Phương pháp sắc ký khí

CỘT NHỒI Cột nhồi là loại cột mà chất mang và pha tĩnh được nhồi vào đầy cột ● Đối với GSC Chất nhồi đồng thời là pha tĩnh, thường dùng là các polymer vi xốp, silicagel, alumina hoặc là

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 năng 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 ái lực)

TLC : Thin Layer Chromatography ( Sắc ký bản mỏng)

PC : Paper Chromatography

Planar Chromatography : Sắc ký phẳng ( PlaC)

Sơ đồ thiết bị máy sắc ký khí

II PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ

Yêu cầu tổng quát của từng

độ nhớt , đ

ộ linh động)

1 Bom khí: or Máy nén khí ( thiết bị điều chế

khí) có chứa sẵn khí mang (Ar, He, N2…) đóng

vai trò pha động Khí mang phải đảm bảo yêu

•

- H

ệ th ống đồn

g hồ

đo

áp suấ t: có

độ chính xác cao 0,01a tm

2 Bộ phận điều khiển tốc độ pha

động: gồm 2 phần:

•

- X

ylanh bơ

m m

ẫu

có độ chính xá

c ca o

•

- B uồng bơm m

ẫu phả

i p

hù hợp vớ

i th

ể tíc

h xy lanh và tốc

độ bay hơi hoà

- Phải c

ó h

ệ thống cấp

và tả

n nhiệt tốt phù hợp với yê

u c

ầu nhiệ

t đ

ộ từ

ng vùng

•

- B

ộ chương trìn

có

độ đá

p ứ

ng tốt

4 Bộ phận điều khiển nhiệt độ:

Buồng bơm mẫu, cột sắc ký, detector

yêu cầu chế độ nhiệt nghiêm ngặt

•

P

hù hợp với đối tượng c

ần tách,

•

Đặc biệt lư

u ý đế

n đ

ộ phân cực và

độ chọ

n lọ

c

•

Độ phân cực

và đ

ộ chọn lọc đư

ợc th

ể hi

ện ở nhóm chứ

c g

ắn l

ên pha tĩnh, c

ác nhóm ch

ức phổ

biến: Ankyl, Pheny

l, cyan

o, rezoxin

o, hydroxi

n, carbam

at, sulfony

l, sulfid, amino

…

5 Cộột sắẮc ký:

- L

à b

ộ p hận nh

ận biế

t c hất ta

n đ

i r

a k hỏi cộ

t P hải ph

ù h

ợp với đố

i

tượ

ng

và cấu tử cầ

n tá ch, có độ nh

ạy

và

độ đáp ứn

g c ao.

ng ca

o cà

ng tốt ( ngân hàng

dữ liệ

u để địn

ận đọc tín hiệu

từ det ector , cá

c p hươ

ng ph

áp địn

7 Bộ phận phân tích

dữ liệu:

TộẮc độộ dòng pha độộng, địệằu kịệộn nhịệột độộ, thớằị gịan chaộy sắẮc ký, choộn Detector, địệằu kịệộn làm vịệộc

cuỎa Detector và các địệằu kịệộn phẩn dòng tưằ buộằng bớm mẩẫu

3 Tiến hành chạy sắc ký

4 Phân tích các dữ liệu từ sắc đồ:

Định tính, định lượng

YÊU CẦằU TỔỎNG QUÁT CUỎA QUÁ TRÌNH VẦộN HÀNH

Bơm mẫu vào cột, lượng mẫu cần bơm, chọn kiểu bơm (kim nóng, kim lạnh)

Độộ lắộp laộị cuỎa thí nghịệộm phaỎị cao, haộn chệẮ tộẮị đa saị sộẮ ngẩẫu nhịện

2.1.3 Ứng dụng phương trình VanDeemter trong sắc ký khí

4

H(mm) 0,3 –

Cột nhồi có dh càng nhỏ thì khả năng tách càng cao

1 C họn

U s

ử d ụn g:

Thự

c tế khôn

g b

ao g

iờ chọn được Usd = Uopt

; thông thường Usd >

nh toán sao ch

o tá

ch được cấu

tử cần tác

h ra kh

ỏi nhau tro

ng khoả

í man

g

•

2 Đ iều kiệ

n n hiệ

t đ

ộ c

ủa c

ột t ách : N

hiệ

t đ

ộ s

ử dụng khô

ng q

uá c

ao

và không quá thấp

•

- K

hi nhiệ

t đ

ộ càng lớ

n thì tố

g tă

ng, k

hi đó U

A ≈ U

B ≈ U

i ≈ U ; K

hi nhiệt

càn

g th

ấp U

A ≈ U

B ≈ U

i ≈ U ≈ 0 → H

ệ s

ố tá

ch =

1 → Khôn

g tá

ch được các cấ

u tử

ra khỏi nhau

•

- K

hi tách các cấ

u tử

có nhiệ

ng nhiệ

t đ

ộ c

ao thì ph

ải đ

ặc biệt lư

u ý đ

ến

giới hạn nhi

ệt đ

ộ là

m việc của cộ

t v

à c

ủa detector

g trình nhi

ệt đ

ộ c

ủa m

ột phép phâ

n tí

ch c

ần phải có sắc đồ

sơ bộ, s

au

đó th

ay

đổi tốc độ gia nhiệt của hệ

•

3 C họn lư ợn

g m ẫu : Đ

ối v

ới 1 cột sắ

c k

ý, đ

ể c

ó N lớn, k

hả năng tác

h tố

t th

ì khối lượng m

ẫu càn

g

nhỏ càng tố

t, t

uy nhiên phả

i lư

u ý đến giới hạn phá

t hiện của detector và đặc biệt nhi

ễu đườn

y nên

•

4 C họn ph

a đ ộng:

C

họn pha độn

g thích hợp là việ

c là

m r

ất k

hó khă

n c

ủa ngư

ời ph

ân tích, n

ó p

hụ

thu

ộc vào điề

u ki

ện c

ủa c

ác phòng th

í nghiệm

TỐI ƯU

HÓA MỘT

QUÁ

TRÌNH

2.2 1 C ỘT SẮ

C K Ý

•

T rư

ớc n hữn

g n ăm 197 0: l àm bằng k im loạ i

•

Hiệ

n n ay:

Chế tạo b ằng thủ

y ti

nh thạ

ch a

nh v

à ba

o bọc bằng m

ột l

ớp pol ymer

g kín

h d

= mm

; c hiều dài

l = 1- 4 mét C hất nhồi đư

h tr ong c

khi khí man

g gi ảm

áp ( tốc

độ d òng k

hí m ang giảm the

o c hiề

u d

ài c ột)

•

Độ c hênh lệc

h áp s uất (P ) tr

g lớ

n đ

ến hiệu qu

ả tá ch:

Tron

g quá

trì

nh t ách, á

p s uất khí man

g gi ảm dần dọc the

o c

ột, dẫn đ

ến làm gi ảm tốc

độ dòng pha

độn

g → số đĩa

lý t huyết trê

n c

ột th

ay đ

ổi → bề rộn

g châ

n p

ic t hay đổi → k

hả n ăng phâ

n

giải

2 cấu tử cạn

h nha

u c ũng t hay đ

ổi

•

P → F , U → H → N → W

và R

•

Mỗi loạ

i c

ột, t

ùy t heo c ách chế tạo

mà c

ó n hữn

g đ

ặc đ iểm khác n hau →

•

Độ gi ảm

C K Ý

•

T rư

ớc n hữn

g n ăm 197 0: l àm bằng k im loạ i

•

Hiệ

n n ay:

Chế tạo b ằng thủ

y ti

nh thạ

ch a

nh v

à ba

o bọc bằng m

ột l

ớp pol ymer

g kín

h d

= mm

; c hiều dài

l = 1- 4 mét C hất nhồi đư

h tr ong c

khi khí man

g gi ảm

áp ( tốc

độ d òng k

hí m ang giảm the

o c hiề

u d

ài c ột)

•

Độ c hênh lệc

h áp s uất (P ) tr

g lớ

n đ

ến hiệu qu

ả tá ch:

Tron

g quá

trì

nh t ách, á

p s uất khí man

g gi ảm dần dọc the

o c

ột, dẫn đ

ến làm gi ảm tốc

độ dòng pha

độn

g → số đĩa

lý t huyết trê

n c

ột th

ay đ

ổi → bề rộn

g châ

n p

ic t hay đổi → k

hả n ăng phâ

n

giải

2 cấu tử cạn

h nha

u c ũng t hay đ

ổi

•

P → F , U → H → N → W

và R

•

Mỗi loạ

i c

ột, t

ùy t heo c ách chế tạo

mà c

ó n hữn

g đ

ặc đ iểm khác n hau →

•

Độ gi ảm

2.2.2 PHA TĨNH:

Tùy thuộc vào trạng thái tồn tại của các pha trong hệ sắc ký mà phân chia thành các loại sắc ký khác nhau:

Trong sắc ký khí - rắn (GSC), pha tĩnh là rắn; trong sắc ký khí - lỏng (GLC) thì pha tĩnh là lỏng Để giữ cho pha tĩnh lỏng không di chuyển, vật liệu nền rắn mịn được đưa vào cột ( chất mang) Trong kỹ thuật pha tĩnh được phủ lên chất mang được gọi là chất nhồi

- Các loại cột hiện nay chia làm 2 nhóm: Cột nhồi và cột mao quản

2.2.2.1 CỘT NHỒI

Cột nhồi là loại cột mà chất mang và pha tĩnh được nhồi vào đầy cột

● Đối với GSC

Chất nhồi đồng thời là pha tĩnh, thường dùng là các polymer vi xốp, silicagel, alumina hoặc là một loại rây phân tử nào đó

Đối với loại này, ngoài lực hấp phụ là chính, thường kèm theo lực phân bố và làm cho sắc đồ bất đối xứng ( có dạng đuôi)

Do pha tĩnh thường là các chất phân cực và có tính chất hấp phụ mạnh → khi tách các chất phân tích có độ phân cực mạnh thì thời gian lưu của chúng cũng sẽ lớn ( lớn hơn nhiều so với GLC), vì thế nó chỉ thuận lợi khi tách các hỗn hợp có độ phân cực thấp Đối với các cấu tử có độ phân cực mạnh như nước, các ancol… do có ái lực lớn đối với pha tĩnh loại này nên không thể tách được chúng ra khỏi nhau trong hỗn hợp đồng đẳng của chúng Điều này phải được chú ý khi chế biến và xử lý mẫu phân tích

● Đối với GLC

Chất mang thường dùng là Diatomit

Diatomit là loại vật liệu Silicat, nó là cấu tử chính trong gạch chịu lửa.

Ưu điểm: - Trơ về phương diện hóa học

- Chứa nhiều tạp chất ( do có nguồn gốc tự nhiên)

Cấu trúc bề mặt:

OH OH

+ Trong GLC, vấn đề quan trọng là phải phủ pha tính lỏng lên vật liệu nền ( Diatomit) sao cho đảm bảo có được 1 lớp phủ đồng nhất.

Cách phủ pha tĩnh: Hòa tan pha tĩnh lỏng vào dung môi có nhiệt độ sôi thấp, trộn với vật liệu nền, sau đó làm bay hơi dung môi Cách nhồi cột : Rót chất nhồi vào cột, lắc, rung để chất nhồi được nhồi chặt vào cột và đồng nhất cột, sau đó uốn cong để phù hợp với bình điều nhiệt.

+ Trong GC, quan trọng nhất là chất để làm pha tĩnh lỏng.

Yêu cầu:

- Khí mang và nền rắn (chất mang) không tương tác với chất phân tích.

- Hệ số phân bố KD của pha tĩnh đối với chất phân tích phải ở khoảng giữa, không quá lớn và không quá bé.

KD được xác định bởi bản chất của pha tĩnh và nhiệt độ

Nếu KD lớn quá → tR dài và bất tiện

Nếu KD nhỏ → tR của tất cả các chất phân tích gần giống với tđ → khg thể tách đc.

KD là hàm số của độ bay hơi của chất phân tích hòa tan trong pha lỏng tĩnh

KD = f (ĐBHcpt)

Độ bay hơi của chất phân tích phụ thuộc vào tương tác giữa các phân tử của chất phân tích và các phân tử của pha tĩnh lỏng

+ Hiện nay có nhiều loại pha tĩnh lỏng có thể dùng được:

CÁC LOẠI PHA TĨNH LỎNG THÔNG DỤNG VÀ ỨNG DỤNG

5 DEG- Adipate Dinonyl phtalat 150 I Mục đích chung, các axeton, các ete, hợp chất

huỳnh quang, sulfua

6 Cacbawax 20M Polietylen glycol 250 P (pc) Rượu, hợp chất thơm, este

7 OV - 210 Politrifluopropyl metyl

siloxane

250 P Amino axit, steroit, các hợp chất Nitơ

8 OV - 275 Policyano metyl siloxane 275 P Ancaloit, hợp chất Halogen

● Các loại pha tĩnh lỏng không phân cực có khuynh hướng tương tác ít hơn với chất phân tích → tR gần với điểm sôi của chất phân tích Các loại pha tĩnh lỏng phân cực tương tác mạnh với chất phân tích phân cực → khó dự đoán trước thời gian lưu.

● NGUYÊN TẮC CHUNG

* Dùng pha tĩnh có độ phân cực giống độ phân cực của các cấu tử trong mẫu

Ví dụ:

- Squalane (C30H62) bản thân là một Hydrocacbon no ( không phân cực), được dùng để tách các hỗn hợp Hydrocacbon.

- Cacbawax là Polyetylen glycol là chất phân cực mạnh dùng để tách các rượu.

* Khi mẫu chứa các cấu tử có điểm sôi giống nhau nhưng độ phân cực khác nhau thì cấu tử nào có độ phân cực trùng với độ phân cực của pha tĩnh sẽ bị lưu lại trên cột lâu hơn → tR lớn hơn

Ví dụ: Có 1 hỗn hợp gồm các hydrocacbon parafin không phân cực và các hợp chất thơm phân cực

Nếu dùng cột Cacbawax để tách thì các hợp chất thơm sẽ tương đối trễ hơn so với các Parafin

Nếu dùng cột Squalane để tách thì các hợp chất Parafin sẽ tương đối trễ hơn so với các hợp chất thơm

2.2.2.2 CỘT MAO QUẢN

Thay vì nhồi cột bằng chất nền rắn, người ta phủ thành trong của một ống hẹp ( mao quản) bằng pha tĩnh- Cột loại này thường rất dài, số đĩa

lý thuyết lên đến 105 đĩa ( đối với cột dài 25 m)

Có 03 loại cột mao quản hở:

là một ống bằng thép không gỉ có dtrong = 0,3 – 0,5 mm được phủ một lớp vật liệu nền có kích thước hạt rất nhỏ như là celite.

gồm một lớp xốp ở thành ống bên trong của ống mao quản thủy tinh được tạo ra bằng cách phủ một loại bột thủy tinh để làm nền cho pha tĩnh.

Gồm 01 ống Silica đường kính trong 0,25 – 0,5 mm, được cho ăn mòn bên trong ( không nhẵn) và phủ một màng pha tĩnh mỏng (cở 0,5 µm).

Do đường kính mao quản nhỏ, để có số đĩa lý thuyết lớn → lượng mẫu đưa vào cột phải nhỏ < 100 ng, tuy nhiên cần có sự tương quan với khả năng tương thích của Detector.Cột này có thể thực hiện các cân bằng rất lớn khoảng 1000 cân bằng/ 1 giây.

Do đường kính mao quản nhỏ, để có số đĩa lý thuyết lớn → lượng mẫu đưa vào cột phải nhỏ < 100 ng, tuy nhiên cần có sự tương quan với khả năng tương thích của Detector Cột này có thể thực hiện các cân bằng rất lớn khoảng 1000 cân bằng/ 1 giây.

ƯU ĐIỂM so với cột nhồi

- Cân bằng thiết lập nhanh

- Độ phân giải tốt ( do dùng lượng mẫu nhỏ); độ đồng nhất cao ( đối với loại cột cho ăn mòn bằng phương pháp hóa học)

2.3 KHÍ MANG – PHA ĐỘNG

Từ mối liên hệ giữa thời gian lưu t’R với tốc độ dòng pha động F qua phương trình V’R = t’R F, F và tốc

độ chuyển dời u của pha động phụ thuộc vào áp suất của nó trên cột thông qua hệ số Martin J ( J: Hệ số hiệu chỉnh), J là hàm số phụ thuộc vào áp suất đầu và áp suất cuối cột :

J =

Cần chú ý rằng: do tính chất dễ bị nén của chất khí, nên tốc độ chuyển dời của khí mang không tỷ lệ thuận với áp suất bình khí mang; khi áp suất hơi bão hòa của cấu tử tăng, thời gian lưu của cấu tử sẽ giảm khi tăng nhiệt độ của cột sắc ký.

 

2.3.1 Yêu cầu đối với khí mang:

Độ giảm áp suất qua cột tách tỷ lệ với độ nhớt của khí mang theo phương trình: ∆P = (€ / Bo) Lu

Trong đó: ∆P = Pđ - Pc

€ : Độ nhớt của khí mang

u : Tốc độ dòng trung bình B0: Độ thẩm thấu riêng

Do yêu cầu của đối tượng cần tách và khả năng tương thích của Detector, nên khí mang cần có các yêu cầu chính sau:

Chẳng hạn: - Detector độ dẫn (TCD) cần phải sử dụng khí mang có độ dẫn cao như H2, He; trong một số trường hợp có thể dùng N2 nhưng cần chú ý đến khoảng tuyến tính của Detector.

- Detector ion hóa ngọn lửa có thể dùng được tất cả các khí mang ( trừ O2)

2.3.2 MỘT SỐ KHÍ MANG THÔNG DỤNG

Tính chẩẮt và khaỎ nắng sưỎ duộng Khị mang

2.4 Các loại Detector

2.4.1 Detector độ dẫn nhiệt ( TCD- Thermal Conductivity Detector) Nguyên tắc hoạt động:

Detector dẫn nhiệt (TCD)

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

Detector ion hóa ngọn lửa (FID)

- Sau khi rời cột, khí mang đi vào buồng đốt được trộn với H2 và không khí Ngọn lửa H2-O2 gần như không màu, nhưng khi khí mang chứa một hợp chất hứu cơ được rửa giải khỏi cột thì ngọn lửa bị nhuốm màu.

- Khi các hợp chất hữu cơ cháy trong ngọn lửa tạo ra các ion trong quá trình đốt đó:

Ví dụ: Cơ chế tạo thành ion trong trường hợp C6H6

C6H6 → 6CH6CH + 3O2 → 6CHO+ + 6e

- Các điện cực được đặt gần ngọn lửa sẽ phát hiện được sự có mặt những ion này nhờ một dòng nhỏ chạy qua mạch ( dù rất nhỏ cỡ 10-12 A)

- Do sự tăng dòng ion hóa đi từ khí mang sạch đến khí mang chứa các cấu tử chất phân tích được rửa giải mà ghi được tín hiệu

● Độ nhạy: phụ thuộc vào

- - Khả năng đọc dòng điện cực nhó của hệ vi mach điện tử ( cỡ 10-12A)

- - Nhiệt độ của ngọn lửa ion hóa

- - Bản chất của câc cấu tử bị ion hóa

Detector không nhạy với:

- Các chất vô cơ

- Các chất hữu cơ có C bị oxy hóa ở mức cao như các nhóm Cacbonyl

● Ưu điểm:

- Độ chọn lọc cao ( đáp ứng tốt với các hợp chất Hydro cacbon, rất thuận tiện khi phân tích dầu khoáng)

- Có độ nhạy cao với nhiều chất ( cỡ 100 ppb)

- Khoảng tuyến tính rất rộng ( hơn kém nhau đến hàng triệu lần)

- Độ bền tín hiệu cao, ít bị ảnh hưởng bởi tốc độ dòng khí mang và các thông số thực nghiệm khác.

● Nhược điểm:

- Do khí mang có đường nền tương đối cao ( N2) → tín hiệu sẽ bị nhỏ → độ nhạy của Detector thấp.

- Đối tượng phục vụ không nhiều.

- % ion hóa phụ thuộc vào nhiều yếu tố, các yếu tố đó tương đối khá cố định → độ lặp lại không tốt lắm

2.4.3 Detector bắt điện tử ( ECD - Capture electron detector)

Detector bắt điện tử (ECD)

Nguyên tắc hoạt động của Detector cộng kết điện tử:

Dựa trên đặc tính các chất có khả năng cộng kết điện tử tự do trong pha khí.

− Các ion được tạo ra bởi một nguồn phóng xạ như 3H hoặc 63Ni , các nguồn phóng xạ này phát ra các hạt β.

Khí mang N2 có thể bị ion hóa:

N2 + β → N2+ + 1e và các ion này tạo thành một dòng cố định trong mạch detector.

-Khi một chất phân tích cộng kết điện tử được rửa giải, thì nó làm giảm dòng cố định đó, dăc biệt nếu hợp chất đó chứa một ng tố âm điện cao X, thì nó có xu hướng bắt các điện tử tự do và làm tăng lượng kết hợp ion lại:

Bắt điện tử: X + e →

X-Kết hợp ion lại: X- + N2 + → X + N 2

Như vậy dòng sẽ giảm xuống cho phép ghi được tín hiệu

Theo phương pháp này:

- Dãy đồng đẳng n- Parafin được chọn làm chất chuẩn.

- Mỗi Parafin có một chỉ số là 100 z ( z: số nguyên tử Cacbon)

Ví dụ: CH4 = 100; C2H6 = 200; C3H8= 300… → Một chất có KRI là 540 tương đương với một Parafin thông thường giả thiết chứa 5,4 nguyên tử Cacbon

Có thể xác định chỉ số lưu Kovats bằng 2 cách:

+ Dùng đồ thị

+ Tính toán trực tiếp từ thời gian lưu hiệu chỉnh