BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC

BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC BÀI TIỂU LUẬN sắc ký KHÍ GC

SẮC KÝ KHÍ (GC)2.1 MỞ ĐẦU

Sắc ký khí là một trong những phương pháp phân tích cho độ nhạy, độ tin cậy và độ chính xác cao Ngày nay sắc ký khí đã trở thành một trong những phương pháp sắc ký quan trọng để tách và xác định cấu trúc; nghiên cứu các thông số hóa lý như hệ số hoạt

độ, entanpi, nhiệt hóa hơi, hệ số khuếch tán phân tử, động học xúc tác, v.v… Nó được coi

là phương tiện đầu tay của các nhà hóa học, đặc biệt là các nhà hóa học hữu cơ

Sắc ký khí cột nhồi hiện nay dần dần được thay thế bằng kỹ thuật sắc ký khí sử dụng cột mao quản Người ta còn gá nối thành công sắc ký khí với các thiết bị xác định cấu trúc như khối phổ kế GC – MS, quang phổ hồng ngoại chuyển hóa GC/FT-IR Tuy nhiên vẫn phải nhấn mạnh rằng trong một thiết bị sắc ký khí, phần quan trọng nhất vẫn là cột tách và detector Các thiết bị được gá vào được coi như là một loại detector đặc biệt.Năm 1952 máy sắc ký khí đầu tiên ra đời Từ đó kỹ thuật GC được hoàn chỉnh và phát triển mạnh

Ở nước ta, phương pháp sắc ký khí được sử dụng từ cuối những năm 70 của thế kỷ trước Tuy nhiên phương pháp này chỉ được sử dụng mạnh mẽ vào những năm 90 cho đến nay Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi như axeton, rượu, andehid, các hidrocacbon mạch thẳng, mạch vòng; các sản phẩm dầu mỏ, thuốc bảo vệ thực vật, các hóa chất độc như đioxin đều dễ dàng được xác định bằng phương pháp này Ngoài ra với những loại detector khác nhau, người ta còn xác định được hàm lượng một số nguyên tố vô cơ trong thành phần các hợp chất hữu cơ (Cl, N, P, …) Chương trình đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống, trong đó có việc kiểm tra chất lượng, đánh giá dư lượng thuốc bảo vệ thực vật trong các loại rau, củ, quả phục vụ cho mục đích tiêu dùng và xuất khẩu được quan tâm hơn bao giờ hết và do vậy, phương pháp sắc ký khí cũng đang được sử dụng và đang phát huy những ưu việt của nó Để hiểu rõ tính năng và nguyên lý hoạt động của thiết bị này, trước hết cần hiểu sơ đồ cấu tạo của nó

Hình 2.1 : Máy GC 2010 của hãng shimazu

Hình 2.2 Sơ đồ khối thu gọn của thiết bị GC

Hình 2.3 : Sơ đồ injetor (bộ phận nạp mẫu) của GC

Hai thiết bị quan trọng nhất của hệ thống GC và hệ thống cột tách và detector Nhờ

có khí mang trong bom khí, mẫu từ buồng bay hơi (Injector) được dẫn vào cột tách nằm trong buồng điều nhiệt Quá trình sắc ký khsi xảy ra tại đây Sau khi các cấu tử rời bỏ cột tác tại các thời điểm khác nhau, các cấu tử lần lượt đi vào detector Từ đó chúng được biến thành tín hiệu điện Tín hiệu điện được khuếch đại, chuyển sang bộ ghi đo và xử lý; sau đó chuyển sang bộ phận lưu trữ và in ấn kết quả

Trên sắc đồ nhận được ở bộ ghi, ta có các tín hiệu tương ứng với các cấu tử được tách gọi là peak Thời gian lưu của peak là đại lượng đặc trưng (định tính) cho chất cần tách; còn diện tích của peak là thước đo định lượng cho từng chất trong hỗn hợp cần nghiên cứu

2.2 Những khái niệm và phương trình cơ bản của phương pháp sắc ký khí

2.2.1 Sự lưu trữ

Tư liệu của một quá trình sắc ký khí chính là sắc đồ Mỗi peak của sắc đồ ứng với một hoặc một nhóm cấu tử của hỗn hợp cần tách Thời gian từ khi bơm mẫu đến điểm cực đại của peak được gọi là thời gian lưu toàn phần tR; nó bao gồm cả thời gian chết to (chính là thời gian lưu của một cấu tử trơ như không khí, mêtan, … đối với pha tĩnh) và thời gian lưu thật (còn được gọi là thời gian lưu hiệu chỉnh) t’R

Sắc đồ là giản đồ được trình bày theo không gian hai chiều Người ta có thể đánh giá sắc đồ trên hệ tọa độ [x, y]

Khoảng cách giữa điểm bơm mẫu và đỉnh peak (tính theo đơn vị thời gian) được gọi

là thời gian lưu tR Nếu gọi F là lưu động dòng khí mang thì người ta có thể xác định thể tích lưu như sau:

Do trở kháng của cột tách nên áp suất đầu cột bao giờ cũng cao hơn áp suất cuối cột

và trên suốt chiều dài cột tách đều có sự giảm áp suất

Giả sử khí mang không mang đặc tính dễ bị nén, thì ta có mối quan hệ tuyến tính giữa lưu lượng dòng khí và độ giảm áp suất trên suốt chiều dài cột tách Tuy nhiên, do khả năng dễ bị nén của chất khí, lưu lượng của khí mang tăng nhanh hơn so với mức độ tăng lên của độ giảm áp suất Vì vậy, để loại trừ sự phụ thuộc này của lưu lượng dòng F (cũng như của thể tích lưu VR, V’R) vào độ chênh lệch áp suất đầu cột, người ta sử dụng

hệ số hiệu chỉnh:

1

1

2

3

3 2

p p p

p J

(6)Trong đó: pi là áp suất đầu cột

pA là áp suất cuối cột

Mặt khác, để có thể so sánh các đại lượng lưu giữ được đo ở các điều kiện phòng thí nghiệm khác nhau (nhiệt độ, áp suất), người ta cần phải hiệu chỉnh lưu lượng dòng theo công thức sau:

A A

O H A C A C

p T

p p T F F

FC: lưu lượng dòng hiệu chỉnh

FA: lưu lượng dòng đo ở cuối cột tách

TC: nhiệt độ cột tách

TA: nhiệt độ phòng

pA: áp suất phòng

O H

p

2

: áp suất hơi nước tại nhiệt độ phòng

Từ đó người ta thu được thể tích lưu hiệu chỉnh VN theo công thức sau:

( )

1

12

3

2 '

A

O H A A

C A R C R R N

p p p p p

p p T

T F t j F t j V V

(8)Đối với các phép đo hóa lý, người ta còn sử dụng khái niệm thể tích lưu riêng Đó chính là giá trị VN tính cho 1 gam pha tĩnh và quy về 0oC (273oK)

1.273

( )

N g

Áp dụng định luật Rault và Henry cho trường hợp sắc ký khí - lỏng (pha tĩnh là một lớp phim mỏng bao quanh chất mang rắn) ta có mối tương quan giữa Vg và γ (Hệ số hoạt

độ của chất tan trong dung môi là pha tĩnh ở nồng độ vô cùng loãng)

L o

N

V V

273

∞

=γ

(10)Trong đó: R: là hằng số khí lý tưởng

Po: là áp suất hơi bão hòa của chất tan tinh khiết tại nhiệt độ đã cho

ML: là khối lượng phân tử của chất lỏng làm pha tĩnh

Trên cơ sở của phương trình (10), người ta có thể áp dụng có hiệu quả cao phương pháp sắc ký khí – lỏng để xác định hệ số hoạt độ, đóng góp vào việc nghiên cứu các hệ chiết lỏng – lỏng cũng như hiệu ứng muối

Khi mẫu đi vào cột sắc ký, chúng nhanh chóng phân bố giữa hai pha lỏng (tĩnh) và pha khí (động) Quá trình đó được mô ta bằng hệ số phân bố K:

L G

L

V

n V

n C

C

(11)

= Nồng độ của chất tan trong pha tĩnh/Nồng độ của chất tan trong pha động

= (Khối lượng chất tan trong pha tĩnh/Khối lượng chất tan trong pha động)/(Thể tích của pha động/Thể tích của pha tĩnh)

(n /n ) (.V /V ) k.β

(12)Trong đó: n: là số mol của chất tan

V: là thể tích toàn phần của pha tĩnh trong cột táchK: là hằng số phân bộ, chỉ phụ thuộc vào bản chất của chất tan, pha tĩnh

và nhiệt độ mà không phụ thuộc vào kiểu cột táchk: là hệ số dung lượng (k = nL/nG = t’R/to) là đại lượng biểu diễn mối tương quan giữa thời gian của chất tan lưu lại trong pha tĩnh so với thời gian chất tan lưu lại trong pha động

β

: là tỷ số pha (VG/VL)Mối liên hệ giữa thể tích lưu VR và hằng số phân bố K được biểu thị bằng phương trình:

Trong đó: VG: là thể tích của pha khí

VL: là thể tích của pha tĩnhTương tự như vậy người ta có thể nhận được mối tương quan giữa thời gian lưu tR

và hằng số phân bố K như sau:

K = t’R/to =

o

o R

(15)Với: L là chiều dài cột

V

V K U

L

(16)

Từ phương trình (13) và (16) dễ dàng nhận thấy rằng người ta có thể xác định được hằng số phân bố K từ các giá trị lưu trữ tR và VR, nếu biết các giá trị thể tích của pha động

VG và pha tĩnh VL

2.2.2Năng suất của cột tách:

Năng suất tách của một cột sắc ký được thể hiện qua số đĩa lý thuyết n và được xác định như sau:

σ

: là độ lệch chuẩn của peak sắc kýNếu tại điểm uốn Wi = 2σ

(18)Tại một nửa chiều cao của peak: Wh= 2σ

2

545,5355,2

t

2 2

2164

R

W

t W

t n

(20)Nếu gọi chiều cao của một đĩa lý thuyết là h và chiều dài toàn thể của cột tách là L thì ta có:

Nếu năng suất cột tách càng lớn, thì n càng lớn và h càng nhỏ.

Trên thực tế người ta thường tính số đĩa lý thuyết hiệu dụng, khi đó tR được thay bằng t’R:

2 '45,5

2.2.3Phương trình Van Deemter

Từ đĩa lý thuyết, người ta có thể xác định được các đại lượng đặc trưng quan trọng

là n (số đĩa lý thuyết) và h (độ cao của một đĩa lý thuyết) Tuy nhiên, nếu chỉ căn cứ vào hai đại lượng trên, chúng ta sẽ không biết ảnh hưởng của các điều kiện làm việc (nhiệt

độ, áp suất, tốc độ dòng, …) đến các đại lượng nói trên Phương trình Van Deemter làm sáng tỏ điều này

Phương trình Van Deemter được viết như sau:

( )

df k U

D dp

h

F i

i

1

.8

(24)Trong đó:

: hệ số Labyrinth về đường đi của khí trong cột

DG: là hệ số khuếch tán phân tử trong pha khí

ki: là hệ số dung lượng

df: là độ dày của lớp phim pha tĩnh trên chất mang

Phương trình Van Deemter được viết gọn như sau:

U C U

B A

(25)Trong đó A đại diện cho sự khuếch tán tán xạ (còn gọi là khuếch tán Eddy) cho ta những thông tin về đường đi khác nhau của khí do chất nhồi cột quyết định Còn B cho ta những chỉ dẫn về sự khuếch tán phân tử trong pha khí Đại lượng C biểu thị trở kháng của cột trong quá trình chuyển khối trong pha động cũng như trong pha tĩnh

2.3 KỸ THUẬT VÀ PHƯƠNG THỨC LÀM VIỆC CỦA SẮC KÝ KHÍ

Bộ phận quan trọng nhất của sắc ký khí là cột tách và detector Do khuôn khổ về thời lượng của bài giảng, chúng tôi chỉ tập trung giới thiệu hai phần chủ yếu này Những phần có liên quan tới quá trình sắc ký khí đề nghị học viên tự tra cứu trong các tài liệu tham khảo

2.3.1Các loại khí mang sử dụng trong sắc ký khí:

Theo phương trình

U L B

P

o

η

=

ta thấy độ giảm áp suất qua cột tách tỷ lệ với độ nhớt của khí mang Đối với cột dài nhồi chặt hoặc cột mao quản dài người ta phải lựa chọn khí mang có độ nhớt thấp Để phân tích nhanh người ta cũng cần phải chú ý đến độ nhớt của khí mang Thời gian phân tích trên cột tách mao quản – phim mỏng nếu dùng H2 làm khí mang sẽ ngắn bằng 1/9 thời gian khi dùng N2

Khi lựa chọn khí mang cần để ý đến detector sử dụng, độ tinh khiết và yêu cầu tách;

sử dụng phối hợp với các phương thức khác Khí mang được dùng phải không được thay đổi trạng thái lý hóa học khi đi qua máy sắc ký khí

Các loại khí dùng cho từng detector riêng cần chú ý các điểm sau:

− Detector độ dẫn TCD cần phải sử dụng khí mang có độ dẫn cao như Hidro, Heli Khí heli có ưu điểm là không nguy hiểm Trong sắc ký điều chế cần phải dùng lượng khí lớn; vì vậy thích hợp nhất là khí N2 với giá rẻ; nhưng phải chú ý đến độ nhạy và khoảng tuyến tính của nó.

− Detetor ion hóa ngọn lửa FID có thể vận hành với tất cả các khí vô cơ làm khí mang trừ O2 Do giá thành rẻ, không nguy hiểm nên người ta thường sử dụng nitơ Trong trường hợp kết hợp với các thiết bị khác; ví dụ kết hợp sắc ký khí với khối phổ (GC – MS) người ta phải dùng Heli làm khí mang Khác với detector đo độ dẫn TCD, detector FID khi vận hành cần phải dùng thêm H2 và không khí để đốt cháy ngọn lửa

− Detector cộng kết ngọn lửa ECD (hay còn gọi là detector bắt điện tử) có thể vận hành với các khí khác nhau làm khí mang khi làm việc theo kiểu dòng một chiều có thể dùng nitơ; vận hành theo kiểu xung có thể dùng Argon bổ sung 5% khí mêtan sẽ cho kết quả tốt hơn

Đặc điểm của một số khí mang thường sử dụng trong sắc ký khí:

− Khí hidro thương mại thường đạt đủ tiêu chuẩn cho sắc ký Trong phân tích lượng vết, khi sử dụng pha tĩnh dễ bị hỏng; trong sắc ký khí điều chế cần thiết phải làm sạch và khô khí Khi sử dụng H2 làm khí mang cần dùng N2 làm khí bảo vệ thổi qua cột trước Các ống dẫn khí N2 phải đủ dày, tốt hơn hết là dùng ống kim loại nhỏ vừa kín vừa tiết kiệm khí H2 dùng cho các cột tách làm việc dưới 200oC vẫn tỏ ra trơ Khi sử dụng H2 trong phòng sắc ký phải có máy dò hở

− Khí N2: Do không nguy hiểm, giá rẻ và dễ dàng làm tinh khiết nên N2 được sử dụng rất nhiều trong sắc ký khí Nhưng cần chú ý rằng với detector TCD, giá trị dẫn nhiệt của N2 rất gần với độ dẫn của nhiều khí hoặc hơi chất hữu cơ cho nên

có trường hợp peak sắc ký có thể ngược Trong phân tích định lượng, hệ số hiệu chỉnh đặc trưng sẽ xê dịch rất mạnh khỏi 1 khi dùng khí mang có độ dẫn cao.

− Không khí và oxy: Độ tinh khiết của Oxy thương mại cũng đạt yêu cầu cho Sắc

ký khí, nhưng cần phải sấy khô vì trong bom đựng khí thế nào cũng có nước Không khí nén có thể lấy từ bom hoặc bơm nén kiểu dầu, trường hợp thứ hai cần làm cho hơi dầu không vào thiết bị sắc ký khí

− Độ thấm cao, tức là độ giảm áp suất nhỏ với một tốc độ khí mang nhất định

− Khả năng tải trọng cao của cột (các cấu tử cần tách – pha tĩnh) phụ thuộc vào kiểu cột tách, khả năng hòa tan của cấu tử trong pha tĩnh được chọn (chính là hệ

số phân bố của cấu tử đó trong pha tĩnh đã cho) Hình dạng của đường phân bố đẳng nhiệt (trong trường hợp lý tưởng là đường thẳng qua gốc tọa độ) cũng đóng vai trò quan trọng đến khả năng tải trọng

− Phải có khoảng nhiệt độ sử dụng lớn, làm việc được ở nhiệt độ cao

Giai đoạn đầu của sắc ký khí, cột nhồi được sử dụng phổ biến Tuy nhiên, càng về sau cột mao quản được thay dần cột nhồi và hiện nay hầu như ở các nước khoa học phát triển, cột nhồi hầu như không còn được sử dụng Lý giải cho nguyên nhân tại sao cột mao quản được sử dụng phổ biến hiện nay, chúng ta hãy nghiên cứu chi tiết về các loại cột này

Bảng 2.1: Các tính chất đặc trưng của các loại cột tách dùng trong sắc ký khí.

Kiểu cột tách

Cột mao quản phim mỏng WCOT

Cột mao quản lớp mỏng PLOT

Cột mao quản nhồi

Cột nhồi thông thường

Đường kính

Chiều dài 10 – 100 mm 10 – 100 mm 1 – 6 mm 1 – 4 mm

Hiệu quả cột

tách

1000 – 3000 đĩa/m

600 – 1200 đĩa/m

1000 – 3000 đĩa/m

500 – 1000 đĩa/m

− WCOT: Wall Coated Open Tubular Column (Cột mao quản phim mỏng)

− PLOT: Porous Layer Open Tubular Column (Cột mao quản lớp mỏng)

Do lượng pha tĩnh trong các cột mao quản rất nhỏ nên dung lượng của các cột đó cũng rất giới hạn; vì vậy mà lượng mẫu bơm vào cột cũng rất hạn chế chỉ cỡ 10-6 – 10-7g

* Cột nhồi thông thường:

Loại cột này thường có đường kính trong 3 – 6 mm Loại cột này thường dùng cho mục đích điều chế khi đường kính trong của cột lên tới 12mm Chất mang cho sắc ký cột

nhồi thường được sử dụng là diatomit Sau khi nung với CaCO3 ở 900oC ta thu được chất bột có diện tích bề mặt khoảng 1 – 4 m2/g; thành phần chủ yếu là SiO2 và Al2O3 Từ vật liệu cơ bản này, bằng kỹ thuật xử lý khác nhau mà người ta thu được các loại chất mang khác nhau Chất mang này sau khi đã xử lý được tẩm một lượng chất lên; khi đó chất mang + dung dịch tẩm lên được gọi là pha tĩnh Pha tĩnh sau đó được nhồi chặt vào cột có kích thước từ 1 – 6 mét, đường kính 2 – 6 mm như trên Như vậy, trong quá trình sắc ký

sẽ có sự chênh lệch giữa áp suất đầu cột và cuối cột và vì vậy không thể tùy tiện tăng chiều dài cột

Hàm lượng pha tĩnh được quyết định bởi các yếu tố sau:

− Toàn bộ khối lượng pha tĩnh cần cho một cột tách có chiều dài đã biết

− Mức độ tải trọng cần thiết của cột: Các cột tách có độ tải trọng lớn; trong trường hợp bơm mẫu nhiều cũng cho những peak cân đối và độ phân giải tốt ngay cả đối với cấu tử chính

− Mức độ bao phủ cần thiết của bề mặt chất mang: Với độ bao phủ lớn, sự hấp thụ trên

bề mặt chất mang sẽ bị giảm đi; trong khi đó nếu bao phủ thấp tức là lớp phim pha tĩnh trên hạt chất mang rất mỏng thì sự trao đổi chất giữa pha tĩnh và pha động sẽ đạt được mức độ tối ưu

− Tỷ lệ giữa diện tích bề mặt và tỷ trọng chất mang: Người ta có thể đặt mua được các loại chất mang tẩm sẵn cho mục đích nghiên cứu của mình Tuy vậy, để chủ động và đỡ tốn kém nên tự tiếnhành tẩm lấy các chất nhồi cột mong muốn

Ngược lại với cột nhồi, cột mao quản là loại cột tách với đường kínhnhỏ hơn 1 mm; trên thành trong của cột được tẩm pha tĩnh Nhờ cấu trúc đặc biệt này của cột mao quản, khí mang sẽ đưa mẫu đi qua cột tách rất dài (do vậy năng suất tách rất cao) mà không gặp

trở kháng gì lớn (không có độ chênh lệch về áp suất đáng kể) Các cấu tử sẽ tương tác với pha tĩnh bám trên thành cột, sẽ được pha tĩnh lưu giữ lại với mức độ khác nhau Chính nhờ các đặc tính trên mà người ta có thể chế và sử dụng những cột tách rất dài (tới vài trăm mét) Cột sắc ký khí mao quản do N.J.E.Golay phát minh nên trong một số trường hợp người ta thường gọi là cột Golay.

So với cột nhồi, cột mao quản có những ưu điểm sau:

− Các hỗn hợp phức tạp được tách với hiệu suất cao hơn hẳn

− Tách được cả các chất có cấu trúc hóa học rất gần nhau

− Độ tin cậy cao hơn trong việc nhận biết các cấu tử

− Độ nhạy phát hiện lớn hơn

− Giảm thời gian phân tích

− Cho phép ghép nối trực tiếp với khối phổ kế mà không cần separator

Có hai loại cột mao quản chủ yếu:

− Cột mao quản phim mỏng (Wall Coated Open Tubular Column – WCOT column)

− Cột mao quản lớp mỏng (Porous Layer Open Tubular Column – PLOT column)Bởi vì lượng pha tĩnh trong các cột mao quản rất nhỏ, nên dung lượng các cột đó cũng rất giới hạn Do vậy, lượng mẫu được bơm vào cột mao quản cũng rất hạn chế Ví

dụ đối với các cột mao quản phim mỏng (WCOT), lượng mẫu được đưa vào cột chỉ vào khoảng 10-7g Chính vì đặc điểm này cho nên so với phương pháp SKK cột nhồi, SKK cột mao quản đòi hỏi những yêu cầu hết sức đặc biệt với quá trình bơm mẫu cũng như đối với quá trình phát hiện Việc chế tạo các loại cột tách như vậy (bao gồm cả quá trình xử

lý cột và tẩm cột, …) cũng như việc lắp ráp các cột kiểu này vào máy sắc ký khí cũng là những vấn đề được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và hoàn chỉnh

Hình 2.4: 1 Cột nhồi; 2 Cột mao quản WCOT; 3 Cột mao quản PLOT

Sơ đồ biểu diễn thiết diện cắt ngang của cột nhồi, cột mao quản WCOT; PLOT

Hình 2.5: Cột mao quản

2.3.4 Cơ sở lý thuyết của sắc ký khí cột mao quản

Về cơ bản không có sự khác biệt có tính nguyên tắc giữa sắc ký khí cột mao quản

và sắc ký khí cột nhồi Tuy nhiên, do việc không sử dụng chất nhồi cột (dưới dạng chất mang có tẩm pha tĩnh) nên đường đi của dòng khí mang tự do hơn (không có sự chênh lệch lớn giữa áp suất đầu cột với áp suất cuối cột) Chính vì vậy có sự thay đổi trong các phương trình cơ bản để đánh giá cột tách so với trường hợp sắc ký cột nhồi

Phương trình Van Deemter với sắc ký khí cột mao quản sẽ được viết như sau:

So sánh phương trình Van Deemter với phương trình Golay dễ dàng nhận thấy đại lượng A trong sắc ký mao quản không còn tồn tại nữa Lý do là vị đại lượng A đại diện cho sự khuếch tán tán xạ do quá trình nhồi cột và chất mang quyết định; còn đại lượng B đặc trưng cho sự khuếch tán phân tử trong pha khí

Từ phương trình Golay, dễ thấy rằng độ cao của một đĩa lý thuyết sẽ giảm (cùng đồng nghĩa với việc tăng năng suất cột tách) khi:

− Giảm độ dày của lớp phim pha tĩnh

− Giảm nhiệt độ cột tách

− Giảm đường kính cột tách

− Sử dụng khí mang với độ nhớt thấp

− Tốc độ khí mang trung bình đạt giá trị tối ưu

Trong thực tế, không thể đồng thời cùng đạt một lúc giá trị tối ưu đối với tất cả các thông số thực nghiệm mà phải chọn một sự dung hòa nào đó vì cột sắc ký mao quản là do hãng sản xuất cung ứng, độ dày của lớp phim pha tĩnh là cố định Vì vậy phải khảo sát các thông số khác theo chiều dày lớp phim này mà không thay đổi độ dày của lớp phim được

2.4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC LOẠI 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 Ngày nay có gần

30 loại detector khác nhau Trong phần này, chỉ giới thiệu 4 loại detector thông dụng nhất hiện đang được sử dụng rộng rãi hiện nay

2.4.1 Detector dẫn nhiệt TCD (Thermal Conductivity Detector)

Detector dẫn nhiệt dựa trên nguyên tắc đo liên tục độ dẫn nhiệt của khí mang (khí mang tinh khiết và khí mang có chứa các cấu tử mẫu cần tách) giữa buồng đo và buồng

so sánh Độ nhạy của detector TCD phụ thuộc vào hai yếu tố sau:

− Khả năng dẫn nhiệt của khí mang (các khí mang có độ dẫn nhiệt tốt như hidro, heli thường được ưu tiên sử dụng)

− Độ nhạy tỉ lệ với dòng nuôi cầu Cần chú ý rằng dòng điện này được điều chỉnh tùy thuộc vào loại, lưu lượng khí mang, nhiệt độ detector và nhiệt độ cột tách

Diện tích của các peak với detector này không phải chỉ phụ thuộc vào hàm lượng thể tích mà còn phụ thuộc vào sự chênh lệch giữa độ dẫn nhiệt của cấu tử và của khí mang

Hình 2.6 : Đetector TCD

2.4.2 Detector ion hóa ngọn lửa (FID – Flame Ionization Detector)

Detector FID là một trong những detector có độ nhạy cao Nguyên lý hoạt động của

nó dựa trên sự biến đổi độ dẫn nhiệt của ngọn lửa hydro đặt trong một điện trường khi có chất hữu cơ cần tách chuyển qua Nhờ nhiệt độ cao của ngọn lửa hydro, các chất hữu cơ

từ cột tách đi vào detector bị bẻ gãy mạch, bị ion hóa nhờ có oxy của không khí để tạo thành các ion trái dấu tương ứng Cơ chế tạo thành ion trong trường hợp benzen như sau:

C6H6 → 6CH6CH + O2 → 6CHO+ + 6eCác ion tạo thành được chuyển về các bản cực trái dấu nằm ở hai phía của ngọn lửa (thế hiệu ở giữa hai bản điện cực khoảng 250 – 300 V)

Dòng ion đó được giảm áp trên một điện trở có trị số rất cao 108 đến 1012 Ω và độ giảm hiệu điện thế này được khuếch đại ghi lại trên máy tự ghi Số lượng của ion tạo thành (chính là độ nhạy của detector) phụ thuộc vào các yếu tố sau:

− Cấu trúc hình học của detector