bài giảng về sắc ký khí

Tổng quan về phân tích sắc ký: Sắc ký Chromatography là phương pháp tách, phân ly, phân tách các chất dựa vào sự phân bố khác nhau của chúng giữa hai pha động và tĩnh.. Nó bao gồm việc

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SẮC KÝ KHÍ

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SẮC KÝ

I Tổng quan về phân tích sắc ký:

Sắc ký (Chromatography) là phương pháp tách, phân ly, phân tách các chất dựa vào

sự phân bố khác nhau của chúng giữa hai pha động và tĩnh

Khi tiếp xúc với pha tĩnh, các cấu tử của hỗn hợp sẽ phân bố giữa pha động và pha tĩnh

tương ứng với tính chất của chúng (tính bị hấp phụ, tính tan, …) Trong hệ thống sắc ký

chỉ có các phân tử pha động mới chuyển động dọc theo hệ sắc ký Các chất khác nhau sẽ

có ái lực khác nhau với pha động và pha tĩnh Trong quá trình chuyển động dọc theo hệ

sắc ký hết lớp pha tĩnh này đến lớp pha tĩnh khác, sẽ lặp đi lặp lại quá trình hấp phụ, phản

hấp phụ Hệ quả là các chất có ái lực lớn với pha tĩnh sẽ chuyện động chậm hơn qua hệ

thống sắc ký so với các chất tương tác yếu hơn pha này Nhờ đặc điểm này mà người ta

có thể tách các chất qua quá trình sắc ký

Sắc ký là một họ các kĩ thuật hoá học phân tích dùng để tách các chất trong một hỗn hợp Nó

bao gồm việc cho mẫu chứa chất cần phân tích trong "pha động", thường là dòng chảy của dung môi, di chuyển qua "pha tĩnh." Pha tĩnh trì hoãn sự di chuyển của các thành phần trong mẫu Khi các thành phần này di chuyển qua hệ thống với tốc độ khác nhau, chúng sẽ được tách khỏi nhau theo thời gian

Thuật ngữ sắc ký (chromatography) lần đầu tiên được giới thiệu bởi nhà thực vật Mikhail Tswwett, người Nga, để ghi nhận quá trình tách pigment thực vật trên cột tách bằng vật liệu CaCO3 Kết quả trên cột xuất hiện dãy mày sắc khác nhau

II Cơ sở của phương pháp sắc ký:

Phương pháp sắc ký dựa vào sự phân bố khác nhau của các chất giữa hai pha động và tĩnh Có nhiều nguyên nhân đưa đến sự phân bố khác nhau của các chất, nhưng chính sự lặp đi lặp lại hiện tượng hấp phụ - phản hấp phụ của các chất khi dòng pha động chuyển động qua pha tĩnh là nguyên nhân chủ yếu của việc tách sắc ký

III Phân loại và phương pháp tiến hành phân tích sắc ký:

Trong phương pháp sắc ký, pha động phải là các lưu thể (các chất ở dạng khí hay lỏng), còn pha tĩnh có thể là các chất ở trạng thái lỏng hoặc rắn Dựa vào trạng thái tập hợp của pha động, người ta có thể chia sắc ký thành hai nhóm lớn: SẮC KÝ KHÍ (Gas Chromatography- GC) và SẮC KÝ LỎNG (Liquid Chromatography) Dựa vào cơ chế trao đổi của các chất giữa hai pha động và tĩnh người ta lại chia các phương pháp sắc ký thành các nhóm nhỏ hơn

Tuỳ thuộc chế độ đưa mẫu vào hệ thống sắc ký cũng như các thao tác tiến hành sắc

ký, người ta chia cách tiến hành sắc ký thành ba loại:

1 Phương pháp tiền lưu:

Đây là phương pháp sắc ký đơn giản nhất người ta cho hỗn hợp, ví dụ, hai chất A và

B liên tục chảy qua cột có nạp sẵn các các chất hấp phụ Người ta xác định nồng độ các cấu tử trong dung dịch chảy ra khỏi cột và xây dựng đồ thị theo hệ toạ độ: nồng độ cấu tử- thể tích dung dịch chảy qua cột đồ thị này thường gọi là sắc ký đồ hay đường cong thoát (có tác giả gọi là đường cong xuất) Do các cấu tử bị hấp phụ lên cột, nên trước hết

từ cột chỉ chảy ra dung môi Sau đó trong dung dịch thoát sẽ có cấu tử bị hấp phụ yến hơn trên cột, ví dụ cấu tử A, sau đó đến phần dung dịch chứa hỗn hợp A+B, đường cong thoát theo phương pháp tiền lưu cho trên hình dưới Trong phương pháp tiền lưu, ta chỉ thu được dung dịch thoát có cấu tử A tinh khiết ở lúc đầu, sau đó là hỗn hợp A+B Phương

2

pháp tiền lưu không cho phép tách hoàn toàn các cấu tử ra khỏi nhau nên thực tế ít được dùng vào mục đích phân tích các chất

2 Phương pháp rửa giải :

Trong phương pháp rửa giải, đầu tiên người ta cho Vml dung dịch chứa hỗn hợp các cấu tử (ví dụ, hỗn hợp hai cấu tử A và B, trong đó A có ái lực với cột nhỏ hơn B) chạy qua cột Các cấu tử A, B chứa trong Vml trước hết sẽ bị giữ lại ở phần trên của cột Sau

đó cho dung dịch rửa (thường là dung môi hoà tan các cấu tử) chảy qua cột Lúc đó các cấu tử bị giữ ở phần trên của cột sẽ bị dung môi “rửa” và đưa dẫn xuống phía dưới Cấu

tử A có ái lực với cột nhỏ hơn B nên chuyển động xuống phía dưới nhanh hơn B Nếu cột

đủ dài và chế độ chảy của dung dịch rửa thích hợp thì sau một thời gian cho chảy dung dịch rửa, các cấu tử tách ra thành từng vùng Các vùng này sẽ tuần tự thoát ra khỏi cột, mỗi vùng lại được cách nhau bằng một phần dung môi Hình bên dưới biểu diễn đường cong thoát của quá trình rửa giải Trong phương pháp rửa giải, người ta cũng hay dùng những dung dịch chứa một cấu tử có ái lực với cột nhưng phải nhỏ hơn ái lực của các cấu

tử cần tách với cột

3 Phương pháp rửa đẩy

Trong phương pháp rửa đẩy, sau khi đưa mẫu vào cột, ta cho chảy qua cột một dung dịch rửa chứa chất có ái lực với pha tĩnh lớn hơn các cấu tử cần tách Các cấu tử cần tách

sẽ bị chuyển dần xuống phía dưới khi ta tiến hành quá trình rửa cột và tuần tự thoát ra khỏi cột Cấu tử thoát ra khỏi cột đầu tiên là cấu tử tương tác với pha tĩnh yếu nhất, sau

đó dần dần đến các cấu tử có ái lực với cột mạnh dần Khác với phương pháp rửa giải, nồng độ các cấu tử không giảm qua quá trình sắc ký Một nhược điểm quan trọng của phương pháp rửa đẩy là rất khó phân biệt các phần riêng của các cấu tử trong dung dịch thoát vì ở đây giữa các phần dung dịch thoát chứa các cấu tử không tách nhau bằng các thể tích dung dịch rửa

CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SẮC KÝ – SẮC KÝ KHÍ

I Các phương pháp phân tích sắc ký:

Do tính đa dạng của phương pháp phân tích sắc ký cho nên việc phân loại được dựa trên:

Phân loại dựa vào trạng thái vật lý của các pha:

Đây là phương pháp phân loại phổ biến nhất dựa trên tính tự nhiên của 2 pha sử dụng

là Pha động và Pha tĩnh:

Rắn – Lỏng

Sắc ký:

Rắn – Khí

Lỏng – Lỏng Lỏng - KhíSắc ký:

- Pha động có thể là khí, tương ứng với sắc ký khí

- Pha động có thể là lỏng, tương ứng với sắc ký lỏng

- Khi pha tĩnh – Rắn, pha động – Lỏng, khi đó gọi là sắc ký Rắn – Lỏng

- Khi pha tĩnh – Lỏng, pha động – Lỏng, khi đó gọi là sắc ký Lỏng – Lỏng

4 Pha tĩnh

Pha động

Phân loại dựa vào cơ chế của quá trình tách:

- Sắc ký hấp phụ

- Sắc ký phân bố

- Sắc ký trao đổi ion

- Sắc ký thẩm thấu gel

Hình: minh họa sắc ký trao đổi ion.

Hình: sắc ký lọc gel.

II Phương pháp phân tích sắc ký khí (Gas Chromatography):

6 Gas Chromatography

1 Khái niệm:

Cũng dựa trên nguyên tắc chung của các phương pháp sắc ký, đó là có sự di chuyển của pha động đi qua pha tĩnh mà kết quả là chất sắc ký sẽ được tách riêng biệt từ hỗn hợp

- Là phương pháp tách

- Dựa trên hai quá trình:

o Hấp phụ

o Giải hấp phụ

- Xảy ra liên tục giữa 2 pha:

o Pha tĩnh: thường là rắn hoặc lỏng

o Pha động: là khí

Sắc ký khí là một phương pháp chia tách trong đó pha động là 1 chất khí (được gọi là khí mang) và pha tĩnh chứa trong cột là một chất rắn hoặc chất lỏng phủ trên bề mặt chất mang trơ dạng rắn hay phủ đều lên thành phía trong của cột Tuỳ thuộc bản chất pha tĩnh chia thành hai loại sắc ký khí:

- Sắc ký khí rắn (gas solid chromatography - GSC): Chất phân tích được hấp phụ trực tiếp trên pha tĩnh là các tiểu phân rắn

T=0’

T=10’

T=20’

Most Interaction with Stationary Phase Least

Hướng di chuyển pha động

- Sắc ký khí lỏng (gas liquid chromatography - GLC): Pha tĩnh là 1 chất lỏng không bay hơi

2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của sắc ký khí:

Sơ đồ khối của một máy sắc ký:

Sơ đồ một hệ sắc ký với đầu dò FID:

8

Các bộ phận cơ bản của máy sắc ký khí bao gồm:

- Nguồn cung cấp khí mang: thường là bình khí hoặc là máy sinh khí.(1)

- Hệ thống điều khiển áp suất hoặc tốc độ dòng khí mang (2+3): điều khiển cơ chế điện tử

PACKED, WBI,…

- Lò cột (5) dùng để điều khiển nhiệt độ cột tách

- Cột tách (6): là nơi xảy ra các quá trình tách chất Các loại cột gồm cột nhồi, cột mao quản,…

- Đầu dò (detector)(7): có nhiều loại khác nhau tùy theo mục đích phân tích Dùng

để phát hiện chất và định lượng

- Hệ thống ghi nhận và xử lý tín hiệu: dùng để ghi nhận và tính toán các kết quả

(1) – Bình chứa khí nén – khí mang (khí trơ về mặt sắc ký He,N2,…)

(2) – Thiết bị nạp mẫu khí – Injector

(3) – Cột sắc ký – Column

(4) – Thiết bị ghi nhận – Detector

(5) – Bộ xử lý tín hiệu, tính toán kết quả

a, Khí mang:

Thường sử dụng khí trơ về mặt sắc ký như He, N2,… để tạo sự di chuyển pha động Khí mang phải thỏa mãn các điều kiện:

- Độ tinh khiết cao

- Không thay đổi trạng thái hóa lý khi đi qua cột sắc ký

- Phải thể hiện tính trơ đối với pha tĩnh, chất phân tích, vật liệu làm cột sắc ký và detector

- Có khả năng hấp phụ càng nhỏ càng tốt

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

b, Injector:

Mẫu khí khi chưa nạp vào cột thì ở dạng lỏng (hóa lỏng), khi đưa vào thiết bị để nạp vào cột thì phải hóa hơi chúng bằng nhiệt độ Bắt buộc mẫu qua cột phải ở dạng khí Trong Injector có một bộ phận hóa hơi Mẫu lỏng đi nạp vào được gia nhiệt để thành hơi rồi mới cho chạy qua cột nhờ khí mang

c, Column:

Cột tách sắc ký có 2 dạng:

- Cột nhồi:

o Thường được dùng với các máy sắc ký thế hệ cũ hoặc các máy dùng cho mục đích đặc biệt

o Thường làm bằng thép không gỉ, thủy tinh…

o Chiều dài < 5m, thông thường từ 1 – 3m

o Đường kính cột khoảng từ 3 – 6 mm

o Thường được nhồi bởi các hạt có đường kính 100 – 120 mesh

o Hiệu quả thấp

o Nếu cột quá dài sẽ gây áp suất đầu cột quá lớn, vì vậy cột không thể dài quá, dẫn đến số đĩa lý thuyết thấp

o Hiện nay có một số loại cột nhồi mới có đường kính nhỏ (< 1mm) cho phép nâng chiều dài cột lên vài chục mét Thường dùng cho một số ứng dụng đặc biệt mà cột mao quản không đáp ứng được

o Đường kính của cột lớn nên ít chịu ảnh hưởng của tạp chất

o Mẫu đưa vào không đòi hỏi phải tinh chế kỹ

o Mẫu thường bơm với thể tích lớn nên sai số giữa các lần bơm nhỏ

o Các cột nhồi có đường kính nhỏ (<1mm) được dùng trong:

 Các phép phân tích cần độ phân giải cao

 Hoặc cơ chế hấp phụ đặc biệt

 Hoặc dùng phân tích với nhiệt độ rất cao

 Hoặc tốc độ tăng – giảm nhiệt độ rấ nhanh

10

- Cột mao quản:

o Thường được làm bằng vật liệu FUSED SILICA có tính bền về mặt vật lý rất cao và trơ về mặt hóa học

o Có chiều dài thông thường từ 10 – 30m Trong những trường hợp cần tăng hiệu quả tách người ta có thể chế tạo các cột có chiều dài 100 – 150m

o Đường kính cột trong khoảng 0,53 – 0,1mm

o Cột mao quản được chia làm 2 loại chính là:

 WCOT: cột mao quản phim mỏng

 PLOT: cột mao quản lớp mỏng

d, Detector:

Detector có chức năng chuyển đổi đại lượng không điện (nồng độ của chất được tách khỏi cột sắc ký) thành đại lượng điện

Có 3 loại detector phổ biến:

- Detector dẫn nhiệt TCD:

Cấu tạo gồm 2 buồng:

+ Buồng so sánh

+ Buồng đo

Khí mang như H2, He, N2… đi qua buồng so sánh

Đều tiếp nhận các dòng khí

Khí được sắc ký sau khi tách ra khỏi cột thì đi qua buồng đo.

Nếu thành phần khí ở buồng đo và buồng so sánh như nhau thì tín hiệu nhận được bằng không

- Detector ion hóa ngọn lửa:

Dựa trên nguyên tắc các chất cần sắc ký sẽ bị

ion hóa khi gặp ngọn lửa đèn hydrogen Kết quả

là trong buồng detector tạo ra dòng ion hóa

Như vậy, ở nhiệt độ cao của ngọn lửa hydrogen,

các chất từ cột tách đi vào detector sẽ bị ion hóa

thành các ion trái dấu, các ion này di chuyển đến

các điện cực âm (-) và dương (+)

VD: C6H6 → 6CH*

6CH* + 3O2 → 6CHO* + 6e

-Detector TDC ghi nhận Thích hợp cho việc phân

tích các hợ chất hữu cơ chứa carbon Không thích hợp cho các

khí CO, CO2, SO2,…

- Detector bắt electron:

Bộ phận chính là buồng ion có chứa nguồn phóng xạ phát

beta, tại đây diễn ra các quá trình ion hóa, bắt giữ điện tử và tái kết

hợp

3 Pha tĩnh dùng cho cột sắc ký:

Yêu cầu chung cho pha tĩnh:

- Ít bay hơi

- Bền nhiệt

- Trơ về mặt hóa học

- Thường pha tĩnh được chọn trong phân tích dựa trên độ phân cực

- Pha tĩnh của cột và các chất phân tích cần có độ phân cực tương tự thì mới tách tốt (các chất giống nhau hòa tan tốt vào nhau)

Pha tĩnh rắn cho cột nhồi:

- Các pha tĩnh rắn có ưu điểm hơn pha tĩnh lỏng như:

o Chất hấp phụ rắn bền và ổn định trong một khoảng nhiệt độ lớn

o Hiện tượng chảy máu cột hầu như không xảy ra

o Dùng tách rất tốt các hydrocarbon nhẹ, khí hiếm, khí trơ, các alcol…

o Một số pha tĩnh thường dùng là Diatomic, Molecular Sieve, Tenax,… Pha tĩnh rắn cho cột PLOT:

- Các pha tĩnh về căn bản giống như trong cột nhồi

- Tuy nhiên kích thước hạt nhỏ hơn (thường 1µm hoặc nhỏ hơn) và có độ đồng nhất cao hơn để dễ phủ lên bề mặt cột mao quản

- Có diện tích bề mặt và hệ số tải lớn như cột nhồi nhưng cột dài hơn nên hiệu quả tách, độ lặp lại và độ ổn định cao hơn cột nhồi

- Cho phép phân tích những hợp chất rất phân cực mà cột WCOT không phân tích được hoặc rất khó phân tích

Các pha tĩnh lỏng:

- Chủ yếu được sử dụng cho cột WCOT

12

- Các pha tĩnh thường được phân loại theo độ phân cực

- Trong nhóm các pha tĩnh cơ bản, nhóm Methylsilicone là quan trọng nhất và hay được sử dụng nhất

- Quá trình tách dựa chủ yếu trên nhiệt độ sôi của chất và tương tác của chất với pha tĩnh

Pha tĩnh dùng cho cột sắc ký:

Cấu trúc của pha tĩnh:

- Polydimethyl siloxane (R=CH4) là

tĩnh khác

- Khi thay thế nhóm methyl bằng các

phân cực và khả năng tách

o Phenyl – C6H5

o Cyanopropyl – C3H3CN

o Tryfluropropyl – C3H6CF3

Cấu trúc và khoảng nhiệt độ làm việc của 1 số pha tĩnh trong cột mao quản:

14

So sánh giữa cột nhồi và cột WCOT:

Để nâng cao hiệu suất tách có thể:

- Lựa chọn pha tĩnh, chiều dài cột, đường kính cột… phù hợp với lượng mẫu, loại mẫu, lựa chọn chương trình nhiệt độ phù hợp

- Ghép nối hai hay nhiều cột có pha tĩnh khác nhau

- Với những mẫu có thành phần phức tạp việc ghép nối cột thường được sử dụng

- Những cột có đường kính không khác nhau nhiều có thể ghép nối với nhau

- Nếu kết hợp với van chuyển đổi cột tự động cho phép tự động chuyển cột trong quá trình phân tích

III Phương pháp chiết pha rắn:

Chiết pha rắn (SPE – solid phase extraction) là kỹ thuật tách chất tan giữa hai pha lỏng – rắn, ở đây chất tan được chiết từ pha lỏng sang pha rắn

Mục đích là loại bỏ chất cản trở, chất gây nhiễu, chất lơ lửng có trong mẫu, hay nói cách khác là làm sạch mẫu

16

MỤC LỤC