کروماتوگرافی گازی چیست و چگونه کار می‌کند؟

آیا شما هم تا به حال به فکر استفاده از کروماتوگرافی گازی برای تجزیه و تحلیل نمونه‌های آزمایشگاهی خود افتاده‌اید؟ اما مردد هستید؟

بررسی آلاینده‌ها همواره یکی از فعالیت‌های آزمایشگاهی است. این کار در بسیاری از حوزه‌های آزمایشگاهی از جمله خاک، آب و مواد غذایی و نوشیدنی رایج است. به این منظور معمولا از دستگاهی به نام کروماتوگرافی گازی استفاده می‌شود. برخی از پرسنل آزمایشگاهی ممکن است نام این دستگاه را شنیده باشند و حتی از آن استفاده هم کرده باشند. اما کار با هر دستگاه آزمایشگاهی، نیازمند کسب دانش و تجربه است. در این مقاله قصد داریم اصول کار با این دستگه را بررسی کنیم.

پس برای استفاده بهینه از کروماتوگرافی گازی در ادامه با ما همراه باشید.

مروری بر تاریخچه کروماتوگرافی گازی

کروماتوگرافی گازی (Gas Chromatography) اولین بار توسط شخصی به نام میخائیل تسویت (Mikhail Tswett) ابداع شد. این فرد در سال ۱۹۰۰ از این دستگاه در گیاه شناسی  و برای مطالعه رنگدانه‌های گیاهی، از جمله کلروفیل و کاروتن استفاده کرد.

اما با گذشت زمان، استفاده از آن به بسیاری از کاربردهای دیگر و جداسازی مخلوط‌های پیچیده گسترش یافته است.

از زمان کشف سیستم کروماتوگرافی گازی، حوزه‌های کاربرد این تکنیک روز به روز در حال افزایش است. این تکنیک امروزه در حوزه‌های زیر مورد استفاده قرار می‌گیرد:

• صنعت داروسازی
• پژوهشگاه‌ها
• پزشکی قانونی
• پایش آب و خاک
• پالایش نفت و پتروشیمی
• روغن های خوراکی
• طعم‌‌دهنده‌ها، نوشیدنی‌ها و صنایع غذایی
• صنعت عطرسازی (آرایشی و بهداشتی)
• پلیمرها و پلاستیک‌ها
• آفت کش‌ها

اصول عملکرد کروماتوگرافی گازی

کروماتوگرافی گازی یک تکنیک تحلیلی است که برای جداسازی اجزای شیمیایی یک مخلوط نمونه و سپس شناسایی آن‌ها استفاده می شود. مقدار اجزای موجود در نمونه را نیز می‌توان به کمک این روش اندازه گیری کرد.

کلمه کروماتوگرافی از ریشه یونانی کلمات chroma و graph می‌آید و به معنای “نوشتن رنگی” است. در این تکنیک، مخلوطی از مواد شیمیایی با حرکت آهسته از کنار یک ماده دیگر، ازهم جدا می‌شوند.

در کروماتوگرافی گازی، دو ماده داریم. یکی به عنوان فاز متحرک و دیگری به عنوان فاز ساکن شناخته می‌شود. معمولا از یک گاز حامل بی‌اثر یا غیر فعال به عنوان فاز متحرک استفاده می‌شود.

فاز ساکن نیز عموماً یک لایه نازک مایع است.  در طول حرکت فاز متحرک، اجزای مخلوط به صورت جداگانه روی فاز ساکن قرار می‌گیرند. سپس می‌توانیم آن‌ها را یک به یک شناسایی و بررسی کنیم.

اصل اساسی این است :

وقتی محلول نمونه با فاز جامد یا مایع تماس پیدا می‌کند، املاح شروع به تعامل می‌کنند. با توجه به نرخ های مختلف جذب، تبادل یونی، پارتیشن بندی یا اندازه، برهمکنش متفاوت خواهد بود و این چیزی است که جداسازی اجزای نمونه را از یکدیگر امکان پذیر می‌کند. این تفاوت‌ها باعث می‌شود که مخلوط نمونه با سرعت های متفاوتی از ستون عبور کند و به این ترتیب می‌‌توان ترکیبات را جدا کرد.

مولکول‌های آلی و گازهای دائمی رایج ترین مواد شیمیایی هستند که به روش کروماتوگرافی گازی تجزیه و تحلیل می‌شوند. به کمک این روش می‌توان ترکیبات را در محدوده جوش از nC1 تا nC100 تجزیه و تحلیل کرد، اما بیشترین کاربردها در محدوده نقطه جوش از nC3 تا nC44 است.

انواع کروماتوگرافی گازی

عمدتاً دو نوع کروماتوگرافی گازی وجود دارد.

• کروماتوگرافی GLC یا گاز مایع.
• کروماتوگرافی GSC یا گاز جامد.

در هر دو روش، از گاز به عنوان فاز متحرک استفاده می‌شود. اما در تکنیک GLC، فاز ساکن مایع و در تکنیک GSC فاز ساکن جامد است.

۵ قدم ساده در کروماتوگرافی گازی، یک جهش عظیم برای شیمیدانان

دستگاه کروماتوگرافی گازی از یک ورودی گرم، یک کوره، یک ستون تحلیلی و یک آشکارساز تشکیل شده است. در اداوه مروری بر روند کارکرد این دستگاه خواهیم داشت.

مرحله ۱: آماده سازی نمونه

نمونه‌ها معمولاً در یک حلال رقیق می‌شوند و سپس به درگاه ورودی تزریق می‌شوند. اما برخی از نمونه‌ها مانند اسانس‌ها رقیق نمی‌شوند.

مرحله ۲: تبخیر

این بخش همانطور که از نامش پیداست، بسیار ساده است. نمونه مایع در ورودی داغ تبخیر شده و به گاز تبدیل می‌شود.

مرحله ۳: جداسازی

در این مرحله، یک گاز بی اثر مانند هلیوم نمونه را حمل می‌کند. مواد مختلف در نمونه بسته به ترکیب شیمیایی خود، با فاز ثابت برهمکنش متفاوتی دارند. این باعث می شود که با سرعت‌های مختلف در ستون حرکت کنند و در نتیجه از هم جدا شوند.

مرحله ۴: تشخیص

ترکیبات جدا شده یکی پس از دیگری از ستون خارج شده و وارد آشکارسازی مانند طیف سنج جرمی (MS) می‌شوند. طیف سنج جرمی ترکیبات را از هم جدا می‌کند و کمک می کند تا مشخص شود ترکیب چیست.

مرحله ۵: کروماتوگرام

کروماتوگرافی گازی، نموداری به نام کروماتوگرام تولید می‌کند که پیک‌ها را نشان می‌دهد. اندازه یک پیک میزان رسیدن هر جزء به آشکارساز را نشان می‌دهد. تعداد پیک‌ها ترکیبات مختلف موجود در نمونه را نشان می‌دهد. موقعیت هر پیک نیز زمان ماندگاری هر ترکیب را نشان می‌دهد.

کروماتوگرافی گازی: محدودیت‌ها و مشکلات رایج

کروماتوگرافی گازی به طور گسترده در بسیاری از صنایع برای آنالیز صدها و هزاران ترکیب در نمونه‌ها استفاده می‌شود. این تکنیک بسیاری کاربردی و کارآمد است و به راحتی می‌توان آن را با سایر تکنیک‌های متمایزکننده، مانند طیف سنجی جرمی، ترکیب کرد.

با این وجود، کروماتوگرافی گازی معمولا برای موادی مناسب است که وزن مولکولی آن‌ها در حدود ۱۲۵۰ U باشد. همچنین در مورد ترکیباتی که از نظر حرارتی حساس هستند، قرار گرفتن در معرض دمای بالا در GC می‌تواند سبب تخریب شود. به همین دلیل برای به حداقل رساندن میزان تخریب، باید از تکنیک‌های تزریق سرد و دماهای پایین استفاده کرد.

یکی دیگر  از مشکلات عمده کروماتوگرافی گازی نشت است. از آنجایی که فاز متحرک گازی است، احتمال نشت بالا است. بنابراین، اطمینان از نصب صحیح قطعات و مواد مصرفی و بررسی منظم سیستم از نظر نشتی بسیار مهم است.

مسائلی مانند جذب غیرقابل برگشت یا تجزیه واکنش دهنده نیز می تواند به دلیل تجمع کثیفی در سیستم رخ دهد.

سخن پایانی

کروماتوگرافی گازی یکی از تکنیک‌های آزمایشگاهی مهم در  بسیاری از حوزه ها محسوب می‌شود. به کمک این روش می‌توان اجزای یک محلول یا ترکیب را به تفکیک مورد بررسی قرار داد. این روش به بررسی آلاینده در مواد غذایی، خاک یا آب بسیار کمک می‌کند.

همانطور که در این مطلب گفته شد، کروماتوگرافی گازی یکسری معایب و محدودیت ها نیز دارد. اما بیشتر مشکلات در ناحیه ورودی نمونه دیده می شود. به همین دلیل با نگهداری مناسب ورودی و استفاده از مواد مصرفی صحیح می‌توان از بروز این مشکلات جلوگیری نمود.