Gaz kromatografisi cihazları çok çeşitlidir. Bunların
hepsinde 31Şekil-2’de görülen temel bölümler bulunur.
Taşıyıcı gazlar kimyasal olarak inert gazlardır, bunlar
helyum, azot ve hidrojen olabilir; en fazla kullanılan taşıyıcı gaz helyumdur.
Bu gazlar basınçlı tüplerde satılır. Cihaza gazın verilebilmesi için basınç
regülatörleri, göstergeler ve flowmetreler de gereklidir. Ayrıca, su veya diğer
safsızlıkların tutulması için, taşıyıcı gaz sisteminde bir moleküler elek
(sieve) de bulundurulur.
Akış hızları bir basınç regülatörü ile kontrol edilir. Giriş
basınçları 10-50 psi (oda basıncının üstünde) aralığındadır ve 25/50 ml/dak.lık
akış hızları sağlayabilir. Giriş basıncı sabit kalırsa akış hızının da sabit
olduğu kabul edilir. Akış hızları kolon girişindeki bir rotametre ile
saptanabilir; bu alet, kolonun sonuna bağlanmış olan basit bir sabun-köpüklü
flowmetre kadar hassas değildir.
Sabun-köpüklü flowmetrede kauçuk haznede sulu sabun veya
deterjan çözeltisi bulunur; hazne sıkıldığı zaman akan gazın yolu üzerinde bir
sabun filmi oluşur. Film, hareket eden gaz ile büret boyunca yukarı doğru
taşınır; filmin büret üzerindeki bir bölmeden, başka bir bölmeye (bu durumda
hacim bellidir) kadar taşınması süresince geçen zaman bir kronometre ile
saptanır. Buradan akış hızı bulunur.
Şekil-31:
Bir gaz kromatografisinin şematik diyagramı
Kolonun verimli çalışabilmesi için uygun miktardaki örneğin
gaz halinde verilebilmesi önemlidir; injeksiyonun yavaş yapılması veya
gereğinden fazla madde verilmesi band yayılmasına ve ayırmanın kötü olmasına
yol açar.
Gaz kromatografisinde örnek injeksiyonu örneğin yapısına
göre değişir. En iyi kolon performansının elde edilebilmesi için verilen
örneğin hacmi en düşük düzeyde tutulmalıdır. Rezolusyon kaybı ve band
genişlemesi olmaması için örneğin kolona girişi bir buhar ‘fişi (plug)’ gibi
olmalıdır.
Katı örnekler
çözeltiler halinde kullanılır, veya ince cidarlı bir tüp içinde kolona konulur
ve tüp dışardan kırılarak maddenin kolona girmesi sağlanır.
Sıvı Örnek
İnjeksiyonu, Mikroşırıngalar: Sıvı örnek injeksiyonunda kullanılan en
yaygın teknik mikroşırınga injeksiyonudur; örnek, kauçuk bir septumdan bir
buharlaştırıcıya injekte edilir. Buharlaştırmanın tam olması için örnek yolunun
sıcaklığı, örnekteki bileşenlerden kaynama nokta en düşük olandan 50 0C
daha yüksek olmalıdır. İnekte edilen miktar 0.1-10.0 mL arasında olabilir; injeksiyon hassasiyeti % ±1 kadardır. Normal
analitik kolonlar için 0.1-10 mikro litre kadar örnek yeterlidir. Kapiler
kolonlarda çok daha az miktarlarda (10-3 mikro litre gibi)
maddelerle çalışılır; bunun için injekte edilen örneğin küçük bir fraksiyonunu
bölerek kolona veren, kalanı dışarı atan bir örnek bölücü sistem (sample
splitter sistem) kullanılır.
Gaz Örneklerin
İnjeksiyonu: Bir şırınga ile sabit hacimde gaz injeksiyonu oldukça zordur;
bu tür işlemler gaz örnek alma valferi ile % ± 0.1 kadar hassasiyetle
yapılabilmektir. Gaz örnek valfleri elle, elektrikle veya pnömatik olarak
çalışabilir. Toplama şişelerindeki gaz önekler iletim valflerine bağlanır.
Örnek, sabit hacim örnek haznesi (loop) içinde genleşir, (taşıyıcı gaz akışı
kesilmez) ve iletim valfinin konumu değiştirilerek hazneden taşıycı gaz içine
injekte edilir. (Şekil-32a ve b)
Sandviç İnjeksiyon: Sandviç
injeksiyon yönteminde örnek, solvent, bileşikler ve hava kabarcığı içerir. Hava
kabarcığı, fırın ve bileşikler arasında engel oluşturarak injeksiyon
tamamlanmadan önce örnekte bulunabilecek uçucu bileşiklerin buharlaşmasını
önler. Solvent örneği ittirmek ister, fakat hava kabarcığı karışmayı engeller,
solventi iter. Gaz örnekler için gaz sızdırmaz şırıngalar gerekir. İnjeksiyon
hacmi 1-2 mL kadardır. (Şekil-32 c).
Gaz Kromatografisi
Giriş Tipleri: Kolon girişi, kolonun tepesine yerleştirilmiş olan ve
örneğin taşıyıcı gaz içine akmasını sağlayan bir donanımdır.
Kolon-Üstü Giriş
(On-column inlet): Bu yöntem, özellikle kaynama noktaları yüksek olan
bileşiklere uygulanan ve buharlaştırmaya dayalı olmayan bir tekniktir; örneğin,
petrol vaksları, trigliseridler, ve diğer termal olarak kararsız bileşikler için
uygundur. Analiz edilecek örnek, ısıtılmış metal duvarlarla temas ederek bozunmaması
için, doğrudan, sıcak bir cam kılıf yoluyla kolona verilir (Şekil-32d).
Split-Splitless
Injektör (Bölücülü-Bölücüsüz): Split-stlipless injektörler (Şekil-32e)
kapiler kolonlara konsantre örneklerin inkeksiyonunda kullanılan tekniklerdir.
Yöntemde örnek, ısıtılmış bir cam kılıf içine injekte edilerek buharlaştırılır.
Split injeksiyonda örneğin sadece %0.2-2 kadarı kolon
verilir; kalanı dışarı atılır. Split oranı 50/1-600/1 arasında değişir.
Genellikle konsantre örneklerde (analit miktarı > %0.1) uygulanır..
Örnekteki bileşikler 1 ng’dan daha az olduğunda, en iyi rezolusyon, 1 mL’den
daha az miktarlardaki numunelerle çalışıldığında elde edilir. Split sabit
olmadığından kantitatif uygulamalarda tercih edilmez.
Splitless Injeksiyonda kolona örneğin %80’i verilir. Analit
miktarının, örneğin %0.01’den küçük olduğu eser miktarların analizinde
uygulanan bir yöntemdir; ~2 mL gibi oldukça büyük bir miktar injekte edilir. Bu
sistemde bir karıştırma odacığı veya split venti bulunmaz. Injeksiyon sıcaklığı
düşüktür (solventin kaynama noktasından 40 0C daha aşağıda).
Splitless injeksiyonun performansı ”sovent kapanlama”
işlemiyle önemli derecede yükseltilebilir. Injeksiyon sırasında, kolonun
sıcaklığının başlangıçta düşük olması nedeniyle dar bir band içinde büyük hacim
tutulur. Kolon sıcaklığının yükseltilmesiyle kromatogrfi başlatılır. Soğuk
kapanlama dar bandtaki solutları yoğunlaştırr. Tercih edilen kapanlama
sıcaklığının, kromatogramı alınacak bileşiklerin kaynama noktalarından 150 0C
daha düşük olması gerekir.
Sıcaklık Programlı
Buharlaştırma İnjeksiyon (PVT): PVT, hassasiyeti artırmak amacıyla büyük
miktarlarda (250µL’ye kadar) örneklerle çalışmaya olanak veren bir tekniktir. Yöntemde
örnek, kontrol edilen bir hızla kılıfa injekte edilir. Kılıfın sıcaklığı
solventin kaynama noktasının altında tutulur. PVT, kaynama aralıkları geniş
olan örnekler için uygun birinjeksiyon yöntemidir.
Pörc ve Kapan: Pörc
ve kapanlama, sıvılardan ve katılardan uçucu bileşikleri ayırma, konsantre hale
getirme ve gaz kromatografisine injekte edilmeye hazırlama işlemidir.
(Şekil-32f)
Bir çözeltiye inert bir gaz gönderildiğinde çözeltideki
uçucu bileşikler kabarcıklar halinde sistemden uzaklaşır. Pörc ve kapan
sisteminde uçucu bileşiklerin bu özelliğinden yararlanılır; inert gaz akımıyla
çözeltiden ayrılan uçucular adsorblayıcı bir kapana verilerek tutulur, sonra
kapanın ısıtılmasıyla tekrar serbest hale geçirilir ve taşıyıcı gaz akımına
gönderilir. Bir ön-konsantrasyon artırma veya saflaştırmaya gerek duyulan
örnekler için bu sistem, bir splitt/splitless port ile beraber kullanılır.
Şekil-32:
Gaz örnekler için bir örnek alma valfı; (a) örnek yüklenmesi ve (b) örnek injeksiyonu, (c)
bir sandviç injeksiyon portu, (d) kolon-üstü giriş injeksiyon sistemi, (e) bir
açık tabular kolon içine split injeksiyon sistemii, (f) bir pörc ve kapan
sistemi
Gaz-sıvı kromatografisinde iki tip kolon kullanılır. Bunlardan birisi, kapiler tüpten (0.3-0.5 mm iç çap) yapılmış ve içi 1 mikro litre kadar kalınlıkta sıvı ile kaplanmış kolonlardır. Kapiler kolonlardaki basınç düşüşü ihmal edilebilir düzeyde olduğundan bu tip kolonlar çok uzundur (10-100 m veya daha fazla); VS/VM oranı (denklem 12) 100-300 arasındadır ve bu nedenle yüksek verim alınır. Teorik tepsi sayısı birkaç yüz bin olan kolonlar hazırlanabilir. Bu kolonların örnek alma kapasiteleri çok düşüktür (< 0.01 mikro litre). Kapiler kolonların kapasitesi, tüpün içini grafit, metal oksit veya silika gibi poröz bir madde ile kaplayarak artırılabilir. Böylece yüzey alanı artırılarak tüpte kalan örnek miktarı ve dolayısıyla kolonun kapasitesi de artırılmış olur.
Dolgulu kolonlar iç çapı 1-8 mm aralığındaki cam veya metal
tüplerden yapılır; uzunlukları 2-20 m olabilir. Bunlar katlanmış veya sarımlar
şeklindedir, böylece termostat içine sığabilecek boyutlara getirilmişlerdir. VS/VM
oranları 15-20 arasındadır ve her foot'da 100-1000 teorik tepsi bulunur. En iyi
dolgulu kolondaki teorik tepsi sayısı 20000 veya daha fazladır.
Dolgulu Kolonlar İçin
Katı Destek Malzemeleri: İdeal bir katı destek malzemesi küçük, muntazam ve
küresel taneciklerden oluşur, mekanik kuvveti iyidir ve spesifik yüzey
alanı en az 1 m2/g dır.
Yüksek sıcaklıklarda inert durumumu korur ve sıvı faz ile düzgün bir kaplama
oluşturacak şekilde ıslanır. Tüm bu gereksinimleri karşılayacak bir maddenin
bulunması oldukça zordur hatta olanaksızdır.
Şekil-33:
Dolgulu ve tabular kolon tipleri
Diatome topraklarından hazırlanan çok iyi destek malzemeleri
vardır. Bunlardan Chromosorb P, C22, ve Sterchamol adı ile satılan "ateş
tuğlası" tipleri çok dayanıklıdırlar ve spesifik yüzey alanları da oldukça
büyüktür (~ 4 m2/g); ancak bu malzemeler fazlaca aktiftirler ve
polar bileşiklerle kullanılamazlar. Diğer bir tip destek malzemesi
kizelguhr'dur. Bu madde çok kırılgandır ve spesifik yüzey alanı daha küçüktür
(~1 m2/g), ancak aktivitesi daha azdır; Chromosorb W, Celite, Embacel
ve Celaton adları ile satılır.
Sıvı Faz: Bir
gaz-sıvı kromatografisi kolonundaki akıcı olmayan sıvı fazın uçuculuğunun
düşük, ısısal kararlılığının yüksek, inert, ve özel bir çözgen olması istenir.
(1) Düşük uçuculuk; sıvının kaynama noktası kolonun kullanıldığı sıcaklıktan en
az 200 0C daha yüksek olmalıdır. (2) Isısal kararlılık; sıvı uzun
kullanım sürelerinde bozunmamalı, ısıya dayanıklı olmalıdır. (3) İnertlik; sıvı
kimyasal olarak inert olmalı, kolondan geçen örnek ve taşıyıcı ile reaksiyon
vermemelidir. (4) Seçicilik (a) ve
kapasite (k’) faktörleri gibi çözgen özellikleri uygun sınırlar içinde
olmalıdır.
Hiç bir sıvı bu gereksinimlerin tümünü, özellikle de
sonuncusunu karşılayamaz; çeşitli kolonlarla çalışmalar yapılıp aralarından en
uygun olanını seçilir.
Kolon Hazırlanması: Önce
kolon destek malzemesi elenerek tanecik dağılımı daraltılır. Bu malzeme, içinde
hesaplanmış miktarda sabit faz sıvısı içeren uçucu bir çözgenle karıştırılarak
çamur haline getirilir. Sıvı sabit fazın miktarı her bir tanecik üzerinde 5-10 mmetre kalınlığında ince bir kaplama
oluşturabilecek şekilde hesaplanır; çözgen buharlaştırılır; tanecikler kuru
görünümlü ve akışkan haldedir.
Kolonlar camdan, paslanmaz çelikten, bakırdan, veya
aluminyumdan yapılır. Sabit sıvı faz ile kaplanmış katı tanecikler düz çubuk
şeklindeki kolona akıtarak doldurulur. Düzgün bir dolgu olması için kolona
dışardan hafifçe vurulur veya sallanır. Katı tanecikler arasında kanallar
oluşmamasına dikkat edilmemelidir. Doldurulan kolon bükülür veya uygun bir
sarım şekline getirilerek fırının içine konur (Şekil-31). İyi hazırlanmış bir
kolonla bir kaç yüz analiz yapılabilir. Çok çeşitli hazır kolonlar vardır.
Şekil-34:
Gaz kromatogramlarda sıcaklığın etkisi; (a) 45 0C ‘de izotermal, (b) 145 0C ‘de izotermal, (c)
30-180 0C
arasında, programlanmış
Kolon Sıcaklığının
Kontrolü: Kolon sıcaklığı çok önemli bir değişkendir ve hassas bir
çalışmada 1 derecenin onda birkaç değerine kadar kontrol edilebilmelidir.
Kolon, normal olarak, termostatik bir etüv içinde bulundurulur. Optimum kolon
sıcaklığı örneğin kaynama noktasına ve istenilen ayırmanın derecesine bağlıdır.
Sıcaklığın, örneğin ortalama kaynama noktasına eşit veya biraz yüksek olması
sıyırma süresini önemli derecede değiştirir. Kaynama aralığı geniş olan örneklerde
programlı sıcaklık uygulaması önerilir. Böyle bir çalışmada kolon sıcaklığı
ayırma işlemi ile paralel olarak artar; artış sürekli veya kademeler
şeklindedir. Şekil-34(c)'de sıcaklık programlamasıyla bir kromatogramın nasıl
düzeldiği görülmektedir.
Optimum resolüsyona çoğunlukla düşük sıcaklıklarda ulaşılır.
Sıcaklığın düşmesi sıyırma süresinin uzamasına ve dolaysıyla analiz zamanının
artmasına yol açar. Şekil-34(a) ve 34(b)'de bu durum açıkça görülmektedir.
Gaz-sıvı kromatografisi algılama sistemleri, kolondan çıkan
maddeleri süratle ve hassasiyetle algılayabilmelidir. Herhangi bir anda,
taşıyıcı gazdaki madde konsantrasyonu sadece binde birkaç seviyesindedir ve
dedektör bunun çok altındaki değerleri algılayabilecek kapasitede olmalıdır.
Ayrıca bir pikin dedektörü geçtiği süre 1 sn veya daha kısa bir zaman aralığı
olduğundan, dedektör kısa bir periyot içinde tüm algılama gücünü
gösterebilmelidir.
Dedektörün doğrusal ve muntazam algılamalar yapabilmesi ve
uzun süre kararlılığını koruyabilmesi istenir. Tek bir dedektör bu özelliklerin
hepsini birden karşılayamaz. Burada en çok kullanılan dedektör tipleri
görülecektir.
Isıl İletkenlik
(Thermal Conductivity) Dedektörleri: Kullanım alanı geniş olan bu yöntemde,
gaz akımındaki ısısal iletkenliğin değişmesi algılanır; bu amaçla kullanılan
cihaza bazan "katharometre" denir. Cihazın hassas elementi elektrikle
ısıtılan bir kaynaktır; kaynağın sıcaklığı, sabit elektrik gücünde, etrafındaki
gazın ısıl iletkenliği ile değişir. Bu element ince bir PT tungsten tel veya
yarı iletken bir termistördür. Tel veya termistörün direnci gazın ısıl
iletkeiğinin bir ölçüsüdür; tel dedektörün sıcaklık katsayısı pozitif,
termistörünki negatiftir.
Kromatografide en çok çift dedektör kullanılır; bunlar örnek
injeksiyon odacığının önündeki gaz akımı içine ve kolon çıkışına konarak
taşıyıcı gazın ısıl iletkenliği yok edilir; akış hızı, basınç ve elektrik gücündeki
değişiklerin etkisi de en aza indirilir. Dedektörlerin dirençleri, bir
Wheatstone köprüsünün ki kolu üzerinde birleştirilerek kıyaslanır (Şekil-35a ve
b).
Hidrojen ve helyumun ısıl iletkenlikleri, pek çok organik
maddeye göre 6-10 kat daha fazladır. Bu nedenle çok az miktarlardaki organik
maddeler bile kolon akışındaki ısıl iletkenliği önemli derecede düşürür. Azot
ve karbon dioksidin iletkenlikleri organik maddelerinkine yakındır; bu nedenle
taşıyıcı gaz azot veya karbon dioksit ise ısıl iletkenlik yöntemi hassasiyetini
kaybeder.
Isıl iletkenlik dedektörleri basit, kaba ve ucuzdur. Bunlar
diğer bazı dedektörler kadar hassas değildir.
Alev İyonizasyon
Dedektörleri: Pek çok organik bileşik bir hidrojen/hava alevinde piroliz
edildiğinde, bazı ara ürünler verirler; bu reaksiyonlar alevden elektrik
taşınmasına yol açarlar. Şekil-35(c)'de görülen bir sistemle iyonlar toplanarak
oluşturuldukları iyon akımı ölçülebilir. Bir alevin elektrik direnci çok
yüksektir (1012 ohm gibi) ve meydana gelen akım da önemsizdir; bu
akım ancak bir elektrometre ile ölçülebilir.
Karbon bileşiklerinin alevdeki iyonizasyonu çok iyi
anlaşılamamıştır; ancak oluşan iyon sayısının (kabaca) alevde indirgenen karbon
atomlarının sayısı ile orantılı olduğu bilinir. Karbonil, alkol, ve amin gibi
fonksiyonel gruplar çok az iyonlaşırlar veya hiç iyon vermezler.
Hidrojen alev dedektörleri çok kullanılan, çok hassas
dedektörlerdir. Isıl iletkenlik dedektörlerine kıyasla daha karmaşık ve daha
pahalıdır. Bunların doğrusal algılama aralığı daha geniştir.
Nitrojen-Fosfor
Dedektörü (NPD): Nitrojen-fosfor dedektörü (bazen termiyonik dedektör de
denir), alev iyonizasyon dedektörüne benzeyen, fakat tamamen farklı prensiplere
göre çalışan çok hassas özel seçici bir dedektördür; 10-12 g/ml
fosfor ve 10-11 g/ml nitrojeni ölçebilir. Bir fosfor atomuna karşı,
bir azot atomundan 10 kat, bir karbon atomundan da 104 –106
kat daha fazla respons verir. Bu özellikler NPD’yi özellikle fosforlu
pestisidlerin tanımlanması ve tayin edilmesinde çok önemli kılar.
Bir NPD yapı olarak alev iyonizasyon dedektörüne benzer;
farklılık, hidrojen jetine yakın bir mesafede yerleştirilmiş, içinde ısıtıcı
bir sarım olan bir ribüdyum veya sezyum klorür taneciktir; taneciğin bulunduğu
yerde, H2 ve taşıyıcı gaz N2 karışır.
Şekil-35:
Çeşitli dedektör sistemler; (a) bir ısıl iletkenlik dedektörü ve kaydedici
sistem, (b) bir ısıl iletkenlik dedektörü, (c) alev iyonizasyon dedektörü, (d)
nitrojen-fosfor dedektörü, (e) elektron yakalama dedektörü şematik diyagramları
Dedektör hem nitrojen ve hem de fosforun algılanması için
kullanıldığında hidrojen akımı en düşük düzeyde tutulmalıdır; bu durumda jette
gaz yanmaz. Dedektörün sadece fosforu algılanması istendiğinde daha fala hidrojen
verilir ve karışım jette yanar. Isıtılan alkali tanecik, termiyonik emisyonla
elektronlar emitler (yayar), bunlar anotta toplanır ve elektrot sisteminde arka
plan akımını yaratırlar.
Nitrojen veya fosfor içeren bir örnekle çalışıldığında
kısmen yanmış nitrojen ve fosforlu maddeler taneciğin yüzeyinde adsorblanır.
Adsorblanmış madde yüzeyin iş-fonksiyonu düşürür, bunun sonucu olarak elektron
emisyonu artar ve anotta toplanan akım yükselir. (Şekl-35d)
Elektron-Yakalama
Dedektörleri: Elektron-yakalama dedektörleri, X-ışınları ölçümüne benzer
şekilde çalışırlar. Kolondan çıkan akım, nikel-63 veya platin (veya titan)
sarım üzerinde adsorblanmış trityum gibi bir beta-vericiden geçirilir.
Vericiden gelen bir elektron, taşıyıcı gazı (çoğunlukla azot) iyonlaştırır ve
bir elektron çıkarır. Ortamda organik madde yoksa bu iyonizasyon sonunda sabit
bir akım görülür. Organik madde bulunması durumunda ise elektronlar madde
tarafından yakalanacağından akım düşer.
Elektron-yakalama dedektörü halojenler, peroksidler,
kinonlar, ve nitro grupları gibi elektronegatif fonksiyonel gruplara karşı çok
hassastır. Aminler, alkoller, ve hidrokarbonlara karşı hassasiyetleri düşüktür.
Bu dedektörler en çok klorlu tarım ilaçlarının analizlerinde kullanılır.
(Şekil35e)
