روش های کروماتوگرافی برای جداسازی اجزای موجود در مخلوط ها از یکدیگر استفاده می شوند. البته با توسعه تجهیزات الکترونیکی جدید، از این روش ها برای شناسایی و اندازه گیری اجزای مخلوط ها نیز استفاده می شود. بنابراین، ازآنجاکه اکثر نمونه های موجود در طبیعت بهصورت مخلوط های ساده و پیچیده هستند، این روش ها در تجزیه شیمیایی آنها اهمیت زیادی دارند. به طوری که برای تجزیه نفت خام، فراورده های نفتی، آب ها، هوای شهری و دودهای خروجی از صنایع مختلف، گیاهان و فرآورده های آن، صنایع غذایی و بسیاری از نمونه های پیچیده، کاربرد روزمره دارند. این روش ها نه تنها در آزمایشگاه های تجزیه، بلکه در صنعت نیز کاربرد دارند. برای مثال، در نیروگاه های برق برای تولید آب بویلرها (دیگ های بخار)، از کروماتوگرافی تبادلگر یونی بهمقدار بسیار زیادی استفاده می شود. یا برای تولید فلزات باارزش و کم مقدار، در صنایع فلزشناسی، شیمیایی و هسته ای از این روش ها استفاده می شود.
کروماتوگرافی نام عمومی روش هایی است که توسط آنها اجزای یک مخلوط، به طور فیزیکی و با توزیع متفاوت بین دو فاز از یکدیگر جدا می شود. یکی از این دو فاز، فاز ساکن و دیگری فاز متحرک نام دارد که به طور مداوم در فاز ساکن جریان دارد. فاز ساکن می تواند جامد یا مایع و فاز متحرک می تواند مایع یا گاز باشد. اساس تفکیک اجزای یک مخلوط، تمایل متفاوت آنها نسبت به فاز ساکن و متحرک است.
روش های کروماتوگرافی با توجه به نوع فاز متحرک و شکل فاز ساکن به دو گروه اصلی تقسیم می شوند. فاز متحرک گاز یا مایع است، ولی جامد نیست. از طرف دیگر، فاز ساکن مایع یا جامد است، ولی گاز نیست. هرگاه فاز متحرک یک مایع باشد، کروماتوگرافی مایع (LC) و اگر فاز متحرک یک گاز باشد، کروماتوگرافی گازی (GC) نامیده می شود. کروماتوگرافی گازی از نظر نوع فاز ساکن (نه شکل آن)، به دو گروه تقسیم می شود. اگر فاز ساکن یک ماده جامد باشد، کروماتوگرافی گاز ـ جامد (GSC) نامیده می شود. اگر فاز ساکن یک مایع باشد، کروماتوگرافی گاز ـ مایع (GLC) نامیده می شود. در کروماتوگرافی گاز- مایع، فاز ساکن مایع بر روی یک تکیه‌گاه جامد پوشش داده شده و درون یک ستون لوله ای ریخته می شود. لازم به ذکر است که در اصطلاح، به هر دو نوع روش، کروماتوگرافی گازی (GC) گویند. با توجه به این که مواد جامدی که بتوان از آنها بهعنوان 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.
روش کروماتوگرافی گازی، که در بین سایر روش ها بیشترین پیشرفت را کرده است، امروزه پیچیده ترین و متداول ترین روش، به‌ویژه برای مخلوط گازها و مایعات و جامدات فرار است. حتی برای مخلوط های بسیار پیچیده زمان جداسازی به‌وسیله GC اکنون در حدود چند دقیقه است. قدرت تفکیک زیاد، سرعت عمل تجزیه و حساس بودن روش GC سبب شده است که این روش تقریباً در همه آزمایشگاه های شیمی متداول و مرسوم باشد.
در GC، درحالیکه گاز حامل اجزای نمونه را به طرف انتهای ستون می برد، جداسازی اجزای تشکیل دهنده 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 بهدست می آید، کروماتوگرام نام دارد. در شکل (۱) کروماتوگرام فرضی برای نمونه 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 (tr) یا حجم بازداری (vr) است.
شکل ۱- کروماتوگرام یک مخلوط سه جزیی فرضی، t0 زمانی که حلال ستون را می پیماید، trB زمان بازداری ترکیب B (زمانی که ترکیب B ستون را می پیماید)، twB پهنای پایه پیک ترکیب B و h ارتفاع پیک است، این پارامترها را برحسب حجم، یعنی V0، VrB، VwB و غیره نیز می توان بیان کرد.
دستگاه کروماتوگراف گازی یا جی سی
طرحی از یک دستگاه 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.
شکل ۲- طرحی از یک کروماتوگراف گازی.
در واقع، در یک دستگاه GC ستون قلب دستگاه است که در آن جداسازی اجزای نمونه اتفاق می افتد. نمونه از محل تزریق که دارای یک درپوش لاستیکی است، توسط یک سرنگ نوک تیز به ستون تزریق می شود. اغلب، دمای محل تزریق، در حدی تنظیم می شود، تا همه اجزای موجود در نمونه، به محض تزریق تبخیر شده و به صورت گاز در آید. سپس جریان گاز حامل، این اجزا را به طرف انتهای ستون که در آنجا یک آشکارساز قرار داده شده است، حرکت می دهد. بنابراین، اجزای تشکیل دهنده 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 تجزیه کیفی و هم در تجزیه کمّی استفاده کرد.
ستون: متداول ترین ستون مورد استفاده در GC، لوله ای است که از ذرات جامد نسبتاً یکنواخت، پوشش داده شده با یک فاز ساکن مایع، پر شده و به ستون های پرشده معروف است (شکل ۳ الف). متداول ترین ماده جامد پرکننده، دیاتومه دریایی (مانند کروموزورب) است. جنس لوله نیز بستگی به نوع آزمایش هایی دارد که باید انجام شود. بدین منظور معمولاً لوله های آلومینیومی و مسی به کار می برند. اما به دلیل وجود اکسیدهای حساس و فعّال کاتالیزگر روی سطوح داخلی و خارجی این فلزات، این ستون ها برای مواد شیمیایی فعّال آلی کاربرد ندارد. در این گونه موارد از لوله های شیشه ای یا فولاد زنگ نزن استفاده می شود. از نظر شیمیایی لوله شیشه ای مناسب تر، اما کار با آن مشکل تر است. نوع دیگری از ستون که به ستون موئینه یا کپیلاری معروف است، لوله ای باریک، معمولاً به طول ۲۵ الی ۱۰۰ متر و قطر داخلی ۳/۰ الی ۶/۰ میلیمتر و از جنس فولاد زنگ نزن، شیشه یا کوارتز است که از داخل با یک فاز ساکن اندود شده است (شکل ۳ ب). به علت کارآیی بیشتر ستون های موئینه، به ویژه برای نمونه های زیستمحیطی که آنالیت به مقدار کم وجود دارد، استفاده از GC با این ستون ها بسیار رایج تر است.
شکل ۳- دو نوع ستون GC: (الف) پرشده و (ب) موئینه. در هر مورد نحوه قرار دادن فاز ساکن مایع نشان داده شده است.
کوره: دمای ستون، در کیفیت جداسازی بسیار موثر است، لذا ستون درون یک کوره قرار داده شده و دمای کوره با یک سیستم کنترل کننده تنظیم می شود و توسط رایانه قابل برنامه ریزی است.
آشکارساز: سه نوع آشکارساز بسیار متداول در کروماتوگرافی گازی، براساس (۱) هدایت گرمایی (TCD) ، (۲) یونش در اثر شعله (FID) و (۳) ربایش الکترون (ECD)، کار می کنند. اولی که در عینحال قدیمی ترین آشکارساز است، براساس اختلاف هدایت گرمایی گازها کار می کند. در دومی و سومی تغییرات در جریان های الکترونی اندازه گیری می شود. الکترون در دومی در اثر سوزاندن نمونه تولید و در سومی در اثر مواجهه با یک منبع رادیواکتیو ایجاد می شود. لازم به ذکر است که آشکارسازهای TCD و FID عمومی هستند و برای تجزیه اکثر ترکیبات آلی مناسب هستند. آشکارساز ECD ویژه تجزیه علف کشها، سموم و گازهای شیمیایی است.
کاربردهایی از کروماتوگرافی گازی
کروماتوگرافی گازی کاربردهای زیادی در صنایع نفت و گاز، پتروشیمی، دارویی، غذایی، کشاورزی، زیستفناوری، آرایشی- بهداشتی، محیطزیست و در هر جایی که جداسازی و اندازه گیری مواد فرار مورد نظر باشد، دارد.
تجزیه آلاینده های صنعتی: مثال خوبی در مورد کاربرد کروماتوگرافی گازی، کنترل کیفیت هوای خروجی کوره های کک سازی است. معمولاً گازهای خروجی از کوره های کک سازی محتوی ترکیبات چندحلقهای (غالباً سرطان‌زا) است. از این میان، بنزآنتراسن، بنزوپیرن، و بنزآکریدین اهمیّت بیشتری دارند.
کشف مواد مخدر و زیستی: یکی دیگر از کاربردهای کروماتوگرافی گازی در کشف مواد مخدر است.
مطالعه اسانس ها و عصاره های گیاهی: دستگاه کروماتوگراف گازی را به دستگاه طیفسنج جرمی متصل میکنند و دستگاهی به نام GC-MS ایجاد می شود. این دستگاه، وسیله بسیار پرقدرتی برای تعیین ساختار اجزای موجود در اسانس ها و عصاره های گیاهی است.
برخی از ملزومات GC شامل سرنگ، ستون، سپتوم و دیگر قطعات یدکی.
منبع: کتاب روشهای آنالیز دستگاهی، تألیف دکتر محمود پایه قدر- دکتر جواد مقدسی
روشهای آنالیز دستگاهی (کارشناسی ارشد زمین‌شناسی)
استفاده از مطالب با ذکر منبع بلامانع است