Do nhu cầu phát triển của các ngành khoa học nói chung và ngành hóa học nói riêng. Ngành hóa học phân tích đang từng bước phát triển mạnh mẽ, ngày càng có nhiều phương pháp phân tích mới được ra đời. Các phương pháp mới này đáp ứng phần nào nhu cầu phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật. Các phương pháp này cho phép xác định được một cách chính xác và nhanh chóng nhất, phạm vi phân tích ngày càng rộng và phạm vi phát hiện ngày càng nhỏ. Có thể nói sự phát triển đó đã mở ra một hướng mới cho hóa học trong việc phân tích các chất và nghiên cứu các chất mới. Một trong những phương pháp phân tích hiểu hiệu và đa năng, là phương pháp sắc ký. Trong đó Có phương pháp sắc ký lỏng hiệu nâng cao, phương pháp sắc ký điện di mao quản, phương pháp sắc ký khí… Để tìm hiểu rõ hơn về các phương pháp sắc ký, chúng tôi xin chọn đề tài “Tìm hiểu về Sắc ký khí”. Phương pháp sắc ký khí đang trở thành một công cụ được ứng dụng rất mạnh mẽ trong nhiều ngành khoa học, hóa sinh, sinh học, y học, dược học, hóa học lâm sàng, nghiên cứu xúc tác, hóa học môi trường,… Sắc ký khí đã trở thành một trong những phương pháp quan trọng nhất để tách, 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,… Sắc ký khí được coi là phương tiện đầu tay của các nhà hóa học, đặc biệt là các nhà hóa học hữu cơ. Năm 1952, máy sắc ký khí đầu tiên được ra đời dưới sự chủ trì của giáo sư Keuleman và các cộng tác viên. Trong sắc ký khí, mẫu được tách do sự phân bố giữa pha tĩnh và pha động nhờ cơ chế hấp phụ, phân bố hoặc kết hợp cả hai cơ chế này. Khi pha tĩnh là một chất hấp phụ rắn thì kỹ thuật phân tích được gọi là sắc ký khí – rắn (GSC). Khi pha lỏng được gắn lên bề mặt của chất mang trơ hoặc được phủ dưới dạng một lớp phim mỏng lên thành cột mao quản thì kỹ thuật này được gọi là sắc ký khí – lỏng (GLC). Ngày nay thiết bị sắc ký khí còn được ghép nối thành công với các thiết bị xác định cấu trúc như khối phổ (MS), quang phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier (FI – IR)
A MỞ ĐẦU Do nhu cầu phát triển ngành khoa học nói chung ngành hóa học nói riêng Ngành hóa học phân tích bước phát triển mạnh mẽ, ngày có nhiều phương pháp phân tích đời Các phương pháp đáp ứng phần nhu cầu phát triển ngành khoa học kỹ thuật Các phương pháp cho phép xác định cách xác nhanh chóng nhất, phạm vi phân tích ngày rộng phạm vi phát ngày nhỏ Có thể nói phát triển mở hướng cho hóa học việc phân tích chất nghiên cứu chất Một phương pháp phân tích hiểu hiệu đa năng, phương pháp sắc ký Trong Có phương pháp sắc ký lỏng hiệu nâng cao, phương pháp sắc ký điện di mao quản, phương pháp sắc ký khí… Để tìm hiểu rõ phương pháp sắc ký, xin chọn đề tài “Tìm hiểu Sắc ký khí” Phương pháp sắc ký khí trở thành cơng cụ ứng dụng mạnh mẽ nhiều ngành khoa học, hóa sinh, sinh học, y học, dược học, hóa học lâm sàng, nghiên cứu xúc tác, hóa học mơi trường,… Sắc ký khí trở thành phương pháp quan trọng để tách, xác định cấu trúc, nghiên cứu thơng số hóa lý hệ số hoạt độ, entanpi, nhiệt hóa hơi, hệ số khuếch tán phân tử, động học xúc tác,… Sắc ký khí coi phương tiện đầu tay nhà hóa học, đặc biệt nhà hóa học hữu Năm 1952, máy sắc ký khí đời chủ trì giáo sư Keuleman cộng tác viên Trong sắc ký khí, mẫu tách phân bố pha tĩnh pha động nhờ chế hấp phụ, phân bố kết hợp hai chế Khi pha tĩnh chất hấp phụ rắn kỹ thuật phân tích gọi sắc ký khí – rắn (GSC) Khi pha lỏng gắn lên bề mặt chất mang trơ phủ dạng lớp phim mỏng lên thành cột mao quản kỹ thuật gọi sắc ký khí – lỏng (GLC) Ngày thiết bị sắc ký khí ghép nối thành công với thiết bị xác định cấu trúc khối phổ (MS), quang phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier (FI – IR) B NỘI DUNG Nguyên tắc số yêu cầu phương pháp sắc ký khí 1.1 Nguyên tắc Dựa vào tương tác khác chất pha tĩnh Với pha tĩnh rắn (GSC) phụ thuộc vào lực hấp phụ, với pha tĩnh lỏng (GLC) phụ thuộc vào phân bố cấu tử Trong đó, pha động chứa chất khí mang trơ chuyển động liên tục qua cột trình tách Ở đây, khác lực liên kết với pha tĩnh, nên sau lần hấp thụ giải hấp chất phân tích di chuyển quãng đường nhỏ khác Pha động di chuyển liên tục qua cột, kéo theo cấu tử khác di chuyển quãng đường khác xa Sau thời gian định, cấu tử tách khỏi 1.2 Một số yêu cầu phương pháp phân tích sắc khí Một số yêu cầu để phép phân tích sắc ký khí có hiệu quả: Cột tách có pha tĩnh phù hợp với mẫu phân tích Detecto phù hợp với phương pháp tính chất hàm lượng mẫu.Khí mang phù hợp với chất phân tích nguyên lý làm việc Detecto Khí phụ trợ có thành phần tính chất phù hợp Đưa quy trình vận hành, bao gồm: nhiệt độ cột tách, nhiệt độ Detecto, nhiệt độ hóa mẫu, cách bơm mẫu, tốc độ dòng khí mang, khí phụ trợ,… 1.3 Sơ đồ máy trình phân tích Để phép phân tích sắc ký khí có hiệu quả, vào mẫu phân tích, người phân tích nguyên tắc kinh nghiệm thực tế đưa cấu hình máy điều kiện vận hành phù hợp bao gồm: Cột tách có pha tĩnh phù hợp với mẫu phân tích Detetor phù hợp với phương pháp tính chất hàm lượng mẫu Khí mang phù hợp với chất phân tích nguyên lý làm việc detetor Đưa quy trình vận hành bao gồm nhiệt độ cột tách, nhiệt độ detetor, nhiệt độ phận bơm mẫu, cách bơm mẫu, tốc độ dòng khí mang, khí phụ trợ… Những thơng số đặt thơng qua máy tính điều khiển thiết bị 1.3.1 Sơ đồ thiết bị sắc ký khí Phần mềm vi sử lý H � � i � u k h i � n v � x � l �s � l i � u 10 Hình 1.1 Sơ đồ máy S �sắc ��kít khí h i �t b � s �c k � k h � Nguồn khí mang 6.Detetor Điều chỉnh áp suất Khuếch đại Lọc khí Máy ghi Bộ phận bơm mẫu Máy tích phân Cột tách 10 Phần mềm máy tính Trung tâm phép tách sắc ký cột tách 5, phận quan trọng nhất, định thành công phép tách Tiếp theo detetor 6, phận ảnh hưởng lớn tơi tốc độ nhạy phương pháp Các phận nguồn khí mang, khí phụ trợ phần hệ điều khiển xử lý tín hiệu Sau mẫu đưa vào phận bơm mẫu (injector), hóa đặt nhiệt độ hóa phù hợp Khí mang nguồn điều chỉnh áp suất làm phận lọc khí 3, đẩy mẫu dọc theo cột Nhiệt độ cột khống chế chặt chẽ hệ rơle cặp nhiệt điện Các chất phân tích sau tách cột vào detetor Tại chất phân tích cho tín hiệu định, tín hiệu khuếch đại, xử lý ghi lại nhờ phận 7, 8, Ngày nay, hầu hết máy sắc ký có phận máy tính có cài đặt chương trình hoạt động cho máy bao gồm tốc độ dòng khí mang, nhiệt độ phận bơm mẫu, cột tách, detetor xử lý tín hiệu sau cột 10 Ngồi ra, phận tự động bơm mẫu chế độ làm việc khác phù hợp với đối tượng phân tích detetor áp dụng 1.3.2 Các bước tiến hành phép phân tích sắc ký khí - Chuẩn bị hệ sắc ký Kiểm tra: mức độ rò rỉ khí mang, liên thơng thiết bị dùng dùng để tách cấu tử hỗn hợp cần phân tích khỏi nhau, thiết bị nhận biết chất tan khỏi cột thể kết với thiết bị điều khiển khác Nếu cột phải luyện cột trước sử dụng cách cho khí o mang chạy qua cột 30 phút nhiệt độ khoảng 200 – 250 OC tùy theo Tmax cột trước tiến hành bơm mẫu - Đặt chế độ chạy sắc ký Đặt chế độ cho tốc độ pha động, điều kiện (chế độ) nhiệt độ, thời gian chạy sắc ký, chọn detetor điều kiện làm việc detetor; điều kiện phân dòng từ buồng bơm mẫu - Tiến hành chạy sắc ký - Bơm mẫu vào cột - Chạy sắc ký - Phân tích liệu thu từ sắc đồ: định tính, định lượng Tóm lại yêu cầu tổng quát trình vận hành: độ lặp lại thí nghiệm phải cao, hạn chế tối đa sai số ngẫu nhiên Cột tách sắc ký khí Cột thường làm thủy tinh thép khơng gỉ có chứa pha tĩnh Có hai loại cột: cột nhồi cột mao quản Cột nhồi thường dài từ – 5m, đường kính 5mm Cột nhồi nhồi đầy pha tĩnh phủ bên pha tĩnh Cột mao quản dài từ 10 đến 100m, đường kính 250 m Pha tĩnh phủ bề mặt phía cột Cột mao quản có khả tách cao cột nhồi pic lại dễ bị roãng bơm nhiều mẫu Hình 2.1 Cột nhồi (Brain M Tissue, 17/9/2003) Hình 2.2.Cột mao quản (Brain M Tissue, 17/9/2003) Cột tách trung tâm phép tách sắc ký Ngày nay, hầu hết máy sắc ký sử dụng cột tách mao quản, có pha tĩnh hợp chất cao phân tử gồm loại: ancol, ete este, hợp chất amin, silicon 2.1 Các loại cột tách 2.1.1 Cột nhồi Cột nhồi loại cột mà pha tĩnh chất mang pha tĩnh nhồi vào đầy cột Cột Chất nhồi cộtchất nhồi cột nhồi Hình 2.3 Hình ảnh mơ - Đối với Sắc ký khí-rắn (GSC) Chất nhồi đồng thời pha tĩnh thường dùng polyme vi xốp, silicagel; alumina loại rây phân tử Đối với loại ngồi lực hấp phụ thường kèm theo lực phân bố làm cho sắc đồ bất đối xứng (có dạng đi) Do pha tĩnh thường chất phân cực có tính hấp phụ mạnh nên tách chất phân tích có độ phân cực mạnh thời gian lưu chúng lớn nhiều so với GLC thuận lợi tách hỗn hợp có độ phân cực thấp Đối với cấu tử có độ phân cực mạnh nước, ancol… có lực lớn pha tĩnh loại nên tách chúng khỏi hỗn hợp đồng đẳng chúng Điều phải ý chế biến xử lý mẫu phân tích Lưu ý: Trong GSC, chất nhồi đóng vai trò chất xúc tác, làm xảy phản ứng hóa học cột mà chất phân tích tham gia (như silicagel; alumina) Các loại polyme vi xốp thường tạo từ phản ứng trùng hợp styren đivinylbennzen, tùy thuộc vào hàm lượng đivinylbenzen mà có kích thước lỗ xốp khác Loại hấp phụ chất phân cực yếu kể nước - Đối với Sắc ký khí – lỏng(GLC) Chất mang thường dùng diatomit Diatomit loại vật liệu silicat, cấu tử gạch chịu lửa Diatomit có ưu điểm trơ phương diện hóa học, có khả thấm pha tĩnh lỏng tốt, có bề mặt riêng lớn, chịu nhiệt độ cao Nhưng có nhược điểm dễ vỡ nên kích thước hình dáng bên ngồi khơng đồng nhất, dó có nguồn gốc tự nhiên nên có chứa nhiều tạp chất Chế tạo: sơ chế đất diatomit sau trộn với xơđa tỷ lệ thích hợp, nung hỗn hợp 900oC nghiền thành bột Cấu trúc bề mặt silica: OH OH Si O Si Trong thực tế, để nâng cao chất lượng chất mang để sử dụng vào mục đích cụ thể đó, người ta tiến hành hoạt hóa chúng chất phủ thích hợp Thí dụ, sau chế tạo người ta phủ bề mặt để sản phẩm giữ 1% (về khối lượng) pha tĩnh có tính chất chọn lọc đặc biệt đó, tạo cột có tính sử dụng tương đương (tương tự hãng chế tạo nhiều cột giống nhau) Lưu ý: Do yêu cầu bề dày màng pha tĩnh tồn cột phải đồng nên thường hòa tan pha tĩnh vào dung mơi có nhiệt độ sơi thấp, sau thấm cột, rung, lắc, cho chảy dung dịch dư, sau tiến hành đuổi dung mơi Cột sau nhồi uốn cong cho phù hợp kích thước lò Pha tĩnh lý tưởng phải khơng phản ứng với chất phân tích, có KD xác định rõ ràng chất phân tích, giá trị khơng q lớn q nhỏ thích hợp đồng thời có nhiệt độ sơi cao (thích hợp với hệ sắc ký để không hạn chế khả làm việc cột) - Ưu điểm nhược điểm cột nhồi Trơ mặt hóa học, có khả thấm ước pha tĩnh tốt, có bề mặt riêng lớn chiệu nhiệt độ cao Nhưng chứa nhiều tạp chất dễ vỡ 2.1.2.Cột mao quản Loại cột này, người ta phủ thành cột lớp pha tĩnh Do độ giảm áp suất cột thấp nên cột thường dài, để có khoảng 10 lý thuyết cột phải dài khoảng 10 -100m cột nhồi dài khoảng - 5m Có loại cột mao quản hở: - SCOT: support coated open tubular columns (cột mao quản hở phủ pha tĩnh) - PLOT: porous layer open tubular columns (cột mao quản hở phủ lớp xốp) - WCOT: wall coated open tubular columns (cột mao quản hở phủ thành phim) Loại cột thường chế tạo từ ống SiO2 đường kính khoảng 0,25 – 0,50 mm, “gặm” (ăn mòn – khơng nhẵn ống thủy tinh) phủ màng tĩnh (phim), thường có bề dày 0,5 – 0,25 m Do đường kính mao quản nhỏ nên để cos đĩa lý thuyết lớn �� � lượng mẫu đưa vào cột phải nhỏ < 100ng �� � cần lượng mẫu nhỏ (cần có tương quan với khả tương thích detetor) Cột thực cân chiết khoảng 1000 đĩa cần đến không giây (s) Các hình thể số thông số loại cột mao quản Pha tĩnh SCOT 20 20 PLOT 0,5 – 0,25 WCO Hình 2.4 Mơ hình mơ mặt cắt ngang loại cột T mao quản - Các ưu điểm cột mao quản Ưu điểm: + Cân thiết lập nhanh; + Độ phân giải tốt (do dùng lượng mẫu nhỏ) + Độ đồng cao (đối với loại cột ăn mòn phương pháp hóa học) + Giới hạn phát nhỏ Nhược điểm cột mao quản: + Dài, nhỏ �� � khó chế tạo + Lượng mẫu nhỏ �� � cần có detetor có khả tương thích cao 2.2 Cách nhồi pha tĩnh cột tách Người ta phủ pha tĩnh lên chất mang (pha tĩnh + dung mơi + chất mang) sau đốt nóng làm bay dung môi Khi chất mang tẩm pha tĩnh tiếp tục sấy tủ chân không nhiệt độ thích hợp, để nguội ray ray có cở số thích hợp sau nhồi vào cột Chất nhồi đưa vào cột bằng: đầu cột phễu đầu cột gắn với hệ thống chân không ( nhờ vào bơm chân khơng) Tồn cột đặc nằm ngang rung điều khiển tốc độ Kiểu cột tách Cột mao phim quản Cột mao quản mỏng lớp mỏng Đặc trưng WCOT Đường kính 0,,25 – 0,50 mm Chiều dài 10 – 100 m Hiệu Cột 1000 – 3000 SCCT 0,50 mm Cột mao Cột nhồi quản nhồi thông thường mm – mm tách đĩa/m 20 – 30 cm/s 10 – 100 m 1–6m 1–4m 600 – 1200 1000 – 3000 500 – 1000 đĩa/m đĩa/m đĩa/m 20 – 30 cm/s – 15 cm/s – cm/s Tốc độ dòng hydro; heli hydro; heli hydro; heli hydro; heli (tối ưu) 10 – 15 cm/s 10 – 15 cm/s – 10 cm/s – cm/s nitơ; argon – ml/phút nitơ; argon – ml/phút nitơ; argon – ml/phút nitơ; argon 20–60 ml/phút Tốc độ thể tích hydro; heli hydro; heli hydro; heli hydro; heli dòng (tối ưu) 0,5 – ml/phút – ml/phút – ml/phút 15 – 50 ml/phút nitơ; argon nitơ; argon nitơ; argon nitơ; argon 10 – 100 ng 10ng – 1g 10ng – 10g 10ng – 1mg Thấp Thấp Rất cao Cao Lượng mẫu Áp suất đòi hỏi Khí bổ trợ Đòi Cho detetor thường Tốc độ phân hỏi thơng Đòi hỏi thơng Đòi hỏi thơng thường Nhanh Nhanh tích Trơ hóa học Tốt Tính thấm Cao Cao Bảng 2.1 Cấu tạo thông số cột tách thường Đòi hỏi thường Trung bình Chậm Thấp Kém Thấp Hiện Việt Nam cột nhồi thông thường loại cột sắc ký phổ biến nhất, đa số phòng thí nghiệm, kể kỹ nghệ, nhiều nước khoa học tiên tiến giới bỏ hẳn cột nhồi mà sử dụng cột mao quản Tuy nhiên so với phương pháp sắc ký khí cột nhồi, sắc ký khí sử dụng cột mao quản đòi hỏi yêu cầu đặc biệt trình bơm mẫu q trình phát cấu tử (ví dụ cột mao quản phim mỏng WCOT lượng mẫu đưa vào cột khoảng 10-7g thông 2.3 Các loại pha tĩnh lỏng o Pha tĩnh loại đánh gía dựa vào tsơi (tức khoảng nhiệt độ làm việc cột) độ phân cực Để sử dụng hiệu pha tĩnh, người ta đưa số nguyên tắc Dùng pha tĩnh phân cực để tách mẫu gồm cấu tử phân cực - Cấu tử có áp suất thấp – cần phải tách nhiệt độ cao nên cần pha tĩnh lỏng chất chịu nhiệt độ cao - Cũng cần lưu ý tách nhiệt độ thấp độ phân giải GC tốt Thí dụ số pha tĩnh thường gặp Bảng 2.2 Một số pha tĩnh thường sử dụng Thành phần hóa học t si max Độ phân Ứng dụng (đối tượng phân o C cực tích) Squalane (C30H62) 150 NP Các hydrocacbon Polymethyl siloxane 350 NP Các hợp chất khơng phân 400 NP Các hợp chất có áp suất thấp 200 I Các ester, acide béo, pesticides 250 P 250 P 270 P Polycarboran siloxane Diethyleneglycol adipate Polyethylene glycol Polytrifluopropylme thyl siloxance Polycyanomethyl siloxance Các rượu, chất thơm, ester Các amino acide, steorit, hợp chất chứa N Các ancaloit, dược phẩm, hợp chất halogeno NP: khơng phân cực; I: phân cực; P: phân cực Các loại khí mang (pha động) sử dụng sắc ký khí Có thể sử dụng khí đơn hỗn hợp khí theo tỉ lệ thích hợp Khí mang có vai trò đưa chất phân tích dọc theo cột, rửa giải làm hệ thống sắc ký Việc chọn khí làm khí mang phụ thuộc vào chất phân tích, phụ thuộc vào Detecto, kỹ thuật sắc ký Thường sử dụng khí như: He, H2, Ar, N2, Kr,… có độ tinh khiết cao khoảng 99,995% đến 99,9999% Tốc độ trung 10 Nếu điều kiện sắc ký nhiệt độ, loại cột… gống chất ln có thời gian lưu giống nhau, biết thời gian lưu hợp chất chấp nhận độ nhạy Tuy nhiên, chất có tính chất giống thường có thời gian lưu giống Hình 8.1: Sắc đồ sắc ký khí Khối phổ: - Sự xuất phổ khối lượng: Khi cho phân tử trạng thái khí va chạm với dạng electron có lượng cao từ phân tử bật hay hai electron trở thành ion có điện tích +1 (chiếm tỉ lệ lớn) +2 Giả thiết phân tử chất nghiên cứu ABC thì: ABC + e ABC+ + 2e (1) ABC+2 + 3e (2) Loại ion ABC+ gọi ion gốc hay ion phân tử Nếu ion phân tử ABC+ tiếp tục va chạm với chùm electron có lượng cao chúng bị phá vỡ thành nhiều mảnh ion, thành gốc phân tử trung hòa khác Q trình gọi trình phân mảnh (gracmentation) ABC+ A+ + BC ABC+ AB+ + C A+ +B Năng lượng trình phân mảnh vào khoảng 30-100eV, nhiều so với lượng ion hóa phân tử (8-15eV) Quá trình biến phân tử trung hòa thành ion gọi ion hóa 33 Trên đồ thị hình đây: I AB+ ABC+ A(eV) 20 40 60 80 100 Hình 8.2: Xác suất có mặt ion mảnh axeton Cho thấy: xác suất có mặt ion phụ thuộc vào lượng va chạm phân tử Năng lượng khoảng 15eV ion phân tử ABC + đạt cực đại mảnh ion AB+ tiếp tục tăng đến lượng70eV tăng chậm đạt giá trị cực đại Các ion có khối lượng ion điện tích e Tỉ số m/l gọi số khối z Bằng cách đó, tách ion có số khối khác khỏi xác định xác suất có mặt chúng vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ xác suất m có mặt (hay cường độ phổ khối lượng I) số khối z, tức là: I ( ) đồ thị e gọi phổ khối lượng %B 100 50 O m/e Hình 8.3: Phổ khối lượng - Khối phổ: dùng để xác định chất hóa học dựa cấu trúc Khi giải hấp hợp chất riêng lẻ từ cột sắc ký, chúng vào đầu dò có dòng 34 điện ion hóa (mass spectrometry) Khi đó, chúng công vào luồng, chúng bị bỡ thành mảnh vụn, mảnh vụn lớn nhỏ; Những mảnh vụn thực tế vật mang điện hay gọi iơn, điều quan trọng hạt cần trạng thái tích điện qua lọc Các khối nhỏ chắn, khối mảnh vỡ chia vật mang gọi tỉ lệ vật mang khối (M/Z); Hầu hết mảnh vụn có điện tích +1, M/Z thường miêu tả phân tử nặng mảnh vụn.Nhóm gồm có nam châm điện gọi tứ cực (quadrapole), tiêu điểm mảnh vụn xuyên qua khe hở vào đầu dò detector, tứ cự thành lập phần mền chương trình hướng mảnh vụn vào khe khối phổ Phân tích kết Máy tính ghi lại biểu đồ lần qt Trục hồnh biểu diễn tỉ lệ m/z trục tung biểu diễn cường độ tín hiệu mảnh vụn quét đầu dò detector Đây đồ thị số khối Trong hình 19, hình ảnh khối cao dodecane, phần nềm GC/MS giống thư viện hình ảnh dùng để nhận chất chưa biết tồn hỗn hợp mẫu Thư viện so sánh hình ảnh khối từ thành phần mẫu với hình ảnh khối thư viện máy 35 Hình 8.4: Mass-spectrum 8.2 Một số thành cơng phân tích lượng vết Ví dụ : Tinh dầu từ rễ thân pơmu thu phương pháp chưng cất lôi nước Các tiêu hoá - lý tinh dầu xác định phương pháp phân tích hố học Thành phần cấu trúc số cấu tử xác định phương pháp phân tích sắc ký - khối phổ (GC-MS) Kết thu cho thấy, hàm lượng số cấu tinh dầu E-Nerolidol (14.91% thân, 11.03% rễ), Elemol (13.56% thân, 31.29% rễ), -Eudesmol (13.09% thân, 31.43% rễ), -Eudesmol (5.34% thân, 12.03% rễ) - Thành phần hoá học tinh dầu pơmu: Phổ GC-MS tinh dầu rễ thân pơmu trình bày hình 21 22 Hình 8.5: Phổ GC-MS tinh dầu rễ pơmu 36 Hình 8.6: Phổ GC-MS tinh dầu thân pơmu 37 C BÀI TẬP Bài 1: Tính số đĩa lý thuyết hiệu lực nef chiều cao đĩa lý thuyết hiệu lực Hef hệ sắc ký có tính chất sau: t RA 280 s; t RB 300s; WA 14s; WB 15s ,thời gian chết tm=10s, cột có chiều dài 3,2m Giải: Theo lý thuyết ta có số đĩa lý thuyết hiệu lực nef là: n n k '2 ; với k’ tỷ số dung tích k '1 nef t tM 16 R W 2 �280 � nA 16 � � 6400 �14 � �300 � nB 16 � � 6400 �15 � Từ ta có: Đối với pic A: � t t k ' �R M � tM � � 280 10 � � � � 27; � � 10 � nef A Đối với pic B: � 27 � 6400 � � 5951, 07 �27 � � t t k ' �R M � tM � � 300 10 � � � � 29; � � 10 � nef B Vậy, � 29 � 6400 � � 5980, �29 � nef 5065, ; H ef 300 0, 053 5965, 38 Bài 2: Pic sắc ký hợp chất X phát sau 15 phút sau đưa mẫu vào (lúc hợp chất Y không giữ vật liệu cột xuất qua 1,32 phút) Pic chất X có dạng đường phân bố Gauss với bề rộng đáy 24,2s Độ dài cột 40,2cm Tính số đĩa lý thuyết cột Tính H cột Tính T cột Tính số lưu giữ chất X Từ phương pháp chuẩn bị biết thể tích chất lỏng giữ bề mặt chất mang cột 9,9ml Thể tích pha động 12,3ml Hãy tính hệ số phân bố X Tiêu chuẩn phân chia X Y yếu tố phân chia X Y 1,011 Giải: Số đĩa lý thuyết (n): 2 t 15.60 n X 16 RX 16 22130 24,2 WX Tính H: Ta có n L L 40,2 H 1,82.10 (cm) H n 22130 Tính T: Từ n 2 n.H 22130.(1,82.10 ) 0,27(cm) H Ta có: T tR 15.0,27 0,101( phut ) L 40,2 Chỉ số lưu giữ chất X: Ta có: R tm 1,32 0,088 tR 15 39 Hệ số phân bố X (kX): Ta có: R Vm V (1 R ) 12,3(1 0,088) kX m 12,9 Vm k VS R.VS 0,088.9,9 Tiêu chuẩn phân chia (Rs): n 22130 (1 ) (1 ) 0,4 với yếu tố phân 1,011 Ta có: RS chia Bài 3: Cho hệ sắc ký có tính chất sau: t RA 280s; t RB 300s; WA 14s; WB 15s Cột có chiều dài 3,2m Thay đổi chiều dài từ 320 cm lên 400 cm Tính độ phân giải? Giải: t RA 280 400 350( s ) 320 t RB 300 400 375(s ) 320 �t � �280 � nA 16 � RA � 16 � � 6400 �14 � �WA � 2 �t � �300 � nB 16 �RB � 16 � � 6400 �15 � �WB � 400 �t � n 16 �R � 6400 8000 320 �W � 16.t 2R t n 16. R W n W Ta có: WA WB 16.(350) 15, 65( s) 8000 16.(375) 16, 77( s) 8000 R 375 350 1,54 15, 65 16, 77 Bài 4: Một cột sắc ký mao quản dài 30m, chạy chất chuẩn hai tôc độ pha động khác nhau, cho số liệu sau: 40 Tốc độ (cm/s) Số đĩa lý thuyết 0,5 150 000 120 000 Xác định vận tốc tối ưu,chiều cao đĩa lý thuyết cực tiểu số đĩa lý thuyết vận tốc tối ưu đó,cho A=0 Giải TN1 H1 = 3000/150000 = 0,02 cm TN2 H2 = 3000/120000 = 0,025 cm Ta có phương trình: B 0,5C 0,5 B 0, 025 C 0, 02 Giải phương trình ta : C= 0,02 s ; B = 0,005 cm2/s U tối ưu = (B/C)1/2 = 0,5 cm/s Hmin = 2(B.C)1/2 = 0,02 cm Số đĩa lý thuyết vận tốc tối ưu là: n 3000 150000 0, 02 Bài 5: Một hỗn hợp chứa metyl xiclohexan,metyl xiclohexen toluen tách phương pháp sắc ký lỏng – khí cột nhồi dài 42 cm Sắc ký đồ cung cấp thời gian lưu chúng 10,1 ; 11,0 ; 13,5 chiều rộng pic 0,75 ; 0,80 ; 1,05 phút Hãy tính: Số đĩa lý thuyết pic, giá trị trung bình,độ lệch chuẩn n chiều cao đĩa lý thuyết cột Độ phân giải metyl xiclohexan metyl xiclohexen,giữa metyl xiclohexen toluen Cho biết khí sử dụng khơng khí với tR(KK) = 1,2 phút (khơng khí xem cấu tử khơng bị lưu giữ cột) Hãy tính chiều dài cột để độ phân giải cấu tử đạt yêu cầu tối thiểu 1,5 41 Giải Ký hiệu A : metyl xiclohexan B: metyl xiclohexen C: toluen t Sử dụng phương trình : n 16( R ) tính số đĩa lý thuyết w A: n = 2902 B: n = 3025 C: n =2645 ntb = 2900 H n L 420 0, 015cm ntb 2900 2 � n.H 2900.(0, 015) 0,81(cm) H Độ phân giải metyl xiclohexan metyl xiclohexen,giữa metyl xiclohexen toluen Rs , A B 2t R 1,16 wA wB Rs , B C 2t R 2, 70 wA wB 3.Chiều dài cột để độ phân giải cấu tử đạt yêu cầu tối thiểu 1,5 Vì Rs,A-B = 2,70>1,5 nên cần tính chiều dài để độ phân giải A-B đạt yêu cầu 1,5 Gọi n1,n2 số đĩa lý thuyết cột cũ cột mới,ta có: Rs ,1 Rs ,2 n1 n2 � 1,16 2900 � n2 4800 1,50 n2 Chiều dài cột để độ phân giải tăng lên 1,5: L2 = H.n2 = 0,015 4800 = 73 cm 42 Bài 6: Một phép sắc ký khí sử dụng cột dài 36 m, chạy chất chuẩn thí nghiệm với tốc độ pha động khác cho pic có thời gian lưu độ rộng pic sau: Thí nghiệm u (cm/s) tR (s) w (s) 10 300 20 20 250 16 30 150 10 Xác định vận tốc tối ưu, số đĩa lý thuyết cho cột vận hành vận tốc tối ưu Giải : Theo phương trình Van-Deemter, muốn xác định vận tốc tối ưu, Hmin số đĩa lý thuyết ta cần xác định hệ số A, B, C Muốn ta xác định số đĩa lý thuyết chiều cao đĩa lý thuyết cho thí nghiệm : Ta có : L=36 m = 3600 cm TN 1: 300 n1 16 3600 20 TN 2: 250 n2 16 3906 16 TN 3: 150 n3 16 3600 10 H1 3600 1,00(cm) 3600 H2 3600 0,92(cm) 3906 H3 3600 1,00(cm) 3600 Thay số liệu vào phương trình ta có hệ phương trình sau: 1,00 A B 10C 10 (1) 0,92 A B 20C 20 (2) 1,00 A B 30C (3) 30 Giải hệ gồm phương trình (1), (2) (3) ta được: A= 0,36 (cm), B = 4,8 (cm2/s) C = 0,016 (s) Vận tốc tối ưu, Hmin số đĩa lý thuyết tính : utoiuu B 4,8 17,32(cm / s ) C 0,016 H A B.C 0,36 4,8.0,016 0,914(cm) n L 3600 3939 H 0,914 43 D KẾT LUẬN Qua thời gian tìm hiểu, tơi thu số kết sau : - Tổng quan tài liệu đưa vấn đề chung lý thuyết phương pháp sắc ký khí như: nguyên tắc sắc ký khí, thiết bị kỹ thuật sắc ký khí, số ứng dụng sắc ký khí, điều kiện tối ưu nhằm giúp việc phân tích đạt hiệu cao sở đưa kết luận ưu nhược điểm sắc ký khí - Sưu tầm số tập có lời giải sắc ký Từ tơi tìm hiểu được, lần giúp khẳng định sắc ký khí thật phương tiện đầu tay cho nhà khoa học Mặc dù cố gắng nhiều thời gian trình độ có hạn nên tiểu luận không tránh khỏi thiếu sót Vì tơi mong nhận góp ý thầy bạn để kiến thức tơi hồn chỉnh 44 MỤC LỤC Trang A MỞ ĐẦU B NỘI DUNG Nguyên tắc số yêu cầu phương pháp sắc ký khí 1.1 Nguyên tắc 1.2 Một số yêu cầu phương pháp phân tích sắc khí 1.3 Sơ đồ máy q trình phân tích 1.3.1 Sơ đồ thiết bị sắc ký khí 1.3.2 Các bước tiến hành phép phân tích sắc ký khí Cột tách sắc ký khí 2.1 Các loại cột tách 2.1.1 Cột nhồi 2.1.2.Cột mao quản 2.2 Cách nhồi pha tĩnh cột tách 2.3 Các loại pha tĩnh lỏng 10 Các loại khí mang (pha động) sử dụng sắc ký khí 11 3.1 Yêu cầu khí mang 11 3.2 Đặc điểm số khí mang thường sử dụng 12 Detetor 13 4.1 Detetor độ dẫn nhiệt (TCD – thermal conductivity detetor) 13 4.2 Detetor ion hóa lửa (FID – Flame ionzation Detetor) 14 4.3 Detetor cộng kết điện tử (EDC – electron capture detetor) 14 4.4 Detetor khối phổ (MSD – mass spectroscopy detetor) 15 45 4.5 Detector phát xạ nguyên tử (Atomic emission detector: AED) 16 4.6 Detector quang hóa (chemiluminescence detector) 17 4.7 Detector quang kế lửa (Flame – photometric detector: FPD) 17 4.8 Detector nitrogen – phosphor (Nitrogen – phosphorus detector: NPD) 18 4.9 detector quang hóa ion (Photoionization detector:PID) 18 Lựa chọn điều kiện cho phép sắt ký khí 20 5.1 Chọn cột tách 20 5.1.1 Chọn kiểu cột tách 20 5.1.2 Chọn kích thước cột tách 20 5.1.3 Điều khiển nhiệt độ cột tách 21 5.2 Chọn pha tĩnh 23 5.3 Chọn phối hợp detector 23 5.4 Chọn khí mang 24 Cơ sở lý thuyết sắc ký khí mao quản 24 Phân tích phơng pháp sắc ký khí 25 7.1 Phân tích định tính: 25 7.2 Phân tích định lượng 26 Sắc ký khí ghép khối phổ số ứng dụng (GC/MS) 31 8.1 Sắc ký khí ghép khối phổ 31 8.2 Một số thành cơng phân tích lượng vết 35 C BÀI TẬP 37 D KẾT LUẬN 43 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Tứ Hiếu, Từ Vọng Nghi, Nguyễn Văn Ri, Nguyễn Xn Trung (2007), Hóa học phân tích, Tập 2: Các phương pháp phân tích cơng cụ, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Phạm Hùng Việt (2005), Sắc ký khí Cơ sở lý thuyết khả ứng dụng, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội Trần Văn Sung (2005), Các phương pháp phân tích vật lý hóa học, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội Đào Hữu Vinh, Nguyễn Xuân Dũng, Trần Thị Mỹ Linh, Phạm Hùng Việt (1985), Các phương pháp sắc ký, NXB Khoa học kỹ thuật TS Nguyễn Văn Tứ, Bài giảng chuyên đề hóa phân tích đại, Khoa Hóa trường ĐHSP Huế 47 ... chạy sắc ký Đặt chế độ cho tốc độ pha động, điều ki n (chế độ) nhiệt độ, thời gian chạy sắc ký, chọn detetor điều ki n làm việc detetor; điều ki n phân dòng từ buồng bơm mẫu - Tiến hành chạy... Độ an toàn sử dụng 11 Hiệu kinh tế, độ tinh khi t cao… 3.2 Đặc điểm số khí mang thường sử dụng Khí hydro: khí hydro thương mại thường đạt đủ tiêu chuẩn cho sắc ký khí Trong phân tích lượng vết,... phải làm khơ khí Khi sử dụng khí hydro làm khí mang cần dùng nitơ làm khí bảo vệ thổi qua cột trước Các ống dẫn khí hydro phải đủ dày tốt dùng ống kim loại nhỏ vừa kín vừa tiết ki m khí Hydro dùng