این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- مقدمه
2- كروماتوگرافی گازي
2-1- روش‌های آماده‌سازی نمونه
3- طيف‌سنجی جرمی
1-3- منابع يونی و روش‌های يونيزاسيو و
2-3- تجزيه‌گرهای جرمی
3-3- آشكارساز يون‌ها
4- شبکه آزمایشگاهی فناوری راهبردی
5- نتیجه‌گیری
1- مقدمه
2- كروماتوگرافی گازی
كروماتوگرافی گازی، يكی از قدرتمندترين و فراگيرترين روش‌های تجزيه دستگاهی است كه اگر از امكانات و توانمندی‌های اين دستگاه به خوبی استفاده شود، می‌توان اطلاعات متنوع و بسيار مفيدی را، هم در زمينه تجزيه كيفی (شناسايی) و هم در مورد تجزيه كمی (تعيين مقدار)، در ارتباط با تك‌تك اجزاء تشكیل‌دهنده يك مخلوط پيچيده به‌دست آورد. البته، اين به آن معنی نيست كه همه نمونه‌ها را می‌توان با اين روش آناليز نمود. تنها نمونه‌هایی به روش كروماتوگرافی گازی قابل آناليز هستند كه دارای ويژگی‌های معينی باشند. به‌عنوان مثال، تمامی اجزاء نمونه، بايد در محدوده دمایی 400-350 درجه سانتی‌گراد فرار بوده و از فشار بخار قابل توجهی برخوردار باشند و يا با افزايش سريع دما، اجزاء نمونه بدون آنكه تخريب و يا تجزيه شوند، تبخير گردند [1].
اساس جداسازی با كروماتوگرافی گازی بر پايه توزيع نمونه بين دو فاز استوار است. يكي از اين فازها عبارت است از بستر ساكن ذراتی با سطح بسيار زياد و فاز ديگر، گازی كه از ميان اين بستر ساكن می‌گذرد. چنانچه فاز ساكن جامد باشد آن را كروماتوگرافی گاز – جامد می‌نامند. اين روش بستگی به خواص جذب سطحی مواد موجود در ستون برای جداكردن نمونه‌ها، به‌ويژه گازها دارد. مواد جامد در ستون عبارتند از سيليكاژل، الك مولكولی و زغال. اگر فاز ساكن مايع باشد آن را كروماتوگرافی گاز – مايع می‌نامند. كروماتوگرافی گاز – مايع كاربرد گسترده‌ای در تمام رشته‌های علوم دارد که به‌طور معمول به نام مختصر كروماتوگرافی گازی ناميده می‌شود. در كروماتوگرافی گاز – مايع، اجزای نمونه بايد از هم جدا شوند که با استفاده از يك گاز بی‌اثر (گاز حامل) وارد ستون می‌شوند. اجسام موجود در نمونه ميان گاز حامل و حلال غيرفرار (فاز ساكن) كه روي يك جسم جامد بی‌اثری با اندازه معلوم و معين (جامد نگهدارنده) نگاه داشته شده‌است، تقسيم می‌شوند. اين حلال به‌طور انتخابی، حركت اجزای نمونه را براساس ضريب توزيع متفاوتی كه دارند، كند می‌كند به‌طوری‌كه هر يك، نوارهای مجزایی در گاز حامل به وجود می‌آورند. هر يك از اين نوارهای اجزاء، همراه با جريان گاز حامل از ستون كروماتوگرافی بيرون می‌آيند و با آشكارساز به‌صورت تابعی از زمان ثبت می‌شوند. استفاده از GC به‌عنوان يك روش تجزيه‌ای توسط مارتين و سينج در سال 1941 پيشنهاد شد. جيمز و مارتين كروماتوگرافي گاز – مايع را در سال 1952 معرفی كردند [2].
دستگاه كروماتوگراف گازی دارای شش قسمت اصلی است:
- منبع تأمين كننده و ابزارهای تنظيم كننده جريان گاز حامل؛
- انژكتور؛
- آون يا گرمخانه؛
- ستون؛
- آشكارساز؛
- ابزارهای ثبت كروماتوگرام و محاسبه نتايج. نمای کلی دستگاه کروماتوگرافی گازی در شکل (1) نمایش داده شده است.
2-1- روش‌های آماده‌سازی نمونه
آماده‌سازی نمونه براي آناليز GC شامل روش‌هايی است كه تركيبات فرار و نيمه فرار را جداسازی كرده و از ورود تركيبات يونی و گونه‌هایی با وزن مولكولی بالا در مخلوطی كه به دستگاه تزريق می‌شود، جلوگيری می‌كند. مهمترين روش‌ها عبارتند از: روش‌های تقطير، استخراج و فضای فوقانی. در روش‌های متنوع تقطير از تفاوت در خواص فيزيكی – شيميایی (فراريت يا فشار بخار) استفاده می‌شود. محصولات حاصل از تقطير پس از مرحله خشك كردن، با افزودن سولفات سديم، مخلوط‌های فرار مناسبی براي آناليز با GC و GC/MS هستند. در روش‌های استخراج، جداسازی بر پايه تفاوت در حلاليت آناليت در حلال، تفاوت در جذب يا واجذب روی موادی از قبيل جامدهای ميكرومتخلخل (زغال فعال، سيليكاژل، آلومينا و مولكولارسيو) يا روی پليمرهای متخلخل (پلی دیمتیل‌سیلوکسان، تنكس، كروموزوب، رزين‌های سنتزی) انجام می‌شود. از مهمترين روش‌های استخراج می‌توان به استخراج مايع – مايع، استخراج با فاز جامد، استخراج سوكسله، ميكرواستخراج با فاز جامد اشاره كرد [4].
3- طيف‌سنجی جرمی
طیف‌سنجی جرمی روشي تجزيه‌ای است كه از آن می‌توان اطلاعات كمی و كيفی درباره وزن مولكولی و ساختار مولكولی تركيبات آلی و معدنی به‌دست آورد. از اين روش می‌توان در تجزيه كيفی و شناسايی و تعيين مواد مختلف آلی مورد نظر شيمی‌دانان و زيست‌شيمی‌دانان استفاده كرد. همچنين می‌توان مخلوط گازها يا مايعات و در برخي از حالت‌ها، جامدات را به‌طور كمی تجزيه كرد. رياضيات مربوط به تجزيه كمی غالباً پيچيده است، به‌طوری كه اغلب از يك نرم‌افزار براي تكميل تجزيه استفاده می‌شود. اين روش، تجزيه كمی را با غلظت‌های در سطح ppb در اختيار می‌گذارد. به‌دليل سرعت بالا و قابل اعتماد بودن روش طيف‌سنجی جرمی، شيميی‌دانان تجزيه تمايل زيادي به آن پيدا كرده‌اند [5].
اجزاء اصلي دستگاه طيف‌سنج جرمي عبارتند از:
- پمپ‌ها؛
- حد واسط بين طيف‌سنج جرمی و كروماتوگراف گازی؛
- محفظه يونيزاسيون و منبع الكترونی؛
- لنزهای متمركز؛
- تجزيه‌گر جرمی؛
- آشكارساز؛
- سيستم كنترل داده‌ها.
مولكول‌ها وارد محفظه يونيزاسيون طيف‌سنج جرمی شده كه در خلآ بسيار بالا قرار دارد و در آنجا توسط الكترون‌ها بمباران می‌شوند. انرژی منتقل شده به مولكول‌ها، طی بمباران الكترونی، آنها را يونيزه كرده و قطعات يونی مختلف به‌وجود می‌آيند. اين يون‌ها ممكن است تك بار، بار چندتايی و یا دارای بار مثبت يا منفی باشند. يون‌های تشكيل شده با استفاده از ميدان الكتريكی شتاب گرفته و مسير تجزيه‌گر جرمی را می‌پيمايند و براساس نسبت جرم به بار (m/z) جداسازی شده و به سمت شناساگر پيش می‌روند. در شکل (2) نمایی از دستگاه طیف‌سنج جرمی نشان داده شده‌است.
اساس روش طيف‌سنج جرمی، فرآيند يونيزاسيون مولكول است و حوزه كاربرد آن تحت تاثير فرآيند يونش قرار دارد. فرآيند يونيزاسيون سازوکارهای متفاوتی دارد، از قبيل كاهش يا افزايش الكترون، پروتون‌دار شدن يا پروتون زدايی، افزايش يا كاهش هسته دوستی يا الكترون دوستی و تشكيل خوشه‌ای، كه همه اين فرآيندها انرژی بر بوده و اين انرژی به‌وسیله الكترون‌های شتاب داده شده يا حرارتی، فوتون‌ها، اتم‌ها و يون‌های شتاب داده شده با استفاده از يك ميدان الكتروستاتيكی بزرگ و يا برخورد الكترونی، تأمين می‌شود. منابع يونی به دو دسته كلی منابع فاز گازی و منابع واجذبی تقسيم می‌شوند. منابع فاز گازی شامل منابع برخورد الكترون، يونش شيميايی يونش ميدانی و يونش نوری هستند. در اين روش‌ها ابتدا نمونه تبخير شده و سپس يونيزه می‌شود. منابع واجذبی شامل روش‌هايی از قبيل: واجذب ميدانی، واجذب ليزری، بمباران با اتم سريع واجذب پلاسمايی، طيف‌سنجی جرمی يون ثانويه يونش واجذب ليزری كمك شده ماتريسی هستند. در اين روش‌ها، نمونه در حالت جامد يا مايع به‌طور مستقيم به يون‌های گازی تبديل می‌شوند. مزيت منابع واجذبی اين است كه در مورد نمونه‌های غیرفرار و ناپايدار گرمايی اعمال پذيرند. در حال حاضر طيف‌سنج‌های جرمی تجاری به وسايل يدكی مجهزند كه استفاده از چند نوع از اين منابع تعويض‌پذير را ممكن می‌س ازند. از بين روش‌های ذكر شده تنها دو روش يونش برخورد الكترون و يونش شيميايی به‌طور رايج در آزمايشگاه‌های کروماتوگرافی گازی – اسپکترومتری جرمی به‌طور گسترده استفاده شده و از روش‌های ديگر، در موارد خاص‌تر استفاده می‌شود [6].
2-3- تجزيه‌گرهای جرمی
در تجزيه‌گر جرمی، يون‌ها براساس نسبت جرم به بارشان (m/z) جداسازی می‌شوند. تجزيه‌گر جرمی انواع مختلفی دارد كه بسته به نوع آن، طيف‌سنج‌های جرمی به چند گروه تقسيم‌بندی می‌شوند. هر کدام از تجزيه‌گرهای جرمی ويژگی‌ها، كاربردها، مزايا و محدوديت‌های خاص خود را دارند. يك تجزيه‌گر جرمی ايده‌آل بايد توانايی شناسایی اختلاف جرم‌های جزئی را دارا بوده و امكان عبور تعداد كافی از يون‌ها را بدهد تا به شدت جريان‌های قابل اندازه‌گيری منجر شود. توانايی طيف‌سنج جرمی برای تفاوت‌گذاری بين جرم‌ها به‌طور معمول با قدرت تفكيك آن، R بيان می‌شود كه به‌صورت رابطه (1) تعريف می‌شود:
از انواع تجزيه‌گرهای جرمی می‌توان به تجزيه‌گرهای قطاع مغناطيسی، تجزيه‌گرهای چهارقطبی، تجزيه‌گرهای زمان پرواز، تجزيه‌گرهای تله يونی و تجزيه‌گرهای تبديل فوريه اشاره كرد. رايج‌ترين و ارزان‌ترين نوع تجزيه‌گر جرمی، تجزيه‌گر چهارقطبی است. تجزيه‌گر چهارقطبی از چهار ميله استوانه‌ای موازی كه دوبه‌دو مقابل يكديگر قرار دارند تشكيل شده‌است. با اعمال تركيبي از پتانسيل‌های DC و راديوفركانسی روی ميله‌های چهارقطبی می‌توان شرايط عبور يك يون با m/z مشخص را فراهم كرد. ساير يون‌ها كه مسير پايداری برای عبور از ميان ميله‌های چهارقطبی را ندارند به آنها برخورد كرده و به شناساگر نمی‌رسند [6].
3-3- آشكارساز يون‌ها
چند نوع آشكارساز برای طيف‌سنج‌های جرمی به‌طور تجاری موجود است كه از بين آنها آشكارساز تكثيركننده الكترون، در بیشتر آزمايش‌های روزمره انتخاب می‌شود. يون‌های عبوری از تجزيه‌گر جرمی با استفاده از لنزهای متمرکز، از مسير مستقيم خروجی از تجزيه‌گر، منحرف شده و به سطح شناساگر برخورد می‌كنند. ذرات گامای توليد شده در منبع يونيزاسيون الكترونی، به‌وسیله اين لنزها تغيير مسير نداده و در نتيجه به شناساگر نمی‌رسند. در صورتی كه اين ذرات به سطح شناساگر برخورد كنند باعث ايجاد سيگنال‌های كاذب می‌شوند. يون‌ها پس از برخورد به سطح شناساگر، الكترون‌هایی را بيرون می‌اندازند كه در طول سطح می‌پرند و با هر برخورد، الكترون‌های بيشتری بيرون انداخته می‌شوند و در نهايت، آبشاری از الكترون‌ها بوجود می‌آيد كه يك جريان قوی قابل اندازه‌گيری است [7]. نمایی از یک آشکارساز تكثيركننده الكترون در شکل(3) نشان داده شده‌است.
| نام دستگاه |
| کروماتوگراف گازی |
| دستگاه کروماتوگراف گازی-طیف سنج جرمی |
5- نتیجه‌گیری
این دستگاه طیف وسیعی از کاربردها اعم از تحقیقاتی، کنترل کیفی و کاربردهای صنعتی را پوشش می‌دهد. این سیستم به دلیل قابلیت انجام آزمون‌ها به‌طور خودکار و تسریع در کار، به همراه نتایج تکرارپذیر و همچنین کارآمدی در صنایع مختلف، در پیشرفت علم و فناوری نقش بسیار مؤثری داشته است. در آینده با چشم‌اندازهای بهتری به این روش تحلیلی چند منظوره، پرداخته خواهد شد.
منابـــع و مراجــــع
