Giới thiệu về máy sắc kí full

Đây là bài Word mình tổng hợp từ nhiều nguồn. Cảm ơn các bạn đã đọc và ủng hộ. Mọi thắc mắc các bạn liên hệ mình qua mail: tronghufi1402gmail.com.sdt: 0962121417. Sinh viên Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm tp Hồ Chí Minh

MỤC LỤC

1 Giới thiệu về máy sắc ký 2

1.1 Khái niệm và phân loại 2

1.2 Vài nét lịch sử 3

2 Hệ thống sắc ký khí 3

2.1 Hệ thống cấp khí mang 3

2.2 Hệ thống tiêm mẫu 5

2.3 Cột sắc ký 6

2.3.1 Cột nhồi 6

2.3.2.Cột mao quản 7

2.3.3 Cột pha tĩnh lỏng( sắc ký khí lỏng) 8

2.3.4 Cột pha tĩnh rắn( sắc ký khí rắn) 9

2.4 Lò cột 9

2.5 Đầu dò 10

2.6 Hệ thống xử lí số liệu 11

3 Nguyên lí hoạt động 11

4 Ứng dụng của máy sắc ký khí 12

TÀI LIỆU THAM KHẢO 15

1 Giới thiệu về máy sắc ký

1.1 Khái niệm và phân loại

Sắc ký (IUPAC-1993): là kĩ thuật phân tích chất, khai thác sự khác biệt trong phân bố giữa pha động và pha tĩnh để tách các thành phần trong hỗn hợp Các thành phần của hỗn hợp có thể tương tác với pha tĩnh dựa trên điện tích, độ tan tương đối và tính hấp phụ

Sắc ký khí (GC-Gas chromatography) là một phương pháp sắc ký mà pha động là chất khí hoặc ở dạng hơi và pha tĩnh chứa trong cột là chất rắn hoặc chất lỏng phủ trên

bề mặt chất mang dạng rắn hay phủ đều lên thành phía trong của cột tạo lớp màng phim mỏng

Cơ sở tách bằng sắc ký khí là sự phân bố của mẫu giữa hai pha: pha tĩnh có bề mặt tiếp xúc lớn, pha động là khí thấm qua toàn bề mặt tĩnh đó GC chia làm 2 loại:

- Sắc ký khí-rắn (GSC- Gas Solid Chromatography): pha tĩnh là chất rắn Chất rắn nhồi cột thường là silicagel, rây phân tử hoặc than hoạt tính Cơ chế tách chủ yếu là hấp phụ

- Sắc ký khí-lỏng (GLC- Gas Liquid Chromatography): pha tĩnh là lỏng Chất lỏng bao bọc quanh bề mặt một chất rắn trơ, gọi là chất mang, tạo nên một lớp phim mỏng Cơ chế tách là sự phân bố của mẫu trong và ngoài lớp phim mỏng

Mỗi thành phần của hỗn hợp trong pha động khi đi qua pha tĩnh sẽ tương tác với pha tĩnh bằng ái lực, ái lực của mỗi chất với pha tĩnh là khác nhau, chất có ái lực yếu với pha tĩnh sẽ thoát ra khỏi cột trước và chất có ái lực mạnh với pha tĩnh sẽ ra khỏi cột sau Đó là đặc trưng cơ bản của pha động và pha tĩnh, hơn nữa quá trình chia tách có thể xảy ra bởi sự thay đổi nhiệt độ của pha tĩnh hoặc là áp suất của pha động

1.2 Vài nét lịch sử

1903: Nhà thực vật học người Nga Mikhail Tsvet đã phát minh ra kỹ thuật sắc ký khi ông đang nghiên cứu về chlorophyl

1931: Vinterstin và Lederer tách carotin thô thành α-carotin và β-carotin 1938: Izmailov, Shraibr và Stahl phát triển phương pháp sắc ký lớp mỏng

1941: Martin và Synge phát minh phương pháp sắc ký phân bố tách thành công

1952: Martin và James lần đầu tiên dùng thiết bị sắc ký khí

1960: Sắc ký lỏng hiệu năng cao ra đời

2 Hệ thống sắc ký khí

2.1 Hệ thống cấp khí mang

Hệ thống cung cấp khí mang bao gồm các bộ điều chỉnh áp suất ( pressure regulators ), các thiết bị đo áp suất (gauges), và thiết bị đo tốc độ dòng (flow meter) Hệ thống khí mang còn chứa một hệ thống lọc phân tử để tách nước và các chất nhiễm bẩn khác Tốc độ dòng được kiểm soát bởi các bộ điều chỉnh áp suất hai giai đoạn được lắp vào các bình chứa khí mang

Áp suất của khí vào thiết bị nằm trong khoảng từ 10 đến 50 psi để có tốc độ dòng từ khoảng 30 đến 150 ml/ph đối với cột nhồi và khoảng từ 1 đến 25 ml/ph đối với cột mao quản Nói chung, nếu áp suất đi vào thiết bị không đổi thì tốc độ dòng sẽ không đổi Để đo tốc độ dòng khí người ta dùng thiết bị đo tốc độ dòng (flowmeter) với bọt xà phòng và đồng hồ bấm giây

Khí mang lý tưởng dùng cho sắc ký phải là khí trơ (He, Ar, N2, CO2 và H2), có

độ tinh khiết cao

Khí mang thường dùng là tùy thuộc vào detector sử dụng Khi lựa chọn cần chú ý đến detector đang sử dụng như sau:

- Detector đo độ dẫn : khí mang có độ dẫn cao như H2, He Khí He có ưu điểm không nguy hiểm

- Detector ion hóa ngọn lửa : khí mang N2 do rẻ và không nguy hiểm nhưng trong trường hợp ghép nối với các thiết bị khác, ví dụ ghép nối với khối phổ phải dùng khí mang là He

- Detector cộng kết ngọn lửa thường dùng khí mang là N2

Đặc điểm một vài loại khí mang phổ biến:

He, Ar: là khí trơ hóa học rất thích hợp cho sắc ký ở nhiệt độ cao Trong đó He là

khí mang thông dụng nhất và thích hợp với hầu hết các detector dùng cho sắc ký khí

H2 : Hiệu suất tách lớn và thời gian phân tích ngắn, khi tăng tốc độ dòng lớn hơn

nhiều tốc độ dòng tối ưu nhưng hiệu suất (chiều cao đĩa lý thuyết) giảm rất ít Tuy nhiên dùng khí mang H2 khá nguy hiểm vì hydro có thể gây nổ khi tiếp xúc với oxy không khí, không dùng được cho detector khối phổ và là tác nhân phản ứng với các hợp chất không bão hòa trên bề mặt kim loại Khí H2 khi sử dụng làm khí mang cần dùng khí nitơ làm khí bảo vệ thổi qua cột trước Trong các phòng thí nghiệm người ta đã dùng phổ biến máy sản xuất khí hydro với công suất từ 125 ml/ph đến 225 ml/ph

Khi dùng H2 trong phòng thí nghiệm phải có mày dò chỗ hở H2 và cấm lửa

N2 : Hiệu suất tách tốt chỉ trong trường hợp nhiệt độ cột tách thấp và tốc độ

dòng thấp Giới hạn phát hiện đối với detector ion hóa ngọn lửa hơi thấp hơn He nhưng thời gian phân tích kéo dài hơn Khí nitơ do không nguy hiểm, giá rẻ và dễ dàng làm tinh khiết nên N2 được dùng nhiều cho sắc ký khí Cần chú ý là độ dẫn nhiệt của N2 rất gần với độ dẫn của nhiều khí và nhiều chất hữu cơ nên có trường hợp đỉnh sắc ký có thể

bị ngược

2.2 Hệ thống tiêm mẫu

Có 2 cách đưa mẫu vào cột là tiêm mẫu thủ công và tiêm mẫu tự động (Autosampler)

có hoặc không có bộ phận hóa hơi – headspace Cách thông dụng nhất để đưa mẫu vào cột là sử dụng một bơm tiêm mẫu vi lượng (microsyringe) để tiêm một mẫu lỏng hoặc khí qua một đệm cao su silicon (septum) chịu nhiệt vào một buồng hóa hơi (injector) Buồng này được đốt nóng với nhiệt độ thích hợp và được nối với cột tách Đối với các cột tách thông thường, cỡ mẫu thường thay đổi từ 1vài đến 20μl Cột mao quản đòi hỏil Cột mao quản đòi hỏi lượng mẫu đưa vào nhỏ hơn nên trong trường hợp này hệ thống chia dòng mẫu được thiết kế trong bộ tiêm mẫu được sử dụng để chỉ một phần nhỏ lượng mẫu được tiêm đi vào cột, phần còn lại được thải ra ngoài

Kỹ thuật sử dụng bơm tiêm:

- Hút dung dịch mẫu vào bơm tiêm và điều chỉnh dung dịch đến vạch rồi kéo ngược pittông ra sau để lượng mẫu đó chuyển hết vào thân bơm tiêm (đầu kim rỗng)

- Sau khi xuyên kim qua lớp đệm cao su silic của injector để yên khoảng 3 đến 5 giây để kim được cân bằng nhiệt độ trong injector rồi mới đẩy pittong

- Cách này giúp tránh một số cấu tử khó bay hơi còn đọng lại ở đầu kim gây sai

số khi định lượng những cấu tử này

Buồng tiêm gồm có 2 loại cơ bản là buồng tiêm cho cột nhồi và buồng tiêm cho cột mao quản Cấu tạo của chúng khác nhau chủ yếu về liner trong buồng tiêm Với mỗi loại cột và kỹ thuật tiêm có 1 loại liner riêng tùy thuộc vào cơ chế hoạt động của buồng tiêm

Hình 2.1: Cổng tiêm mao cho cột nhồi và mao quản

2.3 Cột sắc ký

Là bộ phận trung tâm của máy sắc ký Cột được đặt trong lò có thể điều chỉnh nhiệt độ theo chương trình Sắc ký khí sử dụng 2 loại cột: cột nhồi và cột mao quản Tùy theo loại mẫu, độ phức tạp của mẫu và loại máy sắc ký mà chọn cột nhồi hay cột mao quản Tùy theo loại cột tách sử dụng mà bộ phận tiêm mẫu (Injector) và đầu dò (Detector) cũng khác nhau

2.3.1 Cột nhồi

Cột thường được làm bằng thép không gỉ, niken, thủy tinh với đường kính khoảng từ 3 đến 6 mm và chiều dài khoảng từ 1 đến 5 m Cột nhồi chứa các hạt chất mang rắn được phủ một lớp pha tĩnh lỏng hoặc bản thân hạt rắn là pha tĩnh Chất mang rắn thường là diatomite đã được silan hóa để giảm liên kết hydro với các chất phân cực

Một số loại chất mang rắn:

Chromosorb A dùng ở qui mô điều chế, có khả năng giữ tốt pha lỏng (tối đa đến 25%), có cấu trúc khó bị phá vở và có bề mặt khá trơ Thường được sản xuất ở kých thước 10/20, 20/30 và 30/40 mesh Sử dụng cho những cột dài, chênh lệch áp suất thấp

Chromosorb G dùng để tách các hợp chất phân cực Nhờ có diện tích bề mặt thấp,

độ cứng, tỉ trọng cao nên nó được sử dụng cho các trường hợp tẩm pha lỏng hàm lượng thấp Tẩm 5% trên Chromosorb G tương ứng với tẩm 12 % trên Chromosorb W

Chromosorb P được chế tạo từ gạch chịu lửa C-22 có màu hồng (nên có ký hiệu P-pink) và tương đối cứng Bề mặt ít hấp thụ hơn so với các loại Chromosorb khác, được dùng cho những việc tách hydrocacbon

Chromosorb W được chế tạo từ Celite 545, màu trắng và dễ vỡ hơn so với loại G

Bề mặt tương đối không hấp thụ và được dùng để tách các hợp chất hữu cơ phân cực.

Có hai điều quan trọng khi chọn chất mang là: cấu trúc và đặc tính bề mặt.

-Cấu trúc góp phần vào hiệu quả chất mang, trong khi các đặc trưng bề mặt chi phối sự tham gia của chất mang vào kết quả của việc tách

-Các chất mang phải là các chất trơ về mặt hóa học với tất cả các loại mẫu Nó nên có diện tích bề mặt lớn để pha lỏng có thể trải thành một lớp phim mỏng cấu trúc bề mặt phải thích hợp để lưu giữu lớp phim mỏng đó Tuy nhiên, diện tích bề mặt lớn không là điều đảm bảo cột hiệu quả

2.3.2 Cột mao quản:

Đa số các phép phân tích trong sắc ký khí sử dụng các cột mao quản dài từ 10 đến

50 m và đường kính trong rất nhỏ từ 0.1 đến 0.5 mm Các cột này được chế tạo từ thủy tinh oxit tinh khiết nấu chảy có mức độ liên kết ngang cao hơn nhiều so với thủy tinh thường nên bền và chịu được nhiệt độ cao đến 350oC Lực căng cao của ống thủy tinh cho phép chế tạo các cột có thành mỏng và dễ uốn Các cột mao quản mở có lớp phim mỏng tráng trên thành ống cung cấp độ phân giải cao hơn, thời gian phân tích ngắn hơn

và độ nhạy cao hơn cột nhồi nhưng chúng có dung lượng thấp hơn cho các mẫu Cột mao quản mở hẹp cung cấp độ phân giải cao hơn cột mao quản mở rộng hơn nhưng chúng đòi hỏi áp suất cao hơn để hoạt động và có dung lượng cho mẫu nhỏ hơn Lớp phim mỏng lỏng pha tĩnh dày khoảng từ 0.1 đến 5 µm trên bề mặt bên trong Nếu giảm

độ dày của lớp phim này sẽ làm tăng độ phân giải, giảm thời gian lưu và giảm dung lượng cho mẫu Một loại khác là các cột mao quản có các hạt rắn chất mang phủ một lớp pha tĩnh lỏng được gắn trên bề mặt bên trong của cột Bởi vì diện tích bề mặt của loại này tăng lên, cột này có thể xử lý những mẫu lớn hơn cột phủ lớp phim mỏng trên thành cột Loại cột này là trung gian giữa cột mao quản phủ phim mỏng trên thành và cột nhồi

h 2.2: Cấu tạo bên trong của cột mao quả và cột nhồi

2.3.3 Cột pha tĩnh lỏng (sắc ký khí lỏng)

a) Chất mang: là những hạt chất rắn nhỏ, bền nhiệt, trơ về hóa học, xốp,

có lỗ cỡ 1-5 µm, bề mặt lớn 1-10 m2/g Cỡ hạt có thể tính bằng mesh

Ví dụ: Chromosorb 80 – 100 là loại hạt rây có 80 lỗ / in2 rồi rây tiếp qua ray 100 lỗ/in2

được hạt cỡ 177- 149 µm Hay dung Chromosorb P (pink) và Chromosorb W (white)

b) Pha tĩnh: phải chịu nhiệt, hóa lỏng ở nhiệt độ phân tích, có độ sôi vượt

quá nhiệt độ làm việc của cột hơn 100 0 C, trơ về hóa học

Một số loại pha tĩnh các polyester glycol, polyether glycol (các loại Carbowax), các silicon (OV, SE, XE…), các hydrocacbon no

Người ta đã nghiên cứu, lựa chọn nhiều chất làm pha tĩnh Một vấn đề quan trọng là pha tĩnh lỏng phải cho hệ số phân bố khác nhau với chất tan Điều này liên quan đến độ phân cực của pha tĩnh Thường phân ra 4 loại:

Pha tĩnh phân cực thường có nhóm chức –CN, - CO và –OH

Pha tĩnh không phân cực thường là dẫn chất dialkyl siloxan, hydrocarbon bão hoà

Pha tĩnh rất phân cực như các polyol

Pha tĩnh phân cực trung bình: các hợp chất ether, ceton, aldehyde.

Hiện nay có hai nhóm chất được dùng phổ biến làm pha tĩnh cho sắc ký khí-lỏng: nhóm dẫn chất polydimetyl siloxan để chế tạo các pha tĩnh không phân cực và nhóm polythylen glycol (PEG) để chế tạo các pha tĩnh phân cực

2.3.4 Cột pha tĩnh rắn (sắc ký khí rắn)

Hay dùng:

 Các chất rây phân tử (gel aluminnosilicat khử nước)

 Các polymer xốp porapak

2.4 Lò cột

Dùng để điều khiển nhiệt độ cột phân tích

Khi buồng tiêm được đặt ở nhiệt độ cao (vaporizing inlet), mẫu bay hơi nhanh

và di chuyển đến cột, do đó thường gây ra độ lệch tương đối lớn về thể tích mẫu vào cột Dù nhiệt độ cao của buồng tiêm giúp bảo vệ cột, tuy nhiên nó có thể làm phân hủy các chất kém bền nhiệt, phân biệt các chất có điểm sôi khác nhau trong mẫu, gây mất mẫu hay quá tải cột tách

Khi nhiệt độ của buồng tiêm được giữ dưới nhiệt độ sôi của dung môi khi tiêm mẫu (cool inlet), sau đó tăng dần và bắt đầu quá trình sắc ký sẽ làm giảm tối thiểu sự phân hủy, giảm sự phân biệt đối xử giữa các chất có mức độ hóa hơi khác nhau trong mẫu phân tích, đồng thời làm tăng độ nhạy và độ lặp lại của quá trình sắc ký khí

Để bảo đảm tính lặp lại của thời gian lưu thì cần phải ổn định nhiệt độ cột sắc

ký (Column Thermostating)do đó lò ổn nhiệt (thermostating oven) là cần thiết Tùy vào

độ phức tạp các cấu tử trong mẫu mà có hai chế độ nhiệt trong lò là Isothermal và

Temperature Programming

- Isothermal : đối với mẫu đơn giảnTopti.= f(Tsôi), Topti≥ Tsôi với RT= 2 – 30 phút

2.5 Đầu dò ( Detector )

Detector có nhiệm vụ chuyển hóa một đại lượng không điện (trong trường hợp này là nồng độ của các chất được tách khỏi cột sắc ký) thành đại lượng điện và

có

chức năng phát hiện và đo độ lớn của các cấu tử khi ra khỏi cột sắc ký Vì vậy detector quyết định một phần độ chính xác cũng như độ nhạy của phương pháp Dectector được chialàm 2 loại :

1) Các detector vạn năng :

Đây là những detector không đặc hiệu, có thể phát hiện tất cả các chất

Detector dẫn nhiệt (TCD_thermal conductivity detector) còn gọi là kataromet: khi có chất đi qua có sự thay đổi độ dẫn nhiệt của môi trường, xuất hiện tín hiệu điện: đây là một detector vạn năng nhưng độ nhạy trung bình

Detector ion hóa ngọn lửa (FID_flame ionization detector) : khi chất hữu cơ đi qua ngọn lửa sẽ bị ion hóa Các ion này được góp lên điện cực tạo nên dòng điện tỷ lệ với nồng độ ion chất phân tích Detector này không phát hiện được các chất vô cơ (như CO2, H2S…)

và một vài chất hữu cơ như: fomaldehyd, acid fomic và các dẫn chất đã halogen hóa hết Đây là Detector được dùng nhiều nhất, nhạy hơn TCD khoảng 3 lần phát hiện được đến nồng độ 10-8 g/ml

2) Detector đặc hiệu :

Detector NPD (detector nhiệt ion) Cấu tạo tương tự Detector FID nhưng ngọn lửa nghèo nhiên liệu, có nhiệt độ thấp chỉ đáp ứng tốt với các chất có N, P nhạy hơn FID nhiều từ 10 – 100 lần

Detector bắt điện từ hay cộng điện kết điện từ (ECD_electron capture) ở một điện cực có điện từ bắn ra Khi có chất phân tích M là chất ái điện tử đi qua thì M kết hợp với điện tử thành M+ Số điện tử giảm cho ta tín hiệu của M Độ nhạy cao 10-13 g/ml, nhạy với các halogen phát hiện được với các chất thơm đa vòng

Detector đo quang ngọn lửa FID: ngọn lửa giàu hydro, khử mạnh có đáp ứng với các chất B

2.6 Hệ thống xử lí số liệu

Từ những tín hiệu được ghi nhận từ detector sẽ đi qua hệ thống khuyếch đại, sau

đó qua hệ thống chuyển đổi tín hiệu, đưa tín hiệu vào máy tính Ở đó ta có thể xử lý số liệu và xuất dữ liệu ra được

Hình 2.3: Hệ thống ghi nhận và xử lí số liệu

3 Nguyên lí hoạt động

Mẫu ở dạng lỏng hoặc khí được bơm qua injector vào buồng hóa hơi của thiết bị rồi

di vaò cột tách Tại đây, thực hiện các quá trình hấp thụ và giải hấp giữa cấu tử chất trong mẫu và pha tĩnh của cột tách Các chất sẽ lần lượt ra khỏi cột và đi vào detector Detector dò nhận và cho thông tin là các tín hiệu pic trên sắc ký đồ

Sắc ký khí là phương pháp sắc ký được dung để trách các chất ở thể khí hay dạng hơi, với pha động là chất khí, gọi là khí mang (carier gas)