کروماتوگرافی گازی GC

آنالیز GC یا کروماتوگرافی گازی یک تکنیک تحلیلی است که برای نمونه‌های گاز، مایع و جامد یا اجزای تبخیر شده توسط گرما قابل‌استفاده است. به بیان دیگر، این آنالیز برای جداسازی و تشخیص اجزای شیمیایی یک مخلوط نمونه برای تعیین حضور یا عدم حضور و یا کمیت آنها استفاده می‌شود. این اجزای شیمیایی معمولاً مولکول‌ها یا گازهای آلی هستند. برای اینکه این آنالیز در تجزیه‌وتحلیل خود موفق باشد، این اجزا باید فرار، با وزن مولکولی کم‌تر از ۱۲۵۰ دالتون و از نظر حرارتی پایداری داشته باشند تا در این سیستم تجزیه نشوند.

آنالیز GC یکی از پرکاربرد ترین انواع کروماتوگرافی است که در صنایع مختلفی اعم از صنایع داروسازی، صنایع نفت، پالایشگاه و پتروشیمی، صنایع آرایشی بهداشتی و… کاربرد دارد.

آنالیز GC چیست؟

آنالیز GC یا همان Gas Chromatography یکی از موثرترین روش ها برای شناسایی مواد گازی و یا مواد جامد و یا مایعی است که می توانند به راحتی بخار شده و یک فشار بخار نسبتا بالا ایجاد کنند. البته این روش صرفا برای شناسایی مواد نبوده و می توان برای جداسازی مواد نیز از آن استفاده کرد.

در این روش نیز همانند سایر روش های کروماتوگرافی، یک فاز متحرک و یک فاز ثابت وجود دارد. فاز متحرک در این نوع کروماتوگرافی، معمولا یک گاز بی اثر مانند هلیوم، یا یک گاز ساده مثل نیتروژن است. این گاز، گاز حامل نامیده می شود. فاز ثابت در این نوع کروماتوگرافی به صورت یک لایه پوشش قرار داده شده در جداره داخلی یک لوله (ستون) است. این لایه می تواند از جنس های مختلفی باشد که هر یک کاربرد خاص خودش را دارد. گاز مورد آزمایش، پس از ورود به ستون با پوشش موجود در آنجا برهمکنش ایجاد کرده و مدت زمانی طول می کشد تا به دتکتور برسد. این که چه مقدار زمان لازم است تا گاز مورد آزمایش بتواند طول ستون را عبور کرده و به دتکتور دستگاه برسد؛ ملاکی برای سنجش ماده و بررسی آن می باشد. این مدت زمان را زمان بازداری می گویند.

آنالیز GC چگونه انجام می شود؟

همانطور که در بالا اشاره شد؛ آنالیز GC با تزریق نمونه به درون ستون و سپس محاسبه زمان عبور گاز از طول ستون، انجام شده و نتایج آن مورد بررسی قرار می گیرد. برای انجام آنالیزGC، ابتدا باید دستگاه کالیبره شده باشد و یا مطمئن شویم که قبلا دستگاه کالیبره شده است. در غیر این صورت، اپراتور دستگاه با استفاده از نمونه های استاندارد که قبلا آنالیز GC بر روی آن ها انجام شده است؛ کار کالیبراسیون دستگاه را انجام می دهد.

اجزا دستگاه کروماتوگرافی گازی:

1) 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 در به طور همزمان تزریق و تبخیر نمود. انژکتور را می توان در دو حالت split و 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 پس از مخلوط شدن با نمونه بخارشده، بخشی ازمخلوط 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 کاهش رزولوشن پیک میشود. بسته به نوع ستون میزان تزریق نمونه از 1/0 تا 20 میکرولیتر متغیر است. گاز حامل وارد محفظه شده و پس از مخلوط شدن با نمونه بخارشده، بخشی ازمخلوط وارد ستون می شود و بخشی از طریق خروجی خارج می شود.

2) 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 هایSCOT، 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 برخوردارند. جنس اکثر ستون های از شیشه است اما از فولاد زنگ نزن، 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.

از محبوب ترین انواع ستون های مویین ستون لوله باز با دیواره سیلیکا (Fused Silica Wall Coated) (FSWC) است. جنس دیواره های ستون از سیلیکای خالص حاوی حداقل اکسید های فلزی است. این ستون ها از ستون های شیشه ای بسیار نازک تر هستند و قطر آن به اندازه 1/0 میلی متر و طول آن تا 100 متر است. برای محافظت این ستونها یک پوشش پلی ایمیدی به جداره خارجی آنها 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.

مقایسه ویژگی های ستون های کروماتوگرافی گازی:

برنامه ریزی دمایی و ایزوترمال در GC :

آون ترموستات برای کنترل درجه حرارت ستون به منظور افزایش دقت جداسازی تعبیه شده است. آون در دوحالت 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 وبا 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 نقبطه جوش بالا را حل کند. سرعت های 5 تا 7 درجه سانتیگراد در دقیقه برای جداسازی با برنامه ریزی دمایی معمول است.

دتکتورهایGC :

یک دتکتور ایده آل و مناسب باید دارای حساسیت کافی، تکرارپذیری بالا، زمان پاسخ دهی کوتاه و گسترده دینامیکی وسیع باشد. دتکتور های 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 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.

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 آنها 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. جزء آشکارسازهای تخریبی است و نمونه را تخریب می کند. درFID، 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.

هیدروکربنهای پیرولیز شده، یونها و الکترونهای 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 اشتعال 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 گازهایNOX ، H₂O ، CO₂ و SO₂ پاسخ نمی دهد.

دتکتور الکترون گیراندازی (Electron Capture Detector) :

دتکتور ECD مناسب برای آنالیز ترکیبات الکترونگاتیو، هالوژن ها، نیتراتها، پروکسیدها، سولفورها و کینون ها می باشد. حساسیت این دتکتور برابر با 5 fg/s است. در این آشکارسازها گاز حامل خارج شده از انتهای ستون، از یک نشر کننده پرتو عبور می کندکه 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.

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

دتکتور جرمی (Mass Spectroscopy)
دتکتور نور شعله ای (FPD)
دتکتور فتویونیزاسیون(PID)
دتکتور هدایت الکترولیتی(ELCD)
دتکتور نشر اتمی(AED)
دتکتور نیتروژن – فسفر (NPD)

کاربردهای آنالیز GC :

آنالیز GC یا گاز کروماتوگرافی به دلیل قابلیت جداسازی عالی و حساسیت بالا، در صنایع مختلف کاربرد دارد.
1) شیمی تجزیه: در آنالیز و تجزیه ترکیبات شیمیایی، می‌ تواند به عنوان یک ابزار قدرتمند استفاده شود. این روش به تفکیک و شناسایی ترکیبات همزمان و تعیین غلظت ‌های مختلف در نمونه‌ های پیچیده کمک می‌کند.

2) علم مواد: در علم مواد، برای تحلیل و شناسایی مواد قابل تبخیر، مانند روغن‌ها، پلاستیک‌ها، نشاسته و غیره استفاده می‌شود. این روش به ما اطلاعاتی درباره خواص فیزیکی و شیمیایی مواد ارائه می کند و همچنین کنترل کیفیت را سهولت می بخشد.

3) زیست‌شناسی: در زیست‌شناسی برای شناسایی و کمی سازی ترکیبات آلی مانند آمین‌ها، اسیدهای چرب، هورمون‌ها و داروها مورد استفاده قرار می گیرد. این روش می‌تواند در تشخیص بیماری‌ها، مطالعه متابولیسم و بررسی داروهای دخیل مفید باشد.

4) صنعت محیط زیست: در تجزیه و تحلیل آلاینده‌های هوا، آب و خاک برای ارزیابی آلودگی و کنترل کیفیت به کار می رود. این روش قادر است تا آلاینده‌های سمی و غیرسمی را تشخیص دهد.
5) علوم دارویی: در تعیین غلظت داروها در بدن، کنترل کیفیت داروها و کمک به تولید داروهای نوین استفاده می‌شود.

سایر کاربرد های آنالیز GC

تشخیص و شناسایی ترکیبات عطر و اسانس در صنعت عطرسازی
تحلیل اسیدهای چرب و گلیسریدها در صنعت غذا
تجزیه مواد آلی در نمونه‌های آبی و پساب‌ها در صنایع آب و فاضلاب
شناسایی و کمی‌سازی داروها و مواد مخدر در تحقیقات پزشکی و فارماسیوتیکال
تشخیص و مقایسه کیفیت برخی محصولات غذایی مانند شیر، عسل و روغن‌ ها
شناسایی آلاینده‌ های محیطی در آب و خاک
ارزیابی ترکیبات شیمیایی در نمونه‌ های کشاورزی و محصولات زراعی
تجزیه و تحلیل ترکیبات شیمیایی در نمونه‌ های بیولوژیکی مانند خون و ادرار
تشخیص و کمی‌سازی ترکیبات الکل در نمونه ‌های مشروبات الکلی
تحلیل ترکیبات شیمیایی در نمونه‌های مورد استفاده در تحقیقات علوم محیطی
تشحیص ترکیبات آروماتیک در ادویه‌جات، ترشی ها و غذای سرخ شده
کمی‌سازی ترکیبات علف‌کش‌ها و سموم حشره‌کش در نمونه ‌های کشاورزی
تجزیه و تحلیل ترکیبات شیمیایی در نمونه‌ های تجربیات کاتالیزوری و شیمی سطحی