كروماتوغرافيا الغاز: ما هي وكيف تتم؟
نُشِر في Feb 26, 2023 at 03:02 PM
كروماتوغرافيا الغاز هي تقنية تحليل تُستخدم في فصل وتحليل المواد المتطايرة وشبه المتطايرة في الطور الغازي إلى مكوناتها المُفصلة، تابع معنا في المقالة التالية لتتعرف أكثر حول طريقة عمل هذه التقنية وأنواعها وتطبيقاتها.
ما هي كروماتوغرافيا الغاز (gas chromatography)؟
كما ذكرنا في المقدمة، هي إحدى تقنيات الفصل والتحليل تقوم على مبدأ إذابة عينة المادة المراد تحليلها مع مذيب ومن ثمّ تبخيرها لفصل المكونات عن بعضها البعض لتحديد طبيعة هذه المكونات أو قياس نسبة تواجدها في خليط ما، تُوزع العينة على مرحلتين: طور ثابت وآخر متحرك.
عادةَ ما يكون الطور المتحرك ذو طبيعة غازية، تُستخدم عادةَ غازات خاملة كيميائيًا في نقل جزيئات المادة المُحللة عبر عمود التسخين، بينما يتشكل الطور الثابت إمّا من مادة ماصة صلبة ويُقال عندها عن الكروماتوغرافيا بأنّها كروماتوغرافيا الغاز والصلب (GSC) أو مادة ماصة سائلة تكون حينها الكروماتوغرافيا هي كروماتوغرافيا الغاز والسائل (GLC)، تعتبر كروماتوغرافيا الغاز والسائل الطريقة الأكثر شيوعًا لفصل المركبات العضوية.
تتميز كروماتوغرافيا الغاز عن باقي أنواع كروماتوغرافيا السائل والصلب بأنّها النوع الوحيد الذي لا يُستخدم فيه الطور المتحرك للتفاعل مع المادة التحليلية.
ظهرت كروماتوغرافيا الغاز بشكل شائع مع بدايات القرن العشرين، عندما توصل عالم النبات الروسي الإيطالي مايكل تسفيت (Mikhail Tsvet) إلى اكتشاف الكروماتوغرافيا الغازية كوسيلة لتحليل المركبات، من خلال الجمع بين تقنية كروماتوغرافيا الغاز ومطياف الكتلة يمكن الحصول على وسيلة لا تُقدر بثمن في تحديد خصائص ونوع الجزيئات.
يتكون جهاز كروماتوغراف الغاز النموذجي من فتحة للحقن وعمود للطور الثابت وبعض المعدات الأخرى المستخدمة للتحكم في تدفق الغاز الحامل للعينة وأفران وسخانات للمحافظة على درجة حرارة منفذ الحقن والعمود، بالإضافة إلى مُسجل مخطط متكامل وجهاز لكشف وتحديد طبيعة الجزيئات.
الهدف الرئيسي من استعمال تقنية كروماتوغرافيا الغاز هو فصل المركبات ذات التقلبات العالية والأوزان الجزيئية المنخفضة والاستقرار الحراري إلى مجموعة من مكوناتها الأساسية.
كيف تعمل كروماتوغرافيا الغاز؟
كما يشير الاسم، تستخدم كروماتوغرافيا الغاز أحد أنواع الغاز الخامل لحمل العينة خلال عملية الفصل والذي يأخذ دور الطور المتحرك، ينقل غاز الطور المتحرك جزيئات العينة عبر جهاز الكروماتوغراف بشكل مثالي من دون أن يتفاعل مع تلك الجزيئات أو يتسبب في تلف مكونات الجهاز.
تدخل العينة عبر الجهاز الكروماتوغرافي من خلال الحقن أو تُنقل من جهاز أخذ العينات الذي يسمح بأخذ المكونات الكيميائية من مصفوفات العينات الصلبة أو السائلة، بعد ذلك تُحقن العينة عبر مدخل الجهاز عن طريق الغشاء الذي يقوم بحقن العينة من دون أن يسمح لأي فقد أو تسريب للغاز المكون الطور المتحرك الموجود بداخله.
يتصل عمود التحليل بالمدخل وهو عبارة عن أنبوب طويل (يتراوح من 10 م إلى 150 م) وضيق (قطره الداخلي من 0.1مم إلى 0.53مم) مصهور من السيليكا أو المعدن، يكون الطور الثابت مطلي على جدرانه الداخلية.
يُسخن عمود التحليل باستخدام السخانات الموجودة في الفرن خلال عملية التحليل بحيث تبدأ عملية فصل المكونات، تفصل المواد من الأقل تطايرًا إلى الأعلى.
يتصل مخرج العمود بجهاز الكاشف الذي يستجيب للمكونات المُفصولة ضمن العمود لإنتاج إشارة، يوجد العديد من الأنواع بالنسبة للكاشفات، بما فيها الكاشفات التي تستجيب لروابط CH مثل مكشاف تأين اللهب (FID)، أو الكواشف التي تستجيب لعناصر محددة مثل الكبريت أو النيتروجين أو الفوسفور، أو التي تستجيب لخصائص معينة للجزيء مثل القدرة على التقاط الإلكترون مثل كاشف التقاط الإلكترون (ECD).
تُسجل النتائج على شكل إشارات بواسطة برنامج حاسوبي مبرمج لإعداد مخطط كروماتوجرافي.
بعد الحقن في مدخل الجهاز الكروماتوجرافي تتبخر المكونات الكيميائية لخليط العينة المحقونة إن لم تكن موجودة بالفعل في الطور الغازي، بالنسبة للعينات ذات التركيز المنخفض تُنقل سحابة البخار بالكامل إلى عمود التحليل بواسطة الغاز الحامل لما يُعرف بالنمط غير المنفصل، أمّا بالنسبة للعينات عالية التركيز يُنقل جزء من العينة فقط إلى عمود التحليل في وضع الانقسام، ويتم إزالة باقي أجزاء العينة من النظام عبر خط الانقسام لمنع التحميل الزائد لعمود التحليل.
بمجرد أن تدخل العينة في عمود التحليل، تُفصل المكونات نتيجةً لتفاعلاتها المختلفة مع الطور الثابت، لذلك يجب مراعاة التقلبات والمجموعات الوظيفية للمركبات المحللة عند اختيار نوع العمود المستخدم في العملية لمطابقتها مع الطور الثابت.
مطياف الكتلة وكروماتوغرافيا الغاز:
مطياف الكتلة هو أداة تحليل يوصل مع جهاز الكروماتوجراف ليستخدم بدلًا من الكاشف، تخرج الجزيئات المحايدة من عمود التحليل لتتأين في مصدر الأيونات لإنتاج أيونات جزيئية يمكنها التحلل إلى شظايا أيونية، ليتم بعدها فصل هذه الشظايا والأيونات ضمن محلل الكتلة وفقًا لكتلتها نسبةً إلى الشحنة ويتم اكتشافها.
البيانات المستخرجة من جهاز كروماتوغرافيا السائل مع مطياف الكتلة هي بيانات ثلاثية الطور، يستعمل مطياف الكتلة لتحديد هوية المركبات غير المعروفة ومعرفة الخصائص الكيميائية والبنائية لجزيئاتها، إضافةً أيضًا إلى إنشاء مخطط كروماتوجرام يستخدم في التحليل النوعي والكمي.
ما هو مخطط الكروماتوجرام؟
مخطط الكروماتوجرام هو مخطط بياني من محورين تسمح قراءته بتحديد هوية جزيئات العينة الداخلة في عملية الفصل بواسطة الكروماتوجرافيا بناءً على مقاييس عالمية معتمدة، يتكون المخطط من محورين:
- المحور الأفقي: زمن استبقاء الذروة (Rt):
زمن الاستبقاء هو الزمن الذي بقيت فيه العينة ضمن عمود التحليل من لحظة الحقن وحتى لحظة وصولها إلى الكاشف، يمر الزمن على شكل قمم على المخطط يُقاس الزمن عند قمة الذروة، كلما كانت القمم أضيق كلما كانت حساسية ودقة القياس أفضل.
- المحور العمودي: استجابة الكاشف
يشير هذا المحور إلى الاستجابة المقاسة لقمة التحليل داخل الكاشف، يوجد حد يسمى حد الكشف أو خط الأساس حيث لا تُفصل أي مادة تحت هذا الحد وهو أول إشارة يستلمها الكاشف، في حال عدم استلام الكاشف للإشارة فهذا دليل على مشكلة تتطلب إجراء فحص الصيانة للجهاز، في بعض الحالات التي يكون فيها الحد أعلى من المعتاد يمكن أخذ القياسات مثل العرض عند حد الكشف والعرض بنصف الارتفاع والمساحة والارتفاع الكلي من الذروة.
ما هي أهم تطبيقات كروماتوغرافيا الغاز؟
توسع مجال استخدام كروماتوجرافيا الغاز منذ اكتشافها لأول مرة وحتى اليوم، تشمل القائمة التالية عدة مجالت وتطبيقات تستخدم الكروماتوغرافيا:
- الصناعات الدوائية.
- البحوث العلمية.
- الطب الشرعي.
- المراقبة البيئية سواء ضمن المختبرات أو المسطحات المائية الطبيعية.
- عمليات تكرير البترول والبتروكيماويات.
- الزيوت الصالحة للأكل.
- المنكهات والمشروبات والصناعات الغذائية.
- صناعة العطور ومستحضرات التجميل.
- البوليمرات والبلاستيك.
- المبيدات الحشرية.
نظرًا لأهمية الكروماتوغرافيا بأنواعها المختلفة في صناعة النفط والغاز ننصحك باتباع تدريب الاستشراب الغازي والسائل واستكشاف الأخطاء وإصلاحها في لندن الذي يقدمه مركز لندن بريمير سنتر للتدريب.
