Enstrumental Analiz ve Ötesi
Üniversite dönemlerinde pek üzerine düşülmeyen, belki de yalnızca bir dersle geçiştirilen; fakat günümüzün modern laboratuvarlarının vazgeçilmezidir enstrümantal analiz cihazları. Gaz Kromatografisi (Gc), Gaz Kromatografi-Kütle Spektrometresi (Gc-Ms), İyon Kromatografisi (IC), Yüksek Performans Sıvı Kromatografisi (HPLC) ve Yüksek Performans Sıvı Kromatografisi-Kütle Spektrometresi (Lc-Ms) en bilinen kromatografi cihazlarıyken Spektrofotometre (Uv-Vis), Furier Dönüşümlü Kızılötesi Spektrometresi (FT-IR) Atomik Absorpsiyon (AAS), Indüktif Eşleşmiş Plazma (Icp) ve Indüktif Eşleşmiş Plazma-Kütle Spektrometresi en bilinen spektroskopi cihazlarıdır. Spektroskopi cihazlarına numune hazırlamak veya organik sentez amacı ile kullanılan kapalı sistem mikrodalga cihazları veya Elemental analiz cihazlarını unutmamak gerekir. Bu yazımda sizlere Gaz Kromatografisinin teorisini ve işleyişini anlatacağım.
Gaz Kromatografisi teorik olarak maddelerin gaz ile sürüklenerek durgun fazda adsorplanması ve fiziksel olarak durgun fazdan sürüklenerek farklı zamanlarda dedektöre ulaştırılması tekniğidir. Gaz kromatografi cihazı uçucu ve yarı uçucu madde analizleri için tasarlanmıştır. Cihaz 5 ana bölümden oluşur. Gaz Kaynağı, Otomatik Örnekleyici, Enjektör, Kolon Fırını ve Dedektör.
Gaz Kaynağı: Gaz Kromatografi tekniğinde pratikte Helyum, Azot veya Hidrojen gazları kullanımı uygundur. Bu gazların yüksek saflıkta, yani minimum %99.999 saflıkta, olması bir zorunluluktur. Her ne kadar hidrojen gazı yüksek hızı (gas velocity) sayesinde en iyi sonucu verse de, yanıcı/patlayıcı özelliğinden dolayı pek tercih edilmez. Azot gazı oldukça ucuz ve kolay bulunur olmasına rağmen sıcaklık ile ters orantılı akış hızı azalması (gas velocity) nedeniyle çok tercih edilmez. Helyum gazı ise yüksek maliyetine rağmen inert bir gaz olması ve optimal değerleri ile dünya çapında en yaygın kullanılan gazdır.
Otomatik Örnekleyici: Gaz Kromatografinin ilk zamanlarında sıvı numuneler mikrolitre seviyelerindeki düşük hacimli şırıngalar ile direk olarak enjekte edilirdi. Fakat bu yöntem kişiden kaynaklanan göz yanılmaları nedeniyle tekrarlanabilir sonuçlar alınmasını engelliyordu. Teknolojinin gelişmesiyle birlikte robotik sistemler üretilmeye başlandı ve bu sayede numuneler yüksek tekrarlanabilirlikte enjekte edilebilir hale geldi. Otomatik örnekleyiciler, sıvı veya gaz numunelerin hassas bir şekilde sisteme giriş yapmasına olanak sağlamaktadırlar. Bunun yanında önceden programlanarak çok sayıda analizi sırası ile yapabilme kabiliyetine sahiptirler.
Enjektör: Basit bir mantık ile, analiz edilecek maddeler basınçlı gaz yardımı kullanılarak taşınırsa GC, eğer basınçlı bir sıvı ile dedektöre taşınırsa LC adını alır. Gaz kromatografi tekniğinde sıvı numune önce buhar haline getirilmelidir ki gaz ile taşıma yapabilelim. Bu noktada devreye enjektör bölümü girmektedir. Bu bölümü, pratikte en fazla 350 oC kullanılan fakat aslen 450 oC’ye kadar ayarlanabilen yüksek sıcaklığa sahip bir hazne olarak düşünebilirsiniz. Amaç mikrolitre hacminde, sisteme giriş yapan sıvı numunenin ani olarak buharlaştırılması ve buhar haldeki numunenin bir an önce kolona ulaştırılmasıdır. Bu bölüm ısıtmanın yanı sıra kirli veya yüksek konsantrasyondaki numunenin belirlenen bölümünün gaz yardımı ile sistemden uzaklaştırılarak sistemi temiz tutma ve seyreltme işleminin yapılabildiği bölümdür. İsteğe bağlı olarak eser (düşük) miktar analizler için maddenin tamamı da kolon bölümüne gönderilebilir. Bu teknik, ayrımlı (split) ve ayrımsız (Splitless) enjeksiyon teknikleri olarak adlandırılır.
Kolon Fırını: Bu bölüm homojen olarak ısıtma sağlayan, ısı yalıtımlı bölümdür. Amaç, madde ayrımlarının yapıldığı kolon adı verilen ve iç yüzeyi belirli bir faz ile kaplanmış, ince, cam tüpü çok hassas bir şekilde ısıtmaktır. Ticari olarak çok farklı tip kolon fazları olsa da bunlar yapı olarak kuvvetli polar faz ile kuvvetli apolar faz ve bunların farklı yüzdelerde karışımlarından oluşur. 10 metre – 100 metre arası ve 0.25mm, 0.32mm ve 0.53mm iç çapa sahip kolonlar yaygın olarak kullanılmaktadır. Polar maddeler polar fazlı kolonlarda daha çok tutunurken, apolar maddeler apolar fazlı kolonlarda daha fazla tutunur. Analizi yapılacak numunenin içeriğine bağlı olarak kolon tipi seçilmelidir. Bu tutunma ile maddeler birbirlerinden ayrılır, sıcaklık etkisi ve gaz ile zorla sürüklenerek farklı zamanlarda dedektöre ulaşarak analiz yapılmasına olanak sağlanır. Bu bölümde sıcaklık, zamana karşı arttırılarak maddelerin kolonda tutunma kuvvetleri azaltılır ve analizlerin daha kısa sürede bitirilmesi sağlanır.
Dedektör: Madde tayininin yapıldığı bölümdür. Çok farklı tipleri olsada ticari olarak en bilinenleri Alev İyonlaşma Dedektörü (FID), Termal İletkenlik Dedektörü (TCD) , Elektron Yakalama Dedektörü (ECD)’dür.
FID genel bir dedektördür. Karbon Hidrojen bağlarına karşı hassastır. Bu nedenle CO, CO2, NO, NO2, H2O gibi maddelere karşı hassasiyet göstermese de çok geniş bir analiz kabiliyeti vardır. Düşük ppm seviyelerinde analize uygundur. Hidrojen hava karışımlı aleve ulaşan maddeler burada iyonlaştırılarak yüksek voltajda kutuplanmış anot/katot sayesinde elektronik sinyallere dönüştürülür ve bilgisayar yazılımı sayesinde kalitatif veya kantitatif analize imkan sağlar.
TCD genel bir dedektördür. Çok hassas olmamakla birlikte neredeyse her maddeye karşı hassasiyet gösterir. Yüzdesel veya ppm seviyelerinde analize uygundur. Yapısı aslında bir wheatstone köprüsüdür. Bir kanaldan referans taşıyıcı gaz geçirilir. Diğer kanaldan taşıyıcı gaz ile birlikte sürüklenen madde bir potansiyel fark yaratır ve bilgisayar yazılımı sayesinde kalitatif veya kantitatif analize imkan sağlar.
ECD halojen spesifik bir dedektördür. Bileşik yapısında Flor (F), Klor (Cl), Brom (Br), İyot (I) gibi yüksek elektro negatifliğe sahip halojen olması durumunda düşük ppb seviyelerinde oldukça hassas analize imkan verir. Radyoaktif Nikel 63 izotopu tarafından üretilen elektronlar azot gazı ile çarpıştırılarak bir elektron bulutu yaratılır. Dedektöre ulaşan bileşik bu elektron bulutu dengesini bozar ve sinyal oluşumu sağlar. Yazılım sayesinde kalitatif veya kantitatif analiz imkanı sağlar.
Gaz Kromatografisi oldukça kullanışlı bir yöntemdir. Enjektör bölümüne gönderilmek istenen maddeler destekleyici cihazlarla veya farklı düzeneklerle kombine edilerek çok farklı analizlere imkan verir. Gaz kromatografisi tekniğini kısaca özetlemek gerekirse; karışım içiren numune sisteme enjekte edilir, buharlaştırılır, taşıyıcı gaz ile kolonda birbirlerinden ayrılmalarını sağlanır ve dedektöre ulaştırılır. Yazılım sayesinde kromatogram adını verdiğimiz data toplanır.
Yazılım;Her ticari firma kendisine has yazılımlar kullansa da temel olarak yazılımlar benzerlik göstermektedir. Yazılımlar sayesinde cihazın bütün fonksiyonları kontrol edilebilirken aynı zamanda metot yapma ve analiz sonuçları değerlendirilebilir. Analizi yapılacak maddeler farklı konsantrasyonlarda sisteme enjekte edilerek pik alanları kaydedilir. Bu kromatogramlar sayesinde pik alanları ile bir kalibrasyon eğrisi çizdirilerek kantitatif analize olanak sağlanır.
Biliyormusunuz; mevye ve sebzelerde pestisit analizleri, yemeklik sıvı yağlarda serbest asit içeriği, fabrika bacalarından çıkan gazların içeriği, atık sularda poliklorlu bifenil analizleri, alkol analizleri, hidrokarbonlar, mineral yağ analizleri, poliaromatik karbon analizleri ve daha niceleri bu cihaz sayesinde analiz ediliyor.
Umarım yazımdan keyif almışsınızdır. Sizlere her ay başka bir cihazı tanıtmak istiyorum. Cihaz seçimi konusunda tekliflerinize açığım. Aynı zamanda herhangi bir uygulama veya merak ettiğiniz sorulara memnuniyetle cevap vereceğim. Şubat ayında görüşmek üzere.
Yazar : Erman GİRGİN
Üniversite : Gazi Üniversitesi
Bölüm : Kimyager
Dergi : Sayı 30 – Sayfa 20
