TÌM HIỂU THIÊT bị GCMS và ỨNG DỤNG THỰC TIỄN

TÌM HIỂU THIÊT bị GCMS và ỨNG DỤNG THỰC TIỄN

ĐỒ ÁN MÔN HỌCKỸ THUẬT CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

TÊN ĐỀ TÀI : TÌM HIỂU THIÊT BỊ GC/MS

VÀ ỨNG DỤNG THỰC TIỄN

GVHD: ĐẶNG VĂN SỬ

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 12/2015

Khoa: CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

Khóa: 03

Sinh viên trường: Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm Thành Phố Hồ Chí Minh

Sau quá trình làm đồ án, giáo viên hướng dẫn nhận xét, đánh giá như sau: 1 NHẬN XÉT

2.ĐÁNH GIÁ :

Giáo viên hướng dẫn

(Ký, ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Em xin phép được gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy cô trong khoa

đã giúp em có kiến thức nền tảng để thực hiện đồ án này, cũngnhư quá trình học tập giúp em luyện những kĩ năng cần thiết đểgiờ em có thể nghiên cứu, tìm tòi, hoan thành được để tài củamình Em xin giử lời cảm ơn trực tiếp tới thầy Đặng Văn Sử đã trựctiếp hướng dẫn em

Do kĩ năng và kiến thức còn rất nhiều hạn chế nên thật sự bài tìmhiểu của em còn rất nhiều thiếu sót mong thầy có thể cho em ýkiến đóng góp để các lần tới em có thể hoàn thành tốt hơn nữa

Em xin trân thành cảm ơn

TÀI LIỆU KHAM KHẢO……….…… 28

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GC-MS1.1 GIỚI THIỆU

Sắc ký khí ghép khối phổ (GC/MS_Gas Chromatography MassSpectometry) là một trong những phương pháp sắc ký hiện đạinhất hiện nay với độ nhạy và độ đặc hiệu cao và được sử dụngtrong các nghiên cứu và phân tích kết hợp Thiết bị GC/MS đượccấu tạo thành 2 phần: phần sắc ký khí (GC) dùng để phân tích hỗnhợp các chất và tìm ra chất cần phân tích, phần khối phổ (MS) mô

tả các hợp phần riêng lẻ bằng cách mô tả số khối Bằng sự kết hợp

2 kỹ thuật này (GC/MS_Gas Chromatography Mass Spectometry),các nhà hoá học có thể đánh giá, phân tích định tính và định lượng

và có cách giải quyết đối với một số hóa chất Ngày nay, người taứng dụng kỹ thuật GC/MS rất nhiều và sử dụng rộng rãi trong cácnghành như y học, môi trường, nông sản, kiểm nghiệm thực phẩm

và rất nhiều nhành khác

1.2.1 Sắc ký khí (GC):

1.2.1.1 Cửa tiêm mẫu (injection port): 1 microliter dung môi chứa

hỗn hợp các chất sẽ được tiêm vào hệ thống tại cửa này Mẫu sau đó được dẫn qua hệ thống bởi khí trơ, thường là helium Nhiệt độ ở cửa tiêm mẫu được nâng lên 3000C để mẫu trở thành dạng khí

1.2.1.2 Vỏ ngoài (oven): Phần vỏ của hệ thống GC chính là một lò

nung đặc biệt Nhiệt độ của lò này dao động từ 400C cho tới 3200C.

1.2.1.3 Cột (column): Bên trong hệ thống GC là một cuộn ống nhỏ

hình trụ có chiều dài 30 mét với mặt trong được tráng bằng một loại polymer đặc biệt Các chất trong hỗn hợp được phân tách bằng cách chạy dọc theo cột này

Nhờ có khí mang chứa trong bơm khí, mẫu từ nguồn bơm hơi đượcdẫn vào cột tách nằm trong buồng điều nhiệt Quá trính sắc ký xảy

ra tại đây Sau khi ra khỏi cột tách tại các thời điểm khác nhau, cáccấu tử lần lượt đi vào detector, tại đó chúng được chuyển thành tínhiệu điện Tín hiệu này được khuếch đại rồi chuyển sang bộ ghi,máy vi tính Các tín hiệu này được xử lý ở đó rồi chuyển sang bộphận in và lưu kết quả

Trên sắc ký đồ nhận được, sẽ có các tín hiệu ứng với các cấu tửđược tách gọi là peak Thời gian lưu của peak là đại lượng đặctrưng cho chất cần tách Còn diện tích của peak là thước đo địnhlượng cho từng chất trong hỗn hợp cần nghiên cứu.

1.2.2 Khối phổ (MS):

Khối phổ được dùng để xác định một chất hóa học dựa trên cấutrúc của nó Hãy tưởng tượng đến một bộ đồ chơi ghép hình Nếuchẳng may bạn đánh rơi bộ đồ chơi này xuống nền nhà, khi đó một

số mảnh ghép bị văng ra trong khi một số khác vẫn dính với nhau.Xem xét lại các mảnh này bạn có thể tưởng tượng ra được hìnhảnh cần ghép Đây cũng chính là nguyên lý của Khối phổ

1.2.2.1 Nguồn Ion (ion source): Sau khi đi qua cột sắc kí khí, các hóa chất tiếp tục

đi vào pha khối phổ Các phân tử phải đi qua một luồng electrons và vì vậychúng có thể bị chia thành các mảnh nhỏ hơn và tích điện dương Các mảnhnày được gọi là ion Điều này là quan trọng bởi vì các hạt cần ở trạng tháitích điện thì mới đi qua được bộ lọc

1.2.2.2 Bộ lọc (Filter): Khi các ion di chuyển trong bộ phận khối phổ, dựa trên

khối lượng mà chúng được sàng lọc bởi một trường điện từ Bộ lọc này cókhả năng lựa chọn, tức là chỉ cho phép các hạt có khối lượng nằm trongmột giới hạn nhất định đi qua

1.2.2.3 Bộ cảm biến (detector): Thiết bị cảm biến có nhiệm vụ đếm số lượng các

hạt có cùng khối lượng Thông tin này sau đó được chuyển đến máy tính.Tại đây các phép tính được thực hiện và xuất ra kết quả gọi là khối phổ(mass spectrum) Khối phổ là một biểu đồ phản ánh số lượng các ion vớicác khối lượng khác nhau đã đi qua bộ lọc

1.2.3 So sánh giữa phương pháp sắc ký và phương pháp khối phổ

1.2.3.1 Những đặc tính chung :

• Mẫu được nghiên cứu trong trạng thái khí

• Cả hai phương pháp đều có độ nhạy cao

• Tốc độ phân tích của cả hai phương pháp tương tự nhau

1.2.3.2 Sự khác biệt duy nhất giữa hai phương pháp này: là trong cột sắc ký luôn

tồn tại một áp suất lớn hơn áp suất môi trường, trong khi đó buồng ion củamáy khối phổ lại hoạt động ở một chân không cao (khoảng 10-6mmHg)

Để có thể ghép nối giữa cột sắc ký và buồng ion, giữa hai thiết bị này cómột bộ phận dùng để tách khí mang (thường là helium) trước khi vàobuồng ion hóa Nhờ đó mà độ chân không của nguồn ion không bị ảnhhưởng Toàn bộ hệ thống GC/MS được nối với máy tính để điều khiển tựđộng, xử lý số liệu, lưu trữ và ghi phổ Phổ MS ghi được sẽ được so sánhvới các phổ MS chuẩn chứa trong thư viện máy tính, nhờ đó mà xác địnhđược các chất có trong mẫu Thư viện phổ cần phải có nhiều phổ chuẩn đểtăng độ chính xác cho sự dò tìm và so sánh

1.2.3.3 Những ưu điểm của phương pháp GC/MS :

• Lượng mẫu cần phân tích nhỏ

• Nghiên cứu được các hợp chất không bền

• Tiến hành tốt việc tách và nhận biết đồng thời hỗn hợpnhiều cấu tử

1.2.3.4 Nhược điểm của phương pháp là không phân tách được các chất có trọng

lượng phân tử cao, có nhiệt độ bay hơi cao

1.2.4 Nguyên Tắc Hoạt Động Máy Sắc Ký Khí Ghép Khối Phổ (GC/MS)

Khối phổ kế hoạt động như một máy dò cho sắc ký khí Chất phântích được bơm vào cửa tiêm của sắc kí khí

Nhiệt độ ở cửa tiêm mẫu được nâng lên 3000C để mẫu trở thànhdạng khí Các mao mạch dẫn trực tiếp chúng vào nguồn ion hóa

Hình 1.1 GC Column/MS Interface (1)

Cơ sở của phương pháp MS đối với các hợp chất hữu cơ là sự bắnphá các phân tử trung hòa thành các ion phân tử mang điện tíchdương hoặc phá vỡ các mảnh ion, các gốc theo sơ đồ sau bằng cácphần tử mang năng lượng cao.

Năng lượng bắn phá phân tử thành ion phân tử khoảng 10eV, sựphá vỡ này phụ thuộc cấu tạo chất, phương pháp và năng lượngbắn phá quá trình ion hóa Ion phân tử có số khối (m/e) ký hiệu làM+ Có nhiều phương pháp ion hóa khác nhau như va chạm

Hình 1.2 GC Column/MS Interface (2)

Hình 1.3 Ionization Chamber (1)

Hình 1.4 Ionization Chamber (2)

electron, ion hóa photon, ion hóa trường, bắn phá ion, bắn phánguyên tử nhanh

DC và RF (x / y) được sử dụng để tách biệt các ion đi qua một ống

sơ tán cao Các mảnh khối lượng của một chất phân tích đi qua, tạimột thời điểm quét nếu chúng phù hợp với x / y thì cho phép mảnhkhối lượng đi vào máy dò khối phổ Thời gian của toàn bộ một lầnquét từ m / z thấp đến m/z cao, ví dụ: khoảng 0,6 giây Và phạm vim/z có thể được điều chỉnh bởi các nhà phân tích Những mảnh bịloại được hút ra bằng hệ thống chân không và do đó cường độ tínhiệu của những mảnh đó trong quá trình quét không có mặt trongphổ Quá trình quét MS xảy ra rất nhanh chóng

Hình 1.5 Ionization Chamber (2)

Hình 1.7 Scan

Các ion ra khỏi bộ phân tách có cường độ nhỏ ( cỡ nano ampe)nên được khuếch đại để phát hiện Một trong những thiết bị này làmáy nhận e, nó tạo ra các ion thứ cấp khi có ion ban đầu đập vào

bề mặt kim loại Độ khuếch đại khoảng 106 khi sử dụng 16 đi ốp

Hình 1.6 Mas Detector

Các tín hiệu từ bộ khuếch đại truyền ra được nạp vào nhớ máy tính

và sử lý kết quả và đưa ra màn hình, các phổ được biểu diễn dướidạng (%B) đỉnh cao nhất ứng với 100% , các đỉnh khác nhỏ hơn

1.2.5 Sơ đồ thiết bị GC/MS

Hình 1.7: Sơ đồ thiết bị GC/MS

1.3 VAI TRÒ GC-MS

1.3.1 Phân tách: GC-MS có thể phân tách các hỗn hợp hóa chất phức tạp trong

không khí hay trong nước Có thể hình dung điều này như một cuộc chạyđua Tất cả các vận động viên cùng xuất phái tại 1 thời điểm nhưng ngườinào chạy nhanh hơn sẽ về đích trước Ở đây, tốc độ được quyết định bởitính bay hơi Chất nào có tính bay hơi cao sẽ di chuyển nhanh hơn chất cótính bay hơi thấp

1.3.2 Định lượng: GC-MS có thể định lượng một chất bằng cách so sánh với

mẫu chuẩn, là chất biết trước và đã được định lượng chuẩn bằng GC-MS

1.3.3 Nhận dạng: Nếu trong mẫu có một chất lạ xuất hiện, khối phổ có thể nhận

dạng cấu trúc hóa học độc nhất của nó (giống như dấu vân tay của 1người) Cấu trúc của chất này sau đó được so sánh với một thư viện cấutrúc của các chất đã biết Nếu không tìm được chất tương ứng trong thưviện thì nhà nghiên cứu có thể dựa trên cấu trúc mới tìm được để phát triểncác ý tưởng về cấu trúc hóa học Nói cách khác, nhà nghiên cứu thu đượcmột dữ liệu mới và có thể đóng góp vào thư viện cấu trúc nói trên sau khitiến hành thêm các biện pháp để xác định được chính xác loại hợp chất mớinày

1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP ION HOÁ

Các phân tử ở dạng khí phải được ion hóa bằng các phương pháp thích hợp

1.4.1 Phương pháp va chạm electron (Electron impact - EI):

Phương pháp phổ biến, dòng khí của mẫu đi vào buồng ionhóa, va chạm với dòng electron từ một sợi đốt (catod)chuyển động vuông góc với dòng phân tử mẫu Áp suấtbuồng ion hóa đạt 0,005 torr,t° = 200 ± 0,25 °C Các e vachạm với phân tử trung hoà tạo các mảnh ion, mảnh gốc hayphân tử trung hòa nhỏ Sau đó các ion đi qua một điệntrường 400 – 4000V để tăng tốc, vận tốc ion tỷ lệ với khốilượng của chúng

1.4.2 Phương pháp ion hóa hóa học (chemical ionization - CI):

Ion hóa hóa học là cho dòng phân tử khí va chạm với mộtdòng ion dương hoặc âm để biến phân tử trung hòa thànhion phân tử hay ion mảnh Dòng ion này được hình thành từphân tử dạng khí H2, CH4, H2O, CH3OH, NH3… qua sự ionhóa như bắn phá chúng bằng dòng electron mang nănglượng cao Mỗi phân tử dạng khí có thể tạo ra các ion dươngkhác nhau làm tác nhân trong ion hóa hóa

1.4.3 Phương pháp ion hóa trường (field ionization):

- Sử dụng điện trường mạnh để làm bật ra e từ phân tử.Với bề mặt kim loại anod có hình nhọn hay sợi mỏng vàdưới chân không cao (10-6 torr) sẽ phát sinh lực tĩnh điện

đủ làm bật e ra khỏi phân tử mà không đòi hỏi năng lượngquá dư

- Trong phương pháp ion hóa trường, nguồn ion được tạo ranhờ một kim nhỏ có d = vài µm làm anod gắn ngay trướckhe vào buồng ion hóa, khe vào chính là catod, còn có khehội tụ để tập trung nguồn ion

1.4.4 Phương pháp ion hóa photon:

- Nhiều quá trình ion hóa đòi hỏi năng lượng từ 10eVtương ứng với các photon có bước sóng khoảng 83 –155nm nằm trong vùng tử ngoại chân không do đó có thểthực hiện quá trình va chạm photon

- Khối phổ đạt đƣợc cũng tương tự phương pháp va chạmelectron Do năng lượng nhỏ hơn nên phổ này chủ yếu choion phân tử và một số mảnh có số khối lớn tượng tựphương pháp ion hóa trường

- Người ta cũng sử dụng nguồn laser làm nguồn ion hóa, đó

là nguồn đơn sắc (laser rubi) mang năng lượng cao

Full scan rất hữu ích trong việc xác định các hợp chất không rõtrong một mẫu Nó cung cấp nhiều thông tin hơn SIM khi nói đếnxác nhận hay giải quyết các hợp chất trong một mẫu Trongphương pháp phát triển công cụ này có thể được phổ biến, đầutiên phân tích, kiểm tra trong chế độ full scan để xác định thờigian lưu giữ và mảnh vân tay hàng loạt trước khi chuyển đến mộtphương pháp cụ SIM.

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG CỦA GC/MS2.1 MỘT SỐ NGHÀNH ỨNG DỤNG GC/MS

2.1.1 Giám sát môi trường và dọn dẹp.

GC-MS đang trở thành công cụ của sự lựa chọn cho việc theodõi các chất ô nhiễm hữu cơ trong môi trường Các chi phí của GC-

MS đã giảm đáng kể, và độ tin cậy đã tăng lên cùng một lúc, đãgóp phần vào việc áp dụng rộng rãi của nó trong nghiên cứumôi trường Có một số hợp chất mà GC-MS là không đủ nhạy cảm

để nhận diện, bao gồm một số loại thuốc trừ sâu và thuốc diệt cỏ,nhưng GC/MS phân tích được hầu hết các mẫu môi trường, trong

đó có nhiều loại thành phần chính của thuốc trừ sâu, rất nhạy hiệuquả

2.1.2 Pháp y hình sự.

GC-MS có thể phân tích các hạt từ một cơ thể con người để giúpliên kết một tên tội phạm vào một tội ác Các phân tích bằnglửa các mảnh vỡ bằng GC-MS cũng được thành lập, và có cả mộtHội được thành lập ở Mỹ cho thử nghiệm và vật liệu (ASTM) chuẩn

để phân tích các mảnh vụn cháy GCMS / MS là đặc biệt hữu ích ởđây là các mẫu thường chứa ma trận rất phức tạp và kết quả, được

sử dụng tại tòa án, cần phải có độ chính xác cao

2.1.3 Thực thi pháp luật

GC-MS càng được sử dụng để phát hiện các chất ma túy bất hợppháp, và cuối cùng có thể thay thế chó phát hiện ma tuý Nó cũngthường được sử dụng trong pháp y để tìm ra thuốc / hoặc các chấtđộc trong các mẫu sinh học của nghi phạm, nạn nhân, hoặc người

đã chết

2.1.4 Phân tích thể thao chống doping.

GC-MS là công cụ chính được sử dụng trong các phòng thí nghiệm

viên cho các loại thuốc tăng cường hiệu suất, ví dụ như các steroidđồng hóa

2.1.5 Thực phẩm, đồ uống và nước hoa phân tích.

Thực phẩm và đồ uống có chứa nhiều hợp chất thơm, một số tồntại tự nhiên trong nguyên liệu và một số hình thành trong quátrình chế biến GC-MS được sử dụng rộng rãi cho việc phân tích

gồm este, axit béo, rượu, aldehyde, terpenes vv… Nó cũng được

sử dụng để phát hiện và đo lường chất gây ô nhiễm từ sự hư hỏnghoặc làm giả mà có thể có hại và thường được điều khiển bởi cơquan chính phủ, ví dụ như thuốc trừ sâu

2.1.6 Y học

Hàng chục bệnh chuyển hóa bẩm sinh còn được gọi là lỗi bẩm sinhcủa sự trao đổi chất là doanh nghiệp bị phát hiện bởi các xétnghiệm sàng lọc sơ sinh, đặc biệt là các thử nghiệm bằng cách sửdụng sắc ký khí khối phổ GC-MS có thể xác định các hợp chấttrong nước tiểu ngay cả ở nồng độ nhỏ Các hợp chất này thườngkhông có mặt nhưng xuất hiện ở những người bị rối loạn chuyểnhóa Điều này ngày càng trở thành một cách phổ biến để chẩnđoán IEM chẩn đoán sớm hơn và tổ chức điều trị cuối cùng dẫnđến một kết quả tốt hơn Nó bây giờ có thể thử nghiệm một trẻ sơsinh cho hơn 100 rối loạn chuyển hóa di truyền của một xétnghiệm nước tiểu khi sinh dựa trên GC-MS

Trong sự kết hợp với ghi nhãn đồng vị của các hợp chất chuyểnhóa, các GC-MS được sử dụng để xác định các hoạt động traođổi chất Hầu hết các ứng dụng dựa trên việc sử dụng 13 C như việcghi nhãn và các phép đo của 13 C- 12 tỷ lệ với C tỷ lệ đồng vị khốiphổ kế (Irms); MS với một máy dò được thiết kế để đo lường mộtvài ion chọn và trở về giá trị như tỷ lệ

2.2 VÍ DỤ VỀ ỨNG DỤNG GC/MS TRONG PHÂN TÍCH DƯỢC PHẨM PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN HÓA HỌC VÀ TÍNH KHÁNG OXY HÓA CỦA NGHỆ ĐEN (Curcuma zedoaria Berg) TRỔNG Ở VIỆT NAM

Trích : TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 10, SỐ 04 - 2007

Tóm tắt:

Nghệ đen- Curcuma zedoaria Berg (Zingiberaceae) từ lâu đãđược sử dụng làm thuốc cổ truyền ở Việt Nam Tinh dầu từ củnghệ tươi và khô được tách bằng phương pháp chưng cất lôicuốn hơi nước Tinh dầu và dịch trích eter dầu hỏa của củ Nghệđen được phân tích thành phần bằng phương pháp GC-MS.Thành phần chính của dịch ete dầu hỏa là Curzeren

%)02,2

đến (18,79±1,45%)),Curzeren ((14,28±1,99%) đến (16,67±2,06%)), Germacron

%)18,2

%))2

2.2.1 Giới thiệu

Nghệ đen (Curcuma zedoaria Berg.) thuộc loại thân thảo, caođến 1,5m Cây mọc hoang dại ở nhiều nơi: bờ suối, ruộng bỏhoang, miền núi,…Nguồn gốc ở Hymalaya, Srilanka, Ấn Độ,Indonesia, Malaysia Ở Việt Nam, Nghệ đen được trồng nhiều ởBình Dương, Đà Lạt, Gia Lai…để làm thuốc Củ nghệ đen cóhình trụ, dài 2-5cm, đường kính 1-3cm Vỏ có màu xám, phầnthịt có màu trắng ở lớp bên ngoài, màu tím nhạt ở lớp trong, cómùi thơm đặc trưng Trong y học cổ truyền, từ lâu đời nghệ đen