CHƯƠNG 2 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2.3. Phương pháp sắc ký ghép khối phổ (GC-MS)
a. Phương pháp sắc ký khí
Lý thuyết chung
Sắc ký khí là một trong những phương pháp quan trọng nhất hiện nay dung để tách, định lượng, xác định cấu trúc các chất, đặc biệt có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu các chất hữu cơ.
Nguyên lý
- Nguyên lý cơ bản của sự tách bằng sắc ký khí là sự phân bố chất thử thành hai pha. Một pha gọi là pha tĩnh có bề mặt tiếp xúc rộng và pha kia gọi là pha động là chất khí di chuyển đi qua pha tĩnh.
- Chất thử có thể là chất khí lỏng hoặc rắn được chuyển thành thể bay hơi nhờ một luồng khí trơ làm chất tải, dẫn đi qua pha tĩnh. Nếu pha tĩnh là một chất rắn thì gọi là sắc ký khí – rắn. Chất rắn được dùng là những chất có tính hấp phụ như silicagel, than hoạt tính, oxy nhôm, rây phân tử.
- Nếu pha tĩnh là chất lỏng thì gọi là sắc ký khí – lỏng. Chất lỏng được phân tán mỏng như một lớp phim trên bề mặt một chất rắn trơ gọi là nền. Khi chất thử được khí tải dẫn đi ngang qua lớp chất lỏng, chúng bị tách riêng ra tùy theo hệ số phân bố của mỗi thành phần trong hỗn hợp chất thử với những điều kiện nhiệt độ khác nhau.
- Phạm vi nhiệt độ được sử dụng trong sắc ký khí rất rộng, có thể đến 4000C, nhờ vậy làm tăng ưu thế của phương pháp sắc ký khí trong việc tách các thành phần ra khỏi hỗn hợp của chúng.
Dụng cụ
Mẫu được bơm vào trong và theo dòng khí mang (khí mang thường là N2) đưa đến cột sắc ký (pha tĩnh). Mẫu khi qua cột này sẽ được hấp phụ lên trên pha tĩnh đó. Sau đó, các chất lần lượt tách khỏi cột theo dòng khí ra ngoài được ghi nhận bởi đầu dò. Từ các tín hiệu nhận được máy tính sẽ xử lý và biểu hiện kết quả bằng sắc ký đồ. Các chất được xác định nhờ giá trị thời gian lưu trên sắc ký đồ.
b. Hệ thống sắc ký khí bao gồm các thành phần cơ bản như sau
- Nguồn cung cấp khí mang:
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 nước cất,…).
- Lò cột: dùng để điều khiển nhiệt độ cột phân tích - Bộ phận tiêm mẫu:
Bộ phận tiêm mẫu dùng để đưa mẫu vào cột phân tích theo với thể tích bơm có thể thay đổi. Khi đưa mẫu vào cột, có thể sử dụng chế độ chia dòng (split) và không chia dòng (splitless).
Có 2 cách đưa mẫu vào cột: bằng tiêm mẫu thủ công và tiêm mẫu tự động (Autosamper – có hoặc không có bộ phận hóa hơi - headspace).
- Cột phân tích: Có 2 loại cột là cột nhồi và cột mao quản.
+ Cột nhồi (packed column): pha tĩnh được nhồi vào trong cột, cột có đường kính 2-4mm và chiều dài 2-3m.
+ Cột mao quản (capillary): pha tĩnh được phủ mặt trong (bề dày 0.2- 0.5µm), cột có đường kính trong 0.1-0.5mm và chiều dài 30-100m.
Đầu dò dùng phát hiện tín hiệu để định tính và định lượng các chất cần phân tích. Có nhiều loại đầu dò khác nhau tùy theo mục đích phân tích như đầu dò ion hóa ngọn lửa (FID-Flame Ioniation Detetor), đầu dò dẫn nhiệt (TCD-Thermal Conductivity Detector), đầu dò cộng kết điện tử (ECD- Electron Capture Detector), đầu dò quang hóa ngọn lửa (FPD-Flame Photometric Detector), đầu dò NPD (NPD-Nitrogen Phospho Detector), đầu dò khối phổ (MS-Mass Spectrometry).
- Bộ phận ghi nhận tín hiệu: Bộ phận này ghi tín hiệu do đầu dò phát hiện.
- In dữ liệu: Sau khi phân tích xong, dữ liệu sẽ được in ra qua máy in kết nối với máy tính có cài phần mềm điều khiển.
Hình 2.4. Cấu tạo hệ thống sắc ký khí
c. Ưu, nhược điểm của phương pháp sắc ký khí
Ưu điểm
- Có thể phân tích đồng thời nhiều hợp chất. - Không cần làm bay hơi mẫu.
- Độ phân giải cao nhờ quá trình tách trên cột. - Độ nhạy cao nhờ đầu dò.
- Thể tích mẫu phân tích nhỏ.
Nhược điểm
- Phương pháp này ít chọn lọc do không loại trừ được hết được ảnh hưởng của nền mẫu.
d. Phương pháp khối phổ(MS)
Lý thuyết chung
- Đặc điểm
+ Phương pháp khối phổ là phương pháp nghiên cứu các chất bằng cách đo chính xác khối lượng phân tử chất đó. Chất nghiên cứu trước tiên được chuyển thành trạng thái hơi sau đó được đưa vào nghiên cứu trong bộ phận phân tích của máy khối phổ kế. Tùy theo loại điện tích của ion đem nghiên cứu mà người ta phân biệt máy khối phổ ion dương hay âm. Loại máy khối phổ làm việc với ion dương cho nhiều thông tin hơn về ion nghiên cứu nên được dùng phổ biến hơn.
+ Người ta có thể dùng phương pháp khối phổ để nghiên cứu tất cả các nguyên tố hay hợp chất có thể biến thành dạng khí hay hơi.
+ Đối với hợp chất vô cơ, phương pháp phân tích khối phổ thường được dùng để nghiên cứu thành phần đồng vị hoặc để xác định vết các chất nghiên cứu.
+ Đối với hợp chất hữu cơ, phương pháp phân tích khối phổ thường được dùng trong quá trình đồng nhất chất hoặc phân tích cấu trúc.
- Nguyên lý
+ Máy khối phổ sử dụng một chùm electron bắn vào một lượng rất bé chất thử (từ microgam đến miligam), phá chúng thành nhiều mảnh ion mang
điện dương.
+ Các mảnh ion này nhờ bộ phận phát hiện và ghi thành pic với cường độ khác nhau tương ứng với lượng khối của mỗi ion.
+ Có nhiều loại máy khối phổ với mức độ phân giải (resolution) khác nhau.
+ Máy có độ phân giải cao là máy có khả năng tách được hai mảnh ion có khối lượng chỉ chênh nhau phần trăm đơn vị khối (m/e).
+ Loại máy có độ phân giải trên 10.000 là loại máy khối phổ trình độ phân giải cao. Loại máy có mức phân giải thấp nhất cũng có thể tách được các ion chênh nhau một đơn vị khối đối với các ion có số khối dưới 500m/e.
Dụng cụ
Gồm 5 bộ phận chính:
+ Bộ phận nhận và xử lý chất thử. + Buồng ion hóa.
+ Bộ phận phân tích từ.
+ Bộ phận tập hợp ion và phóng đại. + Bộ phận ghi.
Ứng dụng
+ Xác định các hợp chất chưa biết bằng cách dựa vào khối lượng của phân tử hợp chất hay từng phần tách riêng của nó.
+ Xác định kết cấu chất đồng vị của các thành phần trong hợp chất. + Xác định cấu trúc của một hợp chất bằng cách quan sát từng phần riêng của nó.
e. Phương pháp sắc ký khí ghép khối phổ (GC – MS)
Sắc ký khí ghép khối phổ (GC – MS Gas Chromatography Mass Spectometry) là một trong những phương pháp sắc ký hiện đại nhất hiện nay với độ nhạy và độ đặc hiệu cao, được sử dụng trong các nghiên cứu và phân tích kết hợp.
Thiết bị GC – MS được cấu tạo thành hai phần: Phần sắc ký khí (GC) dùng để phân tích hỗn hợp các chất và tìm ra chất cần phân tích, phần khối phổ (MS) mô tả các hợp phần riêng lẻ bằng cách mô tả số khối. Bằng sự kết hợp hai kĩ thuật này, các nhà hóa học có thể đánh giá, phân tích định tính và định lượng, có cách giải quyết đối với một số hóa chất.
Ngày nay, người ta ứng dụng kĩ thuật GC – MS rất nhiều và sử dụng rộng rãi trong các ngành như y học, môi trường, nông sản, kiểm nghiệm thực phẩm,...
Nguyên tắc hoạt động
- Tương tự như các hệ thống sắc ký khí khác, hệ thống sắc ký khí ghép khối phổ cũng bao gồm các bộ phận: nguồn cung cấp khí, lò cột, bộ phận tiêm mẫu, cột phân tích, đầu dò, bộ phận ghi nhận tín hiệu và bộ phận in dữ liệu phân tích. Trong đó đầu dò là đầu dò khối phổ.
- Các cấu tử của mẫu sau khi tách ra khỏi cột mao quản sẽ đi vào trong đầu dò khối phổ. Tại đây, tùy thuộc vào bản chất của chất cần phân tích, sẽ diễn ra quá trình ion hóa với các kiểu ion hóa khác nhau, sau đó các io được ghi nhận bởi đầu dò.
Ưu điểm
- Chỉ cần một lượng mẫu nhỏ.
- Có khả năng tách tốt các cấu tử ra khỏi hỗn phức tạp.
- Độ chính xác cao.
- Độ nhạy cao, có khả năng phát hiện các cấu tử có nồng độ thấp. - Trang thiết bị không quá phức tạp.