Hệ thống chung của một thiết bị sắc kí khí bao gồm các bộ phận chính là khí
mang (pha Ďộng), cổng bơm mẫu (injectơ), cột tách và Ďetectơ.
Nguyên tắc hoạt Ďộng là dòng khí mang Ďược cấp liên tục từ bộ phận cấp khí, qua cổng bơm mẫu, tại Ďây mẫu Ďược bơm vào dưới dạng lỏng hoặc khí, nhờ nhiệt Ďộ cao,
18
các chất Ďều Ďược hoá hơi và dòng khí mang Ďưa toàn bộ mẫu hoặc một phần Ďi vào cột tách. Tại cột tách, nhờ lực tương tác khác nhau của các pha tĩnh trong thành cột (với cột mao quản) và các hạt pha tĩnh (với cột nhồi), mà các chất ra khỏi cột Ďến Ďetectơ với những khoảng thời gian khác nhau. Tại Ďetectơ, mỗi chất khi Ďến nơi Ďều Ďược nhận biết bằng việc thay Ďổi thế Ďiện hoặc nhiệt so với dòng khí mang ổn Ďịnh khi không có chất. Mỗi sự thay Ďổi này Ďều Ďược chuyển thành tín hiệu Ďiện, khuyếch Ďại, lưu trữ thông qua bộ xử lí số liệu và Ďược in ra dưới dạng sắc kí Ďồ [4, 11].
Trong máy sắc kí khí, cột tách là bộ phận chính của máy. Có hai loại cột chủ yếu Ďược sử dụng là cột nhồi và cột mao quản. Cột nhồi gồm hai kiểu là: cột nhồi có Ďường kính trong từ 1,6 Ďến 9,5 mm, chiều dài từ 1 Ďến 6m (thông thường là 3m) và cột nhồi mao quản có Ďường kính trong dưới 1mm và chiều dài từ 1-3m ( thường là 2m). Các cột có Ďường kính trong 1mm và nhỏ hơn, phần giữa lòng cột hoàn toàn trống gọi là cột mao quản hở. Cột mao quản hở có Ďộ dài từ hàng chục Ďến hàng trăm mét. Người ta thường chọn cột mao quản vì nó có Ďộ dài và số Ďĩa lí thuyết lớn hơn cột nhồi nên cho hiệu suất tách cao hơn.
Bộ phận quan trọng thứ hai trong GC chính là detector. Detector Ďược Ďặt ở lối ra của cột tách Ďể cảm nhận sự có mặt của các cấu tử riêng rẽ khi chúng vừa ra khỏi cột. Thể tích của detector phải nhỏ Ďể tránh cho sự trộn lại của các cấu tử Ďã Ďược tách trên cột. Tín hiệu Ďiện tương ứng sinh ra của detector Ďược khuếch Ďại và sau Ďó Ďược chuyển trực tiếp Ďến bộ ghi Ďồ thị hoặc Ďược chuyển thành tín hiệu số và chuyển Ďến
19
hệ thống máy vi tính. Hệ thống máy vi tính có thể xử lí các dữ liệu, lưu giữ chúng và thể hiện sắc kí Ďồ cùng với các kết quả phân tích Ďược trên màn hình hoặc máy ghi. Có nhiều loại detector như: detector dẫn nhiệt (TCD), detector ion hóa ngọn lửa (FID), detector ion hóa nhiệt ion (TID), detector quang ngọn lửa (FPD), detector cộng kết Ďiện từ (ECD), mỗi loại có những ưu và nhược Ďiểm riêng, tùy thuộc vào mục Ďích phân tích mà chúng ta có thể lựa chọn loại detector phù hợp. Sắc kí cũng có thể ghép nối với thiết bị phân tích khác như khối phổ, quang phổ hồng ngoại biến Ďổi Fourier và những thiết bị này Ďóng vai trò như detector.
Một yếu tố nữa cũng cần quan tâm khi sử dụng phương pháp sắc ký khí Ďó là pha tĩnh. Pha tĩnh Ďóng vai trò chính trong việc tạo nên các tương tác cần thiết Ďể tách các cấu tử ra khỏi nhau và không Ďược phản ứng với khí mang, chất mang rắn và các cấu tử cần tách. Pha tĩnh phải có Ďộ chọn lọc cao, ổn Ďịnh nhiệt, có Ďộ nhớt và có sự lưu giữ khác nhau Ďối với các chất trong hỗn hợp, mặt khác nó phải không bay hơi và bền ở Ďiều kiện nhiệt Ďộ thí nghiệm.
Trong luận văn này, chúng tôi phân tích các hợp chất hydrocacbon thơm nhóm BTEX , do vậy chúng tôi sử dụng detector FID…
Trong quá trình sắc ký khí, người ta sử dụng chương trình nhiệt Ďộ Ďể thúc Ďẩy các quá trình tách các thành phần trong hỗn hợp phức tạp có nhiệt Ďộ sôi trong khoảng rộng. Thường thì các thành phần có nhiệt Ďộ sôi thấp sẽ cho pic nhọn, cao xuất hiện trước và những thành phần có nhiệt Ďộ sôi cao sẽ xuất hiện sau, cho pic rộng và thấp hơn.
Tóm lại, sắc kí khí là một trong những phương pháp phân tích phổ biến, quan trọng và có hiệu quả cao trong việc phân tích các hợp chất hữu cơ. Phương pháp này có tính phổ biến rộng rãi, có thể tách Ďược hầu hết các chất dễ bay hơi, ngoài ra còn dùng Ďể tách những hợp chất trung gian của phản ứng tổng hợp và cả những phức, những hỗn hợp khó tách trong các sản phẩm tự nhiên và môi trường.
1.4.2. Đetectơ ion hoá ngọn lửa
Đetectơ ion hoá ngọn lửa FID (Flame Ionization Detector: FID) là một trong
những Ďetectơ có Ďộ nhạy cao và thông dụng nhất trong phương pháp sắc kí khí. Nguyên tắc làm việc của Ďetectơ ion hoá ngọn lửa là dựa vào sự ion hoá chất tan trong ngọn lửa hiĎro-không khí Ďặt ở trong một Ďiện trường (300-400V) tạo bởi hai Ďiện cực
20
là ống muống Ďèn hiĎro và Ďiện cực góp hay Ďiện cực tín hiệu là ống nắp hình trụ Ďặt ở vị trí cao hơn Ďầu ống muống 0,5-1,0cm). Thế này hạ thấp Ďiện trở giữa hai Ďiện cực và
gây ra một dòng (~10-12A) Ďể lưu thông. Dòng này xuất hiện từ các ion và các electron
tự do Ďược sinh ra trong ngọn lửa hiĎro-không khí tinh khiết. Khi chất có khả năng ion hoá (như hiĎrocacbon) rửa ra từ cột Ďi vào ngọn lửa nhờ nhiệt Ďộ cao nó bị bẻ gẫy mạch, bị oxi hoá nhờ oxi của không khí. Ví dụ như có chế hình thành ion trong trường hợp benzen như sau:
C6H6 → 6CH
6CH + O2 → 6CHO+ + 6e-
Các ion Ďược tạo thành chuyển về các bản Ďiện cực trái dấu nằm ở hai phía ngọn lửa (thế hiệu giữa hai bản Ďiện cực này khoảng 300-400V). Dòng này Ďược chạy qua Ďiện trở nội, Ďược Ďánh giá như là sự sụt thế, Ďược khuếch Ďại và cuối cùng Ďược chuyển Ďến máy ghi hoặc máy vi tính. Một thế Ďối diện cũng bằng như vậy Ďối với tín hiệu từ ngọn lửa hiĎro-không khí khi chỉ có một khí mang tinh khiết Ďi qua cho phép Ďể Ďiều chỉnh Ďường nền [4]. Sơ Ďồ của một Ďetectơ ion hoá ngọn lửa Ďược trình bày như ở hình dưới Ďây. Truyền tín hiệu Không khí Khí makeup và hiđro) Bộ góp Ngọn lửa hiđro Đầu phun Đầu cột HV
21
1.5. ĐÁNH GIÁ PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 1.5.1.Giới hạn phát hiện 1.5.1.Giới hạn phát hiện
Giới hạn phát hiện (LOD) Ďược xem là nồng Ďộ thấp nhất (xL) của chất phân
tích mà hệ thống phân tích còn cho tín hiệu phân tích (yL) khác có ý nghĩa với tín hiệu
của mẫu trắng hay tín hiện nền [22].
Tức là: yL yB k S. B (1.5.1)
Với yB là tín hiệu trung bình của mẫu trắng sau nb thí nghiệm lặp lại (thông thường là 7-10 thí nghiệm). Sb là Ďộ lệch chuẩn tín hiệu của mẫu trắng, k là Ďại lượng số học Ďược chọn theo Ďộ tin cậy mong muốn.
1 1 nb B bj j b y y n (1.5.2) Và 2 2 1 1 ( ) 1 b n b bi b i b S x x n (1.5.3) Như vậy . B B L k S x x b (1.5.4)
Mẫu trắng là mẫu Ďược chuẩn bị với nồng Ďộ chất phân tích xB=0. Và do Ďó, giới hạn
phát hiện là:
LOD k S. B yB
b
(1.5.5)
Trong trường hợp không phân tích mẫu trắng thì có thể xem như Ďộ lệch chuẩn mẫu trắng SB Ďúng bằng sai số của phương trình hồi quy, hay là SB=Sy và tín hiệu thu Ďược
khi phân tích với mẫu nền yB=a. Khi Ďó tín hiệu thu Ďược ứng với nồng Ďộ phát hiện
YLOD=a+3.Sy. Sau Ďó nhờ phương trình hồi quy có thể tìm Ďược LOD theo công thức
sau: 3.Sy a LOD b (1.5.6) 1.5.2. Giới hạn định lƣợng
Giới hạn Ďịnh lượng (LOQ) Ďược xem như là nồng Ďộ thấp nhất (xQ) của chất phân
tích mà phương pháp Ďịnh lượng Ďược với tín hiệu phân tích (yQ) khác có ý nghĩa Ďịnh
22
yQ yB K S. B (1.5.7)
Thường thì giới hạn Ďịnh lượng Ďược tính với K=10 do Ďó ta có:
10.SB a LOQ b (1.5.8) 1.5.3. Khoảng tuyến tính
Trong phân tích Ďịnh lượng, khi tăng nồng Ďộ hay lượng chất phân tích Ďến giá trị nào Ďó thì quan hệ những tín hiệu S Ďo Ďược và nồng Ďộ C của chất phân tích không còn phụ thuộc tuyến tính nữa. Khoảng nồng Ďộ có sự phụ thuộc tuyến tính giữa tín hiệu Ďo S và nồng Ďộ chất phân tích C gọi là khoảng tuyến tính. Khoảng này bắt Ďầu ở nồng Ďộ thấp nhất có thể Ďịnh lượng Ďược (còn Ďược gọi là giới hạn Ďịnh lượng) Ďến nồng Ďộ cao nhất lệch khỏi Ďường tuyến tính [33, 42].
1.5.4. Độ nhạy
Như Ďã biết, phương pháp phân tích càng tốt khi nồng Ďộ chất phân tích có thể
phát hiện Ďược càng nhỏ. Vì vậy giới hạn phát hiện có thể Ďược xem là một trong những Ďại lượng Ďặc trưng của quá trình phân tích. Tuy nhiên không dễ dàng so sánh các quá trình phân tích chỉ dựa trên giới hạn phát hiện vì rất nhiều bài báo nghiên cứu phương pháp không công bố giới hạn phát hiện.
Độ nhạy là tính Ďáp ứng của hệ thống phân tích khi thay Ďổi nồng Ďộ chất phân
tích hay khả năng phát hiện sự thay Ďổi tín hiệu khi có sự thay Ďổi rất nhỏ về nồng Ďộ chất phân tích. Thông thường một phương pháp phân tích hay thiết bị phân tích Ďược coi là nhạy nếu có giới hạn phát hiện thấp. Do Ďó, trong nhiều trường hợp có thể xem hai Ďại lượng này Ďồng nghĩa.
Hiện có hai khái niệm.
- Độ nhạy Ďường chuẩn: chính là Ďộ dốc của Ďường chuẩn (khi phân tích hồi quy tuyến tính) và Ďược xác Ďịnh tại bất kỳ Ďiểm nào trên Ďường chuẩn. Do Ďó, Ďộ nhạy Ďường chuẩn Ďược tính theo công thức m=dy/dx. Nói cách khác Ďộ nhạy Ďường chuẩn Ďơn giản là sự thay Ďổi tín hiệu khi thay Ďổi một Ďơn vị nồng Ďộ chất phân tích.
- Độ nhạy phân tích: Vì tính xác Ďịnh của Ďường chuẩn bị ảnh hưởng bởi Ďộ phân tán làm cho kết quả Ďo không chính xác. Do Ďó, phép Ďo Ďộ nhạy bị ảnh hưởng bởi Ďộ dốc của Ďường chuẩn và Ďộ chính xác của Ďường chuẩn (tức là bị ảnh hưởng bởi Ďặc tính kĩ
23
thuật Ďo). Ví dụ, có thể tăng Ďộ nhạy bằng cách tăng Ďộ dày lớp hấp thụ trong phân tích trắc quang hoặc thay Ďổi sự khuyếch Ďại trong phân tích Ďiện hoá [22, 33, 42].
1.5.5. Độ đúng của phƣơng pháp phân tích
Cơ sở lí thuyết Ďể kiểm tra Ďộ Ďúng của phương pháp phân tích dựa trên
phương pháp phân tích phương sai nhằm so sánh giá trị trung bình của tập số liệu thực
nghiệm (X) với giá trị thực (μ). Phép sai số này Ďược thực hiện nhờ chuẩn student (t).
Với việc phân tích n mẫu chuẩn Ďã Ďược chuẩn bị có nồng Ďộ xác Ďịnh (μ) theo Ďúng quy trình phân tích Ďã Ďược lập dựng [42]. Từ các số liệu thực nghiệm thu Ďược các kết quả x1, x2, x3...xn ta tính giá trị trung bình như công thức sau:
1 1 n i i X X n (1.5.9)
Độ lệch chuẩn S của phương pháp sẽ là 2 1 ( ) 1 n i i X X S n (1.5.10)
Hệ số biến thiên CV (hay Ďộ lệch chuẩn tương Ďối RSD) tương ứng là .100% S CV X (1.5.11)
Với một phương pháp phân tích có Ďộ Ďúng chấp nhận Ďược khi mà sự sai khác giữa
X và giá trị thực μ là không Ďáng kể. Phép so sánh này Ďược tiến hành nhờ chuẩn Student như sau:
X
t n
S
(1.5.12)
Nếu ttn < t(f=0.95, n-1) thì có thể xem giá trị trung bình X và giá trị thực μ sai khác không Ďáng kể hay là sai số của phương pháp phân tích là có thể chấp nhận Ďược. Ta cũng có thể Ďánh giá sai số của phương pháp ngay bởi hệ số biến thiên CV theo công thức (1.5.11).
Ngoài ra Ďộ Ďúng của phương pháp phân tích còn Ďược biểu diễn thông qua sai số tương Ďối X%
24 100 % 2 2 1 A A A X (1.5.13)
Trong Ďó A1 và A2 là giá trị thu Ďược giữa hai lần Ďo.
25
CHƢƠNG 2: THƢ̣C NGHIỆM
2.1. HOÁ CHẤT VÀ THIẾT BỊ 2.1.1. Hoá chất 2.1.1. Hoá chất
+ Chất chuẩn nhóm BTEX: benzen, toluen, etylbenzen, m-xilen (PA. tinh khiết cho sắc kí, hãng Merck- Đức).
+ Polime nhóm siloxan dùng làm pha tĩnh bao gồm: polimetylhiĎrosiloxan (hãng Merck- Đức).
+ Dung môi tinh khiết cho sắc kí (hãng Merck- Đức): n-hexan, Ďiclometan, etanol, xiclohexan...
2.1.2. Thiết bị
+ Hệ thống sắc kí khí với Ďetectơ FID: GC-2010, Shimadzu.
+ Kính hiển vi Ďiện tử (SEM): JEOL-5410LV (chân không cao, thế 15kV)
+ Cân phân tích, máy khuấy từ gia nhiệt, kim tiêm y tế, bơm tiêm thuỷ tinh, bơm kim tiêm Hamilton các loại...
+ Dụng cụ thuỷ tinh phòng thí nghiệm Ďầy Ďủ.
Tất cả các dụng cụ thủy tinh Ďều Ďược làm sạch bằng cách ngâm trong dung dịch rửa (kalibicromat và axit sunfuric Ďặc) khoảng 24 giờ. Sau Ďó rửa bằng nước
nóng rồi tráng lại bằng nước cất hai lần và axeton, sau Ďem sấy ở 1500 C Ďến khô.
2.2. CHẾ TẠO THIẾT BỊ VI CHIẾT MÀNG KIM RỖNG PHỦ TRONG [12] 2.2.1. Bơm và kim tiêm trong vi chiết màng kim rỗng 2.2.1. Bơm và kim tiêm trong vi chiết màng kim rỗng
Bơm tiêm là bơm bằng thủy tinh . Kim tiêm Ďược lựa cho ̣n chính là kim t iêm y tế thông thường , có chiều dài : 30,8mm; Ďường kính ngoài : 0,52mm và Ďường kính trong: 0,28mm. Trong xylanh có một số chất làm trơn pittong, Ďể tránh ảnh hưởng trong quá trình thí nghiệm ta rửa xylanh, pittong và kim tiêm với các loại dung môi khác nhau: axeton, diclometan, n-hexan. Sau khi rửa sạch bằng các dung môi, sấy khô Ďể chuẩn bị tẩm kim.
2.2.2. Pha tĩnh và dung di ̣ch pha tĩnh
Pha tĩnh Ďươ ̣c nghiên cứu trong luâ ̣n văn là: - PolimetylhiĎrosiloxan:
26 (CH3)3Si O Si O CH3 H Si(CH3)3 n
Pha tĩnh Ďươ ̣c pha trong Ďiclometan Ďể ti ến hành ph ủ lên thành bên trong của kim tiêm rỗng và xác Ďi ̣nh Ď ộ dày màng sau khi ph ủ theo công thức bán thực nghiệm xây dựng Ďược và so sánh với kết quả quan sát trên kính hiển vi Ďiện tử quét SEM.
2.2.3. Cách phủ pha tĩnh
Kim tiêm (phần ống tru ̣ bằng hợp kim ) Ďược làm Ďầy bằng dung d ịch của pha
tĩnh polihidrometylsiloxan Ďược pha sẵn trong Ďiclometan với một nồng Ďộ 0,3g/ml (cân 7,5g polihidrometylsiloxan và hoà tan vào trong 25ml diclometan). Ngâm kim vào dung dịch pha tĩnh vừa pha Ďến một Ďoạn chính xác 2 cm. Dùng một kim tiêm khác lắp vào Ď ầu kim trên, Ďẩy pittong lên xuống Ďể hút dung dịch pha tĩnh vào kim. Sau Ďó dùng giấy thấm lau sạch lớp pha tĩnh ở bên ngoài kim và giữ yên ở nhiệt Ďộ thường cho dung môi Ďiclometan bay hơi hết kho ảng 1 giờ, sau Ďó Ďưa kim vào injectơ của máy sắc kí khí và dù ng dòng khí trơ (nitơ) cho Ďi qua kim , cùng với việc nâng nhiê ̣t Ďô ̣ kho ảng 2000
C Ďể làm sa ̣ch triê ̣t Ďể dung môi . Kết quả là toàn bộ lượng pha tĩnh Ďược phủ lên thành bên trong của kim tiêm rỗng. Kim tiêm màng pha tĩnh kim rỗng chế ta ̣o hoàn chỉnh cần Ďược bảo quản Ďể sử du ̣ng , tiến hành vi chiết và có thể tái sử du ̣ng nhiều lần.
2.2.4. Tính toán độ dày màng pha tĩnh
Độ dày màng pha tĩnh Ďược tính toán theo công thức bán thực nghiệm (3.1). Từ các kết quả có Ďược là Ďường kính trong của kim tiêm, khối lượng riêng của pha tĩnh và các giá trị nồng Ďộ của pha tĩnh trong Ďiclometan khác nhau. Dựa trên kết quả khảo sát Ďộ dày màng pha tĩnh polimetylhydrosilosan trong khoảng nồng Ďộ từ 0,025g/ml Ďến 0,3g/ml của nghiên cứu trước Ďó [12], chúng ta lựa chọn nồng Ďộ Ďể có Ďược Ďộ dày màng pha tĩnh phù hợp Ďể phân tích các chất nhóm BTEX. Tiến hành quan sát lại trên kính hiển vi Ďiện tử SEM (loại máy JEOL-5410LV, Ďiều kiện thực hiện ở áp suất chân không cao với thế 15kV). Kết quả tính toán theo công thức bán thực nghiệm và quan sát trên kính hiển vi Ďiện tử SEM Ďược cho như ở bảng 3.1 và hình 3.4.
2.3 KHẢO SÁT KHẢ NĂNG SỬ DỤNG CỦA KIM 2.3.1 Khảo sát thời gian giải hấp 2.3.1 Khảo sát thời gian giải hấp
27
Thời gian giải hấp là khoảng thời gian Ďược tính từ khi Ďưa kim tiêm vi chiết lên injector của máy GC Ďến khi rút kim ra. Thời gian giải hấp là tối ưu khi lượng chất