کروماتوگرافی گازی (GC)

  • ۱۳۹۸/۰۴/۱۵
  • 61 بازدید
  • ادمین کل

کروماتوگرافی گازی

Gas Chromatography, GC



چکیده

کروماتوگرافی یکی از مهم­‌ترین شیوه­‌های جداسازی (separation) و شناسایی ترکیبات یک ماده مخلوط است که پایه آن بر اساس پدیده­‌ای فیزیکی بنا شده است. در کروماتوگرافی گازی، فاز متحرک همواره یک فاز گازی است. این فاز، یک گاز بی اثر یا خنثی مانند هلیوم و نیتروژن است که هیچ برهم‌کنشی با نمونه و فاز ساکن ندارد و فقط به عنوان حامل نمونه عمل می­‌کند. در صورتی که فاز ساکن، جامد باشد آن را GSC و اگر فاز ساکن مایع باشد، آن را GLC می‌­نامند. در واقع، در فاز ساکن، لایه­‌ای از یک مایع تثبیت شده بر روی یک سطح جامد بی‌­اثر که پشتیبان نامیده می­‌شود، جریان دارد. در ابتدای ستون، نمونه مورد نظر، به صورت دستی یا اتوماتیک، به ستون تزریق می­‌گردد.

پس از تزریق نمونه مورد مطالعه به ابتدای سیستم، فاز متحرک، نمونه را به طور پیوسته به همراه خود بر روی فاز ساکن (یا در درون فاز ساکن) عبور می­‌دهد. جداسازی اجزای موجود در نمونه بر اساس تمایل نسبی هر جزء به فاز ساکن (پدیده فیزیکی) صورت می­‌گیرد. به عبارت دیگر، اجزاي موجود در نمونه بر حسب تمايلي كه فاز ساکن براي نگهداري آن‌ها دارد، در طول سیستم از يكديگر فاصله گرفته و با عبور فاز متحرک، اجزا از یکدیگر جدا مي­‌شوند و به ترتيبي كه متناسب با عكس تمايل فاز ساکن به نگهداري آن­‌هاست، از سیستم خارج می­‌گردند.

کل ستون کروماتوگرافی در یک آون قرار دارد که دمای عملیاتی را تنظیم و کنترل می­‌کند. کروماتوگرافی را می‌­توان در یک دمای ثابت و یا طی یک سیکل دمایی کاملاً مشخص و برنامه‌­ریزی شده انجام داد که این حالت برای نمونه­‌های پیچیده­‌تر مورد استفاده قرار می‌گیرد. این کار برای جداسازی دقیق اجزای نمونه ضروری است. در طول ستون، جداسازی نمونه‌­ها به طور کامل از یکدیگر انجام می­‌گیرد و اجزای نمونه به صورت جداگانه به آشکارساز می­‌رسند. به همان ترتیب که اجزا به آشکارساز می­‌رسند، سیگنالی متناسب با همان ترکیب از طرف آشکارساز ایجاد و ثبت می­‌شود؛ بنابراین، نموداری از سیگنال آشکارساز بر حسب زمان حاصل می‌­شود که کروماتوگرام (Chromatogram) نام دارد. کروماتوگرافی گازی در تجزیه کیفی و کمی ترکیبات مختلف به صورت موفقیت­‌آمیزی مورد استفاده قرار گرفته است، به جز نمونه‌­های معدنی که به دلیل فرار بودن، قابلیت چندانی برای کروماتوگرافی ندارند.




کروماتوگرافی

کروماتوگرافی (Chromatography) یکی از مهم‌­ترین شیوه­‌های جداسازی (Separation) و شناسایی ترکیبات یک ماده مخلوط است که پایه آن بر اساس پدیده فیزیکی جذب بنا شده است. از لحاظ فرایندی، این تکنیک، از سیستمی شامل دو فاز (از سه فاز جامد، مایع یا گاز) متفاوت که در یک ستون با یکدیگر مجاور هستند، تشکیل شده است. در این حالت، همواره یکی ساکن (Stationary Phase) و دیگری متحرک (Mobile Phase) است، (شکل (1)).

شکل 1. فاز ساکن (سفید) و فاز متحرک (آبی و قرمز) در ستون کروماتوگرافی.

از آن­جا که هیچ فاز گازی نمی‌­تواند نقش فاز ساکن را ایفا کند، کروماتوگرافی به دو دسته اصلی کروماتوگرافی تقسیمی (فاز ساکن مایع) و کروماتوگرافی جذب سطحی (فاز ساکن جامد) تقسیم‌­بندی می­‌شود. هم­چنین هیچ فاز جامدی
نمی‌­تواند نقش فاز متحرک را بازی کند؛ بنابراین، انواع کروماتوگرافی به چهار دسته تقسیم می­‌شوند، (جدول (1)). به عنوان مثال اگر فاز متحرک گاز باشد و فاز ساکن جامد باشد، آن را کروماتوگرافی گاز-جامد (
Gas-Solid Chromatography, GSC) می‌­نامند [1].

جدول 1. انواع کروماتوگرافی بر حسب نوع فاز متحرک و ساکن [1].

فاز متحرک به صورت مداوم بر روی فاز ساکن (یا در درون فاز ساکن) در یک طول معین جریان دارد. پس از تزریق نمونه مورد مطالعه به ابتدای سیستم، در فاز متحرک نمونه به طور پیوسته بر روی فاز ساکن (یا در درون فاز ساکن) عبور می‌­کند. جداسازی اجزای موجود در نمونه بر اساس تمایل نسبی هر جزء به فاز ساکن (پدیده فیزیکی) صورت می­‌گیرد. به عبارت دیگر، اجزاي موجود در نمونه بر حسب تمايلي كه فاز ساکن براي نگهداري آن­‌ها دارد، در طول سیستم از يكديگر فاصله گرفته و با عبور فاز متحرک، اجزا از یکدیگر جدا مي­‌شوند و به ترتيبي كه متناسب با عكس تمايل فاز ساکن به نگهداري آن­‌هاست، از سیستم خارج می‌­گردند. در شکل (2)، این پدیده فیزیکی با تمایل زنبورهای عسل به ماندن بر روی گل­‌ها و کُندی حرکت آن‌­ها در مقایسه با دیگر زنبورها به تصویر کشیده شده و با یک ستون کروماتوگرافی مورد مقایسه قرار گرفته است.

 

شکل 2. شماتیکی از جذب اجزای نمونه (زنبورها) به فاز ساکن (گل­‌ها) در ستون کروماتوگرافی [3].

از لحاظ عملیاتی و دستگاهی، نمونه به یک لوله با قطر کم که به ستون کروماتوگرافی (Column) معروف است، تزریق می­‌شود. طول ستون کروماتوگرافی در مقایسه با قطر آن  بسیار بیشتر بوده و حاوی فاز ساکن و متحرک است. سپس جریان فاز متحرک (یا عامل شستشو دهنده Carrier Phase) تا جداسازی کامل اجزای مخلوط، به طور پیوسته از درون ستون عبور می­‌کند. در این مرحله اجزای نمونه به طور کامل از یکدیگر جدا شده و برای شناسایی (Detection) به مرحله بعد فرستاده می­‌شوند که با روش‌­های مختلف فیزیکی یا شیمیایی مورد شناسایی قرار می­‌گیرند [1، 2].

کروماتوگرافی گازی

بر اساس شکل (3)، در کروماتوگرافی گازی (Gas Chromatography, GC) فاز متحرک همواره یک گاز است. فاز متحرک، یک گاز بی‌­اثر یا خنثی مانند هلیوم و نیتروژن است و هیچ برهم‌کنشی با نمونه و فاز ساکن ندارد و فقط به عنوان حامل نمونه عمل می­‌کند. گاز حامل، در کپسول نگهداری شده و با فشار و جریان کاملاً مشخص به ستون تزریق می‌­شود. همانطور که در جدول (1) اشاره شد، درصورتی که فاز ساکن جامد باشد آن را GSC و اگر فاز ساکن مایع باشد، آن را GLC می­‌نامند. البته، هر دو روش پرکاربرد بوده ولی GLC اهمیت بیشتری دارد.

فاز ساکن مایع، در واقع لایه‌­ای از یک مایع تثبیت شده بر روی یک سطح جامد بی‌­اثر است که پشتیبان نامیده می­‌شود. فاز ساکن مايع  بايد از نظر شيميايي غيرفعال بوده، مقاومت حرارتی بالا و براي اجزاي نمونه قابليت انحلال مختلفي داشته باشد، مانند روغن پارافين يا روغن سيليكون كه تا حدود 400 درجه سانتی‌­گراد مقاومت حرارتی دارد [1، 4].

بر اساس شکل (3)، در ابتدای ستون کروماتوگرافی، نمونه مورد نظر به صورت دستی یا خودکار، به ستون تزریق می‌­گردد. مقدار نمونه تزریق شده به عوامل مختلفی از جمله ماهیت و فاز نمونه، دستگاه و... بستگی دارد و گاهی حجم تزریقی به ناچیزی 001/0 میکرولیتر است. نمونه‌­هاي جامد را بايد در يك حلال فرار مناسب حل کرده و سپس تزریق نمود. معمولاً حجم تزریق براي نمونه­‌هاي گازي بيشتر است.

 

شکل 3. شماتیکی از دستگاه کروماتوگرافی گازی [5].

کل ستون کروماتوگرافی در یک آون (oven) قرار دارد که دمای عملیاتی را تنظیم و کنترل می‌­کند. این کار برای جداسازی دقیق اجزای نمونه ضروری است. کروماتوگرافی در یک دمای ثابت و یا طی یک سیکل دمایی کاملا مشخص و برنامه‌ریزی شده انجام می­‌شود که این حالت برای نمونه های پیچیده تر مورد استفاده قرار می­‌گیرد. ستون­‌ها به دو دسته ستون­‌های انباشته یا پُرشده (packed column) و ستون‌­هاي مويينه (capillary column) تقسیم‌­بندی می­‌شوند. قطر ستون­‌ها در حدود چند میلی‌­متر و طول آن­‌ها از 2 تا 50 متر متغیر است [1، 4].

در طول ستون، نمونه‌­ها به طور کامل از یکدیگر جدا شده و اجزای نمونه به صورت جداگانه به آشکارساز می‌­رسند، (شکل (4)). به عبارت دیگر، از ابتدای شروع فرایند، هر یک از اجزا طی زمان مشخصی طول ستون را پیموده و به آشکارساز می‌رسند که آن را زمان بازداری (Retention time, tr) می­‌نامند. به همان ترتیب که اجزا به آشکارساز می­‌رسند، سیگنالی متناسب با همان ترکیب توسط آشکارساز فرستاده و ثبت می­‌شود؛ بنابراین، نموداری از سیگنال­‌های آشکارساز بر حسب زمان حاصل می­‌شود که کروماتوگرام (Chromatogram) نام دارد، (شکل (3)). آشکارسازها نیز خود انواعی دارند که از میان آ‌ن­‌ها می­‌توان به شعله‌­یونشی (Flame ionization detector, FID) و گرمایونشی (Thermionic ionization detector, TID) اشاره کرد. نمونه‌­ای از یک کروماتوگرام در شکل (5) آورده شده است.

شکل 4. آشکارسازی اجزای نمونه طی زمان توسط آشکارساز (کروماتوگرام).

شکل 5. کروماتوگرام [6].

کاربرد اصلی کروماتوگرافی گازی، تجزیه کیفی و کمی ترکیبات است که به طور موفقیت‌­آمیزی در زمینه‌­های تحقیقاتی و صنایع مختلف مورد استفاده قرار گرفته است. لازم به ذکر است که کروماتوگرافی گازی برای آنالیز نمونه‌­های معدنی به دلیل فراریت کم، به ندرت صورت می‌گیرد [1، 2، 4].

مراجع

 [1] Gerhard Schomburg, “Gas chromatography: a practical course”, VCH, 1990.

[2] Colin Poole, “Gas Chromatography”, Elsevier, 2012.

[3] https://slideplayer.com/slide/10205537/

[4] Harold M. McNair, James M. Miller, “Basic Gas Chromatography”, John Wiley & Sons, 2011.

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Gas_chromatography

[6] Daniëlle C.R.Borrey, Kristof O.Godderis, Veronique I.L.Engelrelst, Dirk R.Bernard, Michel R. Langlois, “Quantitative determination of vigabatrin and gabapentin in human serum by gas chromatography–mass spectrometry”, Clinica Chimica Acta, 354, 2005.

به این محتوا امتیاز دهید

برای دوستانتان ارسال کنید

برای ثبت نظر ابتدا لاگین نمایید.

ما مشتاق دیدگاه شما هستیم.

مطالب پیشنهادی