کروماتوگرافی گازی چیست؟

کروماتوگرافی گازی چیست؟

کروماتوگرافی گازی (GC) یک تکنیک تحلیلی است که برای جداسازی و تشخیص اجزای شیمیایی یک مخلوط نمونه برای تعیین حضور یا عدم‌حضور و/یا کمیت آن‌ها استفاده می‌شود. این اجزای شیمیایی معمولاً مولکول‌ها یا گازهای آلی هستند. برای اینکه GC کروماتوگرافی گازی در تجزیه‌و‌تحلیل خود موفق باشد، این اجزا باید فرار باشند، معمولاً با وزن مولکولی کمتر از ۱۲۵۰ Da، و از نظر حرارتی پایدار باشند تا در سیستم کروماتوگرافی گازی GC تجزیه نشوند. GC یک تکنیک پرکاربرد در اکثر صنایع است، از جمله برای:

• کنترل کیفیت در ساخت بسیاری از محصولات از خودرو، ۱ تا مواد شیمیایی و پتروشیمی، تا داروسازی
• اهداف تحقیق از تجزیه‌و‌تحلیل شهاب‌سنگ‌ها تا محصولات طبیعی
• ایمنی و نظارت از نمونه‌های محیطی، میکروپلاستیک‌ها و مواد غذایی، تا پزشکی قانونی.

کروماتوگراف‌های گازی اغلب به طیف‌سنج‌های جرمی (GC-MS) خط‌خطی می‌شوند تا امکان شناسایی اجزای شیمیایی را فراهم کنند.

مروری بر تجزیه‌و‌تحلیل GC

• هنگامی‌که یک نمونه محلول مخلوط به سیستم GC تزریق می‌شود، ترکیبات موجود در نمونه، از جمله اجزای حلال، در واحد تزریق نمونه حرارت داده و تبخیر می‌شوند.
• با سیستم GC، فاز متحرک که به آن گاز حامل گفته می‌شود، همیشه به‌ترتیب از واحد تزریق نمونه به ستون و سپس به آشکارساز جریان می‌یابد. اجزای هدف که در واحد تزریق نمونه تبخیر شده‌اند توسط گاز حامل به ستون منتقل می‌شوند. هنگامی‌که در ستون قرار می‌گیرد، مخلوط ترکیبات به اجزای مختلف جدا می‌شود و سپس مقدار هر ترکیب توسط آشکارساز اندازه‌گیری می‌شود.
• آشکارساز مقدار هر ترکیب را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند و این سیگنال‌ها را به واحد پردازش داده ارسال می‌کند. داده‌های به‌دست‌آمده امکان تعیین ترکیبات موجود در نمونه و مقدار آن را فراهم می‌کند.

پیکربندی سیستم GC

پیکربندی یک سیستم GC بسیار ساده است. سه جزء اصلی سیستم GC وجود دارد: واحد تزریق نمونه، که نمونه مایع را گرم کرده و آن را تبخیر می‌کند. ستون، که برای جدا کردن هر ترکیب استفاده می‌شود. و آشکارساز، که ترکیبات را تشخیص می‌دهد و غلظت آن‌ها را به‌عنوان سیگنال‌های الکتریکی خروجی می‌دهد.

کروماتوگرافی گازی چگونه کار می‌کند؟

• همان‌طور که از نام آن پیداست، GC از یک گاز حامل در جداسازی استفاده می‌کند، این قسمت فاز متحرک را بازی می‌کند (شکل ۳ (۱)). گاز حامل مولکول‌های نمونه را از طریق سیستم GC منتقل می‌کند، در حالت ایده‌آل بدون واکنش با نمونه یا آسیب‌رساندن به اجزای ابزار.
• نمونه ابتدا به دستگاه کروماتوگراف گازی (GC) وارد می‌شود، یا با یک سرنگ یا از یک نمونه‌گیری خودکار (شکل ۳ (۲)) که ممکن است اجزای شیمیایی را از ماتریس‌های نمونه جامد یا مایع نیز استخراج کند، منتقل می‌شود. نمونه از طریق سپتوم به ورودی GC (شکل ۱ (۳)) تزریق می‌شود که تزریق مخلوط نمونه را بدون از دست‌دادن فاز متحرک امکان‌پذیر می‌کند.
• ستون تحلیلی (شکل ۳ (۴))، یک لوله سیلیسی ذوب‌شده طولانی (۱۰ تا ۱۵۰ متر)، باریک (۰٫۱ – ۰٫۵۳ میلی‌متر قطر داخلی) سیلیس یا لوله فلزی است که شامل فاز ثابت پوشش‌داده‌شده روی دیواره‌های داخلی است.
• ستون تحلیلی در کوره ستونی نگهداری می‌شود که در طی آنالیز برای شست‌وشوی اجزای کمتر فرار حرارت داده می‌شود.
• خروجی ستون به آشکارساز وارد می‌شود (شکل ۳ (۵)) که به اجزای شیمیایی شسته‌شده از ستون برای تولید سیگنال پاسخ می‌دهد.
• سیگنال توسط نرم‌افزار اکتساب بر روی کامپیوتر برای تولید کروماتوگرام ثبت می‌شود (شکل ۳ (۶)).

شکل ۳: نمودار ساده‌شده یک کروماتوگرافی گازی که نشان می‌دهد: (۱) گاز حامل، (۲) نمونه‌برداری خودکار، (۳) ورودی، (۴) ستون تحلیلی، (۵) آشکارساز و (۶) کامپیوتر.

پس از تزریق به ورودی کروماتوگرافی گازی GC، اجزای شیمیایی مخلوط نمونه ابتدا تبخیر می‌شوند، اگر قبلاً در فاز گاز نباشند. برای نمونه‌های با غلظت کم، کل ابر بخار توسط گاز حامل به ستون تحلیلی منتقل می‌شود که به آن حالت بدون‌تقسیم می‌گویند. برای نمونه‌های با غلظت بالا، تنها بخشی از نمونه در حالت تقسیم به ستون تحلیلی منتقل می‌شود، باقیمانده از طریق خط تقسیم از سیستم شست‌وشو می‌شود تا از بارگذاری بیش‌ازحد ستون تحلیلی جلوگیری شود.

هنگامی‌که در ستون تحلیلی قرار می‌گیرند، اجزای نمونه با برهم‌کنش‌های مختلف آن‌ها با فاز ساکن از هم جدا می‌شوند. بنابراین، هنگام انتخاب نوع ستون مورد استفاده، فراریت و گروه‌های عاملی آنالیت‌ها باید در نظر گرفته شود تا آن‌ها را با فاز ساکن مطابقت دهد. فازهای ثابت مایع عمدتاً به دو نوع تقسیم می‌شوند: پلی‌اتیلن گلیکول (PEG) یا پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان (PDMS) که دومی با درصدهای متفاوتی از دی‌متیل، دی‌فنیل یا گروه‌های عاملی قطبی میانی، به‌عنوان‌مثال سیانوپروپیل فنیل. مانند جدا می‌کند، بنابراین ستون‌های غیرقطبی با دی‌متیل یا درصد کم دی‌فنیل برای جداسازی آنالیت‌های غیرقطبی خوب هستند. مولکول‌هایی که قادر به برهم‌کنش π-π هستند را می‌توان در فازهای ثابت حاوی گروه‌های فنیل جدا کرد. آن‌هایی که قادر به پیوند هیدروژنی هستند، به‌عنوان‌مثال اسیدها و الکل‌ها، بهتر است با ستون‌های PEG از هم جدا شوند، مگر اینکه تحت مشتق‌سازی قرار گرفته باشند تا قطبی کمتر شوند.

مرحله آخر، تشخیص مولکول‌های آنالیت زمانی است که از ستون شسته می‌شوند. انواع مختلفی از آشکارسازهای GC وجود دارد، به‌عنوان‌مثال: آن‌هایی که به پیوندهای C-H مانند آشکارساز یونیزاسیون شعله (FID) پاسخ می‌دهند. آن‌هایی که به عناصر خاصی مانند گوگرد، نیتروژن یا فسفر پاسخ می‌دهند. و آن‌هایی که به خواص خاص مولکول پاسخ می‌دهند، مانند توانایی گرفتن الکترون، همان‌طور که در آشکارساز جذب الکترون (ECD) استفاده می‌شود.

افزودن طیف‌سنجی جرمی به کروماتوگرافی گازی (GC-MS)

طیف‌سنجی جرمی (MS) یک تکنیک تحلیلی است که می‌توان آن را به GC خط‌خطی کرد و به‌جای آشکارساز GC استفاده کرد. مولکول‌های خنثی از ستون تحلیلی شسته‌شده و در منبع یونی یونیزه می‌شوند تا یون‌های مولکولی تولید کنند که می‌توانند به یون‌های قطعه تجزیه شوند. سپس قطعه و یون‌های مولکولی در تجزیه‌گر جرم با نسبت جرم: بار (m/z) جدا شده و شناسایی می‌شوند. داده‌های یک GC-MS سه‌بعدی است، طیف‌های جرمی را ارائه می‌دهد که می‌تواند برای تأیید هویت، شناسایی آنالیت‌های ناشناخته و تعیین خواص ساختاری و شیمیایی مولکول‌ها، و همچنین کروماتوگرام که می‌تواند برای تجزیه‌و‌تحلیل کمی و کیفی استفاده شود، استفاده شود.

ترکیبات مناسب برای آنالیز GC

 اجزای قابل تجزیه‌و‌تحلیل با GC دارای سه ویژگی اصلی زیر هستند:

• ترکیبات با نقطه‌جوش تا ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد
• ترکیباتی که در دمای تبخیر تجزیه نمی‌شوند.
• ترکیباتی که در دمای تبخیر خود، اما همیشه به همان میزان، تجزیه می‌شوند. به این عمل GC پیرولیز می‌گویند.

ترکیباتی که نمی‌توان آن‌ها را تجزیه‌و‌تحلیل کرد یا تجزیه‌و‌تحلیل آن‌ها با GC دشوار است.

ترکیباتی که قابل تجزیه‌و‌تحلیل نیستند:

• ترکیباتی که تبخیر نمی‌شوند (فلزات غیرآلی، یون‌ها و نمک‌ها)
• ترکیبات بسیار واکنش‌پذیر و ترکیبات شیمیایی ناپایدار (اسید هیدروفلوریک و سایر اسیدهای قوی، ازن، NOx و سایر ترکیبات بسیار واکنش‌پذیر)
• ترکیباتی که تجزیه‌و‌تحلیل آن‌ها دشوار است:
• ترکیبات با جذب بالا (ترکیبات حاوی یک گروه کربوکسیل، گروه هیدروکسیل، گروه آمینه یا گوگرد)
• ترکیباتی که به‌دست‌آوردن نمونه‌های استاندارد برای آن‌ها دشوار است (تحلیل‌های کمی و کیفی دشوار است.)

کروماتوگرام را چگونه می‌خوانید و به شما چه می‌گوید؟

شکل ۴: خروجی کروماتوگرام از GC یا GC-MS.

اطلاعات زیادی را می‌توان از کروماتوگرام (شکل ۴) در مورد سلامت سیستم GC یا GC-MS و همچنین داده‌های موردنیاز برای انجام تجزیه‌و‌تحلیل کیفی یا کمی به‌دست‌آورد.

محور x زمان ماند است که از زمان تزریق نمونه به GC (t₀) تا پایان اجرای GC گرفته شده است. هر پیک آنالیت دارای زمان ماندگاری است که از رأس پیک اندازه‌گیری می‌شود، برای مثال tᴿ. محور y پاسخ اندازه‌گیری‌شده پیک آنالیت در آشکارساز است. خط مبنا سیگنال آشکارساز را زمانی نشان می‌دهد که هیچ آنالیتی از ستون خارج نمی‌شود یا کمتر از حد تشخیص است. پاسخ خط پایه ترکیبی از نویز الکتریکی (معمولاً کم) و نویز شیمیایی، مانند ناخالصی‌های موجود در گاز حامل، تخلیه فاز ثابت ستون و آلودگی سیستم است. از این‌رو، اگر خط پایه بالاتر از آنچه باید باشد، نشان‌دهنده وجود مشکل یا نیاز به تعمیر و نگهداری است. اندازه‌گیری‌های مختلفی را می‌توان از قله انجام داد، مانند عرض در خط پایه، عرض در نیم‌ارتفاع، ارتفاع کل و مساحت. دو مورد آخر متناسب با غلظت هستند، با این‌حال این ناحیه است که برای کمی‌سازی استفاده می‌شود زیرا کمتر تحت تأثیر گسترش باند قرار می‌گیرد. اندازه‌گیری‌ها را می‌توان برای محاسبه میزان گسترش باند، گسترش مولکول‌های آنالیت روی ستون استفاده کرد. قله‌های باریک‌تر و تیزتر حساسیت بهتری (نسبت سیگنال به نویز) و وضوح بهتر (جداسازی پیک) ارائه می‌دهند. قله‌های نشان‌داده‌شده گاوسی هستند، با این‌حال باطله قله (سمت راست قله عریض‌تر است) نشان‌دهنده فعالیت یا حجم مرده در سیستم است، درحالی‌که یک قله جلویی (سمت چپ قله عریض‌تر است) نشان‌دهنده بارگذاری بیش‌ازحد ستون است. اندازه‌گیری‌های دقیق تحت‌تأثیر تعداد نقاط داده در سراسر یک پیک قرار می‌گیرند که عدد ایده‌آل آن ۱۵–۲۵ است. تعداد بسیار کمی، اوج را شبیه نقاشی‌های به‌هم‌پیوسته کودک می‌کند و بر ناحیه اوج، وضوح و با GC-MS، دکانولوشن اثر می‌گذارد. تعداد زیاد سیگنال را به نویز کاهش می‌دهد و حساسیت را کاهش می‌دهد. برای داده‌های GC-MS، هر نقطه داده یک طیف جرمی، بعد سوم داده است.

گرفتن کروماتوگرافی گازی به ابعاد چندگانه

در مقایسه با برخی دیگر از تکنیک‌های جداسازی، GC کروماتوگرافی گازی دارای ظرفیت پیک بالایی با توانایی جداسازی صدها ترکیب است. با این‌حال، برای برخی از کاربردها که هزاران قله باید از هم جدا شوند، صفحات نظری کافی برای جداسازی کروماتوگرافیک همه آن‌ها وجود ندارد. نمونه‌ها ممکن است شامل تجزیه‌و‌تحلیل دیزل باشد، یا جایی که آنالیت‌های ردیابی باید در ماتریس‌های پیچیده مانند نمونه‌های محیطی، بیولوژیکی یا مواد غذایی شناسایی شوند.