کروماتوگرافی گازی

کروماتوگرافی گازی (Gas Chromatography) یکی از روش‌های کروماتوگرافی است که برای بررسی و جداسازی مواد فرار بدون تجزیه‌شدن آن‌ها، بکار می‌رود.

در کروماتوگرافی گازی، فاز گازی یک فاز بی اثر (برای مثال هلیوم، نیتروژن، آرگون و دی اکسید کربن) است و به فاز متحرک گاز حامل نیز می گویند. فاز ساکن یک جسم جامد جاذب و یا لایه نازکی از یک مایع غیر فرار است که به دیواره داخلی ستون یا به صورت پوششی روی سطح گلوله های شیشه ای یا فلزی قرار داده شده است. در صورتی که فاز ساکن جسم جامد جاذب باشد اصطلاحا کروماتوگرافی گازی گویند و اگر فاز ساکن مایع غیر فرار باشد آن را کروماتوگرافی گاز مایع گویند. اما هردو به کروماتوگرافی گازی معروف هستند.

نمودار کروماتوگرافی گازی

در کروماتوگرافی گازی، جداسازی اجزا یک مخلوط متناسب با میزان توزیع اجزا تشکیل دهنده مخلوط بین فاز متحرک گازی و فاز ساکن جامد یا مایع صورت میگیرد. در این روش گاز حامل مخلوط را درون ستون حرکت میدهد و بین دو فاز در حالت تعادل (گاز-مایع) اجزا تشکیل دهنده مخلوط توزیع می شوند. بنابراین فاز متحرک اجزا تشکیل دهنده نمونه را به طرف بیرون ستون حرکت میدهد و هر مولکولی که با ارتباط سست‌تر جذب ستون شده است، زودتر و جزیی که قدرت جذب بیشتری با ستون دارد، دیرتر از ستون خارج می شوند. بنابراین، اجزا مخلوط از یکدیگر جدا می شوند. کروماتوگرافی گازی برای جداسازی و شناسایی اجزا تشکیل دهنده یک مخلوط و تجزیه کمی آنها نیز کاربرد دارد.

ابتدا نمونه را توسط سرنگ داخل injector تزریق می کنیم. نمونه پس از ورود به injector به بخار تبدیل شده و با فاز متحرک مخلوط شده ، وارد ستون می شود. نمونه جذب ستون می شود و در زمانهای مختلف به وسیله گاز بی اثر از ستون بیرون می اید و وارد دتکتور می شود. ستون قلب دستگاه است زیرا عمل اصلی که جداسازی است در آنجا انجام می شود. دتکتور شناسایی را انجام می دهد جهت شناسایی مواد با GC از Rt) Retention time ) استفاده می شود. Retention time زمانی است که طول می کشد تا جسم از دتکتور بیرون بیاید ، یعنی از زمان تزریق نمونه تا زمان ظاهرشدن پیک ها روی دستگاه که برای یک ماده تحت شرایط ثابت ، مقداری ثابت است. بنابراین از مقایسه Rt معلوم با Rt مجهول، می توان اجزای موجود در مجهول را تشخیص داد. اگر مجهول و استاندارد، Rt یکسان داشتند، می توان نتیجه گرفت که هر دو نمونه یکی هستند.
پارامتر مهم دیگر در GC ، سطح زیر منحنی ( AUC ) است. رکوردر به ما کروماتوگرامی می دهد که در راس هر پیک Rt را می نویسد و AUC مربوط به آن را هم می دهد پس کروماتوگرام حاوی دو اطلاع ارزنده است:
1- Rt برای شناسایی کیفی جسم
2- AUC برای تعیین مقدار کمی جسم

گاز حامل:

یک گاز بی اثر است (He,( H2, N2 ، He از همه بهتر است ولی چون گران است کاربرد کمی دارد. نگهداری H2 هم خطرناک است چون قابلیت انفجار دارد، بنابراین N2 استفاده می شود.

اجزا تشکیل دهنده دستگاه کروماتوگرافی گازی
این سیستم دارای قسمتهای: منبع گازی حامل، سیستم تنطیم کننده مقدار گاز، محل تزریق نمونه، ستون کروماتوگرافی، کوره و سیستم تنطیم درجه حرارت محل تزریق، آشکار ساز و سیستم شناساگر می‌باشد.

منبع گاز حامل
یک کپسول گاز با فشار زیاد به عنوان منبع گاز کامل استفاده می شود. غالبا این گاز نیتروژن با خلوص ۹۹/۹۹ درصد میباشد اما گاز های دیگری همانند هلیوم، آرگون و دی اکسید کربن نیز استفاده می شود.

ستون و کوره

اون(Oven) در دستگاه کروماتوگراف گازی

GC_Oven_inside
اون(Oven) در دستگاه کروماتوگراف گازی

ستون در داخل کوره قرار دارد و در واقع به منزله قلب دستگاه کروماتوگرافی گازی هستند. ستون‌ها دو نوع هستند ۱- ستون‌های پر شده ۲- ستون‌های مویین.

سلیندر:
حاوی گاز حامل، در بیشتر دستگاه ها از گاز ازت که گازی خنثی، ارزان و در دسترس است استفاده می شود.

فلومتر:
توسط این قسمت از دستگاه تنظیم فشار گاز حامل صورت می گیرد که اگر نمونه سریعتر بیرون بیاید ممکن است دو پیک روی هم بیفتند. هر چه فلو بیشتر باشد، مواد سریعتر از ستون خارج می شوند.. فلو برحسب ml/min است. ( در کار با GC باید نوع گاز حامل و flue آن ذکر شود ).

محل تزریق نمونه (injector) :
دو محل تزریق در بالا و پائین وجود دارد که نمونه را به سرعت و توسط یک سرنگ در یکی از آنها بسته به اینکه از ستون بالایی یا پایینی استفاده می کنیم تزریق می کنیم. با GC می توان نمونه های با حجم های بسیار کم تا دهم های میکرولیتر را اندازه گیری نمود.

ستون (column) :
ستون نقش اصلی جداسازی را به عهده دارد که از جنس های مختلف می باشد:ستون فولادی،مسی ، شیشه ایی یا استیل باشد که سخت پر می شود و حتما باید توسط کارخانه سازنده پر شود.
ستون مسی انعطاف پذیری خوبی دارد و به راحتی پر می شود زیرا می توان آن را به صورت مستقیم پر کرد و سپس به صورت مارپیچ در آورد. ولی عیب آنها تشکیل اکسید مس در جداره ستون می باشد که می تواند برخی واکنش ها را کاتالیز کند. در حالی که ستون های فولادی این عیب را ندارند. ستون های شیشه ای که مزیت آنها این است که داخل آنها را می توانیم مشاهده کنیم بنابراین اگر هوا گرفته باشد متوجه می شویم و عیب آنها شکننده بودنشان است.

ستون های فولادی خیلی مستحکمند و باید در کارخانه بصورت مارپیچ در ایند ، بنابراین پرکردن آنها مشکل است و احتیاج به دستگاه ویبراتور داریم. یک ویژگی مهم و تاثیر گذار در ستون ها پلاریته آنهاست که توسط کارخانه سازنده مشخص می شود که بر این اساس می توان ستون های مشابه را انتخاب کرد.
برای فاز مایع از خاکه آجر یا chromosorb p که بی اثر است برای تثبیت مایع استفاده می کنند آن را پر می کنند. و مایع دیرجوش را روی خاکه آجر می دهند و تثبیت می کند که معمولا پارافین یا silicon greas است.

اون(Oven):
Oven قسمت گرم کننده است. سه قسمت از دستگاه باید گرم شوند. Injector, oven و Column (که دو عدد هستند و در بالا و پایین oven قرار می گیرند) و نیز Detector قرار دارد. دمای ستون باید چند درجه بالاتر از نقطه جوش دیر جوش ترین جزء موجود در نمونه باشد مثلا اگر بالاترین نقطه جوش ۱۵۰ درجه سانتیگراد باشد، دمای ستون ۱۷۰ درجه سانتیگراد باشد. دمای injector باید چند درجه بالاتر از ستون و دمای دتکتور هم چند درجه بالاتر از injector باشد با ستون با دو برنامه دمایی می توان کار کرد: اگر روش کار ایزوترمال باشد به oven یک دمای ثابت می دهیم اما اگر به روش برنامه ریزی کار کنیم ، باید به آن برنامه دمایی بدهیم.

روش Isothermal :
در این روش با یک دمای ثابت کار می کنیم ، بیشتر زمانی استفاده می شود که در نمونه فقط یک ماده مورد شناسایی وجود دارد یا اگر چند ماده وجود دارد، نقطه جوش آنها نزدیک به هم است.

روش برنامه ریزی دمایی (programming) :
در مواقعی استفاده می شود که مواد موجود در نمونه Range وسیعی از نقطه جوش دارند و اگر ابتدا دمای Oven را بالاتر از نقطه جوش دیر جوش ترین ماده قرار دهیم ، مواد با نقطه جوش کمتر تجزیه خواهد شد و نمی توان آنها را شناسایی کرد. بنابراین طوری دما را تنظیم می کنیم که با سرعت مشخصی از چند درجه بالاتر ازمواد به ترتیب نقطه جوش از ستون بیرون می ایند یعنی هر چه تعداد کربن های ماده بیشتر باشد دیرتر بیرون می ایند و پیک آنها دیرتر ظاهر می شود. وقتی نمونه ای حاوی چند جزء با طیف وسیع BP است نمی توان از روش ایزوترمال استفاده کرد زیرا با داشتن فقط یک دما ، ممکن است یک جزء خیلی سریع بیرون بیاید و از دست برود یا بیرون آمدن آن ، زمان طولانی ببرد. بنابراین باید از روش Programming استفاده کنیم ، یعنی از چند Oven استفاده کرده و به هر یک ، دمایی خاص می دهیم.

آشکارسازها

دتکتور بر اساس پاسخی که می دهد به دو دسته تقسیم می شود :
دتکتور انتگرالی ، که پاسخ انتگرالی می دهد. که امروزه منسوخ شده است.
دتکتور تفکیکی ، پاسخ این دتکتور به این صورت است که وقتی گاز حامل به تنهایی می اید، خط صاف و وقتی به همراه نمونه می اید یک پیک می دهد.
یکی از دتکتورهای تفکیکی که در GC استفاده می شود Flame Ionization Detector (FID)می باشد. نمونه ها بعد از اینکه از ستون خارج می شوند وارد دتکتور می شوند. نمونه ها در شعله دتکتور می سوزند و ایجاد یون و الکترون می کنند. آنچه مهم است الکترون هایی است که تولید می شوند. الکترونها جریانی را که از FID عبور می کند افزایش می دهند و غلظت نمونه متناسب با افزایش میزان جریان است.
برای تشکیل شعله از سوخت هیدروژن با اکسیژن هوا استفاده می شود. برای تامین اکسیژن هم از کپسول هوا استفاده می شود. نشانه روشن بودن دستگاه دتکتور این است که بخار آب از آن خارج شود. FID حساسیت بالایی دارد و عیب آن تخریب نمونه است. ( نوع دتکتور هم باید در کار تحقیقاتی ذکر شود ).

آشکارسازهای متداول در کروماتوگرافی گازی چهار نوع هستند:
یونش شعله‌ای
هدایت حرارتی
نورسنج شعله‌ای
الکترون گیر
استفاده از آشکارساز یونش شعله‌ای رایج‌تر است.

منحنی های وان دیمتر (Van deemeter curves)
منحنی های وان دیمتر ارتباط میان سرعت جریان خطی گاز حامل و بازدهی و کارایی ستون را به بهترین صورت ممکن نشان می دهد. یکی از نتایج سودمندی که از منحنی های وان دیمتر قابل استخراج است سرعت جریان بهینه گاز حامل است. با چنین سرعتی کارایی سیستم کروماتوگرافی حداکثر خواهد شد زیرا در این شرایط ارتفاع هم ارز از سینی های فرضی (h) کمترین مقدار خود را دارد. همچنین از نمودارهای وان دیمتر می توان دانست که دامنه تغییرات مجاز سرعت گاز حامل چقدر است.

رکوردر ؛ چگونگی تنظیم دما:
دمای ستون را چند درجه بالاتر از نقطه جوش دیر جوشترین جزء موجود در نمونه قرار می دهیم و دمای injector را چند درجه بالاتر از ستون و نیز دمای دتکتور نیز چند درجه بالاتر از دمای injector قرار می دهیم.

برنامه دمایی ایزوترمال:
70 درجه سانتیگراد = oven
۹0 درجه سانتیگراد = Injector
۱۰۰ درجه سانتیگراد = Detector
mLit = مقدار تزریق

علت استفاده از استاندارد داخلی :
در روش AUC باید از استاندارد داخلی استفاده کنیم که علت استفاده از استاندارد داخلی ، حذف خطای حاصل از حجم تزریق می باشد. زیرا حجم تزریق کم است و احتمال اشتباه زیاد می باشد و برای استفاده کمی و حذف این خطا از یک استاندارد داخلی که از لحاظ ساختمان شیمیایی نزدیک به نمونه باشد استفاده می کنیم مثلا برای تعیین مقدار اتانول ، از بوتانول به عنوان استاندارد داخلی استفاده می کنیم زیرا از لحاظ ساختمان شیمیایی نزدیک به نمونه اتانول است بنابراین ضمن اینکه پیک های مربوط به هر کدام جدا می باشد، خیلی هم از هم فاصله ندارند.