Ly thuyet sac ky (seminar)

SEMINAR PHÂN TÍCH SẮC KÝ - ThS GVC NGUYỄN THỊ HUỆ Khoa Hóa Học - ĐHKHHuế • Trong hóa học phân tích, vấn đề định lượng chất đối tượng phức tạp công việc khó khăn mà phương pháp định lượng trực tiếp không thực được, nguyên nhân do: - Ảnh hưởng yếu tố - Các chất cần phân tích giống - Nồng độ chất cần phân tích thấp • Phương pháp phân tích sắc ký phân tích đối tượng phức tạp có thể: - Tách chất giống khỏi - Định lượng chất VÍ DỤ: PHÂN TÍCH MỘT LOẠI THUỐC BẢO VỆ THỰC VẬT (TBVTV) đối tượng rau Phải theo bước sau đây: Tách TBVTV khỏi môi trường phương pháp chiết Tách loại chất có độ phân cực tương tự TBVTV Chuyển môi trường làm giàu TBVTV đến nồng độ phù hợp Phân tích để xác định hàm lượng TBVTV có mẫu CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ Lịch sử phát triển • Phương pháp sắc ký phát vào năm 1903 nhà thực vật học người Nga Michael C Txvet ông tách chất diệp lục tố, thí nghiệm tiến hành sau: Diệp lục tố Dung môi Carotine Xatofil β CaCO3 + Al2O3 Xatofil α Clorofil β Clorofil α • Năm 1931, Vinterstin Lederer dùng phương pháp Txvet để tách Carotine nhận thấy giá trị phương pháp kỹ thuật điều chế • Năm 1941, Martin Synge phát triển sắc ký phân bố giấy đưa thuyết đĩa để giải thích trình sắc ký • Năm 1952, máy sắc ký khí đời tỏ có ưu hiệu tách cao Cột mao quản detector cải tiến, làm tăng độ phân giải độ nhạy phương pháp ⇒ phân tích đươc chất có hàm lượng nhỏ cỡ ppm ppb ⇒ phát triển phương pháp nhanh ứng dụng nhiều thực tế • Năm 1970, Sắc ký lỏng hiệu cao (HPLC) đời, vật liệu nhồi cột cải tiến, computer thiết bị phụ trợ đưa vào ⇒ tăng cường khả tách phương pháp • Các kỹ thuật ghép nối sắc ký phương pháp khác như: Sắc ký - Khối phổ ( GC-MS, LC- MS), sắc ký cộng hưởng từ hạt nhân, sắc ký đa chiều, sắc ký điện di mao quản (CEC)… Phương pháp có độ xác, độ nhạy cao, phân tích nhiều đối tượng phức tạp BẢN CHẤT CỦA PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ Sắc ký trình tách động dựa phân chia cấu tử chất phân tích lên pha - pha tĩnh pha đứng yên có khả hấp thu chất phân tích, pha động pha chuyển dịch dọc theo pha tĩnh – trình pha động chuyển dịch dọc theo pha tĩnh Do cấu tử chất phân tích có lực khác với pha tĩnh, chúng di chuyển với tốc độ khác tách khỏi Lực tương tác pha tĩnh cấu tử chất phân tích thường là: Lực phân bố, hấp phụ, lực ion, lực rây phân tử Quá trình sắc ký khác với trình tách khác điểm: - Sự phân bố chất phân tích lên 02 pha lặp lặp lại nhiều lần (hàng ngàn lần, hàng triệu lần) - Pha động qua pha tĩnh A(đ) ⇔ A(t) B(đ) ⇔ B(t) Dung môi A Mẫu phân tích B A+B A (A >B ) Chất nhồi B A ( Chất mang + Pha tĩnh) B (a) t=0 ( b) (c) ( d) t = t1 Hình Hình vẽ minh họa phân tách cấu tử A, B mẫu phân tích cột sắc ký (e) A • Hợp chất có lực nhiều với pha động có xu hướng khỏi cột trước • Hợp chất có lực nhiều với pha tĩnh bị giữ lại lâu cột sau A+B+C (A > B > C ) A B C Pha động B A t=0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t RC t RB t RA B Pha tĩnh C Hình Mô hình tách chiết cấu tử phương pháp sắc ký C Pha động Ci A A SẮC PHỔ B B C C (A > B >C) Ci C Dung môi rửa giải L B SẮC ĐỒ A tRC tRB tRA VR C VRB VRA t(s) V (ml) fC(i) i=4 i=9 i = 15 10 12 14 16 18 20 i Hình Sự phân bố chất theo phân bố Poision Mô tả phụ thuộc phần chất fC(i) = 37 ** Hãy khảo sát hàm phân bố fC(x), fC(i): fC(x) fC(i) đạt cực đại i= n ; Lấy đạo hàm f ‘C(i) cho f ‘C(i) = Đường cong có điểm uốn hoành độ n = i+_ Nếu biểu diễn phần chất ( nồng độ chất) khỏi cột theo thể tích pha động đưa vào cột thời gian chạy sắc ký ta thu đường cong xuất điển hình tách sắc ký ( có dạng Pic) C o o’ n σ w Hình 38 39 • Theo thuyết giãn rộng vùng chất cột trình khuếch tán chất có vi dòng pha động vào cột • Khi trình sắc ký diễn ra, có o3 loại khuếch tán định di chuyển chất tan xuất hiện, gồm: • • • KHUẾCH TÁN DÒNG 5.2 THUYẾT ● Khuếch tán xoáy ● Khuếch tán phân tử ● Khuếch tán chuyển khối Khuếch tán xoáy: ( Hiệu ứng đường không nhau) Giả sử ta xét 02 vi dòng pha động A,B đoạn cột: A A B B Hình Mặt cắt dọc đoạn cột 40 Độ giãn rộng vùng chất cột khuếch tán xoáy mô tả phương trình: Hx = 2٨dh Trong đó: - Hx phần cột sắc ký mà cấu tử đơn vị thời gian khảo sát dh : đường kính hạt chất nhồi ٨ : Thông số phụ thuộc vào hình dạng kích thước hạt chất nhồi 41 Khuếch tán phân tử pha lỏng pha khí (Sự khuếch tán dài) Độ giãn rộng vùng chất cột khuếch tán phân tử mô tả phương trình: Hk = 2αDđ/u Hk: Phần cột sắc ký mà cấu tử di chuyển khuếch tán đơn vị thời gian khảo sát Dđ: Hệ số khuếch tán tự cấu tử pha động u: Tốc độ di chuyển thẳng dòng pha động α: Hệ số khúc khuỷu, phụ thuộc vào hình dáng hạt khoảng cách hạt chất nhồi ( độ xít đặc) 42 Sự khuếch tán chuyển khối Các cấu tử có khối lượng phân tử khác có tốc độ di chuyển khác → tốc độ trao đổi chất pha cấu tử khác (sự chuyển khối khác nhau) Ảnh hưởng chuyển khối mô tả phương trình: Hm= βu/Dt Hm: Phần cột sắc ký mà cấu tử di chuyển chuyển khối đơn vị thời gian khảo sát Dt: Hệ số khuếch tán cấu tử pha tĩnh β : Hệ số phụ thuộc vào chất hệ sắc ký bề dày pha tĩnh (nếu pha tĩnh lỏng) bề dày lớp chất hấp thu (nếu pha tĩnh rắn) 43 Kết hợp yếu tố với lý thuyết đĩa, VanDeemter Trong đó: đưa phương trình đơn giản sau: • • • • • H = A + B/u + Cu A = 2٨dh B = 2α Dđ C = β/ Dt H: Chiều cao đĩa lý thuyết H H = A + B/u + Cu Cu B/u Hmin A uopt u Hình 10 Đường biểu diễn phụ thuộc H vào u 44 45 • ● Là phương trình mô tả mối liên hệ di chuyển chất tan với tốc độ dòng pha động trình pha động chạy cột sắc ký, qua cho thấy: Đối với cột sắc ký, chất tan di chuyển cột không phụ thuộc vào chất lực tương tác với pha tĩnh mà phụ thuộc vào tốc độ dòng pha động VANDEEMTER PHƯƠNG TRÌNH * Ý NGHĨA CỦA • Trong hệ sắc ký, thay đổi tốc độ di chuyển thẳng dòng pha động khả tách cột sắc ký thay đổi theo ( u thay đổi→ H thay đổi → n → t R → R) • ● Giải thích tượng giãn rộng vùng sắc ký → chọn hệ sắc ký để tách đối tượng thích hợp * MỘT SỐ DẠNG KHÁC CỦA PHƯƠNG TRÌNH VANDEEMTER - Phương trình Knox: H = Au 1/3 + B/u + Cu Áp dụng u nhỏ ( LC), phân tử chất tan chịu nhiều tác động khác , A không độc lập với u - Phương trình VanDeemter cho trường hợp tốc độ dòng pha động lớn (cột mao quản hở) A = H = B/u + Cu * CÁC HỆ QUẢ TỪ PHƯƠNG TRÌNH VANDEEMTER Ta có: H = A + B/u + Cu = - B/u + C Tốc độ tối ưu là: C – B/u = ( optimum: Tối ưu) Giá trị H cực tiểu là: uopt Hmin Hmin == A + + C = A + 46 Ví dụ: Một cột sắc ký dài 150 cm nhồi với lượng hạt có kích thước nhỏ, kết thực nghiệm rửa giải trình tách sau: Lần chạy U (cm/s) tR (s) W (s) 10 450 24 30 150 7,5 50 90 5,0 Hãy xác định tốc độ dòng tối ưu số đĩa lý thuyết cột tiến hành điều kiện tối ưu 47 GIẢI: Ta có: uopt = Hmin = A + Như cần phải tìm thông số A,B,C phương trình VanDeemter Chạy lần : n1 = = = 5,6 10 H1 = = = 0,0267 cm Chạy lần : n2= = = 6,4 10 H2 = = = 0,0234 cm Chạy lần : n3 = = = 5,2 10 H3 = = 3 = 0,0289 cm 48 Từ giá trị H u tương ứng, ta có hệ phương trình: 0,0267 = A + + 10C 0,0234 = A + + 30C 0,0289 = A + + 50C Giải hệ phương trình ta được: A = 0,0067 cm B = 0,163 cm /s C = 3,8 10 -4 s Tốc độ tối ưu là: uopt = = 21 cm/s Ở tốc độ tối ưu, giá trị H là: Hmin = A + = 0,0224 cm Tại tốc độ tối ưu, số đĩa lý thuyết cột là: n = = = 6,7 10 đĩalý thuyết 49 SẮC KÝ GC ( pha động: KHÍ) GSC LC (pha động: LỎNG) HPLC GLC LSC IEC LLC PlaC SEC AC TLC PC IC Hình 11 Phân loại phương pháp sắc ký 50 CÁC TỪ VIẾT TẮT GC: Gas Chromatography ( Sắc ký khí) LC : Liquid Chromatography ( Sắc ký lỏng) GSC : Gas – Solid Chromatography ( Sắc ký khí - rắn) GLC : Gas –Liquid Chromatography ( Sắc ký khí - lỏng) HPLC : High – Performance Liquid Chromatography ( Sắc ký lỏng hiệu cao) LSC : Liquid– Solid Chromatography ( Sắc ký lỏng- rắn) LLC : Liquid–Liquid Chromatography ( Sắc ký lỏng- lỏng) IEC : Ion – exchange Chromatography ( Sắc ký trao đổi ion) IC : Ion Chromatography ( Sắc ký ion) SEC : Size – Exclusion Chromatography ( Sắc ký rây phân tử) AC : Affinity Chromatography ( Sắc ký lực) TLC : Thin Layer Chromatography ( Sắc ký mỏng) PC : Paper Chromatography ( Sắc ký giấy) Planar Chromatography : Sắc ký phẳng ( PlaC) 51