Gaz Kromatografisi ve Uygulamaları

1. Gaz Kromatografisi

 GC'nin analitik bir teknik olarak geliştirilmesine Martin ve Synge 1941 yılında öncülük etmişlerdir ve analitik amaçlar için gaz-sıvı ayırma kromatogramların kullanılmasını önerdiler.

Sıvı-sıvı ayırma kromatografisiyle uğraşırken, hareketli fazın bir sıvıya ihtiyaç duymayıp onun yerine buharın da olabileceğini öngördüler. İnert ve sürekli bir gazın, uçucu olmayan bir solvent ile emprenye edilen bir jel üzerinde aktığı sütun üzerindeki uçucu maddelerin yüksek saflıktaki ayrımları çok daha hızlı olur ve böylece kolonlar çok daha verimli olur ve ayırma süreleri çok daha kısa olur [1].

 Gaz kromatografisi kavramı, 1940'lı yılların başında öngörülmüş ancak ne yazık ki bu öneri çok az fark edilmiştir [1].

 Martin'in kendisi ve meslektaşı A. T. James, kavramı ilk kez gaz kromatografisini anlatan makalelerini yayınladığı 1951'de pratik gerçekliğe getirmek için şu işlemi gerçekleştirdi:

Teknik bir C1-C5 yağlı asit karışımındaki on iki bileşenini ayırarak ve nicel olarak belirleyerek göstermişlerdir [1].

 Bir karışımda gaz halinde bulunan veya kolayca buharlaştırılabilen bileşenlerin birbirinden ayrılması ve analiz edilmesi amacıyla kullanılan bir yöntemdir.

Ölçmenin kısa sürede ve çok duyarlı bir şekilde başarılması metodun üstünlüğünü ortaya koymaktadır [2].

Gaz kromatografisinde iki faz mevcuttur;

• Hareketli (stasyonel) faz: inert bir gaz
• Sabit (durgun) faz: katı veya sıvı

Sabit fazın yapısına göre gaz kromatografisi ikiye ayrılır;

• Sabit fazı katı olan gaz-katı kromatografisi (GSC)
• Sabit fazı sıvı olan gaz-sıvı kromatografisi (GLC)

Gaz-Katı Kromatografisi; adsorpsiyon olayına dayandığından elde edilen pikler kuyruklu olduğu için ayrılmaları güçleştirirler. Bu nedenle gaz-katı kromatografisi daha az kullanılır [2].

Gaz-Sıvı Kromatografisi ; bileşenler hareketli faz ile sabit faz arasındaki dağılma farklılıkları sayesinde ayrılırlar. Günümüzde bu yöntem daha sıklıkla kullanılmaktadır [2].

1. Gaz Kromatografisinin Avantajları ve Dezavantajları

1. Avantajları

• Hızlı nitel ve nicel analiz yapabilmesi,
• Etkili ve yüksek ayırma sağlaması,
• Basit ve ucuz olması,
• Kütle spektroskopisiyle ve numuneye göre belirlenen geniş bir dedektör ağıyla birlikte kullanılabilmesi,
• µL seviyesinde az miktarda örnek ile çalışabilmesi
• ppm ve ppb seviyesinde duyarlı ve kolay ölçüm yapabilmesi
• Güvenilir olması
• Sistemde herhangi bir solvente gerek duyulmamasıdır [2].

2. Gaz Kromatografisinin Dezavantajları

• Uçucu örneklerle çalışma zorunluluğu olması,
• Isıl olarak kararsız örnekler için uygun olmaması,
• Preparatif örneklerle çalışmanın zor olması,
• Kromatografik olarak ayrılan maddenin karakterizasyonu için başka spektroskopi yöntemleri gerektirmesidir [2].

Şekil 1. Gaz Kromatografisi Cihazı Şematik Gösterimi (http://quiz2.chem.arizona.edu/vip/weivippictures/gca.gif)

2. Gaz Kromatografisi Ekipmanları

1. Taşıyıcı Gaz

 Görevi; buharlaşmış maddeleri kolona taşımak ve numunenin kolon boyunca sürüklenmesini sağlamaktır [2].

• En fazla kullanılan taşıyıcı gazlar; Hidrojen, He, Ar, N2 ve CO2

Uygun bir taşıyıcı gaz;

• Ayrılacak bileşik ve durgun fazla reaksiyona girmemeli,
• Gaz difüzyonunu en düşük düzeyde tutabilmeli,
• Saf, inert ve kuru olmalı,
• Kolay bulunabilir ve ucuz olmalı,
• Kullanılan dedektörlere uygun olmalıdır [2].

2. Numune Enjeksiyon Sistemi

 Gaz kromatografisi cihazında gaz, sıvı ve katı örneklerin analizi yapılabilmektedir. Gaz kromatografisinde ayrılacak bileşikler kolon girişine bir seferde verilir. Gazlar gaz kaçırmayan şırınga veya özel gaz muslukları kullanılarak, sıvılar şırınga kullanılarak, katılar önce inert bir çözücüde çözülüp sonra şırınga kullanılarak sisteme verilir [2].

Şekil 2. Tipik bir enjeksiyon bölmesinin yapısı

(www.academia.edu/8063631/TEZ_SUNUM)

Sistem en uygun miktarda, hızlı ve tek seferde enjekte edilmesi dikkat edilmesi gereken en önemli noktadır [2].

Aksi takdirde elde edilen kromatogramdaki piklerde yarılma ve genişlemeler görülür [2].

3. Kolon Sistemi

• Sistemin en önemli kısmıdır.
• Ayırma işlemi burada gerçekleşir.
• Ayırma işleminin başarılı olması, büyük ölçüde uygun kolon seçimine bağlıdır [2].

    Kapiler Kolon                                                                           Dolgulu Kolon

                                                                          

Dolgulu	Kapiler
Uzunluk(metre)                                     0,5-10                                                 İç çap (mm)                                            2-4	5-100                                                                0,1-0,25

• Kolonlar, bakırdan, alüminyumdan, paslanmaz çelikten, camdan veya teflondan olabilir [2].

• Cam kolon en çok istenen kolondur ama kullanımı zordur [2].
• En çok kullanılan paslanmaz çelikten olan kolonlardır [2].
• Kolonların şekli, U-şeklinde veya spiral şeklinde olabilir [2].
• Kolon çapı küçüldükçe kolon verimi artar [2].

1. Dolgulu Kolonlar

Tipik olarak 1-8 mm iç çapında, 2-3 m boyunda, cam paslanmaz çelik veya teflondan yapılan 15 cm çapında bobin halinde borulardır.

Bu kolonlar, üzerine ince bir durgun sıvı fazı kaplanmış olan ince toz halindeki dolgu maddesi veya katı destek maddesi ile yoğun şekilde doldurulmuştur [2].

İdeal bir katı destek maddesi;

• Küçük, tekdüze ve iyi mekanik özelliklere sahip,
• En az 1 m2/g özgül yüzey alnına sahip parçacıklı,
• Yüksek sıcaklıklarda inert ve sıvı faz tarafından ıslatılabilmedir [2].

2. Kılcal Kolonlar

• Çeperi kaplı açık borusal kolonlar (WCOT) : Kolon duvarı, sıvı faz ile ince bir film halinde kaplanmıştır [2].

• Destek kaplı açık borusal kolonlar (SCOT) : Kolon duvarı, 30 µm kadar kalınlıkta diatome toprağıyla kaplanmıştır. SCOT kolonlarının ayırma verimi WCOT’lardan daha düşük, dolgulu kolonlardan daha yüksektir [2].

Kılcal Kolonların Dezavantajları:

• Dolgulu kolonlarda direkt enjeksiyon çok kolay olmasına rağmen kılcal kolonlarda bölücüye ihtiyaç vardır[2].

• Bölünme zorluğundan dolayı analizler kılcal kolonlarda, dolgulu kolonlara göre az doğruluk gösterir [2].

• Kılcal kolonlar pahalıdır. Buna rağmen ömrü dolgulu kolonlardan daha kısadır.
• İç çapları çok küçük olduğundan kolayca tıkanma olabilir [2].

• Maksimum uygulanabilir sıcaklıkları dolgulu kolonlardan daha düşüktür [2].

Kılcal Kolonların Avantajları:

• Kılcal kolonlarda ayırma gücü çok yüksektir. Hem hız hem de kolon verimliliği bakımından dolgulu kolonlardan çok üstündür [2].

• Çok kompleks karışımların ayrılmasında rahatlıkla kullanılabilir [2].

• Düşük sıcaklıkta hızlı analizi mümkündür [2].

• Pahalı sabit faza ihtiyaç duyulmamaktadır [2].

Durgun Sıvı Fazın Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri:

• Kimyaca inert olmalı,
• Kaynama noktası yüksek olmalı,
• Sıcaklığa dayanıklı olmalı,
• Çözücü karakteristikleri, kapasite faktörü ve seçicilik katsayısı ayrılacak türler için uygun aralıkta olmalıdır [2].

4. Dedektörler

 Bir GC detektörü , kolondan gelen taşıyıcı gaz içinde bulunan binde birkaç oranındaki yabancı bir gazı tespit eden  araçtır [2].

İdeal bir detektör;

• Yeterince duyarlı olmalı,
• Kararlılığı, tekrarlanabilirliği ve güvenilirliği yüksek olmalı,
• Numuneyi bozmamalı,
• Hızlı cevap verebilmeli,
• Oda sıcaklığından en az 400 °C ‘a ulaşan bir sıcaklık aralığına sahip olmalı,

Geniş bir konsantrasyon aralığında doğrusal olarak çalışabilmelidir [2].

 Bütün bu koşulların hepsini sağlayan ideal bir dedektör yoktur. Bu nedenle de gaz kromatografisinde kullanılan birçok dedektör vardır. Başlıca dedektör türleri şunlardır;

• Alev iyonlaştırmalı dedektörler (FID)
• Termal iletkenlik dedektörü (TCD)
• Termoiyonik dedektörler (TID)
• Elektron tutucu dedektörler (ECD)
• β-Işını dedektörleri
• Alev fotometrik dedektörler (FPD)

1. Termal iletkenlik Detektörleri

Çeşitli gazların ısıyı değişik oranlarda iletmesi esasına dayanır. Böyle dedektörlerde sabit bir akımla ısıtılmış volfram bir telden yararlanılır [2].

2. β-ışını Detektörleri

Stronsiyum ve ya tritiyum kullanılır. Taşıyıcı argon gazı bu maddeler üzerinden geçirilerek uyarılır. Uyarılan argon atomları çarpışma sonucu yanında bulunan başka cinsten atomları iyonlaştırır. İyonlaşan atomların yükü özel bir düzenekle sinyallere çevrilir. İyonlaşan atomların sayısı ne kadar çoksa, sinyaller o kadar büyük olur [2].

3. Alev iyonizasyon detektörleri (FID)

,

Kolondan gelen tür, birlikte hidrojen ve havayla karıştırılır. Bundan sonra hidrojenle ve hava karışımı elektrik kıvılcımı ile yakılır. Oluşan sıcaklıkta organik maddelerin büyük çoğunluğu iyon ve elektron verir. Böylece alev ortamı iletken hale gelir [2].

4. Termiyonik Detektörler (TID)

Alev iyonizasyon detektörlerinin yapısına benzer, kolondan çıkan gaz karışımı bir de hidrojenle karıştırılır ve ince uçlu bir bek alevine gönderilerek yakılır [2].

5. Elektron Yakalama Detektörleri (ECD)

Kolondan çıkan gaz karışımı nikel-63 veya tritiyum gibi bir β-ışını yayıcısı üzerinden geçirilir. Bu esnada özellikle de azot ihtiva eden bileşiklerde büyük oranda iyonlaşma olur [2].

6. Alev fotometrik Detektörleri (FPD)

Özellikle hava ve suda pestisitlerin tespit ve tayinlerinde kullanılır [2].

7. Kütle Spektrometre (MSD)

Bir GC/MS sisteminde ayırma boyunca, kütle spektrometresi sürekli olarak kütleleri tarar. Örnek kromatografi kolonundan çıktığında bir transfer hattından geçerek kütle spektrometrenin girişine gelir; burada bir elektron-darbe (impact) iyon kaynağı tarafından iyonlaştırılır ve fragmanlara ayrılır. Bu işlem sırasında örnek enerjili elektronlarla bombardıman edilir ve elektrostatik kuvvetler molekülün elektron kaybederek iyonlaşmasını sağlar. Bombardımanın ilerletilmesi iyonların fragmanlara dönüşmesine neden olur. Kütle analizörüne giren iyonlar burada m/z (kütle-yük oranı) değerlerine göre sıralanırlar. İyonların çoğu tek değerlidir [3].

Sistemde, kromatogram alıkonma zamanlarını belirler, kütle analizörü de piklerden, karışımda ne tür moleküllerin bulunduğunu saptar. Kullanımı en yaygın olan kütle analizörü, gaz anyon ve katyonların elektrik ve manyetik alan vasıtasıyla uzun süre tutulmasını sağlayan kuadrupol iyon-kapanı analizördür [3].

İyon kapanı analizöründe üç elektrot bulunur. Merkez elektrot halka; üst ve taban elektrotlar yarım küre şeklindedir. İyonizasyon ve kütle analizi aynı yerde gerçekleşir. Ayrılan iyonlar bir iyon dedektörüyle ölçülür; kullanımı en yaygın olan dedektör, sürekli dinod tip bir iyon dedektörü olan elektron multiplierlerdir [3].

5. Kaydedici

• Dedektöre ulaşan sinyalin, yani kromatogramın kağıt üzerine aktarıldığı kısımdır.
• Kaydedici olarak kullanılan alet duyarlı olmalı ve tekrarlanabilir kromatogram vermelidir [2].

3. Gaz Kromatografisi ile Analiz Edilebilen Maddeler

 Gaz kromatografinin geniş bir uygulama alanı vardır. Genel olarak molekül ağırlığı 400 akb’ den küçük maddeler için uygulanır. Bununla birlikte doymuş hidrokarbonlar bir istisna teşkil eder [2].

4. Gaz Kromatografisiyle Analiz Edilemeyen Maddeler

Buhar basıncı 1–2 torr’dan daha az ya da kolon sıcaklığında bozulan maddeler gaz kromatografisi için uygun değildir [2].

Örneğin polimerler ve proteinler için yüksek molekül ağırlıklı maddeler gaz kromatografisinde analiz için yeterli uçuculuğa sahip değildirler [2].

5. Gaz Kromatografisi Uygulamaları

 Gaz-sıvı kromatografisinde bir karışımda bulunan maddeler önce birbirinden ayrılır, ondan sonra ayrılan maddelerin tek tek kalitatif ve kantitatif tayinleri yapılır. Kalitatif tayinlerde maddelerin alıkonma zamanlarından ve alıkonma hacimlerinden yararlanılır. Elde edilen piklerin yüksekliğinden ve alanlarından yararlanılarak da kantitatif tayinleri yapılır [2].

1. Kalitatif Analiz

 Bir maddenin enjeksiyon anından kolonu terk etmesine kadar geçen süreye alıkonma zamanı denir. Bir gaz kromatografisi analiz sonucu elde edilen kromatogramdaki bileşenlerin alıkonma zamanlarına bakılarak kalitatif analiz yapılabilmektedir [4].

 Metodun değerini artırmak için şüphelenen bileşenin standardı ya alete enjekte edilerek alıkonma zamanı belirlenebilir ya da kolondan çıkan fraksiyonlar MS, IR gibi cihazlara gönderilerek tanımlanabilir [4].

 Hem cihaz hem de numune kapsamında aynı şartlar sağlandığında alıkonma zamanı aynıdır ve her madde için özeldir. Bundan yola çıkılarak maddenin olup olmadığını kalitatif olarak gözlemlenebilir [4].

 Harici standart metotla, referans standart (veya standartlar) numunedeki çözünen madde (veya çözünen maddeler) ile aynı olacak şekilde seçilebilir. Bu, yanıt faktörlerine olan ihtiyacı ortadan kaldırır. Buna ek olarak, dış standart (lar), numunenin bileşen (ler) e yakından benzer konsantrasyona (veya konsantrasyonlara) sahip olacak şekilde ayarlanabilir, dolayısıyla, hafif dedektörün doğrusal olmayan hafif oluşumundan kaynaklanabilecek hatalar önemli ölçüde azaltılır [4].

2. Kantitatif Analiz

  

 Gaz kromatografisi ile kantitatif analiz, elde edilen kromatogramdaki piklerin altında kalan alan veya pik yüksekliğinden yararlanılarak yapılır. Kullanılan kantitatif analiz metotları şunlardır:

[2].

1. Dış Standart Metot

 Dış standart yöntemde, referans olarak seçilen çözünen madde numuneden ayrı olarak kromatograflanmıştır. Bununla birlikte, iki kromatogramın sonuçları karşılaştırılabilmek için kromatografik koşulların son derece sabit tutulması gerekir [5].

 Çalışma koşullarındaki herhangi bir değişikliğin etkisini azaltmak için örnek ve referans çözeltileri dönüşümlü olarak kromatografiye tabi tutulabilir. Referans kromatogramlarından alınan veriler, numunenin öncesinde ve sonrasında her tahlilin sonuçlarının hesaplanması için kullanılır. Kalibrasyon grafiğinin başarısı standart çözeltilerin ortamının analit çözeltisinin ortamına benzemesine bağlıdır. Ortam hatasını gidermek için ya da azaltmak için girişim yapan maddenin veya analitin ortamdan ayrılması gerekir [5].

 Teorik olarak, eğer kromatografik koşullar sabit tutulursa, referans kromatogramın yalnızca günde bir kez çalıştırılması gerekir. Bununla birlikte, pratikte, referans kromatogram en az iki saatte bir olmalı ve birçok analist, her numuneden hemen önce ve sonra bir referans kromatogram çalıştırmalıdır [5].

2. İç Standart Yöntemi

 İç standart bir analizde belirli miktarda numuneye, tanık çözeltisine ve kalibrasyon standartlarına eklenen maddedir. Alternatif olarak iç standart; numune ve standart çözeltilerde derişimleri daha büyük ve bütün durumlarda aynı olduğu bilinen ana bileşen olabilir. Bu durumda kalibrasyon grafiği analit sinyalinin iç standart sinyaline oranı olarak grafiğe geçirilir. Yatay eksen yine analitin bilinen derişimini gösterir. Bu oran kullanılarak analit derişimi belirlenir [6].

 İç standart uygun seçilmişse, hem sistematik hem de rasgele hatalar giderilebilir. İç standart olarak genelde çok az rastlanan ve numunede bulunmadığı bilinen maddeler seçilir. Analit ile aynı yerde sinyal vermemelidir. Ancak kimyasal özellikleriyle analite benzemelidir [6].

 Örnek olarak kanda sodyum ve potasyum tayinlerinde lityum iyi bir iç standarttır. Çünkü kimyasal davranışı sodyum ve potasyuma benzemekle beraber kanda bulunmaz [6].

3. Standart Ekleme Yöntemi

 Genelde birkaç numune kromatografiye tabi tutulacaksa ve ortam etkisinin olduğu karmaşık numunelerin analizinde standart ekleme yöntemini kullanmak uygundur. İlk numune çözeltisine ilave yapılmaz analiz edilir ve kaydedilir. Ardından bilinen miktarda analit (ler) eklenir ve kromatogram aynı reaktifler, cihaz parametreleri ve prosedürleri kullanılarak tekrarlanır. Doğrunun X eksenini kesim noktasından numunedeki analit derişimi bulunur veya hesaplanır. Standart Ekleme Yöntemi kullanılır [7].

Doruk alan (veya tepe yüksekliği) artışı, orijinal konsantrasyon enterpolasyon ile hesaplanabilir. Dedektör cevabı, analit konsantrasyonunun doğrusal bir fonksiyonu olmalı ve analitin sıfır konsantrasyonunda hiçbir sinyal vermemelidir (arka plan dışında) [7].

 Herhangi bir matris interferant ile eklenen standardın dengelenmesine izin vermek için standartınmevcut analize eklenmesi arasında yeterli zaman geçmelidir [7].

6. Gaz Kromatografisi Uygulama Alanları Örnekleri

İzomerler dahil çok karmaşık örnekler bileşenlerine ayırabilmesi, hızlı sonuç alınabilmesi, az örnek gerektirmesi, nitel ve nicel olarak duyarlı sonuçlar vermesi nedeniyle;

• Biyokimya
• Petrokimya
• Farmakoloji
• Genetik
• Gıda
• Adli tıpta

En çok kullanılan yöntemlerden biridir [2].

1. Gıdaların Gaz Kromatografisi ile Analizi

Kimyasal maddelerin ayrımı,teşhis ve gözlenmesi gıda ve aroma sanayide üretimi düzenleme açısından son derece önemlidir. Potansiyel zehir olmaları nedeniyle, taze sebze ve meyvelerde koruyucu olarak kullanılan sülfit ajanları, gaz kromatografisi ile analiz edilebilmektedir [2].

2. Bitkisel ve Hayvansal Ürünlerde Pestisit Bakiyelerinin Analizi

 Hastalık ve zararlıları yok etmek ve kaliteli ürün elde etmek için kullanılan tarım ilaçları ürünlerde hasat anında veya tüketime arz edildiği anda ilaç bakiyesi bırakabilir. Bu bakiyelerin insan ve hayvan sağlığına zarar vermeyecek düzeyde olması gerekir. Sebzelerin bir kısmı meyvelerin tümü pişirilmeden hatta soyulmadan yenmesi bu pestisit kalıntılarının insan bünyesine geçebilmektedir. Bu pestisit kalıntıları gaz kromatografisi ile analiz edilebilmektedir [2].

3. Farmakolojik Ürünlerde Analiz

 İlaç sektöründe GC’nin yüksek bir önemi vardır. Bu bağlamda numunelerde safsızlık analizleri, kalıntı çözücü analizleri ve miktar tayini analizleri yapmak mümkündür. Özellikle ilaç üretim prosesi esnasında kullanılan uçucu maddelerin, son aşamada hala bulunup; bulunmadığının analizi önem arz etmektedir. (Kalıntı çözücü analizi.) En çok analizi yapılan maddeler ise etanol, aseton, benzen, toluen gibi uçucu maddelerdir.

7. Kaynakça

[1]http://www.chromacademy.com/lms/sco10/Theory_and_Instrumentation_Of_GC_Introduction.pdf, (E.T. 30.03.2017)

[2] - www.academia.edu/8063631/TEZ_SUNUM, (E.T. 30.03.2017)

[3] - http://www.bayar.edu.tr/besergil/3_kromatografi_dedektorleri.pdf, (E.T. 30.03.2017)

[4] - http://abs.mehmetakif.edu.tr/upload/_7332_gaz_kromatografisi_2.ppt, (E.T. 30.03.2017)

[5]http://www.chromatographyonline.org/quant/Quantitative%20Analytical%20Methods%20for%20GC%20and%20LC/Quantitative%20%20Analysis%20Using%20Reference%20Standards/The%20External%20Standard%20Method.php, (E.T. 30.03.2017)

[6] - http://w3.gazi.edu.tr/~mkaracan/enstrumental.pdf, (E.T. 30.03.2017)

[7] - http://chem-net.blogspot.com.tr/2013/10/gas-chromatography-quantitative analysis.html, (E.T. 30.03.2017)