزای با نقطه جوش بالا به آرامی حل می شوند و پیک پهن ایجاد می کنند.

در برنامه ریزی دمایی (Temperature Programming)، دمای ستون به طور پیوسته یا مرحله ای در طول فرایند جداسازی افزایش می یابد. این روش برای جداسازی مخلوط با یک دامنه جوش گسترده مناسب است. تجزیه و تحلیل با دمای پایین شروع می شود تا اجزای دارای نقطه جوش پایین را حل کند و در طول جداسازی افزایش پیدا کند تا اجزای کم فرار و دارای نقطه جوش بالا را حل کند. سرعت های 5 تا 7 درجه سانتیگراد در دقیقه برای جداسازی با برنامه ریزی دمایی معمول است.

دتکتورهای GC

یک دتکتور ایده آل و مناسب باید دارای حساسیت کافی، تکرارپذیری بالا، زمان پاسخ دهی کوتاه و گسترده دینامیکی وسیع باشد. دتکتورهای زیادی در کروماتوگرافی گازی مورد استفاده قرار می گیرد که هر کدام انتخاب گری خاص خود را دارند. آشکارساز ها به طور کل به سه دسته غیر انتخابگر، انتخابگر و ویژه تقسیم می شوند که دسته اول به تمام ترکیبات به جز گاز حامل پاسخ می دهد، یک آشکارساز انتخابی به تعدادی از ترکیبات با یک ویژگی فیزیکی یا شیمیایی مشخص پاسخ می دهد و یک آشکارساز ویژه فقط به یک ترکیب شیمیایی واکنش نشان می دهد.

آشکارسازها همچنین می توانند به آشکارسازهای وابسته به غلظت و آشکارسازهای وابسته به جرم طبقه بندی شوند. آشکارسازهای وابسته به غلطت ماده حل شونده بستگی دارد و نمونه در این آشکارسازها تخریب نمی شود اما آشکارسازهای وابسته به جرم به سرعت رسیدن مولکول های ماده حل شده به دتکتور وابسته است و در این دتکتورها نمونه تخریب می شود.

بیشتر بخوانید: آنالیز دقیق و اصولی فلزات در دقیق شیمی آزما

انواع دتکتورهای مورد استفاده در GC

دتکتور هدایت حرارتی (Thermal Conductivity Detector)

آشکارسازهای هدایت حرارتی (TCD) جز اولین آشکارسازهای مورد استفاده در کروماتوگرافی گازی است که به کاتارومتر یا سیم داغ نیز مرسوم است. TCD با اندازه گیری تغییر هدایت حرارتی گاز حامل ناشی از حضور نمونه، که دارای هدایت حرارتی متفاوت از گاز حامل بدون نمونه است، کار می کند.

معمولا TCD ها دارای دو دتکتور هستند، یکی از آن ها برای اندازه گیری هدایت حرارتی گاز حامل و دیگری مخلوط گاز حامل و نمونه استفاده می شود. گازهای حامل مانند هلیوم و هیدروژن دارای هدایت حرارتی بسیار بالایی هستند، بنابراین اضافه کردن یک مقدار خیلی کوچک از نمونه به راحتی تشخیص داده می شود. این دتکتور یک دتکتور عمومی است که تقریبا به تمام ترکیبات پاسخ می دهد. حساسیت آن در حدود 500 پیکوگرم بر میلی لیتر است.

دتکتور یونیزاسیون شعله ای (Flame Ionization Detector)

آشکارسازهای یونیزاسیون شعله (FID) از رایج ترین و گسترده ترین آشکارسازهای مورد استفاده هستند. جز آشکارسازهای تخریبی است و نمونه را تخریب می کند. در FID، نمونه پس از خروج از ستون در شعله هوا-هیدروژن می سوزد. در دمای بالای شعله هوا-هیدروژن، نمونه دستخوش پیرولیز یا تجزیه شیمیایی قرار می گیرد.

هیدروکربن های پیرولیز شده یون ها و الکترون های دارای جریان را آزاد می سازند. پیکومتر با امپدانس بالا این جریان را اندازه گیری می کند. مزیت این دتکتور این است که تحت تاثیر سرعت جریان، گازهای غیر قابل استعال و آب قرار نمی گیرد که این امر موجب بالا بردن حساسیت و کاهش نویز آشکارساز می شود. حساسیت این دتکتور 1 پیکوگرم بر ثانیه است. این دتکتور به تمام ترکیبات آلی که قابلیت سوختن دارند (به جز فرمالدهید و اسید فرمیک) پاسخ می دهد و به ترکیبات معدنی و نیز گازهای NOX ، H2O ، CO2 و SO2 پاسخ نمی دهد.

دتکتور الکترون گیراندازی (Electron Capture Detector)

دتکتور ECD مناسب برای آنالیز ترکیبات الکترونگاتیو، هالوژن ها، نیترات ها، پروکسیدها، سولفورها و کینون ها می باشد. حساسیت این دتکتور برابر  fg/s 5 است. در این آشکارسازها گاز حامل خارج شده از انتهای ستون، از یک نشر کننده پرتو عبور می کند که سبب یونیزاسیون گاز حامل و تولید مقادیر زیادی از الکترون ها و در نتیجه تولید جریان ثابت می شود. در صورت حضور گروه های الکترونگاتیو در گاز حامل و جذب الکترون های تولید شده توسط گروه های الکترونگاتیو، شدت جریان کاهش می یابد که این کاهش در شدت جریان به صورت کروماتوگرام نمایش داده می شود.

بیشتر بخوانید: تجهیزات و لوازم آزمایشگاهی

دتکتور نیتروژن –فسفر(NPD)

دتکتور یا گرمایونی (TID) آشکارساز گزینشی برای ترکیبات فسفردار و نیتروژن دار است. اساس کار آن مشابه دتکتور FID است اما حساست این دتکتور برای آنالیز ترکیبات حاوی نیتروژن و فسفر حدود 500 برابر بیشتر ازFID است.

از دتکتور های دیگر GC می توان به موارد زیر اشاره نمود:

• دتکتور جرمی (Mass Spectroscopy)

• نور شعله ای(FPD)

• فتویونیزاسیون(PID)

• هدایت الکترولیتی(ELCD)

• دتکتور نشر اتمی(AED)