Hóa phân tích sắc ký khí

 Sắc ký khí là một phương pháp dùng để tách hỗn hợp các chất bay hơi dựa trên sự “phân bố” của các cấu tử bay hơi giữa pha tĩnh là chất rắn sắc ký hấp phụ hay chất lỏng sắc ký phân bố v

Trang 1

Sắc Ký Khí (Gas Chromatography)

Trang 2

Sắc ký khí

Mục tiêu: Trình bày được

- Phân loại và các khái niệm cơ bản của phương pháp sắc ký khí (SKK)

- Nguyên lý và cấu tạo của máy SKK

- Ứng dụng SKK trong định tính và định lượng

Trang 3

Nội dung

- Lịch sử phát triển của SKK

- Đại cương và các khái niệm cơ bản

- Nguyên lý và cấu tạo của máy SKK

Trang 4

 1777: Scheele, Fontana – Hấp thụ khí trên than hoạt

 1905: Ramsey – Tách neon khỏi heli trên than hoạt

 1936: Euken và Knick – Hấp phụ và giải hấp bằng nhiệt độ

 1941: G Hess – Sử dụng khí mang rửa giải cột hấp phụ

 1941: Martin và Synge – Lý thuyết về sắc ký phân bố (khí – lỏng)

 1943: Tuner (1946: Claesson) – Khả năng phân tích các đồng

đẳng trên cột hấp phụ

 1946 - 1949: Cremer, Prior và Keulemans – Máy SKK đầu tiên

Rijks – Phát triển SKK mao quản

 1952: Martin và James (Nobel hóa học)

 Sắc ký phân bố khí – lỏng (cột nhồi)

 Bài báo đầu tiên về SKK

 1957: Golay – Cột mao quản  1980: thương mại hóa

Trang 5

Nguyễn Đức Tuấn Đại học Y Dược TPHCM

Trang 6

Kết quả: Thao tác dễ dàng hơn, mẫu phân tích ít hơn, độ phân giải cao hơn,

độ chính xác cao hơn, định tính và định lượng dễ dàng hơn

Lịch sử phát triển của SKK

Trang 7

 Kỹ thuật SKK có tốc độ phát triển chậm so với kỹ thuật HPLC

 SKK sử dụng cột nhồi đã bị thay thế bởi SKK sử dụng cột mao quản

 Thiết bị SKK ghép nối với thiết bị xác định cấu trúc như FT-IR, MS

Lịch sử phát triển của SKK

Trang 8

 Sắc ký khí là một phương pháp dùng để tách hỗn hợp các chất bay hơi dựa trên sự “phân bố” của các cấu tử bay hơi giữa pha tĩnh là chất rắn (sắc ký hấp phụ) hay chất lỏng (sắc ký phân bố)

và pha động là một chất khí trên một cột mở

 Mẫu phân tích: là những chất bay hơi ở nhiệt độ tiến hành sắc

ký, được hòa tan trong dung môi hữu cơ (MeOH, ether …) hay

ở thể hơi (kỹ thuật headspace)

 Pha động (khí mang) là chất khí di chuyển liên tục (sắc ký rửa giải) qua pha tĩnh không bay hơi, theo một phương nhất định

 Pha động không tương tác với chất phân tích, chỉ có nhiệm vụ

di chuyển chất phân tích qua cột

Đại cương và các khái niệm cơ bản

Trang 9

 Cơ chế của quá trình tách có thể là

 Phân bố (chủ yếu hiện nay)

 Hấp phụ (ít dùng)

Khả năng bay hơi (nhiệt độ sôi) của mẫu thử đóng một vai trò quan trọng

Các chất tách được là do “ái lực” khác nhau với pha tĩnh

Trang 10

 Cơ chế tách của SKK

Trang 11

 Khả năng tách của các chất trong mẫu phân tích phụ thuộc nhiều vào

 Bản chất của mẫu

 Bản chất của pha tĩnh

 Nhiệt độ của hệ thống (pha tĩnh, khí mang, mẫu thử)

 Nhiệt độ là thông số quan trọng của quá trình SKK

 Phải được kiểm soát chặt chẽ

 Nhiệt độ của quá trình phân tích có thể không đổi (isothermal) hay tăng theo thời gian (gradient)

 Phân loại

 Sắc ký khí – rắn (hấp phụ): áp dụng hạn chế do có sự lưu giữ lâu các phân tử phân cực trên bề mặt pha tĩnh (pic bất đối), chỉ áp dụng để tách một vài chất khí có KLPT nhỏ

 Sắc ký khí – lỏng (phân bố): áp dụng rộng rãi

Trang 12

Nguyên lý và cấu tạo của máy sắc ký khí

Trang 13

 Hệ thống khí: khí mang, khí nén, hydro

Trang 14

Máy sắc ký khí Shimadzu 14B

Trang 15

GC-MS Agilent 6890

Trang 16

Khí mang

 Vai trò: pha động

 Yêu cầu chung

 Không tương tác với pha tĩnh

 Thích hợp với dầu dò

 Tinh khiết (ảnh hưởng tới kết quả sắc ký và độ bền thiết bị): ≥ 99,995%

 Không có CO2, hơi nước, oxy và các khí lạ khác

 Lưu lượng khí

 Yêu cầu: ổn định (đẳng dòng) và kiểm soát được (gradient)

 Lưu lượng khí tối ưu  số đĩa lý thuyết tối đa

 Thông thường:

 Cột nhồi: 75 – 100 ml/phút

 Cột mao quản: 1 – 50 ml/phút

Trang 17

 Sinh khí hydro: điện giải nước

 Sinh khí nitơ: từ không khí

 Không khí: loại tiểu phân, hydrocarbon, CO2, halogen và dẫn chất

Trang 18

Khí mang

 Thiết bị:

 Van điều áp, lưu tốc kế

 Thiết bị điều chỉnh lưu lượng khí

 Bộ lọc khí (làm sạch khí, bẫy khí): hấp

phụ CO2, O2, hydrocarbon, halogen và dẫn chất, hấp thụ nước

Trang 19

Khí mang

 Các thông số quan trọng

 Khối lượng phân tử

 Cao: khuếch tán ít  pic gọn

 Thấp  độ nhạy cao (đầu dò dẫn nhiệt TCD)

 Độ nhớt của khí mang

 Tỷ lệ với độ giảm áp suất qua cột

 Thời gian phân tách

Trang 21

Khí mang

Các điểm cần chú ý khi sử dụng khí mang cho các đầu dò khác nhau

 Đầu dò dẫn nhiệt (TCD)

 sử dụng khí mang có độ dẫn điện cao như hydro, heli

 Đầu dò ion hóa ngọn lửa (FID)

 Vận hành với tất cả khí mang vô cơ (trừ oxy)

 Nitơ thường được sử dụng

 Kết hợp với GC-MS: sử dụng heli

 Đầu dò cộng kết điện tử (ECD)

 Vận hành theo kiểu dòng một chiều: nitơ

 Vận hành theo kiểu xung: argon bổ sung 5% methan

Trang 22

Khí mang

Các đặc điểm của một số khí mang thường được sử dụng

 Khí hydro

 Hydro thương mại đạt yêu cầu sắc ký

 Cần dùng nitơ làm khí bảo vệ thổi qua cột trước

 Ống dẫn khí hydro phải đủ dầy

 Vẫn trơ dưới 200oC

 Máy sinh khí hydro

 Công suất 125 – 225 ml/phút

 Khi máy đạt áp suất nhất định mới đưa khí vào cột sắc ký

 Trong phòng sắc ký phải có máy dò độ hở hydro và cấm lửa

 Khí heli

 Khí trơ hóa học, thích hợp cho SKK nhiệt độ cao

 Với đầu dò ion hóa bằng tia phóng xạ: phải sử dụng heli tinh khiết

Trang 23

 Không nguy hiểm, rẻ, dễ làm tinh khiết, được sử dụng nhiều

 Với đầu dò TCD: có thể xuất hiện pic âm do giá trị dẫn nhiệt của nitơ

rất gần với độ dẫn nhiệt của nhiều khí hoặc hơi chất hữu cơ

 Không khí và oxy

 Oxy thương mại đạt yêu cầu sắc ký

 Không khí nén có thể lấy từ bình khí hoặc bơm nén kiểu dầu

Trang 24

 Cổng bơm mẫu: có nhiệt độ hóa hơi hoàn toàn mẫu

 Buồng bơm mẫu: thường được giữ khoảng 50oC trên điểm sôi của cấu tử

 Kỹ thuật bơm mẫu

 Chia dòng: sử dụng từ  1% lượng mẫu bơm (có thể thay đổi)

 Không chia dòng: sử dụng toàn bộ lượng mẫu bơm

 Lượng mẫu

 Cột mao quản: # 1 µL (0,2 – 5 µL )

 Cột nhồi: lượng mẫu bơm lớn hơn

 Mẫu lỏng: hòa tan trong dung môi thích hợp

 Mẫu khí: headspace

 Vi chiết pha rắn: mẫu thể tích lớn, nồng độ thấp, nhiều tạp không bay hơi

Trang 25

Bộ phận bơm mẫu

Trang 26

Trang 27

Trang 28

Trang 29

Trang 30

Buồng cột

 Yêu cầu

 Tăng nhiệt độ nhanh, đều trong toàn bộ buồng cột

 Ổn định nhiệt độ

 Có khả năng thay đổi nhiệt độ nhanh, chính xác từng bước nhỏ trong

sắc ký với chương trình nhiệt

Trang 31

Buồng cột

Trang 32

Nhiệt độ cột

 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên quá trình sắc ký

 Nhiệt độ phải đủ cao để giữ mẫu phân tích ở thể hơi nhưng không

được quá cao làm hư pha tĩnh

 Nhiệt độ cao: chất phân tích dịch chuyển nhanh nhưng tách kém

 Nhiệt độ thấp: chất phân tích dịch chuyển chậm nhưng tách tốt

 Chương trình nhiệt

 Đẳng nhiệt:

 Xác định chỉ số Kovats

 Mẫu chứa ít cấu tử

 Chương trình nhiệt: mẫu phức tạp

 Nhiệt độ bơm mẫu: đưa lên cao và độc lập với nhiệt độ cột

 Nhiệt độ cột: tăng theo chương trình (0,25 – 24oC/phút)

 Ưu điểm: rút ngắn thời gian phân tích, tỷ lệ giữa chiều cao và

Trang 33

Trang 34

Trang 35

Trang 36

Cột sắc ký

 Các loại cột: thường được cuộn lại thành vòng tròn

 Cột nhồi

 Thủy tinh, thép không rỉ

 Kích thước (microbore): 2 – 3 m, đường kính trong 2 – 4 mm

 Chất mang/pha tĩnh được nhồi đồng nhất trong cột

 Lưu lượng khí mang: 10 – 40 ml/phút

 Cột mao quản

 Silica nung chảy, bao một lớp polyimid

 Kích thước: 10 – 100 m, đường kính trong 0,01 – 0,8 mm (0,2 – 0,25 mm)

 Pha tĩnh liên kết hóa học với bề mặt bên trong ống mao quản

 Pha tĩnh

 Sắc ký hấp phụ

 Sắc ký phân bố

Trang 37

Cột sắc ký

Trang 38

Cột sắc ký

Trang 39

Cột sắc ký

Trang 40

Cột sắc ký

 Cột mao quản

 Cột mao quản nhồi (packed capillary column)

 Chất mang rắn và pha tĩnh lỏng được nhồi trong cột

 Cột mao quản mở (open tubular column)

 Cột WCOT (wall coated open tubular)

 Cột SCOT (support coated open tubular)

 Cột PLOT (porous layer open tubular)

 Cột CLOT (carbon layer open tubular)

Trang 41

Cột sắc ký

 Đặc tính của một số loại cột sắc ký khí điển hình

WCOT SCOT Cột mao quản nhồi Cột nhồi thông thường

Chiều dài (m) 10 - 100 10 - 100 1 - 6 1 – 4

Đường kính trong (mm) 0,25 – 0,75 0,5 1 2 – 4

N/mét 1000 – 4000 600 - 1200 1000 - 3000 500 – 1000

Lượng mẫu (ng) 10 - 1000 10 - 1000 10 – 10 4 10 - 10 6

Áp suất đòi hỏi Thấp Thấp Rất cao Cao

Tốc độ phân tích Nhanh Nhanh Trung bình Chậm

- Hydro, heli

- Nitơ, argon

1 – 5 0,5 – 4

*Tính thấm cao: độ giảm áp suất nhỏ với một tốc độ khí mang nhất định

Trang 42

Cột sắc ký

 So sánh cột nhồi và cột mao quản

 Thời gian lưu

Trang 43

Cột sắc ký

Trang 44

Pha tĩnh

 Yêu cầu

 Pha tĩnh lỏng

 Không phản ứng với khí mang, chất mang rắn, cấu tử cần tách

 Có ái lực (hòa tan) với mẫu phân tích

 Không bay hơi

Trang 45

Pha tĩnh

 Pha tĩnh rắn – Sắc ký hấp phụ

 Carbon graphit hóa

 Không lỗ xốp, trơ, hấp phụ không đặc hiệu

 Hấp phụ theo hình dạng, kích thước, độ phân cực

Trang 46

 Khi kích thước hạt giảm

 Mật độ pha tĩnh tăng  số đĩa lý thuyết tăng Cột có thể đạt 40.000 – 120.000 đĩa lý thuyết/mét

 Áp suất tăng, tốc độ dòng giảm  thời gian lưu tăng

Trang 47

Pha tĩnh

 Pha tĩnh lỏng – Sắc ký phân bố

 Hydrocarbon: Apiezon (không phân cực),

sáp paraffin, squalen (phân nhánh), hexadecan …

n- Ester: Sáp ong, ethylenglycol succinat,

diethylenglycol adipat (DEGA) …

 Polyglycol: Carbowax, Ucon …

 Silicon: OV, SE, DC, XE, SF …

 Amid

 Các pha tĩnh thông dụng nhất

 Phân tách hỗn hợp các chất phân cực: polyethylen glycol (Carbowax 20 M)

 Phân tách hỗn hợp các chất không phân cực: polymer của methylsilicon (OV

101 hay SE-30)

 Phân lập các methyl ester acid béo: DEGS (diethylenglycol succinat)

Trang 48

Pha tĩnh

 Đặc tính của một số pha tĩnh lỏng thông dụng

350 Methyl ester của acid béo,

alcaloid, hợp chất halogenic Poly(phenylmethyl) siloxan

(50% phenyl)

OV-17 250 Steroid, thuốc bảo vệ thực vật,

glycol Poly(trifluoropropyldimethyl)

siloxan

OV- 210 200 Dẫn chất cloro thơm, nitro

thơm, alkyl benzen Polyethylen glycol Carbowax

20M

250 Acid, alcol, ether, tinh dầu,

glycol Poly(dicyanoallyldimethyl)

siloxan

OV-275 240 Acid béo không no, acid tự do,

alcol, acid của colophan

Trang 49

Pha tĩnh

 Đặc tính của một số pha tĩnh lỏng thông dụng

Polydimethyl siloxan - Không phân cực

- Mẫu ra khỏi cột theo thứ tự nhiệt độ sôi tăng Poly(phenylmethyldimethyl)

Trang 50

Pha tĩnh

 Cấu trúc hóa học của

polysiloxan

Trang 51

Pha tĩnh

 Áp dụng một số

pha tĩnh lỏng thông

dụng

Trang 52

Pha tĩnh

 Cách thức sử dụng pha tĩnh lỏng

 Cột mao quản nhồi

 Tẩm trên chất mang rắn (hình cầu, đồng nhất, bền cơ học, bề mặt tối đa 1 m2/g)

 Chất mang rắn có thể là: thủy tinh, diatomit, silica, teflon

 Lượng pha tĩnh/chất mang: 1 – 30%, thông thường 15 – 20%

 Cột mao quản

 WCOT

 SCOT

 PLOT

Trang 53

Đầu dò

 Đặc tính

 Phát hiện các chất bằng các tính chất vật lý

 Chuyển hóa một đại lượng không điện (nồng độ các chất được tách

khỏi cột sắc ký) thành đại lượng điện

 Đặc trưng của đầu dò lý tưởng trong SKK

 Đủ nhạy

 Ổn định và chính xác

 Đáp ứng tuyến tính trên khoảng nồng độ rộng

 Nhiệt độ tối đa: 400oC

 Cho tín hiệu nhanh và độc lập với tốc độ dòng

 Độ tin cậy cao và dễ sử dụng

 Phát hiện tất cả các hợp chất

 Không hủy mẫu phân tích

Trang 54

Đầu dò

 Phân loại: theo mức độ chọn lọc

 Đầu dò không chọn lọc (TCD): đáp ứng với tất cả các chất, trừ khí mang

 Đầu dò chọn lọc (ECD, NPD): đáp ứng với một số nhóm chất mang những tính chất chung nào đó (lý, hóa tính)

 Đầu dò đặc hiệu (IR, MS): đáp ứng với một chất hóa học riêng biệt

Trang 55

Đầu dò

 Phân loại khác

 Đầu dò phụ thuộc vào nồng độ (TCD, ECD)

 Cường độ tín hiệu phụ thuộc vào nồng độ mẫu trong đầu dò

 Thường không phá hủy mẫu

 Pha loãng làm giảm đáp ứng đầu dò

 Đầu dò phụ thuộc vào dòng vật chất (lưu

lượng khối, mass flow: lượng mẫu theo đơn

vị thời gian g/giây, lưu lượng khí mang x nồng độ mẫu): FID, TID và MS

 Phân hủy mẫu

 Cường độ tín hiệu phụ thuộc vào tỷ lệ mẫu đi vào đầu dò

 Đáp ứng của đầu dò không phụ thuộc vào sự pha loãng

Trang 56

 Cần hạn chế đến cực tiểu và thích hợp với dòng khí mang

 Ảnh hưởng đến độ nhạy và thời gian đáp ứng

 Khoảng tuyến tính và độ nhạy

Trang 57

Đầu dò

 Các đầu dò trong SKK

 Đầu dò dẫn nhiệt (TCD, Thermal Conductivity Detector)

 Đầu dò ion hóa ngọn lửa (FID, Flame Ionization Detector)

 Đầu dò nhiệt ion hóa (TID, Thermionic Detector) hay đầu dò nitơ – phosphor (NPD, Nitrogen Phosphorous Detector)

 Đầu dò cộng kết điện tử (đầu dò bẫy điện tử) (ECD, Electron Capture, Detector)

 Đầu dò ion hóa quang (PID, Photo Ionization Detector)

 Đầu dò ion hóa heli (HID, Helium Ionization Detector)

 Đầu dò huỳnh quang hóa học (Chemiluminescence Detector)

 Đầu dò quang hóa ngọn lửa (FPD, Flame Photometric Detector)

 Đầu dò phát xạ nguyên tử (AED, Atomic Emission Detector)

 Đầu dò dẫn điện điện phân Hall (Hall Electrolytic Conductivity Detector)

 Đầu dò siêu âm (Ultrasonic Detector)

 Phổ hồng ngoại (IR) và phổ khối (MS)

Trang 58

Đầu dò

 Đầu dò dẫn nhiệt (TCD, Thermal Conductivity Detector)

Trang 59

Đầu dò

 Đầu dò dẫn nhiệt (TCD, Thermal Conductivity Detector)

 Được sử dụng đầu tiên trong SKK

 Nguyên tắc: đo liên tục độ dẫn nhiệt của khí mang (tinh khiết hoặc chứa chất phân tích) giữa buồng đo và buồng so sánh mà trong đó có lắp các dây kim loại hay nhiệt bán dẫn (semiconducting thermistor) theo kiểu cầu Wheastone

 Dây kim loại bằng platin, vàng, tungsten được cung cấp dòng điện có cường độ không đổi

 Khi sợi dây đạt đến cân bằng nhiệt, nhiệt độ của dây sẽ thay đổi theo cường độ dòng điện và tính dẫn nhiệt của môi trường khí

 Thích hợp với khí mang có độ dẫn nhiệt tốt như hydro, heli (gấp 6 – 10 lần với hầu hết các hợp chất hữu cơ)

 Thiết kế và vận hành đơn giản, khoảng tuyến tính rộng, phát hiện cả chất vô cơ và hữu cơ, không phân hủy mẫu, cường độ tín hiệu không phụ thuộc vào bản chất của chất phân tích

 Độ nhạy tương đối thấp, không thích hợp với cột mao quản

 Diện tích pic còn phụ thuộc vào sự chênh lệch giữa độ dẫn nhiệt của chất phân tích

và khí mang  sử dụng hệ số hiệu chỉnh trong định lượng

Trang 60

Đầu dò

 Đầu dò ion hóa ngọn lửa (FID, Flame Ionization Detector)

Trang 61

Đầu dò

 Đầu dò ion hóa ngọn lửa (FID, Flame Ionization Detector)

 Được sử dụng nhiều nhất

 Nguyên tắc:

 Nhiệt độ cao của ngọn lửa hydro ion hóa các chất hữu cơ

 Dưới điện thế (300 V) các ion này sinh ra dòng điện

 Cường độ dòng điện tỷ lệ với bản chất và số lượng các ion sinh ra

 Cấu tạo – vận hành

 Ngọn lửa hydro/không khí (H2+ O2 + N2) và 1 tấm góp (collector electrode)

 Các chất hữu cơ bị phân hủy bởi nhiệt sinh ra các ion

 Các ion sinh ra dòng điện khi va vào tấm góp, được khuếch đại và ghi thành tín hiệu

Định dạng
Số trang	97
Dung lượng	4,62 MB