6. Bốc ục đề tài
2.3.6. Phương pháp sắc kí ghép khối phổ (GC-MS)
a. Phương pháp sắc kí khí (GC)
Sắc kí khí là kỹ thuật sắc kí phổ biến, có độ nhạy cao và được áp dụng lần đầu tiên để kiểm tra các phân đoạn tinh chế của dầu hỏa. Sắc kí khí là phương pháp phân tích dựa trên sự phân chia dùng để tách chất bay hơi hoặc
có thể bay hơi khi gia nhiệt những không phá hủy mẫu. Các chất được tách ra khỏi hỗn hợp bởi tương tác khác nhau của chúng với pha tĩnh. Dòng khí không đóng vai trò của một pha động thực sự trong hệ thống sắc kí, nó chỉ làm nhiệm vụ lôi cuốn các chất trong pha hơi chạy dọc theo pha tĩnh để chúng có thể tương tác với pha tĩnh. Vì vậy, dòng khí chạy trong cột sắc kí được gọi là khí mang. Đóng vai trò đẩy các chất ra khỏi pha tĩnh trong sắc kí khí chính là nhiệt độ. Các chất có nhiệt độ sôi khác nhau có thời gian lưu khác nhau, từ đó các chất tách ra khỏi nhau [7]. Các cấu tử sau khi ra khỏi cột sẽ được phát hiện bằng một bộ phận phát hiện và ghi thành peak.
Tuỳ thuộc vào bản chất pha tĩnh mà chia thành 02 loại sắc kí khí:
Sắc kí khí rắn: chất phân tích được hấp thụ trực tiếp trên pha tĩnh là các tiểu phân rắn.
Sắc kí khí lỏng: pha tĩnh là một chất lỏng không bay hơi.
b. Cấu tạo của máy sắc kí khí
- Hệ thống cung cấp khí mang
Khí mang phải trơ về mặt hoá học như He, Ar, N2, CO2, H2; việc lựa chọn khí mang quyết định bởi detector sử dụng. Hệ thống cung cấp khí mang bao gồm các bộ phân chỉnh áp suất, thiết bị đo áp suất, thiết bị đo tốc độ dòng. Hệ thống khí mang chứa hệ thống lọc phân tử để tách nước và chất nhiễm bẩn khác. Độ tinh khiết của khí phải đạt 99,95%. Có thể sử dụng bình chứa khí hoặc thiết bị sinh khí (thiết bị tách khí N2 từ không khí, thiết bị cung cấp H2 từ nước cất,…)
- Hệ thống tiêm mẫu
Cách thông dụng nhất để đưa mẫu vào cột là sử dụng một bơm tiêm mẫu vì lượng để tiêm mẫu lỏng hoặc khí qua một đệm cao su silicon chịu nhiệt vào buồng hoá hơi. Lượng mẫu bơm vào thay đổi từ 0,1 – 10µl đối với cột mao quản, cột nhồi lượng mẫu bơm có thể lớn hơn.
Có 2 cách đưa mẫu vào cột: bằng tiêm mẫu thủ công hoặc tiêm mẫu tự động.
- Lò cột và cột phân tích
Lò cột làm nhiệm vụđiều nhiệt cho cột sắc kí. Có 02 loại cột: cột nhồi và cột mao quản.
Cột nhồi thường được làm bằng thép không rỉ, niken, thuỷ tinh với đường kính 3 – 6mm và chiều dài từ 1 – 5m chứa các hạt chất mang rắn được phủ pha tĩnh lỏng hoặc bản thân hạt rắn là pha tĩnh được nhồi vào cột. Cột nhồi thường có hiệu quả tách thấp, tuy nhiên có hệ số lưu giữ cao, dung lượng mẫu lớn.
Cột mao quản được chế tạo từ thuỷ tinh oxit tinh khiết nấu chảy, bền và chịu được nhiệt độ lên đến 350oC. Cột có đường kính trong 0,1 – 0,5mm và chiều dài 30 – 100m, pha tĩnh là một lớp phim mỏng dày khoảng 0,1 – 5µm phủ trong thành cột hoặc các chất mang rắn phủ một lớp pha tĩnh mỏng được gắn trên bề mặt bên trong của cột hoặc một pha tĩnh xốp của chất hấp thụ hay rây phân tử.
- Đầu dò
Đầu dò dùng để phát hiện tín hiệu để định tính và định lượng các chất cần phân tích. Có nhiều loại đầu dò khác nhau tuỳ theo mục đích phân tích như đầu do ion hoá ngọn lửa, đầu dò dẫn nhiệt, đầu dò cộng kết điện tử, đầu dò quang hoá ngọn lửa, đầu dò NPD, đầu dò khối phổ.
- Bộ phận ghi nhận tín hiệu
Bộ phận này ghi tín hiệu do đầu dò phát hiện. Đối với các hệ thống sắc kí hiện đại, phần này được phần mềm trong hệ thống ghi nhận, lưu các thông số, sắc kí đồ, các thông số liên quan đến peak như tính đối xứng, hệ số phân giải,… đồng thời tính toán, xử lí các thông số liên quan đến kết quả phân tích.
c. Phương pháp khối phổ (MS)
Là kỹ thuật xác định cấu trúc của các hợp chất với lượng mẫu phân tích rất nhỏ (µg). Phổ khối (MS) cung cấp thông tin về kích thước và khối lượng phân tử. MS bao gồm một loạt các tín hiệu của các phân mảnh có được từ sự va chạm của phân tử với điện tử. Mỗi tín hiệu cho thông tin về tỷ lệ khối lượng trên điện tích của mảnh ion (m/z). Phần lớn các mảnh ion đều mang điện tích dương +1 nên m/z tương đương với khối lượng ion [7].
Các ion phân tử không phân mảnh [M]+ - ion mẹ, [M-1]+ - mất đi 1 nguyên tử hydrogen và [M+1]+ nhận thêm 1 nguyên tử hydrogen rất quan trọng cho việc xác định khối lượng phân tử. Sau đó, xác định các phân mảnh chính có liên quang dựa vào sự mất khối lượng hợp lý của ion phân tử. Các phân mảnh thường gặp trong ESI MS là: [M-17]+ mất đi 1 nhóm -OH; [M- 18]+ mất đi 1 H2O, thường gặp trong các hợp chất phenolic có 2 nhóm -OH ở vị trí ortho; [M-28]+ mất 1 nhóm >C=O; [M-29]+ mất 1 nhóm -CHO; [M-44]+ mất 1 CO2; [M-31]+mất đi gốc OCH3; [M-134]+ mất 1 gốc dihydroxyphenyletyl; [M-162]+ mất 1 gốc rhamnose; mất đi 1 gốc glucose hay 1 gốc caffeoyl; [M-164]+ mất 1 gốc fruoyl.
d. Sắc kí khí ghép khối phổ (GC-MS)
Phương pháp sắc kí khí ghép khối phổ (GC-MS) dựa trên cơ sở nối ghép máy sắc kí khí và khối phổ. GC-MS là một phương pháp với độ nhạy cao được sử dụng trong các nghiên cứu về thành phần các chất trong không khí.
Nguyên lí hoạt động của máy sắc kí khí kết hợp khối phổ:
Dung môi chứa hỗn hợp các chất sẽ được tiêm vào hệ thống tại cửa tiêm mẫu. Mẫu sau đó được dẫn qua hệ thống bởi khí trơ, thường là Helium, nhiệt độ ở cửa tiêm mẫu được nâng lên 3000oC để mẫu trở thành dạng khí. Phần vỏ ngoại của hệ thống GC chính là một lò nung đặc biệt. Nhiệt độ của lò này dao động từ 40oC – 320oC. Bên trong hệ thống GC là một cuộn ống nhỏ
hình trụ có chiều dài 30m với mặt trong được tráng bằng một loại polime đặc biệt. Các chất trong hỗn hợp được phân tách bằng cách chạy dọc theo cột này.
Sau khi đi qua cột sắc kí khí, các hoá chất tiếp tục đi vào pha khối phổ, ở đây chúng bị ion hoá, sau đó sẽ tới bộ phận lọc (detector). Dựa trên khối lượng, bộ lọc lựa chọn chỉ cho phép các hạt có khối lượng nằm trong một giới hạn nhất định đi qua. Thiết bị cảm ứng có nhiêm vụ đếm số lượng các hạt có cùng khối lượng. Thông tin này sau đó được 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 lượng khác nhau đi qua bộ phận lọc. Máy tính là bộ phận chịu trách nhiệm tính toán các tín hiệu do độ cảm biến cung cấp và đưa ra kết quả khối phổ.
So sánh kết quả khối phổ thu được trong thí nghiệm với một thư viện phổ của các chất đã được xác định trước. Nếu tìm được chất tương ứng trong thư viện thì có thểđịnh danh được chất đó. Nếu phép so sánh không tìm được kết quả tương ứng thì có thêm được một dữ kiện mới và đóng góp vào thư viện cấu trúc sau khi tiến hành thêm các biện pháp để xác định được chính xác loại hợp chất mới này.
Trên cơ sở ưu điểm, nhược điểm của một số kỹ thuật nghiên cứu về chiết tách và xác định thành phần hóa học đã trình bày ở trên, trong luận văn này, chúng tôi lựa chọn kỹ thuật:
- Thu dịch chiết bằng phương pháp chiết Soxhlet
- Xác định các thông số hóa lý của nguồn nguyên liệu bằng phương pháp phân tích khối lượng và phương pháp AAS
- Định danh các cấu tử có trong các dịch chiết bằng phương pháp sắc kí khí ghép khối phổ (GC-MS).