I- BỨC XẠ, TIA PHÓNG XẠ; C1 C6 – CATÔT A– ANÔT.
CHƯƠNG 2 SẮC KÝ KHÍ (GC)
2.3.2 Cột tách sắc ký khí
Trong thực tế có nhiều dạng cột tách khác nhau nhằm thỏa mãn các mục đích nghiên cứu. Nhìn chung, cột tách sắc ký cần đạt những yêu cầu sau:
− Đảm bảo trao đổi chất tốt giữa pha động và pha tĩnh nhờ việc tối ưu hóa các thông số của phương trình Van Deemter.
− Khả năng tải trọng cao của cột (các cấu tử cần tách – pha tĩnh) phụ thuộc vào kiểu cột tách, khả năng hòa tan của cấu tử trong pha tĩnh được chọn (chính là hệ số phân bố của cấu tử đó trong pha tĩnh đã cho). Hình dạng của đường phân bố đẳng nhiệt (trong trường hợp lý tưởng là đường thẳng qua gốc tọa độ) cũng đóng vai trò quan trọng đến khả năng tải trọng.
− Phải có khoảng nhiệt độ sử dụng lớn, làm việc được ở nhiệt độ cao.
Giai đoạn đầu của sắc ký khí, cột nhồi được sử dụng phổ biến. Tuy nhiên, càng về sau cột mao quản được thay dần cột nhồi và hiện nay hầu như ở các nước khoa học phát triển, cột nhồi hầu như không còn được sử dụng. Lý giải cho nguyên nhân tại sao cột mao quản được sử dụng phổ biến hiện nay, chúng ta hãy nghiên cứu chi tiết về các loại cột này.
Bảng 2.1: Các tính chất đặc trưng của các loại cột tách dùng trong sắc ký khí.
Kiểu cột tách Cột mao quản phim mỏng WCOT Cột mao quản lớp mỏng PLOT Cột mao quản nhồi Cột nhồi thông thường Đường kính trong 0,25 – 0,50 mm 0,50 mm 1 mm 2 – 4 mm Chiều dài 10 – 100 mm 10 – 100 mm 1 – 6 mm 1 – 4 mm Hiệu quả cột tách 1000 – 3000 đĩa/m 600 – 1200 đĩa/m 1000 – 3000 đĩa/m 500 – 1000 đĩa/m Tốc độ dòng tối ưu 20 – 30 m/s H2, He 10 – 15 cm/s N2, Ar 20 – 30 m/s H2, He 10 – 15 cm/s N2, Ar 8 - 15 m/s H2, He 3 - 10 cm/s N2, Ar 4 – 6 m/s H2, He 2 – 5 cm/s N2, Ar Tốc độ thể tích dòng tối ưu 1 – 5 ml/ph H2, He 0,5 – 4 ml/ph N2, Ar 2 – 8 ml/ph H2, He 1 – 4 ml/ph N2, Ar 2 – 6 ml/ph H2, He 1 – 3 ml/ph N2, Ar 2 – 60 ml/ph H2, He 15 – 50 ml/ph N2, Ar Lượng mẫu 10 – 100 ng 10 ng – 1 μg 10ng – 10 μg 10ng – 1 mg Áp suất đòi hỏi Thấp Thấp Rất cao Cao
Khí bổ trợ cho detector
Đòi hỏi thông thường
Đòi hỏi thông thường
Đòi hỏi thông thường
Đòi hỏi thông thường
Tốc độ phân
tích Nhanh Nhanh Trung bình Chậm
Tính thấm Cao Cao Thấp Thấp
−WCOT: Wall Coated Open Tubular Column (Cột mao quản phim mỏng)
−PLOT: Porous Layer Open Tubular Column (Cột mao quản lớp mỏng)
Do lượng pha tĩnh trong các cột mao quản rất nhỏ nên dung lượng của các cột đó cũng rất giới hạn; vì vậy mà lượng mẫu bơm vào cột cũng rất hạn chế chỉ cỡ 10-6 – 10- 7g.
* Cột nhồi thông thường:
Loại cột này thường có đường kính trong 3 – 6 mm. Loại cột này thường dùng cho mục đích điều chế khi đường kính trong của cột lên tới 12mm. Chất mang cho sắc ký cột nhồi thường được sử dụng là diatomit. Sau khi nung với CaCO3 ở 900oC ta thu được chất bột có diện tích bề mặt khoảng 1 – 4 m2/g; thành phần chủ yếu là SiO2 và Al2O3. Từ vật liệu cơ bản này, bằng kỹ thuật xử lý khác nhau mà người ta thu được các loại chất mang khác nhau. Chất mang này sau khi đã xử lý được tẩm một lượng chất lên; khi đó chất mang + dung dịch tẩm lên được gọi là pha tĩnh. Pha tĩnh sau đó được nhồi chặt vào cột có kích thước từ 1 – 6 mét, đường kính 2 – 6 mm như trên. Như vậy, trong quá trình sắc ký sẽ có sự chênh lệch giữa áp suất đầu cột và cuối cột và vì vậy không thể tùy tiện tăng chiều dài cột.
Hàm lượng pha tĩnh được quyết định bởi các yếu tố sau:
− Toàn bộ khối lượng pha tĩnh cần cho một cột tách có chiều dài đã biết.
− Mức độ tải trọng cần thiết của cột: Các cột tách có độ tải trọng lớn; trong trường hợp bơm mẫu nhiều cũng cho những peak cân đối và độ phân giải tốt ngay cả đối với cấu tử chính.
− Mức độ bao phủ cần thiết của bề mặt chất mang: Với độ bao phủ lớn, sự hấp thụ trên bề mặt chất mang sẽ bị giảm đi; trong khi đó nếu bao phủ thấp tức là lớp phim pha tĩnh trên hạt chất mang rất mỏng thì sự trao đổi chất giữa pha tĩnh và pha động sẽ đạt được mức độ tối ưu.
− Tỷ lệ giữa diện tích bề mặt và tỷ trọng chất mang: Người ta có thể đặt mua được các loại chất mang tẩm sẵn cho mục đích nghiên cứu của mình. Tuy
vậy, để chủ động và đỡ tốn kém nên tự tiếnhành tẩm lấy các chất nhồi cột mong muốn.
* Cột mao quản:
Sắc ký khí cột mao quản là một hình thái đặc biệt của phương pháp sắc ký khí; được đặc trưng bởi năng suất cột tách và hiệu suất phân giải rất cao.
Trong sắc ký khí cột nhồi, độ dài của cột tách thông thường là dưới 5 mét; trường hợp đặc biệt người ta đã chế được cột dài tới 20 mét. Người ta không thể tùy ý kéo dài cột nhồi vì độ chênh lệch giữa áp suất đầu cột và áp suất cuối cột tăng tỷ lệ thuận (sự giảm áp suất sẽ tăng) với chiều dài cột.
Ngược lại với cột nhồi, cột mao quản là loại cột tách với đường kínhnhỏ hơn 1 mm; trên thành trong của cột được tẩm pha tĩnh. Nhờ cấu trúc đặc biệt này của cột mao quản, khí mang sẽ đưa mẫu đi qua cột tách rất dài (do vậy năng suất tách rất cao) mà không gặp trở kháng gì lớn (không có độ chênh lệch về áp suất đáng kể). Các cấu tử sẽ tương tác với pha tĩnh bám trên thành cột, sẽ được pha tĩnh lưu giữ lại với mức độ khác nhau. Chính nhờ các đặc tính trên mà người ta có thể chế và sử dụng những cột tách rất dài (tới vài trăm mét). Cột sắc ký khí mao quản do N.J.E.Golay phát minh nên trong một số trường hợp người ta thường gọi là cột Golay.
So với cột nhồi, cột mao quản có những ưu điểm sau:
− Các hỗn hợp phức tạp được tách với hiệu suất cao hơn hẳn
− Tách được cả các chất có cấu trúc hóa học rất gần nhau.
− Độ tin cậy cao hơn trong việc nhận biết các cấu tử.
− Độ nhạy phát hiện lớn hơn.
− Giảm thời gian phân tích.
− Cho phép ghép nối trực tiếp với khối phổ kế mà không cần separator. Có hai loại cột mao quản chủ yếu:
− Cột mao quản phim mỏng (Wall Coated Open Tubular Column – WCOT column)
− Cột mao quản lớp mỏng (Porous Layer Open Tubular Column – PLOT column)
Bởi vì lượng pha tĩnh trong các cột mao quản rất nhỏ, nên dung lượng các cột đó cũng rất giới hạn. Do vậy, lượng mẫu được bơm vào cột mao quản cũng rất hạn chế. Ví dụ đối với các cột mao quản phim mỏng (WCOT), lượng mẫu được đưa vào cột chỉ
vào khoảng 10-7g. Chính vì đặc điểm này cho nên so với phương pháp SKK cột nhồi, SKK cột mao quản đòi hỏi những yêu cầu hết sức đặc biệt với quá trình bơm mẫu cũng như đối với quá trình phát hiện. Việc chế tạo các loại cột tách như vậy (bao gồm cả quá trình xử lý cột và tẩm cột, …) cũng như việc lắp ráp các cột kiểu này vào máy sắc ký khí cũng là những vấn đề được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và hoàn chỉnh.
Hình 2.4: 1. Cột nhồi; 2. Cột mao quản WCOT; 3. Cột mao quản PLOT Sơ đồ biểu diễn thiết diện cắt ngang của cột nhồi, cột mao quản WCOT; PLOT
Hình 2.5: Cột mao quản