دستگاه کروموتوگراف
دستگاه GC یا کروماتوگراف گازی یکی تجهیزات رایج آزمایشگاهی به منظور جداسازی و شناسایی مواد می باشد. این روش اصولا برای آنالیز موادی که در حالت بخار تجزیه نمی شوند مورد استفاده قرار می گیرد. دستگاه کروموتوگراف در مواردی مانند تعیین میزان خلوص یک ماده و جداسازی اجزای مختلف یک ترکیب (با تعیین نسبت اجزا) کاربرد دارد.
اساس کار دستگاه کروماتوگرافی گازی
درکروموتوگراف گازی یک فاز ساکن داریم و یک فاز متحرک. فاز متحرک در واقع همان گاز حامل است که حاوی نمونه آنالیت می باشد. نمونه آنالیت معمولاً در حالت مایع به سیستم تزریق می شود. پس از آن مایع به حالت بخار درآمده و با گاز حامل مخلوط شده و بعد از مخلوط شدن این فاز متحرک وارد ستون می شود. در اثر عبور فاز متحرک از ستون کروماتوگرافی بخشی از نمونه توسط فاز ساکن جذب می شود. در واقع اساس جداسازی در کروماتوگرافی گازی یا جی سی همین تمایل نمونه به فاز ساکن در حین عبور از ستون می باشد. اجزای جذب شده بسته به میزان بر هم کنش با فاز ساکن در فواصل زمانی و به تدریج از آن جدا می گردد. پس از جدا شدن نمونه از فاز ساکن و خروج از ستون، شناسایی ماده و میزان آن در آنالیت توسط دتکتور GC و سیگنال های خروجی از آن تعیین می گردد.
بخش های مهم دستگاه GC
گاز حامل (Carrier Gas)
گاز حامل در کروماتوگراف گازی GC از نظر شیمیایی معمولاً یک گاز بی اثر مانند هیلوم و آرگون یا واکنش ناپذیر مانند هیدروژن، نیتروژن و دی اکسید کربن می باشد. از آنجا که هیدروژن گاز سبکی می باشد سرعت بالای حرکت آن در ستون موجب کاهش عملکرد ستون می شود. علاوه بر آن نگه داری گاز هیدروزن به علت خاصیت انفجار پذیری مشکلاتی به همراه دارد. به همین دلیل معمولاً به عنوان گاز حامل در دستگاه GC استفاده نمی شود. هلیوم مشکل سبکی هیدروژن را ندارد اما از آنجا که گازی گران است استفاده از آن مقرون به صرفه نمی باشد. نیتروژن معمولاً انتخاب مناسبی به عنوان گاز حامل می باشد. زیرا علاوه بر ارزان و در دسترس بودن، مشکل سبک بودن هیدروژن را هم ندارد. گاز حامل باید با درجه خلوص بالایی باشد و فاقد رطوبت و اکسیژن باشد. فشار و دمای گاز ورودی از پارامتر های مهم می باشد که کنترل تنظیمات آن توسط ریگولاتور و روتامتر صورت می گیرد.
بخش تزریق نمونه (Sample Injector)
انژکتور یا Injector دستگاهی است برای آماده سازی نمونه جهت تزریق در داخل ستون. برای رسیدن به راندمان بهینه ستون، نمونه باید در حالت بخار وارد ستون گردد. با توجه به اینکه بخش انژکتور در دستگاه GC قابلیت دمادهی و تنظیم دما را دارد، می توان دمای آنرا کمی بیش از دمای تبخیر نمونه تنظیم کرد. نمونه نباید در مقادیر زیاد به ستون کروماتوگراف وارد شود. تزریق سریع مقادیر زیاد نمونه هم باعث کاهش رزولوشن می شود. تزریق آرام آن هم باعث پخش شدن نمونه در ستون می شود. در واقع نمونه باید به صورت توده ای 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 می تواند در Injector تنظیم شود. رایج ترین روش تزریق نمونه که اغلب بصورت مایع است، توسط میکروسرنگ و از بالای ستون به درون محفظه بخار ساز می باشد. دمای نمونه هم باید در حدود 50 درجه سانتیگراد بالاتر از نقطه جوش ماده ای با کمترین میزان فراریت نسبت به سایر اجزای نمونه باشد، تا همه نمونه ها تبخیر و راهی مسیر جدایازی در ستون شوند.
ستون (Column)
به طور کلی دو نوع ستون در آنالیزور GC داریم. ستون پر شده (Packed Column) و ستون مویین (Capillary Column)
ستون پر شده از ذرات ریزی پر شده که کاملا بی اثر می باشند و توسط فاز مایع پوشیده شده و فاز ساکن را تشکیل می دهند. بیشتر این ستون ها 10-2 متر می باشند و قطری حدود 4-2 میلیمتر دارند.
ستون مویین دستگاه جی سی دارای قطر داخلی چند دهم میلیمتر هستند و دارای دونوع می باشند. نوع WCOT که در آن دیواره توسط فاز مایع ساکن پوشیده شده و نوع SCOT که دیواره توسط یک پایه جامد پوشیده شده و فاز مایع روی آن جذب شده است. این لایه بر روی یک ستون از جنس شیشه و یا فلز با قابلیت انعطاف پذیری قرار میگیرد.
در کل ستون مویین در دستگاه GC بیشتر از ستون پرشده کاربرد دارد و از بین ستون های مویین مدل WCOT بیشتر از SCOT مورد استفاده قرار میگیرد.
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 می گردد. 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 می شود. اگر اجزای نمونه دارای رنج گسترده ای از دمای جوش باشند معمولاً از برنامه ی دمایی استفاده می شود و دمای ستون به صورت مداوم یا مرحله ای افزایش می یابد. در حالت کلی دمای injector باید چند درجه بالاتر دمای ستون و دمای دتکتور هم باید چند درجه بالاتر از دمای injector باشد.
دتکتور یا آشکار ساز دستگاه GC
دتکتورهای بسیاری وجود دارند که می توانند در کروماتوگرافی گازی مورد استفاده قرار گیرند. دتکتور های مختلف انتخاب پذیری های مختلفی نسبت به نمونه های مختلف دارند. انتخاب یک دتکتور بدون انتخاب پذیری به همه ی ترکیبات بجز گاز حامل پاسخ می دهد. اما یک دتکتور انتخاب پذیر gas chromatograph به ترکیباتی با خواص فیزیکی و شیمیایی خاص پاسخ می دهد و یک دتکتور خاص تنها به یک ترکیب شیمیایی پاسخ می دهد. دتکتور ها می توانند وابسته به غلظت، قطبیت و یا جریان جرمی باشند.
- انواع دتکتور در کروماتوگرافی گازی
- دتکتور FID (Flame Ionization Detector) در تشخیص ترکیبات کربن دار (رایج ترین نوع دتکتور در کروماتوگرافی گازی)
- دتکتور NPD (Nitrogen Phosphorous Detector) برای تشخیص ترکیبات نیتروژن و فسفر دار
- دتکتور ECD (Electron Capture detector) برای آنالیز ترکیبات هالوژن دار
- دتکتور طیف سنج جرمی (Mass Spectrometer) برای تشخیص نمونه های مجهول
- دتکتور TCD (Thermal conductivity Detector) برای تشخیص کلیه ترکیبات آلی و معدنی
- کاربردهای مختلف کروماتوگرافی گازی
دستگاه GC در صنایع مختلفی از جمله کشاورزی و صنایع غذائی، صنایع دارویی، آرایشی و بهداشتی، صنایع پتروشیمی و محیط زیست کاربرد دارد. به طور کلی از کروماتوگرافی گازی برای آنالیز باقیمانده سموم کشاورزی و آفت کش ها، اسید های چرب، الکل ها، ترکیبات فرار موجود در آب و پساب و عطر و اسانس ها استفاده می شود.