کروماتوگرافی گازی (Gas Chromatography): تعریف، اصول، اجزا، مراحل و موارد استفاده

کروماتوگرافی گازی چیست؟

• کروماتوگرافی گازی با سایر اشکال کروماتوگرافی متفاوت است زیرا فاز متحرک (Mobile phase) یک گاز است و اجزاء به صورت بخارهایی از هم جدا می‌شوند.
• بنابراین از کروماتوگرافی گازی برای جداسازی و شناسایی ترکیبات با وزن مولکولی کوچک در فاز گازی استفاده می‌شود.
• نمونه یا یک گاز یا یک مایع است که در پورت تزریق تبخیر می‌شود. فاز متحرک برای کروماتوگرافی گازی یک گاز حامل (Carrier gas) (معمولاً هلیوم به دلیل وزن مولکولی کم و از نظر شیمیایی بی‌اثر بودن آن) می‌باشد.
• فشار اعمال می‌شود و فاز متحرک، آنالیت (Analyte) را در ستون حرکت می‌دهد. جداسازی با استفاده از یک ستون پوشش داده شده با یک فاز ساکن (Stationary phase) انجام می‌شود.

اصول کروماتوگرافی گازی

تعادل برای کروماتوگرافی گازی بخش‌بندی می‌شود و اجزای نمونه بین دو فاز تقسیم می‌شوند (یعنی توزیع می‌شوند): فاز ساکن و فاز متحرک.

ترکیباتی که میل ترکیبی بیشتری برای فاز ساکن دارند، زمان بیشتری را در ستون می‌گذرانند و بنابراین دیرتر شسته می‌شوند و زمان ماندگاری (Retention time (Rt)) طولانی‌تری نسبت به نمونه‌هایی که میل ترکیبی بالاتری برای فاز متحرک دارند، دارا می‌باشند.

میل به فاز ساکن عمدتاً توسط برهم‌کنش‌های بین مولکولی ایجاد می‌شود و قطبیت فاز ساکن را می‌توان برای به حداکثر رساندن برهم‌کنش‌ها و در نتیجه جداسازی، انتخاب کرد.

پیک‌های ایده‌آل توزیع‌های گاوسی (Gaussian) و متقارن (Symmetrical) به دلیل طبیعت تصادفی برهم‌کنش‌های آنالیت با ستون، هستند.

• بنابراین جداسازی با تقسیم نمونه بین گاز و یک لایه نازک از یک مایع غیرفرار که روی یک تکیه‌گاه جامد نگه داشته می‌شود، انجام می‌پذیرد.
• یک نمونه حاوی املاح به یک بلوک گرم تزریق می‌شود، بلافاصله تبخیر شده و به صورت یک شاخه بخار توسط جریان گاز حامل به ورودی ستون به سرعت حرکت می‌کند.
• املاح توسط فاز ساکن جذب و سپس توسط یک گاز حامل جدید، دفع می‌شوند.
• این فرآیند در هر پلیت (Plate) با حرکت نمونه به سمت خروجی تکرار می‌شود.
• هر ماده حل شده با سرعت خاص خود در ستون حرکت می‌کند.
• باندهای آن‌ها بسته به ضرایب تقسیم (Partition coefficient) و گسترش باند به نواحی مجزا تفکیک می‌شوند.
• املاح یکی پس از دیگری به ترتیب افزایش مقدار ثابت تعادل kd خود، شسته شده و وارد آشکارساز متصل به انتهای خروجی ستون می‌شوند.
• در این‌جا آن‌ها مجموعه‌ای از سیگنال‌های ناشی از تغییرات غلظت و نرخ شستشو را بر روی ریکوردر به عنوان نمودار زمان در مقابل ترکیب جریان گاز حامل، ثبت می‌کنند.
• زمان ظهور، ارتفاع، عرض و ناحیه این پیک‌ها را می‌توان برای بدست آوردن داده‌های کمی، اندازه‌گیری کرد.

اجزای کروماتوگرافی گازی

کروماتوگرافی گازی عمدتاً از بخش‌های زیر تشکیل شده است:

1. گاز حامل در یک سیلندر فشار قوی با تنظیم کننده‌های فشار همراه و دبی سنج (Flow meter)

• هلیوم (Helium)، N₂، هیدروژن و آرگون (Argon) به عنوان گازهای حامل استفاده می‌شود.
• هلیوم برای آشکارسازهای هدایت حرارتی ترجیح داده می‌شود زیرا رسانایی حرارتی بالایی نسبت به بیشتر گازهای آلی دارد.
• N₂ زمانی ترجیح داده می‌شود که مصرف زیاد گاز حامل مورد نیاز باشد.
• گاز حامل در مخزن از یک شیر سوییچی (Toggle valve)، یک دبی سنج، (1 تا 1000 میلی‌لیتر در دقیقه)، محدود کننده‌های مویرگی و یک گیج فشار (1 تا 4 اتمسفر) عبور می‌کند.
• سرعت جریان با استفاده از یک شیر سوزنی که بر روی پایه فلومتر نصب شده، تنظیم می‌شود و توسط محدود کننده‌های مویرگی کنترل می‌شود.
• راندمان عملیاتی کروماتوگرافی گازی به طور مستقیم به حفظ جریان گاز ثابت بستگی دارد.

2. سیستم تزریق نمونه

• نمونه‌های مایع توسط یک میکروسرنگ با یک سوزن که از طریق یک سپتوم (Septum) لاستیکی- سیلیکونی خود مقیاس‌گذار وارد یک بلوک فلزی گرم شده توسط یک بخاری مقاومتی می‌گردد، تزریق می‌شوند.
• نمونه‌های گازی توسط یک سرنگ عایق نسبت به گاز یا از طریق یک لوپ بای پس (By-pass loop) و سوپاپ‌ها تزریق می‌شوند.
• حجم نمونه معمولی از 0.1 تا 0.2 میلی‌لیتر است.

3. ستون جداسازی

• قلب کروماتوگرافی گازی ستونی است که از فلزاتی که به شکل U خم شده، یا به شکل یک مارپیچ باز یا به شکل یک پنکیک مسطح پیچیده شده است، ساخته می‌شود.
• مس تا 250 درجه سانتی‌گراد کاربرد دارد.
• اتصالات قفل Swege قرارگیری ستون را آسان می‌کند.
• بسته به نیاز از ستون با سایزهای مختلف استفاده می‌شود.

4. فازهای مایع

• طیف‌های بسیار زیادی از فازهای مایع که تنها با فراریت، پایداری حرارتی و توانایی خیس کردن تکیه‌گاه محدود می‌شوند، در دسترس هستند.
• هیچ فاز واحدی برای همه مشکلات جداسازی در همه دماها کار نمی‌کند.

فازهای غیر قطبی (Non-Polar) – این مواد اجزای نمونه را به ترتیب نقطه جوش آن‌ها جدا می‌کنند. مانند: پارافین (Parafin)، اسکوالن (Squalene)، گریس‌های سیلیکونی (Silicone grease)، اپیزون L (Apiezon L)، لاستیک صمغ سیلیکونی (Silicone gum rubber).

فازهای قطبیت متوسط (Intermediate Polarity) – این مواد حاوی یک گروه قطبی یا قابل قطبی شدن بر روی یک ساختار بلند غیرقطبی هستند که می‌تواند هم املاح قطبی و هم غیرقطبی را حل کند. برای مثال دی‌اتیل هگزیل فتالات (diethyl hexyl phthalate) برای جداسازی الکل‌ها با نقطه جوش بالا استفاده می‌شود.

فازهای قطبی (Polar) – کربووکس‌ها (Carbowax)– فازهای مایع با نسبت زیادی از گروه‌های قطبی هستند. برای جداسازی مواد قطبی و غیر قطبی به کار می‌روند.

فازهای پیوند هیدروژنی (Hydrogen bonding) – فازهای مایع قطبی با پیوند هیدروژنی بالا هستند. به عنوان مثال. گلیکول (Glycol).

فازهای هدف خاص (Specific purpose phases) – بر واکنش شیمیایی با ماده حل شده برای دستیابی به جداسازی، تکیه دارند. به عنوان مثال AgNO₃ در گلیکول، هیدروکربن‌های غیر اشباع را جدا می‌کند.

5. تکیه‌گاه

• ویژگی‌های ساختاری و سطح تکیه‌گاه ، پارامترهای مهمی هستند که به ترتیب کارایی تکیه‌گاه و درجه جداسازی را تعیین می‌کنند.
• تکیه‌گاه باید بی‌اثر باشد، اما بتواند حجم زیادی از فاز مایع را به صورت یک لایه نازک روی سطح خود بی‌حرکت کند.
• محدوده سطح باید بزرگ باشد تا از دستیابی سریع به تعادل بین فازهای ساکن و متحرک اطمینان حاصل شود.
• تکیه‌گاه باید به اندازه کافی قوی باشد تا در برابر خرابی در حمل مقاومت کند و بتواند در یک بستر ثابت حمل شود.
• خاک دیاتومه (Diatomaceous earth)، کیزلگوهر (kieselguhr) که با Na2CO 3 در دمای 900 درجه سانتی‌گراد حرارت داده شده، باعث ترکیب ذرات و ایجاد توده‌های درشت‌تر می‌شود.
• خرده شیشه‌ها با سطح و تخلخل کم می‌توانند برای پوشش تا 3 درصد فازهای ساکن استفاده شوند.
• دانه‌های پلیمری پرمنفذ که در درجه اتصال عرضی (Cross-linking) استایرن (Styrene) با آلکیل وینیل بنزن (alkyl-vinyl benzene) متفاوت هستند، نیز استفاده می‌شوند که تا 250 درجه سانتی‌گراد پایدار هستند.

6. آشکارساز

• آشکارسازها ورود اجزای جدا شده را حس می‌کنند و سیگنالی را ارائه می‌دهند.
• این آشکارسازها یا وابسته به غلظت هستند یا وابسته به جرم.
• آشکارساز باید نزدیک خروجی ستون و در دمای صحیح باشد تا از تجزیه جلوگیری شود.

7. ریکوردر (Recorder)

• ریکوردر باید به طور کلی 10 میلی‌ولت (در مقیاس کامل) و مجهز به یک قلم پاسخ سریع (1 ثانیه یا کمتر) باشد. ریکوردر باید با یک سری مقاومت‌ها با کیفیت خوب که در ورودی متصل شده‌اند، وصل شده تا سیگنال‌های بزرگ را تضعیف کند.
• یک تقویت کننده ممکن است افزودنی خوبی باشد.

روش انجام کروماتوگرافی گازی

مرحله 1: تزریق و تبخیر نمونه

1. با یک سرنگ مقدار کمی از نمونه مایعی را که می‌خواهیم آنالیز کنیم، برداشته می‌شود.
2. سوزن سرنگ در پورت تزریق گرم کروماتوگرافی گازی قرار گرفته و نمونه به سرعت تزریق می‌شود.
3. تزریق نمونه به عنوان یک “نقطه” در زمان در نظر گرفته می‌شود، یعنی فرض بر این است که کل نمونه به طور هم‌زمان وارد کروماتوگرافی گازی می‌شود، بنابراین نمونه باید به سرعت تزریق شود.
4. درجه حرارت، بالاتر از نقطه جوش اجزای مخلوط تنظیم می‌شود تا اجزا تبخیر شوند.
5. سپس اجزای تبخیر شده با فاز متحرک گاز بی‌اثر مخلوط می‌شوند تا به ستون کروماتوگرافی گازی منتقل شوند و جداسازی انجام شود.

مرحله 2: جداسازی در ستون

• اجزای مخلوط بر اساس توانایی آن‌ها در جذب یا اتصال به فاز ساکن جدا می‌شوند.
• مولفه‌ای که با شدت به فاز ثابت جذب می‌شود، بیشترین زمان را در ستون سپری می‌کند (برای طولانی‌ترین زمان در ستون باقی می‌ماند) و بنابراین بیشترین زمان ماندگاری (Rt) را خواهد داشت و آخرین جزئی است از کروماتوگراف گازی بیرون خواهد آمد.
• مولفه‌ای که با کمترین شدت به فاز ساکن جذب می‌شود، کمترین زمان را در ستون سپری می‌کند (برای کوتاه‌ترین زمان در ستون باقی می‌ماند) و بنابراین، کمترین زمان ماندگاری (Rt) را خواهد داشت و به عنوان اولین جزء از کروماتوگراف گازی خارج می‌شود.
• اگر مخلوطی دو جزئی را در نظر بگیریم که در آن جزء A قطبی‌تر از جزء B است، آنگاه:

1. جزء A زمان ماندگاری بیشتری در ستون قطبی نسبت به جزء B خواهد داشت.
2. جزء A در یک ستون غیر قطبی، زمان ماندگاری کوتاه‌تری نسبت به جزء B خواهد داشت.

مرحله 3: شناسایی و ثبت نتایج

1. اجزای مخلوط به دلیل تفاوت در زمان ماندگاری در ستون، در زمان‌های مختلفی به آشکارساز می‌رسند.
2. مولفه‌ای که کمترین زمان ماندگاری در ستون را داشته باشد، اول شناسایی می‌شود. مولفه‌ای که بیشترین زمان ماندگاری در ستون را داشته باشد، در آخر شناسایی می‌شود.
3. آشکارساز سیگنالی را به ریکوردر نمودار ارسال می‌کند که منجر به ایجاد یک پیک روی کاغذ نمودار می‌شود. مولفه‌ای که اول شناسایی می‌شود، در ابتدا هم ثبت می‌شود. مولفه‌ای که در آخر شناسایی می‌شود، در آخر هم ثبت می‌شود.

کاربردها

• آنالیز GC برای محاسبه محتوای یک محصول شیمیایی استفاده می‌شود. به عنوان مثال برای اطمینان از کیفیت محصولات در صنایع شیمیایی یا اندازه‌گیری مواد سمی در خاک، هوا یا آب.

کروماتوگرافی گازی در آنالیز موارد زیر استفاده می‌شود:

الف) آلاینده‌های هوا برد

ب) داروهای افزایش دهنده عملکرد در نمونه ادرار ورزشکاران

ج) نشت نفت

د) اسانس‌های روغنی در تهیه عطر

• کروماتوگرافی گازی اگر به درستی استفاده شود بسیار دقیق است و می‌تواند پیکومول (Picomoles) یک ماده را در نمونه مایع 1 میلی‌لیتری یا غلظت قسمت در میلیارد (Parts-per-billion) را در نمونه‌های گازی اندازه‌گیری کند.
• کروماتوگرافی گازی به طور گسترده در علم پزشکی قانونی استفاده می‌شود. در رشته‌هایی مانند شناسایی و کمی‌سازی دوز داروی جامد (شکل قبل از مصرف)، بررسی آتش‌سوزی، آنالیز تراشه‌های رنگ و موارد سم‌شناسی، از GC برای شناسایی و تعیین کمیت نمونه‌های بیولوژیکی مختلف و شواهد صحنه جرم استفاده می‌کنند.

مزایا

• استفاده از ستون‌های بلندتر و سرعت بیشتر گاز حامل، امکان جداسازی سریع را در عرض چند دقیقه فراهم می‌کند.
• دمای کاری بالاتر تا 500 درجه سانتی‌گراد و امکان تبدیل هر ماده‌ای به یک جزء فرار، کروماتوگرافی گازی را به یکی از همه کاره‌ترین تکنیک‌ها تبدیل کرده است.
• کروماتوگرافی گازی (GC) برای نظارت بر محیط زیست و کاربردهای صنعتی محبوب است، زیرا بسیار قابل اعتماد بوده و می‌تواند تقریباً به طور مداوم اجرا شود.
• GC معمولاً در جاهایی که مولکول‌های کوچک و فرار شناسایی می‌شوند و با محلول‌های غیر آبی استفاده می‌شود.
• GC برای مولکول‌های غیرقطبی ترجیح داده می‌شود.

محدودیت‌ها

• ترکیبی که میخواهیم آنالیز کنیم باید در شرایط عملیات GC، پایدار باشد.
• فشار بخار آن‌ها باید به طور قابل توجهی بیشتر از صفر باشد.
• به طور معمول ترکیباتی مورد آزمایش کمتر از 1000 Da (دالتون) هستند، زیرا تبخیر ترکیبات بزرگ‌تر دشوار است.
• نمونه‌ها همچنین باید بدون نمک باشند. آن‌ها نباید حاوی یون باشند.
• مقادیر بسیار کمی از یک ماده را می‌توان اندازه‌گیری کرد، اما اغلب لازم است که نمونه در مقایسه با نمونه حاوی ماده خالص که به عنوان استاندارد مرجع شناخته می‌شود، اندازه‌گیری شود.

همچنین بخوانید:

• کروماتوگرافی چیست؟
• کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا (HPLC) چیست؟
• کروماتوگرافی ژل فیلتراسیون: نحوه کار، انواع، قطعات، کاربرد

منبع

مترجم: صادق حسینی‌کیا