آزمایشگاه GC (کروماتوگرافی گازی)

مقدمه‌ای بر آزمایشگاه GC (دستگاه کروماتوگرافی گازی)

کروماتوگرافی گازی (GC) یکی از رایج‌ترین روش‌های کروماتوگرافی است که در شیمی تجزیه برای جداسازی مواد فرار بدون تجزیه شدن آن‌ها، بکار می‌رود. کروماتوگرافی گازی برای جداسازی و شناسایی اجزا تشکیل دهنده یک مخلوط و تجزیه کمی آنها نیز کاربرد دارد.با توجه به این که کروماتوگرافی گازی امکان جداسازی ترکیبات بسیار پیچیده را در حداقل زمان فراهم می‌کنـد یک تکنیک بسیار قوي به شمار می‌رود. این روش سریع و ساده است و برای تشخیص ناخالصی‌های موجود فرار و پایدار در یک ماده به کار می‌رود.

کروماتوگرافی براساس پخش انتخابی اجزاء مختلف در بین 2 فاز پایه گذاری شده است. یکی از این فازها، فاز ساکن یک ماده جاذب یا Stationary phase نامیده می‌شود که داراي سـطح زیـادی است و دیگری فاز متحرك یا mobile phase است.

در کروماتوگرافی گازی، فاز متحرک یک گاز است. فاز ساکن یک ماده جامد یا مایع پوشش داده شده و یا دارای پیوند با یک جامد بر روی دیواره ستون است.

گاز حامل نقش مهمی را در کروماتوگرافی گازی ایفا می‌کند. گاز حامل، گازی خشک،‌ بی‌اثر و عاری از اکسیژن است.  گاز حامل باید یک گاز بی‌اثر باشد تا با فاز ساکن، حلال و یا نمونه واکنش ندهد، به همین دلیل معمولاَ از نیتروژن یا هلیم استفاده می‌شود گاز حامل باید خلوص بالایی داشته باشد چرا که ناخالصی‌هایی همچون اکسیژن و آب می‌توانند با فاز مایع در ستون واکنش دهند و آن را تخریب کنند.

آزمایشگاه کروماتوگرافی گازی معیار دانش پارس

آزمایشگاه GC (کروماتوگرافی گازی) در شرکت معیار دانش پارس مجهز به سه دستگاه GC ساخت شرکت Agilent و مجهز به آشکارسازهای هدایت گرمایی (TCD)، شعله گرمایی (FID) و الکترون گیراندازی (ECD) و همچنین نمونه‌گذار خودکار می‌باشد.

تزریق می تواند به صورت دستی با سرنگ‌های مخصوص انجام شود یا به صورت اتوماتیک. تمامی دستگاه‌های مدرن امروزی دارای سیستم تزریق اتوماتیک نمونه (auto sampler) هستند.

قسمت‌های گوناگون دستگاه GC عبارت است از:

1. سیلندر گاز حامل (Carrier Gas Tank or Cylinder)
2. ادوات تنظیم فشار و جریان ( Flow& Pressure Regulators)
3. محل تزریق نمونه (Injector)
4. ستـــون (Column)
5. آشکارساز (Detector)
6. محفظه‌های گرمکن (Oven)
7. ثبات، داده پرداز و نمایشگر (Recorder , Data System & Displayer)

نحوه‌ی کار کردن دستگاه GC

نمونه مورد آنالیز توسط سیـستم تزریـق (Injector) به درون ستون وارد می‌گردند. عمل جداسازي اجزاء توسط ستون انجام می‌گیـرد و سـپس ایـن اجـزا در طول ستون حرکت کرده و توسط دتکتور تشخیص داده می‌شود.

بخش‌های دستگاه کروماتوگرافی گازی

قلب دستگاه کروماتوگرافی ستون‌های کروماتوگرافی هستند این ستون‌ها مخلوط گازها را به اجزای جداگانه آن جدا می‌کنند. دو نوع ستون در کروماتوگرافی گازی به کار می‌روند یکی ستون مویین و دیگری ستون پرشده.

ستون‌های مویین (Capillary Column): ستون مویین یک لوله بـاز از جـنس فلـز یـا شیـشه‌هـای کـوارتز خالص (Fused Silica) می‌باشد که فاز ساکن به صورت لایه‌ای به نام film دیوارهای داخلـی را مـی‌پوشـاند.

ستون‌های پرشده (Packed Column):ستون‌های packed قدیمی‌تر از ستون‌های مویین می‌باشند و لوله‌هایی فلزی یا شیشه‌ای هستند که به طور کامل با یکسری ذرات جامد پر می‌شوند.

شناسایی تمامی اجزاء شیمیایی نمونه‌ای 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 می‌رسد، پاسخ الکتریکی می‌دهد.

اگر آشکارسازی بتواند به تمام انواع نمونه‌های موجود پاسخ قوی دهد یک آشکارساز عمومی و اگر فقط به گروه یا ترکیبات ویژه‌ای واکنش نشان دهد، یک آشکارساز انتخابی است .

یک آشکارساز ایده‌آل 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 گاز حامل از آشکارساز بتواند واکنش نشان دهد. حد تشخیص (detection limit) و گستره خطی (linearity range) آشکارساز برای آنالیزهای کمی بسیار اهمیت دارد.

بخش تزریق نمونه (Sample Injector)

اینجکتور یا Injector بخشی از دستگاه است که برای آماده‌سازی نمونه جهت تزریق در داخل ستون استفاده می‌شود. برای رسیدن به راندمان بهینه ستون، نمونه باید در حالت بخار وارد ستون گردد. با توجه به اینکه بخش اینجکتور در دستگاه GC قابلیت دمادهی و تنظیم دما را دارد، می‌توان دمای آن‌را کمی بیش از دمای تبخیر نمونه تنظیم کرد. نمونه نباید در مقادیر زیاد به ستون کروماتوگرافی وارد شود. تزریق سریع مقادیر زیاد نمونه هم باعث کاهش رزولوشن می‌شود. تزریق آرام آن هم باعث پخش شدن نمونه در ستون می‌شود. در واقع نمونه باید به صورت توده‌ای 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 می‌تواند در اینجکتور تنظیم شود. رایج‌ترین روش تزریق نمونه که اغلب بصورت مایع است، توسط میکروسرنگ و از بالای ستون به درون محفظه بخار ساز می‌باشد. دمای اینجکتور هم باید در حدود 50 درجه سانتیگراد بالاتر از نقطه جوش ماده‌ای با کمترین میزان فراریت نسبت به سایر اجزای نمونه باشد، تا همه نمونه‌ها تبخیر و راهی مسیر جداسازی در ستون شوند.

بخش گرمایش و دمای ستون (Column Temperature)

دمای بهینه ستون دستگاه کروماتوگرافی به دمای جوش نمونه بستگی دارد. به طور کلی دمای ستون به دو صورت ایزوترمال (Isothermal) و برنامه پذیر (Programing) تنظیم می‌گردد. به عنوان یک قاعده کلی دمای ستون GC بایستی کمی بالاتر از متوسط دمای جوش اجزای نمونه باشد. اگر نمونه دارای یک جزء باشد و یا اجزای نمونه دارای نقطه جوش نزدیک به هم باشند از ستون با دمای ثابت استفاده می‌شود. اگر اجزای نمونه دارای رنج گسترده‌ای از دمای جوش باشند معمولاً از برنامه‌ی دمایی استفاده می‌شود و دمای ستون به صورت مداوم یا مرحله‌ای افزایش می‌یابد. در حالت کلی دمای اینجکتور باید چند درجه بالاتر دمای ستون و دمای دتکتور هم باید چند درجه بالاتر از دمای اینجکتور باشد.

دتکتور یا آشکار ساز دستگاه GC

دتکتورهای بسیاری وجود دارند که می‌توانند در کروماتوگرافی گازی مورد استفاده قرار گیرند. دتکتورهای مختلف انتخاب پذیری‌های مختلفی نسبت به نمونه‌های مختلف دارند. انتخاب یک دتکتور بدون انتخاب پذیری به همه‌ی ترکیبات بجز گاز حامل پاسخ می‌دهد. اما یک دتکتور انتخاب پذیر به ترکیباتی با خواص فیزیکی و شیمیایی خاص پاسخ می‌دهد و یک دتکتور خاص تنها به یک ترکیب شیمیایی پاسخ می‌دهد. دتکتورها می‌توانند وابسته به غلظت، قطبیت و یا جریان جرمی باشند.

آماده‌سازیي نمونه در آزمایشگاه کروماتوگرافی گازی

براي آناليز GC شامل روش‌هايی است كه تركيبات فرار و نيمه فرار را جداسازی كرده و از ورود تركيبات يونی و گونه‌هایی با وزن مولكولی بالا در مخلوطی كه به دستگاه تزريق می‌شود، جلوگيری می‌كند.

مهم‌ترين روش‌ها عبارتند از: روش‌های تقطير، استخراج و فضای فوقانی. در روش‌های متنوع تقطير از تفاوت در خواص فيزيكی-شيميايی (فراريت يا فشار بخار) استفاده می‌شود. محصولات حاصل از تقطير پس از مرحله خشك كردن، با افزودن سولفات سديم، مخلوط‌های فرار مناسبی براي آناليز با GC و GC/MS هستند.

در روش‌های استخراج، جداسازی بر پايه تفاوت در حلالیت آناليت در حلال، تفاوت در جذب يا واجذب روی موادی از قبيل جامدهای ميكرومتخلخل (زغال فعال، سيليكاژل، آلومينا) يا روی پليمرهای متخلخل (پلی دی متیل سیلوکسان) انجام می‌شود.

ترکیبات قابل اندازه‌گیری در آزمایشگاه کروماتوگرافی گازی

کروماتوگرافی گازی یکی از رایج­‌ترین و مهم­‌ترین دستگاه‌های مورد استفاده در آناليز دستگاهی به روش كروماتوگرافی­ است، که برای جداسازی ترکیباتی با دمای جوش پایین­‌تر از 500 درجه سانتی­گراد (ترکیبات فرار) به­ کار می‌رود. در کروماتوگرافی گازی، جداسازی اجزا یک مخلوط بر اساس نقطه جوش ترکیبات و همچنین متناسب با میزان توزیع اجزا تشکیل دهنده مخلوط بین فاز متحرک گازی و فاز ساکن جامد یا مایع صورت می­‌گیرد.

محدوده کاربرد

به طور کلی از کروماتوگرافی گازی برای آنالیز باقی‌مانده سموم کشاورزی و آفت‌کش‌ها، اسیدهای چرب، الکل‌ها، ترکیبات فرار موجود در آب و پساب و عطر و اسانس‌ها استفاده می‌شود. اين دستگاه‌ها كاربردهای فراوانی در صنايع گوناگون دارد، در زیر لیستی از صنایع آورده شده‌است.