آنالیز GC یا گاز کروماتوگرافی چیست و چه کاربردهایی دارد ؟

آنالیز GC یا گاز کروماتوگرافی (Gas chromatography) نوع متداولی از کروماتوگرافی است که برای جداسازی و آنالیز ترکیباتی استفاده می شود که بدون تجزیه شدن می توانند بخار شوند. آنالیز GC یا گاز کروماتوگرافی حتی می تواند برای تهیه ترکیبات خالص از مخلوط  نیز استفاده شود.

کاربردهای معمول آنالیز GC شامل آزمایش خلوص یک ماده خاص یا جدا کردن اجزای مختلف یک مخلوط است. در برخی شرایط ، GC ممکن است در شناسایی یک ترکیب کمک کند. برای آگاهی بیشتر در این زمینه با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.

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 شد و برای مدت طولانی نادیده گرفته شد.

 

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 دلیل لقب بنیان‌گذار کروماتوگرافی گازی به وی 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.

اصول آنالیز GC یا گاز کروماتوگرافی

در کروماتوگرافی  گازی ، فاز متحرک یک گاز حامل آنالیت است که معمولاً یک گاز بی اثر مانند هلیوم یا یک گاز غیرفعال مانند نیتروژن است. هلیوم تقریباً در ۹۰٪ دستگاه ها متداول ترین گاز حامل است اگرچه هیدروژن برای بهبود جداسازی ها ترجیح داده می شود.

فاز ثابت در گاز کروماتوگرافی یک لایه میکروسکوپی از مایع یا پلیمری است که بر روی یک تکیه گاه جامد خنثی در داخل یک تکه شیشه یا لوله فلزی به نام یک ستون قرار گرفته است. ابزاری که برای انجام کروماتوگرافی گازی استفاده می شود گاز کروماتوگرافر نامیده می شود.

در آنالیز GC یا گاز کروماتوگرافی فاز متحرک در واقع همان گاز حامل است که حاوی نمونه آنالیت است. نمونه آنالیت معمولاً در حالت مایع به سیستم تزریق می شود سپس مایع به حالت بخار درآمده و با گاز حامل مخلوط شده و بعد از مخلوط شدن، این فاز متحرک وارد ستون می شود.

ترکیبات گازی مورد آزمایش با دیواره های ستون  که با یک فاز ثابت پوشانده شده است ، واکنش می دهد و این امر باعث می شود که هر یک از ترکیبات در زمان متفاوتی که به عنوان زمان بازداری ترکیب شناخته می شود ، شناسایی شوند. مقایسه زمان های بازداری چیزی است که باعث سودمندی آنالیز GC یا گاز کروماتوگرافی می شود.

بهتر است بدانید
در واقع اساس جداسازی در کروماتوگرافی گازی یا جی سی همین تمایل نمونه به فاز ثابت در حین عبور از ستون می باشد. اجزای جذب شده بسته به میزان بر هم کنش با فاز ثابت در فواصل زمانی و به تدریج از ستون جدا می گردد. در این مرحله شناسایی ماده و میزان آن در آنالیت توسط دتکتور GC و سیگنال های خروجی از آن تعیین می گردد.

معمولاً داده های کروماتوگرافی به عنوان نمودار که به آن کروماتوگرام گفته می شود استخراج می شود. این دستگاه طیفی از پیک ها را برای نمونه ای که نمایانگر آنالیت های موجود در نمونه ای است که از ستون در زمان های مختلف خارج می شود ، فراهم می کند. در صورت ثابت بودن شرایط روش ، می توان از زمان بازداری استفاده کرد. همچنین الگوی پیک ها برای یک نمونه در شرایط ثابت، ثابت خواهد بود و می تواند مخلوط های پیچیده ای از آنالیت ها را شناسایی کند.

با این حال ، در اکثر برنامه های کاربردی مدرن ، GC به یک طیف سنج جرمی یا ردیاب مشابه متصل است که قادر به شناسایی آنالیت های ارائه شده توسط پیک ها است.

کاربردهای آنالیز GC یا گاز کروماتوگرافی

آنالیز GC یا گاز کروماتوگرافی در صنایع مختلفی از جمله کشاورزی و صنایع غذائی، صنایع دارویی، آرایشی و بهداشتی، صنایع پتروشیمی و محیط زیست کاربرد دارد. از این روش برای آنالیز باقیمانده سموم کشاورزی و آفت کش ها، اسید های چرب، الکل ها، ترکیبات فرار موجود در آب و پساب و همچنین جداسازی عطر و اسانس ها استفاده می شود.

بخش های مختلف دستگاه آنالیز GC یا گاز کروماتوگرافی

گاز حامل (Carrier Gas)

گاز حامل مورد استفاده در آنالیز GC یا گازکروماتوگرافی یک گاز بی اثر مانند هلیوم و آرگون یا گاز غیرفعالی مانند هیدروژن، نیتروژن و دی اکسید کربن می باشد. گاز حامل باید با درجه خلوص بالایی داشته باشد و فاقد رطوبت و اکسیژن باشد.

شایان ذکر است که هیدروژن به دلیل سبکی، سرعت حرکت بالایی در ستون  کروماتوگرافی دارد که موجب کاهش عملکرد ستون می شود. علاوه بر آن نگهداری دشوار گاز هیدروژن به علت خاصیت انفجاری باعث عدم استفاده گسترده از آن می شود.

هلیوم به اندازه هیدروژن سبک نیست اما از آنجا که گازی گران است استفاده از آن مقرون به صرفه نیست . نیتروژن علاوه بر ارزان و در دسترس بودن، مشکل سبکی هیدروژن را نیز ندارد و معمولاً انتخاب مناسبی به عنوان گاز حامل می باشد.

انژکتور (Sample Injector)

انژکتور دستگاهی است که برای آماده سازی نمونه جهت تزریق در داخل ستون مورد استفاده قرار می گیرد. برای رسیدن به راندمان بهینه ستون، نمونه باید در حالت بخار وارد ستون گردد در واقع نمونه باید به صورت توده ای بخار و با سرعت بهینه وارد ستون کروماتوگرافی گازی شود تا بیشترین بازده ستون را داشته باشیم.همه موارد از قبیل تبخیر نمونه، سرعت ورود نمونه به داخل ستون و نیز مقدار دلخواه نمونه برای تزریق می تواند در این بخش از دستگاه  تنظیم شود.

ستون (Column)

دستگاه آنالیز GC یا گاز کروماتوگرافی  دو نوع ستون وجود دارد، ستون پر شده (Packed Column) و ستون مویین (Capillary Column) ستون پر شده از ذرات ریز و کاملا خنثی  پرشده که توسط  فاز مایع پوشیده می شود و فاز ثابت را تشکیل می دهد.

ستون مویین دارای دو نوع است نوع WCOT که در آن دیواره توسط فاز مایع ثابت پوشیده شده و نوع SCOT  که دیواره توسط یک پایه جامد پوشیده شده و فاز مایع روی آن جذب شده است. ستون مویین در این آنالیز کاربرد بیشتری نسبت به ستون پرشده دارد و از بین ستون های مویین مدل   WCOT بیشتر از SCOT استفاده می شود.

بخش گرمایش و دمای ستون (Column Temperature)

در آنالیز GC دمای ستون به دو صورت ایزوترمال (Isothermal) و برنامه پذیر (Programing) تنظیم می شود. در گاز کروماتوگرافی قاعده کلی این است که دمای ستون باید کمی بالاتر از متوسط دمای جوش اجزای نمونه باشد.

اگر نمونه  دارای یک جزء باشد و یا اجزای نمونه نقطه جوش نزدیکی داشته باشند از ستون با دمای ثابت استفاده می شود. اگر اجزای نمونه  طیف گسترده ای از دمای جوش داشته باشند معمولاً از برنامه دمایی استفاده می شود و دمای ستون به صورت مداوم یا مرحله ای افزایش می یابد. به عنوان یک اصل در آنالیز GC دمای انژکتور باید چند درجه بالاتر دمای ستون و دمای دتکتور هم باید چند درجه بالاتر از دمای انژکتور باشد.

دتکتور یا آشکار ساز

دتکتورهای بسیاری برای کاربرد در دستگاه آنالیز GC یا گازکروماتوگرافی وجود دارند که می توانند وابسته به غلظت، قطبیت و یا جریان متفاوت باشند. انتخاب یک دتکتور بدون انتخاب پذیری باعث به پاسخ به همه ترکیبات به جز گاز حامل می شود. اما یک دتکتور انتخاب پذیر فقط به ترکیباتی با خواص فیزیکی و شیمیایی خاص پاسخ می دهد.

از بهترین برندهای ارائه دهنده دستگاه آنالیز GC یا گازکروماتوگرافی می توان برند شیمادزو (Shimadzu)، اجیلنت (Agilent)، پرکین المر (Perkin Elmer) و ترموفیشر (Thermo Fisher)  را نام برد.