كروماتوگرافيا الغاز

كروماتوجرافيا الغاز Gas chromatography
A gas chromatograph with a headspace sampler
الاختصار	GC
التصنيف	كروماتوجرافيا
المتحللات	المركب العضوي المركب الغير عضوي أن يكون متطاير
المصنـِّعون	Agilent Bruker HTA PerkinElmer Shimadzu Thermo Fisher Scientific LECO Corporation Vernier Software & Technology
تقنيات أخرى
متعلقات	Thin layer chromatography High performance liquid chromatography
مفصولات بشـُرَط	Gas chromatography-mass spectrometry

كروماتوجرافيا الغاز (GC) Gas chromatography، هو نوع شائع من الكروماتوجرافيا (الاستشراب) يستخدم في الكيمياء التحليلية لفصل وتحليل المركبات القابلة للتبخر بدون تحلل.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 التاريخ

يعود اكتشاف الكروماتوجرافيا إلى عام 1903 للعالم الروسي ميخائيل سمونوڤيچ. وقام طالب الدراسات العليا الألماني فريتز پريور بتطوير كروماتوجرافيا الحالة الصلبة للغاز عام 1946. أرشر مارتن، الفائز بجائزة نوبل لتطويره السائل-السائل (1941)، وبحثهم عن الكروماتوجرافيا (1944)، كان رائد لتطوير كروماتوجرافيا الغاز وقدم فيما بعد كروماتوجرافيا الغاز المسال عام 1950.

 تحليل كروماتوجرافيا الغاز

تصلح طريقة الفصل الكروماتوجرافي للغازات بواسطة هذا الجهاز لفصل مخاليط تصل كمياتها إلى عدة ميكروجرامات وذلك بتمرير العينة في الحالة البخارية عبر عمود فصل يحتوي على وسط ساكن سائل أو مادة صلبة، فتتحرك مكوناتها بسرعات متفاوتة تبعاً لدرجة غليانها أو ذوبانيتها أو إدمصاصها . ويستخدم في هذا النمط الكروماتوجرافي وسط متحرك غازي وتدخل العينة عمود الفصل في الحالة الغازية أيضاً ومن هنا جاءت تسمية هذه الطريقة بكروماتوجرافيا الغازات . وعندما يستخدم وسط ساكن سائل محمل على جسم صلب خامل تسمى الطريقة بالفصل الكروماتوجرافي للغازات بالتوزيع بين غاز وسائل ( GLC ) ، وعندما يكون الوسط الساكن جسيمات مادة صلبة تسمى الطريقة بالفصل الكروماتوجرافي الإدمصاصي للغازات ( GSC ) . وبصفة عامة يجب أن تكون العينة المراد فصلها ثابتة تحت ظروف الضغط ودرجة الحرارة المستخدمة . وندخل العينة عادة بواسطة حقنها مباشرة عند قمة عمود الفصل من خلال سدادة مطاطية خاصة حيث يحملها الوسط المتحرك الغازي لتفصل على العمود وتصل مكوناتها المفصولة عند نهايتها ليكشف عنها بالكشاف المناسب.

 المكونات الفيزيائية

مخطط كروماتوجرافيا الغاز.

 الوسط الساكن السائل

يحمل الوسط الساكن السائل على مادة صلبة تسمى المادة المساندة ويجب أن تكون هذه المادة خاملة وسهلة الملء في العمود ومساحة سطوح مسامها كبيرة . وتستخدم مواد السيلكات بكثرة لهذا الغرض ومنها Firebrick , Calcined diatomaceous earth . وتتداول هذه المواد تحت أسماء تجارية عديدة مثل Celite,Chromosorb,Stermachol وتعامل هذه المواد معاملة كيميائية خاصة قبل إستخدامها وذلك للتخلص من بعض الشوائب الفلزية الموجودة بها وكذلك بعض مجموعات السيلانول المستقطبة ( Si-OH ) والتي ينتج عن وجودها بعض الإدمصاصات التي تسبب تذيل الكروماتوجرام الناتج وكذلك يمكن لمجموعة السيلانول أن تحفز ( Catalize ) على تكسير ( decomposition ) بعض المركبات المفصولة وقد تسبب أيضاً التعديل البنائي ( rearrangment ) للبعض الأخر . وتشمل المعاملة الكيميائية للمادة المساندة إستخدام الأحماض أو القواعد لغسلها من الشوائب الفلزية وتحويل مجموعات السيلانول إلى ميثيل داي سيلازون hexamethyldisilazone غير المستقطبة . وتستخدم أيضاً حبيبات من الزجاج المعامل ( silanized glass ) أو جسيمات من التفلون المكون من بوليمر لرباعي فلور الإيثيلين ( PTFE ) كمواد مساندة للوسط السائل الساكن . ويجب أن تختار حبيبات المادة الصلبة بحيث تكون حجومها مناسبة حيث أن كفاءة عملية الفصل تعتمد إلى حد كبير على حجم الحبيبات المستخدمة .

 الكشافات

إن الغرض من الكشاف هو تقدير المكونات المفصولة في الغاز الحامل ويجب أن يكون الكشاف المستخدم حساساً لأي تغير في تركيب الغاز. ومن الناحية المثالية يجب أن يتوفر في الكشاف الخواص الأتية:

• سرعة الإستجابة لكل تغير في تركيزات المذابات المختلفة.
• إرتفاع حساسيته وثباتها أثناء عملية الفصل.
• أن تكون إستجابته للتغير في التركيز عبارة عن علاقة خطية.

ومعظم الكشافات المستخدمة تعتمد على قياس التغير في أحد الخواص الفيزيائية للغاز الخارج من عمود الفصل مثل التوصيل الحراري (thermal conductivity)، الكثافة (density)، التأين في اللهب (flame ionization)، والتوصيل الكهربي (electrolytic conductivity) والتأين بالأشعة السينية (x-ray ionization) في وجود المكونات المختلفة للعينة . ويمكن توصيل الكشاف بمسجل تسجيل القمم الكروماتوجرافية الناتجة مباشرة. وبالرغم من وجود العديد من الكشافات المختلفة الصالحة للإستعمال في أجهزة الفصل الكروماتوجرافي للغازات إلا أن أكثر الكشافات إستخداماً هي التي تعتمد على قياس التوصيل الحراري وعلى التأين باللهب والأسر الألكتروني ( electron capture ) وربما على كثافة الغاز.

جهاز تعيين الكتلة :في أجهزة الكروماتوجرافي الغازي القديمة كان تتم عملية التحليل للعينة وذلك بحقنها في الجهاز وبعد عملية فصلها لا يتم الاستفاده من المكونات فيما بعد الفصل ولكن في الأجهزة الحديثة أدخل نظام جديد لجهاز الكروماتوجرافي الغازي وهو وحدة تعيين الكتلة حيث يتم من خلال هذا الجهاز تعيين المكونات الناتجة بعد عملية الفصل والتي تحوي أيونات موجبة الشحنة وسالبة الشحنة يقوم هذا الجهاز بعملية فصل هذه المكونان كل على حده كل الكتل المتشابهة تجمع في طرف واحد ومن ثم يتم التفريق بينها أوتقسيمها حسب الشحنه حيث أنه من الممكن وجود أكثر من مادة لها نفس الكتلة ولكن تختلف في شحناتها وبذلك يمكن عن طريق معرفة كتلة وشحنة كل من هذه المواد يمكن التعرف عليها بكل يسر وسهوله.

 الطرق

This image above shows the interior of a GeoStrata Technologies Eclipse Gas Chromatograph that runs continuously in three minute cycles. Two valves are used to switch the test gas into the sample loop. After filling the sample loop with test gas, the valves are switched again applying carrier gas pressure to the sample loop and forcing the sample through the Column for separation.

 اختيار الغاز الحامل ومعدلات التدفق

يستمد الوسط المتحرك أو الغاز الحامل (Carrier gas) مباشرة من إسطوانة الغاز المستخدم عبر منظم خافض للضغط بحيث يكون الغاز حوالي 40 رطل لكل بوصة مربعة (Psi) والذي يعطي سرعات سريان تتراوح بين 10ــ 100 مل/ دقيقة . وللتنظيم الدقيق لضغط الغاز وسرعته يستخدم صمام ابري مناسب (needle- valve) أو منظم للسرعات ( mass flow controller ) ومن مميزات منظم السرعات أنه يحافظ على سرعة سريان ثابتة للغاز حتى في حالة إزدياد درجة الحرارة أثناء عملية الفصل، بينما الصمام الابرى لا يمكنه توفير ذلك . وكقاعدة عامة ينقى الغاز الحامل من الماء أو أي شوائب أخرى قبل مروره بعمود الفصل . ومن الغازات الحاملة شائعة الإستعمال النيتروجين والهيدروجين والأرجون والهيليوم. ويتم إختيار الغاز تبعاً لتوفره وتكاليفه وكذلك حسب نوع الكشاف المستخدم.

 اختيار الوسط الساكن

هناك العديد من السوائل التي يمكن أن تستخدم كوسط ساكن في هذه الطرق الكروماتوجرافية ، ويتم الإختيار بناء على طبيعة العينات المطلوب فصلها . وعموماً يجب أن يكون الوسط الساكن السائل غير قابل للتبخر وثابت عند درجات الحرارة المستخدمة . وكذلك يجب أن لاينزع ( bleed ) من حبيبات المادة الصلبة المساندة المحمل عليها أثناء تحرك الغاز . وتوصف السوائل المستخدمة كأوساط ساكنة بأنها مستقطبة أو غير مستقطبة تبعاً لتركيبها الكيميائي وقابليتها للفصل . وتشمل الأنواع غير المستقطبة الهيدروكربونات وزيت السيليكون ( Silicone oil ) والشحوم ( greases ) . أما الأنواع المستقطبة فهي كثيرة وتغطي مجالاً كبيراً من درجات الإستقطاب وتشمل الأسترات المتبلمرة ذات الأوزان الجزيئية العالية ، والأثيرات ، والشموع ( Carbowaxes ( والأمينات.

وكقاعدة عامة فإن الوسط الساكن المناسب للعينة هو ذلك الوسط المشابه لها في الخواص ، فمثلاً أفضل وسط ساكن لفصل المركبات الهيدروكربونية المشبعة هو نوع من أنواع الهيدروكربونات غير المستقطبة مثل Apiezon L greaze or Silicone oil DC 200. وينتج غالباً تذيل لقمة الكروماتوجرام إذا ما كان الإختلاف كبيراً بين خواص العينة وخواص الوسط الساكن المختار حيث تكون العلاقة بين تركيز العينة في الوسط الساكن والوسط المتحرك علاقة غير خطية . وعندما يراد فصل عينة غير معروفة فإن إختيار الوسط الساكن يتم بطريقة التجربة. ويمكن جعل الوسط الساكن أكثر إختيارية في الفصل بإضافة بعض المركبات التي لها ألفة كبيرة لأحد مكونات العينة. فعلى سبيل المثال عند إضافة نترات الفضة إلى سائل مستقطب فإنه يصبح أكثر إعاقة للأوليفينات وذلك بسبب تكوين متراكبات ضعيفة معها.

كما تؤثر كمية السائل المحملة على المادة الصلبة وكمية العينة المستخدمة تأثيراً فعالاً في كفاءة عملية الفصل . فالتحميل العالي للوسط الساكن ( 16-30% بالوزن ) ينتج عنه طبقة سميكة من السائل . والتحميل المناسب يتراوح مابين 1-10% وبإستخدام وسط ساكن أقل من 1% ينتج عنه أعمدة ذات سعات منخفضة نسبياً وهو مايسبب سرعة الوصول إلى مافوق طاقة العمود ( overloading ) وما يصاحبها من مشاكل . ويجب التنويه بأن التحميل المنخفض بالوسط الساكن يسمح بإتمام الفصل عند درجات الحرارة المنخفضة نسبياً وهو ما يعتبر ذو أهمية خاصة في فصل المركبات التي تتأثر بالحرارة ويجب التحذير من أنه عندما تكون طبقة السائل المحملة على المادة الصلبة رقيقة أكثر من اللازم فسوف تسمح للمادة الصلبة نفسها بإدمصاص بعض المذابات مما يسبب تذيل القمم الكروماتوجرافية الناتجة.

 أنواع المدخلات ومعدلات التدفق

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 حجم العينة وتقنية الحقن

 حقن العينة

The rule of ten in gas chromatography

يمكن حقن كمية صغيرة من العينة السائلة مباشرة إلى عمود الفصل خلال سدادة رقيقة من مطاط السيليكون الذي يلتئم تلقائياً وذلك بإستخدام حقنة تنتهي بإبرة مدببة . وفي بعض الأجهزة تحقن العينة في حجرة صغيرة مغلقة موجودة قبل بداية عمود الفصل مباشرة ومحفوظة عند درجة حرارة تكفي لتبخير العينة . ويقوم الغاز الحامل بنقل بخار العينة بسرعة من هذه الحجرة إلى عمود الفصل وتسمى هذه الطريقة التبخير الشراري ( flash vaporization ) . أما العينات الغازية فتدخل إلى عمود الفصل بواسطة حقنة خاصة للغازات ( gas- syringe ) أو صمام خاص مكون من عدة صنابير .

 عمود الفصل

يعتبر عمود الفصل القلب النابض في أي جهاز للفصل الكروماتوجرافي حيث تتم علية عملية الفصل ذاتها . ويصنع عمود الفصل المستخدم للغازات عادة من مادة الحديد المقسى ( Stainless steel ) أو من الزجاج أو النحاس . ويتراوح نصف قطر العمود مابين 0,06 إلى 0,25 بوصة كما يتراوح طولة من عدة سنتيمترات إلى مئات الأمتار . وفي طريقة الفصل الكروماتوجرافي للغازات بالتوزيع بين غاز وسائل يستخدم الوسط الساكن السائل إما محملاً على جسيمات مادة صلبة مسامية يملأ بها عمود الفصل أو يستخدم عمود فصل على شكل أنبوبة شعرية يغطى سطحها الداخلي مباشرة بالوسط الساكن السائل . ففي الحالة الأولى تكون سعة أعمدة الفصل أكبر من سعة الأعمدة الشعرية ( capillary columns ) . ونظراً لصغر سعة الأعمدة الشعرية فإنه يجب تقليل العينة المستخدمة ويتم ذلك عادة بإستخدام مقسم الغازات ( stream splitter ) وذلك لتجنب الوصول إلى مافوق طاقة العمود ( overloading ) ويوضع مقسم الغازات بين مكان حقن العينة وقمة عمود الفصل ويقوم هذا الجهاز بتحويل جزء كبير من العينة إلى خارج الجهاز ويسمح فقط بمرور جزء صغير منها خلال عمود الفصل .

 درجة الحرارة العمودية والبرنامج الحراري

A gas chromatography oven, open to show a capillary column

 انظر أيضاً

• كيمياء تحليلية
• كروماتوجرافيا
• Gas chromatography–mass spectrometry
• Inverse gas chromatography
• Standard addition
• Thin layer chromatography
• Unresolved complex mixture

 وصلات خارجية

• Gas Chromatography at the Open Directory Project