Sơ đồ minh họa của thiết bị sắc ký khí được mô tả trong hình 2.5:
Hình 2.5 – Sơ đồ minh họa của thiết bị sắc ký khí [26]
Hai bộ phận quan trọng của máy sắc ký là hệ thống cột tách và detectơ. Nguyên tắc hoạt động:
Nhờ có khí mang chứa trong bom khí (hoặc máy phát khí), mẫu từ buồng bay hơi được dẫn vào cột tách nằm trong buồng điều nhiệt. Quá trình sắc ký xảy ra tại đây. Sau khi rời khỏi cột tách tại các thời điểm khác nhau, các cấu tử lần lượt đi vào detectơ, tại đó chúng được chuyển thành tín hiệu điện. Tín hiệu này được khuếch đại rồi chuyển sang bộ ghi, tích phân kế hoặc máy vi tính. Các tín hiệu được xử lí ở đó rồi chuyển sang bộ phận in và lưu kết quả (bộ hiện số, máy in hoặc máy ghi). Trên sắc đồ nhận được, sẽ có tín hiệu ứng với các cấu tử được tách gọi là pic. Thời gian lưu của pic là đại lượng đặc trưng cho chất cần phân tích. Diện tích pic là thước đo định lượng cho từng chất trong hỗn hợp cần nghiên cứu.
Hình 2.6 - Hình ảnh sắc đồ [26]
Sắc đồ là tập hợp tất cả các pic, mỗi pic đại diện cho mỗi chất. Dựa vào thời gian lưu ta có thể xác định được tên chất và đo diện tích mỗi pic ta xác định được thành phần mỗi chất trong hỗn hợp.
a/ Bộ phận cung cấp khí mang
Hình 2.7 – Bộ phận cung cấp khí mang[27]
Khí mang được bảo quản trong bom khí. Khí phải tinh khiết, nếu bị nhiễm bẩn hấp phụ lên cột tách làm giảm năng suất cột tách, gây ra các pic nhiễu. Khí đi qua bẫy ẩm, hydrocacbon và bẫy oxy để tăng độ tinh khiết.
Các khí mang thường sử dụng trong sắc ký khí:
+ Khí hydro: là khí thương mại đạt đủ tiêu chuẩn cho sắc ký, có độ dẫn nhiệt rất cao 5,17.10-4 cal/cm.s.K. Các ống dẫn khí hydro phải đủ dày, tốt nhất là dùng ống kim loại. Trong các phòng thí nghiệm hiện đại dùng máy sản xuất hydro với công suất 125ml/phút đến 225 ml/phút. Chờ máy đạt áp suất nhất định mới đưa khí vào cột tách. Khi sử dụng hydro phải có máy dò độ hở hydro và cấm lửa.
+ Khí heli: là khí trơ hóa học rất thích hợp cho sắc ký khí nhiệt độ cao, có độ dẫn nhiệt cao 4,08.10-4 cal/cms.K
+ Khí argon: là khí trơ dùng cho sắc ký khí ở nhiệt độ cao. Khí argon có độ nhớt cao nên yêu cầu dây dẫn khi sử dụng nó không gặp khó khăn lắm. Khí argon ngày càng được sử dụng nhiều làm khí mang.
+ Khí nitơ: là khí không nguy hiểm, giá rẻ, dễ dàng làm tinh khiết nên được sử dụng nhiều trong sắc ký khí.
+ Không khí và oxi: Độ tinh khiết của oxi thương mại cũng đạt yêu cầu cho sắc ký khí, nhưng cần phải sấy khô
Khi lựa chọn khí mang phải chú ý đến detectơ sử dụng, độ tinh khiết và yêu cầu tách, sử dụng phối hợp các phương thức khác nhau. Khí mang được dùng phải không thay đổi trạng thái lí hóa khi đi qua máy sắc ký khí.
Bảng 2.2 - Một số tính chất quan trọng của các loại khí mang
Khí Độ dẫn nhiệt λ, 10-4cal/cm.s.K Độ nhớt η ở 1 atm, P 50 oC 100 oC 200 oC 300 oC Argon 0,52 242 271 321 367 Heli 4,08 208 229 270 307 Nitơ 0,73 188 208 246 - Hydro 5,47 94 103 121 139
b/ Buồng tiêm mẫu
Buồng tiêm là bộ phận đưa mẫu vào cột của máy sắc ký, gồm có 2 loại cơ bản là buồng tiêm cho cột nhồi và buồng tiêm cho cột mao quản, cấu tạo của chúng chủ yếu khác nhau về liner trong buồng tiêm. Với mỗi loại cột và kỹ thuật tiêm có một loại liner riêng tùy thuộc vào cơ chế hoạt động của buồng tiêm.
Buồng tiêm dành cho cột nhồi là buồng tiêm trực tiếp, nó có cấu tạo khá đơn giản: mẫu được tiêm qua septum vào buồng tiêm, mà cụ thể hơn là liner. Ở đây mẫu phân tích được làm nóng, hóa hơi và “cuốn theo” dòng khí mang liên tục, đi thẳng vào cột.
Với cột mao quản, buồng tiêm có thể phân loại dựa trên kỹ thuật tiêm chia dòng, không chia dòng và tiêm trên cột.
Tiêm chia dòng là kỹ thuật tiêm phổ biến nhất và thích hợp nhất dành cho cột mao quản nhằm làm giảm lượng mẫu đưa vào cột.
Ở chế độ tiêm chia dòng, mẫu sau khi vào buồng tiêm được chia ra và chỉ một phần nhỏ đi vào cột, phần còn lại qua van chia dòng thoát ra ngoài. Ở chế độ tiêm không chia dòng, van chia dòng đóng lại trong một khoảng thời gian xác định sau khi tiêm, mẫu đi thẳng vào cột và chỉ thoát ra ngoài khi van chia dòng mở.
Buồng tiêm này thích hợp với tất cả các loại cột sắc ký khí mao quản, đặc biệt cần thiết với các loại cột có đường kính trong quá nhỏ.
Thông số quan trọng nhất cần chú ý của buồng tiêm chia dòng là tỷ lệ chia dòng, tỷ lệ này thường từ 1:10 đến 1:1000 phụ thuộc vào nồng độ của mẫu phân tích và tính chất cột tách. Với mẫu phân tích có nồng độ lớn, hoặc cột tách có đường kính trong, độ dày lớp pha tĩnh nhỏ thì tỷ lệ chia dòng lớn và ngược lại. Thông thường tiêm chia dòng được áp dụng khi nồng độ chất phân tích trong mẫu ≥ 0,1%, tiêm không chia dòng thích hợp trong phân tích lượng vết, nồng độ các chất nhỏ hơn 0,01%.
c/ Cột tách
Trong thực tế có nhiều dạng cột tách khác nhau nhằm thỏa mãn các mục đích nghiên cứu. Nói chung cột tách sắc ký cần đạt các yêu cầu sau:
Đảm bảo trao đổi chất tốt giữa pha động và pha tĩnh.
Độ thấm cao, tức là độ giảm áp suất nhỏ với một tốc độ khí mang nhất định. Khả năng tải trọng cao của cột (các cấu tử cần tách – pha tĩnh) phụ thuộc vào
kiểu cột tách, khả năng hòa tan của cấu tử trong pha tĩnh được chọn (chính là hệ số phân bố của cấu tử đó trong pha tĩnh đã cho).
Phải có khoảng nhiệt độ sử dụng lớn, làm việc được ở nhiệt độ cao.
Bảng 2.3 - Các tính chất điển hình và các đặc trưng của các loại cột tách
Kiểu cột tách Cột mao quản phim mỏng WCOT Cột mao quản lớp mỏng SCOT Cột mao quản nhồi Cột nhồi thông thường Đường kính trong (mm) 0,25 ÷ 0,5 0,5 1 2 ÷ 4 Chiều dài (m) 10 ÷ 100 10 ÷ 100 1 ÷ 6 1 ÷ 4
Hiệu quả cột tách (đĩa/m) 1000 ÷ 3000 600 ÷ 1200 1000 ÷ 3000 500 ÷ 1000 Tốc độ dòng tối ưu, cm/s (H20 ÷ 30
2, He) (H20 ÷ 302, He) (H8 ÷ 152, He) (H4 ÷ 62, He) 10 ÷ 15
(N2, Ar) (N10 ÷ 152, Ar) (N3 ÷ 102, Ar) (N2 ÷ 52, Ar) Lượng mẫu (mg) 0,01 ÷ 0,1 0,01 ÷ 1 0,01 ÷ 10 0,01 ÷ 1
Áp suất đòi hỏi Thấp Thấp Rất cao Cao
Tốc độ phân tích Nhanh Nhanh Trung bình Chậm
Hình 2.9 - Cột nhồi và cột mao quản trong thực tế.[26]
d/ Detectơ
Detectơ có nhiệm vụ chuyển hóa nồng độ của các chất được tách ra khỏi cột sắc ký thành đại lượng điện là các pic. Đây là bộ phận quan trọng trong sắc ký khí. Ngày nay đã có gần 30 loại detectơ khác nhau. Ta chỉ tìm hiểu các detectơ thông dụng sau:
Hình 2.10 – Detectơ ion hóa ngọn lửa
Detectơ FID là một trong những detectơ có độ nhạy cao. Nguyên tắc làm việc của nó dựa trên sự biến đổi độ dẫn nhiệt của ngọn lửa hydro đặt trong một điện trường khi có chất hữu cơ cần tách chuyển qua. Nhờ nhiệt độ cao của ngọn lửa hydro, các chất hữu cơ từ cột tách đi vào detectơ bị bẽ gãy mạch, bị ion hóa nhờ có oxi của không khí để tạo thành các ion trái dấu tương ứng.
• Detectơ cộng kết điện tử ECD
Hình 2.11 – Detectơ cộng kết điện tử ECD
Detectơ loại này hoạt động dựa trên đặc tính các chất có khả năng cộng kết các điện tử tự do trong pha khí. Khả năng cộng kết điện tử lớn hay nhỏ là phụ thuộc vào cấu trúc của các hợp chất cần được phát hiện. Khả năng đó tương đối nhỏ với các hợp chất hydrocacbon no. Ngược lại khi các hợp chất có chứa các nhóm chức hoặc các đa liên kết thì khả năng bắt giữ các điện tử sẽ tăng lên, đặc biệt là nếu trong phân tử của các hợp chất này có chứa các nguyên tử halogen (clo, brôm…). Bởi vậy độ nhạy phát hiện của detectơ ECD rất đặc thù cho các nhóm chất và có thể dao động trong phạm vi khá rộng (1-106)
Bộ phận chính của ECD là một buồng ion. Tại đây diễn ra các quá trình ion hóa, bắt giữ điện tử và tái liên hợp.
Hình 2.12 – Detectơ dẫn nhiệt TCD
Detectơ TCD hoạt động trên nguyên tắc đo liên tục độ dẫn nhiệt của khí mang (tinh khiết hoặc có chứa các mẫu cần phân tích) giữa buồng đo và buồng so sánh mà trong đó có lắp các dây điện trở theo kiểu cầu Wheaston.
• Detectơ quang hóa ngọn lửa FPD
Hình 2.13 – Detectơ quang hóa ngọn lửa FPD
Khí mang thoát ra cột được trộn với hydro và đi tới cuối ống. Dòng không khí theo một đường khác và được trộn với hỗn hợp hydro-khí mang tại ống tạo ra ngọn lửa hydro. Khí mẫu cuốn theo khí mang, được đốt cháy bằng ngọn lửa hydro trong ống phát ra ánh sáng ở bước sóng nào đó. Ánh sáng phát ra bởi ngọn lửa hydro đi qua ống thạch anh để tránh cho bộ lọc cản và bộ nhân quang khỏi bị nhiễm bẩn bởi hơi và sản phẩm đốt cháy và đi đến bộ lọc cản. Bộ lọc cản chỉ cho ánh sáng có độ dài sóng đặc thù đi qua. Bộ lọc kiểu S 394 nm được dùng để phát hiện các hợp chất lưu huỳnh và loại P526 nm dùng cho hợp chất chứa photpho.
e/ Buồng điều nhiệt
Đây là buồng có gắn các cánh quạt nhằm điều khiển nhiệt độ cột tách. Buồng điều nhiệt có thể được thiết lập một chương trình nhiệt độ tại các tốc độ khác nhau với các giai đoạn đẳng nhiệt như mong muốn.
Hai tiêu chuẩn của buồng điều nhiệt:
+ Đáp ứng nhiệt độ nhanh chóng theo chương trình nhiệt độ + Làm nguội nhanh tại cuối quá trình phân tích
Hình 2.14 – Buồng điều nhiệt