برچسب: آشکارساز

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

کروماتوگرافی مایع, ویژگی ها و کاربردهای آن

مقدمه

کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا از جمله روش‌های کروماتوگرافی برای جداسازی مواد به شمار می‌آید. این جدایش بر اساس برهم‌کنش نمونه با فازهای ساکن و متحرک انجام می‌گیرد. از آن‌جایی که ترکیب‌های مختلفی را می‌توان برای فازهای ساکن و متحرک به هنگام جدا کردن یک مخلوط بکار برد، روش‌های مختلف کروماتوگرافی نیز وجود دارند که بر مبنای حالت فیزیکی این فازها بنا شده‌اند. کروماتوگرافی مایع و کروماتوگرافی ستونی مایع-جامد، معمول‌ترین روش‌های کروماتوگرافی هستند که از فاز متحرک مایع استفاده می‌کنند که این فاز، به آرامی با عبور از یک فاز ساکن جامد، با عمل فیلتراسیون، اجزا مختلف را از یکدیگر تفکیک می‌کند. کروماتوگرافی مایع با علمکرد بالا یا کروماتوگرافی HPLC را می‌توان نوع پیشرفته کروماتوگرافی مایع با بازده، سرعت و کارایی بیشتر دانست.

شمای کلی از کروماتوگرافی مایع

اجزای یک مخلوط، بر اساس تمایل هر جزء به فایل مایع، در ستون، جداسازی می‌شوند. بنابراین، اگر اجزا، قطبیت متفاوتی داشته باشند و فاز ساکنی با قطبیت شدید از میان ستون عبور کند، یکی از اجزا نسبت به بقیه، با سرعت بیشتری از داخل ستون عبور خواهد کرد. از آن‌جایی که مولکول‌های یک ترکیب، به صورت گروهی حرکت می‌کنند، ترکیبات به صورت باندهایی جداگانه و مشخص در ستون از یکدیگر متمایز هستند. اگر اجزای جدا شونده، رنگی باشند، در زمان کروماتوگرافی، باندهای رنگی متناظر با هر گروه قابل تشخیص خواهند بود. در غیر اینصورت، همچون «کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا» (High Performance Liquid Chromatography)، حضور باندهای متناظر هر گروه را به کمک سایر روش‌ها همچون طیف‌سنجی ماورابنفش-مرئی شناسایی می‌کنند.

نحوه جایگذاری اجزا در کروماتوگرافی مایع

در یک مخلوط دو جزئی با عبور فاز ساکن از میان ستون،‌ هر دو جزء به صورت باندهایی مجزا از یکدیگر جدا می‌شوند. زمانی که هر جزء از ستون، شویش شود، هر کدام را می‌توان بسته به نوع روش مورد نظر،‌ جداسازی و بررسی کرد. بر اساس نوع قطبیت فازهای ساکن و متحرک،‌ قطبیت‌های نسبی هر دو جزء قابل تعیین است.

آماده‌سازی ستون کروماتوگرافی مایع

در این بخش، توضیحات کوتاهی در خصوص آماده‌سازی ستون در یک کروماتوگرافی مایع داده می‌شود و در ادامه متن، به طور دقیق‌تر، کروماتوگرافی HPLC مورد بررسی قرار می‌گیرد. فاز ساکن در «کروماتوگرافی ستونی» (Column Chromatography)، به طور معمول، یک جاذب جامد است. این جامد می‌تواند اجزای مایع و گازی را در سطح خارجی خود حفظ کند. ستونی که به طور معمول در کروماتوگرافی ستونی از آن بهره می‌گیرند همانند پیپت پاستور است که در کروماتوگرافی ستونی با مقیاس پایین مورد استفاده قرار می‌گیرد. بخش نازک خروجی را با پشم شیشه یا صفحه‌ای متخلخل پر می کنند تا مواد پرشده داخل ستون را حفظ کند. در ادامه، جامد جاذب (به طور معمول سیلیکا) را به صورت فشرده به داخل لوله شیشه‌ای می‌فرستند تا ستون را تکمیل کند. پر کردن ستون با فاز ساکن باید با دقت کافی انجام شود تا توزیع یکنواختی از مواد در داخل ستون صورت بگیرد.

این توزیع یکنواخت برای جلوگیری از ایجاد حباب یا کانالی‌شدن در ستون انجام می‌شود. در انتهای آماده‌سازی ستون، حلال مورد استفاده در فاز متحرک را از میان ستون خشک عبور می‌دهند. چنین ستونی را «تَرشده» (Wetted) می‌نامند. زمانی که ستون، به خوبی آماده شد، نمونه را در بالای ستون قرار می‌دهند.

اساس کار کروماتوگرافی HPLC

اجزای مولکولی در کروماتوگرافی HPLC،‌ دو دسته مهم را به نام آنالیت و ماتریکس تشکیل می‌دهند. آنالیت، اجزای مولکولی مورد نظر و ماتریکس، سایر اجزای نمونه هستند. بمنظور انجام کروماتوگرافی HPLC نمونه را به یک فاز متحرک وارد می‌کنند تا از میان فاز ساکن عبور کند. فاز متحرک را با شاخصه‌های مختلفی همچون ترکیب اجزا، انحلال‌پذیری، خواص فرابنفش، ویسکوزیته و امتزاج‌پذیری با سایر حلال‌ها توصیف می‌کنند.

فاز ساکن می‌تواند توده‌ای از مایع متراکم، لایه‌ای مایع بر سطحی جامد یا یک لایه «بین سطحی» (InterFacial) بین مایع و جامد باشد. در کروماتوگرافی HPLC فاز ساکن به طور معمول به صورت یک ستون پرشده با اجزای کوچک متخلخل است که فاز متحرک مایع، به کمک یک پمپ از میان آن عبور می‌کند. در حقیقت، توسعه کروماتوگرافی HPLC با توسعه ستون‌های جدید همراه بود که این امر نیازمند اجزای جدید، فازهای ساکن جدید و دستورالعمل‌های بهبودیافته برای پرکردن ستون است. تصویری از یک دستگاه کروماتوگرافی HPLC در زیر نشان داده شده است.

شرح دستگاه کروماتوگرافی HPLC

اجزای اصلی یک دستگاه کروماتوگرافی HPLC در زیر نشان داده شده است. نقش پمپ در این دستگاه، حرکت دادن فاز متحرک با یک نرخ جریانی مشخص بر حسب میلی‌لیتر بر دقیقه است. وظیفه «انژکتور» (Injector)، تزریق نمونه مایع به جریان فاز متحرک است. ستون دستگاه، مهم‌ترین بخش دستگاه کروماتوگرافی با عملکرد بالا را تشکیل می‌دهد. فاز ساکن در ستون نیز اجزای نمونه مورد نظر را از یکدیگر جدا می‌کند. از آشکارساز بمنظور شناسایی مولکول‌های شویش شده از ستون بهره می‌گیرند. همچنین، از یک کامپیوتر برای تحلیل و ارزیابی داده‌ها استفاده می‌کنند. در حقیقت، از کامپیوتر نه‌ تنها برای کنترل پارامترهای دستگاه بلکه برای ارزیابی «زمان بازداری» (Retention Time)، اجزای نمونه و آنالیز مقداری بهره می‌گیرند.

ستون کروماتوگرافی

بر اساس خواص فاز ساکن در ستون، از مکانیسم‌های جدایش مختلفی در کروماتوگرافی استفاده می‌شود که از آن جمله می‌توان به «کروماتوگرافی فاز نرمال» (Normal Phase Chromatography)، «کروماتوگرافی فاز معکوس» (Reverse Phase Chromatography)، «کروماتوگرافی تبادل یونی» (Ion Exchange Chromatography)، «کروماتوگرافی اندازه طردی» (Size Exclusion Chromatography) و «کروماتوگرافی میل ترکیبی» (Affinity Chromatography) اشاره کرد.

کروماتوگرافی فاز نرمال

در این روش، ستون را با ذرات قطبی معدنی پر و از یک فاز متحرک ناقطبی برای عبور از میان فاز قطبی استفاده می‌کنند. از کروماتوگرافی فاز نرمال به طور عمده برای خالص‌سازی نمونه‌های خام، جداسازی نمونه‌های به شدت قطبی یا جداسازی تحلیلی با کروماتوگرافی لایه نازک بهره می‌گیرند. یکی از مشکلات استفاده از این روش این است که آب، حلالی قوی برای کروماتوگرافی فاز نرمال به شمار می‌آید و وجود آب در فاز متحرک به طور محسوسی بر بازداری نمونه تاثیر گذار است. در جدول زیر، نوع فازهای متحرک و ساکن در کروماتوگرافی فاز نرمال و معکوس آورده شده است.

کروماتوگرافی فاز معکوس

در کروماتوگرافی فاز معکوس، فاز ساکن، دارای خاصیت «آب‌گریز» (Hydrophobic) است درحالیکه فاز متحرک خاصیتی قطبی دارد. همانطور که در جدول بالا نیز نشان داده شده، نوع قطبیت فازها، عکس کروماتوگرافی فاز نرمال است. نوع برهم‌کنش‌ها در کروماتوگرافی HPLC با فاز معکوس (RP-HPLC) را به صورت نیروهای آب‌گریز در نظر می‌گیرند. این نیروها نتیجه انرژی حاصل از تغییر در ساختار‌های دوقطبی حلال است. جدایش مواد به طور عمده ناشی از تقسیم شدن آنالیت بین فاز ساکن و متحرک ذکر می‌شود.

مولکول‌های حل‌شونده در تعادل بین فاز ساکن آب‌گریز و فاز متحرک با قطبیت جزئی هستند. هر قدر مولکول آب‌گریز (ناقطبی) باشد، زمان بازداری طولانی‌تری خواهد داشت درحالیکه ترکیبات معدنی یونیزه شده، یون‌های معدنی و مولکول‌های فلزی قطبی،‌ زمان بازداری کمی دارند.

کروماتوگرافی تبادل یونی

مکانیسم تبادل یونی، بر اساس برهم‌کنش الکترواستاتیک بین یون‌های آبدار از نمونه و گروه‌های عاملی با بار مخالف فاز ساکن بنا شده است. دو مکانیسم برای جداسازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در یک مکانیسم، به هنگام شویش، از فاز متحرک با یون‌هایی استفاده می شود که با یون‌های آنالیت جایگزین شوند و این یون‌ها را به خارج از ستون هدایت می‌کنند.

مکانیسم دیگر، شامل اضافه کردن ریجنت کمپلکس کننده به فاز ساکن برای تغییر اجزای نمونه از حالت اولیه خود است. با انجام چنین فرآیندی بر روی مولکول‌ها، عمل شویش انجام می‌شود. علاوه بر تبادل یون‌ها، تبادل یونی فاز ساکن می‌تواند برخی از مولکول‌ها را به صورت خنثی نگه‌دارد. این فرآیند با میزن بازداری در تشکیل کمپلکس‌ها مرتبط می‌شود. یون‌های ویژه‌ای همچون فلزات واسطه می‌توانند بر رزین‌های تبادل کاتیونی قرار بگیرند و با پذیرفتن جفت‌الکترون‌های ناپیوندی، لیگاندهای «دهنده» (Donor) را بپذیرند.

کروماتوگرافی‌های تبادل یونی امروزی، امکان تحلیل‌های مقداری در غلظت‌های پایین حل‌شونده را دارند. از آن‌ها می‌توان بمنظور آنالیز نمونه‌های محلول در آب آنیون‌های معدنی استفاده کرد. کاتیون‌های فلزی و آنیون‌های معدنی به طور عمده توسط برهم‌کنش‌های یونی با رزین‌های تبادل یونی، از یکدیگر جدا می‌شوند.

یکی از کاربردهای صنعتی کروماتوگرافی تبادل یونی، در صنایع غذایی است که برای تعیین اجزای شامل نیتروژن، گوگرد، فسفر و یون‌های هالید از آن‌ بهره می‌گیرند. همچنین، این روش می‌تواند برای تعیین یون‌های معدنی و آلی در آب‌ها استفاده شود.

کروماتوگرافی اندازه طردی

«کروماتوگرافی اندازه طردی» (Size Exclusion Chromatography)، روشی برای جداسازی مولکول‌ها بر اساس اندازه است. از این روش به طور معمول برای جداسازی درشت‌مولکول‌ها از مولکول‌های کوچکتر استفاده می‌شود. بعد از تزریق آنالیت به ستون، مولکول‌هایی که از اندازه حفرات فاز ساکن کوچکتر باشند، به داخل ذرات متخلخل وارد می‌شوند در بین کانال‌های تودرتوی فاز ساکن جریان پیدا می‌کنند اما مولکول‌های بزرگ‌تر، مسیر طولانی‌تری را برای خروج باید طی کنند و در نتیجه، دیرتر از ستون خارج می‌شوند.

با توجه به این‌که حجم مولکولی با جرم مولکولی مرتبط است، انتظار می‌رود که زمان بازداری، به نحوی با جرم مولکولی مواد پلیمری مرتبط باشد.

آشکارسازها در کروماتوگرافی HPLC

آشکارسازهایی که در کروماتوگرافی مایع مورد استفاده قرار می‌گیرند، بیشتر شامل آشکارسازیهای ماوربنفش-مرئی هستند. شاخصه‌های اساسی آشکارسازها در کروماتوگرافی مایع عبارتند از:

• «گستره دینامیکی» (Dynamic Range)

• «شاخص پاسخ» (Response Index)

• گسترده دینامیکی خطی

• پاسخ آشکارساز

• حساسیت

در میان این آشکارسازها،‌ معروف‌ترین و اقتصادی‌ترین روش، استفاده از آشکارسازهای ماورابنفش (UV) و ضریب شکست نور (RI) است. این آشکارسازها محدوده شناسایی منطقی گسترده‌ای دارند.

آشکارساز RI

آشکارسازهای RI از اولین آشکارسازهای تجاری بودند که مورد استفاده قرار گرفتند. این روش به طور ویژه در کروماتوگرافی HPLC بر اساس اندازه کاربرد دارد و اندازه‌گیری آن به طور مستقیم به غلظت پلیمر وابسته و مستقل از جرم مولکولی است. برخی از شاخصه‌های RI در زیر آورده شده است:

• حساسیت: $${10}^{-6}g/mL$$

• گسترده دینامیکی خطی: $${10}^{-6}–{10}^{-14}g/mL$$

• شاخص پاسخ: 0/97-1/3

آشکارساز UV

آشکارسازهای ماورابنفش تنها برای موادی کاربرد دارند که نور ماورا بنفش را در طول موج منبع نوری جذب می‌کنند. لازم به ذکر است که بسیاری از ترکیبات، نور را در دامنه ماورا بنفش (180-350 نانومتر) جذب می‌کنند که از آن‌جمله می‌توان به مواد پیوندهای یگانه یا موادی با الکترون غیراشتراکی اشاره کرد. رابطه بین شدت نور ماورابنفش گذرنده از سلول و غلظت حل‌شونده را بوسیله «قانون بیر» (Beer’s Law) می‌توان بیان کرد:

$$I_T=I_0{e}^{kcl}$$

$$ln\left(I_T\right)=ln\left(I_0\right)(-kcl)$$

از آشکارسازهای ماورابنفش به طور موثر در کروماتوگرافی فاز معکوس و تبادل یونی بهره می‌گیرند. آشکارسازهای ماورا بنفش، حساسیت بالا و قیمت مناسبی دارند و کار کردن با آن‌ها ساده است. به همین دلیل، آشکارسازهای ماورا بنفش، بیشترین استفاده را در کروماتوگرافی HPLC دارند.

طیف‌سنجی جرمی

روش دیگری موسوم به طیف‌سنجی جرمی، مزایایی خاصی نسبت به سایر روش‌ها دارد. طیف جرمی را می‌توان به سرعت بدست آورد و تنها مقادیر کمی از ماده برای نمونه‌گیری و تحلیل لازم است. علاوه بر این، داده‌ای که از این روش بدست می‌آید، اطلاعات مفیدی را در خصوص ساختار مولکول در اختیار ما قرار می‌دهد. از ترکیب کروماتوگرافی HPLC و طیف‌سنج جرمی بمنظور شناسایی ویژه و تعیین مواد شیمیایی استفاده می‌شود. ذکر این نکته لازم است که ترکیب کروماتوگرافی مایع با طیف‌سنج جرمی قدری دشوار است چراکه در ابتدا باید تمامی حلال خارج شود.

مزایای استفاده از کروماتوگرافی HPLC

مهم‌ترین جنبه بهره‌‌گیری از کروماتوگرافی HPLC امکان «تجزیه و تحلیل دسته‌ای» (Batch Analysis) مواد چندجزئی است. حتی در صورتیکه نمونه مورد نظر، شامل مخلوط هم باشد، از این روش می‌توان برای جداسازی، شناسایی و اندازه‌گیری ماده مطلوب استفاده کرد. در ادامه قصد داریم تا با سه مورد از مزایای کروماتوگرافی HPLC آشنا شویم.

امکان آزمایش نمونه‌های متنوع

از مزایای کروماتوگرافی با عملکرد بالا این است که می‌توان نمونه‌های متنوعی را از مولکول‌های زیستی تا یون‌ها، به کمک آن مورد آزمایش قرار داد. تنوع استفاده از نمونه‌ها و دقت بالای این روش به آزمایشگاه‌ها این امکان را می‌دهد تا نمونه‌های مختلف را با صرف هزینه کمتر و دقت بالا، مورد آزمایش قرار دهند.

شرایط آزمایش قابل تنظیم

یکی از دلایلی که می‌توان از کروماتوگرافی HPLC برای بررسی نمونه‌های مختلف استفاده کرد،‌ امکان تنظیم آن برای شرایط مختلف است. همانطور که در متن به آن اشاره شد، جدایش مواد به کمک فاز ساکن انجام می‌شود. این فاز، در ستون کروماتوگرافی دستگاه قرار دارد و به طور معمول، ۴ نوع مختلف و تجاری از آن وجود دارد که بسته به نوع آزمایش، می‌توان از این فازها کمک گرفت.

معمول‌ترین فاز ساکن،‌ جداسازی به کمک فاز معکوس است. اما یک کارشناس کروماتوگرافی ممکن است از سایر روش‌ها همچون فاز نرمال، تبادل یونی یا اندازه طردی بهره بگیرد که شرایط استفاده از هرکدام را در این آموزش بیان کردیم.

کارایی بالا در کروماتوگرافی HPLC

پیش از رونق استفاده از این روش، کروماتوگرافی لایه نازک (TLC) رواج داشت. کروماتوگرافی لایه نازک بر پایه حرکت مواد از طریق گرانش بنا شده بود در حالیکه در HPLC، فشار پمپ برای حرکت سیال بکار گرفته می‌شود که همین مورد سبب می‌شود مواد در بازه زمانی ۱۰-۳۰ دقیقه و با دقت بالا، آزمایش شوند. علاوه بر این، بیشتر دستگاه‌های کروماتوگرافی HPLC به صورت خودکار عمل می‌کنند. به عبارت دیگر، زمانی که نمونه به دستگاه وارد شود، سایر عملیات به طور خودکار انجام خواهد شد. این امر به کارشناس کروماتوگرافی کمک می‌کند تا سریع‌تر و ساده‌تر، نتایج مورد نظر را تحت بررسی قرار دهد.

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

کروماتوگرافی گازی و هر آن چه که باید درباره آن بدانید

مقدمه

کروماتوگرافی گازی (Gas Chromatography, GC) برای جداسازی و آنالیز ترکیبات فرار به کار می رود. اجزای یک نمونه تبخیر شده، با تقسیم بین یک فاز متحرک گازی و فاز ساکن جداسازی می شوند. نمونه های جامد یا مایع ابتدا باید به بخار یا گاز تبدیل شوند و سپس با کروماتوگرافی گازی اجزاء آن را جداسازی و شناسایی کرد. شرط جداسازی در این روش آنست که نمونه مورد نظر با حرارت دادن و تبدیل شدن به گاز تجزیه نشود. کروماتوگرافی گازی یک تکنیک قوی ست که امکان جداسازی ترکیبات بسیار پیچیده را در حداقل زمان ممکن فراهم می کند.

کروماتوگرافی گازی به دو دسته گاز-مایع (gas-liquid chromatography, GLC) و گاز-جامد ( gas-solid chromatography, GSC) تقسیم می شود. اساس روش GLC، که کاربرد بسیار گسترده تری دارد، تقسيم آناليت بين فاز متحرك گازی و يك فاز مايع تثبيت شده بر سطح يك جامد بی اثر است. روش GSC بر پايه فاز ساكن جامدی بنا شده است كه در آن بازداری آناليت ها نتيجه جذب سطحی فیزیکی است. به علت بازداری نیمه دائمی ترکیبات فعال یا قطبی که سبب دنباله دار شدن پیک ها می شود، روش GSC کاربرد محدودی دارد.

برخلاف بیشتر روش های کروماتوگرافی فاز متحرک برهم کنشی با مولکول های آنالیت نداشته و فقط نقش انتقال آنالیت در ستون را به عهده دارد. از این رو به فاز متحرک در GC گاز حامل (Carrier gas) نیز می گویند. هر مولکولی که برهم کنش بیشتری با فاز ساکن داشته باشد و بیشتر جذب ستون شود، دیرتر از ستون خارج می شود. با توجه به اهمیت فشار و دما در کروماتوگرافی گازی اغلب از حجم بازداری به جای زمان بازداری استفاده می شود.

آشنایی با دستگاه کروماتوگرافی

اولین دستگاه کروماتوگرافی گازی از نوع گاز-مایع در سال 1955 وارد بازار شد و از آن پس بالغ بر صد مدل مختلف توسط شرکت های مختلف ارائه شده است که بر حسب امکانات و لوازم جانبی دستگاه، قیمت های متنوعی دارند. شمای کلی دستگاه های GC در شکل بالا نشان داده شده است. قسمت های اصلی دستگاه های GC عبارتند از:

مخزن گاز حامل

فاز متحرک یا گاز حامل تنها وظیفه انتقال نمونه از ستون را به عهده دارد. به طور کلی گاز حامل باید نسبت به نمونه و حلال بی اثر باشند، خلوص بالایی داشته و در دسترس باشد، ارزان بوده و مناسب آشکارساز مورد استفاده باشد.

هلیوم، آرگون، نيتروژن و هيدروژن به عنوان گاز حامل به کار برده می شوند. گاز حامل باید خالص، بدون رطوبت و عاری از اکسیژن باشد. خلوص گاز حامل مهم ترین ویژگی آن است زیرا وجود ناخالصی در گاز حامل سبب ایجاد نویز (noise) شده و بر حساسیت تاثیر می گذارد و در نتیجه دقت کمی آنالیز را کاهش می دهد.

حضور ترکیباتی مانند آب و اکسیژن سبب مشکلاتی در آنالیز خواهد شد. حضور اکسیژن باعث اکسداسیون و تغییر حجم بازداری شده و در نتیجه تفکیک پذیری را کاهش می دهد و اگر فاز ساکن قطبی باشد به فاز ساکن صدمه وارد کند. آب به دلیل هیدروژناسیون می تواند هم به فاز ساکن و هم نمونه آسیب برساند.

نوع گاز حامل تاثیر زیادی در کارایی ستون و زمان آنالیز دارد. گاز حامل سبکی مانند هیدروژن با سرعت زیادی که دارد باعث کاهش کارایی ستون می شود و زمان آنالیز را کاهش می دهد، در عوض گاز حامل نیتروژن که سنگین تر است سبب افزایش کارایی ستون شده ولی زمان آنالیز را افزایش می دهد. در واقع در حجم بهينه و مناسب، نیتروژن بالاترین کارایی را دارد. گاز هليم خطری ندارد و از راندمان آن در سرعت های بالا نیز كاسته نمی شود. هیدروژن به علت قابلیت انفجار و مشکلات نگهداری آن کمتر مورد توجه است.

اگرچه هلیوم گاز متداولی برای GC است ولی استفاده از آن به علت گران بودن قیمت، با محدودیت همراه است. در حجم بهينه و مناسب، نیتروژن بالاترین کارایی را دارد ولی در سرعت بالا از کارایی آن کاسته می شود. بنابراین برای آنالیز معمول، غالبا نیتروژن به عنوان گاز حامل به کار می رود.

گازی که به دستگاه و در نتیجه به ستون وارد می شود باید فشار و سرعت جریان مشخص و ثابتی داشته باشد. برای این منظور لوازم جانبی مانند کنترل کننده جریان، رگلاتور های فشار، روتامتر و غیره برای تنظیم و کنترل فشار و سرعت جریان گاز حامل استفاده می شود. روتامتر یک وسیله برای اندازه گیری دبی مایعات و گازها ست. فشار ورودی در دستگاه GC 10-50 psiبالاتر از فشار اتاق است. سرعت جریان گاز حامل برای برای ستون های پرشده 25-150  میلی لیتر بر دقیقه و برای ستون های مویین 0.1-25 میلی لیتر بر دقیقه است.  میزان سرعت جریان گاز حامل به قطر ستون و  نوع گاز بستگی دارد.

سيستم تزريق نمونه

نمونه های مورد آنالیز توسط سیستم تزریق نمونه یا انژکتور (Injector) به ستون وارد می شوند. نمونه پس از ورود به injector به بخار تبديل شده، با فاز متحرك مخلوط شده و سپس برای جداسازی وارد ستون مي شود. برای دست یابی به کارایی بالای ستون، نمونه باید در اندازه مناسب و به صورت توده ای (plug) از بخار، وارد ستون شود. تزرق آرام و اندازه نامناسب نمونه باعث پخش شدن آن در ستون و جداسازی ضعیف می شود.

تزریق می تواند به صورت دستی با سرنگ های مخصوص انجام شود یا به صورت اتوماتیک. تمامی دستگاه های مدرن امروزی دارای سیستم تزریق اتوماتیک نمونه (auto sampler) هستند. ستون های مویی گنجایش خیلی کمی برای نمونه دارند و تزریق بیش از ظرفیت ستون سبب سرریز شدن (over loading) می شود بنابراین روش های تزریق مختلفی دارند.

تزریق نمونه های گازی بیشتر از طریق شیر (valve) با نام اختصاصی (gas sampling valve, GSV) انجام می شود. این شیرها معمولا یک حلقه نمونه (sample loop) دارند که به نسبت حجمی که باید تزریق گردد، می توانند اندازه های مختلفی داشته باشند.

در ستون های مویی مقدار کم نمونه لازم است و بعضی مواقع این مقدار نمونه آنقدر کم است که میکرو سرنگ های معمول قادر به تزریق آن مقادیر نخواهد بود. در این حالت از سیستم تقسیم کننده نمونه (split injector) استفاده می شود که فقط بخش کوچکی از نمونه تزریق شده وارد ستون شود. سرعت جریان و دمای تزریق از موارد مهم در سیستم های تزریقی است.

ستون ها و آون

ستون مهم ترین قسمت دستگاه های کروماتوگرافی ست که نقش اصلی جداسازی را بر عهده دارد. به طور کلی در GC دو نوع ستون به کار می رود. ستون های پرشده یا فشرده (packed column) و ستون های مویی (capillary column).

ستون های پرشده اولین نوع ستون های مورد استفاده بوده و از جنس لوله های فلزی یا شیشه ای هستند که با ذرات جامد کاملا پر می شوند. ستون های از جنس فولاد بسیار مقاوم هستند ولی باید توسط کارخانه سازنده پر شوند. ستون های مسی انعطاف پذیر بوده،  به راحتی پر می شوند و به شکل مارپیچ درآیند ولی به علت تشکیل اکسید مس در جداره ستون امکان کاتالیز برخی واکنش ها وجود دارد. ستون های شیشه ای اگرچه شکننده هستند ولی به علت شفاف بودن، تشخیص حباب های هوا در ستون امکان پذیر است. ستون های پرشده معمولا بین 2 تا 3 متر طول و 2-4 میلی مترقطر داخلی هستند. ماده پرکننده باید ذرات کروی یکنواخت با قدرت مکانیکی خوب، سطح ویژه مناسب و بی اثر در دماهای بالا باشد.

ستون های مویی به شکل لوله های باز از جنس شیشه های کوارتزی یا فلزی هستند که فاز ساکن به صورت یک لایه فیلم نازک روی دیواره داخلی  ستون قرار گرفته است. این ستون ها به دو دسته کلی تقسیم می شوند:

لوله ای باز دیوار اندود (Wall coated open tubular, WCOT)

سطح داخلی ستون با لایه بسیار نازکی از فاز ساکن پوشانده شده است. از متداول ترین نوع WCOT ستون های لوله باز سیلیس جوش خورده (Fused silica open tubular, FSOT) است که از سیلیس حاوی مقادیر کم اکسدهای فلزی  ساخته شده و با پوشش پلی ایمیدی کاملا انعطاف پذیر بوده و می توان آنها را به صورت مارپیچ یا حلقه در آورد.

لوله ای باز تکیه گاه اندود (Support coated open tubular, SCOT)

در این نوع ستون سطح درونی لوله بالایه نازکی از مواد نگهدارنده مانند خاک دیاتومه  (به ضخامت تقریبی 30 میکرومتر) پوشانده می شود و سپس فاز ساکن بر روی آن قرار داده می شود.  ستون های SCOT ظرفیت پذیرش مقدار بیشتری از نمونه را دارد زیرا به دلیل ضخامت فاز ساکن دیرتر از ستون های WCOT اشباع می شوند.

طول ستون های مویی از 15 تا 50 متر و قطر داخلی آنها از 0.15 تا 0.55 میکرومتر متغیر است.

انتخاب ماده مناسب به عنوان فاز ساکن برای یک جداسازی خوب و کارایی مناسب بسیار با اهمیت است. فاز ساکن باید از نظر شیمیایی بی اثر بوده و پایداری حرارتی خوبی داشته باشد.  برای فازهای ساکن مایع باید فراریت کمی نیز داشته باشند به طوری که نقطه جوش مایع حداقل 100 درجه سانتی گراد بالاتر از ماکزیمم دمای عملی ستون باشد. متداول ترین فازهای ساکن مورد استفاده برای ستون های پرشده از خاك طبيعي یا دياتومه تهیه می شوند. فازهای ساکن متداول معمولا از جنس پلی سیلوکسان ها یا پلی اتیلن گلیکول هستند که پایداری حرارتی تا 350 درجه سانتی گراد را دارند. فازهای ساکن بر حسب پیوند شیمیایی به دو دسته کلی قطبی و غیر قطبی تقسیم می شوند.

دمای ستون پارامتر بسیار با اهمیتی ست که باید با دقت چند دهم سانتی گراد برای کارهای دقیق کنترل شود. بنابراین ستون باید در یک سیستم پایش دما یا آون قرار داده شود. دماي ستون بايد چند درجه بالاتر از نقطه جوش دير جوش ترين جزء موجود در نمونه باشد.  کنترل دمایی به دو صورت ایزوترمال (isothermal) یا تک دما و گرادیانی یا برنامه ریزی شده (programming) انجام می شود.

در روش ایزوترمال در طول آنالیز دما ثابت بوده و تغییر نمی کند و بيشتر زماني استفاده مي شود كه در نمونه فقط يك ماده مورد شناسايي وجود دارد يا اگر چند ماده وجود دارد، نقطه جوش آنها نزديك به هم است. در کنترل دمایی برنامه ریزی شده دمای ستون به طور پیوسته یا مرحله ای در طول آنالیز تغییر می کند و در مواقعي استفاده مي شود كه اجزاء موجود در نمونه گستره وسيعي از نقطه جوش دارند.

آشكارساز

شناسایی تمامی اجزاء شیمیایی نمونه ای که به ستون تزریق شده و یا یک گروه یا جزء ویژه از نمونه، وظیفه اصلی آشکارساز در GC است. در واقع آشکارساز با حضور اجزاء موجود در گاز حاملی که به آشکارساز می رسد، پاسخ الکتریکی می دهد. اگر آشکارسازی بتواند به تمام انواع نمونه های موجود پاسخ قوی دهد یک آشکارساز عمومی (universal) و اگر فقط به گروه یا ترکیبات ویژه ای واکنش نشان دهد، یک آشکارساز انتخابی ست.

یک آشکارساز ایده آل در GC باید حساسیت مناسب داشته، پایدار باشد، و از دقت، صحت و تکرارپذیری مناسبی برخوردار باشد. ضمنا باید زمان پاسخ مناسبی داشته باشد که با سرعت عبور اجزا با گازحامل از آشکارساز بتواند واکنش نشان دهد. حد تشخیص (detection limit) و گستره خطی (linearity range) آشکارساز برای آنالیزهای کمی بسیار اهمیت دارد.

آشکارساز یونش شعله ای (Flame ionization detector, FID)

آشکارساز یونش شعله ای یا FID متداول ترین آشکارساز مورد استفاده در GC است که از یک شعله هوا/هیدروژن برای پیرولیز ترکیبات آلی و یک جمع کننده (collector) برای جمع آوری یون ها و الکترون های تولید شده از فرایند پیرولیز تشکیل شده است. جریان الکتریکی حاصل از یونیزه شدن اتم های کربن با یک امپلی فایر تقویت می شود. پاسخ آشکارساز به نسبت هوا/هیدروژن و گاز حامل وابسته است. حساسيت و گستره خطی بالا، نویز پایین و سهولت استفاده از مزایای این آشکارساز است.

ترکیبات آلی حاوی گروه هاي عاملي مانند كربونيل، الكل، هالوژن و آمين، يون هاي بسيار كمي توليد مي كنند و يا اصلا توليد نمي كنند. و هم چنین به گازهای احتراق ناپذیرشامل SO₂, NO_x ،CO₂  وH₂O حساس نیست و برای ترکیبات غیرآلی نیز پاسخی ندارد. چون این آشکارساز به آب و اکسیدهای نیتروژن و گوگرد حساس نیست تجزیه نمونه های آلی شامل این ترکیبات بسیار مفید است.

آشکارساز گرما رسانندگی (Thermal Conductivity Detector, TCD )

آشکارساز گرما رسانندگی یا TCD یک آشکارساز عمومی ست که برای شناسایی هم ترکیبات آلی و هم معدنی به کار می رود. اساس آن تغییرپذیری هدایت گرمایی یک گاز است که به وسیله تغییر مقاومت فلزی واقع در یک محفظه گرمایش سنجیده می شود.

این آشکار ساز دارای دو محفظه گرمایشی کاملا مشابه هستند که هرکدام یک فیلامان از جنس تنگستن، طلا یا پلاتین هستند که به طور الکتریکی گرم می شوند. گاز حامل خالص از یک محفظه و گاز خارج شده از ستون حاوی نمونه از محفظه دیگر عبور می کنند. حضور مقادیر کم نمونه سبب تغییر هدایت پذیری شده و در نتیجه فیلامان نمونه داغتر ار فیلامان گازحامل می شود و این باعث اختلاف مقاومت و اختلاف جریان بین دو فیلامان می شود. آشکارساز میزان اختلاف جریان بین دو محفظه را ثبت نموده به صورت پیک نشان می دهد. هیدروژن و هلیم تا ده بار هدایت پذیری بیشتری از ترکیبات آلی دارند.

گازهای هلیم و هیدروژن بیشترین اختلاف را ایجاد می کنند و بنابراین حساسیت بیستری دارند. گاز نیتروژن تفاوت کمی در هدایت گرمایی ایجاد می کند بنابراین برای استفاده با این آشکارساز چندان مناسب نیست. از مزایای این آشکارساز عدم تخریب نمونه و پاسخ به تمامی ترکیبات آلی و معدنی ست. در مقایسه با آشکارساز های دیگرحساسیت بالایی ندارند.

آشکارساز الکترون گیرانداز  (Electron capture detector, ECD)

در آشکارساز الکترون گیرانداز  یا ECD نمونه خروجی از ستون وارد یک سل شیشه ای می شود که اتم های رادیو اکتیو نشر کننده β مانند ⁶³Ni دوپه شده است. الکترون نشر شده از اتم های رادیواکتیو سبب یونیزاسیون گاز حامل شده و در غیاب گونه های آلی یک جریان ثابتی از الکترون ایجاد می شود. در حضور گونه های گیرنده الکترون، این جریان ثابت کاهش می یابد. کاهش جریان متناسب با غلظت گونه های گیرنده الکترون است. از هلیم و هیدروژن به عنوان گاز حامل نمی توان استفاده کرد چون یونیزه نمی شوند. این آشکارساز بسیار گزینش پذیر است و به مولکول های دارای گروه های الکترونگاتیو مانند هالوژن ها، کینون ها، گروه های نیترو و پراکسیدها حساس است اما پاسخی برای گرو های الکل، آمین و هیدروکربنی ندارد. ECD یک آشکارساز مهم و متداول در آنالیز و اندازه گیری حشره کش های کلردار است. از عیوب این آشکارساز گستره خطی کم آن است.

سه آشکارساز FID, TCD و ECD متداول ترین آشکارسازهای مورد استفاده در GC هستند. برحسب موارد خاص آشکارسازهای گزینش پذیر بسیاری معرفی و ساخته شده اند.

آشکارساز طیف سنج جرمی (Mass Spectrometry detectors):

آشکارساز طیف سنج جرمی یکی از قوی ترین آشکارسازهای مورد استفاده در GC است که تلفیقی از روش GC و طیف سنج جرمی است. استفاده از نام اختصاری GC-MS در سال های اخیر متداول تر شده است. در طیف سنج جرمی جداسازی یون ها بر اساس نسبت جرم به بار (m/z) آنها و تحت تاثیر میدان های الکتریکی و مغناطیسی صورت می گیرد. در واقع اجزای نمونه پس از جداسازی در ستون کروماتوگرافی و حذف گاز حامل، وارد محفظه یونش طیف سنج جرمی می شوند و با استفاده از میدان های الکتریکی و مغناطیسی شناسایی کمی و کیفی اجزاء نمونه براساس m/z صورت می گیرد. در كروماتوگرافي گازي- طيف سنج جرمي (GC-MS)، خروجی ستون GC وارد طیف سنج جرمی می شود. بنابراین GC-MS فقط قادر به شناسایی و اندازه گیری ترکیباتی ست که بتوان به GC تزریق کرد یعنی ترکیبات فرار یا ترکیباتی که با مشتق سازی یا حلال های خاص امکان فرار بودن پیدا می کنند.

امروزه دستگاه GC را می توان با دو طیف سنج جرمی متوالی (tandem) تلفیق کرد که این روش تلفیقی GC-MS/MS تکنیک بسیار قوی برای شناسایی اجزاء یک مخلوط است.

آنالیز کمی و کیفی با کروماتوگرافی گازی

جهت شناسايي کیفی مواد با GC از زمان بازداریt_R  استفاده مي شود. زمان بازداری زماني است كه طول مي كشد تا جسم ازآشکارساز خارج شود، يعني از زمان تزريق نمونه تا زمان ظاهرشدن پيك ها روي دستگاه كه براي هر جزئی در نمونه تحت شرايط ثابت، مقداري ثابت است. از مقايسه زمان بازداری  نمونه یا جزء معلوم با زمان بازداری  نمونه مجهول، مي توان اجزاي موجود در نمونه مجهول را تشخيص داد. شاخص بازداری کواتس (kovats retention index) نیز یک برای شناسایی ترکیبات مجهول به خصوص الکان ها کاربرد ویژه ای دارد. در واقع کتابخانه های از شاخص های بازداری مواد ایجاد شده اند که با داشتن شاخص بازداری ترکیب مجهول، امکان شناسایی آن فراهم می شود.

اندازه گیری کمی معمولا بر اساس سطح زیر منحنی (Area under curve, AUC) هر پیک انجام می شود. با رسم سطح زیر پیک نمونه های استاندارد برحسب غلظت آنها، و مقایسه سطح یر پیک  نمونه مجهول غلظت آن تخمین زده می شود.

نکات

– جداسازی و آنالیز ترکیبات فرار و ترکیباتی که امکان تبدیل شدن به گاز بدون تجزیه شدن را دارند.

–  سريع و ساده

– قابلیت اندازه گیری کمی و شناسایی کیفی

– ترکیباتی که نقاط جوش نزدیک به هم دارند و جداسازی آنها به روش تقطیر مقدور نیست توسط GC قابلیت جداسازی و اندازه گیری را دارند.

– امکان جداسازی ترکیبات پیچیده در حداقل زمان

 کاربرد کروماتوگرافی گازی

فارماکولوژی: آنالیز مواد باقیمانده و حلال ها در محصولات میانی و نهایی، سنجش داروها، اندازه گیری ناخالصی ها و مواد فرار

كشاورزی و صنایع غذایی: آنالیز باقیمانده سموم ، حشره کش ها، قارچ کش ها و .. ، آنالیز عطر و اسانس، تشخیص تقلب مواد عذایی (Food adulteration) ، پروفایل اسیدهای چرب و ..

محیط زیست: آنالیز ترکیبات فرار در منابع آبی و پساب ها، آنالیز هوا و مانیتورینگ آلاینده های اتمسفری، باقیمانده سموم و…

پتروشیمی: آنالیز گازهای پالایشگاه، میعانات گازی و …

صنایع آرایشی بهداشتی