کروماتوگراف گازی، جی سی (GC)

کروماتوگراف گازی، جی سی (GC)

فاز متحرک در کروماتوگرافی گازی یک گاز بی اثر، مانند نیتروژن، هلیم یا دی اکسید کربن است. در بیشتر اوقات از گاز نیتروژن به عنوان فاز متحرک استفاده می شود. این روش برای جداسازی ترکیبات فرّار از مخلوط آنها استفاده شده و برای شناسایی و اندازه گیری آنها نیز استفاده می شود. در صنایع نفت و گاز، پتروشیمی، دارویی، آرایشی و بهداشتی، غذایی، کشاورزی و در همۀ صنایع شیمیایی کاربرد گسترده ای دارد.

اصول کروماتوگرافی گازی (GC)

در کروماتوگرافی گازی، اگر فاز ساکن یک مادۀ جامد باشد، روش جی اس سی (GSC: Gas Solid Chromatography) و اگر فاز ساکن یک مایع باشد که روی تکیه گاه جامد بی اثر پوشش داده شده است، روش جی ال سی (GLC: Gas Liquid Chromatography) نامیده می شود. درهرحال، هر دو روش به عنوان کروماتوگرافی گازی یا جی سی (GC) شناخته می شوند. با توجه به این که مواد جامدی که بتوان از آنها به عنوان فاز ساکن در GC استفاده کرد محدود است، ولی از طرف دیگر، مایعات بسیار زیادی برای این کار وجود دارد، بیشتر GCها از نوع GLC هستند. در کروماتوگرافی گازی، درحالیکه گاز حامل اجزای نمونه را به طرف انتهای ستون می برد، جداسازی اجزای تشکیل دهندۀ نمونه براساس فشار بخار ترکیبات فرّار و تمایل آنها به فاز ساکن مایع، که بر روی یک تکیه گاه جامد پوشانده شده است، انجام می شود. نموداری که از GC و هر روش دیگر کروماتوگرافی به دست می آید، کروماتوگرام (Chromatogram) نام دارد. در شکل (۱)، یک کروماتوگرام فرضی برای نمونۀ دارای سه جزء تشکیل دهنده، نشان داده شده است. همان طور که در این شکل مشاهده می شود، یک کروماتوگرام، نمودار پاسخ آشکارساز برحسب زمان بازداری( (R_t: Retention timeیا حجم بازداری  (R_v: Retention volume) است.علت جداسازی اجزای مخلوط از یکدیگر، توزیع متفاوت آنها بین فازهای ساکن (جامد یا مایع) و متحرک (گاز) است. معیار کمّی این موضوع، ضریب توزیع (K_d :Distribution constant) نام دارد که مطابق رابطه زیر به صورت، نسبت غلظت آنالیت در فاز ساکن به غلظت آن در فاز متحرک تعریف می شود.

K_d = [X]_S / [X]_M

که در آن، K_d ضریب توزیع، [X]_S غلظت مادۀ X در فاز ساکن و [X]_M غلظت مادۀ X در فاز متحرک است. بدیهی است که هرچقدر K_d بزرگ باشد، یعنی تمایل آن برای ماندن برروی فاز ساکن بیشتر است و لذا دیرتر از ستون خارج می شود.

شکل ۱٫ کروماتوگرام یک مخلوط سه جزیی فرضی، t₀ زمانی که حلال ستون را می پیماید، t_rB زمان بازداری ترکیب B (زمانی که ترکیب B ستون را می پیماید)، t_wB پهنای

پایه پیک ترکیب B و h ارتفاع پیک است، این پارامترها را برحسب حجم، یعنی V₀، v_rB، V_wB   و غیره نیز می توان بیان کرد.

چون درکروماتوگرام فوق سه پیک وجود دارد، پس نمونه یک مخلوط سه جزئی بوده است. مادۀ A زمان کمتری درون ستون باقیمانده و زودتر از ستون خارج شده است، یعنی تمایل آن به فاز ساکن کمتر بوده و راحت تر توسط فاز متحرک از ستون خارج شده است. بنابراین، می توان نوشت:

K_d(c)> K_d(B)> K_d(A)

در شکل فوق، t_w (t_wB نشان داده شده است) پهنای پیک برحسب زمان یا حجم بازداری است و هرچقدر کمتر باشد، یعنی کارآیی ستون کروماتوگرافی برای تفکیک اجزای نمونه، بهتر بوده است. از زمان بازداری یک جزء می توان برای تجزیۀ کیفی (شناسایی) آن استفاده کرد. ولی مقدار هر جزء را می توان از اندازه گیری سطح زیر هر پیک تعیین کرد. در دستگاه های قدیمی، این عمل توسط یک وسیلۀ انتگرال گیر، انجام می شد، ولی در دستگاه های امروزی که مجهز به نرم افزارهای قوی هستند، این عمل توسط رایانه انجام و ترکیب درصد اجزای تشکیل دهندۀ نمونه گزارش می شود.

طرحی از یک دستگاه جی سی، GC، در شکل (۲) مشاهده می شود. همان طور که در این شکل دیده می شود، یک دستگاه GC، از اجزای (۱) محل تزریق نمونه، (۲) ستون، (۳) کوره که ستون درون آن قرار دارد، (۴) آشکارساز و (۵) رایانه برای تنظیم شرایط عملی، تشکیل شده است.

در واقع، در یک دستگاه GC ستون قلب دستگاه است که در آن جداسازی اجزای نمونه اتفاق می افتد. نمونه از محل تزریق (اینجکتور، Injector) که دارای یک درپوش لاستیکی (سپتوم، Septum) است، توسط یک سرنگ (سرنگ جی سی) نوک تیز به ستون تزریق می شود. اغلب، دمای اینجکتور، در حدّی تنظیم می شود، تا همۀ اجزای موجود در نمونه، به محض تزریق تبخیر شده و به صورت گاز درآید. سپس جریان گاز حامل (گازهای بی اثری مانند نیتروژن، هلیم، آرگون، دی اکسید کربن و هیدروژن، به عنوان فاز متحرک رایج هستند. هلیم و آرگن گران قیمت و هیدروژن قابلیت انفجار دارد. از طرف دیگر، دی اکسید کربن مولکول درشتی است و امکان ترکیب شدن با برخی از مواد را هم دارد. لذا، گاز نیتروژن بسیار متداول تر است)، این اجزا را به طرف انتهای ستون که در آنجا یک آشکارساز یا دتکتور (Detector) قرار داده شده است، حرکت می دهد. بنابراین، اجزای تشکیل دهندۀ نمونه به ترتیب به آشکارساز رسیده و پس از ایجاد علامت مناسب در آشکارساز، کروماتوگرام نمونه به دست می آید. از کروماتوگرام می توان هم در تجزیۀ کیفی و هم در تجزیۀ کمّی استفاده کرد.

عمل محل تزریق نمونه یا اینجکتور در GC، علاوه بر ورود نمونه، در طی فرایند تزریق، فشار و جاری شدن نمونه را ثابت نگه داشته و در همان زمان از داخل شدن هوای محیط به ستون جلوگیری می کند.

شکل ۲٫ طرح ساده ای ازیک کروماتوگراف گازی یا جی سی (GC).