آشنایی با کروماتوگرافی گازی (GC)

کروماتوگرافی گازی (GC) یک نوع رایج کروماتوگرافی است که در شیمی تجزیه برای جداسازی و تجزیه و تحلیل ترکیباتی که می‌توانند بدون تجزیه تبخیر شوند، استفاده می‌شود. کاربردهای معمول GC شامل آزمایش خلوص یک ماده خاص یا جداسازی اجزای مختلف یک مخلوط است. در کروماتوگرافی آماده سازی، از GC می توان برای تهیه ترکیبات خالص از مخلوط استفاده کرد. کروماتوگرافی گازی همچنین گاهی اوقات به عنوان کروماتوگرافی فاز بخار (VPC) یا کروماتوگرافی پارتیشن گاز مایع (GLPC) شناخته می شود.

کروماتوگرافی گازی فرآیند جداسازی ترکیبات در یک مخلوط با تزریق یک نمونه گازی یا مایع به یک فاز متحرک است که معمولاً گاز حامل نامیده می شود و گاز را از یک فاز ساکن عبور می دهد. فاز متحرک معمولاً یک گاز بی اثر یا یک گاز غیر فعال مانند هلیوم، آرگون، نیتروژن یا هیدروژن است.

فاز ثابت یک لایه میکروسکوپی از مایع چسبناک بر روی سطحی از ذرات جامد روی یک تکیه گاه جامد خنثی در داخل یک قطعه شیشه یا لوله فلزی به نام ستون است. سطح ذرات جامد نیز ممکن است به عنوان فاز ساکن در برخی از ستون ها عمل کند. ستون شیشه ای یا فلزی که فاز گاز از آن عبور می کند در کوره ای قرار دارد که در آن دمای گاز قابل کنترل است و مایع خروجی از ستون توسط یک آشکارساز کامپیوتری نظارت می شود.

تجزیه و تحلیل کروماتوگرافی گازی

کروماتوگرافی گازی یک ابزار آنالیز شیمیایی برای جداسازی مواد شیمیایی در یک نمونه پیچیده است. از یک لوله جریان باریک تشکیل شده است که به عنوان ستون شناخته می شود و نمونه در جریان گاز (گاز حامل) از طریق آن عبور می کند. نرخ های مختلف بسته به خواص شیمیایی و فیزیکی مختلف آنها و برهمکنش آنها با پوشش یا پرکننده ستون خاص که “فاز ثابت” نامیده می شود.

هنگامی که مواد شیمیایی از انتهای ستون خارج می شوند، به صورت الکترونیکی شناسایی می شوند. عملکرد فاز ثابت در ستون، جداسازی اجزای مختلف است که باعث می شود هر کدام در زمان متفاوتی از ستون خارج شوند. پارامترهای دیگری که می توان از آنها استفاده کرد. برای تغییر ترتیب یا زمان نگهداری، نرخ جریان گاز حامل، طول ستون و دما است.

در تجزیه و تحلیل GC، حجم مشخصی از آنالیت گازی یا مایع از طریق یک دیسک لاستیکی و به یک پورت گرم و با دمای کنترل شده متصل به ستون تزریق می‌شود. همانطور که گاز حامل مولکول های آنالیت را از طریق ستون حمل می کند، مولکول های آنالیت به دیواره های ستون یا روی مواد بسته بندی (فاز ثابت) در ستون برای جداسازی جذب می شود.

از آنجایی که هر نوع مولکول دارای سرعت پیشرفت متفاوتی است. اجزای مختلف مخلوط آنالیت با پیشروی در طول ستون و رسیدن به انتهای ستون در زمان های مختلف (زمان نگهداری) از هم جدا می شوند. یک آشکارساز برای نظارت بر زمان رسیدن هر جزء به خروجی و در نهایت تعیین مقدار آن جزء استفاده می شود. به طور کلی، مواد (از لحاظ کیفی) با ترتیبی که در آن از ستون شسته می شوند و با زمان ماند آنالیت در ستون شناسایی می شوند.

اجزای فیزیکی GC

نمونه گیری های خودکار

نمونه‌بردار خودکار ابزاری را برای وارد کردن نمونه به طور خودکار به ورودی‌ها فراهم می‌کند. درج دستی نمونه امکان پذیر است اما دیگر رایج نیست. درج خودکار تکرارپذیری بهتر و بهینه سازی زمان را فراهم می کند.

ورودی های کروماتوگرافی گازی

ورودی ستون (یا انژکتور) وسیله ای را برای وارد کردن نمونه به جریان پیوسته گاز حامل فراهم می کند. ورودی قطعه سخت افزاری است که به سر ستون متصل شده است.

آشکارسازهای کروماتوگرافی گازی

آشکارسازهای رایج مورد استفاده عبارتند از آشکارساز یونیزاسیون شعله (FID) و آشکارساز هدایت حرارتی (TCD). در حالی که TCD ها به دلیل غیر مخرب بودن مفید هستند، محدودیت تشخیص پایین آن برای بیشتر آنالیت ها، استفاده گسترده را مهار می کند.FID ها در درجه اول به هیدروکربن ها حساس هستند و نسبت به TCD حساس ترند.FID ها نمی توانند آب یا دی اکسید کربن را تشخیص دهند که آنها را برای تجزیه و تحلیل آنالیت آلی محیطی ایده آل می کند. FID دو تا سه برابر بیشتر از TCD به تشخیص آنالیت حساس است.

TCD متکی بر رسانایی حرارتی ماده است که از اطراف سیم نازکی از تنگستن-رنیم عبور می کند که جریانی از آن عبور می کند. در این مجموعه هلیوم یا نیتروژن به عنوان گاز حامل به دلیل رسانایی حرارتی نسبتاً بالایی که دارند، رشته را خنک نگه می دارد و مقاومت یکنواخت و راندمان الکتریکی رشته را حفظ می کند.

هنگامی که مولکول های آنالیت از ستون، مخلوط با گاز حامل، شسته می شوند، هدایت حرارتی کاهش می یابد در حالی که دما و مقاومت رشته افزایش می یابد که منجر به نوسانات ولتاژ می شود که در نهایت باعث پاسخ آشکارساز می شود. حساسیت آشکارساز با جریان رشته متناسب است در حالی که با دمای محیطی فوری آن آشکارساز و همچنین سرعت جریان گاز حامل نسبت معکوس دارد.

شرایطی که می‌توان برای تطبیق آنالیز مورد نیاز تغییر داد شامل دمای ورودی، دمای آشکارساز، دمای ستون و برنامه دمایی، گاز حامل و نرخ جریان گاز حامل، فاز ثابت ستون، قطر و طول، نوع ورودی و نرخ‌های جریان، اندازه نمونه و تزریق است. تکنیک. بسته به آشکارساز(های) نصب شده بر روی GC، ممکن است تعدادی از شرایط آشکارساز وجود داشته باشد که می تواند متفاوت باشد. برخی از GCها همچنین دارای دریچه هایی هستند که می توانند مسیر نمونه و جریان حامل را تغییر دهند. زمان باز و بسته شدن این شیرها می تواند برای توسعه روش مهم باشد.

انتخاب گاز حامل و نرخ جریان

گازهای حامل معمولی عبارتند از هلیوم، نیتروژن، آرگون و هیدروژن. اینکه کدام گاز باید استفاده شود معمولاً توسط آشکارساز مورد استفاده تعیین می شود، برای مثال، یک DID به هلیوم به عنوان گاز حامل نیاز دارد.هنگام تجزیه و تحلیل نمونه های گاز، حامل نیز بر اساس ماتریس نمونه انتخاب می شود، برای مثال، هنگام تجزیه و تحلیل مخلوط در آرگون، یک حامل آرگون ترجیح داده می شود زیرا آرگون موجود در نمونه در کروماتوگرام نشان داده نمی شود. ایمنی و در دسترس بودن نیز می تواند بر انتخاب حامل تأثیر بگذارد.

خلوص گاز حامل نیز اغلب توسط آشکارساز تعیین می شود، اگرچه سطح حساسیت مورد نیاز نیز می تواند نقش مهمی ایفا کند. به طور معمول، خلوص 99.995٪ یا بالاتر استفاده می شود. متداول‌ترین درجه‌های خلوص مورد نیاز ابزارهای مدرن برای اکثر حساسیت‌ها، درجه‌های 5.0 یا 99.999٪ خالص هستند، به این معنی که در مجموع 10 ppm ناخالصی در گاز حامل وجود دارد که می‌تواند بر نتایج تأثیر بگذارد.

بالاترین درجه خلوص در استفاده متداول گرید 6.0 است، اما نیاز به تشخیص در سطوح بسیار پایین در برخی از کاربردهای پزشکی قانونی و محیطی نیاز به گازهای حامل با درجه خلوص 7.0 را برانگیخته است سرعت خطی گاز حامل به همان روشی که دما بر آنالیز تأثیر می گذارد.

هر چه سرعت خطی بیشتر باشد، آنالیز سریع‌تر است، اما جدایی بین آنالیت‌ها کمتر است. بنابراین انتخاب سرعت خطی همان سازش بین سطح جداسازی و طول تجزیه و تحلیل مانند انتخاب دمای ستون است. سرعت خطی با توجه به قطر داخلی ستون با استفاده از نرخ جریان گاز حامل اعمال خواهد شد. بسیاری از GCهای مدرن به صورت الکترونیکی میزان جریان را اندازه گیری می کنند و به صورت الکترونیکی فشار گاز حامل را برای تنظیم نرخ جریان کنترل می کنند. در نتیجه، فشار حامل و نرخ جریان را می توان در طول اجرا تنظیم کرد و برنامه های فشار/جریان مشابه برنامه های دما ایجاد کرد.

انواع ورودی و نرخ جریان

انتخاب نوع ورودی و روش تزریق بستگی به این دارد که نمونه به صورت مایع، گاز، جذب شده یا جامد باشد و به اینکه آیا ماتریکس حلالی وجود دارد که باید تبخیر شود. نمونه های محلول را می توان مستقیماً از طریق یک انژکتور COC به ستون وارد کرد، در صورتی که شرایط به خوبی مشخص باشد. اگر یک ماتریس حلال باید تبخیر شود و تا حدی حذف شود، از انژکتور S/SL استفاده می شود (متداول ترین روش تزریق).

نمونه های گازی (به عنوان مثال، سیلندرهای هوا) معمولاً با استفاده از یک سیستم شیر سوئیچینگ گاز تزریق می شوند. نمونه های جذب شده (به عنوان مثال، روی لوله های جاذب) با استفاده از یک دستگاه دفع خارجی (آنلاین یا آفلاین) مانند سیستم تصفیه و تله معرفی می شوند، یا در انژکتور واجذب می شوند.

اندازه نمونه و تکنیک تزریق

تجزیه و تحلیل کروماتوگرافی واقعی با معرفی نمونه بر روی ستون شروع می شود. توسعه کروماتوگرافی گازی مویرگی منجر به مشکلات عملی بسیاری با تکنیک تزریق شد. تکنیک تزریق روی ستون، که اغلب با ستون‌های پرشده استفاده می‌شود، معمولاً با ستون‌های مویرگی امکان‌پذیر نیست.

برخی از الزامات کلی که یک تکنیک تزریق خوب باید برآورده کند این است که باید بتوان بازده جداسازی بهینه ستون را به دست آورد، باید امکان تزریق دقیق و تکرارپذیر مقادیر کمی از نمونه های معرف را داشته باشد، نباید تغییری در ترکیب نمونه ایجاد کند. تبعیض را بر اساس تفاوت در نقطه جوش، قطبیت، غلظت یا پایداری حرارتی/کاتالیزوری نشان می دهد، و باید برای آنالیز ردیابی و همچنین برای نمونه های رقیق نشده قابل استفاده باشد.

انتخاب ستون کروماتوگرافی گازی

انتخاب ستون بستگی به نمونه و اندازه گیری فعال دارد. ویژگی شیمیایی اصلی که هنگام انتخاب ستون مورد توجه قرار می گیرد، قطبیت مخلوط است، اما گروه های عاملی می توانند نقش زیادی در انتخاب ستون ایفا کنند. قطبیت نمونه باید دقیقاً با قطبیت فاز ثابت ستون مطابقت داشته باشد تا وضوح و جدایی افزایش یابد و در عین حال زمان اجرا کاهش یابد. جداسازی و زمان اجرا نیز به ضخامت لایه (فاز ثابت)، قطر ستون و طول ستون بستگی دارد.

برنامه دما و دما ستون

ستون(ها) در GC در کوره ای قرار دارند که دمای آن دقیقاً به صورت الکترونیکی کنترل می شود. سرعت عبور نمونه از ستون با دمای ستون نسبت مستقیم دارد. هر چه دمای ستون بالاتر باشد، نمونه سریعتر در ستون حرکت می کند. با این حال، هر چه یک نمونه سریعتر در ستون حرکت کند، کمتر با فاز ساکن برهمکنش می کند و آنالیت ها کمتر از هم جدا می شوند.

به طور کلی، دمای ستون به گونه ای انتخاب می شود که بین طول آنالیز و سطح جداسازی مصالحه داشته باشد. روشی که ستون را در دمای یکسان برای کل تجزیه و تحلیل نگه می دارد “همدما” نامیده می شود. با این حال، اکثر روش‌ها دمای ستون را در طول تجزیه و تحلیل افزایش می‌دهند، دمای اولیه، سرعت افزایش دما (دمای “رمپ”) و دمای نهایی را برنامه دما می‌نامند.

تحلیل داده ها

تحلیل کیفی: به طور کلی، داده های کروماتوگرافی به عنوان نموداری از پاسخ آشکارساز (محور y) در برابر زمان ماند (محور x) ارائه می شود که کروماتوگرام نامیده می شود.

آنالیز کمی: مساحت زیر یک پیک متناسب با مقدار آنالیت موجود در کروماتوگرام است. با محاسبه مساحت پیک با استفاده از تابع ریاضی یکپارچه سازی، می توان غلظت یک آنالیت را در نمونه اصلی تعیین کرد. در اکثر سیستم های مدرن GC-MS، نرم افزار کامپیوتری برای ترسیم و ادغام پیک ها و تطبیق طیف های MS با طیف های کتابخانه ای استفاده می شود.