عملية الفصل في كروماتوغرافيا الغاز The Separation Process in Gas Chromatography

Posted in :

مواضيع مميزة

Akram Amir El Ali

February 14, 2023

عملية الفصل في كروماتوغرافيا الغاز

The Separation Process in Gas Chromatography

(Chapter 23 Gas Chromatography, Section 23.1, Quantitative Chemical Analysis by Daniel C. Harris, 8th Edition )

( التحليل الكيميائي النوعي – دانيال هاريس )

In gas chromatography gaseous analyte is transported through the column by a gaseous mobile phase, called the carrier gas.

في كروماتوغرافيا الغاز ، يتم نقل المادة الغازية المراد تحليلها الغازي عبر العمود بواسطة طور غازي متحرك، يسمى الغاز الحامل.

In gas-liquid partition chromatography, the stationary phase is a nonvolatile liquid bonded to the inside of the column or to a fine solid support .

في كروماتوغرافيا التوزيع الغاز-السائل، فإن الطور الثابت عبارة عن سائل غير متطاير مرتبط بداخل العمود أو دعامة صلبة دقيقة.

In gas-solid adsorption chromatography, analyte is adsorbed directly on solid particles of stationary phase .

في كروماتوغرافيا الامتزاز الغاز-الصلب ، يتم امتزاز المادة المراد تحليليها مباشرة على الجسيمات الصلبة في الطور الثابت.

In gas chromatograph volatile liquid or gaseous sample is injected through a septum (a rubber disk) into a heated port, in which it rapidly evaporates. Vapor is swept through the column by He, N2, or H2 carrier gas, and separated analytes flow through a detector, whose response is displayed on a computer.

في كروماتوجرافيا الغاز ، يتم حقن السائل المتطاير أو العينة الغازية من خلال حاجز (قرص مطاطي) في منفذ ساخن ، حيث يتبخر بسرعة. يتم تمرير البخار عبر العمود بواسطة غاز حامل He ، أو N₂ ، أو H₂ ، وتتدفق المواد المراد تحليلها كل على حدة عبر المكشاف، حيث يتم عرض النتائج على جهاز الكمبيوتر.

The column must be hot enough to provide sufficient vapor pressure for analytes to be eluted in a reasonable time. The detector is maintained at a higher temperature than the column so analytes will be gaseous.

يجب أن يكون العمود ساخنًا بدرجة كافية لتوفير ضغط بخار كافٍ لاستخلاص المواد المراد تحليلها في وقت معقول. يتم الحفاظ على المكشاف عند درجة حرارة أعلى من العمود بحيث تكون فيه المواد المراد تحليلها بالحالة الغازية.

Open Tubular Columns الأعمدة الأسطوانية المُجوّفة

The vast majority of analyses use long, narrow open tubular columns made of fused silica (SiO₂) and coated with polyimide (a plastic capable of withstanding 350°C) for support and protection from atmospheric moisture.

تستخدم الغالبية العظمى من أجهزة التحليل أعمدة أسطوانية مُجوّفة طويلة و ضيقة مصنوعة من السيليكا المنصهرة (SiO₂) ومغلفة بالبولي إميد (و هو مبلمر قادر على تحمل 350 درجة سيليزية) للدعم والحماية من الرطوبة الجوية.

The open tubular columns offer higher resolution, shorter analysis time, and greater sensitivity than packed columns, but they have less sample capacity.

توفر الأعمدة الأسطوانية المُجوَّفة دقة أعلى و وقت تحليل أقصر وحساسية أكبر من الأعمدة المعبأة، ولكن سعتها تكون قليلة.

(a) الأبعاد النموذجية لعمود كروماتوغرافيا الغاز الأسطواني المجوّف. (b) عمود السيليكا المصهور بقطر داخلي يبلغ 0.2 متر وطول العمود من 15 إلى 100 متر. (c) عرض مقطعي للأعمدة ذات الجدار الداخلي المغلف و أخرى ذات الجدار الداخلي المدعوم و ثالثة ذات الجدار الداخلي المسامي.

The wall-coated column is 0.1 to 5 μm thick film of stationary liquid phase on the inner wall of the column.

العمود ذو الجدار الداخلي المغلف يكون مغلفا بطور ثابت من سائل و يتراوح قطره من الداخل ما بين 0.1 إلى 5 ميكرومتر .

Support coated column has solid particles coated with stationary liquid phase and attached to the inner wall. Support-coated columns can handle larger samples than can wall coated columns. The performance of support-coated columns is intermediate between those of wall-coated columns and packed columns.

أما العمود ذو الجدار الداخلي المدعوم فإنه يحتوي على جسيمات صلبة مغلفة بطور ثابت سائل و تم لصقها أو تثبيتها بالجدار الداخلي للأنبوب. يمكن للأعمدة ذات الجدار الداخلي المدعوم التعامل مع عينات أكبر من الأعمدة ذات الجدار الداخلي المغلف . كما أن أداء الأعمدة ذات الجدار المدعوم يتوسط بين تلك الخاصة بالأعمدة ذات الجدار الداخلي المغلف و الاعمدة المعبأة .

In the porous-layer column solid particles are the active stationary phase.

في الاعمدة ذات الجدار الداخلي المسامي فإن جسيمات المادة الصلبة تكون هي الطور الثابت النشط .

Column inner diameters are typically 0.10 to 0.53 mm and lengths are 15 to 100 m, with 30 m being common.

تتراوح الأقطار الداخلية للعمود عادة من 0.10 إلى 0.53 مم وتتراوح أطوالها من 15 إلى 100 متر و لكن الشائع هو ال 30 مترًا .

Narrow columns provide higher resolution than wider columns but require higher operating pressure and have less sample capacity.

توفر الأعمدة الضيقة دقة أعلى من الأعمدة الأوسع ولكنها تتطلب ضغط تشغيل أعلى و سعة العينة فيها تكون أقل.

At the constant linear velocity increasing the thickness of the stationary phase increases retention time and sample capacity and increases resolution of early eluting peaks with a retention factor of k≤5.

في السرعة الخطية الثابتة ، تؤدي زيادة سمك الطور الثابت إلى زيادة وقت الاستبقاء وسعة العينة و زيادة دقة قمم المواد التي تستخلص أولا مع عامل استبقاء k اصغر من أو يساوي 5 .

Thick films of stationary phase can shield analytes from the silica surface and reduce tailing , but they can also increase bleed (decomposition and evaporation) of the stationary phase at elevated temperature. A thickness of 0.25 μm is standard, but thicker films are used for volatile analytes.

يمكن للأفلام السميكة للطور الثابت أن تحمي المواد المراد تحليلها من سطح السيليكا وتقلل من التذييل، ولكن يمكنها أيضًا زيادة استهلاك الطور الثابت عند درجة الحرارة المرتفعة. و غالبا ما تكون سماكة هذه الأفلام حوالي 0.25 ميكرومتر، ولكن يتم استخدام أغشية أكثر سمكًا للمواد المتطايرة.

The choice of liquid stationary phase is based on the rule “like dissolves like.” Nonpolar columns are best for nonpolar solutes. Columns of intermediate polarity are best for intermediate polarity solutes, and strongly polar columns are best for strongly polar solutes.

يعتمد اختيار الطور الثابت السائل على مبدأ “المِثل يذوب المِثل”. الأعمدة غير القطبية هي الأفضل للمواد الذائبة غير القطبية. أما أعمدة ذات القطبية المتوسطة فهي الأفضل للمواد الذائبة ذات القطبية المتوسطة ، والأعمدة ذات القطبية القوية هي الأفضل للمواد المذابة ذات القطبية القوية.

As a column ages, stationary phase can be lost, surface silanol groups (Si—O—H) are exposed, and tailing increases. To reduce the tendency of stationary phase to bleed from the column at high temperature, it is usually bonded (covalently attached) to the silica surface and covalently cross-linked to itself. To monitor column performance, it is good practice to periodically measure the retention factor of a standard, the number of plates, and peak asymmetry. Changes in these parameters indicate degradation of the column.

و مع استهلاك العمود مع مرور الوقت و تقدمه في العمر فإن الطور الثابت يمكن أن يستهلك و يُفقد و تصبح مجموعات السيلانول السطحية (Si-O-H) مكشوفة أكثر و هذا يزيد من التذييل. و لتقليل ميل الطور الثابت من الاستنزاف من العمود عند درجة حرارة عالية ، فعادة ما يتم ربطها (تساهميًا) بسطح السيليكا كما ترتبط مع نفسها تساهميًا أيضا بشكل متقاطع . و لمراقبة أداء العمود ، فإنه من الممارسات الجيدة قياس عامل الاستبقاء لمادة قياسية و ذلك بصورة دورية و كذلك الـتأكد من عدد الشرائح (الطبقات) ومن عدم تناسق القمم. فأي اختلاف في تلك النتائج تدل على تدهور العمود.

At upper operating temperatures, stationary phases decompose, giving a slow “bleed” of decomposition products from the column. These products produce elevated background signal in most detectors. Arylene stationary phases have increased thermal stability, bleed less at high temperature, and are especially suitable for gas chromatography mass spectrometry.

و عند درجات حرارة التشغيل العالية، فإن الأطوار الثابتة تتحلل ، مما يعطي “نزيفًا” بطيئًا لنواتج التحلل من العمود، و التي بدورها تنتج إشارة خلفية مرتفعة في معظم أجهزة الكشف. فالأطوار الثابتة المصنوعة من الأريلين زادت من الثبات الحراري ، و قللت من النزف عند درجات الحرارة المرتفعة ، وهي مناسبة بشكل خاص لجهاز مطياف الكتلة-كروماتوغرافيا الغاز .

To reduce interference from column bleeding, use the thinnest possible stationary phase and the narrowest and shortest column that provides adequate separation. Oxidation of the stationary phase by O₂ is also a major source of bleed. High-purity carrier gas should be used, and it should be passed through an O2 scrubber before the column.

و لتقليل التداخل من نزيف العمود ، استخدم أنحف طور ثابت ممكن وأضيق وأقصر عمود يوفر فصلًا مناسبًا. كما أن أكسدة الطور الثابت الثابتة بواسطة O₂ يُعدّ أيضًا مصدرًا رئيسا للنزيف. كما يجب استخدام الغاز الحامل عالي النقاء ، ويجب أن يمر عبر جهاز تنقية الغاز من O₂ قبل دخوله العمود.

Among the solids used for porous-layer open tubular columns, porous polymers, high surface – area carbon , and alumina (Al₂O₃) can separate hydrocarbons in gas-solid adsorption chromatography. Molecular sieves are inorganic or organic materials with cavities into which small molecules enter and are partially retained. Molecules such as H₂, O₂, N₂, CO₂, and CH₄ can be separated from one another.

من بين المواد الصلبة المستخدمة في الأعمدة الأسطوانية المجوفة ذات الجدار الداخلي المسامي ، فإن المبلمرات المسامية والكربون عالي المساحة والألومينا (Al₂O₃) يمكنها فصل الهيدروكربونات في كروماتوغرافيا الامتزاز الغازي الصلب. أما المناخل الجزيئية فهي مواد عضوية أو غير عضوية ذات تجاويف تدخل فيها جزيئات صغيرة ويتم الاحتفاظ بها جزئيًا. كما يمكن فصل جزيئات مثل H₂ و O₂ و N₂ و CO₂ و CH₄ عن بعضها البعض.

Packed Columns الأعمدة المعبأة

Packed columns contain fine particles of solid support coated with nonvolatile liquid stationary phase, or the solid itself may be the stationary phase. Compared with open tubular columns, packed columns provide greater sample capacity but give broader peaks, longer retention times, and less resolution.

تحتوي الأعمدة المعبأة على جسيمات دقيقة من دعامة صلبة مطلية بطور ثابت سائل غير متطاير، أو قد تكون المادة الصلبة نفسها هي الطور الثابت. و بالمقارنة مع الأعمدة الاسطوانية المجوّفة ، توفر الأعمدة المعبأة سعة عينات أكبر ولكنها تعطي قممًا أوسع و أوقات استبقاء أطول ودقة أقل.

Despite their inferior resolution, packed columns are used for preparative separations, which require a great deal of stationary phase, or to separate gases that are poorly retained.

على الرغم من الدقة المنخفضة ، فإنه يتم استخدام الأعمدة المعبأة لعمليات الفصل التمهيدية ، والتي تتطلب قدرًا كبيرًا من الطور الثابت ، أو لفصل الغازات التي لا يتم الاحتفاظ بها بشكل جيد.

Packed columns are usually made of stainless steel or glass and are typically 3–6 mm in diameter and 1–5 m in length.

تصنع الأعمدة المعبأة عادة من الفولاذ المقاوم للصدأ أو الزجاج و يبلغ قطرها عادة من 3 إلى 6 مم وطولها من 1 إلى 5 أمتار.

The solid support is often silica that is silanized to reduce hydrogen bonding to polar solutes. For tenaciously binding solutes, Teflon is a useful support, but it is limited to <200°C.

غالبًا ما تكون الدعامة الصلبة عبارة عن سيليكا يتم تحويلها إلى سيلاني لتقليل ارتباط الهيدروجين بالمواد المذابة القطبية. و بالنسبة إلى المواد المذابة المرتبطة بإحكام ، فإن التفلون يُعد دعامة مفيدة ، ولكنها محدودة بالتعامل معها عند درجة حرارة أقل من 200 درجة سيليزية.

Retention Index معامل الاستبقاء

The relative retention times of polar and nonpolar solutes change as the polarity of the stationary phase changes.

إن أزمنة الاستبقاء النسبية للمواد الذائبة القطبية و غير القطبية تتغير بتفير قطبية الطور الثابت.

Retention index relates the retention time of a solute to the retention times of linear alkanes.

يربط دليل الاستبقاء I زمن الاستبقاء للمذاب مع أزمنة الأستبقاء للالكانات الخطية .

The Kovats retention index, I, for a linear alkane equals 100 times the number of carbon atoms. For octane, I 800; and for nonane, I 900. A compound eluted between octane and nonane has a retention index between 800 and 900 computed by the formula

دليل كونفاتس للاستبقاء ، I ، للألكان الخطي يساوي 100 ضعف عدد ذرات الكربون فيه. فمثلا للأوكتان (عدد ذرات الكربون فيه 8) ، I 800 ؛ وبالنسبة إلى النونان (عدد ذرات الكربون فيه 9) ، I 900. فالمركب الذي يتم استخلاصه و الذي يقع بين الأوكتان و النونان على دليل استبقاء يتراوح ما بين 800 و 900 و يحيسب بواسطة الصيغة

where n is the number of carbon atoms in the smaller alkane; N is the number of carbon atoms in the larger alkane; t’r(n) is the adjusted retention time of the smaller alkane; and t r (N) is the adjusted retention time of the larger alkane.

حيث n هو عدد ذرات الكربون في الألكان الأصغر ؛ N هو عدد ذرات الكربون في الألكان الأكبر ؛ t’r(n) هو زمن الاستبقاء المعدل للألكان الأصغر ؛ و t’r(N) هو زمن الاستبقاء المعدل للألكان الأكبر.

برمجة درجة الحرارة و الضغط

Temperature and Pressure Programming

A large fraction of all gas chromatography is run with temperature programming, in which the temperature of the column is raised during the separation to increase analyte vapor pressure and decrease retention times of late-eluting components.

يتم تشغيل جزء كبير من جميع أجهزة كروماتوغرافيا الغاز ببرمجة درجة الحرارة ، حيث يتم رفع درجة حرارة العمود أثناء الفصل لزيادة ضغط بخار التحليل وتقليل أوقات الاستبقاء للموكونات التي تخرج في نهاية التحليل.

Broad, late-eluting peaks can be sharpened and eluted in less time with temperature programming. To maintain adequate resolution of earlier eluting peaks, programs often include a period of time at constant, low temperature prior to raising the temperature.

و يمكن لقمم المكونات التي تتأخر بالخروج من الجهاز أن تصبح أكثر دقة و خروجها من الجهاز في وقت قليل من خلال برمجة درجة الحرارة. وللحفاظ على الدقة المناسبة لقمم المكونات التي تخرج أولا ، فإنه غالبًا ما تتضمن البرامج فترة زمنية عند درجة حرارة منخفضة و ثابتة قبل رفع درجة الحرارة.

Most gas chromatography columns come with a label showing two temperatures limits. The lower one is the isothermal temperature limit at which the column can be kept for a long time. The upper one is the programmed temperature limit to which the column should only be exposed for a few minutes at a time at the end of a programmed temperature run. High temperatures decompose the stationary phase and cause column “bleeding.” An increase in baseline signal at low temperature is an indicator of column degradation. Other signs of column degradation are peak broadening, tailing, and changing retention times.

تأتي معظم أعمدة كروماتوغرافيا الغاز مع ملصق يوضح حدّين لدرجات الحرارة. الحد الأدنى هو حد درجة الحرارة المتساوية و الذي يمكن عندها الاحتفاظ بالعمود لفترة طويلة. أما درجة الحرارة العلوية فهو حد درجة الحرارة المبرمج الذي يجب أن يتعرض العمود له فقط لبضع دقائق في كل مرة في نهاية تشغيل درجة الحرارة المبرمجة. و تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى تحلل الطور الثابت و تتسبب في “نزيف” العمود. و تعد الزيادة في إشارة خط الأساس عند درجة الحرارة المنخفضة مؤشرًا على أن هناك خلال في العمود. و هناك علامات أخرى على تدهور العمود هي توسع القمة، و التذييل، وتغيير أوقات الاستبقاء.

Many chromatographs are equipped with electronic pressure control of the carrier gas. Increasing the inlet pressure increases the flow of mobile phase and decreases retention time. In some cases, programmed pressure can be used instead of programmed temperature to reduce retention times of late-eluting components. At the end of a run, the pressure can be rapidly reduced to its initial value for the next run.

كما يتم تجهيز العديد من أجهزة الكروماتوغرافيا بالتحكم الإلكتروني في ضغط الغاز الحامل. و تؤدي زيادة الضغط المدخل إلى زيادة تدفق الطور المتحرك وتقليل وقت الاستبقاء. و في بعض الحالات ، يمكن استخدام الضغط المبرمج بدلاً من درجة الحرارة المبرمجة لتقليل أوقات الاستبقاء بالمكونات المتأخرة التصفية. في نهاية العمل، يمكن تقليل الضغط بسرعة إلى قيمته الأولية للتشغيل التالي.

الغاز الحامل Carrier Gas

Helium is the most common carrier gas and is compatible with most detectors.

الهليوم هو الغاز الحامل الأكثر شيوعًا و المتوافق مع معظم أجهزة الكشف.

For a flame ionization detector, N₂ gives a lower detection limit than He. The fastest separations can be achieved with H₂ as carrier gas, and H₂ can be run much faster than its optimal velocity with little penalty in resolution.

بالنسبة لكاشف تأين اللهب ، يعطي N₂ حدود كشف أقل من He. و يمكن تحقيق أسرع عمليات الفصل باستخدام H₂ كغاز حامل ، ويمكن تشغيل H₂ بشكل أسرع بكثير من سرعته المثلى مع قليل من الخلل في الدقة.

The main reason H₂ was not used more often in the past is that concentrations >4 vol% in air are explosive and it is possible for H₂ to react with unsaturated compounds on metal surfaces.

السبب الرئيسي لعدم استخدام H₂ في كثير من الأحيان في السابق هو أن التركيزات أكبر من 4 ٪ حجما في الهواء قابلة للانفجار، كما أن هناك احتمالية للهيدروجين أن يتفاعل مع المركبات غير المشبعة على اسطح الفلزات.

H₂ and He give better resolution (smaller plate height) than N₂ at high flow rate because solutes diffuse more rapidly through H2 and He than through N₂.

يعطي H₂ و He دقة أفضل (ارتفاع الشريحة أو الطبقة يكون أصغر) مقارنة مع N₂ عند معدل تدفق مرتفع لأن المواد المذابة تنتشر بسرعة أكبر عبر _H2 و He مقارنة بـ N₂.

المصادر: