کروماتوگرافی گازی (Gas Chromatography یا GC) یکی از قدرتمندترین تکنیک‌های آنالیز شیمیایی است که برای جداسازی، شناسایی و اندازه‌گیری ترکیبات فرار و نیمه‌فرار در مخلوط‌های پیچیده استفاده می‌شود. این روش بر پایه اصول فیزیکی-شیمیایی توزیع ترکیبات بین فاز متحرک (گاز حامل) و فاز ساکن (داخل ستون) عمل می‌کند و در صنایع مختلفی مانند نفت و گاز، داروسازی، مواد غذایی، محیط زیست و تحقیقات علمی کاربرد گسترده‌ای دارد. در این مقاله جامع، به بررسی تاریخچه، اصول تئوریک، اجزای سیستم، انواع تجهیزات، کاربردها، سیستم‌های تجاری محبوب مانند Agilent 7890B، مقایسه با برندهای دیگر (مانند Thermo Fisher، Shimadzu و PerkinElmer)، پیشرفت‌های اخیر تا سال 2025 و نکات خرید و نگهداری می‌پردازیم. این راهنما برای مدیران آزمایشگاه‌ها، محققان و دانشجویان شیمی تحلیلی طراحی شده است تا درک عمیقی از GC ارائه دهد.
تاریخچه کروماتوگرافی گازی
کروماتوگرافی گازی ریشه در اوایل قرن بیستم دارد. مفهوم کروماتوگرافی ابتدا توسط میخائیل تسوت (Mikhail Tswett) در سال 1906 برای جداسازی رنگدانه‌های گیاهی معرفی شد، اما GC به عنوان یک تکنیک گازی در دهه 1950 توسط آرچر مارتین (Archer Martin) و ریچارد سینج (Richard Synge) توسعه یافت. آن‌ها در سال 1952 جایزه نوبل شیمی را برای کار بر روی کروماتوگرافی دریافت کردند. اولین دستگاه GC تجاری در دهه 1960 توسط شرکت‌هایی مانند PerkinElmer معرفی شد. از آن زمان، پیشرفت‌هایی مانند ستون‌های کاپیلاری (در دهه 1970 توسط ریموند دولد) و ادغام با طیف سنجی جرمی (GC-MS) در دهه 1980، GC را به ابزاری ضروری تبدیل کرده است. تا سال 2025، با ادغام هوش مصنوعی و مینیاتوریزاسیون، GC به سمت سیستم‌های هوشمند و قابل حمل حرکت کرده است.
اصول تئوریک کروماتوگرافی گازی
GC بر پایه اصل توزیع (partitioning) عمل می‌کند. ترکیبات نمونه در ستون بین فاز متحرک (گاز حامل مانند هلیوم یا هیدروژن) و فاز ساکن (مایع یا جامد پوشش‌داده‌شده روی دیواره ستون) تقسیم می‌شوند. سرعت حرکت هر ترکیب به عوامل زیر بستگی دارد:
- ضریب توزیع (K): نسبت غلظت ترکیب در فاز ساکن به فاز متحرک. ترکیباتی با K بالا بیشتر در ستون می‌مانند و دیرتر خارج می‌شوند (زمان ماند یا retention time بیشتر).
- عوامل مؤثر در جداسازی:
- دما: افزایش دما سرعت خروج ترکیبات را افزایش می‌دهد (برنامه‌ریزی دمایی برای جداسازی بهتر).
- جریان گاز حامل: جریان بالا جداسازی را سریع‌تر اما با رزولوشن کمتر می‌کند.
- طول و قطر ستون: ستون‌های طولانی‌تر رزولوشن بالاتری دارند، اما زمان تحلیل طولانی‌تر.
- فاکتور ون دیمتر (van Deemter equation): توصیف کارایی ستون بر اساس پخش طولی، پخش جرم و مقاومت انتقال جرم.
رزولوشن (R) جداسازی دو پیک مجاور با فرمول R = (t2 – t1) / (0.5 * (w1 + w2)) محاسبه می‌شود، که t زمان ماند و w عرض پیک است. تئوری صفحه (plate theory) تعداد صفحات نظری (N) را برای ارزیابی کارایی ستون محاسبه می‌کند: N = 16 * (t / w)^2.
در GC-MS، اصول GC با طیف سنجی جرمی ترکیب می‌شود تا شناسایی مولکولی دقیق‌تری انجام شود.
اجزای اصلی سیستم کروماتوگرافی گازی
یک سیستم GC شامل اجزای زیر است که هر کدام نقش کلیدی در عملکرد دارند:
- گاز حامل (Carrier Gas)
گاز خنثی مانند هلیوم (رایج‌ترین به دلیل ایمنی و کارایی)، هیدروژن (سریع‌تر اما خطرناک) یا نیتروژن (ارزان اما کندتر). جریان و فشار توسط سیستم الکترونیکی پنوماتیک (EPC) کنترل می‌شود. مزایای هیدروژن: رزولوشن بالا در جریان‌های پایین؛ معایب: خطر انفجار.
- محفظه تزریق (Injector)
محل ورود نمونه. انواع:
- Split/Splitless: برای نمونه‌های غلیظ (split) یا رقیق (splitless).
- On-Column: تزریق مستقیم برای ترکیبات حساس به حرارت.
- PTV (Programmable Temperature Vaporization): برای حجم‌های بالا (تا 250 میکرولیتر) با برنامه‌ریزی دمایی.
- Multimode Inlet (MMI): ترکیبی برای انعطاف‌پذیری.
دمای محفظه (تا 400 درجه سانتی‌گراد) برای تبخیر نمونه ضروری است.
- ستون کروماتوگرافی (Column)
قلب سیستم. انواع:
- Packed Columns: پرشده با ذرات جامد، برای جداسازی گازها (کم‌استفاده امروزه).
- Capillary Columns: لوله‌های نازک (0.1-0.5 میلی‌متر قطر) با دیواره پوشش‌دار. زیرانواع:
- Wall-Coated Open Tubular (WCOT): فاز ساکن مایع روی دیواره.
- Support-Coated Open Tubular (SCOT): فاز روی لایه پشتیبان.
فازهای ساکن: غیرقطبی (مانند PDMS برای هیدروکربن‌ها)، قطبی (PEG برای الکل‌ها) یا متوسط (Phenyl برای آروماتیک‌ها). انتخاب بر اساس قطبیت نمونه: “like dissolves like”.
- آون (Oven)
برای کنترل دما (تا 450 درجه سانتی‌گراد) با برنامه‌ریزی شیب‌دار. خنک‌سازی سریع برای تحلیل‌های متوالی.
- دتکتور (Detector)
برای شناسایی ترکیبات خروجی. انواع رایج:
| دتکتور | اصل کار | حساسیت | کاربردها | مزایا/معایب |
| FID (Flame Ionization Detector) | یونیزاسیون در شعله هیدروژن | ppb تا درصد | هیدروکربن‌ها، ترکیبات آلی | حساس، خطی؛ تخریبی، حساس به آب نیست |
| TCD (Thermal Conductivity Detector) | تغییر هدایت حرارتی | ppm | گازهای ثابت، عمومی | غیرتخریبی؛ کمتر حساس |
| ECD (Electron Capture Detector) | جذب الکترون توسط رادیواکتیو | ppt | هالوژن‌ها، آفت‌کش‌ها | بسیار حساس؛ انتخابی برای الکترونگاتیو |
| NPD (Nitrogen-Phosphorus Detector) | یونیزاسیون انتخابی | ppb | ترکیبات N/P | برای داروها؛ نیاز به گازهای خاص |
| MS (Mass Spectrometry) | طیف جرمی | ppt | شناسایی مولکولی | دقیق؛ گران |
| PID (Photoionization Detector) | یونیزاسیون UV | ppm | VOCها | غیرتخریبی، ارزان |
| FPD (Flame Photometric Detector) | انتشار نور در شعله | ppb | S/P | برای سولفور/فسفر |
دتکتورهای پیشرفته مانند SCD (Sulfur Chemiluminescence) برای سولفور حساس‌اند.
- سیستم داده (Data System)
نرم‌افزار برای کنترل، ثبت کروماتوگرام و تحلیل (پیک‌ها، مساحت، غلظت).
GC-MS: اصول و کاربردها
کروماتوگرافی گازی-طیف سنجی جرمی (GC-MS) GC را با MS ترکیب می‌کند تا جداسازی با شناسایی جرمی انجام شود. اصول: ترکیبات از GC خارج شده، یونیزه (EI یا CI) و بر اساس m/z جدا می‌شوند.
انواع:
- Quadrupole MS: ارزان، برای روتین.
- TOF (Time-of-Flight): سریع، حساس برای غربالگری.
- MS/MS (Tandem): برای ماتریس‌های پیچیده، کاهش نویز.
- High-Resolution MS: برای تمایز ایزوتوپ‌ها.
کاربردها: تشخیص مواد مخدر، آلاینده‌های محیطی، تحقیقات آتش‌سوزی، شناسایی متابولیت‌ها. پیشرفت‌های 2025: ادغام با AI برای تحلیل داده خودکار.
کاربردهای کروماتوگرافی گازی در صنایع
GC در صنایع متنوعی استفاده می‌شود:
صنایع نفت و پتروشیمی
- آنالیز نفت خام، گازوئیل، هیدروکربن‌های آلیفاتیک/آروماتیک، سولفورها.
- پایش فرآیندها (process monitoring).
صنایع دارویی
- شناسایی حلال‌های باقیمانده، متابولیت‌ها (مانند کاتکولامین)، هورمون‌ها، اسیدهای آمینه.
- کنترل کیفیت داروها (مانند borneol, camphor).
بهداشت مواد غذایی
- آنالیز اسیدهای چرب (FAME)، باقیمانده آفت‌کش‌ها، اسانس‌ها، افزودنی‌ها (اسید بنزوئیک).
- بررسی الکل‌ها در مشروبات، VOCها در بسته‌بندی.
پایش محیط زیست
- آلاینده‌های هوا (TVOC, NOX, فرمالدهید)، آب (هیدروکربن‌های چندحلقه‌ای، سولفیدها)، خاک (آلودگی‌های آلی).
- گازهای گلخانه‌ای (CO2, CH4).
بخش انرژی و سایر
- آنالیز روغن ترانسفورماتورها (SF6, CF4).
- تحقیقات قانونی (تشخیص مواد منفجره)، بیولوژیکی (متابولیت‌ها).
سیستم‌های تجاری محبوب و مقایسه
Agilent 7890B
پراستفاده‌ترین سیستم GC جهان (تا 2025). ویژگی‌ها:
- EPC نسل پنجم برای دقت جریان.
- Capillary Flow Technology (CFT) برای backflush, GCxGC.
- دتکتورهای FID (گستره ppb تا هزار)، TCD (بدون گاز مرجع).
- MMI برای تزریق انعطاف‌پذیر.
- LTM (Low Thermal Mass) برای تحلیل سریع.
- RTL (Retention Time Locking) برای ثبات.
- مسیر جریان بی‌اثر برای ترکیبات فعال.
- کاربردها: محیطی، دارویی، نفتی.
- مزایا: قابلیت اعتماد بالا، نرم‌افزار هوشمند با EMF (Early Maintenance Feedback).
اگرچه از سال 2023 متوقف شده، هنوز پشتیبانی می‌شود. جایگزین‌ها: 8890 GC, Intuvo 9000.
مقایسه با برندهای دیگر
| برند | مدل برجسته | ویژگی‌های کلیدی | مقایسه با Agilent |
| Thermo Fisher | TRACE 1600 | حساسیت بالا، ماژولار، ادغام آسان با MS | مشابه در عملکرد؛ Thermo برای GC-MS قوی‌تر، Agilent در نرم‌افزار برتر. |
| Shimadzu | GC-2030 | دقت بالا، کم‌مصرف هلیوم، AI برای نگهداری | ارزان‌تر؛ Shimadzu برای آسیا محبوب، Agilent جهانی‌تر. |
| PerkinElmer | Clarus 690 | حساس برای محیطی، دتکتورهای انتخابی | خوب برای آفت‌کش‌ها؛ PerkinElmer ارزان‌تر اما کمتر پیشرفته در CFT. |
انتخاب بر اساس بودجه، کاربرد و پشتیبانی محلی. Agilent و Thermo Fisher leaders هستند (سهم بازار بالا تا 2025).
پیشرفت‌های اخیر در کروماتوگرافی گازی تا 2025
- مینیاتوریزاسیون: سیستم‌های قابل حمل برای میدانی (مانند Micro GC).
- GCxGC (دو بعدی): جداسازی هزاران ترکیب در مخلوط‌های پیچیده.
- ادغام AI: تحلیل داده خودکار، پیش‌بینی نگهداری.
- گازهای جایگزین: کاهش وابستگی به هلیوم با هیدروژن/نیتروژن.
- High-Throughput: LTM برای تحلیل‌های سریع‌تر.
- هیبریدها: GC-IMS (Ion Mobility Spectrometry) برای امنیت.
راهنمای خرید و نگهداری دستگاه GC
نکات خرید
- نیازها: برای روتین، سیستم مدولار؛ برای پیشرفته، GC-MS.
- بودجه: Agilent گران‌تر اما قابل اعتماد.
- گزینه‌ها: گازهای حامل، نرم‌افزار، autosampler.
- تأمین‌کننده: مانند نانوابزار در ایران برای Agilent.
نگهداری
- سرویس ماهانه: تعویض لاینرها، تریم ستون.
- کالیبراسیون: منظم برای دقت.
- ایمنی: نظارت بر گازها، جلوگیری از نشت.
- خدمات نانوابزار: نصب، آموزش، تأمین ستون/سرنگ، تعمیر دتکتورها.
نتیجه‌گیری
کروماتوگرافی گازی ابزاری حیاتی برای آنالیز دقیق است که با پیشرفت‌های تکنولوژیک، کارایی‌اش افزایش یافته. انتخاب سیستم مناسب مانند Agilent 7890B یا رقبا، بسته به کاربرد است. این تکنیک نه تنها جداسازی را ممکن می‌سازد، بلکه به پیشرفت‌های علمی در صنایع کمک می‌کند. برای کسب اطلاعات بیشتر یا خرید دستگاه کروماتوگرافی گازی، با متخصصان مانند نانوابزار مشورت کنید.
