Đồ án Tìm hiểu về sắc ký khí ghép khối phổ

Để làm được bài báo cáo này em đã vận dụng những truyền đạt của thầy cô và tìm hiểu của bản thân trong quá trình học, không chỉ là vốn kiến thức riêng lẻ của riêng chuyên ngành hóa phân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BỘ MÔN HÓA CƠ SỞ -o0o -

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC

TÊN ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ SẮC KÝ KHÍ GHÉP

KHỐI PHỔ

GVHD: Th.s Phan Thị Xuân SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Mai LỚP: 03ĐHHH1

MSSV: 2004120119

Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến tất cả quý thầy cô em đặc biệt là các thầy cô Khoa Công Nghệ Hóa Học – Trường Đại Học Công Nghệ Thực Phẩm đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường Để làm được bài báo cáo này em đã vận dụng những truyền đạt của thầy cô và tìm hiểu của bản thân trong quá trình học, không chỉ là vốn kiến thức riêng lẻ của riêng chuyên ngành hóa phân tích mà là cả những kiến thức của các ngành có liên quan và các môn bổ trợ.

Em xin chân thành cảm ơn TS.Đặng Văn Sử thầy đã dạy em rất nhiều môn có liên quan giúp em có cơ sở tìm hiểu sâu xa về đề tài đặc biệt là môn “Các phương pháp phân tích hợp chất hữu cơ” Với tấm lòng biết ơn sâu sắc em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Phan Thị Xuân, một người thầy và cũng là một người mẹ tinh thần của

em Cô là người đã truyền nguồn cảm hứng cho em với câu nói “ Kiến thức là những

gì còn lại sau khi tất cả đã mất”, cô cũng là người trực tiếp hướng dẫn em thực hiện đồ

án này Những tình cảm cô đối với tất cả sinh viên luôn là nguồn động viên tinh thần

to lớn với tất cả chúng em để vượt qua những khó khăn trong quá trình thực hiện đề tài

Tình cảm rất nhiều lời thì có hạn, một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn quý

cô thầy, chúc tất cả quý thầy cô luôn dồi dào sức khỏe và ngập tràn nhiệt huyết để luôn

là người truyền lửa cho các thế hệ sinh viên

Nhóm sinh viên gồm: Nguyễn Thị Tuyết Mai MSSV 2004120119

Nhận xét:

………

………

………

………

….………

………

….………

………

………

………

………

….………

…….………

……….………

………….………

Điểm đánh giá: ………

….………

…….………

……….………

………

………

….………

………

……… …Ngày ……….tháng ………….năm 2014

(ký tên, ghi rõ họ và tên)

iv

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Nhóm sinh viên gồm: Nguyễn Thị Tuyết Mai MSSV 2004120119

Nhận xét:

………

….………

………

….………

………

….………

………

….………

………

….………

………

….………

Điểm đánh giá: ………

….………

………

….………

………

….………

………

….………

Ngày ……….tháng ………….năm 2014

(ký tên, ghi rõ họ và tên)

Hình Trang

Hình 2: Hệ thống inlet để tiêm mẫu vào cột nhồi trong GC 6

Hình 3: Hệ thống inlet đẻ tiêm mẫu vào cột mao quản trong GC 6 Hình 4: Cột mao quản

Hình 5: Minh họa cấu trúc bên trong của các cột nhồi và cột mao quản

Bảng 3: Các phân mảnh ion của Chlorpyrifos và Diazinnon trong MS 22 Bảng 4: Độ lệch tương đối của tỉ lệ ion giữa chuẩn và mẫu (%) theo tỉ lệ

ion tương đối (%)

23

Viết tắt Tên cụ thể Mô tả

GCMS Gas chromatography mass

spectroscopy

Sắc kí khí ghép khối phổ

HPLC High performance liquid

chromatography

Sắc kí lỏng cao áp

viii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN iii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iv

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT vii

1.1 Giới thiệu sắc kí ghép khối phổ 1

1.2 Đặc điểm 1

PHẦN 2: HỆ THỐNG SẮC KÝ KHÍ GHÉP KHỐI PHỔ 2

2.1 Sắc ký khí 2

2.1.1 Nguyên tắc hoạt động của sắc ký khí 2

2.1.2 Sơ đồ hệ thống sắc kí khí 2

2.1.3 Sắc ký đồ 7

2.2 Khối phổ (MS) 8

2.2.1 Nguyên tắc hoạt động 8

2.2.2 Các bước thực hiện phân tích bằng MS 9

2.3 GCMS 11

2.4 Máy tính kết nối 12

2.5 Ưu và nhược điểm của GCMS 13

2.5.1 Ưu điểm 13

2.5.2 Nhược điểm 14

2.6 Phạm vi ứng dụng 15

2.6.1 Ứng dụng 15

2.6.2 Ví dụ 16

2.7 Kết luận 24

PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ SẮC KÝ KHÍ GHÉP KHỐI PHỔ

1.1 Giới thiệu sắc kí ghép khối phổ

Sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS) là một trong những phương pháp được xem như dấu gạch nối giữa hai kĩ thuật phân tích Như tên gọi của nó, nó thực chất là sự kết hợp hai kỹ thuật để tạo thành một phương pháp duy nhất trong phân tích hỗn hợp các hóa chất Sự kết hợp giữa phương pháp sắc kí và phương pháp khối phổ tạo nên một phương pháp đặc biệt có hiệu quả trong lĩnh vực hóa phân tích Hai thiết bị này có khả năng bổ sung và hỗ trợ cho nhau trong quá trình phân tích, sắc ký khí tách các thành phần của một hỗn hợp và khối phổ phân tích đặc tính của từng thành phần riêng lẻ Bằng cách kết hợp hai kỹ thuật, nhà hóa học phân tích có thể khảo sát định tính và định lượng một dung dịch chứa một số hóa chất với nồng độ thấp đến 1 picogram [1] hoặc nhỏ hơn nữa – đây là nồng độ rất khó phát hiện ở các phương pháp phân tích công cụ khác như phương pháp đo phổ UV – VIS

1.2 Đặc điểm

Thời gian phân tích rất ngắn: những mẫu không bền trong thời gian bảo quản cũng

có thể phân tích một cách thuận lợi, đặc biệt là việc phân tích các hỗn hợp phức tạp Nhờ đó, có thể tiết kiệm được khá nhiều thời gian thực nghiệm vì phân lập mẫu theo nguyên tắc điều chế trước khi đưa vào khối phổ do vậy giảm nhẹ yêu cầu kĩ thuật đối với các kĩ thuật viên.

GC-MS được sử dụng rất phổ biến Chúng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực y tế, dược phẩm, môi trường, và luật môi trường Tiến hành thực nghiệm trong phòng thí nghiệm để biết xem làm thế nào để các nhà hóa học môi trường có thể đánh giá các mẫu có chứa các chất ô nhiễm được gọi là PAHs

Một hệ thống GCMS có ba thành phần chính đó là:

− Sắc kí khí (GC)

− Khối phổ (MS)

− Máy tính kết nối

Trường ĐH Công nghiệp Thực phẩm Tp HCM – Khoa Công nghệ Hóa học

Trong tất cả các phương pháp sắc ký, quá trình tách luôn xảy ra khi hỗn hợp mẫu được tiêm vào pha động Trong sắc ký lỏng (LC), pha động là dung môi Trong sắc ký khí (GC), pha động là một loại khí trơ như helium, nitơ, hidro…

Riêng nói về sắc kí khí pha động mang hỗn hợp mẫu qua pha tĩnh Pha tĩnh sẽ tương tác với các thành phần trong hỗn hợp mẫu Pha tĩnh thường được chứa trong một ống được gọi là cột Cột có thể là thủy tinh hoặc thép không gỉ kích thước khác nhau

2.1.1 Nguyên tắc hoạt động của sắc ký khí

Trong quá trình khí mang đem mẫu qua cột sắc ký, các hỗn hợp của các hợp chất trong pha động xảy ra sẽ tương tác với pha tĩnh Mỗi hợp chất trong hỗn hợp tương tác với pha tĩnh một lực tương tác khác nhau Những tương tác yếu nhất sẽ ra khỏi cột nhanh nhất (hay gọi là rửa giải) Những tương tác mạnh nhất sẽ thoát khỏi cột cuối cùng Bằng cách thay đổi các đặc điểm của pha động và pha tĩnh, sẽ tách ra được các hỗn hợp khác nhau của các chất hóa học Để cải tiến hơn quá trình phân tách này nhà phân tích có thể thực hiện thay đổi nhiệt độ của pha tĩnh hoặc áp suất của pha động

2.1.2 Sơ đồ hệ thống sắc kí khí

Hình 1: sơ đồ hệ thống GC[8]

Một hệ thống sắc kí cơ bản gồm có:

2.1.2.1 Khí mang

Khí mang là một khí trơ như: nitơ, heli, argon, hidro trong đó hai là khí mang

phổ biến nhất là nitơ và heli Nitơ rẻ tiền và sẵn có hơn so với heli nhưng heli cho hiệu quả tách thường cao hơn Khí được chứa trong bơm khí có gắn van giảm áp và điều chỉnh

Khí mang cần có độ tinh khiết cao và phải không tương tác với mẫu, chỉ mang mẫu đi qua cột: Tín hiệu đetectơ có phụ thuộc vào sự khác nhau về tính chất giữa khí mang và chất cần phân tích [2]

Nguồn cung cấp khí mang: có thể sử dụng bình chứa khí hoặc các thiết bị sinh khí như: thiết bị tách khí N2 từ không khí, thiết bị cung cấp khí H2 từ nước cất…

2.1.2.2 Bộ tiêm mẫu

Thường dùng bơm tiêm đề bơm trực tiếp mẫu qua một vách polime silicon chịu

nhiệt cao vào cột hoặc vào inlet để mẫu lỏng có thể bay hơi nhanh chóng Yêu cầu cần

thiết là mẫu phải có nhiệt độ sôi phù hợp để có thể làm bay hơiđược trong phòng mẫu Nhiệt độ tại inlet có thể cao hơn nhiệt độ trong cột một chút để quá trình bay hơi được

thực hiện dễ dàng

Trường ĐH Công nghiệp Thực phẩm Tp HCM – Khoa Công nghệ Hóa học

2.1.2.3 Cột

Trong sắc kí khí có hai loại cột: cột nhồi và cột mao quản

Về cơ bản thiết bị sắc kí sử dụng cột nhồi hoặc cột mao quản có thể ghép nối thiết

bị khối phổ loại hội tụ chùm tia đơn hoặc kép [3], [4] Có nhiều giải pháp kĩ thuật khác nhau để thực hiện việc ghép nối trong hệ thống Với thiết bị ghép nối trong hệ thống Với thiết bị hiện đại ngày nay toàn bộ dòng khí thoát ra (khí mang và mẫu) từ cột được chuyển thẳng vào bộ phận chiết khí mang trung gian, sau đó được đưa trực tiếp vào buồng ion hóa mẫu Thiết bị chiết khí mang trung gian có thể có những cấu trúc khác nhau, nhưng khi làm việc chúng phải tuân theo nguyên lí chung là khuếch tán qua hệ thống lỗ xốp hoặc khuếch tán qua trong một thiết bị tách khuếch tán phân tử [1]

Cột tách sắc kí cần thỏa mãn các yêu cầu sau:

Đảm bảo trao đổi chất tôt giữa pha động và pha tĩnh nhờ việc tối ưu hóa các thông

số của

phương trình Van Deemter

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

Khả năng tải trọng cao của cột

Có khoảng nhiệt độ sử dụng rộng và chịu được nhiệt độ cao[8].

Với cột nhồi (packed column): Dạng cổ điển nhất của cột sắc ký khí là cột nhồi

với một cột thủy tinh hay thép không rỉ hở hai đầu, pha tĩnh được nhồi vào trong cột, cột

có đường kính 2 – 4mm và chiều dài 2 – 3m (hình 5) Tuy nhiên, ngày nay phần lớn (trên 90%) các cột sắc ký khí là mao quản[2]

Với cột mao quản hay còn gọi là cột mở (capillary): thường được làm bằng

silica nung chảy, pha tĩnh được phủ mặt trong (bề dày 0.2 – 0.5 µm), cột có đường kính trong từ 0.1 – 0.5mm và chiều dài từ 30 – 100m hay hơn Các cột thông thường có đường kính trong 0,2 mm; 0,25 mm; 0,32 mm với chiều dài 25 – 60m Thành trong của cột mao quả có thể tráng lên một lớp pha tĩnh lỏng với bề dày 0,2 - 5 mm (wall coated open tubular, WCOT) hay được phủ một lớp hạt có một lớp pha tĩnh lỏng bao quanh (support coated open tubular, SCOT) hoặc một lớp pha tĩnh xốp của chất hấp phụ hay rây phân tử (porous layer open tubular, PLOT) Loại cột mao quản thông dụng nhất hiện nay là WCOT (hình 4, hình 5)[2]

Hình 2: Hệ thống inlet để tiêm mẫu vào cột nhồi

So với cột nhồi, cột mao quản có hiệu năng tách cao hơn rất nhiều Một cột mao quản 60 m có thể có 180.000 – 300.000 đĩa lý thuyết so với 4000 đĩa lý thuyết của cột nhồi 2m)

Loại cột nhồi có đường kính nhỏ hơn (microbore; 0,75 mm) được xem như là dạng trung gian giữa cột nhồi và mao quản

Hình 3: Hệ thống inlet để tiêm mẫu vào cột mao quản

Trường ĐH Công nghiệp Thực phẩm Tp HCM – Khoa Công nghệ Hóa học

Hình 4: cột mao quảnđược làm bằng polyamide và fused silica[8]

Hình 5: Minh họa cấu trúc bên trong của các cột nhồi và cột mao quản[8]

Cột mao quản được đặt bên trong lò cột để có thể lập trình để tăng nhiệt độ dần dần (or in GC terms, ramped) giúp tách tốt hơn Khi nhiệt độ tăng, những hợp chất có

điểm sôi thấp rửa giải từ cột sớm hơn những chất có nhiệt độ sôi cao hơn Vì vậy, trên thực tế có hai yếu tố riêng biệt tác động đến quá trình tách là nhiệt độ và sự tương tác của các chất phân tích với pha tĩnh đã đề cập trước đó

Các hợp chất sau khi được tách ra, chúng sẽ rửa giải ra khỏi cột và đi qua một đầu

dò Đầu dò có các cảm biến điện tử để phát hiện có chất đã được tách ra và đi qua đến đầu dò Các tín hiệu sau đó được xử lý bằng máy tính

Thời gian pha động đi qua cột hay thời gian không lưu giữ gọi là t0

Thời gian cần để một chất di chuyển qua cột sắc ký, khi ra khỏi cột nhờ thiết bị detector ghi nhận tín hiệu và xuất hiện rực trên sắc đồ (tính từ lúc bơm mẫu đến khi xuất hiện peak) là thời gian lưu (tR)

2.1.3 Sắc ký đồ

Trong quá trình chạy sắc kí, máy tính tạo ra một đồ thị từ các tín hiệu (Xem hình

6) Đồ thị này được gọi là sắc kí đồ Mũi của các peak trong sắc ký đồ đại diện cho các tín hiệu được tạo ra khi một hợp chất rửa giải từ cột GC vào detector Trục x biểu thị tR,

và trục y biểu thị cường độ (abundence) của tín hiệu Trong hình 6, các peak được đánh dấu với tR của chúng Mỗi đỉnh đại diện cho một hợp chất riêng biệt được tách ra từ một hỗn hợp mẫu Các mũi ở phút 4.97 là từ dodecane, mũi ở phút 6.36 là từ biphenyl, mũi ở phút 7.64 là từ chlorobiphenyl, và mũi ở phút 9.41 là từ hexadecanoic axit methyl ester

Hình 6: sắc kí đồ của GC

Trường ĐH Công nghiệp Thực phẩm Tp HCM – Khoa Công nghệ Hóa học

𝑨 = 𝑲𝒏𝒆𝒓𝟐 ∗ 𝑯

𝟐

𝑽 ∗ 𝒉 Trong đó: K – hằng số; n – số electron tách ra khỏi nguyên tử khi bị ion hóa;

e – điện tích electron; r – bán kính cong; H – cường độ từ trường; V – thế hiệu điện trường [5]

Có thể giải thích theo một cách khác dễ hiểu hơn Khi một chất ở trạng thái khí

va chạm với một dòng electron thì phân tử chất đó có thể bị tách ra một hoặc hai electron

để trở thành các ion mang điện tích 1 hoặc 2 và cũng có thể quá trình va chạm này làm phân tử làm phân tử chất tiếp nhận thêm electron để trở thành ion âm, gọi là ion hóa phân

tử Khi va chạm mạnh hơn thì phân tử còn có thể bị phá vỡ ra thành nhiều phần khác nhau mang điện tích dương hay âm Sự phá vỡ này phụ thuộc hoàn toàn vào lưc va chạm, dẫn đến các cách phá vỡ khác nhau Các ion này sẽ được tách và ghi trên phổ đồ

Các mảnh vỡ trên là những ion mang điện với khối lượng nhất định Phân tử lượng của các mảnh chia cho điện tích chính là khối lượng để tính tỷ lệ (M / Z) Hầu hết các mảnh vỡ đều có z = +1, M / Z thường tương ứng với các khối lượng phân tử của mỗi mảnh

2.2.2 Các bước thực hiện phân tích bằng MS

2.2.2.1 Hóa khí chất mẫu

Mẫu được dẫn vào bình chứa, ở đó áp xuất có thể giám tới 10-6 mmHg, sau đó dòng khí này được dẫn vào ion hóa để sinh ra các ion, lượng mẫu có thể ghi nhận được rất nhỏ từ 10-13 g/giây

2.2.2.2 Ion hóa mẫu

Các phương pháp được sử dụng bao gồm:

Ion hóa nhờ va chạm điện tử (EI): Đây là phương pháp ion hóa phổ biến nhất

Trong buồng ion hóa, các điện tử phát ra từ cathode làm bằng vonfram hoặc reni, sẽ bay

về anode với vận tốc lớn Các phân tử chất nghiên cứu ở trạng thái hơi sẽ va chạm với điện tử trong buồng ion hóa, có thể nhận năng lượng điện tử và bị ion hóa [6],[9]

Ion hóa nhờ trường điện từ: Đây cùng là một phương pháp ion hóa được dùng

khá phổ biến Tại buồng ion hóa, người ta đặt các bộ phận phát ra từ trường, đó là các

“mũi nhọn” đặc biệt dưới dạng dây dẫn mảnh (2.5 µm) hay các lưỡi mảnh Người ta đặt điện cực vào các “mũi nhọn” Ở tại các “mũi nhọn” sẽ cho một trường điện từ có gradien

từ 107 - 1010 V/cm Dưới ảnh hưởng của trường điện từ mạnh này, các điện tử bứt khỏi phân tử chất nghiên cứu do hiệu ứng đường hầm và ở đây không gây ra sự kích thích Vậy trong phương pháp ion hóa này, các ion phân tử được tạo thành vẫn giữ nguyên ở trạng thái cơ bản, do đó các vạch phổ sẽ rất mảnh[9]

Ion hóa hóa học (CI):Một kỹ thuật tinh tế sản sinh ra ít mảnh vở hơn là sự ion hóa hóa học (chemical ionization) Trong trường hợp này, nguồn ion hóa được đổ đầy metan ở áp suất khoảng 100 Pa

Các electron được cung cấp đủ năng lượng để chuyển CH4 đến những sản phẩm hoạt động khác:

CH4 + e → CH4+ + 2e

CH4+ +CH4 → CH5+ + CH3

CH5+ + M → CH4 + MH+

Trường ĐH Công nghiệp Thực phẩm Tp HCM – Khoa Công nghệ Hóa học

CH5+ là chất nhường photon khi tương tác với chất phân tích cho MH+, thường là ion có hàm lượng lớn nhất trong phổ khối ion hóa hóa học metan (methane chemical ionization mass spectrum) [6],[8]

Ion hóa nhờ sự phòng điện[1]

Ion hóa nhờ đốt nóng (nguồn nhiệt hay Lazer)[1]

Tách các ion theo khối lượng, về nguyên tắc việc tách này dựa trên sự khác nhau

về khối lượng của các ion hơn là sự khác nhau về điện tích Trước tiên người ta tăng tốc

độ cho các ion, nhờ cho qua một điện trường mạnh, vận tốc của các ion được tính theo công thức:

𝑉 = √2𝑒𝑈

𝑀

Trong đó:e – điện tích ion; U – thế tăng tốc; M: khối lượng; V – vận tốc

Trong tốc độ này ở trong máy phân tích đạt 100 km/s Sau khi tăng tốc, các ion được bay qua một từ trường, đường bay của chúng sẽ bị lệch khác nhau do tác dụng của

từ trường với bán kính cong R được tính theo công thức:

Một bộ 4 nam châm điện, được gọi là tứ cực (quadrapole), tứ cực có nhiêm vụ

tập trung các mảnh cho đi qua một khe và vào detector Tứ cực được lập trình bằng máy tính để điều khiển chỉ cho các mảnh M/Z được đi qua khe Phần còn lại (tức là các mảnh không mang điện tích) thì bị chặn lại không đi qua khe vào đầu dò Máy tính có các tứ cục sẽ soát qua lần lượt các mảnh M/Z theo chu kì cho đến khi soát hết tất cả các mảnh Điều sẽ lặp đi lặp lại ra nhiều lần trong mỗi giây Mỗi chu kỳ di chuyển như vậy được gọi là quét phổ