แก๊สพา (carrier gas) ที่ใช้ใน Gas Chromatography (GC)

 แก๊สที่ใช้ใน Gas Chromatography (GC) ซึ่งทำหน้าที่เป็นแก๊สพา (carrier gas) เป็นองค์ประกอบพื้นฐานที่สำคัญในเทคนิคของ GC เนื่องจากทำหน้าที่เป็นตัวพาสารตัวอย่างที่ถูกทำให้เป็นไอหรือเป็นแก๊สบริเวณหัวฉีดสารเข้าสู่คอลัมน์ แก๊สพาที่ใช้ในเทคนิค GC ได้แก่ ฮีเลียม ไนโตรเจน อาร์กอน และ ไฮโดรเจน ทำไมแก๊สเหล่านี้ถึงถูกเลือกให้เป็น carrier gas ก็เพราะว่าคุณสมบัติของแก๊สพา (carrier gas) ที่ดี จะต้องมีคุณสมบัติดังนี้

• เป็นแก๊สเฉื่อย: เหตุที่ต้องเลือกเหตุเฉื่อยเพราะเราไม่ต้องการให้ carrier gas เข้าไปทำปฏิกิริยาทางเคมีกับสารตัวอย่าง หรือกับเฟสคงที่ในคอลัมน์ 
• มีความบริสุทธิ์สูง (High purity grade)
• มีความเหมาะสมกับเครื่องตรวจวัดที่เลือกใช้ หรือมีสภาพการนำความร้อนที่เหมาะสม

แก๊สที่เลือกใช้ต้องมีความหนาแน่นต่ำ (low density) และมีอัตราการไหลที่ดี แต่ต้องมีผลต่อการแพร่ (diffusion effect) ที่ต่ำหรือน้อยที่สุด ที่เป็นเช่นนี้เนื่องจากว่าการแพร่ทำให้เกิดลักษณะพีคกว้าง (peak broading) ดังนั้น แก๊สที่มีมวลโมเลกุลต่ำๆ จะมีอัตราการไหลที่ดีกว่าแก๊สที่มีมวลโมเลกุลสูงๆ เปรียบเทียบได้กับคนอ้วนกับคนผอมวิ่งแข่งกัน คนแบบไหนที่นำพาน้ำหนักตัวเองได้ดีกว่ากัน 

carrier gas ต้องมีอัตราการไหลที่เหมาะสมหรือเรียกว่า optimum flow rate เนื่องจากการวัดและการควบคุมอัตราการไหลของแก๊สพามีผลต่อประสิทธิภาพของคอลัมน์ (Column efficiency) และการวิเคราะห์เชิงปริมาณ เพราะฉะนั้น แก๊สพาหรือ carrier gas เป็นสิ่งสำคัญที่เราต้องเลือกให้เหมาะสม

การหาอัตราการไหลที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญของเทคนิคโครมาโทกราฟี ซึ่งเราสามารถหาได้จากสมการที่เรียกว่า Van Deemter Plot เป็นกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอัตราเร็วของแก๊สพา กับความสูงของ plate ในของคอลัมน์ หรือค่า Height Equivalent to a theoretical plate; HETP  

จากสมการ Van Deemter Plot ทำให้เรามีเหตุผลต่อการเลือกแก๊สพาสำหรับ GC ดังนี้

ไนโตรเจน มีค่า HETP ต่ำที่สุด ซึ่งหมายความว่าประสิทธิภาพในการแยกดีกว่าใช้ฮีเลียม หรือ ไฮโดรเจน แต่บริเวณที่ทำให้ค่า HETP ต่ำสำหรับแก๊สไนโตรเจนเกิดขึ้นในช่วงอัตราการไหลต่ำเมื่อเทียบกับฮีเลียม หรือ ไฮโดรเจน ทำให้เราต้องใช้เวลานานในการแยกสาร แต่ถ้าหากเราใช้ไนโตรเจน และต้องการเพิ่มอัตราการไหลเพิ่มขึ้นเพื่อลดเวลาในการวิเคราะห์ เราก็จะได้ประสิทธิภาพในการแยกที่ต่ำ ดังนั้นไนโตรเจนจึงไม่ค่อยนิยมที่จะใช้เป็นเป็น carrier gas กับ capillary column GC เนื่องจากมีค่า average linear velocity ต่ำ ต้องใช้เวลานาน

ฮีเลียม จาก Van Deemter Plot จุดที่มีค่า HETP ต่ำได้จากค่า average linear velocity สูงกว่า เมื่อเปรียบเทียบกับ ไนโตรเจน แต่ไม่ได้ทำให้ค่า HETP แตกต่างกันมากจนมีผลต่อประสิทธิภาพการแยก เค้าจึงกล่าวว่า ฮีเลียมมีผลต่อค่า resolution ใกล้เคียงกับไนโตรเจน แต่จะใช้เวลาในการวิเคราะห์น้อยกว่าเมื่อเทียบกับใช้ไนโตรเจน

ไฮโดรเจน เป็นแก๊สที่มีมวลโมเลกุลต่ำสุด จาก Van Deemter Plot จะเห็นว่า ไฮโดรเจนมีคุณสมบัติเป็น carrier gas ที่ดีเมื่อเทียบกับไนโตรเจน และฮีเลียม เพราะที่ average linear velocity สูงๆ ยังคงให้ค่า HETP ที่ค่อนข้างคงที่ คือใช้เวลาในการวิเคราะห์น้อยที่สุด แต่ยังคงประสิทธิภาพในการแยกที่ดีซึ่งต่างกับไนโตรเจน แต่ไม่นิยมเลือกไฮโดรเจนเป็น carrier gas เพราะไฮโดรเจนเป็นแก๊สเชื้อเพลิง ซึ่งง่ายต่อการลุกไหม้ ถ้าหากมีองค์ประกอบของการเกิดไฟอย่างเพียงพอ