آرال تجهیز آزما

کروماتوگرافی گازی (GC)

کروماتوگرافی روشی برای تشخیص اجزاء در ابعاد نانومتری با دقتی در حد و اندازه مولکولی است. اساس کار کروماتوگرافی، جداسازی اجزاء مخلوط با استفاده از سرعت متفاوت حرکت مولکول‌های مختلف (ناشی از تفاوت در میزان برهمکنش آنها با فاز جداکننده) در محیط یکسان و با انرژی اولیه مشابه است. کروماتوگرافی گازی یکی از متداول‌ترین روش‌های کروماتوگرافی است که از آن برای تعیین خلوص یک نمونه، جداسازی ترکیبات نمونه مخلوط، تعیین میزان هر یک از ترکیبات موجود در یک مخلوط و حتی خالص‌سازی آنها استفاده می‌شود. از این روش در بسیاری از تحقیقات شیمیایی و داروسازی برای آنالیز نمونه‌هایی که قابلیت تبخیر شدن بدون تخریب ساختار را دارند، استفاده می‌شود.

فهرست مطالب

مقدمه

کروماتوگرافی گازی یکی از متداول‌ترین روش‌های کروماتوگرافی است که برای آنالیز نمونه‌هایی که قابلیت تبخیر شدن بدون تخریب ساختار را دارند، به کار می رود. این روش کاربردهای زیادی از جمله تعیین خلوص یک نمونه، جداسازی ترکیبات نمونه مخلوط، تعیین میزان هر یک از ترکیبات موجود در یک مخلوط و حتی خالص‌سازی آنها دارد.

اساس کار کروماتوگرافی گازی برپایه فشاربخار ترکیبات (نمونه با فشاربخار بالاتر در دمای پایین‌تری تبخیر شده و زودتر از ستون خارج می‌شود) و توزیع هر ترکیب بین دو فاز ساکن و متحرک (که به دلیل غیرفعال بودن فاز متحرک بیشتر بر برهمکنش ترکیبات با فاز ساکن انجام می پذیرد) است. در کروماتوگرافی گازی، جداسازی اجزاء یک مخلوط متناسب با میزان توزیع اجزاء تشکیل دهنده آن بین فاز متحرک گازی و فاز ساکن جامد یا مایع صورت می‌گیرد. در این روش، گاز حامل مخلوط را درون ستون حرکت می‌دهد و اجزاء تشکیل دهنده مخلوط بین دو فاز در حالت تعادل (گاز- مایع) توزیع می‌شوند. فاز متحرک اجزاء تشکیل دهنده نمونه را به طرف بیرون ستون حرکت می‌دهد و هر مولکولی که با ارتباط سست‌تر جذب ستون شده‌ است، زودتر و جزئی که قدرت جذب بیشتری با ستون دارد، دیرتر از ستون خارج می‌شوند. بنابراین، اجزاء مخلوط از یکدیگر جدا می‌شوند. کروماتوگرافی گازی برای جداسازی و شناسایی اجزاء تشکیل دهنده یک مخلوط از مواد فرار و تجزیه کمی آن‌ها به کار می رود.

در این روش، فاز متحرک یک گاز غیرفعال مانند هلیوم، نیتروژن، آرگون ، کربن دی‌اکسید یا هیدروژن بوده و فاز ساکن می‌تواند جامد و یا یک مایع ویسکوز متصل شده به یک بستر جامد باشد که در این صورت این روش بسته به حالت فاز ساکن به دو روش کروماتوگرافی گاز- جامد (GSC) و کروماتوگرافی گاز- مایع (GLC) تقسیم‌بندی می‌شود. به منظور جداسازی ترکیبات در کروماتوگرافی گاز- مایع (GLC)، یک محلول نمونه، حاوی مواد آلی مورد نظر برای تبخیر شدن، به داخل تزریق می‌شود. سپس، گازهای تبخیر شده به کمک یک گاز بی‌اثر مانند نیتروژن یا گاز نجیب هلیوم، حمل خواهند شد. گاز بی‌اثر از میان ستونی شیشه‌ای، پرشده با سیلیکا عبور می‌کند. سیلیکای موجود در این شیشه، با لایه‌ای مایع اندود شده است. موادی که انحلال‌پذیری کمتری در مایعات دارند،‌ نتایج سریع‌تری را نسبت به مواد با حلال‌پذیری بیشتر،‌ به دست می‌دهند. در روشGLC، فاز ساکن مایع جذب یک جامد بی‌اثر شده یا در دیواره‌‌ لوله‌های مویین تثبیت می‌شود. ستون کروماتوگرافی می‌تواند توسط گلوله‌های شیشه‌ای پر شود. فاز مایع، به صورت لایه‌ای نازک، به سطح این گلوله‌ها جذب خواهد شد. این درحالی است که روش کروماتوگرافی گاز- جامد (GSC) محدودیت‌هایی دارد و کاربردهای آن در آزمایشگاه بسیار محدود است. به همین دلیل، روش کروماتوگرافی گاز-مایع را به طور خلاصه به صورت کروماتوگرافی گازی نام‌گذاری می‌کنند.

آشنایی با دستگاه  کروماتوگرافی گازی

در تصویر زیر، شمایی کلی از یک دستگاه کروماتوگرافی گازی نشان داده شده است که بخش‌های مختلف آن قابل مشاهده هستند.

شمایی کلی از دستگاه گاز کروماتوگرافی
دستگاه کروماتوگرافی گازی دارای اجزاء زیر است:
  • گاز حامل (Carrier Gas)
  • سیستم کنترل جریان گاز حامل
  • سیستم تزریق نمونه (Injection Port)
  • ستون (Column)
  • آون (Oven)
  • آشکارسازها  (Detector)
  • رسام نمودار (Integrator Chart Recorder)
 

گاز حامل

یک کپسول گاز با فشار زیاد به عنوان منبع گاز حامل استفاده می‌شود. گاز حامل نقش مهمی در کروماتوگرفی گازی ایفا می‌کند. گاز حامل، گازی خشک،‌ بی‌اثر و عاری از اکسیژن است. به همین منظور، از گاز هلیوم به عنوان گاز حامل استفاده می‌کنند. دامنه جریانی زیاد، ایمنی و سازگاری با بیشتر آشکارسازها سبب شده است تا این گاز به عنوان متداول‌ترین نوع گاز حامل در کروماتوگرافی شناخته شود. از گازهای نیتروژن، آرگون و هیدروژن نیز، بسته به نوع عملکرد مورد نظر می‌توان استفاده کرد. هر دو گاز هیدروژن و هلیوم در آشکارسازهای قدیمی مانند یونیزه شدن شعله (FID)، رسانایی حرارتی (TCD) و به‌دام‌انداختن الکترون (ECD) مورد استفاده قرار می‌گیرند که موجب کاهش زمان تحلیل می‌شوند و به دلیل سرعت جریان بالاتر و وزن مولکولی کمتر، دمای شویش (Elution) را کاهش می‌دهند. آشکارسازهای دیگری همچون طیف‌سنج جرمی، از نیتروژن یا آرگون استفاده می‌کنند که به دلیل وزن مولکولی بالاتر، مزایای بیشتری نسبت به هیدروژن یا هلیوم دارند.

خلوص گاز

گاز حامل باید خلوص بالایی داشته باشد چراکه ناخالصی‌هایی همچون اکسیژن و آب می‌توانند با فاز مایع در ستون واکنش دهند و آن را تخریب کنند. در این خصوص، ستون‌های شامل پلی‌استر، پلی‌گلایکول و پلی‌آمید، بیشتر در معرض خطر هستند.

تراکم‌پذیری گاز حامل

از آن‌جایی که گاز حاملی که به ستون کروماتوگرافی وارد می‌شود تحت فشار قرار دارد و خروجی ستون نیز در فشار اتمسفری است، در نتیجه، فشار ورودی  pi، بیشتر از فشار خروجی po خواهد بود. بنابراین، گاز در بخش ورودی، فشرده و به هنگام عبور از داخل ستون،‌ منبسط می‌شود. همچنین، جریان حجمی نیز از ابتدا تا خروجی ستون، افزایش خواهد یافت.

به طور معمول، جریان حجمی را در خروجی اندازه می‌گیرند که بیشترین مقدار را دارد. برای به دست آوردن جریان متوسط¯Fc، جریان خروجی در ضریب تصحیح j ضرب خواهد شد:

سیستم کنترل جریان گاز حامل

اندازه‌گیری و کنترل جریان گاز برای بازده ستون و تحلیل کیفی بسیار ضروری است. بازده ستون به سرعت خطی گاز بستگی دارد که به سادگی می‌توان آن را به دست آورد. برای بررسی کیفی، باید جریانی ثابت و قابل تولید مجدد (Reproducible) داشته باشیم تا از طریق آن بتوان زمان‌های بازداری (Retention Time) تجدید پذیر داشته باشیم. مقایسه زمان‌های بازداری، از سریع‌ترین و ساده‌ترین روش‌ها برای شناسایی ترکیبات به شمار می‌آید. توجه داشته باشید که دو ترکیب یا بیشتر، می‌توانند زمان‌های بازداری یکسانی داشته باشند اما هیچ ترکیبی زمان‌های بازداری متفاوت ندارد. بنابراین از مشخصه‌های یک حل‌شونده، زمان بازداری آن است اما این زمان، یکتا نیست. لازم به ذکر است که برای استفاده از این روش می بایستی از تجهیزات مناسب کنترل جریان استفاده نمود.

سیستم تزریق نمونه

سیستم تزریق نمونه از قسمت‌های مختلفی از قبیل سپتوم، خروجی گاز تمیزکننده سپتوم، ورودی گاز حامل، محفظه تبخیر نمونه، لاینر، محل ورود گاز حامل همراه با نمونه به ستون تشکیل شده است.

سیستم تزریق نمونه

سپتوم

 سپتوم‌ برای جلوگیری از خارج شدن گاز حامل و نمونه و همچنین جلوگیری از تغییر فشار گاز درون محفظه تزریق در بالای این محفظه قرار دارد. جنس آن بیشتر از سیلیکون، تفلون (PTFE) و یا ترکیب این دو به صورت لایه‌ای است. انتخاب نوع سپتوم بسیار مهم است و انتخاب نادرست آن می‌تواند به نشت گاز، تخریب دمایی سپتوم، جذب نمونه توسط سپتوم و نشر مواد تشکیل‌دهنده سپتوم منجر شود که این عوامل می‌توانند موجب آلودگی و یا تکرارپذیر نبودن نتایج شوند.

شمایی از سپتوم و انواع آن

سرنگ تزریق

 سرنگ‌های تزریق نقش مهمی در GC دارند. طول و قطر سوزن خروجی، شکل سوزن، حجم کل سرنگ و پیستون سرنگ از فاکتورهای مهم در انتخاب آن می‌باشند.

انواع سرنگ تزریق نمونه در دستگاه گروماتوگرافی گازی

لاینر

 در کروماتوگرافی گازی، نمونه ابتدا به وسیله سرنگ مخصوص وارد قسمتی از محفظه تزریق به نام لاینر می‌شود که در این محل نمونه پس از وارد شدن به طور کامل تبخیر شده و ترکیبات (بدون در نظر گرفتن نقطه جوش) همزمان وارد ستون می‌شوند. لاینرها از لحاظ شکل ظاهری، حجم، نوع مواد سازنده (شیشه‌های بوروسیلیکاتی، کوارتز و فلزی) با یکدیگر تفاوت دارند که هرکدام بسته به نوع نمونه (گاز یا مایع) و نوع تزریق نمونه قابل استفاده هستند. انتخاب نادرست لاینر و ایجاد آلودگی در آن منجر به ایجاد پیک‌های اضافی، پهن‌شدگی پیک و یا کشیده‌شدن پیک‌ها (tailing) در کروماتوگرام می‌شود.

انواع لاینر

روش‌های تزریق در کروماتوگرافی گازی

برای تزریق نمونه سه روش کلی وجود دارد که بر اساس پارامترهای غلظت نمونه، پایداری دمایی ترکیبات و گستره نقاط جوش ترکیبات، استفاده می شوند.

روش Split

در این روش که به دلیل ظرفیت کم ستون‌های لوله موئین استفاده می‌شود، نمونه با غلظت بالا به میزان مورد نظر با استفاده از گاز حامل رقیق می‌شود. در نتیجه میزان کمی از نمونه وارد ستون شده و بقیه به خارج از مسیر سیستم هدایت می‌شوند.

روش Splitless

 این روش تزریق برای آنالیز نمونه‌هایی با غلظت خیلی پایین استفاده می‌شود. در این نوع از تزریق مثل روش قبل، نمونه در محفظه تزریق تبخیر شده و با توجه به بسته بودن شیر split با همان سرعت گاز حامل درون محفظه، وارد ستون می‌شود.

روش On-Column

 در این روش نمونه مستقیما به ستون وارد شده و مرحله تبخیر ابتدایی را ندارد. نمونه مایع ابتدای ستون بارگذاری می‌شود و جداسازی به طور موثرتر بر اثر تفاوت نقاط جوش ترکیبات و جذب آنها روی ستون انجام می‌شود.

تزریق با برنامه دمایی

 در این نوع تزریق که می‌تواند همراه با سه نوع روش تزریق قبلی انجام شود، از محفظه‌های تزریق با افزایش و کاهش سریع دما یا با یک برنامه دمایی تعریف شده استفاده می شود به طوری که می توان نمونه مایع را بعد از وارد شدن به ورودی محفظه تزریق، به سرعت تبخیر کرد. از این روش زمانی استفاده می‌شود که در نمونه، محدوده وسیعی از ترکیبات با نقاط جوش مختلف داشته باشیم و یا نقاط جوش ترکیبات بالا باشند.

انواع روش تزریق نمونه و مقایسه آنها

 

آون

آون قسمتی از دستگاه است که ستون در آن قرار گرفته و مسئول تنظیم دمای ستون در حین اجرای برنامه دمایی است. آون، وظیفه کنترل دمای ستون را با دقت ۰/۱ درجه سانتیگراد به عهده دارد و این موضوع از دو طریق شرایط هم دما (Isothermal Programming) یا شرایط دمای متغیر، قابل حصول است. در شرایط هم دما، دمای ستون در طول جداسازی، ثابت می‌ماند. نقطه بهینه دما در این حالت را، میانه بازه نقطه جوش نمونه در نظر می‌گیرند. زمانی که نقطه جوش، بازه عریضی نداشته باشد، می‌توان از شرایط هم دما استفاده کرد. اگر بازه نقطه جوش عریضی داشته باشیم و شرایط هم دما را برای دمای پایین ستون در نظر بگیریم، برش‌هایی از نمونه که نقطه جوش پایین دارند، به خوبی مشخص خواهند شد اما برش‌ها با نقطه جوش بالاتر، دچار پهن‌شدگی باند خواهند شد. اگر دما را به نزدیکی نقطه جوش موادی برسانیم که خود، نقطه جوش بالایی دارند، اجزاء با نقطه جوش بالا، به خوبی و با پیک تیز مشخص خواهند شد اما اجزاء با نقطه جوش پایین‌تر، به سرعت شویش می‌شوند و هیچ جداسازی صورت نمی‌گیرد.

در شرایط دمای متغیر،‌ دمای ستون با پیشرفت فرآیند به طور پیوسته یا پله‌ای افزایش می‌یابد. از این روش می‌توان برای جداسازی موادی استفاده کرد که بازه نقطه جوش عریضی داشته باشند. در نتیجه، فرآیند در دمای پایین آغاز می‌شود تا مشکلات اجزاء با نقطه جوش پایین را نداشته باشیم و در طی فرآیند نیز با افزایش دما، مشکل دمای پایین را برای اجزاء با نقطه جوش بالا حل خواهیم کرد. به طور معمول، سرعتی برابر با ۷-۵ درجه سانتیگراد در هر دقیقه را برای این فرآیند در نظر می‌گیرند. 

نمای داخلی آون

ستون کروماتوگرافی گازی

ستون، مهم‌ترین عضو یک دستگاه کروماتوگرافی است زیرا مراحل تفکیک و جداسازی در آن اتفاق می افتد. ستون‌های کروماتوگرافی گازی به دو دسته ستون‌های پر شده و ستون‌های لوله موئین تقسیم‌بندی می‌شوند.

ستون‌های لوله موئین

ستون‌های لوله‌باز که به ستون‌های مویین نیز معروف هستند، در دو شکل مختلف وجود دارند. نوع اول موسوم به ستون لوله‌باز دیواره اندود (Wall Coated Open Tubular) یا WCOT هستند و نوع دوم معروف به ستون‌های لوله‌باز کمکی (Support Coated Open Tubular) یا SCOT است.

ستون‌های WCOT، لوله‌های مویینی هستند که با لایه‌ای نازک از فاز ساکن در طول دیواره اندود شده است. در ستون‌هایSCOT، در ابتدا، دیواره ستون با لایه‌ای نازک با ضخامت ۳۰ میکرومتر از یک جاذب جامد، اندود می‌شود. این جاذب که معمولا از جنس خاک دیاتومه (Diatomaceous Earth) است، با مایع فاز ساکن فرآوری خواهد شد. ستون‌های SCOT به دلیل حجم نمونه بالایی که دارند، در مقایسه با ستون‌های WCOT، حجم بیشتری از فاز ساکن را در خود نگهداری می‌کنند اما ستون‌هایWCOT، بازده بالاتری را به دست می‌دهند.

بیشتر ستون‌های WCOTجدید از شیشه ساخته شده‌اند اما استفاده از ستون‌های از جنس فولاد ضد زنگ، آلومینیوم، مس و پلاستیک نیز دور از ذهن نیست. بسته به نوع استفاده، هر کدام از ستون‌ها نقاط ضعف و قوت خود را دارند. امکان زدایش شیمیایی (Chemical Etching) از نقاط قوت ستون‌های WCOT شیشه‌ای محسوب می شود که معمولا به کمک هیدروکلریک اسید غلیظ یا گازی صورت می پذیرد. فرآیند زدایش شیمیایی سبب ایجاد سطحی زبر روی شیشه می‌شود که به همین دلیل، به چسبندگی محکم‌تر آن به سطح ستون کمک می‌کند.

انواع ستون لوله موئین

یکی از متداول‌ترین نوع از ستون‌های مویین، نوع خاصی از WCOT موسوم به ستون دیواره اندود با شیشه سیلیسی (Fused-Silica Wall Coated) یا FSWC است. دیواره این ستون‌ها شامل سیلیس خالص با مقادیر کمی از اکسیدهای فلزی هستند. ضخامت این ستون‌ها به مراتب از ستون‌های شیشه‌ای کمتر خواهد بود به طوریکه قطر آن‌ها در حدود ۰/۱ میلی‌متر و طول آن‌ها ۱۰۰ متر است. بمنظور حفاظت از از ستون، دیواره خارجی لوله را با پلی‌ایمید پوشش می‌دهند و آن‌را به گونه‌ای خم می‌کنند تا در گرمکن دستگاه کروماتوگرافی گازی قرار گیرد.

ستون‌های FSWC، به دلیل بی‌اثر بودن، بازده بالای ستون و حجم کم نمونه مورد نیاز، جایگزین مناسبی برای سایر ستون‌های مورد استفاده هستند. در ستون‌هایWCOT، در طول ۱۰۰ متر می‌توان به حدود ۴۰۰ هزار سینی نظری دست پیدا کرد که رکورد جهانی آن بیش از ۲ میلیون ستون در یک مقطع ۳/۱ کیلومتری ذکر شده است.

ستون‌های پرشده

ستون‌های پرشده، از شیشه یا لوله‌های فلزی ساخته شده‌اند که با موادی همچون خاک دیاتومه پر شده‌اند. قطر این ستون‌ها نسبت به ستون‌های قبلی، بیشتر و طول آن‌ها محدود است. دلیل این امر، دشواری پرکردن یکنواخت این ستون‌ها ذکر می‌شود. در نتیجه،‌ بازدهی ستون‌های پرشده در بهترین حالت، حدود ۵۰ درصد ستون‌های WCOT خواهد بود. علاوه بر این، خاک دیاتومه‌ای که برای پر کردن ستون از آن‌ها بهره می‌گیرند، به دلیل جذب ناخالصی‌های ستون، به مرور غیرفعال می‌شوند. در مقابل، ساخت ستون‌های لوله ‌باز FSWC به گونه‌ای است که این مشکلات را به همراه ندارند.

نمایی از یک ستون پر شده

بر اساس نوع کاربرد می‌توان از ستون‌های متفاوتی استفاده کرد. بسته به نوع نمونه، برخی از ستون‌های کروماتوگرافی گازی بهتر از برخی دیگر هستند. به طور مثال، ستون FSWC که در تصویر زیر آمده، به طور ویژه برای بررسی الکل در خون طراحی شده است.

ستون FSWC
مشخصات ستون‌های مختلف کروماتوگرافی گازی

انتخاب ستون مناسب برای کروماتوگرافی گازی

انتخاب یک ستون مناسب برای GC که یکی از عوامل مهم در آنالیز می‌باشد، تابع چهار عامل نوع فاز ساکن، قطر ستون، ضخامت فاز ساکن و طول ستون است.

نوع فاز ساکن

 مهم‌ترین فاکتور انتخاب ستون، انتخاب فاز ساکن متناسب با نوع آنالیز است. همانطور که می‌دانید تفاوت در خواص فیزیکی و شیمیایی ترکیبات مورد آنالیز و برهمکنش آنها با فاز ساکن، اساس جداسازی در کروماتوگرافی است که بازداری‌های متفاوت ترکیبات بر روی ستون را در پی دارد. در انتخاب قطبیت فاز ساکن قانون شبیه به شبیه می‌تواند صادق باشد. بر این اساس می‌توان گفت بیشترین کاربرد ستون‌های قطبی برای جداسازی ترکیبات قطبی و ستون‌های غیر قطبی برای جداسازی ترکیبات غیر قطبی است.

قطر ستون

 دومین فاکتور برای انتخاب ستون، قطرستون بوده که بر کارایی ستون و میزان بارگذاری نمونه تاثیرگذار است.

ضخامت فاز ساکن

کم یا زیاد شدن ضخامت فازساکن اثر قابل توجهی بر شکل پیک، ظرفیت بارگذاری ستون، زمان بازداری ترکیبات و محدوده دمایی آنالیز خواهد داشت.

طول ستون

 تغییر در طول ستون منجر به تغییر در رزولوشن، فشار و زمان آنالیز می‌شود.

سیستم‌های آشکارساز

آشکارساز (Detector) دستگاهی است که در انتهای ستون قرار دارد و امکان اندازه‌گیری کمی اجزاء مخلوط را فراهم می‌کند. در سیستم کروماتوگرافی گازی، نمونه بعد از جداسازی در ستون، وارد آشکارساز شده و با دریافت هر جزء از اجزاء نمونه یک سیگنال الکتریکی تولید می‌کند که پس از فرستاده شدن به یک دستگاه رسام، کروماتوگرام نمونه رسم می‌شود به طوری که شدت هر پیک مربوط به هر ترکیب با مقدار کمی آن جزء متناسب است. از نظر تئوری یک آشکارساز زمانی در شرایط ایده‌آل و بهینه قراردارد که بتواند تمام اجزاء نمونه را به محض خروج از ستون تشخیص داده و متناسب با غلظت هر جزء یک سیگنال تولید کند. پس سرعت پاسخ گویی و حساسیت یک آشکارساز مهم‌ترین خصوصیت آن می‌باشد. همچنین بسته به نوع نمونه، نوع آشکارساز و به سبب آن نوع گاز حامل تغییر خواهد کرد.

در حالت نظری، هر نوع خاصیتی در مخلوط گازی که با گاز حامل متفاوت باشد را می‌توان به عنوان روش آشکارسازی به کار برد. این نوع از خواص آشکارسازی به دو دسته تقسیم می‌شوند: خواص توده‌ای و خواص ویژه. خواص توده‌ای (Bulk Properties) که به خواص کلی نیز معروف هستند، به خاصیت‌هایی می‌گویند که آنالیت و گاز حامل، هر دو آن را داشته باشند اما با درجات متفاوت. خواص ویژه، به ویژگی‌هایی می‌گویند که سبب می‌شود تا به کمک آن به وجود برخی عناصر پی برد.

هر آشکارساز دو قسمت اصلی دارد که در نهایت وظیفه تبدیل خواص شناسایی شده به سیگنال الکتریکی را دارند. این سیگنال‌ها در نهایت بر روی یک کروماتوگرام (رنگ‌نگار) ثبت می‌شوند. بخش اول یک آشکارساز، سنسور آن است که در نزدیک‌ترین نقطه خروجی ستون نصب می‌شود تا نتایج آن بهینه باشد. بخش دوم، شامل قطعه‌ای الکترونیکی است که وظیفه تبدیل سیگنال‌های آنالوگ به دیجیتال را دارد و به کمک آن می‌توان سیگنال‌ها را در کامپیوتر مورد بررسی قرار داد. هرقدر تبدیل سیگنال، زودتر انجام شود، نسبت سیگنال به نویز بیشتر خواهد بود چراکه سیگنال‌های آنالوگ به راحتی دچار اختلال می‌شوند.

مشخصه‌های آشکارساز

یک آشکارساز کروماتوگرافی گازی را با مشخصه‌های متعددی تعریف می‌کنند. اولین موردی که در خصوص یک آشکارساز ذکر می‌شود،‌ میزان حساسیت مناسب جهت فراهم کردن سیگنال‌ها با وضوح بالا برای تمامی اجزاء مخلوط خواهد بود. آشکارسازی ایده‌ال است که در آن، حجم نمونه به صفر می‌رسد و حساسیت آشکارساز نیز مقداری بی‌نهایت خواهد بود. علاوه بر این، مقدار نمونه باید قابلیت بازتولید داشته باشد زیرا بسیاری از ستون‌ها در صورت عدم تزریق نمونه کافی، پیک های مناسبی به دست نمی‌دهند.

یک آشکارساز ایده‌آل باید از لحاظ شیمیایی خنثی باشد و موجب تغییر ماهیت نمونه نشود. آشکارسازهای بهینه،‌ این قابلیت را دارند که در دمای ۲۰۰- تا ۴۰۰ درجه سانتیگراد عملکرد مناسبی داشته باشند. البته واضح است که هیچ آشکارسازی تمامی این قابلیت‌ها را همزمان و با هم ندارد.

آشکارسازهای مختلف و ویژگی‌های آن‌ها

 آشکارساز طیف‌سنج جرمی

شناساگرهای «طیف‌سنج جرمی(Mass Spectrometer)، از قدرتمند‌ترین شناساگرها به شمار می‌آیند. در یک سیستم کروماتوگرافی گازی شامل طیف‌سنج جرمی (GC/MS)، این طیف‌سنج، جرم‌ها را به طور پیوسته در طول فرآیند جداسازی اسکن می‌کند. زمانی که نمونه از ستون کروماتوگرافی گازی خارج شود، از میان خط انتقالی عبور خواهد کرد که به ورودی طیف‌سنج جرمی می‌رسد. در مرحله بعد، نمونه دچار یونش و گسیختگی (Fragmentation)  خواهد شد. این اتفاق به طور معمول از طریق یک منبع یونی انجام می‌شود. در طول فرآیند، نمونه توسط الکترون‌ها بمباران خواهد شد. در اثر این اتفاق، مولکول‌ها به دلیل دافعه الکترواستاتیک، الکترون از دست می‌دهند و دچار یونش می‌شوند. ادامه بمباران سبب گسیختگی آن‌ها خواهد شد. در مرحله بعد، یون‌ها بر اساس نسبت جرم به بار مرتب خواهند شد.

کروماتوگرام،‌ زمان‌های بازداری (Retention Time) را نشان می دهد و طیف‌سنج جرمی، از پیک‌ها برای مشخص کردن نوع مولکول‌های حاضر در مخلوط استفاده خواهد کرد. تصویر زیر، یک نمودار طیف‌سنجی جرمی آب را با نسبت‌های جرم به بار (m/z) مناسبی نشان می‌دهد.

نمودار طیف‌سنجی جرمی آب

تحلیل داده ها

تحلیل کیفی: به طور کلی، داده های کروماتوگرافی به عنوان نموداری از پاسخ آشکارساز (محورy) در برابر زمان ماند (محورx) ارائه می شود که کروماتوگرام نامیده می شود.

آنالیز کمی: مساحت زیر یک پیک متناسب با مقدار آنالیت موجود در کروماتوگرام است. با محاسبه مساحت پیک با استفاده از تابع ریاضی یکپارچه سازی، می توان غلظت یک آنالیت را در نمونه اصلی تعیین کرد. در اکثر سیستم های مدرن GC-MS، برای ترسیم و ادغام پیک ها و تطبیق طیف های MS با طیف های کتابخانه ای از نرم افزار کامپیوتری استفاده می شود.

رسم داده‌ها

داده‌ها را می‌توان به دو صورت رسم کرد:

  • اسکن کلی که به TIC معروف است.
  • رصد انتخابی یون‌ها (SIM)
 

روش اسکن کلی (TIC) برای مشخص کردن ترکیبات ناشناخته به کار می‌رود که در این حالت، دامنه‌ جرمی مشخصی به طور مثال بین ۴۰۰-۴۰ دالتون اسکن خواهد شد. کلیه پیک‌ها گزارش می‌شوند و به کمک آنها، طیف جرمی برای شناسایی پیک‌ها مورد استفاده قرار خواهد گرفت و عمل تطبیق و شناسایی پیک‌ها به کمک کامپیوتر صورت می‌گیرد.

در روش رصد انتخابی یون‌ها (SIM)،‌ تنها تعداد کمی از یون‌ها کنترل خواهند شد و جمع‌آوری داده در طول عمر پیک کروماتوگرافی گازی بیشتر خواهد بود. در نتیجه، داده‌های کمی بهتری خواهیم داشت و به تبع آن، حساسیت بالاتر می‌رود. به خاطر داشته باشید که از SIM نمی‌توان در تحلیل‌های کیفی استفاده کرد اما برای بررسی ترکیب‌های خاص، بسیار مناسب است.

کاربردهای کروماتوگرافی گازی

کروماتوگرافی گازی،‌ روشی فیزیکی برای جداسازی مخلوط‌های فرار به شمار می‌آید. از این روش در زمینه‌های بسیاری همچون داروسازی، ساخت لوازم آرایشی و حتی در بررسی سموم می‌توان بهره گرفت. از آن‌جایی که در این روش، نمونه‌ها باید فرار باشند، تنفس انسان، خون، بزاق و دیگر ترشحاتی که حاوی مقدار زیادی از مواد آلی فرار هستند را از طریق کروماتوگرافی گازی می‌توان به سادگی مورد تحلیل و بررسی قرار داد.

نمونه‌های هوا را نیز می‌توان به کمک کروماتوگرافی گازی مورد بررسی قرار داد. در بیشتر مواقع، واحدهای کنترل کیفیت هوا از کروماتوگرافی به همراه FID برای تعیین نوع اجزا در نمونه هوا استفاده می‌کنند. با وجود اینکه آشکارسازهای دیگری را نیز می‌توان به کار گرفت اما به دلیل حساسیت و وضوح مناسب و همچنین قابلیت آشکارسازی مولکول‌های بسیار کوچک، از FID بهره می‌گیرند.

کروماتوگرافی گازی به همراه طیف‌سنج جرمی نیز روش دیگری است که به کمک آن می‌توان اجزاء یک مخلوط را به کمک عوامل زمان بازداری و فراوانی نمونه تعیین کرد. از این روش، بیشتر در داروسازی و تعیین مقادیر مواد شیمیایی یک دارو استفاده‌ می‌شود. علاوه بر این، شرکت‌های سازنده لوازم آرایشی و بهداشتی، برای اندازه‌گیری میزان مواد شیمیایی از کروماتوگرافی گازی به همراه طیف‌سنج جرمی بهره می‌گیرند.

منابع: سهیل بهر کاظمی- حانیه نورمحمدی 

دیگر تجهیزات آزمایشگاهی

میکروسکوپی الکترونی روبشی (SEM)

میکروسکوپ الکترونی روبشی(Scanning Electron Microscopy)، نوعی میکروسکوپ الکترونی است که قابلیت عکس‌برداری از سطوح با بزرگنمایی ۱۰ تا ۵۰۰۰۰۰ برابر با قدرت تفکیکی کمتر از ۱ تا ۲۰ نانومتر (بسته به نوع نمونه) دارد. SEM یک وسیله شناخته شده برای تعیین مشخصات فیزیکی و بررسی مورفولوژی سطح نمونه با بزرگ‌نمایی بالا است که در آن از پرتو الکترونی استفاده می‌شود. با تولید یک باریکه الکترونی و تاباندن آن به سطح نمونه و ثبت پرتوهای بازگشتی در میکروسکوپ الکترونی روبشی، می ­توان اطلاعات مختلفی از لایه ​های سطحی ماده به دست آورد. این اطلاعات بسته به آشکارسازهای متصل به دستگاه در رده​های متفاوتی قابل استفاده است.

ادامه مطلب »

میکروسکوپ فلورسانس (MF)

تصویربرداری فلورسانس یک روش پرکاربرد در مطالعات سلولی است که به پایش فرآیندهای سلولی و عملکرد داروها در موجودات زنده کمک می کند. در میکروسکوپ فلورسانس از فلورسانت به جای پراکندگی، جذب یا بازتابش نور برای مطالعه خواص نمونه های زیستی یا غیر زیستی استفاده می شود. بررسی نمونه‌ها در این میکروسکوپ‌ با استفاده از نشاندار کردن بخش‌هایی از نمونه با رنگ‌های فلورسانس انجام می‌شود. به‌طور کلی از میکروسکوپ‌های فلورسانس برای تصویربرداری از اجزای ساختاری نمونه‌های کوچک مانند سلول، انجام مطالعات زیست‌پذیری در مورد جمعیت‌های سلولی، تصویربرداری از مواد ژنتیکی درون سلول DNA و RNA و مشاهده سلول‌های خاص در یک جمعیت بزرگ‌تر با روش‌هایی مانند FISH استفاده می شود.

ادامه مطلب »

میکروسکوپی پروبی روبشی (SPM)

میکروسکوپ پروبی روبشی یکی از این دستاوردها است که سطح ماده را با توان تفکیکی در مقیاس نانومتر روبش کرده و امکان تهیه تصاویر توپوگرافی یا نقشه‌هایی از یک خاصیت فیزیکی یا شیمیایی سطح ماده را فراهم می‌کند. این میکروسکوپ، دارای یک سوزن با قطری در مقیاس نانومتر است که در فاصله بسیار کوچکی از اتم‌های سطح نمونه قرار گرفته و سطح را روبش می‌کند. این فاصله می‌تواند آن‌‌قدر کم باشد که الکترون‌های اتم‌های سوزن و سطح با هم برهم​کنش داشته باشند و این برهم​کنش​ها هم می‌توانند آن‌‌قدر قوی باشند که اتم‌ها را از جا کنده و به ‌جای دیگری منتقل کنند.

ادامه مطلب »