Gaz kromatografisi sisteminin temel bileşenleri

Genel olarak bir gaz kromatografisi sisteminin temel bileşenleri aşağıdaki şekilde sıralanabilir ve bu bileşenler Şekil 4.4’de gösterilmiştir.

1- Sistem için gereken taşıyıcı gazın alındığı gaz silindiri ve basıncı ayarlayan regülatör

2- Numunenin sisteme enjekte edildiği enjeksiyon bloğu

3- Numune bileşenlerinin ayırımının yapıldığı kromatografi kolonu 4- Kromatografi kolonunun sıcaklığını değiştiren fırın

5- Ayrımı gerçekleştirilen numune bileşenlerinin sinyale dönüştürüldüğü dedektör 6- Sinyallerin kaydedildiği veri kaydedici

Yukarıda sözü edilen kromatografi bileşenleri arasından numune enjeksiyon bloğu, kromatografi kolonu ve dedektörler, kromatografik analizlerin en karmaşık bileşenleridir ve bu açıdan bakıldığında diğer bileşenlere nazaran daha ön plandadırlar. Ancak; taşıyıcı gazın sisteme doğru bir akım ve basınçta verilmesi, numunenin sisteme enjekte edilmesinin ardından kolon içerisinde doğru bir şekilde ayrılabilecek sıcaklıklara güvenli bir şekilde getirilmesi ve sistem için kullanılan sıcaklık değişimlerinin kontrollü olarak her defasında hatasız olarak sağlanması sistemin güvenilirliği için son derece önemlidir.

4.3.5.1. Taşıyıcı gazın akışının ve basıncının ayarlanması

Gaz kromatografisinin güvenilirliği, kullanılan taşıyıcı gazın akışının ve basıncının ayarlanmasına bağlıdır. Çelik tüpten çıkan gaz sırasıyla, önce bir çelik valftan, ondan sonra gaz akışı ayarlayıcısından, daha sonra kapiler bir metal borudan ve en sonunda da 0-4 atmosferlik bir basınç ayarlayıcısından geçirilir. Gaz akımı ayarlayıcısı dakikada 200 ml ye kadar gaz verilebilir. Gazın hızı, gaz ayarlayıcısının içinde bulunan özel iğneli bir valfla ayarlanabilir.

Taşıyıcı gazın içinde bulunan yabancı maddeler, sonucu büyük ölçüde etkilediklerinden, gazın yoluna moleküler büyüklükte bir elek konur. Bu eleğin gözenekleri yaklaşık 5A0 dür. Böyle bir elek, su buharının ve hidrokarbonların geçmelerini önler. Çok daha büyük hassasiyet isteyen çalışmalarda gazın yoluna - 1800C ye kadar soğutulan (sıvı hava) bir tuzak konur. Gaz, cihazda kullanılan plastik boruların yüzeylerinden difüzyon ve desorpsiyon olaylarıyla, ek yerlerinden de sızmalar sonucu kirlenebilir. Bunlara mani olmak için mümkün olduğu kadar kısa plastik borular kullanılır ve ek yerleri sıkı sıkıya tutturulur. Bu amaçla en çok kullanılan boru tetrafloropolietilenden yapılanlardır (Gündüz, 1999).

4.3.5.2. Numune enjekte etme kısmı

Gaz kromatografisi sistemlerinin başlangıç noktası olarak değerlendirilebilecek ve numunenin sisteme giriş yaptığı yer olan enjeksiyon bloğu; numunenin ayrımının yapılacağı kolonun başlangıcına tutturulmuş bir buharlaştırma odasıdır. Bir

enjeksiyon bloğunun şematik gösterimi Şekil 4.5’de verilmiştir. Bu bloğa numunenin enjeksiyonu analizcinin elle kullandığı manuel şırıngalar ya da otomatik şırıngalar yardımıyla bir kauçuk septum arasında yapılır. Enjektörün sisteme girişi ile şırınganın buharlaştırma kısmına ulaşması çok kısa sürelerde gerçekleştirilmelidir ve şırınganın bu kısma tam olarak girmesini sağlamak için bu işlem defalarca pratik edilmelidir. Numune ısıtılmış buharlaşma kısmına ulaştıktan sonra taşıyıcı gaz yardımıyla kolona taşınır. Bu taşınma sırasında ne kadar numunenin kolona gideceğini analizcinin tercih ettiği bölünme oranı (split enjeksiyon) belirler. Numune enjeksiyonu tercihe göre bölünmesiz (splitless enjeksiyon) olarak da yapılabilir.

Şekil 4.5: Bir enjeksiyon bloğunun şematik gösterimi

4.3.5.3. Kromatografi kolonu

Kolon gaz kromatografisi cihazının en önemli kısımlarından birisidir. Ayırma kolonunun içi, gazları çeşitli mekanizmalar yardımı ile tutabilen bir maddeyle iyice doldurulmuş bakır, paslanmaz çelik, alüminyum, cam gibi maddelerden yapılmış yaklaşık 4 mm çapında ve 1,2m- 150m ye kadar uzanan spiral şekline getirilmiş bir borudur. Bu uzunlukta iyi doldurulmuş kolonlar 60000 kadar teorik plağın yerini tutabilirler.

Ayırma kolonlarını doldurma da kullanılan yüzeyi geniş maddeler genellikle diatomeli topraklardan yapılır. Böyle topraklar kille karıştırılıp pişirildikten sonra tekrar ufalanıp elenirler. Ufalanıp elenen maddelerin 20-40 µ çapında ve yuvarlak olmaları gerekir. Bu şekilde hazırlanmış olan katı destek maddeleri kromosorp P ve W, Celite, Dicalite gibi çeşitli isimler altında satılırlar. Destek maddelerinden istenen ilk şart bunların üzerine tutturulacak sıvılarla iyice ve düzgün bir şekilde ıslanmalarıdır.

Silikon yağlı kolonlar birçok madde için ve yüksek sıcaklıklarda (3500C) kullanılabilirlerse de her amaçla kullanılamazlar. Yani üniversal değildirler. Onun için söz konusu analizi yapılacak maddelere göre kolon değiştirmek gerekir. Genellikle, analizi yapılacak numunedeki maddeler polarsa, polar sıvılı, apolarsa apolar sıvılı kolonlar kullanılır.

Aynı polaritedeki maddeler arasında elüsyon, kaynama noktalarıyla paralel gider. Polariteleri farklı fakat kaynama noktaları aynı olan maddeler karışımı için, bunları farklı kuvvette tutacak sıvılar kullanılır. Bu tutulmada maddelerin dipolleri, hidrojen bağları ve katılma kompleksleri verip vermedikleri önemli rol oynar.

Bazen bir sıvı içine bir organik madde katılarak da kromatografi için kullanılabilir. Örneğin, ayrılmaları oldukça güç olan etan, bütan, isobütan, büten, bütadien karışımı glikollü gümüş nitratla çok iyi ayrılırlar. Bu amaçla kullanılan asetil aseton da oldukça iyi sonuç verir.

Kolonların doldurulması çok önemli bir işlemdir. Kolonlar düzken doldurulurlar ve ondan sonra istenen şekilde dikkatle bükülürler. Sıvı maddeyi destek maddesinin (diatomeli preparatlar) üzerine iyice yayabilmek için, sıvının uçucu bir çözücüde hesaplı çözeltisi yapılır ve katı bu çözelti içine atılarak iyice karıştırılır. Destek katısı çözeltiyi iyice emdikten sonra uçucu olan çözücü karışım ısıtılarak buharlaştırılır ve geriye kalan madde kolona doldurulur. Sıvı madde ağırlığı, katı maddeninkinin %30’na çıkabilir. Bir kolon değiştirilmeden yüzlerce analiz için kullanılabilir.

Kolon sıcaklığının 0,1-0,4 dereceye kadar sabit tutulması gerekir. Kolon sıcaklığı, kaynama sıcaklığına eşit olan maddeler kolona girdikten 10-30 dakika sonra kolondan çıkarlar. Pikler en iyi düşük sıcaklıklarda çalışılarak elde edilirler. Ama böyle analizler de çok zaman alırlar. Bir kolon sıvısında aranan başlıca özellikler şunlardır:

• Çalışma sıcaklığında buharlaşmamalı ve bozulmamalı, • Gazları çözmeli veya tutmalı (farklı Kg ler)

• Kimyaca inert olmalı.

Ayırma kolonu olarak kapilar veya golay kolonları da kullanılır. Bunların iç yarıçapları 0,25-0.50mm, uzunluklarıysa 30-300m kadardır. Böyle bir kolonun kapilar yüzeyine, bu yüzey tarafından şiddetle tutulan bir sıvı kaplanır. Bu kolon çok çeşitli uzunluktaki gazları ayırmada kullanılır ve binlerce teorik tabağa eşdeğerdir (Öztürk, 2000).

4.3.5.4. Dedektörler

Bir karışımın kromatografi kolonunda ayrımının yapılıp kolonu terk etmesinin ardından bir dedektör ile tayinin gerçekleştirilmesi gaz kromatografisi uygulamalarının en önemli adımıdır. Bu adımda, uygulamanın çeşidine göre farklı tiplerdeki dedektörler kullanılabilir. Kromatografi uygulamalarında tayin amacıyla kullanılan bazı dedektörleri; atomik emisyon dedektörü (AED), elektron tutma dedektörü (ECD), alev iyonizasyon dedektörü (FID), alev fotometrik dedektörü (FPD), kütle spektrometresi (MS), fotoiyonizasyon dedektörü (PID) ve termal kondüktivite dedektörü (TCD) olarak saymak mümkündür.

GC sistemlerinde kullanılan dedektörler yapılarındaki farklılardan dolayı farklı seçiciliğe sahip olan ekipmanlardır. Seçici olmayan bir dedektör taşıyıcı gaz dışındaki tüm bileşenlere tepki verirken, seçici bir dedektör fiziksel ve kimyasal özellikleri benzer bileşik gruplarına tepki verir. Spesifik dedektörler ise yalnızca bir kimyasal grubuna tepki veren dedektörlerdir. Ayrıca dedektörleri; konsantrasyona

bağlı dedektörler ve kütle akışına bağlı dedektörler olarak iki grup şeklinde sınıflandırmak da mümkündür.

Bir dedektörün fonksiyonu; kolondan çıkan bileşiklere tepkide tutarlı ve çabuk bir işaret sağlamaktır. Dedektör, kolondan gelen taşıyıcı gaz içinde binde birkaç oranındaki yabancı bir gazı tespit eden düzenektir. Bir gazın pikinin dedektörden geçme zamanı en fazla birkaç saniye kadardır (sinyalin başlayıp bitme zamanı). Modern kılcal GC bugünkü başarısının çoğunu, özellikle alev iyonizasyon dedektörü (FID) olmak üzere yüksek duyarlılıklı iyonizasyon dedektörlerinin gelişmesine bağlıdır. Çoğu laboratuar gaz kromatografisi, genel amaçlı uygulamalar için bu dedektörle teçhizatlandırılmıştır (Öztürk,2000).

Gaz kromatografisinde kullanılacak ideal bir dedektörde olması gereken özellikler şu şekilde sıralanabilir:

• Yeterli hassaslığa sahip olmalı,

• İyi bir kararlılık ve tekrarlanabilirliğe sahip olmalı,

• Birkaç büyüklük derecesine ulaşan çözünenlere çizgisel bir cevap vermeli, • Yaklaşık 4000C ye kadar uzanan bir sıcaklık aralığına sahip olmalı, • Akış hızından bağımsız kısa bir cevap süresi olmalı,

• Yüksek derecede güvenilirlik ve kullanım kolaylığı olmalı,

• Tüm çözünenlere verilen cevaplar birbirine benzemeli ya da bu duruma bir alternatif olarak, bir veya birkaç sınıf çözünene kolay tahmin edilebilir ve seçici bir cevap vermeli,

• Numuneden zarar görmemelidir.