گاز کروماتوگرافی جرمی (GC-MS , GC-MSMS)

GC-MS چیست؟

GC-MS مخفف کروماتوگرافی گازی-طیف سنجی جرمی (Gas Chromatography-Mass Spectrometry) است. این تکنیک قدرتمند، ترکیبات آلی موجود در یک نمونه را به طور دقیق جداسازی و شناسایی می کند.

کروماتوگرافی گازی (GC): در این مرحله، نمونه ی مورد بررسی به صورت بخار درآمده و توسط حامل گازی (معمولاً هلیوم یا نیتروژن) به داخل ستون کروماتوگرافی تزریق می شود. ستون کروماتوگرافی با پر شدن از مواد جاذب مختلف، وظیفه ی جداسازی ترکیبات موجود در نمونه را بر اساس تفاوت در ضریب توزیع آنها بین فاز ثابت (جذب کننده) و فاز متحرک (حامل گازی) بر عهده دارد. هر ترکیب با سرعت مشخصی از ستون عبور می کند و در نهایت به طور جداگانه در آشکارساز GC ثبت می شود.

طیف سنجی جرمی (MS): در این مرحله، مولکول های جداسازی شده در GC، یونیزه شده و به ذرات باردار تبدیل می شوند. سپس این ذرات باردار بر اساس نسبت جرم به بار (m/z) از یکدیگر تفکیک شده و الگوی طیف جرمی منحصر به فرد هر ترکیب را به وجود می آورند. با مقایسه ی طیف جرمی نمونه با طیف های مرجع ذخیره شده در کتابخانه های طیف سنجی، هویت دقیق هر ترکیب مشخص می شود.

به طور خلاصه، GC-MS با ترکیب دو تکنیک قدرتمند جداسازی (کروماتوگرافی گازی) و شناسایی (طیف سنجی جرمی) به دانشمندان این امکان را می دهد که به طور دقیق و کارآمد، ترکیبات آلی موجود در نمونه های مختلف را آنالیز و شناسایی کنند.

GC-MS چگونه کار می کند؟

همانطور که در بخش قبل اشاره شد، GC-MS از دو مرحله ی اصلی جداسازی (GC) و شناسایی (MS) تشکیل شده است. در ادامه به شرح مختصری از هر مرحله می پردازیم:

مرحله ی جداسازی (GC):

1. آماده سازی نمونه: نمونه ی مورد بررسی به گونه ای آماده می شود که بتوان آن را به صورت بخار درآورد.

2. تزریق نمونه: نمونه ی بخار شده به داخل دستگاه GC تزریق می شود.

3. جداسازی در ستون: نمونه در داخل ستون کروماتوگرافی بر اساس تفاوت در ضریب توزیع بین فاز ثابت و فاز متحرک به اجزای تشکیل دهنده خود تفکیک می شود.

4. آشکارسازی: هر ترکیب با سرعت مشخصی از ستون عبور می کند و در نهایت در آشکارساز GC ثبت می شود.

مرحله ی شناسایی (MS):

1. یونیزاسیون: مولکول های جداسازی شده در GC، یونیزه شده و به ذرات باردار تبدیل می شوند. روش های مختلفی برای یونیزاسیون وجود دارد که متداول ترین آنها شامل یونیزاسیون الکترونی (EI) و یونیزاسیون با منبع یونی (ESI) است.

2. تفکیک ذرات باردار: ذرات باردار بر اساس نسبت جرم به بار (m/z) از یکدیگر تفکیک می شوند. این کار توسط یک آنالایزر جرمی مانند آنالایزر مغناطیسی-قطبی یا آنالایزر زمان پرواز انجام می شود.

3. تشخیص: با مقایسه ی طیف جرمی نمونه با طیف های مرجع ذخیره شده در کتابخانه های طیف سنجی، هویت دقیق هر ترکیب مشخص می شود.

کاربردهای GC-MS در چه زمینه هایی است؟

GC-MS به دلیل دقت و حساسیت بالا، طیف وسیعی از کاربردها را در حوزه های مختلف علمی و صنعتی به خود اختصاص داده است. در ادامه، به برخی از مهمترین کاربردهای این تکنیک اشاره می کنیم:

داروسازی:

• بررسی خلوص داروها
• تجزیه و تحلیل متابولیت های دارویی
• شناسایی مواد مخدر و سموم
• کنترل کیفیت داروها

محیط زیست:

• آنالیز آلودگی های آلی در آب، هوا و خاک
• تجزیه و تحلیل آلاینده های صنعتی
• بررسی کیفیت آب آشامیدنی و فاضلاب

صنایع غذایی:

• بررسی کیفیت و خلوص مواد غذایی
• شناسایی طعم دهنده ها و عطرها
• تشخیص تقلبات غذایی
• کنترل کیفیت مواد اولیه و محصولات نهایی

پزشکی قانونی:

•  شناسایی مواد مخدر و سموم در نمونه های بیولوژیکی
•  بررسی حوادث مسمومیت
•  آنالیز مواد قابل اشتعال در صحنه جرم
•  تعیین هویت اجساد

تحقیقات علمی:

•  شناسایی ترکیبات ناشناخته
•  بررسی ساختار مولکولی ترکیبات آلی
•  آنالیز نمونه های زیستی
•  مطالعه واکنش های شیمیایی

صنعت نفت و گاز:

• آنالیز ترکیبات موجود در نفت خام و فرآورده های نفتی
• کنترل کیفیت سوخت ها
• بررسی آلودگی های نفتی

کشاورزی:

• آنالیز باقی مانده آفت کش ها و سموم در محصولات کشاورزی
• بررسی کیفیت خاک و کود
• کنترل کیفیت محصولات کشاورزی

مزایای استفاده از GC-MS چیست؟

GC-MS به دلیل ویژگی های منحصر به فرد خود، مزایای متعددی را برای کاربران به ارمغان می آورد. از جمله ی این مزایا می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• دقت و حساسیت بالا: GC-MS قادر است مقادیر بسیار ناچیزی از ترکیبات را در نمونه ها به طور دقیق شناسایی کند.
• قابلیت تفکیک ترکیبات پیچیده: GC-MS می تواند مخلوط های با اجزای تشکیل دهنده متعدد را به طور موثر از یکدیگر تفکیک کند.
• سرعت بالا: فرآیند آنالیز با GC-MS در مقایسه با برخی روش های دیگر، به سرعت انجام می شود.
• قابلیت شناسایی ترکیبات ناشناخته: GC-MS می تواند ترکیبات جدید و فاقد استاندارد مرجع را نیز شناسایی کند.
• قابلیت اتوماسیون فرآیند: مراحل آنالیز با GC-MS تا حد زیادی قابل اتوماسیون هستند، که این امر منجر به افزایش دقت و صرفه جویی در زمان و هزینه می شود. 

معایب GC-MS چیست؟

در کنار مزایای متعدد، GC-MS معایبی نیز دارد که در انتخاب این روش باید مورد توجه قرار گیرد:

• هزینه بالا: هزینه خرید و نگهداری دستگاه GC-MS نسبتا بالا است.
• نیاز به تخصص بالا: کار با دستگاه و تفسیر نتایج نیازمند دانش و مهارت تخصصی در زمینه شیمی تجزیه و طیف سنجی جرمی است.
• آماده سازی نمونه: آماده سازی برخی نمونه ها برای تجزیه با GC-MS ممکن است پیچیده و زمان بر باشد.
• محدودیت در تجزیه و تحلیل ترکیبات غیر فرار: GC-MS برای تجزیه و تحلیل ترکیباتی که در دماهای بالا تجزیه می شوند یا فرار نیستند، محدودیت دارد. 

نمونه هایی از تجزیه و تحلیل با GC-MS

 برای درک بهتر کاربردهای GC-MS، در ادامه به چند نمونه ی واقعی از تجزیه و تحلیل با این روش اشاره می کنیم:

• شناسایی آلاینده های نفتی در آب: GC-MS می تواند برای شناسایی و تعیین غلظت آلاینده های نفتی مانند هیدروکربن های آلی فرار (VOCs) در آب های سطحی و زیرزمینی مورد استفاده قرار گیرد.
• بررسی باقی مانده آفت کش ها در محصولات کشاورزی: GC-MS می تواند برای سنجش میزان باقی مانده آفت کش ها و سموم در میوه ها، سبزیجات و سایر محصولات کشاورزی به کار رود.
• آنالیز ترکیبات معطر موجود در اسانس های گیاهی: GC-MS می تواند برای شناسایی و تعیین غلظت ترکیبات معطری مانند لینالول، ژرانیول و ترپن ها در اسانس های گیاهی مختلف استفاده شود.
• تشخیص ترکیبات دارویی در خون یا ادرار: GC-MS می تواند برای تشخیص و تعیین غلظت داروهای مختلف در نمونه های بیولوژیکی مانند خون و ادرار به کار رود.

آشنایی با مراحل انجام آزمایش با GC-MS

انجام آزمایش با GC-MS شامل مراحل مختلفی است که به طور خلاصه در ادامه به آنها اشاره می کنیم:

1.  آماده سازی نمونه: نمونه ی مورد بررسی باید به گونه ای آماده شود که بتوان آن را به صورت بخار درآورد. این کار ممکن است شامل مراحل مختلفی مانند استخراج، تغلیظ و خالص سازی نمونه باشد.
2.  انتخاب ستون و شرایط کروماتوگرافی: نوع ستون و شرایط کروماتوگرافی (مانند دما، فشار و جریان گاز حامل) باید با توجه به نوع نمونه و ترکیبات مورد نظر برای آنالیز انتخاب شوند.
3.  کالیبراسیون دستگاه: قبل از شروع آنالیز، دستگاه GC-MS باید با استفاده از استانداردهای مرجع کالیبره شود.
4.  تزریق نمونه: نمونه ی آماده شده به داخل دستگاه GC تزریق می شود.
5.  جداسازی در ستون: نمونه در داخل ستون کروماتوگرافی بر اساس تفاوت در ضریب توزیع بین فاز ثابت و فاز متحرک به اجزای تشکیل دهنده خود تفکیک می شود.
6.  یونیزاسیون: مولکول های جداسازی شده در GC، یونیزه شده و به ذرات باردار تبدیل می شوند.
7.  تفکیک ذرات باردار: ذرات باردار بر اساس نسبت جرم به بار (m/z) از یکدیگر تفکیک می شوند.
8.  تشخیص هویت: با مقایسه ی طیف جرمی نمونه با طیف های مرجع ذخیره شده در کتابخانه های طیف سنجی، هویت دقیق هر ترکیب مشخص می شود.
9.  تجزیه و تحلیل داده ها: پس از جمع آوری داده های طیف سنجی جرمی، آنها با استفاده از نرم افزارهای تخصصی تجزیه و تحلیل می شوند.
10.  تهیه گزارش: در نهایت، نتایج آنالیز به صورت گزارش ارائه می شود که شامل اطلاعاتی مانند هویت ترکیبات، غلظت آنها و تفسیر نتایج است.

نکته: جزئیات هر مرحله از مراحل ذکر شده می تواند بسته به نوع دستگاه، نوع نمونه و ترکیبات مورد نظر برای آنالیز، متفاوت باشد.

نتیجه گیری

با وجود برخی معایب مانند هزینه بالا، نیاز به تخصص و مهارت بالا و محدودیت در تجزیه و تحلیل ترکیبات غیر فرار، GC-MS همچنان به عنوان یکی از ابزارهای ضروری در بسیاری از آزمایشگاه های تحقیقاتی و صنعتی به شمار می رود.