آنالیز GC-FID

آنالیز GC-FID

کروماتوگرافی گازی GC با آشکار ساز FID امروزه یکی از قدرتمندترین روش های آنالیزی به منظور جداسازی، شناسایی و اندازه گیری کمی ترکیبات شیمیایی در یک نمونه که می تواند مخلوطی از ترکیبات شیمیایی مختلف باشد، است. واژه "گاز" نشان دهنده شکل نمونه مورد نیاز برای تزریق به دستگاه نیست و در حقیقت اشاره به گازی است که نمونه را در طی آنالیز درون دستگاه حمل با جابجا می کند. به این گاز، گاز حامل یا فاز متحرک می گویند که عموما هلیوم، هیدروژن و یا نیتروژن است. بیشتر نمونه های مورد استفاده عملا نمونه های مایع هستند و برای انجام تست تنها لازم است که نمونه فرار باشد و بر اثر حرارت دیدن تخریب نشود.

معیار ساده ای برای فرار بودن نقطه جوش است. به صورت کلی ترکیبی را می توانیم به دستگاه تزریق کنیم که دمای جوش آنها زیر ۳۵۰ یا ۴۰۰ درجه سانتی گراد باشد. پس بیشتر ترکیبات معدنی و پلیمری را نمی توان با تکنیک کروماتوگرافی گازی مطالعه کرد. همچنین ترکیباتی مانند پروتين ها نیز حساس به دما بوده و با حرارت دادن تخریب می شوند. به صورت ساده فرآیند جداسازی ناشی از اختلاف دمای جوش ترکیبات است. ترکیبات مختلف یک نمونه تحت یک پروفایل دمایی قرار می کیرند. به عنوان مثال از دمای ۵۰ درجه تا ۴۰۰ درجه. در نتیجه هر کدام که دمای جوش پایین تری دارند سریع تر تبخیر می شوند. ترکیبات پس از تبخیر در ستون دستگاه و توسط گاز حامل حمل می شوند تا به یک آشکارساز یا دتکتور در انتها رسیده و مورد شناسایی قرار گیرند. شکل اجزا دستگاه در پایین مشاهده می شود. دستگاه به صورت کلی از تزریق نمونه یا inlet، آون برای حرارت دادن، ستون که مولکول های نمونه در داخل آن حرکت می کنند، آشکارساز یا Detector و سیستم کامپیوتری تشکیل شده است.

مرسوم ترین ستاپ کروماتوگرافی گازی شامل سیستم تزریق split/splitless، ستون های موئینی با دیواره های کوت داده شده (که شامل لایه نازکی از دی متیل سیلوکسان به عنوان فاز ساکن است) و آشکارساز یونیزاسیون شعله (FID) است. سیستم تزریق دستگاه یا inlet عموما پیچیده ترین بخش دستگاه ها است. زمانی که نمونه به صورت مایع است از طریق یک سرنگ و از بخش سپتوم septum تزریق می شود و وارد بخشی شیش های به نام لاینر liner می شود. این بخش داغ است که سبب تبخیر مایع می شود. با تبخیر نمونه، بخارات از طریق گاز حامل وارد ستون می شوند. در شکل زیر سیستم تزریق را مشاهده می نمایید.

ابعاد ستون کوچک است. همچنین حساسیت بسیار بالایی دارد. در نتیجه میزان بسیار کمی بخار باید داخل ستون شود. برای تنظیم میزان گاز ورودی بخشی به نام split out وجود دارد که اضافه بخارات از این طریق خارج می شوند. حضور این بخش باعث شارپ تر شدن پیک ها و بهبود رزولوشن نیز می شود. در حالت splitless حجم زیادی از نمونه وارد ستون می شود. این حالت باعث افزایش حساسیت روش برای تشخیص ترکیباتی است که به میزان بسیار کم و در حد trace در نمونه می باشند. اگر چه این حالت باعث پهن شدن پیک ها و احتمال تخریب ساختار شیمیایی ترکیبات می شود (زیرا زمان بیشتری نمونه در سیستم تزریق باقی می ماند). ستون های GC عموما شامل یک لوله سیلیکایی است که شکال پوششی از پلی ایمید است. بر روی آن فاز ساکن پوشش داده شده است که عموما شامل لایه نازکی از پلیمری با وزن مولکولی بالا و مقاوم به حرارت است.

طول ستون های کروماتوگرافی گازی GC عموما بین ۱۰ تا ۱۵۰ متر است. جدایش ترکیبات بر اساس میزان برهمکنش مولکول ترکیبات با فاز ساکن داخل ستون نیز می باشد. فازهای ساکن متعددی وجود دارد که عموما درجه قطبیت آنها متفاوت است. بر همکنش مولکول های قطبی با ستون قطبی بیشتر و برهمکنش مولکول های غیرقطبی با ستون غیر قطبی بیشتر است. هر چه برهمکنش بیشتر باشد، مولکول دیرتر از ستون خارج می شود. دمای ستون را نیز آون تامین می کند و با یک برنامه دمایی مشخص بالا می رود تا تمامی ترکیبات بخار شوند. همان گونه که قبلا بیان شد، گاز حامل وظیفه جابجایی و حرکت مولکول ها در ستون را بر عهده دارد. در شکل زیر به شکل شماتیک حرکت مولکول ها در ستون نشان داده شده است.

بنابراین هر کدام از ترکیبات در زمان های گوناگون به آشکار ساز می رسند. این زمان ها ثبت شده و به عنوان زمان ماندگاری در نمودار نشان داده می شود. این نمودار به بر حسب زمان و شدت است را کروماتوگرام می نامند. آشکارساز هر مقدار از ترکیب را به صورت یک سیگنال الکتریکی ترجمه می کند. شدت نمودار در واقع میزان ناشی از میزان همین سیگنال است. پس در نتیجه هر چه غلظت یک ترکیب بیشتر باشد، شدت آن نیز در نمودار بیشتر است. آشکارسازهای متعددی وجود دارد که رایج ترین آنها آشکارساز FID است. در آشکارساز FID مولکول ها از طریق شعله هیدروژنی یونیزه می شوند. این آشکار ساز به خصوص برای تشخیص هیدروکربن ها بسیار رایج است. برای این ترکیبات حساسیت مناسبی نیز دارد. همانگونه به بیان شد، خروجی دستگاه به صورت یک کروماتوگرام است. تصویر این نمودار در شکل زیر نشان داده شده است.

همان گونه که ملاحظه می شود، هر ترکیب در یک زمان حدودی (به شکل پیک) از ستون خارج شده است. زمان خروج به پارامترهای دستگاه نیز بستگی دارد. چناچه به نوع ستون، فلوی دستگاه، دما و فشار. به صورت بسیار کلی، برای اینکه متوجه شویم آیا از یک ترکیب در نمونه ما وجود دارد کافی است از آن ترکیب (به شکل نمونه استاندارد) آنالیز بگیریم و بعد مشاهده کنیم که زمان پیک با زمان خروج مشابه در نتیجه آنالیز مشاهده می شود یا نه. حتی از طریق بدست آوردن نمودار کالیبراسیون نمونه استاندارد، می توان غلظت آن ترکیب را در نمونه بدست آورد.