Gaz kromatografisinin temel
bölümlerini gösteren
şematik bir diyagram
Gaz kromatografisinde, buharlaştırılan örnekteki maddeler,
bir kolon içindeki sabit faz ile hareketli bir gaz fazı arasında dağılarak
birbirinden ayrılırlar. Gaz-katı kromatografisinde sabit faz katı bir maddedir;
bu nedenle de dağılma işlemi gaz adsorbsiyon dengesine göre olur. Gaz-sıvı
kromatografisinde (GLC) sabit faz, inert bir katı destek üzerinde tutturulmuş
bir sıvıdır; burada gaz-sıvı dengesi önemlidir.
Gaz-katı kromatografisinde sıyırıcıya ait kuyruk pikler oluştuğundan uygulamada bazı sınırlamalar vardır. Bu pikler adsorbsiyon izotermlerinin doğrusal olmayan özelliklerinden kaynaklanır. Ayrıca aktif gazların sabit faz üzerinde kalış süreleri kararlı değidir. Bu tip dezavantajlar, gaz-sıvı kromatografisinin geliştirilmesine yol açmış ve son yirmi yılda bu konuda önemli ilerlemeler olmuştur. Son yıllarda çıkarılan HPLC yöntemi ile gaz-sıvı kromatografisi uygulamalarının çoğu daha hassas ve verimli bir şekilde yapılabilir hale gelmiştir.
TC kolon sıcaklığı (K olarak), T sabun köpüklü
akış metredeki gazın sıcaklığı, P kolon sonundaki basınç ve PH2O
suyun buhar basıncıdır. P ve T, normal olarak, odanın basıncı ve sıcaklığıdır.
Bir maddenin alıkonma hacmi VR ise,
J değeri denklem (3)'den çıkarılır.
Bu terimlere göre öz alıkonma hacmi tekrar tarif edilebilir.
Burada W hareketli
fazın ağırlığıdır.
Sabit fazdaki sıvının yoğunluğu PS ,
elde edilir.
A analitinin bulunduğu bir örneğe B iç standartı ilave
edilerek a parametresi bulunur. A ve B
kimyasal olarak biribirinin benzeri maddeler olduğundan a kolon değişkenlerinden etkilenmez. A ve B'nin pikleri birbiri
üzerine düşmemeli ve her ikisi de birbiriyle ve hareketli fazla uyumlu
olmalıdır. Seçicilik faktörünün, sadece (tR)A , (tR)B
ve tM ölçümlerinden bulunabilme gibi bir avantajı vardır.
t’R, her madde için düzeltilmiş alıkonma
zamanıdır ve t’R = (tR - tM) ye eşittir. X
analiti, n ve (n+1) karbon sayısına gören-parafinleri belirtir. Hidrokarbonlar,
alıkonma süreleri analitin alıkonma süresini içine alacak şekilde seçilir.
Alıkonma indeksi için geniş bir kaynama aralığını kapsayan
referans maddeler bulunması önemli bir avantajdır. Ayrıca alıkonma indeksinin
sıcaklığa bağımlılığı çok azdır. Polar ve polar olmayan sabit fazlar arasındaki
alıkonma indeksleri arasındaki fark (DI),
sabit fazların izafi polaritelerinin de bir ölçüsüdür.
Gaz-katı kromatografisinde sıyırıcıya ait kuyruk pikler oluştuğundan uygulamada bazı sınırlamalar vardır. Bu pikler adsorbsiyon izotermlerinin doğrusal olmayan özelliklerinden kaynaklanır. Ayrıca aktif gazların sabit faz üzerinde kalış süreleri kararlı değidir. Bu tip dezavantajlar, gaz-sıvı kromatografisinin geliştirilmesine yol açmış ve son yirmi yılda bu konuda önemli ilerlemeler olmuştur. Son yıllarda çıkarılan HPLC yöntemi ile gaz-sıvı kromatografisi uygulamalarının çoğu daha hassas ve verimli bir şekilde yapılabilir hale gelmiştir.
Gaz-sıvı
kromatografisinin sıvı-sıvı kromatografisinden farkı hareketli fazın bir
sıvı yerine bir gaz olmasıdır. Örnek kolonun tepesinden gaz halinde verilir.
Örnekte bulunan maddelerin sabit sıvı fazdaki çözünürlükleri farklıdır ve denge
kanununa göre gaz fazı ile sabit sıvı faz arasında dağılırlar. Sıyırma, azot
veya helyum gibi inert bir taşıyıcı gaz ile yapılır; inert gaz basınçla
kolondan akar. Kolon boyunca hareket eden maddelerin hareket hızı, onların sıvı
fazdaki çözünürlüklerine bağlıdır. Sıvı fazdaki çözünürlüğü düşük olan
maddelerin kolondaki ilerleme hızları da düşüktür; ayrıca akışkanlıkları az
olan maddelerin hareketleri de yavaş olur. En ideal hal, maddeler arasında
çan-eğrisi (Gaussian) veren sıyırma eğrileri ile elde edilir.
Öz (Spesifik)
Alıkonma Hacmi
Bir maddenin öz alıkonma hacmi Vg , maddenin ve
sabit fazın yapısına bağlı olan fakat kolon değişkenlerine bağlı olmayan bir
parametredir. Vg, kolaylıkla elde edilebilen deneysel verilerden
bulunur ve kalitatif analizlerde kullanılır.
Bir maddenin öz alıkonma hacmini bulmak için kolon içindeki
ortalama akış hızı F bilinmelidir. Kolonun sonundaki akış hızı Fm
bir sabun köpüklü akış ölçer ile saptanabilir; F, aşağıdaki eşitlikle verilir.
VR = tR F
ifadesiyle tanımlanır. tR maddenin alıkonma
zamanıdır. Kolonda kalmayan bir madde (hava gibi) için,
VM = tM F
yazılabilir. tM bu maddenin kolondan çıkma
zamanını gösterir. VR ve VM kolon içindeki ortalama
basınca bağlıdır; bu basınç giriş basıncı Pi ile çıkış basıncı P
(atmosfer basıncı) arasında bir değerdedir. V0R ve V0M düzeltilmiş
alıkonma zamanlarını gösterir ve ortalama kolon basıncındaki hacimlerdir;
bunlar aşağıdaki eşitliklerle bulunur.
Vg ve K Arasındaki
İlişki
Vg ile dağıtma katsayısı K arasındaki ilişki
bilinmelidir. Bunu çıkarabilmek için tR ve tM 'nin k’ ile
ilişkili tanımları denklem(4)'de yerine konur. tR, tM ve
k’ arasında aşağıdaki gibi bir bağlantı vardır.
273 K deki Vg , maddenin dağılma katsayısına ve
sabit fazı oluşturan sıvının yoğunluğuna bağlıdır. Vg , tayin
edilecek madde için önemli bir parametredir.
Hareketli-Fazın Akış
Hızına Etkisi
Boylamasına difüzyon terimi (B/u) gaz-sıvı
kromatografisinde, diğer kromatografik işlemlere göre daha önemlidir, çünkü
gazlardaki difüzyon hızları çok büyüktür (sıvılardan 104 kat fazla).
Bu nedenle B/u nun bir kolonun tepsi yüksekliğine (H) katkısı da, gaz
kromatografisinde daha fazla olur. Şekil-1'de tanecik büyüklüğünün tepsi
yüksekliğine etkisi gösterilmiştir.
Şekil-1: Tanecik büyüklüğünün tepsi
yüksekliğine etkisi (sağ taraftaki değerler tanecik çaplarını gösterir)
CİHAZ
Taşıyıcı Gaz
Verilmesi
Taşıyıcı gazlar kimyasal olarak inert gazlardır, bunlar helium
(He), azot (N2) ve hidrojendir (H2).
Helyum çok kllanılan taşıyıcı gazdır, pek çok dedektörle
uyum sağlar. Rezolusyonu çok iyidir (küçük tepsi yükseklikleri), bileşikler
kolaylıkla düfüzlenir. Azot gazının rezolusyonu e solut difüzyonu düşüktür,alev
iyonizasyon dedektöre karşı hassasiyeti azdır. Hidrojenin ayırması çok
hızlıdır. Metal yüzeylerde doymamış bileşiklerle katalitik reaksiyon verir.
Kütle spektrometreyle kullanılamaz. Havayla patlayıcı karışım yapar.
Rezolusyonu çok iyidir, solut difüzyonu hızlıdır.
Şekil-2: Tipik taşıyıcı gazlar; Azot
(N2), helyum (He), hidrojen (H2). Akış hızı: N2
< He < H2, difüzyon katsayısı: H2 > He > N2
Taşıyıcı gazlar basınçlı tüplerde sağlanır. 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.
Örnek İnjeksiyonu
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-3: Gaz örnekler için bir örnek
alma valfı; (a) Örnek yüklenmesi ,(b)
örnek injeksiyonu
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-4: Sandviç injeksiyon port
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-5).
Şekil-5: Kolon-üstü giriş injeksiyon işlemi
Şekil-6: Bir açık tabular kolon
içine (a) split, ve (b) splitless, injeksiyon işlemleri
Şekil-7: Splitless injeksiyon ile
çizilen bir kromatogram; (a)solvent içeren örnek, (b) solvent kapanlanmadan
geçirilmiş örnek
Split-Splitless
Injektör (Bölücülü-Bölücüsüz)
Split-stlipless injektörler (Şekil-6) 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-8)
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-8: Pörc ve kapan
Kolonlar
Gaz-sıvı kromatografisinde iki tip kolon kullanılır: Açık
boru (tabular) veya kapiler kolonlar ve Dolgulu (packed) kolonlar (Şekil-9)
Kapiler kolonlar, 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.
Şekil-9: Dolgulu ve tabular kolon
tipleri
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.
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.
Şekil-10: Gaz kromatogramlarda
sıcaklığın etkisi; (a) 45 0C ‘de izotermal, (b) 145 0C
‘de izotermal, (c) 30-180 0C arasında, programlanmış
Optimum resolüsyona çoğunlukla düşük sıcaklıklarda ulaşılır.
Sıcaklığın düşmesi sıyırma süresinin uzamasına ve dolaysıyla analiz zamanının
artmasına yol açar. Şekil-10a ve 10b'de bu durum açıkca görülmektedir.
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. İyi hazırlanmış bir kolonla bir
kaç yüz analiz yapılabilir.
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-10c'de sıcaklık programlamasıyla bir kromatogramın nasıl
düzeldiği görülmektedir.
Dedektörler
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-11).
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.
Şekil-11: Isıl iletkenlik dedektörü
şematik görünümü
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-12'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.
Şekil-12: Bir alev-iyonizasyon
dedektörü
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.
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.
Şekil-13: Nitrojen-fosfor dedektörü
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.
Şekil-14: Elektron yakalama
dedektörü (Ref. Kromatografi Dedektörleri)
GAZ-SIVI
KROMATOGRAFİSİ UYGULAMALARI
Gaz-sıvı kromatografisi kimyasal sorunlardaki iki önemli
rolü ile değerlendirilebilir. Birincisi ayırma işlemlerinde
kullanılabilmesidir; ancak, karmaşık yapılı organik, metal-organik, ve
biyokimyasal sistemlerde başarılı değildir. İkinci rolü, bir analizin tam
olarak yapılabilmesidir. Alıkonma zamanları veya hacimleri kalitatif tanımlamalarda
kullanırken, pik yükseklikleri veya alanları da kantitatif tayine olanak verir.
Analitik bakımdan gaz-sıvı kromatografisi, bu bölümde
görülen diğer bazı kromatografik yöntemlere kıyasla daha sınırlı bir uygulama
alanına sahiptir. Bu nedenle gaz-sıvı kromatografisi cihazının, kütle,
ultraviyole, infrared ve NMR spektrometreler gibi daha üstün cihazlarla bir
arada (birbirine bağlanarak) kullanılması tercih edilmektedir.
Sabit Sıvı Fazın Seçimi
Gaz-sıvı kromatografisinde kullanılabilecek yüzlerce sıvı
vardır. Benzer maddelerin bu yöntemle ayrılabilmesi için uygun bir sıvı seçimi
yapılmalıdır.
Bir maddenin alıkonma zamanı doğrudan doğruya onun dağılma
katsayısına bağlıdır, bu da sabit fazın yapısıyla ilişkilidir. Gaz-sıvı
kromatografisindeki sabit sıvı fazın örnekteki maddeler arasında farklı dağılma
katsayısı yaratması gerekir. Ayrıca, bu katsayının çok küçük veya çok büyük
olmaması da önemlidir. Dağılma katsayısı küçük olan maddeler kolondan çok hızlı
çıkarlar ve yeterli ayırma olmaz. Dağılma katsayısının gereğinden büyük olması
durumunda ise maddenin kolondan çıkması için gerekli zaman çok uzar.
Kolon içinde yeterli bir alıkonma zamanı, maddenin sabit faz
ile bir dereceye kadar uyumlu (çözünebilir) olmasıyla sağlanır. Bu ise madde
ile sabit fazın polaritelerinin kısmen benzer olmalarını gerektirir. Örneğin,
hidrokarbonlar veya eterler gibi polar olmayan bir homolog seri, squalane
(yüksek molekül ağırlıklı bir doğmuş hidrokarbon) gibi bir sabit sıvı faz ile
birbirinden ayrılabilir. Diğer yandan, alkoller ve aminler, polietilen glikol
gibi daha polar bir sıvı ile çalışılır. Aromatik hidrokarbonlar için ise
benzildifenil sabit sıvı fazı uygundur.
Polariteleri birbirine benzeyen maddeler çoğunlukla, kaynama
noktası sırasına göre ayrılırlar; kaynama noktası farkı artıkça ayrılma daha
iyi olur. Kaynama noktaları birbirine yakın, fakat polariteleri farklı olan
maddelerin ayrılması için, sabit sıvı fazın maddelerden birini (veya daha
fazlasını) dipol etkisiyle veya katılma ile tutması gerekir. Bu etkilerden
bazıları Tablo-1'de verilmiştir. Burada parafinik ve olefinik bir seri maddenin
alıkonma zamanları (etana göre) üç ayrı sıvı faz için kıyaslanmıştır. Birinci
sıvı faz triisobütilendir ve polar değildir; diğer ikisi polar sıvılardır.
Asetonil aseton, ayrıca, özel olefinlerle zayıf katılma reaksiyonları veren
gümüş nitrat içerir. Trisobütiledeki alıkonma zamanları, maddelerin kaynama noktaları
ile uyumluluk gösterir ve kaynama noktaları birbirine yakın olan maddeler için
aynı değerlerdir; ayrılma olmamıştır veya çok zayıftır. Asetonil aseton ise
orta derecede polar bir maddedir ve olefinlerde tesirle polarizasyon yapar;
maddelerin alıkonma zamanları birbirinden farklı olur. Polarize olamayan
parafinlerin alıkonma zamanları polar çözgende polar olmayan çözgendekine
kıyasla daha küçüktür. Olefinler ve gümüş nitrat arasında seçici olarak katılma
reaksiyonu olması da iyi bir ayırma sağlar; örneğin, isobüten ve büten-1 ilk
iki kolonda biribirinden ayrılamadığı halde üçüncü kolonda ayrılmışlardır. Cis-
ve trans-büten-2’de ayni kolonda daha iyi ayrılma göstermişlerdir.
Seçicilik yapan diğer önemli bir etki de hidrojen bağı
oluşmasıdır. Böyle bir bağlanma için maddenin polar bir hidrojen atomu,
solventin de bir elektronegatif grup (oksijen, fluor veya azot) içermesi
gerekir (veya tersi).
Tablo-1: Hidrokarbonların Çeşitli Sabit
Sıvılarla Ayrılması
Sıvılarla Ayrılması
Bir grup maddenin bulunduğu bir örneğin analizi için gerekli
sabit fazın saptanmasında çeşitli yöntemler uygulanır. Bunlardan birinde, sabit
fazlardaki benzen, etanol, metiletil keton, nitrometan, ve pridinin alıkonma
indisleri, aynı solventlerin squalane üzerinde gösterdiği alıkonma indisleri
ile kıyaslanır.
Sonuçta elde edilen verilerle, sabit fazlar sınıflandırılır.
Yine de bir ayırma işleminde kullanılacak sabit fazlar arasında deneme ile en
uygunu seçilmelidir. Tablo-2'de çok kullanılan bazı sabit sıvı fazların listesi
verilmiştir.
Tablo-2: Bazı Sabit Fazlar
Kalitatif Analiz
Sıvı-kromatografisi gibi gaz kromatografisi de karmaşık
karşımları ayırmada ve her bir maddenin tanımlanmasında kullanılan önemli bir
yöntemdir.
Alıkonma Zamanı ve
Alıkonma Hacmi
Bir maddenin kalitatif analizi için tek bir alıkonma zamanı
yeterli değildir. Çünkü alıkonma zamanı kolon sıcaklığı, akış hızı, basınç, ve
sabit fazın yapısı gibi çalışma koşullarına göre değişir. Emin olmak için
analit ve standardın alıkonma zamanları, çalışma koşulları değiştirilerek
incelenir, her ikisindeki alıkonma zamanı benzer bir değişiklik gösteriyorsa,
analitin standart ile ayni madde olduğu söylenebilir. Veya, iki/üç ayrı kolonda
iki/üç farklı sıcaklıkta elde edilen alıkonma zamanlarının analit ve standart
için benzer olmaları da maddenin tanımlanması için yeterlidir. Bir karışımdaki
maddelerin birbirinden ayrıldıktan sonra tanımlanması, karışım halindeyken
tanımlanmasından daha kolaydır.
Daha önce de belirtildiği gibi kalitatif analizlerde
alıkonma hacmi, alıkonma zamanından daha iyi bir parametredir; çünkü sadece
analitin dağılma katsayısı, kolonun sıcaklığı ve sabit fazın yoğunluğuna
bağlıdır (denklem 6).
Bağıl (İzafi, Relatif) Alıkonma Zamanı
Seçicilik faktörü a
bağıl alıkonma zamanının bir ölçüsüdür ve aşağıdaki formülle tarif edilir:
Alıkonma İndeksi
Alıkonma indeksi (I) Kovats tarafından çıkarılmış bir
parametredir; kromatografik verilerin rapor edilmesinde kullanılır. Bir
analitin alıkonma indeksi analit pikini iki veya daha fazla normal parafin piki
ile kıyaslayarak bulunur. Bir normal parafinin alıkonma indeksi, içerdiği
karbon atomları sayısının 100 katıdır ve
kullanılan kolonlara veya kromatografik koşullara bağımlı değildir. Buna göre
n-pentanın alıkonma indeksi, daima 500, n-oktanınki 800'dür.
Homolog bir seride bulunan maddelerin alıkonma zamanlarının
(veya hacimlerinin) logaritmaları t’R (t’R = tR
– tM) bu maddelerin içerdikleri karbon sayısı ile doğrusal bir
ilişki gösterir. Bunun sonucu olarak da n-parafinlerde (tR - tM) değerlerinin alıkonma zamanlarına göre
çizilen grafiği bir doğru verir. Buna göre X maddesinin alıkonma indeksi aşağıdaki
eşitlikle tarif edilir.
C4 –C9 n-Prafinler için çizilen grafik
Şekil-15'de görülmektedir. Üç bileşiğin aynı kolonda ve aynı sıcaklıktaki log
alıkonma zamanları da ordinatta gösterilmiştir. Alıkonma indeksleri, apsiste
karşılığı olan değerlerin 100 ile çarpılmasıyla bulunur: toluenin alıkonma
indeksi 749, benzeninki 644'dür.
Şekil-15: Üç bileşiğin alıkonma
indeksleri tayin önteminin grafikle tanımlanması; kararlı faz: squalen,
sıcaklık 60 0C
Normal olarak, alıkonma indekslerinin tayininde grafik
yöntemine gereksinim olmaz. Bunun yerine, maddenin bulunduğu karışımın ve iki
normal parafin standardının kromatogramları kıyaslanır. Standartlardan birinin
alıkonma zamanı maddeninkinden daha düşük, diğerininki daha büyüktür.
ÖRNEK:
Aşağıdaki verileri kullanarak 100 0C'de squalene
kolondaki benzenin alıkonma indeksini hesaplayınız.
Denklem(7)'de değerler yerine konur.
Alıkonma Zamanı
Eğrileri
Kalitatif kromatografik çalışmalarda homolog serilerden
yararlanılabilir. Homolog bir seri bir diğerinden (farklı polaritede) kromatografik
veya başka bir yöntemle ayrılabilir ve standart olarak kullanılabilir; çünkü
bir serinin elemanları için log tR ile karbon sayısı arasında doğrusal bir
ilişki bulunur.
Diğer bir önemli ilişki de, örneğin polariteleri farklı iki
kolona injekte edilmesiyle bulunur. Yine homolog serilerle yapılan böyle bir
çalışmada böyle bir kolondan alınan alıkonma zamanlarının, diğer kolondan elde
edilen alıkonma zamanlarına (log. skalada) göre çizilen grafiği bir doğru verir
(Şekil-16).
Böylece, iki ayrı kolon kullanarak kaynama noktaları benzer
olan, fakat farklı polar özelliklerdeki maddelerin kromatogramları elde
edilebilir.
Şekil-16: Çeşitli homolog serilerin
iki kolondaki davranışları
Tek bir gaz kromatogramı bir bileşiğin kesin olarak
tanımlanmasını sağlayamaz. Ancak farklı polaritelerdeki üç kolondan alınan
benzer alıkonma indeks verileri ile analitin hangi standarda benzediği teşhis
edilebilir.
Uçucu maddelerin saflıkları gaz kromatogramlarından
kolaylıkla izlenebilir. Kirlilikler, ilave pikler oluşturarak kendilerini
gösterirler; bu piklerin altında kalan alanlar, kirliliğin miktarı hakkında
kabaca bir fikir verir. Bu yöntem saflaştırma işlemlerini kontrol etmekte de
kullanılır.
Kantitatif Analiz
Bir gaz-sıvı kromatografi kolonundan alınan dedektör sinyali
kantitatif ve yarı kantitatif analizde kullanılır. Çok iyi kontrol edilen
koşullarda %1-3 kadar duyarlıkla tayin yapılabilir. Pek çok analitik yöntemde
olduğu gibi sonuçların doğruluğunda, kalibrasyon ve değişken parametrelerin
kontrolü çok önemlidir; örneğin yapısı da doğruluğu kısmen de olsa
etkileyebilir.
Sıcaklık Programlı
Gaz Kromatografisi
Sıcaklık programlı gaz kromatografisinde kolon sıcaklığı
sıyırma işlemi ile doğrusal olarak artar. Böyle bir işlem hızlı bir ayırmaya
olanak verir.
Şekil-17'de, normal parafin karışımlarının ayrılma ve
tanımlanmasında, sabit sıcaklıkta (izotermal) ve sıcaklık programlı
sistemlerden alınan kromatogramlar görülmektedir.
Şekil-17: Bazı n-parafin kromatogramlarının
kıyaslanması; Kolonlar: 100-200 meş VarAport 30 üzerinde %3 apiezon, 20 feet
uzunluk, 1/16 inç çap, akış hızı: 10 ml/dak.
İzotermal yöntemde, molekül ağırlığı düşük olan maddeler
birbirine çok yaklaşmış, yüksek molekül ağırlıklı olanlar ise 95 dakika sonunda
bile çıkamamışlardır. Ayrıca molekül ağırlığı artıkça piklerin şekilleri
bozulmuş ve kantitatif analize uygun şekillerden sapmıştır.
Sıcaklık programlı çalışmalarda ise büyük molekül ağırlıklı
maddeler de dahil olmak üzere kromatogram kısa sürede tamamlanmış ve pik
konumları ve şekilleri düzgünlüğünü korumuşlardır.
Sıcaklık programlı cihazlarda sıcaklığı 0.25-20 0C/dak.
aralığında doğrusal olarak yükselten bir düzenek bulunur. Ayrıca, kolon
sıcaklığı sürekli olarak artarken
injeksiyon kısmı ile dedektörün sabit sıcaklıkta kalmasını sağlayacak
ayrı ısıtıcılara gereksinim vardır. Sabit akış hızı bir akış kontrol edici ile
sağlanır. Çünkü sıcaklık yükselmesi gaz viskozitesini ve kolon direncini
artırarak akış hızını düşürür. Akış hızındaki düşme taban çizgisinin kararsız
olmasına ve dedektör algılamasının değişmesine neden olur.
Seçici Dedektörlü
Gaz-Sıvı Kromatografisi
Algılama sistemlerin pek çoğu bir kolondan çıkan maddelerin
hepsi için ayni şekilde algılama (az veya çok) yaparlar; bunlar "seçici
olmayan" dedektörlerdir. "Seçici" veya
"özel(spesifik)" dedektörler kullanılarak gaz-sıvı kromatografisinin
ayırma gücü üstün analitik cihazlarla birleştirilebilir.
Uygulama iki şekilde yapılabilir. Birincisinde madde
buharları soğutulan bir tutucuda ayrı fraksiyonlar halinde toplanır; bu işlemde
maddeleri parçalamayan ve seçici olmayan bir dedektör kullanılır. Sonra bu
fraksiyonlar NMR, IR, kütle ve diğer spektroskopik yöntemlerle tanımlanır.
Buradaki en önemli sınırlama toplanan madde fraksiyonlarının çok az miktarlarda
(mikromolar) olmasıdır. Yine de yöntem pek çok karmaşık karışımların kalitatif
analizinde başarıyla kullanılabilmektedir.
İkinci uygulamada seçici bir dedektörle kolon akışı sürekli
olarak izlenir. Aşağıda bu uygulamalara dayanan bazı örnekler verilmiştir.
Otomatik Titrasyon
Dedektörleri
James ve Martin ilk gaz kromatografik çalışmaları olan uçucu
yağ asitlerinin tayininde, dedektör olarak otomatik bir titrasyon hücresi
kullanmışlardır; ayni sistem daha sonra aromatik ve alifatik aminlere
uygulanmıştır. Bu yöntemde kolondan çıkan sıyırıcı, asit-baz indikatör
çözeltisi içeren bir hücreye gönderilir. Çözeltinin absorbansı fotometrik
olarak izlenir ve hücreye gelen madde (titrant) sürekli olarak ölçülür;
harcanan titrant hacmi bir kağıt üzerinde kaydedilir; hacim-zaman eğrisi
çizilir. Bu eğriden kalitatif ve kantitatif tayinler yapılır.
Pestisid kalıntılarındaki çeşitli klorlu bileşiklerin
tayininde dedektör olarak kulometrik bir hücre kullanılır.
Gaz Kromatografisinin Kütle Spektroskopisi ile
Birleştirilmesi (GC/MS)
Kromatografik kolonlar kütle spektrofotometreler ile
doğrudan bağlanabilir ve kolondan çıkan her bir maddenin hemen spektrumu
alınır. Bu cihazlar, çoğunlukla, bir bilgisayara da bağlanır ve alınan her
spektrum hafızada tutularak daha sonra kağıt üzerine aktarılır. Bu tip
cihazlar, doğal ve biyolojik sistemler içinde bulunan yüzlerce maddenin
tanımlanmasına olanak verir. Böyle bir sistem, örneğin, yiyeceklerdeki koku ve
tat analizlerinde hava kirliliği analizlerinde ve solunum hastalıkları
teşhisinde kullanılır.
Bir gaz kromatografisi ve kütle spektrofotometresi
birleşiminde karşılaşılan en önemli sorun ortamdaki taşıyıcı gazdır; taşıyıcı
gaz sıyrılan her maddenin seyrelmesine neden olur ve ayrıca spektrometrenin
pompalama sistemine de girer. Bu sıkıntılı durumu yenmek için çeşitli yöntemler
geliştirilmiştir; bunlardan biri Şekil-18'de görülmektedir. Burada çıkış
gazları vakum uygulanan bir odacığa yerleştirilmiş poröz bir cam tüp içinden
akıtılır. Taşıyıcı gazın (He veya H2) küçük atom veya molekülleri
tüpün cidarlarına difüzlenir ve pompalanarak dışarı atılır, böylece tüpte
sadece kolondan sıyrılan örnek kalır; bu akım sonra doğrudan kütle spektrometresinin
ion kaynağına gönderilir. Oluşan iyonik demet dört katlı veya küçük
çift-odaklayıcı bir spektrometre ile analiz edilir.
Son yıllarda "iyon kapanı " (ITD) denilen bir
cihaz yapılmıştır. Bu cihazda iyonlar örnekten elektron çarpmasıyla yaratılır
ve bir radyo frekansı dalgalı alanda depolanır (Şekil-19).
Şekil-18: Gaz kormatografisi ve
kütle spektrometresi arasındaki basınç düşürme sistemi
Şekil-19: İyon tuzağı dedektörünün
şematik görünümü
Tutulan iyonlar sonra depo alanından çıkarılarak bir
elektron çoklu dedektörüne gönderilir. Çıkarma işlemi, kütle/yük oranına göre
tarama yapılabilecek şekilde, kontrollü olarak yapılır.
Kütle spektrometresi dedektörlerinin görüntüleri çeşitlidir
ve iki grupta toplanır: gerçek-zaman ve bilgisayar-incelemeli. Bu grupların her
birinde, toplam iyon akımı kromatogtogramları (tüm iyon akımlarının toplamının
zamana göre grafiği), seçilmiş iyon akımı kromatogramları (bir veya birkaç
iyonun iyon akımlarının zamana göre grafiği), ve çeşitli piklerin kütle
spektrası seçimi yapılır. Gerçek zaman kütle spektrası, üzerinde kütle
işaretleri bulunan bir osilaskop ekranında görüntülenir; kütle kromatogramı,
osilaskop ekranında görülebilir veya bir gerçek-zaman kaydedicide çizilebilir.
Bir ayırmanın tamamlanmasından sonra bilgisayar-dönüşümlü kromatogramlar
ekranda belirir veya kaydedicide kaydedilir. Her pikin dönüştürülmüş kütle
spektrası da görüntülenebilir veya kaydedilebilir. Bazı cihazlarda, maddelerin
tanımlanmasında kullanılan spektral kütüphaneler bulunur.
Şekil-20: Bir GC/MS cihazından
alınan tipik bir karışımın, (a)GC kromatogram, (b) 12 numaralı pikin kütle
sektrumu
Bir GC/MS uygulaması Şekil-20'de görülmektedir. Üstteki
şekil bir örneğin bir bilgisayar-incelemeli kütle spektrumudur. Burada ordinat
toplam iyon akımını, apsis alıkonma zamanını gösterir. Alttaki şekil
kromatogramdaki 12 numaralı pikin bilgisayar-incelemeli kütle spektrumudur.
Burada relatif iyon akımları kütle numarasına göre çizilmiştir.
İnfrared Spektroskopi
(IR) - Kromatografi
Kromatografik piklerin infrared spektralarının da
alınabildiği cihazlar geliştirilmiştir. Bunun için normal ve Fourier transform
infrared spektrometreler kullanılabilir. Çalışmada, kromatografi kolonundan
çıkan akım infraredgeçirgen pencerelerin bulunduğu uzun, dar bir tüp içine
gönderilir. Spektral veriler rakamlara dönüştürülerek bir bilgisayarda saklanır
ve sonra spektrumlar çizilir.
GC/MS’de olduğu gibi, kolon ve dedektör arasındaki bağlantı
önemlidir. Burada kolona, uzunluğu birkaç milimetre ile birkaç santimetre
arasında değişen ve iç çapı 1-3 mm olan bir ışık tüpü bağlanır. Işık tüpü iç
kısmı altınla kaplanmış bir pyreks tüptür (Şekil-21). Işık duvardan çok sayıda
yansıyarak geçer. Işık tüpü, örnekteki maddelerin yoğunlaşmasını önlemek
amacıyla ısıtılır. Bu tip ışık tüplerinin dizaynında, hassasiyetin
yükseltilmesi için geçiş yolunun en fazla, band genişliğinin azaltılması için
de ölü hacmin en az olmasına dikkat edilir. Işın dedektörleri, çok hassas, sıvı
azotla soğutulan civa-kadmiyum tellürdür.
Bir kolondan gelen gaz akımının spektrumlarının, cihazın
kütüphanesinde bulunan ve katı veya sıvı örneklerden hazırlanan spektrumlarla
kıyaslanmasında bazı zorluklarla karşılaşılabilir. Çünkü gaz halindeki
maddelerin spektrumları çok ince bir yapı gösteriler, oysa sıvı ve katı
maddelerin spektrumlarında böyle bir durum gözlenmez; tabi ayni maddelerin gaz
ve sıvı (veya katı) halinin infrared spektrumları da birbirinden önemli
derecede farklı olur.
Şekil-21: GC/IR cihazlarında
kullanılan tipik bir ışık tüpü
GAZ - KATI
KROMATOGRAFİSİ
Gaz-katı kromatografisi gaz maddelerin katı yüzeyler
üzerinde adsorbsiyonuna dayanır. Dağılma katsayıları, gaz-sıvı kromatografisine
göre çoğunlukla daha büyüktür. Bu nedenle gaz-katı kromatografisi, gaz-sıvı
kolonunda tutulamayan hava, hidrojen sülfür, karbon disülfür, azot oksitleri,
karbon monoksid, karbon dioksit ve asal gazların analizlerinde kullanılır.
En çok kullanılan adsorblayıcılar moleküller elekler ve bazı
poröz polimerlerdir.
Moleküler Elekler (Sieves)
Moleküler elekler gözenek büyüklükleri belirli zeolitlerdir.
Gözenekler veya delikler moleküler boyutlardadır; gözeneklerden daha küçük olan
moleküller, elek taneciklerinin iç kısımlarına nüfuz ederler ve buralarda
adsorblanırlar. Bu gibi moleküllerin karşılaştığı yüzey alanı yüzeylerin içine
giremeyen moleküllerin bulunduğu yüzey alanına göre çok büyüktür. Böylece
elekler küçük moleküllerin büyüklüklerden kolaylıkla ayrılmasını sağlarlar.
Moleküler elekler üzerinde küçük moleküller arasındaki dağılma
kat sayıları bibirinden farklıdır. Bunun sonucunda oksijen, azot, karbon
monoksid, hidrojen ve metanol gibi maddelerin kromatografik yöntemle ayrılması
mümkün olur. Moleküler eleklerde
karşılaşan tek sorun, karbon dioksid gibi polar bileşiklerinin yüzeylerde
adsorblanarak diğer maddeler için yeterli yer bırakmamalarıdır.
Poröz Polimerler
Divinilbenzen ile çapraz bağlanmış stirenden yapılan düzün
büyüklükdeki polar polimer tanecikleridir. Bunlar Porapak ticari adı altında
pazarlanır. Gözenek büyüklükleri çok muntazamdır. Porapakların gaz-katı
kromatografisine uygulanması, jel oluşturma kromatografisinde kullanılan
Sephadex taneciklerinde olduğu gibidir.
Porapaklar hidrojen sülfür, azot oksidleri, su, karbon
dioksid, metanol ve vinil klorür gibi polar gazların ayrılmasında çok
kullanılır.
GAZ KROMATOGRAFİSİ
UYGULAMALARINA ÖRNEKLER
Şekil-22'de bazı gaz kromatografik uygulamaları, Tablo-3'de
de bu uygulamaların elde edildiği koşullar verilmiştir.
Şekil-22(a) 'daki örnek dışındakilerin hepsi gaz-sıvı
dengesine dayanmaktadır; 22a’da bir gaz-sıvı kolonu, bunu takiben de bir
gaz-katı moleküller elek vardır. Birinci kolon sadece karbon dioksiti tutar ve
diğerlerinin taşıyıcı ile ikinci kolona geçmesini sağlar. Karbon dioksit
birinci kolondan sıyrıldığında, akım bir düğme ile ikinci kolonun etrafından
gönderilir ve karbon dioksitin moleküller elek tarafından adsorblanması
engellenir. Karbon dioksite ait sinyal sıfırı gösterdiğinde düğme, akımı tekrar
ikinci kolonun içinden geçecek şekilde çevirir ve böylece örnekteki diğer
maddelerin sıyrılması sağlanır.
Tablo-3: Şekil-13 ‘deki Kromatogramlar için Uygulanan
Deney Koşulları
Deney Koşulları
Şekil-22: Gaz kromatografik ayırma
örnekleri
