سال‌های زیادی است که از دستگاه‌های چند آشکارسازی در کروماتوگرافی گازی استفاده می‌شود. با وجودی که طیف‌سنج جرمی هنوز در مورد نمونه‌های پیچیده محبوب‌ترین آشکارساز کروماتوگرافی گازی است، ولی یک دستگاه چند آشکارسازی می‌تواند تمام اطلاعات مورد نیاز برای اهداف تأیید را فراهم کند. در این مقاله انواع مختلفی از تنظیمات کروماتوگرافی گازی چند آشکارسازی و دستگاه‌های مدرن موجود در بازار تشریح می‌شود. همچنین در این مقاله مروری، کاربرد دستگاه‌های چند آشکارسازی دارای آشکارسازهای مختلف در کروماتوگرافی گازی مطرح شده‌است. متداول‌ترین دستگاه شامل آشکارسازهای موازی به همراه یک شکاف‌دهنده خروجی (پس از محل تزریق یا پس از ستون) است.
این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- مقدمه
2- تاریخچه
3- مقدمه‌ای بر راه‌اندازی دستگاه‌های چند آشکارسازی
1-3- دستگاه دارای آشکارسازهای سری
2-3- دستگاه دارای آشکارسازهای موازی
1-2-3- مروری بر شکاف‌دهنده‌ها
2-2-3- دستگاه دارای یک ستون با شکاف‌دهنده پس از ستون با دو یا چند آشکارساز
3-2-3- دستگاه دارای دو ستون موازی و دو آشکارساز (ستون دوگانه، آشکارساز دوگانه)
3-3- دستگاه دارای مخلوط آشکارسازهای سری/موازی
4-3- دستگاه گاز کروماتوگراف دو کاناله
4- آنالیز کیفی و کمی در دستگاه‌های چندآشکارسازی
5- آشکارساز طیف‌سنجی جرمی به همراه یک آشکارساز معمولی
6- شبکه آزمایشگاهی فناوری راهبردی
7- نتیجه‌گیری
این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- مقدمه
2- تاریخچه
3- مقدمه‌ای بر راه‌اندازی دستگاه‌های چند آشکارسازی
1-3- دستگاه دارای آشکارسازهای سری
2-3- دستگاه دارای آشکارسازهای موازی
1-2-3- مروری بر شکاف‌دهنده‌ها
2-2-3- دستگاه دارای یک ستون با شکاف‌دهنده پس از ستون با دو یا چند آشکارساز
3-2-3- دستگاه دارای دو ستون موازی و دو آشکارساز (ستون دوگانه، آشکارساز دوگانه)
3-3- دستگاه دارای مخلوط آشکارسازهای سری/موازی
4-3- دستگاه گاز کروماتوگراف دو کاناله
4- آنالیز کیفی و کمی در دستگاه‌های چندآشکارسازی
5- آشکارساز طیف‌سنجی جرمی به همراه یک آشکارساز معمولی
6- شبکه آزمایشگاهی فناوری راهبردی
7- نتیجه‌گیری
1- مقدمه
آنالیز کروماتوگرافی گازی به‌طور معمول نیاز به تایید نتایج به‌دست آمده، به ویژه هنگام آنالیز نمونه‌های پیچیده (محیط‌زیست، مواد غذایی، دارویی و غیره) دارد. در چنین مواردی امکان خطاهای کیفی و کمی به دلیل هم‌شویشی، تداخل ماتریس، جابه‌جا شدن زمان بازداری و غیره وجود دارد. روش‌های مختلفی برای غلبه بر این مشکلات و تأیید نتایج توسعه یافته‌اند. در روش‌های سنتی برای تأیید نتایج کروماتوگرافی گازی همواره از آنالیزهای تکمیلی با استفاده از ستونی با قطبیت متفاوت استفاده می‌شود [1]. بهعنوان مثال، از این روش در دستورالعمل US 8081 برای تأیید شناسایی آفت‌کش‌ها استفاده شده‌است [1و2]. تعیین آفت‌کش‌های ارگانوکلره با آشکارساز ربایش الکترون که در سال 2016 منتشر شده‌است مثال دیگری از تأیید نتایج با استفاده از دو ستون با قطبیت متفاوت است [3]. چنین آنالیزهایی می‌توانند به‌صورت متوالی یا موازی انجام شوند. هر چند آنالیزهای متوالی در نهایت منجر به تأیید آنالیت می‌شوند ولی به دو یا چند تکرار زمان‌گیر نیاز دارند. برای غلبه بر چنین مشکلی، آنالیز هم‌زمان با دو یا چند ستون و یا آشکارساز در سال‌های اولیه توسعه GC اختراع شد.
2- تاریخچه
اولین مقاله‌ای که در آن دستگاه آشکارساز دوگانه گزارش شده بود در سال 1959 توسط گولکه منتشر شد که از آشکارسازهای طیف‌سنجی جرمی و آشکارساز هدایت گرمایی استفاده کرده بود [4]. اوکس و همکارانش (1964) دستگاه دو کاناله GC مجهز به آشکارساز یونیزاسیون شعله و ECD را برای اندازه‌گیری ترکیبات آلی حاوی گوگرد در گیاه سیر معرفی کردند [5].
در مقالات منتشر شده توسط پایگاه الزویر، افزایش قابل توجهی در استفاده از آشکارساز جرمی در کروماتوگرافی گازی در سال‌های اخیر به چشم می‌خورد، اما این افزایش منجر به کاهش استفاده از آشکارسازهای خاص عناصر نشده‌است (شکل (1)). در مورد ماتریس‌های پیچیده، تحلیل‌گران هنوز نیاز به اطلاعات کیفی تکمیلی از آشکارسازهای خاص عناصر دارند. در بسیاری از موارد، کاربر برای یک هدف خاص، یک دستگاه ساده (بدون MS) نیاز دارد. بهعنوان مثال، در مقاله منتشر شده در سال 2013، باسول و همکارانش از دو ستون و دستگاه دوگانه FID برای تعیین الکل خون استفاده کردند [6]. در سال 2012، برنامه کاربردی دیگری ارائه شد که در آن از یک سه راهی ساده، دو ستون و دو آشکارساز ECD برای اندازه‌گیری آفت‌کش‌ها در آب استفاده شده بود [7]. همچنین در سال 2013 لوزوویکا 150 عدد سم دفع آفات را با استفاده از دستگاه ساده کروماتوگرافی گازی – آشکارساز نیتروژن فسفر / آشکارساز ربایش الکترون اندازه‌گیری کرد [8].
در مقالات منتشر شده توسط پایگاه الزویر، افزایش قابل توجهی در استفاده از آشکارساز جرمی در کروماتوگرافی گازی در سال‌های اخیر به چشم می‌خورد، اما این افزایش منجر به کاهش استفاده از آشکارسازهای خاص عناصر نشده‌است (شکل (1)). در مورد ماتریس‌های پیچیده، تحلیل‌گران هنوز نیاز به اطلاعات کیفی تکمیلی از آشکارسازهای خاص عناصر دارند. در بسیاری از موارد، کاربر برای یک هدف خاص، یک دستگاه ساده (بدون MS) نیاز دارد. بهعنوان مثال، در مقاله منتشر شده در سال 2013، باسول و همکارانش از دو ستون و دستگاه دوگانه FID برای تعیین الکل خون استفاده کردند [6]. در سال 2012، برنامه کاربردی دیگری ارائه شد که در آن از یک سه راهی ساده، دو ستون و دو آشکارساز ECD برای اندازه‌گیری آفت‌کش‌ها در آب استفاده شده بود [7]. همچنین در سال 2013 لوزوویکا 150 عدد سم دفع آفات را با استفاده از دستگاه ساده کروماتوگرافی گازی – آشکارساز نیتروژن فسفر / آشکارساز ربایش الکترون اندازه‌گیری کرد [8].
3- مقدمه‌ای بر راه‌اندازی دستگاه‌های چند آشکارسازی
هر آشکارساز GC دارای مشخصات و هدف خاص خود است. علاوه بر آشکارسازهای جهانی مانند TCD، FID و MS، بسیاری از آشکارسازهای خاص عناصر وجود دارند که اطلاعات ارزشمندی از عناصر موجود در مواد مورد آنالیز، ارائه می‌کنند. هر آشکارسازی دارای الزامات خاصی برای کارکردن است که نه تنها از نظر درجه حرارت مطلوب و فشار، بلکه نوع و میزان جریان گازهای حامل نیز از اهمیت خاصی برخوردارند. بهعنوان مثال، آشکارساز ECD برای عملکرد بهینه، نیاز به درجه حرارت بالاتر از 300 درجه سانتی‌گراد و جریان گاز کمکی نیتروژن یا آرگون/متان دارد، در حالی که در آشکارساز MS به‌طور معمول خلاء بالایی مورد نیاز است. در زمان طراحی دستگاه‌های چند آشکارسازی، به ویژه در مواردی که دستگاه به‌صورت سری بسته شده‌است، باید این تفاوت‌ها را در نظر گرفت.
1-3- دستگاه دارای آشکارسازهای سری
دو آشکارساز که به‌صورت سری به هم متصل شده‌اند (شکل (2)) باید شرایط عملکرد مشابهی داشته باشند و اولین آشکارساز قرار گرفته در این سری، باید غیرتخریبی باشد.
در بیشتر موارد، اتصال سری آشکارسازها استفاده نمی‌شود. این نوع اتصال پیش از این به دلیل ساختار خاص آشکارسازهای تولید شده توسط شرکت فیزنز بسیار ساده بود و امکان اتصال خروجی یک آشکارساز به‌طور مستقیم به ورودی دیگری بدون هیچ خط انتقالی وجود داشت. کاربرد قابل ملاحظه‌ای از این دستگاه را می‌توان در مقاله بگرو و همکارانش (1996) یافت که در آن از اتصال سری آشکارسازهای ECD غیر مخرب و FID مخرب برای تعیین ترکیبات آلی فرار استفاده شده‌است [10]. چندین آشکارساز که در حال حاضر به‌صورت سری متصل شده‌اند هنوز توسط شرکت «اُ آی آنالیتیکال» تولید می‌شوند (آشکارساز فوتویونیزاسیون/رسانش الکترولیتی، آشکارساز فوتویونیزاسیون/یونش شعله، آشکارساز فوتویونیزاسیون/اختصاصی هالوژن) که برای اندازه‌گیری هم‌زمان عناصر مختلف در آنالیت‌های آلی [11] کاربرد دارند. مثالی از کاربرد این سامانه‌ها را می‌توان در مقاله کاوالکانته و همکارانش (2010) یافت که دستگاه سری PID/FID را برای تعیین ترکیبات آلی فرار در ماتریس‌های آبی استفاده کرده‌اند [12]. مزایای متعددی از یک اتصال سری آشکارساز بیان می‌شود. در این سامانه‌ها بین آشکارسازها شکاف‌دهنده (که می‌تواند شکل و عملکرد پیک را تحت تاثیر قرار دهد) وجود ندارد. بعلاوه نمونه تقسیم نمی‌شود، یعنی کل نمونه، به جای کسری از آن، تزریق و آنالیز می‌شود.
2-3- دستگاه دارای آشکارسازهای موازی
راه‌اندازی آشکارسازهای موازی مشکلات ناشی از اختلاف شرایط عملکرد آشکارسازهای مورد استفاده را حذف می‌کند، زیرا در این سامانه هر یک از آشکارسازها به‌طور جداگانه عمل می‌کنند. این سامانه را می‌توان به روش‌های مختلفی اجرا کرد (شکل (3)). متداول‌ترین روش برای این منظور این است که جریان خروجی محل تزریق یا جریان خروجی ستون را به دو یا چند جریان تقسیم کرده و هر جریانی را به آشکارسازهای مشابه یا مختلف (شکل‌های (3-الف) و (3-ب)) هدایت نمود. یک ابزار اضافی به شکل شکاف‌دهنده باید در این مسیر نصب شود که ممکن است باعث ایجاد مشکلات دیگری مانند نشت احتمالی، اثرگذاری سطح داخلی شکاف‌دهنده روی آنالیت و همچنین افزایش حجم مرده شود که همین امر، موجب افزایش پهن شدگی می‌شود.
از آنجا که نمونه تزریق شده به دو یا چند قسمت تقسیم می‌شود، ممکن است بخشی از حساسیت در مقایسه با آنالیز معمول GC (با استفاده از یک سامانه تزریق، یک ستون و یک آشکارساز) از دست رفته باشد که برای غلبه بر این اثر، حجم بزرگتری از نمونه باید تزریق شود.
از آنجا که نمونه تزریق شده به دو یا چند قسمت تقسیم می‌شود، ممکن است بخشی از حساسیت در مقایسه با آنالیز معمول GC (با استفاده از یک سامانه تزریق، یک ستون و یک آشکارساز) از دست رفته باشد که برای غلبه بر این اثر، حجم بزرگتری از نمونه باید تزریق شود.
1-2-3- مروری بر شکاف‌دهنده‌ها
مستقل از نوع شکاف‌دهنده مورد استفاده، یک اصل برای همه شکاف‌دهنده‌ها معتبر است. ترکیبی از قطر و طول محدود کننده تعیین می‌کند که جریان خروجی از ستون یا خروجی محل تزریق چگونه بین آشکارسازها توزیع شود (یعنی نسبت تقسیم) [13]. قاعده کلی چنین پیکربندی این است که مساحت داخلی لوله شکاف‌دهنده باید تقریبا 80-70 درصد مساحت داخلی ستون مویینه باشد [14]، بدین معنا که لوله‌های شکاف‌دهنده، قطر کوچکتری از ستون‌های GC دارند.
یک وسیله بسیار ساده، مقرون به صرفه و جهانی با هدف تقسیم، شکاف‌دهنده شیشه‌ای Y شکل است که توسط چندین سازنده تولید و نصب آن نیازمند مهارت و احتیاط است [15]. یکی از معایب این شکاف‌دهنده این است که ممکن است پس از مدتی نشتی داشته باشد. برای جریان GC که به 3 آشکارساز مختلف تقسیم می‌شود، یک اتصال‌دهنده شیشه‌ای X شکل می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد [16].
یکی دیگر از روش‌های اقتصادی برای تقسیم جریان GC، استفاده از یک فرول دارای دو سوراخ است. برای تقسیم جریان پس از محفظه تزریق، هیچ ابزار اضافی مورد نیاز نیست، زیرا فرول به‌صورت مستقیم به محفظه تزریق وصل می‌شود. همچنین اتصالات فلزی کم حجم که فرول‌های دارای دو یا سه سوراخ در آن قرار می‌گیرند نیز به‌صورت تجاری موجود هستند و بهعنوان یک شکاف‌دهنده پس از ستون، عمل می‌کنند [17].
در برخی موارد، برای افزایش سرعت جریان، از بین بردن حجم مرده بالقوه و حفظ حساسیت آشکارساز، جریان گاز کمکی به شکاف‌دهنده اعمال می‌شود [18]. با این حال، این جریان کمکی برای آشکارسازهایی که در سرعت جریان‌های کم کار می‌کنند (MSD و TCD) منجر به کاهش حساسیت آشکارساز می‌شود [13].
یک وسیله بسیار ساده، مقرون به صرفه و جهانی با هدف تقسیم، شکاف‌دهنده شیشه‌ای Y شکل است که توسط چندین سازنده تولید و نصب آن نیازمند مهارت و احتیاط است [15]. یکی از معایب این شکاف‌دهنده این است که ممکن است پس از مدتی نشتی داشته باشد. برای جریان GC که به 3 آشکارساز مختلف تقسیم می‌شود، یک اتصال‌دهنده شیشه‌ای X شکل می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد [16].
یکی دیگر از روش‌های اقتصادی برای تقسیم جریان GC، استفاده از یک فرول دارای دو سوراخ است. برای تقسیم جریان پس از محفظه تزریق، هیچ ابزار اضافی مورد نیاز نیست، زیرا فرول به‌صورت مستقیم به محفظه تزریق وصل می‌شود. همچنین اتصالات فلزی کم حجم که فرول‌های دارای دو یا سه سوراخ در آن قرار می‌گیرند نیز به‌صورت تجاری موجود هستند و بهعنوان یک شکاف‌دهنده پس از ستون، عمل می‌کنند [17].
در برخی موارد، برای افزایش سرعت جریان، از بین بردن حجم مرده بالقوه و حفظ حساسیت آشکارساز، جریان گاز کمکی به شکاف‌دهنده اعمال می‌شود [18]. با این حال، این جریان کمکی برای آشکارسازهایی که در سرعت جریان‌های کم کار می‌کنند (MSD و TCD) منجر به کاهش حساسیت آشکارساز می‌شود [13].
2-2-3- دستگاه دارای یک ستون با شکاف‌دهنده پس از ستون با دو یا چند آشکارساز
نمایی از این نوع چند آشکارسازی در شکل (3-الف) نشان داده شده‌است. در مورد تقسیم جریان پس از ستون، تمامی تنظیم‌ها باید متناسب با تفاوت فشار عملکرد آشکارسازها باشد. بنابراین، در مورد آشکارسازهایی که فشار عملکرد یکسانی دارند (ECD وNPD یا ECD و PFD)، نباید هیچ مشکلی برای تقسیم جریان وجود داشته باشد [8، 19, 20]. در گذشته اتصال یک آشکارساز MS که نیاز به خلاء دارد، به آشکارساز نشر اتمی که نیاز به فشار مثبت دارد، یکی از چالش‌های این سامانه بود ولی این مشکل با روش کلاسیک انتخاب هندسه مناسب ستون‌های موئینه متصل به آشکارسازها حل شد [21].
مقالات متعددی از کاربردهای مختلف این دستگاه وجود دارد، برای مثال، در سال 2003، «اُ آی آنالیتیکال» برنامه‌ای کاربردی برای آنالیز هم‌زمان ترکیبات طعم دهنده حاوی گوگرد را با سه آشکارساز مختلف MS، FID و آشکارساز فوتومتری یونش پالسی منتشر کرد [17]. این آشکارسازها به‌صورت موازی عمل می‌کردند و جریان خروجی ستون با استفاده از یک فرول 3 حفره‌ای در یک اتصال کم حجم تقسیم می‌شد. پاسخ آشکارساز FID برای اندازه‌گیری کمی، پاسخ MS برای آنالیز کیفی و پاسخ PFPD برای شناسایی مواد حاوی گوگرد در کروماتوگرام‌های MS و FID استفاده شد [17].
مقالات متعددی از کاربردهای مختلف این دستگاه وجود دارد، برای مثال، در سال 2003، «اُ آی آنالیتیکال» برنامه‌ای کاربردی برای آنالیز هم‌زمان ترکیبات طعم دهنده حاوی گوگرد را با سه آشکارساز مختلف MS، FID و آشکارساز فوتومتری یونش پالسی منتشر کرد [17]. این آشکارسازها به‌صورت موازی عمل می‌کردند و جریان خروجی ستون با استفاده از یک فرول 3 حفره‌ای در یک اتصال کم حجم تقسیم می‌شد. پاسخ آشکارساز FID برای اندازه‌گیری کمی، پاسخ MS برای آنالیز کیفی و پاسخ PFPD برای شناسایی مواد حاوی گوگرد در کروماتوگرام‌های MS و FID استفاده شد [17].
3-2-3- دستگاه دارای دو ستون موازی و دو آشکارساز (ستون دوگانه، آشکارساز دوگانه)
دستگاه دارای دو ستون موازی و دو آشکارساز، شامل دو ستون با قطبیت‌های مختلف و دو آشکارساز (به‌طور معمول یکسان) است (شکل (3-ب)). نتایج به‌دست آمده در این روش، بسیار شبیه به آنچه که با دو دستگاه مستقل GC به‌دست آمده بود، است. محدودیت این دستگاه فقدان برنامه‌های دمایی مستقل برای هر ستون است.
کاربردهای متنوعی از این نوع سامانه چند آشکارسازی وجود دارد. بهعنوان مثال، پاگلیکا و همکارانش (2005) باقیمانده آفت‌کش‌ها را در ماتریس‌های حیوانی، با استفاده از دو ستون با قطبیت‌های مختلف متصل به دو آشکارساز NPD، مورد آنالیز قرار دادند. اوکیرو و همکارانش (2003) از دستگاهی با دو ستون و دو آشکارساز یونیزاسیون تخلیه بار پالسی برای تعیین ترکیبات نیمه فرار و همچنین برای شناسایی از شاخص‌های بازداری استفاده کردند [22].
در مورد دو تزریق متوالی با دستگاه دارای دو ستون و دو آشکارساز، می‌توان چهار داده مختلف کروماتوگرافی را که منعکس کننده خواص آشکارسازها و ستون‌ها هستند، دریافت کرد (شکل (3-ج)). در چنین روشی، انتقال انتهای ستون از یک آشکارساز به دیگری بسیار مشکل آفرین است. جیمنز و همکارانش (1996) از دستگاه دارای دو ستون و دو آشکارساز (ECD/NPD) برای آنالیز آکاریسیدها در نمونه‌های عسل استفاده کردند [23].
کاربردهای متنوعی از این نوع سامانه چند آشکارسازی وجود دارد. بهعنوان مثال، پاگلیکا و همکارانش (2005) باقیمانده آفت‌کش‌ها را در ماتریس‌های حیوانی، با استفاده از دو ستون با قطبیت‌های مختلف متصل به دو آشکارساز NPD، مورد آنالیز قرار دادند. اوکیرو و همکارانش (2003) از دستگاهی با دو ستون و دو آشکارساز یونیزاسیون تخلیه بار پالسی برای تعیین ترکیبات نیمه فرار و همچنین برای شناسایی از شاخص‌های بازداری استفاده کردند [22].
در مورد دو تزریق متوالی با دستگاه دارای دو ستون و دو آشکارساز، می‌توان چهار داده مختلف کروماتوگرافی را که منعکس کننده خواص آشکارسازها و ستون‌ها هستند، دریافت کرد (شکل (3-ج)). در چنین روشی، انتقال انتهای ستون از یک آشکارساز به دیگری بسیار مشکل آفرین است. جیمنز و همکارانش (1996) از دستگاه دارای دو ستون و دو آشکارساز (ECD/NPD) برای آنالیز آکاریسیدها در نمونه‌های عسل استفاده کردند [23].
3-3- دستگاه دارای مخلوط آشکارسازهای سری/موازی
دستگاه دارای مخلوط آشکارسازهای سری/موازی امروزه غیر مرسوم است (شکل (3-د)). در این سامانه دو دسته آشکارساز (به‌طور معمول یکسان) به‌صورت موازی قرار می‌گیرند که در هر دسته، دو آشکارساز به‌صورت سری قرار گرفته‌اند. نکته قابل توجه این است که اولین آشکارساز قرار گرفته در هر سری، باید غیرتخریبی باشد. پس از تزریق، نمونه بین دو ستون با قطبیت‌های مختلف تقسیم می‌شود. در سال 1996 بگرو و همکارانش دو ستون (غیر قطبی-نیمه قطبی) و دو سامانه موازی ECD/FID (که به‌صورت سری بسته شده‌اند) را برای آنالیز ترکیبات آلی فرار موجود در هوا به کار بردند و توانستند در مدت زمان اجرای یک کروماتوگرافی معمولی، هم‌زمان به چهار کروماتوگرام متفاوت دست یابند [10].
4-3- دستگاه گاز کروماتوگراف دو کاناله
در یکی دیگر از تنظیمات بکار رفته در دستگاه‌های چند آشکارسازی، از هر دو کانال موجود برای یک گاز کروماتوگراف استفاده می‌کند (شکل (4)). در این دستگاه، دو خط GC کاملا مجزا و موازی به کار گرفته شده‌است، یعنی دو محفظه تزریق، دو ستون متفاوت (ولی در یک آون) و دو آشکارساز (یکسان یا متفاوت). تزریق‌ها با استفاده از سامانه تزریق خودکار بلافاصله پشت سر هم انجام می‌شود. چنین دستگاهی شکاف‌دهنده ندارد ولی فاصله زمان بین دو تزریق باید در آنالیز کروماتوگرام‌ها لحاظ شود. آئبی و همکارانش (1999) تفاوت زمان‌های بازداری را با تنظیم مناسب فشار سر گاز حامل اصلاح کردند [24].
کاربردهای متنوعی از این نوع دستگاه در منابع وجود دارد. بهعنوان مثال، یانگ و همکارانش (2012) از یک دستگاه دوکاناله با دو آشکارساز PFPD با دو حالت مختلف (S و P) برای آنالیز 49 آفت‌کش اورگانوفسفره در ماهی، تخم مرغ و شیر استفاده کردند [25]. اخیراً نیز موکبل و همکارانش (2016) از دستگاه دو کاناله مجزا برای آنالیز بی‌فنیل‌های پلی‌کلرین و آفت‌کش‌های اورگانوکلره استفاده نمودند [26].
4- آنالیز کیفی و کمی در دستگاه‌های چندآشکارسازی
پردازش کروماتوگرام‌ها هنگامی که زمان بازداری بدست آمده از آشکارسازهای مختلف (در دستگاه‌های چند آشکارسازی) یکسان باشد، بسیار ساده‌تر است. در مورد آشکارسازهایی که در فشار یکسان کار می‌کنند، به‌طور معمول زمان‌های بازداری یکسانی در کروماتوگرام‌ها حاصل می‌شود. مشکل اصلی زمانی رخ می‌دهد که آشکارسازها در فشارهای متفاوتی کار کنند. برای این منظور، رابط‌های مختلفی استفاده می‌شوند تا مقاومت جریان مناسبی را در هر دو شاخه خطوط آشکارساز، برای دستیابی به زمان بازداری مشابه ایجاد کنند.
در مورد آنالیز نتایج حاصل از دستگاه‌های دارای دو ستون، دو زمان بازداری مختلف برای هر آنالیت به‌دست می‌آید که برای هدف شناسایی استفاده می‌شود. به دلیل پایداری بیشتر «زمان‌های بازداری نسبی» بیشتر به جای زمان بازداری، از این عامل استفاده می‌شود [27]. گاهی اوقات نیز اندیس بازداری به‌منظور شناسایی استفاده می‌شود. در مورد سامانه موازی دارای ستون‌های دوگانه، شاخص‌های ستون اول و ستون تایید، هر دو به‌دست می‌آیند. برای اهداف تأیید، تطابق شاخص‌های بازداری و یا همبستگی بین مساحت یا ارتفاع پیک‌ها نیز می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند [22].
معیار پذیرش برای انواع مختلف آشکارسازها و انواع مختلف آنالیز (آنالیت و ماتریس) به‌طور معمول به‌صورت جداگانه ایجاد می‌شود. بهعنوان مثال، ون استی و همکارانش (1999) اشکال پیک‌های حاصل از کروماتوگرافی با آشکارسازهای جرمی و نشر اتمی را با هم مقایسه کردند تا روشی مناسب برای تفریق پس زمینه و تشخیص هم‌شویشی انتخاب کنند. در این حالت، زمان بازداری برای هر دو آشکارساز باید یکسان باشد [28]. تسه و همکارانش از آشکارسازهای NPD و ECD برای تعیین حشره‌کش‌های ارگانوفسفره در نمونه‌های محیطی استفاده کردند [29].
نسبت دو پاسخ از دو آشکارساز رادیوگرافی احیا دیجیتال می‌تواند بهعنوان ابزاری برای شناسایی ترکیب و شواهدی برای هم‌شویشی باشد. این رابطه از لحاظ تئوری ثابت و مستقل از غلظت ماده است [30]. معادله پایه (1) برای محاسبه DRR در زیر نشان داده شده‌است:
در مورد آنالیز نتایج حاصل از دستگاه‌های دارای دو ستون، دو زمان بازداری مختلف برای هر آنالیت به‌دست می‌آید که برای هدف شناسایی استفاده می‌شود. به دلیل پایداری بیشتر «زمان‌های بازداری نسبی» بیشتر به جای زمان بازداری، از این عامل استفاده می‌شود [27]. گاهی اوقات نیز اندیس بازداری به‌منظور شناسایی استفاده می‌شود. در مورد سامانه موازی دارای ستون‌های دوگانه، شاخص‌های ستون اول و ستون تایید، هر دو به‌دست می‌آیند. برای اهداف تأیید، تطابق شاخص‌های بازداری و یا همبستگی بین مساحت یا ارتفاع پیک‌ها نیز می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند [22].
معیار پذیرش برای انواع مختلف آشکارسازها و انواع مختلف آنالیز (آنالیت و ماتریس) به‌طور معمول به‌صورت جداگانه ایجاد می‌شود. بهعنوان مثال، ون استی و همکارانش (1999) اشکال پیک‌های حاصل از کروماتوگرافی با آشکارسازهای جرمی و نشر اتمی را با هم مقایسه کردند تا روشی مناسب برای تفریق پس زمینه و تشخیص هم‌شویشی انتخاب کنند. در این حالت، زمان بازداری برای هر دو آشکارساز باید یکسان باشد [28]. تسه و همکارانش از آشکارسازهای NPD و ECD برای تعیین حشره‌کش‌های ارگانوفسفره در نمونه‌های محیطی استفاده کردند [29].
نسبت دو پاسخ از دو آشکارساز رادیوگرافی احیا دیجیتال می‌تواند بهعنوان ابزاری برای شناسایی ترکیب و شواهدی برای هم‌شویشی باشد. این رابطه از لحاظ تئوری ثابت و مستقل از غلظت ماده است [30]. معادله پایه (1) برای محاسبه DRR در زیر نشان داده شده‌است:
معادله (1)
که در آن (Rx) پاسخ (به‌طور معمول مساحت پیک) ماده x از آشکارساز (1 یا 2) بوده و (RIS) پاسخ استاندارد داخلی است [30]. در بعضی موارد، ممکن است DRR را براساس ترکیب مولکولی آنالیت تخمین بزنیم. سان و همکارانش DRRها را برای دو آشکارساز انتشار تخلیه بار پالسی – انتخابی یون کلر و آشکارساز فوتونیزاسیون تخلیه بار پالسی – هلیوم محاسبه کردند و تطابق به نسبت خوبی بین مقادیر محاسبه شده و تجربی (برای ترکیبات فرار آلی کلردار) به‌دست آوردند [30].
از آنجا که پاسخ آشکارساز وابسته به غلظت است، جوور و همکارانش روشی را برای محاسبه DRRها، با ساخت منحنی کالیبراسیون جداگانه برای هر یک از آشکارسازها معرفی کردند [31]. معادله نهایی DDR می‌تواند به شرح زیر بیان شود:
معادله (2)
که در آن: (a) شیب خط و (b) عرض از مبدا منحنی کالیبراسیون برای آشکارساز (i) و (Cx) غلظت آنالیت (x) است.
نتایج به‌دست آمده با این روش، به آشکارسازها و شرایط کروماتوگرافی بستگی دارد. مفهوم دیگر در مورد DRR حد تأیید است. این گروه از محققان، LOC را بهعنوان حداقل غلظت مورد نیاز برای شناسایی یک آنالیت با استفاده از DRR تعریف کردند که این مقدار بستگی به آشکارسازی دارد که دارای کمترین شدت پاسخ است. در هم‌شویشی (ماتریس پیچیده) ممکن است نتایج منفی کاذب رخ دهد که در این شرایط، تایید GC/MS ضروری است [31].
نتایج به‌دست آمده با این روش، به آشکارسازها و شرایط کروماتوگرافی بستگی دارد. مفهوم دیگر در مورد DRR حد تأیید است. این گروه از محققان، LOC را بهعنوان حداقل غلظت مورد نیاز برای شناسایی یک آنالیت با استفاده از DRR تعریف کردند که این مقدار بستگی به آشکارسازی دارد که دارای کمترین شدت پاسخ است. در هم‌شویشی (ماتریس پیچیده) ممکن است نتایج منفی کاذب رخ دهد که در این شرایط، تایید GC/MS ضروری است [31].
5- آشکارساز طیف‌سنجی جرمی به همراه یک آشکارساز معمولی
طیف‌سنجی جرمی در حال حاضر نقش مهمی در علم آنالیز ایفا می‌کند و در بیشتر دستگاه‌های چند آشکارسازی همراه با دیگر آشکارسازها به کار می‌رود. یک آشکارساز انتخابی اضافی بیشتر به دستگاه GC/MS اضافه می‌شود که برای تعیین زمان دقیق شویش آنالیت و افزایش قابلیت شناسایی استفاده می‌شود.
دانستن زمان بازداری آنالیت (یعنی محل خروج پیک در آشکارسازهای پاسخ دهنده به عناصر خاص) در آنالیز کروماتوگرافی طیف‌سنجی جرمی که پیک واضحی ندارد و پیک‌های زمینه زیاد هستند این امکان را به کاربر می‌دهد تا پیک آنالیت را جانمایی کند و از روش تفریق پس زمینه به‌منظور شناسایی آنالیت استفاده نماید [32]. در صورتی که غلظت آنالیت کم باشد، با تفریق پس زمینه نیز، کتابخانه دستگاه نمی‌تواند شناسایی مناسبی را انجام دهد، جستجوی پیوسته پایگاه داده با لحاظ کردن محدودیت‌های مناسب (بهعنوان مثال، عناصر موجود در یک ساختار) می‌تواند مشکل را حل کند [15]. برای این منظور از چندین آشکارساز می‌توان استفاده کرد: آشکارساز فوتومتری شعله در حالت‌های مختلف [15و32]، ECD و FPD به‌طور هم‌زمان [33] و دیگر موارد. اطلاعات تکمیلی که با استفاده از آشکارسازهای پاسخ دهنده به عناصر خاص به‌دست می‌آیند، محدوده جستجوی کتابخانه‌های طیف جرمی را کوچکتر و دقیق‌تر می‌کند [32].
دستگاه GC-MS/FID نیز امروزه کاملا رایج است. آشکارساز MS اطلاعاتی را برای شناسایی مواد ارائه می‌دهد و FID به دلیل دامنه وسیع پاسخ کمی آن برای آنالیز کمی و معمولا حساسیت بالا استفاده می‌شود. با این حال، در مورد پیک‌های دارای همپوشانی، اندازه‌گیری کمی براساس یون‌های انتخاب شده از طیف‌های MS انجام می‌شود [34].
دانستن زمان بازداری آنالیت (یعنی محل خروج پیک در آشکارسازهای پاسخ دهنده به عناصر خاص) در آنالیز کروماتوگرافی طیف‌سنجی جرمی که پیک واضحی ندارد و پیک‌های زمینه زیاد هستند این امکان را به کاربر می‌دهد تا پیک آنالیت را جانمایی کند و از روش تفریق پس زمینه به‌منظور شناسایی آنالیت استفاده نماید [32]. در صورتی که غلظت آنالیت کم باشد، با تفریق پس زمینه نیز، کتابخانه دستگاه نمی‌تواند شناسایی مناسبی را انجام دهد، جستجوی پیوسته پایگاه داده با لحاظ کردن محدودیت‌های مناسب (بهعنوان مثال، عناصر موجود در یک ساختار) می‌تواند مشکل را حل کند [15]. برای این منظور از چندین آشکارساز می‌توان استفاده کرد: آشکارساز فوتومتری شعله در حالت‌های مختلف [15و32]، ECD و FPD به‌طور هم‌زمان [33] و دیگر موارد. اطلاعات تکمیلی که با استفاده از آشکارسازهای پاسخ دهنده به عناصر خاص به‌دست می‌آیند، محدوده جستجوی کتابخانه‌های طیف جرمی را کوچکتر و دقیق‌تر می‌کند [32].
دستگاه GC-MS/FID نیز امروزه کاملا رایج است. آشکارساز MS اطلاعاتی را برای شناسایی مواد ارائه می‌دهد و FID به دلیل دامنه وسیع پاسخ کمی آن برای آنالیز کمی و معمولا حساسیت بالا استفاده می‌شود. با این حال، در مورد پیک‌های دارای همپوشانی، اندازه‌گیری کمی براساس یون‌های انتخاب شده از طیف‌های MS انجام می‌شود [34].
6- شبکه آزمایشگاهی فناوری راهبردی
این مقاله از مجموعه مقالات فصل نامه شبکه آزمایشگاهی فناوری‌های راهبردی سال 2019، شماره 26 برگرفته شده است. برای دسترسی به مراکز خدمات دهنده GC بر روی لینک زیر کلیک کنید [5].
| نام دستگاه |
| کروماتوگراف گازی |
7- نتیجه‌گیری
گزینش‌پذیری و حد تعیین کمی دو عامل مهم در آنالیز نمونه‌های واقعی هستند. در بسیاری از موارد، آشکارساز طیف‌سنج جرمی می‌تواند گزینش‌پذیری بالا (به ویژه در حالتMS/MS) و یا LOQ کوچکتری داشته باشد. طبق گفته پروفسور لهوتای، گزینش‌پذیری (که به‌طور معمول بر LOQ تاثیر می‌گذارد) مهم‌تر از حساسیت است. اگر آشکارسازی بدون همپوشانی پاسخ دهد، طبیعتا LOQ کوچکی را نیز حاصل می‌کند [35]. اگر چه در حال حاضر از آشکارسازهای انتخابی کمتر استفاده می‌شود ولی این آشکارسازها هنوز نقش مهمی در تشخیص MS در دستگاه‌های چند آشکارسازی دارند.
در حال حاضر، برخی از تنظیمات سخت‌افزاری مانند اتصال آشکارسازها به‌صورت سری، در دستگاه‌های چند آشکارسازی به ندرت در دسترس هستند. دیگر اتصالات مانند اتصالات موازی نیز هنوز در حال توسعه و بهبود هستند.
پیشرفت‌های زیادی در ساخت و ساز شکاف‌دهنده‌ها انجام شده‌است، مانند نفوذ، کاهش حجم مرده و استقامت. با این وجود به نظر می‌رسد که یک شکاف دهنده Y شکل ساده و مقرون به صرفه مانند یک شکاف‌دهنده فرول دو سوراخه، بهترین انتخاب برای مطالعات چند آشکارسازی اولیه بوده که هنوز پرکابرد است.
یک دستگاه GC چند آشکارسازی، امکان اخذ داده‌های کروماتوگرافی تکمیلی به‌دست آمده از آشکارسازهای اضافی در یک کروماتوگرام را فراهم می‌کند. این امر باعث تایید نتایج به‌دست آمده می‌شود. این ویژگی و همچنین مزایای دیگر مانند افزایش توان، صرفه‌جویی در زمان و نیرو، سبب می‌شود که دستگاه‌های GC چند آشکارسازی همچنان در آینده توسعه یابند.
در حال حاضر، برخی از تنظیمات سخت‌افزاری مانند اتصال آشکارسازها به‌صورت سری، در دستگاه‌های چند آشکارسازی به ندرت در دسترس هستند. دیگر اتصالات مانند اتصالات موازی نیز هنوز در حال توسعه و بهبود هستند.
پیشرفت‌های زیادی در ساخت و ساز شکاف‌دهنده‌ها انجام شده‌است، مانند نفوذ، کاهش حجم مرده و استقامت. با این وجود به نظر می‌رسد که یک شکاف دهنده Y شکل ساده و مقرون به صرفه مانند یک شکاف‌دهنده فرول دو سوراخه، بهترین انتخاب برای مطالعات چند آشکارسازی اولیه بوده که هنوز پرکابرد است.
یک دستگاه GC چند آشکارسازی، امکان اخذ داده‌های کروماتوگرافی تکمیلی به‌دست آمده از آشکارسازهای اضافی در یک کروماتوگرام را فراهم می‌کند. این امر باعث تایید نتایج به‌دست آمده می‌شود. این ویژگی و همچنین مزایای دیگر مانند افزایش توان، صرفه‌جویی در زمان و نیرو، سبب می‌شود که دستگاه‌های GC چند آشکارسازی همچنان در آینده توسعه یابند.
منابـــع و مراجــــع
۱ – K. Parnell, T. Anderson, Dual-column GC Tackles POPs, Lab. Equip. 2 (2015) 93–104.
۲ – Method 8081B: Organochlorine Pesticides by Gas Chromatography, part of Test Methods for Evaluating Solid Waste, Physical/Chemical Methods, US EPA, 2007.
۳ – L. Peres-Blanco, K.K. Stenerson, M.D. Buchanan, Dual-Column GC Analysis of Organochlorine Pesticides on SLB-5msSLB-35ms, Report. – Chromatogr. Appl. Newsl.62 (2016) 20–22.
۴ – R.S. Gohlke, Time-of-Flight Mass SpectrometryGas-Liquid Partition Chromatography, Anal. Chem. 31 (1959) 535–541.
۵ – D.M. Oaks, H. Hartmann, K.P. Dimick, Analysis of Sulfur Compounds with Electron Capture/Hydrogen Flame Dual Channel Gas Chromatography, Anal. Chem. 700 (1964) 1560–1565.
۶ – H. Boswell, F. Dorman, Determine Blood Alcohol with Dual Column/Dual FID for PrecisionReproducibility, Agilent Appl. Note. 5991–3671E (2013) 1–8.
۷ – L.K. Smith D., Evaluating CLPEPA Methods for Pesticides in Water Using Agilent J&W DB-CLP1/DB-CLP2 GC Columns, Agilent Appl. Note. 5991–0615E (2012) 1–14.
۸ – B. Łozowicka, The development, validationapplication of a GC-dual detector (NPD-ECD) multi-pesticide residue method for monitoring bee poisoning incidents, Ecotoxicol. Environ. Saf. 97 (2013) 210–222.
۹ – Ł. Dąbrowski, Multidetector systems in gas chromatography, TrAC Trends Anal. Chem. 102 (2018). 185-193.
۱۰ – J. Begerow, E. Jermann, T. Keles, T. Koch L. Dunemann, Screening method for the determination of 28 volatile organic compounds in indooroutdoor air at environmental concentrations using dual-column capillary gas chromatography with tandem electron capture-flame ionization detection, J. Chromatogr. A. 749 (1996) 181–191.
۱۱ – A New Photoionization/Flame-Ionization Series Detector for Gas Chromatography Introduction, O I Anal. Appl. Note. 541095 (1998).
۱۲ – R.M. Cavalcante, M.V.F. de Andrade, R. V. Marins, L.D.M. Oliveira, Development of a headspace-gas chromatography (HS-GC-PID-FID) method for the determination of VOCs in environmental aqueous matrices: Optimization, verificationelimination of matrix effectVOC distribution on the Fortaleza Coast, Brazil, Microchem. J. 96 (2010) 337–343.
۱۳ – Agilent G3180B Two-Way Splitter Kit With Makeup Gas, InstallationOperation Guide, G3180-9012 (2006) 1–52.
۱۴ – Capillary Outlet Splitter – VSOS, SGE Anal. Sci. MN-0031A-Rev 04 (2009).
۱۵ – S. Dagan, Comparison of gas chromatography-pulsed flame photometric detection mass spectrometry, automated mass spectral deconvolutionidentification systemgas chromatography-tandem mass spectrometry as tools for trace level detectionidentification., J. Chromatogr. A. 868 (2000) 229–47.
۱۶ – Introduction of a Multi-Detector GC System, Shimadzu Appl. News. G240 (2006) 1–2.
۱۷ – Analysis of Sulfur-Containing Flavor Compounds by GC/MS With A PFPD, O I Anal. Appl. Note. 19060203 (2003).
۱۸ – OSS-2 Outlet splitter system, SGE Anal. Sci. MN-0008-A-RevF (2008).
۱۹ – Y.S. Oh-Shin, M. Ko, H.S. Shin, Simultaneous quantification of insecticides including carbaryl in drinking water by gas chromatography using dual electron-capturenitrogen-phosphorus detection, J. Chromatogr. A. 769 (1997) 285–291.
۲۰ – H.J. Poustka jan, Holadova Katerina, Application of supercritical fluid extraction in multi-residue pesticide analysis of plant matrices, Eur Food Res Technol. 216 (2003) 68–74.
۲۱ – L.L.P. Van Stee, P.E.G. Leonards, W.M.G.M. Van Loon, A. Jan Hendriks, J.L. Maas, J. Struijs, U.A.T. Brinkman, Use of semi-permeable membrane devicessolid-phase extraction for the wide-range screening of microcontaminants in surface water by GC AED/MS, Water Res. 36 (2002) 4455–4470.
۲۲ – R. Okiro, M. Wohleb, Semivolatile analysis utilizing columns of differing polarity, retention indices,dual PDHID detectors, LC-GC North Am. 21 (2003) 33.
۲۳ – J.J. Jiménez, J.L. Bernal, J. Atienza, CGC/AEDCGC/ECD/NPD comparison for the determination of acaricides in honey after hexane/acetone extraction, Chromatographia. 42 (1996) 130–134.
۲۴ – B. Aebi, W. Bernhard, Gas chromatography with dual mass spectrometricnitrogen – phosphorus specific detection : a newpowerful tool for forensic analyses, Forensic Sci. Int. 102 (1999) 91–101.
۲۵ – L. Yang, H. Li, F. Zeng, Y. Liu, R. Li, H. Chen, Y. Zhao, H. Miao, Y. Wu, Determination of 49 organophosphorus pesticide residuestheir metabolites in fish, egg,milk by dual gas chromatography-dual pulse flame photometric detection with gel permeation chromatography cleanup, J. Agric. Food Chem. 60 (2012) 1906–1913.
۲۶ – H. Mokbel, E.J. Al Dine, A. Elmoll, C. Liaud, M. Millet, Simultaneous analysis of organochlorine pesticidespolychlorinated biphenyls in air samples by using accelerated solvent extraction (ASE)solid-phase micro-extraction (SPME) coupled to gas chromatography dual electron capture detection, Environ. Sci. Pollut. Res. (2016).
۲۷ – Y. Liu, C.Q. Hu, Preliminary identificationquantification of residual solvents in pharmaceuticals using the parallel dual-column system, J. Chromatogr. A. 1175 (2007) 259–266.
۲۸ – L.L.P. Van Stee, P.E.G. Leonards, R.J.J. Vreuls, U. a. T. Brinkman, Identification of non-target compounds using gas chromatography with simultaneous atomic emissionmass spectrometric detection (GC-AED/MS): analysis of municipal wastewater, Analyst. 124 (1999) 1547–1552.
۲۹ – H. Tse, M. Comba, M. Alaee, Method for the determination of organophosphate insecticides in water, sedimentbiota., Chemosphere. 54 (2004) 41–7.
۳۰ – K. Sun, W.E. Wentworth, S.D. Stearns, Characterization of chlorinated compounds using a dual chlorine- ive pulsed discharge emission detector-helium-pulsed discharge photoionization detector system, J. Chromatogr. A. 872 (2000) 179–189.
۳۱ – E. Jover, A. Gómez-Gutiérrez, J.M. Bayona, DevelopmentApplication of the Detector-Response-Ratio Method of Identification for a Dual-Detection System. Application of GC with Electron-CaptureNitrogen–Phosphorus Detection to the Determination of Pesticides in Aqueous Matrices, Chromatographia. 66 (2007) 75–79.
۳۲ – A. Amirav, H. Jing, Simultaneous pulsed flame photometricmass spectrometric detection for enhanced pesticide analysis capabilities, J. Chromatogr. A. 814 (1998) 133–150.
۳۳ – Q. Bruce, S. Mike, Screening for Hazardous Chemicals in Homeland SecurityEnvironmental Samples Using a GC/MS/ECD/FPD with a 731 Compound DRS Database Application Note, Agilent Appl. Note. 5898–4834E (2006).
۳۴ – M. Nguyen, C. Berndt, D. Reichel, S. Krzack, B. Meyer, Pyrolysis behaviour study of a tar-sulphur-rich brown coalGC-FID/MS analysis of its tar, J. Anal. Appl. Pyrolysis. 115 (2015) 194–202.
۳۵ – Ensuring Accuracy In Food Analysis, Sample Processing To Data Analysis-An Interview with Steven J. Lehotay, in: Advancing the Analysis of PesticidesOther Chemical Residues, July 2016, LCGC, UBM, 2016: pp. 24–33.
۳۶ – فصل نامه شبکه آزمایشگاهی فناوری‌های راهبردی سال 2019و شماره 26
