کروماتوگرافی گازی

کروماتوگرافی گازی

بیشتر آنالیزهاي شیمیایی، شامل جداسازي اجزاء موجود در یک مخلوط می باشد و مهمترین روش براي چنین جداسازي برخی از اشکال کروماتوگرافی می باشد. کروماتوگرافی براساس پخش انتخابی اجزاء مختلف در بین 2 فاز پایه گذاري شده است. یکی از این فازها، فاز ساکن یا Stationary phase نامیده میشود که داراي سطح زیادي است و دیگري فاز متحرك یا mobile phase است. حرکت غیریکنواخت اجسام جداشونده به دلیل نابرابري دو نیروي متقابل محرکه و بازدارنده از طرف عامل جداکننده اساس کروماتوگرافی است که مجموعه نیروي محرکه و بازدارنده به نام عامل تفکیک کننده یا جداکننده نامیده میشود. کروماتوگرافی یکی از روشهاي فیزیکی براي جداکردن و خالص سازي مواد است. روش مذکور اولین بار توسط دانشمند روسی Mikhail Tswett برای جداسازي کلروفیل به وسیله ستون پرشده با یک جاذب به کار برده شد. (نکته جالب اینکه در زبان روسی Tswett به معناي رنگ می باشد. این روش براساس جذب سطحی(Adsorption) و یا تقسیم (Partition) بین دو فاز ساکن و متحرك میباشد. در کروماتوگرافی گازي فاز متحرك یک گاز میباشد که معمولاً گاز حامل (Carrier Gas) نامیده میشود ولی در کروماتوگرافی مایع (Liquid Chromatography) فاز متحرك یک مایع میباشد.
کروماتوگرافی گازي که امروزه کاربرد گستردهاي دارد روشی است که براي جداسازي و اندازهگیري اجزاي فرار در یک مخلوط به کار میرود (مثلاً جداسازي سیکلوهگزان با نقطه جوش °C 8/80 از بنزن با نقطه جوش C°1/80 به روش تقطیر مقدور نیست ولی به وسیله GC امکان پذیر می باشد.). نخستین دستگاه کروماتوگرافی در سال 1955 وارد بازار شد و در حال حاضر بیش از 50 شرکت سازنده دستگاههاي تجزیهاي، در حدود 150 مدل از دستگاههای GC را با قیمتهاي از حدود چند ده تا چند صد هزار دلار به فروش میرسانند به طوریکه هم اکنون چند صد هزار GC در سراسر جهان مشغول به کار است.
قسمتهاي گوناگون دستگاه GC عبارت است از:
1. سیلندر گاز حامل
2. ادوات تنظیم فشار و جریان
3. محل تزریق نمونه
4. ستون
5. آشکارساز
6. آون
7. ثبات، داده پرداز و نمایشگر
کروماتوگرافی گازي با در نظر گرفتن اینکه امکان جداسازي ترکیبات بسیار پیچیده را در حداقل زمان فراهم می کند یک تکنیک بسیار قوي به شمار می رود. گازي که بهعنوان گاز حامل در کروماتوگرافی گازي به کار میرود درسیلندرهاي گاز ذخیره می گردد. گازي که به یک دستگاه GC وارد می شود باید فشار و سرعت جریان ثابتی که توسط کنترل کننده هاي فشار دائماً تنظیم میگردند، داشته باشد. نمونههاي مورد آنالیز توسط سیستم تزریق (Injector) به درون ستون وارد می گردند. عمل جداسازي اجزاء توسط ستون انجام می گیرد و سپس این اجزاء شسته شده (elute) و توسط دتکتور تشخیص داده می شوند. خروجی دتکتور توسط یک آمپلی فایر تقویت شده و سپس به یک سیستم ثبات فرستاده می شود. علایم خروجی از دتکتور که به صورت mV بر حسب زمان ترسیم میشود یک کروماتوگرام (Chromatogram) نامیده می گردد. امروزه سیستم هاي ثبات به صورت کامپیوتري و با نرم افزارهاي مجهزامکان تجزیه و تحلیل کروماتوگرام را در حالتهاي مختلف فرآهم نم وده است . یک کروماتوگرام شامل یک سري از پیک هاست که با اجزاي موجود در نمونه مطابقت دارند و در یک جهت روي یک خط پایه (Base Line) قرار میگیرند. شناسائی پیکها یا آنالیز کیفی براساس زمان بازداري (Retention Time) یعنی زمانی که طول می کشد تا ترکیب از محل تزریق شسته شود و در نهایت از ستون خارج شود، استوار است و آنالیز کمی بر اساس اند ازه یا سطح زیر پیک به دست می آید.
سیستم گاز در دستگاههای کروماتوگرافی:

این سیستم معمولاً در تمام دستگاه هاي GC مشابه می باشد. اجزاء سیستم به روش لوله اي به هم وصل می شوند و یک اتصال مستقیم بین کنترل کننده فلو و تنظیم کننده فشار و دتکتور وجود دارد. بیشتر گازها توسط سیلندر با فشاري در حدود 200 بار تهیه می شوند. فشار سیلندر معمولاً توسط یک ولو کاهنده کنترل می شود. این ولو به دو فشارسنج (gauge) مجهز می باشد که یکی فشار درون کپسول و دومی فشار خروجی را نشان می دهد. فشار خروجی توسط یک ولو کنترل می شود. گازها توسط Line هاي ویژه خطوط لوله ویژه از اتاق سیلندرها (Cylinder room) به آزمایشگاه GC و از آن جا به کنار هر دستگاه هدایت میشوند.
گازهاي به کار رفته در GC باید به قدر کافی خالص باشند. ترکیبات غیرفعال مانند آب و اکسیژن میتوانند باعث ایجاد آسیب هاي قابل توجهی شوند. حضور اکسیژن باعث اکسیداسیون شده و با تغییر در حجم هاي بازداري، تفکیکپذیري را کاهش داده و ایجاد tailing می کند. به ویژه اینکه فاز ساکن قطبی به آن حساس است. آب به دلیل عمل هیدروژناسیون می تواند به فاز ساکن و اجزاي نمونه صدمه بزند. برخی فازهاي ساکن جامد به آب بسیار حساس بوده و وجود آب مانعی براي تحریک یک ستون Mol-Sieve میباشد. آب درترکیب با TCD یا ECD باعث ایجاد مشکلاتی در دتکتور میشود. نه تنهاگاز حامل، بلکه گازهاي دتکتور(Air, H2 ) نیز باید تمیز باشند. تمیز نبودن این گازها به ویژه هواي فشرده که براي FID لازم می باشد در حضور ترکیبات آلی ایجاد noise می کند.
ستون کروماتوگرافی
براي جداسازي مواد یک مخلوط، میتوان از ستون استفاده کرد. داخل این ستون با جامد فعالی مانند آلومین (فاز ساکن) پر شده است و با حلالی مانند هگزان (فاز متحرک) پوشیده شده است. هرگاه نمونه کوچکی از مخلوط در بالاي ستون قرار گیرد ، نواري از ماده جذب شده تشکیل می شود، حلال با عبور خود از میان ستون اجزاي مخلوط را با خود حمل می کند.به طور کلی در کروماتوگرافی گازي با 2 نوع ستون سروکار داریم:
1. ستون هاي مویی :(Capillary Column) یک ستون مویی یک لوله باز از جنس فلز یا شیشه هاي کوارتز خالص Fused Silica می باشد که فاز ساکن به صورت لایه اي بنام film دیواره اي داخلی را می پوشاند. این ستون ها بر دونوع هستند Wall-Coated Open Tubular یا WCOT که در آن ها فاز ساکن به صورت لایه بسیار نازکی داخل آن ها پوشش داده شده است و یا Support-Coated Open Tubular یا SCOT که در آن ها لایه نازکی از مواد نگهدارنده نظیر خاک دیاتومه (Diatomaceous Earth) به ضخامت حدود 30 μm پوشش داده شده و سپس فاز ساکن روي آن قرار داده می شود. تفاوت SCOT با WCOT این است که ظرفیت پذیرش مقدار بیشتري نمونه را دارد، چراکه به دلیل ضخامت فاز ساکن دیرتر از ستون هاي WCOT اشباع می شوند.
در هر دو مورد چنانچه جنس ستون از سیلیس گداخته باشد در اصطلاح ستون Fused-silica open tubular ( FSOT (FSOT) نامیده میشود. طول ستون موي بین 15 تا 100 متر متغیر می باشد. قطر داخلی از 15 / 0 میلیمتر براي یک ستون با قطر نازک (narrow bore) و 53 /0 میلیمتر براي یک ستون wide bore یا Mega bore متغیر می باشد .
2. ستون هاي فشرده (Packed Column ): ستونهاي فشرده قدیمیتر از دیگري میباشند و لوله هایی فلزي یا شیشه اي هستند که به طور کامل با یکسري ذرات جامد پر میشوند.

گاز حامل :
يک گاز بي اثر است (He, H2, N2) ، هلیوم از همه بهتر است ولي چون گران است کاربرد کمي دارد. نگهداري H2 هم خطرناک است چون قابليت انفجار دارد، بنابراين از گاز نیتروژن استفاده مي شود. در بيشتر دستگاه ها از گاز ازت که گازي خنثي، ارزان و در دسترس است استفاده مي شود.

گرم کننده (Oven):
آون قسمت گرم کننده دستگاه است. سه قسمت از دستگاه بايد گرم شوند. دتکتور، تزریق کننده و ستون که در بالا و پايين آون قرار مي گيرند. دماي ستون بايد چند درجه بالاتر از نقطه جوش دير جوش ترين جزء موجود در نمونه باشد مثلاً اگر بالاترين نقطه جوش ۱۵۰ درجه سانتيگراد باشد، دماي ستون ۱۷۰ درجه سانتيگراد باشد. دماي injector بايد چند درجه بالاتر از ستون و دماي دتکتور هم چند درجه بالاتر از injector باشد. با ستون با دو برنامه دمايي مي توان کار کرد: اگر روش کار ايزوترمال باشد به آون يک دماي ثابت مي دهيم اما اگر به روش برنامه ريزي کار کنيم، بايد به آن برنامه دمايي بدهيم.

◄ روش ایزوترمال (Isothermal)
در اين روش با يک دماي ثابت کار مي کنيم ، بيشتر زماني استفاده مي شود که در نمونه فقط يک ماده مورد شناسايي وجود دارد يا اگر چند ماده وجود دارد، نقطه جوش آنها نزديک به هم است.

◄ روش برنامه ريزي دمايي (Programming)
در مواقعي استفاده مي شود که مواد موجود در نمونه Range وسيعي از نقطه جوش دارند و اگر ابتدا دماي آون را بالاتر از نقطه جوش دير جوش ترين ماده قرار دهيم ، مواد با نقطه جوش کمتر تجزيه خواهد شد و نمي توان آنها را شناسايي کرد. بنابراين طوري دما را تنظيم مي کنيم که با سرعت مشخصي از چند درجه بالاتر ازمواد به ترتيب نقطه جوش از ستون بيرون مي ايند يعني هر چه تعداد کربن هاي ماده بيشتر باشد ديرتر بيرون مي ايند و پيک آنها ديرتر ظاهر مي شود. وقتي نمونه اي حاوي چند جزء با طيف وسيع BP است نمي توان از روش ايزوترمال استفاده کرد زيرا با داشتن فقط يک دما، ممکن است يک جزء خيلي سريع بيرون بيايد و از دست برود يا بيرون آمدن آن، زمان طولاني ببرد. بنابراين بايد از روشProgramming استفاده کنيم ، يعني از چند آون استفاده کرده و به هر يک، دمايي خاص مي دهيم.

آشکارسازها (Detector) :
دتکتور به عنوان چشم سیستم کروماتوگرافی مورد توجه قرار می گیرد. دتکتور در برابر حضور اجزاء موجود در گاز حامل شسته شده از ستون یک پاسخ الکتریکی میدهد. پاسخ یا حساسیت عبارتست از واکنش یک دتکتور به تغییراتی که در ترکیب گاز حامل حاصل می شود . پاسخ دتکتور به نوع دتکتور و نوع اجزاء نمونه بستگی دارد. برخی از دتکتورهاي مرسوم عبارتند از:

 (Thermal Conductivity Detector) TCD
 (Flame Ionization Detector) FID
 (Electron Capture Detector) ECD
 (Nitrogen- Phosphorus Detector) NPD

دتکتورها معمولاً یا به جرم و یا به غلظت حساس میباشند. در یک دتکتور حساس به جرم، سیگنال به مقدار ترکیبات حاضر در دتکتور بستگی دارد. دتکتورهايFPD ، FID و NPD مثالهایی از دتکتورهاي حساس به جرم(Mass Sensitive Detector ) میباشند. در این دتکتورها سطح پیکها به جرم و فاکتور پاسخ وابسته است. در مقابل، در یک دتکتور حساس به غلظت مانند TCD ، مساحت پیک با عکس سرعت جریان گاز حامل متناسب است و از نقطه نظر کروماتوگرافی، جریان گاز باید همواره ثابت باشد.

دتکتور یونیزاسیون شعله ای FID

این نوع دتکتور حساسیت بالایی داشته و هدایت الکتریکی ناشی از یک شعله را اندازه میگیرد. هدایت الکتریکی گازهاي حامل معمولی به همراه گاز H2 به عنوان سوخت و هوا به عنوان مهیا کننده O2 اغلب ناچیز و در حد صفر است. زمانیکه ترکیبات آلی وارد پلاسماي شعله میشوند قابلیت هدایت ( Conductivity ) به مقدار زیادي افزایش مییابد. زیرا حضور ترکیبات آلی در شعله موجب تولید یونها و الکترونها می شود. این تغییرات قابلیت هدایت با استفاده از دو الکترود قابل اندازه گیري است. خود نوک شعله (کاتد) یکی از الکترودهاست و collector یا (جمع کننده) الکترود آند میباشد. نتایج صحیح و دقیق پس از تقویت به سیستم ثبات یا کامپیوتر منتقل می شود. نوک شعله درون قالب دتکتور می باشد این قالب براي اجتناب از کاندنس شدن اجزاء نمونه، گرم نگه داشته می شود. عملاً دمایی مشابه با دماي injector انتخاب می شود. پاسخ ها که به تعداد اتمهاي کربن قابل یونیزه شدن بستگی دارد، به وسیله یک آمپلی فایر تقویت می شوند. در ترکیبات شیمیایی آلی اتمهاي کربن به هیدروژن پیوند می یابند.

دتکتور رسانایی یا هدایت گرمایی یا کاتارومتر TCD

اساس کار تغییر هدایت پذیري گرمایی گاز است که به وسیله مقاومت فلزي واقع در محفظه گرمایش سنجیده میشود. (پل وتستون) هدایت پذیري هیدروژن و هلیم 6 تا 10 بار بزرگتر از ترکیبات آلی است. بنابراین در صورت حضور مقدار کمی از مواد آلی هدایت پذیري گرمایی آشکارساز کاهش یافته و بدین گونه آشکارساز در محدوده دمایی بیشتري کار میکند و میزان انرژي الکتریکی به کار رفته براي افزایش دماي فیلمان، مورد سنجش قرار می گیرد. در واقع TCD یک دتکتور عمومی است که براساس اندازه گیري هدایت گرمایی یک گاز استوار است.
اساس کار بدین شکل است که یک فیلمان گرم شده به طور الکتریکی از جنس تنگستن، پلاتین یا نیکل توسط گاز حامل تا دماي معینی سرد می شود. گاز حامل یک قابلیت هدایت گرمایی معین دارد و بدین ترتیب در صورت حضور اجزاء نمونه هدایت گرمایی آن تغییر میکند. دتکتور این اختلاف در مقاومت فیلمان را که به دما وابسته است اندازه گیري میکند. TCD معمولاً حاوي یک سیستم دو کاناله است. گاز حامل خالص از میان یک کانال عبور میکند و گاز حاملی که از ستون خارج میشود از کانال دیگر عبور میکند . دو مقاومت فیلمانها قسمتی از یک پل وتستون- تار هستند. اگر ترکیبات گازها مشابه باشند پل در حال تعادل است. با عبور یک جزء نمونه از میان دتکتور این تعادل بهم خواهد خورد. زمانی که بین گاز حامل و ترکیبات نمونه تفاوت بیشترین مقدار باشد دتکتور بالاترین حساسیت را دارد.

مزایای T.C.D
در یک TCD مویی مهم است که حجم Cell اندازه گیري کوچک باشد. در یک packed -TCD کاهش بزرگ در کارایی دیده می شود.
• محدوده خطی بالا (100 هزار)
• واکنش نسبت به مواد آلی و معدنی
• عدم تخریب نمونه