آنالیز GC | دستگاه GC | GC چیست ؟

کروماتوگرافی گازی یا  Gas Chromatography یک تکنیک جداسازی برای آنالیز ترکیبات فرار است. به طور کل در این روش اجزا نمونه در حلال حل شده و به حالت بخار در می آید، 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 توجه در مقایسه این کروماتوگرافی با سایر روش ها،عدم وجود برهمکنش بین فاز متحرک و نمونه است.

کاربرد دستگاه کروماتوگرافی گازی:

به طور گسترده در آنالیز مواد غذایی و دارویی مورد استفاده قرار می‌گیرد. کاربردهای متداول مربوط به تجزیه و تحلیل کمی و کیفی مواد غذایی، محصولات طبیعی، افزودنی‌های غذایی، عطر و بوی عطر، انواع آلاینده‌ها مانند آفت‌کش‌ها، آلاینده‌های زیست‌محیطی، سموم طبیعی، داروهای دامپزشکی و مواد بسته‌بندی هستند.

اجزا 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 در به طور همزمان تزریق و تبخیر نمود. 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 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 0.1 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.

گاز حامل (carrier gas):

انتخاب گاز حامل مناسب یکی از مراحل اصلی کار با دستگاه GC است. گاز حامل باید خشک،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 گردد. نیتروژن و آرگون از دیگر گازهای مورد استفاده در کروماتوگرافی گازی است که بالا بودن وزن مولکولی آنها منجر به استفاده از این گازها هنگام کار با دتکتورهای جرمی می گردد و با دتکتورهای دیگر نیز سازگارند.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 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.

 

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 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.

 

دتکتورهای GC:

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.

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 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.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.

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 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 دهدو به ترکیبات معدنی و نیز گازهای NO_X ، 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  fg/s 5 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.

-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)