شیمیدانان تجزیه ، تجهیزات آزمایشگاهی زیادی برای تجزیه و تحلیل یک ترکیب شیمیایی در اختیار دارند و یکی از تکنیک‌های رایج استفاده از کروماتوگرافی گازی (GC) است. در این مقاله به مزایای این تکنیک تحلیلی می پردازیم.

کروماتوگرافی گازی چیست؟

کروماتوگرافی گازی یک تکنیک کروماتوگرافی رایج است که برای جداسازی و تجزیه و تحلیل ترکیبات شیمیایی فرار که تجزیه نمی شوند استفاده می شود. معمولاً برای جداسازی ترکیبات مختلف در یک مخلوط یا آزمایش خلوص نمونه استفاده می شود. تجهیزات مورد استفاده در آزمایش GC کروماتوگراف گازی نامیده می شود.

در آزمایش GC، دو مرحله وجود دارد: یک فاز متحرک و یک فاز ثابت. فاز متحرک معمولاً گاز حامل نیز نامیده می شود. یک گاز بی اثر (مانند هیدروژن، هلیوم، آرگون یا نیتروژن) به عنوان گاز حامل استفاده می شود. هدف گاز حامل این است که هر مولکول جذب نشده را از طریق ستون حمل کند.

فاز ثابت به طور خاص یک مایع چسبناک است که روی یک تکیه گاه جامد بی اثر که در یک ستون شیشه ای یا فلزی قرار دارد، نگهداری می شود. در برخی از ستون ها، بسته به نیاز آزمایش، از ماده جامد به عنوان فاز ثابت نیز استفاده می شود. کل فرآیند در یک کوره با دمای کنترل شده انجام می شود. سپس ترکیب شیمیایی ماده شوینده بدست آمده توسط آشکارساز و نرم افزار مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قرار می گیرد.

خواص فیزیک وشیمیایی آنالیت توسط آشکارساز حس می شود. این تقویت شده و به سیگنال تبدیل می شود و کروماتوگرام تولید می کند. بیشتر آشکارسازهای مورد استفاده توسط تجهیزات GC به‌جز آشکارسازهای هدایت حرارتی و طیف‌سنج‌های جرمی، به‌طور خاص برای این تکنیک توسعه یافته‌اند. در سال های اخیر به دلیل مزایای منحصر به فرد هر دو روش، استفاده از GC همراه با طیف سنجی جرمی افزایش یافته است.

کروماتوگرافی گازی دو بعدی

تجزیه و تحلیل کروماتوگرافی گازی یک بعدی (1D-GC) نمونه های پیچیده محیطی، پتروشیمی یا بیولوژیکی اغلب منجر به کروماتوگرام با بخش بزرگی از اجزای حل نشده می شود. طیف‌سنجی جرمی می‌تواند برای حل برخی از پیچیدگی‌ها مورد استفاده قرار گیرد، اما تفاوت‌های غلظت زیاد و ایزومرهای ساختاری می‌تواند تفسیر طیفی و تجزیه و تحلیل داده‌ها را پیچیده کند. برخی از وضوح کروماتوگرافی را می توان با یک ستون مویین لایه نازک با سوراخ کارآمد، طولانی و باریک بهبود بخشید، اما افزایش زمان تجزیه و تحلیل و کاهش ظرفیت بارگذاری نمونه ممکن است برای آزمایشگاه های با توان بالا با نمونه های پیچیده جذاب نباشد.

کروماتوگرافی گازی چند بعدی (MDGC) یا 2 (D-GC) وضوح را با استفاده از دو ستون مجزا با دو فاز ثابت مختلف افزایش می دهد. یکی از انواع MDGC  است. پس از ارزیابی اولیه نمونه، بخشی از پساب GC حل نشده می تواند قبل از تشخیص به ستون دیگری منحرف شود. برش  می تواند یک راه ساده برای به دست آوردن جداسازی بهتر یک مخلوط پیچیده باشد، اما فقط بخشی از جداسازی یک بعدی را می توان با ستون بعدی بهبود بخشید. یک مدولاتور فرکانس بالا توسط کروماتوگرافی گازی دوبعدی جامع (GCxGC) برای منحرف کردن کل پساب یک بعدی به یک ستون بعدی استفاده می شود.

دانش قبلی در مورد جداسازی (یا عدم وجود آن) برای بهینه سازی تجزیه و تحلیل مورد نیاز نیست زیرا هر قله به ستون بعد دوم منتقل می شود. آشکارساز هر دو زمان نگهداری بعد اول و دوم را ثبت می کند و پاسخ برای تولید یک صفحه کروماتوگرافی (یعنی نمودار کانتور) ترسیم می شود .فضای جداسازی کروماتوگرافی به طور قابل توجهی در مقایسه با یک آنالیز استاندارد 1D-GC افزایش یافته است و جهشی بزرگ در ظرفیت پیک بالقوه ایجاد می کند. علاوه بر افزایش وضوح، کروماتوگرام حاصل نیز به گونه‌ای ساختار یافته است که ترکیبات مشابه در نوارهای خوشه‌ای در سراسر صفحه کروماتوگرام شسته شوند.

خوشه بندی ترکیبات ساختاری و شیمیایی مشابه سرنخ مفیدی را ارائه می دهد که می تواند به شناسایی اوج کمک کند. یکی دیگر از عوارض جانبی مثبت تجزیه و تحلیل GCxGC افزایش قابلیت تشخیص ترکیب است. هنگامی که مدولاتور به سرعت پساب ستون اولیه را به دام می اندازد و سپس "تزریق" می کند، قله ها را فقط چند ثانیه قبل از شناسایی متمرکز می کند. این فرآیند نسبت سیگنال به نویز  (S/N) را بهبود می بخشد. ( GCxGC) قبل از پذیرش گسترده ممکن است زمان ببرد. به عنوان مثال، انتقال روش های معمول از GC بسته به GC مویرگی چندین دهه طول کشید (می توان استدلال کرد که انتقال هنوز در حال انجام است!). وضوح بهبود یافته تجزیه و تحلیل GC مویرگی در ابتدا در سال 1957 با جداسازی m- و p-xylene نشان داده شد ^[.شیمیدانان نفت اولین پذیرندگان GC مویرگی بودند و از افزایش ظرفیت پیک (یعنی تفکیک پذیری) نمونه های پیچیده به دست آوردند. حتی اگر این تکنیک نسبت به ستون‌های پر شده برتری داشت، پذیرش گسترده به دلیل سهولت استفاده و ناهمواری ستون مویرگی (شیشه) کند بود.

موضوع ناهمواری سرانجام در سال 1979 با معرفی ستون های مویین سیلیس ذوب شده حل شد ، اما هنوز چندین دهه برای انتقال روش های معتبر معمول از فناوری ستون های بسته بندی شده به ستون های مویرگی طول کشیده است. مزایای ستون های مویرگی غیر قابل انکار است و دانش ترکیب شیمیایی نمونه های متعدد را افزایش داده است.

بسیار شبیه انتقال روش‌شناسی از ستون‌های پرشده به ستون‌های مویرگی، انتقال 1(D-GC) به (GCxGC ) در صنایع تحت نظارت در واقع کند بوده است. این تکنیک در ابتدا در سال 1991 نشان داده شد  . پذیرندگان اولیه دریافتند که افزایش ظرفیت پیک برای نمونه های پیچیده پتروشیمی و محیطی مفید است. تجاری سازی یک ابزار (GCxGC) موجود با یک مدولاتور حرارتی در سال 2002  باعث تحقیقات در بخش وسیعی از حوزه های کاربردی (به عنوان مثال، پتروشیمی، محیط زیست، متابولومیک، عطر، ایمنی مواد غذایی) شد. موانع مشابه سهولت استفاده و استحکام، پذیرش پلت فرم (GCxGC) را محدود کرده است.

توسعه و بهینه سازی روش به عنوان مشکل و پر زحمت و فقط برای یک تحلیلگر با تجربه بیان شده است. در سال‌های اخیر، این موانع به حداقل رسیده است و اجرای آن در یک آزمایشگاه معمولی را آسان‌تر کرده است. دستورالعمل های مفید و ابزار برای کمک به کاربران در توسعه روش (GCxGC) ایجاد شده است. تعدیل‌کننده‌های جریان برای کاربران علاقه‌مند به تلاش برای (GCxGC) با هزینه اولیه کمتر تجاری شده‌اند. ناهمواری روش با تعدادی از روش های معتبر منتشر شده نشان داده شده است ^.

 (GCxGC) در حال حاضر در حال حرکت از تبلیغات آکادمیک به تجزیه و تحلیل عملی روزانه است. در یک آزمایشگاه معمولی، یک آنالیز کروماتوگرافی گازی دوبعدی جامع می‌تواند با ادغام چندین کلاس ترکیبی در یک آنالیز واحد، و کوتاه‌مدت آماده‌سازی و پاک‌سازی نمونه با حل تداخل‌های ماتریس از نظر کروماتوگرافی، به صرفه‌جویی در زمان کمک کند. هنگامی که مشخصات کامل یک نمونه مورد نیاز است، تجزیه و تحلیل (GCxGC) کشف را سرعت می بخشد و بینشی را نسبت به نمونه ای ارائه می دهد که هیچ تکنیک کروماتوگرافی دیگر نمی تواند مطابقت داشته باشد. برای تجزیه و تحلیل های معمول، آشکارسازهای اقتصادی تر (به عنوان مثال،  (ECD, FID)را می توان به جای وابسته به طیف سنج های جرمی برای حل مخلوط های پیچیده استفاده کرد.

مزایای کروماتوگرافی گازی

اگرچه این تکنیک دارای محدودیت‌هایی است، اما مزایای واضحی برای استفاده از کروماتوگرافی گازی در مقایسه با سایر تکنیک‌های کروماتوگرافی وجود دارد. این شامل:

• وضوح بهبود یافته - پیک‌های مرتبط نزدیک در داده‌ها را می‌توان راحت ‌تر با تکنیک‌های  GC نسبت به سایر روش‌های کروماتوگرافی مانند کروماتوگرافی لایه نازک (TLC) حل کرد. GC برای مخلوط های بسیار پیچیده مانند دود مناسب است که حل آنها با TLC تقریبا غیرممکن است.
• سرعت تجزیه و تحلیل بهبود یافته - پارامترهای عملیاتی را می توان به راحتی تغییر داد (از جمله در طول آزمایش) به این معنی که تجزیه و تحلیل یک نمونه را می توان در فاصله چند دقیقه تکمیل کرد. وضوح بهینه را می توان به سرعت با GC به دست آورد.
• انتخاب نمونه گسترده تر - انتخاب گسترده تری از نمونه های فرار را می توان با GC تجزیه و تحلیل کرد. توانایی کنترل دمای فرآیند امکان تجزیه و تحلیل نمونه هایی با نقطه جوش بالا را فراهم می کند.
• کاملاً کمی - نرم افزار مورد استفاده در کروماتوگرافی گازی داده های دقیق تری را نسبت به سایر تکنیک ها ارائه می دهد و آن را به یک روش کاملاً کمی تبدیل می کند. به عنوان مثال، TLC به تجهیزات اضافی مانند چگالی سنج یا مراحل تصفیه نیاز دارد که هزینه هر آزمایش را افزایش می دهد.
• حساس ‌تر - آشکارسازهای تخصصی می‌توانند ترکیبات هدف را در محدوده‌های بسیار پایین‌تری نسبت به سایر تکنیک‌ها شناسایی کنند، به این معنی که کروماتوگرافی گازی دارای درجه بالایی از حساسیت است.
• قابلیت‌های آزمایش غیرمخرب – آشکارسازهای مورد استفاده در کروماتوگراف‌های گازی، مانند آشکارسازهای فتومتریک شعله و آشکارسازهای هدایت حرارتی، غیرمخرب هستند. این باعث می شود GC یک تکنیک مناسب برای آزمایش غیر مخرب نمونه ها باشد.
• انتخاب ستون - ستون های موجود برای استفاده در کروماتوگراف گازی دارای طیف وسیعی از اندازه هستند، به این معنی که می توانند برای طیف گسترده ای از کاربردها استفاده شوند. آزمایش‌های GC را می‌توان با استفاده از مراحل مختلف لوازم التحریر و پشتیبانی مایع انجام داد.
• قابلیت های نرم افزار - GC دارای طیف وسیعی از قابلیت های نرم افزار بهبود یافته است. افزایش عادی سازی، اوج و بهینه سازی پایه منجر به بهبود کنترل بلادرنگ و گزارش نتایج می شود. این یک مزیت متمایز در کروماتوگرافی گازی در مقایسه با تکنیک‌های سنتی‌تر می‌دهد، زیرا افزایش قابلیت تجزیه و تحلیل داده‌ها منجر به نتایج بهتر و بهتر می‌شود.
• استفاده مجدد از ستون - ستون‌های مورد استفاده در آزمایش‌های کروماتوگرافی گازی را می‌توان مجدداً مورد استفاده قرار داد و هزینه‌های عملیاتی آزمایش‌ها را به میزان قابل توجهی کاهش داد. با این حال، آنها باید طبق دستورالعمل سازنده به درستی ذخیره شوند.
• ذخیره سازی نتایج و سوابق - در TLC، صفحات جامد می توانند در طول زمان تخریب شوند، به این معنی که ماندگاری محدودی از نتایج وجود دارد، مگر اینکه دیجیتالی شوند. با این حال، داده های تولید شده توسط نرم افزار در تجهیزات GC را می توان به طور نامحدود ذخیره کرد.

در نتیجه

کروماتوگرافی گازی تکنیکی است که مزایای متعددی نسبت به تکنیک های سنتی تر مانند کروماتوگرافی لایه نازک دارد. با این حال، یکی از معایب متمایز این روش این است که به ترکیبات پایدار و فرار از نظر حرارتی محدود می شود و آن را برای نمونه های آلی مانند پروتئین ها، پپتیدها یا مشتقات دارو نامناسب می کند. تکنیک‌های دیگر، مانند کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (HPLC) برای تجزیه و تحلیل این نوع ترکیبات مناسب‌تر هستند.