5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
2.2.4.Sắc ký, sắc ký khí (GC), sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS)
a. Sắc ký
Sắc ký là một kỹ thuật vật lí và hóa lí để tách và phân tích các chất trong một hỗn hợp. Cơ sở của quá trình sắc ký là các quá trình xảy ra trong cột tách khi mẫu đƣợc nạp vào cột sắc ký. Để thực hiện quá trình sắc ký có hai pha:
+ Pha động: Chất phân tích và dung môi thích hợp.
+ Pha tĩnh: thƣờng ở dạng rắn hay lỏng, dƣới dạng màng mỏng bám đều trên bề mặt chất mang trơ chứa trong cột sắc ký.
Quá trình sắc ký xảy ra trong cột chính là quá trình tƣơng tác giữa chất phân tích và pha tĩnh nằm trong cột. Quá trình tƣơng tác đó có thể theo các tính chất hóa lí nhất định, đó là sự hấp phụ, trao đổi, phân bố, rây phân tử.
Tƣơng ứng ta có tên gọi các phƣơng pháp sắc ký: sắc ký hấp phụ dựa vào tính chất hấp phụ chất phân tích lên bề mặt pha tĩnh, sắc ký trao đổi dựa vào sự trao đổi ion cùng dấu giữa chất phân tích với pha tĩnh, sắc ký phân bố dựa vào sự phân bố của chất phân tích lên pha tĩnh…
Đặc điểm chung của phƣơng pháp sắc ký là quá trình sắc ký đƣợc lặp đi lặp lại nhiều lần, có thể xảy ra trên giấy, trên bản mỏng, trên cột. Do vậy, khả năng tách hoàn toàn và phân tích định lƣợng tƣơng đối chính xác.
b. Sắc ký khí (GC)
Sắc ký khí là một trong những phƣơng pháp quan trọng nhất hiện nay dùng để tách, định lƣợng, xác định cấu trúc các chất, đặc biệt có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu các hợp chất hữu cơ.
Pha động trong GC là chất khí nên chất phân tích cũng phải đƣợc hóa hơi để đƣa vào cột sắc ký.
Pha tĩnh có thể là chất rắn đƣợc nhồi vào cột hay 1 màng phim mỏng bám trên bề mặt chất mang trơ, hoặc có thể tạo thành một màng mỏng bám lên mặt trong của thành cột (cột mao quản).
Tùy thuộc vào bản chất pha tĩnh ta chia thành hai loại sắc ký khí:
+ Sắc ký khí rắn (gas soild chromatography – GSC): chất phân tích đƣợc hấp phụ trực tiếp trên pha tĩnh là các tiểu phân rắn.
+ Sắc ký khí lỏng (gas liquid chromatography – GLC): Pha tĩnh là một chất lỏng không bay hơi.
Phƣơng pháp này chỉ đƣợc giới hạn với chất có thể bốc hơi mà không bị phân hủy hay là trong khi phân hủy cho sản phẩm phân hủy xác định dƣới thể hơi.
Có hai loại kỹ thuật phân tích:
+ Giữa cho nhiệt độ không đổi trong suốt quá trình phân tích, phƣơng pháp này khó tách hoàn toàn.
+ Thay đổi nhiệt độ trong quá trình phân tích, phƣơng pháp này tuy tốn thời gian nhƣng triệt để.
Cấu tạo máy sắc ký khí
* Hệ thống cung cấp khí mang
Khí mang phải trơ về mặt hóa học nhƣ He, Ar, N2, CO2, H2 và lựa chọn khí mangquyết định bởi detector sử dụng. Hệ thống cung cấp khí mang bao gồm các bộ điều chỉnh áp suất, thiết bị đo áp suất, thiết bị đo tốc độ dòng. Hệ thống khí mang còn chứa hệ thống lọc phân tử để tách nƣớc và chất nhiễm bẩn khác. Độ tinh khiết của khí phải đạt 99.95%. Có thể sử dụng bình chứa khí hoặc các thiết bị sinh khí (thiết bị tách khí N2 từ không khí, thiết bị cung cấp khí H2 từ nƣớc cất,…).
* Hệ thống tiêm mẫu
Cách thông dụng nhất để đƣa mẫu vào cột là sử dụng một bơm tiêm mẫu vi lƣợng để tiêm mẫu lỏng hoặc khí qua một đệm cao su silicon chịu nhiệt vào buồng hóa hơi. Lƣợng mẫu bơm vào thay đổi từ 0.1-10 μl đối với cột mao quản, cột nhồi lƣợng mẫu bơm vào có thể lớn hơn.
Có 2 cách đƣa mẫu vào cột: bằng tiêm mẫu thủ công hoặc tiêm mẫu tự động.
* Lò cột và cột phân tích
Lò cột làm nhiệm vụ điều nhiệt cho cột sắc ký. Có 2 loại cột: cột nhồi và cột mao quản.
- Cột nhồi: cột thƣờng đƣợc làm bằng thép không rỉ, niken, thủy tinh với đƣờng kính 3-6 mm và chiều dài từ 1-5 m chứa các hạt chất mang rắn đƣợc phủ pha tĩnh lỏng hoặc bản thân hạt rắn là pha tĩnh đƣợc nhồi vào cột. Cột nhồi thƣờng có hiệu quả tách thấp, tuy nhiên có hệ số lƣu giữ cao, dung lƣợng mẫu lớn.
mức độ liên kết cao nên bền và chịu đƣợc nhiệt độ cao đến 350°C, cột có đƣờng kính trong 0.1-0.5 mm và chiều dài 30-100 m, pha tĩnh là một lớp phim mỏng dày khoảng từ 0.1-5 μm phủ thành trong cột hoặc các chất mang rắn phủ một lớp pha tĩnh mỏng đƣợc gắn trên bề mặt bên trong của cột hoặc một pha tĩnh xốp của chất hấp phụ hay rây phân tử.
* Đầu dò
Đầu dò dùng phát hiện tín hiệu để định tính và định lƣợng các chất cần phân tích. Có nhiều loại đầu dò khác nhau tùy theo mục đích phân tích nhƣ đầu dò ion hóa ngọn lửa, đầu dò dẫn nhiệt, đầu dò cộng kết điện tử, đầu dò quang hóa ngọn lửa, đầu dò khối phổ.
* Bộ phận ghi nhận tín hiệu (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bộ phận này ghi tín hiệu do đầu dò phát hiện. Đối với các hệ thống sắc ký hiện đại, phần này đƣợc phần mềm trong hệ thống ghi nhận, lƣu các thông số, sắc ký đồ, các thông số liên quan đến pic nhƣ tính đối xứng, hệ số phân giải,… đồng thời tính toán, xử lý các thông số liên quan đến kết quả phân tích.
Hình 2.14. Sơ đồ thu gọn của thiết bị sắc ký khí
* Nguyên tắc hoạt đông
bay hơi đƣợc 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 lƣợt đi vào detector, tại đó chúng đƣợc chuyển thành tín hiệu điện. Tín hiệu này đƣợc khuếch đại rồi chuyển sang bộ phận in và lƣu kết quả (bộ hiện số, máy in hoặc máy ghi).
Trên sắc ký đồ nhận đƣợc, s có tín hiệu ứng với các cấu tử đƣợc tách gọi là peak cơ sở. Thời gian lƣu của peak là đại lƣợng đặc trƣng cho chất cần phân tích. Diện tích peak là thƣớc đo định lƣợng cho từng chất trong hỗn hợp cần nghiên cứu.
c. Khối phổ (MS)
* Nguyên tắc hoạt động
Dựa vào chất nghiên cứu đƣợc ion hóa trong pha khí hoặc pha ngƣng tụ dƣới chân không bằng những phƣơng pháp thích hợp thành những ion (ion phân tử, ion mảnh…) có số khối khác nhau, sau đó các ion này đƣợc phân tách thành những dãy ion theo cùng số khối m (chính xác là theo cũng tỉ số khối trên diện tích ion, m/e) và xác xuất có mặt của mỗi dãy ion có cùng tỉ số m/e đƣợc ghi trên đồ thị có trục tung là xác xuất có mặt (hay cƣờng độ vạch), trục hoành là tỉ số m/e gọi là khối phổ đồ.
Phổ khối lƣợng đƣợc ghi lại dƣới dạng vạch hay bảng, trong đó cƣờng độ cao nhất gọi là peak cơ sở. Peak ion phân tử thƣờng là đỉnh cao nhất, tƣơng đƣơng với khối lƣợng phân tử của hợp chất khảo sát.
Phổ khối lƣợng không những cho phép xác định chính xác phân tử lƣợng mà căn cứ vào các mảnh phân tử đƣợc tạo thành ta cũng suy ra đƣợc cấu trúc phân tử. Xác định tạo thành mảnh phụ thuộc vào cƣờng độ liên kết tƣơng ứng trong phân tử cũng nhƣ vào khả năng bền hóa các mảnh tạo thành nhờ các hiệu ứng khác nhau. Các mảnh có độ bền lớn hơn s ƣu tiên tạo thành, các liên kết yếu dễ bị đứt nhất. Có những mảnh có khối lƣợng đặc trƣng gọi là
mảnh chìa khóa, chúng cho phép phân tích các phổ khối lƣợng dễ dàng.
d. Sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS)
Sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS) dựa trên cơ sở ghép nối máy sắc ký khí (gas chromatography) và khối phổ (mass spectrometry). GC-MS là một phƣơng pháp với độ nhạy cao đƣợc sử dụng trong các nghiên cứu về thành phần các chất trong không khí.
Máy GC-MS đƣợc cấu tạo gồm 2 phần: + Phần thiết bị sắc ký khí.
+ Phần thiết bị khối phổ.
Hai bộ phận này đƣợc ghép với nhau qua bộ kết nối với mục đích loại bớt khí mang nhƣ hidro, heli để giảm áp suất của dòng khí mang và phân tử mẫu chất đi vào buồng ion hóa của khối phổ.
Phần thiết bị sắc ký khí dùng mao quản, phần khối phổ sử dụng buồng ion hóa với bộ tách từ cực detector khối phổ.
Hình 2.15. Sơ đồ thiết bị sắc ký khí ghép khối phổ
Nguyên lí hoạt động của máy sắc ký khí ghép khối phổ
Dung môi chứa hỗn hợp các chất s đƣợc tiêm vào hệ thống tại cửa tiêm mẫu. Mẫu sau đó đƣợc dẫn qua hệ thống bởi khí trơ, thƣờng là heli, nhiệt độ ở cửa tiêm mẫu s đƣợc nâng lên 300oC để mẫu trở thành dạng khí. Phần vỏ ngoài của hệ thống GC chính là một lò đặc biệt. Nhiệt độ của lò này dao động
từ 40oC đến 320oC. Bên trong hệ thống GC là một cuộn ống nhỏ hình trụ có chiều dài 30 m với mặt trong đƣợc tráng bằng một loại polime đặc biệt. Các chất trong hỗn hợp đƣợc phân tách bằng cách chạy dọc theo cột này.
Sau khi đi qua cột sắc ký khí, các chất tiếp tục đi vào pha khối phổ, ở đây chúng bị ion hóa, sau đó s tới bộ phận lọc detector. Dựa trên khối lƣợng, bộ lọc lựa chọn chỉ cho phép các hạt có khối lƣợng nằm trong một giới hạn nhất định đi qua. Thiết bị cảm ứng có nhiệm vụ đếm số lƣợng các hạt có cùng khối lƣợng. Thông tin này sau đó đƣợc chuyển đến máy tính và xuất ra kết quả gọi là phổ khối. Phổ khối là một phổ đồ phản ánh các ion với khối lƣợng khác nhau đi qua bộ phận lọc. Máy tính là bộ phận chịu trách nhiệm tính toán các tín hiệu do bộ cảm biến cung cấp và đƣa ra kết quả khối phổ.
So sánh kết quả khối phổ thu đƣợc trong thí nghiệm với một thƣ viện phổ của các chất đã đƣợc xác định trƣớc. Nếu tìm đƣợc chất tƣơng ứng trong thƣ viện thì có thể định danh đƣợc chất đó. Nếu phép so sánh không tìm đƣợc kết quả tƣơng ứng thì có thêm đƣợc một một dữ kiện mới và đóng góp vào thƣ viện cấu trúc sau khi tiến hành thêm các biện pháp để xác định đƣợc chính xác loại hợp chất mới này.