تفاوت ها و توانایی های کروماتوگرافی گازی GC در برابر GC-MS
مقدمه
کروماتوگرافی گازی (Gas Chromatography یا GC) یکی از پرکاربردترین و قدرتمندترین تکنیک ها برای جداسازی و آنالیز ترکیبات فرار و نیمه فرار در یک نمونه است. این روش مانند یک مسابقه دقیق عمل می کند که در آن، مولکول های مختلف بر اساس ویژگی هایشان از هم جدا می شوند. اما گاهی فقط جداسازی کافی نیست و نیاز داریم تا هویت دقیق هر یک از این ترکیبات جدا شده را نیز بدانیم. اینجاست که ترکیب GC با طیف سنجی جرمی (Mass Spectrometry)، یعنی GC-MS، وارد میدان می شود و قدرت شناسایی ما را به طرز چشمگیری افزایش می دهد.
هدف این مطلب از مجله مهام آزما، توضیح تفاوت های کلیدی بین یک دستگاه GC استاندارد (با آشکارسازهای معمول) و یک سیستم GC-MS است، تا بفهمیم هر کدام چه اطلاعاتی در اختیار کاربر قرار می دهند. این توضیحات بر پایه اصول علمی پذیرفته شده در کتاب های مرجع شیمی تجزیه و کروماتوگرافی و همچنین مستندات فنی سازندگان این تجهیزات استوار است.
دستگاه کروماتوگرافی گازی (GC)
هدف اصلی دستگاه GC، جداسازی ترکیبات مختلف موجود در یک نمونه از یکدیگر است. این کار بر اساس تفاوت در تمایل این ترکیبات برای توزیع شدن بین دو فاز انجام می شود:
- یک فاز ثابت (ماده ای که درون یک ستون بلند و باریک قرار دارد)
- یک فاز متحرک (یک گاز بی اثر مانند هلیوم یا نیتروژن که با سرعت ثابتی از درون ستون عبور می کند)
اجزای اصلی یک دستگاه GC استاندارد
۱. منبع گاز حامل
تأمین کننده گاز بی اثری است که نمونه را در طول ستون حرکت می دهد.
۲. سیستم تزریق
نمونه (معمولاً مایع یا گاز) در این قسمت به سرعت تبخیر شده و وارد ستون می شود.
۳. ستون کروماتوگرافی
قلب دستگاه GC است؛ لوله ای بلند و باریک (از چند متر تا ده ها متر) که درون آن با فاز ثابت پوشانده شده است. جداسازی واقعی در اینجا اتفاق می افتد. ترکیبات مختلف بر اساس نقطه جوش و برهمکنش های متفاوتشان با فاز ثابت، با سرعت های متفاوتی در طول ستون حرکت کرده و از هم جدا می شوند. خرید و کسب اطلاعات بیشتر درباره ستون های کروماتوگرافی GC
۴. آون ستون
محفظه ای که ستون در آن قرار دارد و دمای آن با دقت کنترل می شود. دما نقش بسیار مهمی در کیفیت جداسازی دارد.
۵. آشکارساز (Detector)
پس از اینکه ترکیبات از ستون خارج شدند، باید توسط یک آشکارساز شناسایی شوند. دستگاه GC به تنهایی، بدون آشکارساز، نمی تواند اطلاعاتی به ما بدهد. آشکارسازهای مختلفی برای GC وجود دارند که هر کدام به نوع خاصی از ترکیبات یا ویژگی های آن ها حساس هستند.
انواع آشکارسازهای رایج در GC (به جز طیف سنج جرمی)
-
آشکارساز یونیزاسیون شعله ای (FID – Flame Ionization Detector)
یکی از پر استفاده ترین آشکارسازهاست که به اکثر ترکیبات آلی (حاوی کربن و هیدروژن) پاسخ می دهد و حساسیت بسیار خوبی دارد.
-
آشکارساز هدایت حرارتی (TCD – Thermal Conductivity Detector)
یک آشکارساز عمومی است که به هر ترکیبی که هدایت حرارتی متفاوتی از گاز حامل داشته باشد، پاسخ می دهد. حساسیت آن معمولا کمتر از FID است.
-
آشکارساز ربایش الکترون (ECD – Electron Capture Detector)
به طور اختصاصی به ترکیباتی که دارای اتم های الکترون دوست قوی هستند (مانند ترکیبات هالوژنه مثل آفت کش ها) بسیار حساس است.
نمودار کروماتوگرام در دستگاه GC
خروجی یک دستگاه GC استاندارد، نموداری به نام کروماتوگرام است.
این نمودار، سیگنال آشکارساز را برحسب زمان بازداری (Retention Time) نشان می دهد. زمان بازداری، مدت زمانی است که طول می کشد تا یک ترکیب از ستون عبور کرده و به آشکارساز برسد. با مقایسه زمان بازداری یک پیک در نمونه مجهول با زمان بازداری یک نمونه استاندارد، می توان به صورت احتمالی آن ترکیب را شناسایی کرد. مقدار ترکیب نیز از روی سطح زیر پیک یا ارتفاع پیک در کروماتوگرام تخمین زده می شود.
معرفی برترین دستگاه های GC و موجود در شرکت مهام آزما
این دستگاه ها دارای قابلیت هایی مانند بهبود بهره وری، جداسازی و نظارت هوشمند ابزار را دارا هستند. یکی از مزیت های این دستگاه ها صرفه جویی در وقت و هزینه است که با کمک خنک شدن سریع آون ها و شستشوی ستون ها انجام می شود. جهت مشاهده و خرید کلیک کنید.
دستگاه GC-MS و افزودن قدرت شناسایی با طیف سنجی جرمی
سیستم GC-MS در واقع یک دستگاه GC است که در آن، به جای یکی از آشکارسازهای معمول ذکر شده در قسمت بالا، از یک طیف سنج جرمی (Mass Spectrometer – MS) به عنوان آشکارساز استفاده می شود. در این سیستم، خروجی ستون GC مستقیما به ورودی طیف سنج جرمی متصل می گردد.
نقش طیف سنج جرمی در دستگاه GC-MS به عنوان آشکارساز GC
طیف سنج جرمی پس از دریافت مولکول هایی که از ستون GC خارج می شوند، چندین کار مهم انجام می دهد:
-
یونیزاسیون
ابتدا مولکول های خنثی را به ذرات باردار یا همان یون تبدیل می کند. در GC-MS، رایج ترین روش یونیزاسیون، یونیزاسیون الکترونی (Electron Ionization – EI) است. در این روش، مولکول ها با یک باریکه از الکترون های پرانرژی بمباران می شوند.
-
قطعه قطعه شدن (Fragmentation)
یونیزاسیون الکترونی انرژی زیادی به مولکول ها منتقل می کند و باعث می شود که آن ها به قطعات کوچکتر و باردار (یون های قطعه) و همچنین قطعات خنثی شکسته شوند.
-
جداسازی یون ها
سپس تمام این یون های باردار (هم یون مولکولی اولیه، اگر پایدار مانده باشد، و هم یون های قطعه) بر اساس نسبت جرم به بار الکتریکی (m/z) خود از یکدیگر جدا می شوند (با استفاده از یک آنالایزر جرمی چهارقطبی یا Quadrupole).
-
آشکارسازی و اندازه گیری فراوانی
در نهایت، تعداد (فراوانی) هر یون با m/z مشخص، اندازه گیری می شود.
خروجی دستگاه GC-MS چگونه است؟
یک سیستم GC-MS نیز مانند GC معمولی، یک کروماتوگرام تولید می کند (که به آن کروماتوگرام یون کل یا TIC گفته می شود و مشابه خروجی سایر آشکارسازهاست).
اما تفاوت بسیار بزرگ و حیاتی اینجاست که…
برای هر نقطه زمانی در این کروماتوگرام (و به طور خاص برای هر پیک جدا شده توسط GC)، یک طیف جرمی کامل نیز به دست می آید.
اطلاعات حاصل از طیف جرمی در GC-MS
هر طیف جرمی، نموداری از فراوانی نسبی یون‌ها بر حسب m/z آن هاست و مانند یک “اثر انگشت شیمیایی” برای مولکولی است که آن را ایجاد کرده:
-
یون مولکولی (Molecular Ion)
اگر مولکول اولیه پس از یونیزاسیون، یک الکترون از دست داده اما شکسته نشده باشد، یونی با همان جرم مولکولی، مولکول خنثی (البته با بار مثبت) ایجاد می کند. مقدار m/z این یون، مستقیماً وزن مولکولی ترکیب را به ما می دهد. البته در روش یونیزاسیون الکترونی، گاهی یون مولکولی بسیار ناپایدار است و در طیف دیده نمی شود یا شدت بسیار کمی دارد.
-
الگوی قطعه شدگی (Fragmentation Pattern)
همانطور که گفته شد، یونیزاسیون الکترونی باعث شکست مولکول به قطعات کوچکتر می شود. نحوه شکست و نوع قطعات یونی که ایجاد می شوند (الگوی شکست)، برای هر مولکول بسیار اختصاصی و منحصربه‌فرد است. این الگو اطلاعات بسیار زیادی درباره ساختار مولکول در اختیار ما قرار می دهد.
-
تطبیق با کتابخانه (Library Matching)
مهم ترین کاربرد این الگوی شکست، قابلیت مقایسه آن با کتابخانه های طیفی گسترده (مانند کتابخانه NIST یا Wiley) است. این کتابخانه ها حاوی ده ها هزار طیف جرمی از ترکیبات شناخته شده هستند.
نرم افزار دستگاه GC-MS می تواند طیف جرمی به دست آمده از نمونه مجهول شما را با طیف های موجود در این کتابخانه ها مقایسه کرده و محتمل ترین گزینه برای شناسایی ترکیب را با یک امتیاز تطابق (Match Score) ارائه دهد.
تفاوت‌های کلیدی GC و GC-MS به زبان ساده
حالا بیایید تفاوت های اصلی این دو سیستم را مرور و بررسی کنیم:
-
نوع آشکارساز و اطلاعات حاصله
-
- در GC معمولی، از آشکارسازهایی مانند FID، TCD یا ECD استفاده می شود. این آشکارسازها سیگنالی متناسب با مقدار ماده تولید می کنند اما اطلاعات ساختاری بسیار محدودی (یا هیچ) ارائه نمی دهند. شناسایی عمدتا بر اساس مقایسه زمان بازداری با نمونه های استاندارد انجام می شود که قطعی نیست.
- در GC-MS، طیف سنج جرمی به عنوان آشکارساز عمل می کند و علاوه بر اطلاعات کمی، اطلاعات کیفی بسیار غنی شامل وزن مولکولی (در صورت وجود یون مولکولی) و مهم تر از آن، الگوی شکست مولکول را ارائه می دهد که برای شناسایی قطعی ساختار بسیار ارزشمند است.
-
مقایسه قدرت شناسایی ترکیبات
- شناسایی با GC معمولی، حتی با استفاده از استانداردهای زمان بازداری، اغلب یک شناسایی احتمالی یا حدسی است. اگر دو ماده زمان بازداری بسیار نزدیکی داشته باشند، تفکیک و شناسایی آن ها دشوار می شود.
- GC-MS قدرت شناسایی بسیار بالاتری دارد و می تواند به شناسایی قطعی یا تأییدی ترکیبات منجر شود. حتی اگر دو ماده زمان بازداری مشابهی داشته باشند، تا زمانی که طیف جرمی (الگوی شکست) متفاوتی داشته باشند، GC-MS می تواند آن ها را از هم تشخیص دهد.
-
مقایسه هزینه و پیچیدگی
- دستگاه های GC اغلب ساده تر، کوچک تر و از نظر هزینه خرید و نگهداری، ارزان تر هستند.
- سیستم های GC-MS به دلیل داشتن طیف سنج جرمی، پیچیده تر، بزرگ تر و گران تر هستند و نیاز به نگهداری تخصصی تری (مانند سیستم خلاء) دارند.
چه زمانی کدام دستگاه را انتخاب کنیم؟
دستگاه GC با آشکارسازهای معمول برای آنالیزهای روتین و کمی ترکیبات شناخته شده که در آن، شناسایی بر اساس زمان بازداری کافی است، بسیار مناسب و مقرون به صرفه است. همچنین زمانی که حساسیت بسیار بالای آشکارسازهای خاصی مانند FID (برای ترکیبات آلی) یا ECD (برای ترکیبات هالوژنه) مورد نیاز است و اطلاعات جرمی ضرورت ندارد، دستگاه GC گزینه خوبی است.
اما دستگاه GC-MS زمانی ضروری است که نیاز به شناسایی ترکیبات ناشناخته، تأیید ساختار مولکولی، آنالیز نمونه های پیچیده که احتمال همپوشانی پیک ها در کروماتوگرام وجود دارد و یا ارائه مدرک قطعی برای حضور یک ترکیب خاص (مثلاً در کاربردهای پزشکی قانونی، کنترل دوپینگ یا آنالیزهای دقیق محیط زیستی) باشد.
خلاصه مقاله
همانطور که ذکر شد کروماتوگرافی گازی GC یک ابزار فوق العاده برای جداسازی ترکیبات است. افزودن طیف سنجی جرمی MS به عنوان آشکارساز، قابلیت های آن را به طرز چشمگیری افزایش داده و امکان شناسایی دقیق و قطعی مولکول ها را فراهم می کند. انتخاب بین دستگاه GC و GC-MS بستگی به هدف نهایی آنالیز، نوع اطلاعات مورد نیاز، پیچیدگی نمونه و ملاحظات هزینه ای دارد. هر دو تکنیک نقش بسیار مهمی در علوم مختلف ایفا می کنند.
جهت اطلاع از موجودی کالاها و قیمت ها با مشاورین فروش شرکت تجهیزات آزمایشگاهی مهام آزما ۰۲۱۸۸۵۰۹۳۸۴ – ۰۲۱۸۶۰۴۵۸۷۰ در ارتباط باشید.
بدون نظر