Sắc ký khí là một phương pháp tách và phân tích các hợp chất dễ bay hơi, được sử dụng rộng rãi và phổ biến hiện nay vì nhiều lý do: có độ nhạy tương đối thích hợp cho việc tách các cấu tử dễ bay hơi ra khỏi nhau và định lượng chúng. Sắc ký khí được ứng dụng rộng rãi từ phòng thí nghiệm đến công nghiệp đặc biệt là lĩnh vực thực phẩm, môi trường, dầu khí.
Đối tượng có thể phân tích bằng sắc ký khí tương đối đa dạng: các loại khí thải trong công nghiệp, dung môi hữu cơ, độ tinh khiết của hợp chất, thuốc trừ sâu, kháng sinh, tinh dầu…
Trang 19
Tùy theo loại hợp chất phân tích, tính chất và yêu cầu mà người ta sử dụng sắc ký khí với các loại đầu dò khác nhau.
a. Thiết bị sắc ký khí
Hình 1.6. Mô hình thiết bị sắc ký khí
Thiết bị sắc ký khí bao gồm van tiêm mẫu (injector :2), khí mang (1), cột sắc ký (Column: 3), đầu dò (Detector: 4) và phần điều khiển và xử lý dữ liệu (Data Processor: 5) hình 2.2
b. Nguyên lý hoạt động
Mẫu được tiêm vào van tiêm mẫu. Tại đây, mẫu được hóa hơi trước khi đi vào dòng khí mang. Dòng khí mang được chuyển qua cột sắc ký. Dựa vào khả năng tương tác của những cấu tử với pha tĩnh mà chúng sẽ được tách khỏi nhau và được ghi nhận sau khi ra khỏi cột bởi đầu dò.
Sắc ký khí có thể ghép với nhiều loại đầu dò khác nhau như:đầu dò ion
hóa ngọn lửa (FID: Flame Ionization Detector), đầu dò dẫn nhiệt (TCD: Thermal Conductivity Detector), đầu dò bắt electron hoặc công kết
electron (ECD: Electron Capture Detector), đầu dò ion hóa quang học (PhotoIonization Detector), đầu dò quang kế ngọn lửa (FPD), đầu dò đo độ
dẫn điện hóa (Hall Electrolytic Conductivity Detctor), đầu dò khối phổ (MSD: Mass Spectrometer Detector). Hiện nay, đầu dò khối phổ đang được ứng dụng rộng rãi trong phân tích vết và các hợp chất cần nhận danh và định lượng chính xác.
Trang 20
1.4.1.3.Phương pháp sắc ký khí ghép khối phổ (GCMS) [4],[26],[27],[28],[29],[30],[38]
GC-MS là phương pháp thường được dùng trong phân tích vết và các hợp chất cần nhận danh chính xác vì trong những điều kiện vận hành nhất định, ngoài thời gian lưu đặc trưng, hóa chất còn được xác nhận bằng khối phổ của nó. Độ nhạy của GC-MS tùy thuộc vào hợp chất cần phân tích và giao diện sử dụng.
a. Nguyên lý hoạt động
Trong sắc ký khí ghép khối phổ, hỗn hợp chất phân tích sau khi được tách ra khỏi cột sẽ đi qua một đường truyền đến đầu dò khối phổ. Tại đây diễn ra quá trình ion hóa. Ion sinh ra được tập trung và được đưa vào bộ phân tích khối. Mỗi ion phân tích sẽ có một giá trị m/z xác định, nhờ đó chúng được tách một cách chọn lọc ra khỏi bộ phân tích khối và tạo tín hiệu đặc trưng tại hệ thống phát hiện ion. Bộ phân tich khối có thể là một tứ cực (GCMS), ba tứ cực (GCMS/MS), bẩy ion, hay TOF…
b. Thiết bị sắc ký khí ghép khối phổ
Thiết bị sắc ký khí ghép khối phổ bao gồm thiết bị sắc ký khí và đầu dò khối phổ.
Thiết bị sắc ký khí bao gồm van tiêm mẫu (Injector:1), khí mang (Carrier gas: 2), cột sắc ký (Column: 3).
Khối phổ bao gồm những bộ phận chính: buồng ion hóa (Ion source: 4), Nguồn tạo ion (Filament: 5), bộ chuyển ion (Lens: 6), tứ cực (Quadrupole: 7), đầu dò khối phổ (MS detector: 8), bộ điều khiển và xử lý dữ liệu (Data Proccessor: 9).
Trang 21
c. Các kiểu ion hóa trong sắc ký khí ghép khối phổ
Hiện nay, có hai kiểu ion hóa chính trong sắc ký khí ghép khối phổ là ion hóa điện tử và ion hóa hóa học.
Ion hóa điện tử
- Phân tử chất cần phân tích ở trạng thái hơi được đưa vào nguồn ion hóa đặt ở nhiệt độ cao (200-300oC). Electron tạo ra từ một dây tóc được nung nóng (Filament), được gia tốc lên 70 eV trước khi vào buồng ion hóa. Những electron đi vào buồng ion hóa và tương tác với các phân tử trung hòa được đưa vào từ cột sắc ký, chúng sẽ cung cấp năng lượng cần thiết để tách một điện tử ở phân lớp ngoài của phân tử trung hòa, như thế sẽ giải phóng một electron và một phân tử gốc tự do mang điện tích dương. Năng lượng mà điện tử (electron) cung cấp cho phân tử trung hòa đủ lớn để có thể phá vỡ cấu trúc ion dương mới tạo thành ra những mảnh ion mang điện tích dương nhỏ hơn đồng thời giải phóng các phân tử trung hòa hay gốc tự do.
M + e- M*+. + 2e- M*+. m+ + R*
M*+ m*+ + R
Mô tả quá trình ion hóa điện tử
b. Ion hóa hóa học (Chemical Ionization)
- Ion hóa hóa học dương (Positive Chemical Ionization)
Tương tự như ion hóa điện tử nghĩa là vẫn sử dụng dòng electron có năng lượng lớn. Điểm khác biệt chính là không ion hóa mẫu trực tiếp bằng
Trang 22
dòng electron ấy mà thay vào đó người ta cho dòng electron này ion hóa một chất khí (Reagent Gas: khí tác chất) được đưa vào buồng ion hóa như methane, ammoniac, hoặc isobutane.
CH4 + e- CH4+. + 2e- CH4+. CH3+ , CH2+. … CH4+. + CH4 CH5+ + CH3. CH3+ + CH4 C2H5+ + H2 CH5+ + M CH4 + MH+
Quá trình ion hóa này diễn ra nhanh trong buồng ion hóa tạo ra từ khí thêm vào các phân tử ion mang điện tích dương bền trong môi trường Plasma methane nhưCH5+, C2H5+. Người ta gọi chúng là những ion tác chất (reagent
Trang 23
ion). Những ion này là acid Bronsted mạnh, chúng sẽ ion hóa các phân tử chất phân tích thành ion dương bằng cách nhường một proton.
Hình 1.10. Ion hóa hóa học dương tạo ion dương từ chất phân tích
Không giống như ion hóa điện tử, các ion dương sinh ra MH+ bền hơn vì năng lượng cung cấp vào từ quá trình ion hóa ít hơn. Như vậy, ion MH+ sinh ra ít phân mảnh hơn và tín hiệu ion phân tử tăng lên
Ưu điểm của phương pháp ion hóa dương là tăng tín hiệu ion phân tử, giảm phân mảnh như mong muốn. Tuy nhiên, trong một số phân tử như alcohol bão hòa có dây dài thì quá trình proton hóa sẽ xảy ra trên nhóm chức, phân tử trung hòa sẽ mất nước và như vậy nếu ion phân tử có hiện diện thì tín hiệu cũng sẽ rất nhỏ.
Khi định lượng những hợp chất mà thời gian lưu nhỏ thì dung môi có thể đồng rửa giải với chất phân tích làm cho cường độ tín hiệu bị sai lệch vì dung môi có hoạt tính như một khí tác chất (reagent gas).
Ion hóa hóa học âm (Negative Chemical Ionization) Ion âm được tạo thành bằng hai quá trình
Quá trình 1: phân tử chất phân tích bắt giữ điện tử mang năng lượng thấp sinh ra:
Do sự ion hóa khí methane
Từ điện tử của filament có năng lượng giảm dần sau nhiều lần va chạm với khí methane
Trang 24
Quá trình 2: Phân tử chất phân tích cũng có thể bị phân mảnh bởi điện tử có năng lượng còn tương đối lớn.
Nói chung, điện tử mang năng lượng khoảng 5eV hoặc thấp hơn sẽ gắn vào những phân tử mẫu gọi là quá trình bắt giữ cộng hưởng (Resonance Capture) và như vậy ion phân tử âm được tạo thành. Nếu điện tử có năng lượng lớn hơn 5 eV thì phân tử mẫu có thể bị phá vỡ và ion phân tử âm có khối lượng phân tử nhỏ hơn được tạo thành. Quá trình này gọi là quá trình bắt giữ phân ly (Dissociative Capture). Như vậy, những hợp chất có halogen có ái lực với điện tử sẽ dễ dàng tạo ion âm.
Áp suất cao của khí tác chất cũng làm tăng số điện tử có năng lượng thấp do tăng số lần va đập và như thế sinh ra nhiều phân tử ion hơn. Tuy nhiên, tín hiệu giảm do quá trình chuyển ion bị găn chặn và độ ồn tăng lên, nguồn ion hóa sẽ bị bẩn nhanh và tuổi thọ đầu dò giảm nếu sử dụng khí tác chất dư.
M + e- M- M + e- A + B-
Mô tả quá trình ion hóa hóa học âm
Hình 1.11. Ion hóa hóa học âm