6. Cấu trúc của luận văn
1.3.4. Phƣơng pháp sắc ký khí GC-MS
a. Phương pháp sắc ký
Sắc ký là một kỹ thuật vật lý và hóa lý 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 tĩnh thƣờng ở dạng rắn hay lỏng, dƣới dạng màng mỏng bám đều trên bề mặt chất mang trơ chứa trong cột sắc ký.
- Pha động : chất phân tích và dung môi thích hợp.
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 có thể theo các tính chất hóa lý nhất định, đó là sự hấp phụ, trao đổi, phân bố, rây phân tử.
Tƣơng ứng ta có tên gọi các phƣơng pháp sắc kí: sắc ký hấp phụ dựa vào tính chất hấp phụ chất phân tích lên trên 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. Phương pháp sắc kí khí (GC)
Sắc kí 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 kí, thƣờng hóa hơi dƣới 250o
C.
Pha tĩnh có thể là chất rắn đƣợc nhồi vào cột hay 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 chia thành hai loại sắc ký khí:
- Sắc ký khí rắn (Gas solid 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 những 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 2 loại kỹ thuật phân tích:
Giữ 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 tiêu tốn thời gian nhƣng triệt để.
Máy sắc ký (Hình 1.9)
Hai bộ phận quan trọng trong máy sắc ký là hệ thống cột tách và detectơ.
Nguyên tắc hoạt động
Nhờ có khí mang chứa trong bơm khí (hoặc máy phát khí), mẫu từ buồng bay hơi đƣợc dẫn vào cột tách nằm trong buồng điều nhiệt. Qúa 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 detectơ, tại đó chúng đƣợc chuyển thành tín hiệu điện. Tín hiệu này đƣợc khuếch đại rồi chuyển sang bộ ghi, tích phân kế hoặc máy vi tính. Các tín hiệu đƣợc xử lý ở đó chuyển sang bộ phận in và lƣu kết quả (bộ hiện số, máy in hoặc máy ghi).
Hình 1.9. Sơ đồ thu gọn của thiết bị sắc kí khí
Trên sắc kí đồ nhận đƣợc, sẽ có tín hiệu ứng với các cấu tử đƣợc tách gọi là pic. Thời gian lƣu của pic là đại lƣợng đặc trƣng cho chất cần phân tích. Diện
tích pic là thƣớc đo định lƣợng cho từng chất trong hỗn hợp cần nghiên cứu.
Hình 1.10. Hình ảnh sắc kí đồ
Sắc kí đồ (Hình 1.10) là tập hợp tất cả các pic, mỗi pic đại diện cho mỗi chất. Dựa vào thời gian lƣu ta có thể xác định đƣợc tên chất và đo diện tích mỗi pic ta xác định đƣợc thành phần mỗi chất trong hỗn hợp.
c. Phương pháp khối phổ (MS)
- Phƣơng pháp khối phổ là phƣơng pháp nghiên cứu các chất bằng cách đo, phân tích chính xác khối lƣợng phân tử của chất đó dựa trên sự chuyển động của các hạt mang điện hay ion trong một điện trƣờng hay từ trƣờng nhất định.
- Máy khối phổ là thiết bị dùng cho phƣơng pháp phổ khối, cho ra phổ khối lƣợng của một mẫu, để tìm ra thành phần của nó.
- Theo tính năng của bộ ghi, ngƣời ta chia các máy khối phổ thành hai loại:
+ Máy khối phổ ký ghi bằng hình ảnh: tín hiệu phổ đƣợc ghi bằng kính ảnh ở dạng vạch có độ đen khác nhau.
+ Máy khối phổ kế: các tín hiệu của chùm ion đƣợc ghi dƣới dạng xung điện bằng các giao động ký điện tử nhiều kênh, hoặc đƣa vào máy tính điện
tử, tín hiệu sẽ đƣợc đƣa ra dƣới dạng bản đồ hoặc đồ thị thích hợp. Ngày nay trong phƣơng pháp khối phổ ngƣời ta dùng các máy khối phổ kế.
Nguyên tắc: 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 cùng tỉ số khối trên điện tích ion, m/e) và xác suất có mặc của mỗi dãy ion có cùng tỉ số m/e đƣợc ghi trên đồ thị có trục tung là xác suất 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 đỉnh cơ sở. Đỉnh 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 sẽ 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 mẫu khối lƣợng dễ dàng.
d. Phương pháp sắc ký khí kết hợp khối phổ (GC-MS)
Phƣơng pháp sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS) dựa trên cơ sở nối ghép 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.
Nguyên lý hoạt động của máy sắc ký khí kết hợp khối phổ:
Dung môi chứa hỗn hợp các chất sẽ đƣợc tiêm vào hệ thống tại cửa tiêm mẫu. Mẫu sau đó đƣợc dẫn qua hệ thống bởi khí trơ, thƣờng là helium, nhiệt
độ ở cửa tiêm mẫu sẽ đƣợc nâng lên 3000°C để mẫu trở thành dạng khí. Phần vỏ ngoài của hệ thống GC chính là một lò nung đặc biệt. Nhiệt độ của lò này dao động từ 40°C - 320°C. Bên trong hệ thống GC là một cuộn ống nhỏ hình trụ có chiều dài 30m 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 hóa chất tiếp tục đi vào pha khối phổ, ở đây chúng bị ion hóa, sau đó sẽ 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 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.
Máy GC-MS đƣợc cấu tạo gồm 2 phần: - Phần thiết bị sắc kí 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 H2, He 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 kí khí dùng mao quản, phần khối phổ sử dụng buồng ion hóa với bộ tách từ cực detectơ khối phổ.
Sơ đồ thiết bị sắc kí khí ghép khố phổ đƣợc thể hiện ở Hình 1.11. [12]
Hình 1.11. Sơ đồ thiết bị sắc kí khí ghép khối phổ
1.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƢỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI VỀ CÂY BÀNG