1.1.3.1. Nguyên tắc chung củ a p hƣơng pháp sắc kí khí
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, 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
34
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 [5, 20].
1.1.3.2. 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 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:
35
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 [5]. Sơ Ďồ của một Ďetectơ ion hoá ngọn lửa Ďược trình bày như ở hình dưới Ďây.
1.1.3.3. Đetectơ cộng kết điện tử
Nguyên tắc làm viê ̣c của Ďetectơ cộng kết Ďiện tử (Electron Capture Detector: ECD) là sự ion hóa các hợp chất gây ra bởi tia phóng xạ (3H,
63
Ni). Nói chung các chất hữu cơ Ďều có khả năng ion hóa b ởi các Ďiện tử tự do trong pha khí . Khả năng này lớn hay nhỏ phụ thuộc vào cấu tạo của hợp chất (khả năng phản ứng của các Ďiện tử của hiĎrocacbon no < các hiĎrocacbon không no < các dẫn xuất halogen ).
Truyền tín hiệu Không khí Khí makeup và hiđro) Bộ góp Ngọn lửa hiđro Đầu phun Đầu cột HV
36
Bô ̣ phâ ̣n chính của Ďetectơ là buồng ion hóa , các chất sau khi rửa giải khỏi cột Ďi vào giữa hai Ďiện cực , có một bề mặt phóng xạ phát xạ các electron năng lươ ̣ng cao (hạt ) vớ i tốc Ďô ̣ 108-109 hạt/giây (nguồn phóng xa ̣ thường dùng là 63
Ni, tuy Ďộ nha ̣y kém hơn 3
H nhưng có ưu Ďiểm là bền , có thể làm việc Ďược ở nhiệt Ďộ cao 4000
C). Các electron này bắn phá khí mang tạo ra các ion dương, các gốc và các electron nhiệt bởi hàng loạt các va ch ạm Ďàn hồi và không Ďàn hồi . Quá trình này xảy ra rất nhanh (<0,1 microgiây). Các electron nhiê ̣t Ďươ ̣c gia tốc nhờ Ďă ̣t mô ̣t hiê ̣u Ďiê ̣n thế vào buồng Ďetectơ sẽ chuyển Ďô ̣ng về phía anot ta ̣o thành dòng Ďiê ̣n nền của Ďetectơ (tín hiê ̣u Ďường nền) khi chỉ có khí mang Ďi qua . Các hợp chất hấp thụ electron trong dòng khí mang Ďi ra từ cô ̣t tách phản ứng với các electron nhiê ̣t này ta ̣o thành các ion âm có khối lượng lớn hơn . Tốc Ďô ̣ tổ hợp giữa các ion dương và ion âm nhanh hơn nhiều lần so với giữa các electron nhiê ̣t và ion dương . Như vâ ̣y sự giảm dòng Ďiện của Ďetectơ (sự sụt thế Ďường nền ) gây ra bởi sự khử các electron nhiê ̣t do sự tái tổ hợp khi có mă ̣t chất thu electron t ạo ra cơ sở Ďịnh lượng cho sự vâ ̣n hành Ďetectơ vì mức Ďô ̣ suy giảm phụ thuô ̣c vào hàm lượng cấu tử các
Hình 1.8: Sơ Ďồ cấu tạo một Ďetectơ cộng kết Ďiện tử
Đầu cột Khí makeup Bộ góp Khí makeup Nguồn phóng xạ63Ni Xử lí số liệu
37
chất phân tích Ďi qua và Ďược thể hiê ̣n bằng píc sắc kí Ďược trưng cho chất Ďó trên sắc kí Ďồ [5]. Sơ Ďồ của một Ďetectơ cộng kết Ďiện tử (ECD) Ďược trình bày như ở hình dưới Ďây.
1.1.3.4. Đetectơ khối phổ
* Nguyên tắc hoạt động của đetectơ khối phổ
Đetectơ khối phổ (Mass Spectrometry detector: MSD) là một Ďetectơ vạn năng dùng cho sắc kí khí, vì một chất bất kì nào Ďi qua máy sắc kí khí Ďều Ďược chuyển hoá thành các ion ở trong máy khối phổ. Đồng thời bản chất Ďặc trưng cao của khối phổ Ďồ tạo cho máy phổ khối như một Ďetectơ sắc kí khí Ďặc trưng. Có thể ví dụ sắc kí khí là một máy tách lí tưởng, còn khối phổ là một Ďetectơ tuyệt hảo Ďể nhận biết. Hơn nữa, sắc kí khí vào khối phổ có sự tương thích cao (mẫu Ďều Ďược nghiên cứu ở trạng thái khí, Ďều có Ďộ nhạy cao, tốc Ďộ phân tích tương tự nhau) [5].
Cấu tạo chung của một Ďetectơ MS bao gồm buồng ion hoá, bộ lọc khối và Ďetetơ Ďược Ďặt trong chân không cao khoảng 10-3
-10-4Pa. Chất phân tích sau khi Ďi ra khỏi cột phân tách Ďược dẫn vào buồng ion hoá, từ một sợi kim loại Ďốt nóng các electron sẽ bắn phá các phân tử chất dưới hiệu Ďiện thế
Máy in
GC Nguồn ion
Hê ̣ thống chân không
Bộ phận lọc
khối Detectơ
Bộ phận xử lí số liệu
Đưa mẫu vào trực tiếp
Mẫu
38
khoảng 10-100eV. Các phân tử chất sẽ bị bật ra 1 electron và chuyển thành ion phân tử M+ hoặc cũng có thể các ion phân tử Ďó bị bắn phá tiếp Ďể hình thành các ion nhỏ hơn và các phân tử nhỏ. Tổng các ion và phân tử nhỏ này qua bộ lọc ion Ďể cho các ion Ďi tiếp còn các phân tử nhỏ Ďi ra ngoài theo bơm hút chân không. Sau Ďó các ion này Ďi qua bộ phận phân tách Ďể thu Ďược các mảnh ion có khối lượng (m/z) thích hợp Ďi vào Ďetectơ. Tại Ďetectơ các ion này sẽ gây ra các tín hiệu Ďiện và Ďược khuyếch Ďại, sau Ďó truyền Ďến bộ xử lí số liệu và Ďược in ra dưới dạng sắc kí Ďồ và phổ khối Ďồ.
* Các kiểu hình thành ion
+ Kỹ thuật va đập ion trực tiếp (Electron Impact: EI)
- Nguyên tắc sự hình thành ion phân tử
Khi các phân tử Ďi vào buồng ion hoá, dòng electron liên tục, có hướng xuất phát từ một thanh kim loại Ďốt nóng (filement) va Ďập trực tiếp với phân tử chất. Nhờ có va chạm này mà phân tử ban Ďầu bị mất Ďi một electron và hình thành nên ion phân tử (M+.). Tiếp Ďó các ion phân tử này tiếp tục bị bắn phá bởi các electron tiếp theo Ďể hình thành các mảnh ion dương nhỏ hơn và Ďủ bền Ďể có thể di chuyển Ďến bộ phận thu nhận là Ďetectơ. Mô hình va Ďập ion Ďơn giản Ďể hình thành ion phân tử Ďược mô tả như sau:
M + e- M+. + 2e-
- Đặc Ďiểm của kỹ thuật EI : Là kỹ thuật Ďược sử dụng phổ biến nhất trong GCMS; Nguồn ion hóa mở ; Tạo thành nhiều phân mảnh ion .
+ Kỹ thuật ion hóa hóa học (Chemical Ionization: CI)
- Nguyên tắc sự hình thành ion
Trước tiên, sự ion hoá của khí tác nhân nhờ một dòng electron va Ďập
e- CH 4 +C2H 5 M C2H MH+ 4
Sự ion hoá của khí tác nhân
Phản ứng của ion phân tử
Dạng chung của ion phân tử giả
(Trƣờng hợp khí tác nhân là metan)
39
vào phân tử khí tác nhân Ďể hình thành nên các gốc trung gian. Tiếp Ďó chúng va Ďập với phân tử chất Ďể tách ra một phân tử trung gian và hình thành ion phân tử (MH+). Sau Ďó, chúng di chuyển Ďến Ďetectơ và giá trị mảnh khối mà Ďetectơ nhận Ďược là phân tử khối của chất cộng thêm một. Mô hình hình thành ion phân tử như sau:
- Đặc Ďiểm của kỹ thuậ t CI: Cần phải có khí tác nhân (reagent gas ), thường là khí metan ; Nguồn ion hóa Ďóng ; Ít phân mảnh ion ; Có sự hình thành ion phân tử ; Rất hiê ̣u quả trong viê ̣c xác Ďi ̣nh khối lượng phân tử .
+ Kỹ thuật ion hóa hóa học âm (Negative Chemical Ionization: NCI)
- Nguyên tắc sự hình thành ion: Sự ion hoá các khí tác nhân (như metan) Ďược thực hiện bởi
các dòng electron va Ďập với các phân tử khí tác nhân. Kết quả là sẽ tạo ra các electron mới (có năng lượng thấp hơn các electron ban Ďầu) và các electron mới này sẽ Ďược các phân tử ái Ďiện tử mạnh bắt giữ Ďể hình thnàh nên các ion phân tử âm. Qua một bộ lọc khối các ion phân tử này tiếp tục di chuyển Ďến Ďetectơ và Ďược nhận diện, tín hiệu sau Ďó Ďược khuyếch Ďại bởi một bộ phận xử lí và ghi kết quả. Sự hình thành ion phân tử âm Ďược mô tả như ở hình 1.11.
- Đặc Ďiểm của kỹ thuật NCI : Cần phải có khí tác nhân ; Nguồn ion hóa bán Ďóng; Ít phân mảnh ion ; Có sự hình thành ion phân tử ; Rất nha ̣y cho các phân tử có ái lực electron cao (như các dẫn xuất halogen).