PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây [2.79 MB, 41 trang ]
♣♣♣TÌM HIỂU VỀ PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ♣♣♣
MỤC LỤC
MỤC LỤC.................................................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT CƠ BẢN....................................................................................................3
1. Định nghĩa:........................................................................................................................................3
2. Nguyên lý hoạt động:.......................................................................................................................3
3. Thiết bị:.............................................................................................................................................4
3.1. Nguồn cung cấp khí [Pha động]:..............................................................................................4
3.2. Bộ phận tiêm mẫu:.....................................................................................................................7
3.3. [Cột sắc ký] Pha tĩnh:................................................................................................................8
3.3.1 Cột mao quản [open- tubular or cabillary column]:......................................................8
3.3.2 Cột nhồi [packed column]:..............................................................................................10
3.4. Lò cột [buồng tiêm]..................................................................................................................11
3.4.1 Kỹ thuật tiêm “on-column”.............................................................................................15
3.4.2 Tiêm chia/không chia........................................................................................................15
3.4.3 Hóa hơi chương trình nhiệt độ [kỹ thuật PTV].............................................................17
3.5. Đầu dò [Detector].....................................................................................................................17
3.5.1 Đầu dò dẫn nhiệt [TCD]:.................................................................................................17
3.5.2 Đầu dò ion hóa ngọn lửa [FID]:......................................................................................19
3.5.3 Đầu dò bẫy điện tử [ECD]:..............................................................................................20
3.5.4 Đầu dò quang kế ngọn lửa [FPD]:..................................................................................22
3.5.5 Đầu dò Nitơ – Phospho [NPD]:.......................................................................................23
3.5.6 Đầu dò khối phổ [MS], hay còn gọi là GC-MS:............................................................24
3.5.7 Một số loại khác:...............................................................................................................27
3.6. Thiết bị nhận và phân tích tín hiệu [ghi sắc ký đồ]...............................................................27
4. Chu trình đi của mẫu:...................................................................................................................27
5. Các đại lượng cơ bản trong sắc ký khí........................................................................................28
5.1. Thời gian lưu............................................................................................................................28
5.2. Độ chọn lọc [α].........................................................................................................................29
5.3. Độ phân giải cột [R]................................................................................................................30
5.4. Định lượng hiệu năng cột.......................................................................................................30
5.4.1 Số đĩa lý thuyết n:.............................................................................................................31
6. Một số dạng peak trong sắc ký khí..............................................................................................32
6.1. Dạng đối xứng..........................................................................................................................32
6.2. Dạng không đối xứng..............................................................................................................32
7. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tách pic.............................................................................32
Page. 1/41
♣♣♣TÌM HIỂU VỀ PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ♣♣♣
8. Các kỹ thuật lấy mẫu.....................................................................................................................33
8.1 Lấy mẫu headspace...................................................................................................................33
8.2 Bẫy và thanh lọc........................................................................................................................33
8.3 Giải hấp nhiệt............................................................................................................................33
8.4 Nhiệt phân.................................................................................................................................33
9. Yêu cầu kỹ thuật.............................................................................................................................34
CHƯƠNG 2 – XỬ LÝ DỮ LIỆU..........................................................................................................35
CHƯƠNG 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TRONG SẮC KÝ KHÍ..................................38
1. Phân tích định tính.........................................................................................................................38
2. Phân tích định lượng.....................................................................................................................38
2.1. Phương pháp chuẩn hóa diện tích.........................................................................................39
2.2 Phương pháp tính theo hệ số hiệu chỉnh................................................................................39
2.3. Phương pháp lập đường chuẩn..............................................................................................39
2.4. Phương pháp dùng nội chuẩn................................................................................................39
Page. 2/41
♣♣♣TÌM HIỂU VỀ PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ♣♣♣
CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT CƠ BẢN.
1. Định nghĩa:
Sắc ký khí là một loại sắc ký phổ biến được sử dụng trong hóa học phân tích để tách và
phân tích các hợp chất có thể bị bay hơi mà không bị phân hủy. Các ứng dụng điển hình của
GC bao gồm kiểm tra độ tinh khiết của một chất cụ thể hoặc tách các thành phần khác nhau
của hỗn hợp.
2. Nguyên lý hoạt động:
Sắc ký khí là một phương pháp tách dựa trên sự phân bố khác nhau của các chất giữa hai
pha không trộn lẫn vào nhau, mẫu chứa chất cần phân tích trong “pha động”, thường là dòng
chảy của dung môi, di chuyển qua “pha tĩnh” chứa trong cột. Sắc ký khí được áp dụng để
tách những chất hoặc dẫn xuất của chúng mà có thể hóa hơi ở nhiệt độ phân tích.
Sự ái lực khác nhau của các chất cần phân tích trên pha tĩnh làm chúng di chuyển với
những vận tốc khác nhau trong pha động của hệ thống sắc ký. Các hợp chất ở dạng khí cần
phân tích sẽ tương tác với thành cột – được phủ bởi pha tĩnh, dẫn đến từng hợp chất được
tách ra tại những thời điểm khác nhau – Giống như các vận động viên chạy maratông. Một
cách lý tưởng, mỗi thành phần đi qua hệ thống trong một khoảng thời gian riêng biệt gọi là
thời gian lưu của hợp chất. Khi các chất hóa học đi ra ở cuối cột, sẽ được phát hiện và xác
định bằng điện tử [detector]. Phương pháp sắc ký khí dựa trên cơ chế hấp phụ, phân bố hoặc
loại theo kích thước [dùng rây phân tử].
Hình 1: Mô phỏng quá trình tách chất trong pha tĩnh
Page. 3/41
♣♣♣TÌM HIỂU VỀ PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ♣♣♣
3. Thiết bị:
Hình 2. Hệ thống máy sắc ký khí.
Gồm 6 phần chính: 1] nguồn cung cấp khí và bộ kiểm soát dòng khí.
2] Buồng tiêm [bộ phận tiêm mẫu]
3] cột sắc ký
4] Lò cột [buồng cột, buồng ổn nhiệt].
5] Đầu dò [detertor phát hiện].
6] thiết bị nhận và phân tích tín hiệu [ghi sắc ký đồ].
3.1. Nguồn cung cấp khí [Pha động]:
Khí mang tạo nên pha động trong hệ thống sắc ký khí. Trong suốt quá trình sắc ký, các
phân tử hợp phần từ mẫu trao đổi liên tục giữa pha tĩnh và pha động. Mỗi lần các phân tử này
vào pha khí, chúng được mang đi và bị cuốn về phía đầu dò bởi dòng khí mang. Bởi vì dòng
khí mang là một biến số quan trọng để kiểm soát thời gian lưu của các thành phần có trong
mẫu thử, toàn bộ phép phân tích và thay đổi hoàn toàn thời gian phân tích mẫu thử – khi dòng
khí mang tăng gấp đôi thì thời gian lưu của tất cả các cấu tử trong cột ngắn gấp đôi [từ 10
phút 5 phút] và ngược lại. Khi xây dựng một phương pháp sắc ký mới, người phân tích cần
phải tối ưu dòng khí mang tương ứng với mỗi cột để đạt độ phân giải sắc ký tốt nhất. Tốc độ
dòng khí mang cho độ phân giải tốt nhất có thể được xác định bằng thí nghiệm đơn giản hoặc
theo đồ thị Van-Deeter.
Yêu cầu kỹ thuật Tất cả các khí được dùng trong phân tích sắc ký khí cần phải có độ
tinh khiết rất cao và phải được bắt giữ loại bỏ mức vết của hơi nước, oxy và các hydrocarbon
nhiễm bẩn ra khỏi khí trước khi đi vào thiết bị. Oxy là một chất nhiễm bẩn rất quan trọng cần
Page. 4/41
♣♣♣TÌM HIỂU VỀ PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ♣♣♣
phải được loại bỏ bởi vì nó gia tăng sự hủy hoại cột [phá hỏng cột] và cũng có thể gây ra
những trục trặc với những đầu dò nhạy như đầu dò bắt giữ điện tử [ECD] và đầu dò khối phổ
[MSD]. Các chất nhiễm bẩn có thể được loại bỏ bằng cách cho dòng khí đi qua các ống chất
hấp phụ. Người ta thường dùng các chất hấp phụ có màu để người phân tích có thể dễ dàng
kiểm tra khi chất hấp phụ hết khả năng hấp phụ.
Khí được cung cấp trong các bình khí ở áp suất cao không giống như trong HPLC,
không có yêu cầu cho các bơm để dễ dàng di chuyển pha động qua thiết bị. Áp của bình khí
nén được điều áp chính xác để đảm bảo áp suất không đổi ở đầu cột. Bộ kiểm soát dòng khối
đảm bảo rằng tốc độ dòng khí cài đặt ban đầu luôn không đổi trong suốt quá trình phân tích
và không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ của lò cột. Điều này đảm bảo cho thời gian lưu lặp lại tốt
nhất.
Khuyến nghị:
• Quy định các khí dùng trong phân tích sắc ký khí là trách nhiệm của người sử dụng. Luôn
dùng các khí mang có độ tinh khiết cao, thường là 99.995% hoặc cao hơn và chú ý các
khuyến cáo kỹ thuật của hãng sản xuất thiết bị và nhà cung cấp khí.
• Tuân theo hướng dẫn của hãng sản xuất và nhà cung cấp để lựa chọn hệ thống hiệu quả nhất
nhằm loại bỏ chất nhiễm bẩn từ các khí.
• Kiểm tra thường xuyên đảm bảo các thành phần bẫy khí được sử dụng đang làm việc hiệu
quả và thay thế các ống chất hấp phụ dùng để bẫy các chất nhiễm bẩn bất cứ khi nào cần
thiết.
• Ngăn ngừa không khí đi vào dòng khí của thiết bị bằng cách kiểm tra sự rò rỉ ở tất cả các cổ
nối và điểm nối trong hệ thống chuyển khí. Điều này không chỉ quan trọng khi cài đặt hệ
thống thiết bị ban đầu mà còn cả khi ta thay thế cột hoặc đầu dò.
• Luôn kiểm tra lượng khí dự trữ đủ cho thiết bị chạy qua đêm và những ngày nghỉ cuối tuần
hoặc những ngày lễ.
Pha động [hay là pha chuyển động] thường là một khí trơ như Heli hoặc một khí không
hoạt động như Nitơ, Hydro, argon.
Page. 5/41
♣♣♣TÌM HIỂU VỀ PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ♣♣♣
Hình 3. Bình khí nén và máy sinh khí.
Nguồn cấp khí:
Bình khí nén: khí Ni tơ [pha động], Hydro và không khí [duy trì ngọn lửa của đầu dò
FID]. Nếu không sử dụng đầu dò FID thì không cần sử dụng đến bình Hydro và không khí
Máy sinh khí [sinh ra loại khí cần sử dụng] yêu cầu mức độ tinh khiết cao [99,995%] Sinh
khí Hydro [từ điện giải nước], Sinh khí Ni tơ [từ không khí], sinh không khí.
Yêu cầu pha động:
Không tương tác với chất phân tích [chỉ có nhiệm vụ đem chất phân tích qua cột].
Thích hợp với đầu dò.
Độ tinh khiết cao [ảnh hưởng tới kết quả sắc ký và độ bền thiết bị] ≥ 99,995%
Phù hợp với detector.
Rẻ.
Cho hiệu quả cột là tốt nhất.
Không có CO2, hơi nước, oxy và các khí lạ khác. [để chắc chắn người ta có thể lắp một
thiết bị lọc hơi nước và hơi dung môi của pha động trước khi pha động đi vào thiệt bị GC]
Lưu lượng khí: ổn định và kiểm soát được [ sử dụng van điều áp để đều chỉnh lưu lượng
khí ra khỏi bình chứa].
Lưu lượng khí thông thường ở cột nhồi là 75-100ml/phút, cột mao quản là 1-50
ml/phút.
Page. 6/41
♣♣♣TÌM HIỂU VỀ PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ♣♣♣
Hình 4: Van điều áp, Thiết bị điều chỉnh lưu lượng khí, bộ lọc khí [làm sạch khí,
bẫy khí, hấp phụ CO2, Oxy, Hydrocacbon, halogen, dẫn xuất, hấp thụ nước].
Ảnh hưởng của khí mang:
Khối lượng phân tử: Cao Khuếch tán ít Pic gọn
Thấp độ nhạy cao [đầu dò dẫn nhiệt TCD]
Độ nhớt của khí mang: Tỷ lệ với độ giảm áp suất qua cột, thời gian phân tách, tốc độ
khí mang.
3.2. Bộ phận tiêm mẫu:
Buồng tiêm được gia nhiệt 100-300oC nên bất cứ thành phần mẫu bay hơi nào cũng đều
được chuyển sang thể hơi. Khí mang trộn với phần hơi này của mẫu thử và mang hơi mẫu
vào cột.
Tiêm mẫu trực tiếp: Là kiểu tiêm mẫu thường dùng trừ khi có chỉ dẫn khác. Có thể tiêm
mẫu trực tiếp vào đầu cột bằng bơm tiêm [syringe] hoặc dùng van tiêm mẫu hoặc đưa vào
buồng hóa hơi có thể có gắn thêm bộ chia dòng.
Tiêm pha hơi: Có thể thực hiện bằng hệ thống tiêm mẫu head-space tĩnh hay động.
Hệ thống tiêm mẫu head-space động [kỹ thuật bẫy và làm sạch]: Bao gồm thiết bị
nhúng chìm vào dung dịch cho các chất bay hơi bám vào cột hấp phụ ở nhiệt độ thấp. Các
chất lưu giữ được giải hấp phụ vào pha động bằng cách làm nóng nhanh cột hấp phụ.
Page. 7/41
♣♣♣TÌM HIỂU VỀ PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ♣♣♣
Hệ thống tiêm mẫu head-space, tĩnh: Bao gồm buồng ổn nhiệt mẫu có kiểm soát nhiệt
độ trong đó đặt lọ đựng mẫu chứa mẫu rắn hoặc lỏng trong thời gian cố định để cho các thành
phần bay hơi đạt được trạng thái cân bằng giữa pha hơi và pha lỏng hoặc rắn. Sau khi đạt
được trạng thái cân bằng, một lượng mẫu khí xác định trước được đưa vào máy sắc ký khí.
3.3. [Cột sắc ký] Pha tĩnh:
Cột là một ống gồm 3 lớp: lớp vỏ bảo vệ, ống xung silic và pha tĩnh. Cột đóng vai trò
trực tiếp trong quá trình tách một hợp chất.
Pha tĩnh chứa trong cột có thể là:
Cột mao quản làm bằng silica nung chảy, pha tĩnh phủ trên thành cột.
Cột nhồi chứa hạt chất mang, trơ tấm pha tĩnh lỏng, chứa pha tĩnh rắn.
Bảng 1: Một số pha tĩnh thường dùng [độ phân cực tăng dần].
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Methylsylicone
Methylphenyl [5%] silicone
Methylphenyl [50%] silicone
Methyltrifluoropropyl [50%] silicone
Methylphenyl[25%] cyanopropyl [25%] silicone
Poly [ethylene glycol], m>40000
Cyanopropyl [50%] phenyl silicone
Poly [ethylene glycol] ester hóa với axit 2-nitroterephthalic
Diethylene glycol succinate
Cyanopropyl [100%] silicon
Ethylen glycon succinate
1,2,3- tris[2-cyanoethoxy] propane
Bảng 2. Tính ứng dụng của một số cột pha tĩnh.
Pha tĩnh
Tên thường
dùng
Squalane
OV-1, SE-30
Tính phân cực
Ứng dụng
Không phân cực
Không phân cực
Poly[phenylmethyl
dimethyl] siloxane [10%
phenyl]
Polyethylene glycol
OV-3,SE-52
Hơi phân cực
Carbowax
Phân cực
Poly[phenylmethyl
dimethyl] siloxane [50%
phenyl]
Poly[dicyanoalkyldimethyl
] siloxane
OV-17
Phân cực trung
bình
Các Hydrocarbon
Hydrocarbon, nhân thơm,
dược phẩm, steroid, PCB’s
Axit béo đã ester hóa,
alkaloid, dược phẩm, các hợp
chất halogen hóa
Axit tự do, alcol, ether, tinh
dầu, glycol
Dược phẩm, steriod, thuốc
bảo vệ thực vật, glycol
OV-275
Phân cực cao
Cycloparaffin
Polydimethyl siloxane
Axit béo chưa no nhiều nối
đôi, axit tự do, alcol
3.3.1 Cột mao quản [open- tubular or cabillary column]:
- Có đường kính trong từ 0,1 mm đến 0,53 mm và dải từ 5 m đến 60 m.
Page. 8/41
♣♣♣TÌM HIỂU VỀ PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ♣♣♣
- Pha tĩnh được phủ vào mặt trong của cột bề dày từ 0,1 μm đến 5,0 μm có thể gắn kết
về hóa học vào bề mặt bên trong.
- Thường được làm từ tinh thể Silicat có độ tinh khiết cao.
- Nạp mẫu khó khăn.
- Tỷ lệ dòng pha động có thể lên đến 15ml/phút.
- Cột mao quản được chia làm 2 loại chính:
a] WCOT [ wall coated open tubular]
Tại thành ống mao quản fused silica được phủ trực tiếp một lớp pha tĩnh. Pha tĩnh
thường là một lớp dạng sệt gần như đặc nên đây là dạng sắc ký lỏng- khí.
Nếu lớp pha tĩnh không gắn trực tiếp lên thành cột mà qua lớp trung gian thì đây là cột
SCOT [support coated open tubular].
Bề dày của lớp pha tĩnh này quyết định hệ số lưu giữ và dung lượng mẫu của cột.
Được chia làm 3 loại:
Cột ống hẹp: có đường kính trong từ 0,05-0,1mm thường dùng trong fast –GC
Cột thông thường: có đường kính trong từ 0,18-0,32mm thường được dùng trong các
phép phân tích thông thường hiện nay.
Cột ống rộng: Thường được dùng với các máy GC đang sử dụng cột nhồi do lượng
mẫu và tốc độ dòng khí mang quá lớn.
b] PLOT [ porous layer open tubular]
Tại thành ống mao quản fused silica được phủ một lớp hạt xốp, đồng thời là pha tĩnh.
Bề dày lớp xốp và pha tĩnh khoảng 5-50μm
Đây là loại cột trung gian giữa cột mao quản và cột nhồi. Thường được dùng thay thế
cột nhồi do pha tĩnh giống hệt cột nhồi.
Bảng 3. So sánh số đĩa lý thuyết trên đường kính cột. Chiều dài cột nhồi là 3m, cột
mao quản là 30m.
Properties
Capacity [ng]
He Flow [ml/min]
Plate/m
Total plates
0.18
10-20
0,3
5300
159000
Column ID [mm]
0.25
50-100
0,7
3300
99000
0.53
1000-2000
2,6
1600
48000
2-4
10000
10-60
2500
5000
Page. 9/41
♣♣♣TÌM HIỂU VỀ PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ♣♣♣
Hình 5. Cột mao quản.
3.3.2 Cột nhồi [packed column]:
- Làm bằng thủy tinh hay kim loại [thép không rỉ], thông thường dài từ 1 m đến 3 m,
đường kính trong từ 2 mm đến 4 mm.
- Nạp mẫu đơn giản
- Độ chính xác cao
- Các loại chất được nhồi vào cột: Chất hập phụ [Alumina [Al2O3], Silica [SiO2],
Zeolith, Cacbon, các hợp chất cao phân tử], chất mang.
- Chịu được tỷ lệ dòng từ 10-40ml/phút.
- Các hạt chất mang hình cầu trơ về mặt hóa học được nhồi vào cột. Pha tĩnh được tẩm
lên bề mặt chất mang hay liên kết với bề mặt chất mang [khoảng 30% diện tích].
- Pha tĩnh thường là chất polymer xốp hoặc chất mang rắn phủ pha tĩnh lỏng. Trong
phân tích các hợp chất phân cực ở cột nhồi với pha tĩnh có dung lượng thấp, tính phân cực
thấp, chất mang phải trơ để tránh làm cho pic không đối xứng. Hoạt tính chất mang có thể
được giảm đi bằng cách silan hóa trước khi phủ pha tĩnh lên. Thường dùng diatomit nung, rửa
với acid. Các chất mang thường có các kích thước hạt khác nhau, thường sử dụng nhất các
hạt từ 150 μm đến 180 μm và 125 μm đến 150 μm.
- Có hiệu quả tách thấp do số đĩa lý thuyết thường nhỏ hơn 8000, nhưng vẫn được dùng
thường xuyên cho những mẫu có thành phần đơn giản. Do chúng dễ sản xuất và không chọn
lựa pha tĩnh lớn.
- Nếu cột quá dài gây áp suất đầu cột quá lớn, vì vậy cột không thể dài quá dẫn đến số
đĩa lý thuyết thấp.
- Hiện nay có một số loại cột nhồi mới có đường kính nhỏ [ nhỏ hơn 1mm] cho phép
nâng cao chiều dài cột lên vài chục mét. Thường dùng cho một số ứng dụng đặc biệt mà cột
mao quản không đáp ứng được.
Page. 10/41
♣♣♣TÌM HIỂU VỀ PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ♣♣♣
- Có hệ số lưu giữ cao giúp pic đối xứng ngay cả ở nồng độ lớn và số đĩa lý thuyết hiệu
dụng cao.
- Đường kính cột lớn nên ít chịu ảnh hưởng của tạp.
- Mẫu không đòi hỏi phải tinh chế kỹ.
- Mẫu thường bơm với thể tích lớn nên sai số giữa các lần bơm nhỏ [trường hợp bơm
mẫu bằng tay].
Hình 6. Cột nhồi và cột mao quản.
-Để nâng cao hiệu suất tách có thể:
- Lựa chọn pha tĩnh, chiều dài cột, đường kính cột... phù hợp với lượng mẫu, loại mẫu,
lựa chọn phương pháp, nhiệt độ phù hợp.
- Ghép nối hai hay nhiều cột có pha tĩnh khác nhau [với những mẫu có thành phần phức
tạp]. Những cột có đường kính không khác nhau nhiều có thể kết nối với nhau. Nếu kết nối
với van chuyển cột tự động cho phép chuyển cột tự động trong quá trình phân tích.
3.4. Lò cột [buồng tiêm].
Buồng tiêm và Detector được nối với nhau bởi cột sắc ký, cột sắc ký được chứa trong
buồng cột. Buồng cột có tác dụng chứa cột sắc ký, điều chỉnh nhiệt độ và ổn định nhiệt độ.
Cột sẽ không thể tự tăng nhiệt độ trong quá trính phân tích nên buồng cột có nhiệm vụ chính
đó là tăng nhiệt và ổn định nhiệt.
Chức năng của buồng tiêm là đưa phần mẫu đại diện như một dải hẹp vào cột sắc ký.
Vì hầu hết các mẫu được phân tích bằng sắc ký khí ở dạng lỏng nên đặc điểm thiết yếu của
giai đoạn tiêm là mẫu và dung môi được bốc hơi trước khi đạt tới cột. Để thực hiện thành
công, các buồng tiêm được trang bị bộ gia nhiệt có thể kiểm soát được để kiểm soát nhiệt độ
của vùng buồng tiêm tới giá trị cài đặt trước.
Page. 11/41
♣♣♣TÌM HIỂU VỀ PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ♣♣♣
Hình 7 - Sơ đồ buồng tiêm cột nhồi
Một trong những buồng tiêm đầu tiên đơn giản nhất được phát triển cho hệ thống cột
nhồi được minh họa như trong hình 7.
Mẫu được tiêm trực tiếp qua vách ngăn [septum] vào trên nút chận bông thủy tinh nằm
tại đầu cột. Vùng cột này ở nhiệt độ cao và ngay tại thời điểm tiêm, mẫu được bốc hơi nhanh
chóng chuyển vào pha hơi và được dòng khí mang đẩy đi xuống về hướng cột phân tích.
Mục tiêu của lò cột là duy trì cột sắc ký tại nhiệt độ cài đặt trong suốt quá trình phân
tích.
Có 2 kiểu hoạt động chính:
- Đẳng nhiệt: Lò cột được giữ tại một nhiệt độ không đổi trong suốt thời gian giải hấp
mẫu.
- Không đẳng nhiệt [chương trình nhiệt]: Bộ gia nhiệt lò cột có quạt có thể lập trình cho
phép nhiệt độ lò cột được gia tăng hoặc theo bậc ở tốc độ có thể kiểm soát từng phần hoặc
toàn bộ chu trình giải hấp.
- Chương trình nhiệt có thể kết hợp chặt chẽ một vài bước đẳng nhiệt và tăng nhiệt và
kỹ thuật chương trình nhiệt thường được dùng để đạt độ tách tốt như minh họa ở hình 12.
Page. 12/41
♣♣♣TÌM HIỂU VỀ PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ♣♣♣
Hình 8 - Sắc đồ tiêu biểu cho các kiểu nhiệt độ lò cột khác nhau
Các sắc đồ ở hình 8 minh họa những hạn chế của phép phân tích đẳng nhiệt khi nhiệt
độ quá cao hoặc quá thấp:
Quá thấp: Các mũi xấu, những pic hòa tan đầu tiên sẽ có khoảng cách rất gần nhau,
trong khi đó các cấu tử bị lưu giữ mạnh sẽ có các pic bị roãng rộng và nằm thấp và thời gian
lưu quá dài.
Quá cao: Độ phân giải kém các cấu tử có điểm sôi cao sẽ rửa giải nhanh và có độ phân
giải tốt nhưng các cấu tử có điểm sôi thấp thì bị tách chậm, độ phân giải kém thậm trí có
nhiều pic trồng lên nhau và các cấu tử có thể bị phân hủy bởi nhiệt.
Sắc đồ thứ 3, hình 8c cho thấy các vấn đề này có thể vượt qua bằng chương trình nhiệt
như thế nào, tám cấu tử trong hỗn hợp được giải hấp với thời gian thỏa đáng và độ phân giải
phù hợp. Tất cả các mũi có dạng tương tự nhau và cùng khả năng phát hiện. Vì nhiệt độ ảnh
hưởng mạnh tới thời gian lưu và dạng mũi nên tất cả nhiệt độ cài đặt phải chính xác và tái
hiện được. Ở đây nhiệt độ của cột trong lò được tăng dần tại một tốc độ tuyến tính suốt quá
trình phân tích.
Ưu điểm của chương trình nhiệt:
- Nó làm giảm thời gian tiến hành phân tích và cải thiện khả năng dò tìm của các cấu tử
[pic sẽ nhọn hơn và có các dải cách đều nhau trong cả sắc ký đồ].
Page. 13/41
♣♣♣TÌM HIỂU VỀ PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ♣♣♣
- Trong trường hợp các pic không biết thành phần hoặc mẫu phức tạp, những cấu tử có
nhiệt độ sôi cao nếu ở điều kiện đẳng nhiệt có thể không rửa giải được hoặc không thể dò tìm,
thì có thể thể hiện một thời gian lưu giữ thích hợp hơn.
- Có thể rửa giải được cột bị nhiễm bẩn các cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong những lần
tiêm trước.
- Thường thiết lập nhiệt nhiệt độ cột tách tương ứng với nhiệt độ của cấu tử có nhiệt độ
sôi thấp nhất, thích hợp là dưới 90oC. Sau đó nhiệt độ được nâng lên theo tốc độ chọn trước
cho đến nhiệt độ cuối cùng tương ứng với nhiệt độ của cấu tử có điểm sôi cao nhất. Khi nhiệt
độ của cột tăng lên thì các cấu tử sẽ lần lượt tách khỏi cột vào thời điểm nhiệt độ của cột đạt
đến nhiệt độ sôi của từng cấu tử.
Hình 9: Các kiểu chương trình nhiệt sử dụng trong sắc ký khí
A: Kiểu đường đạn: khi 1 lò [oven] được duy trì tại một nhiệt độ nhanh chóng thay đổi
đến 1 nhiệt độ cao hơn. Ứng dụng được sử dụng để điều kiện hóa cột sắc ký rắn sau khi nó sử
dụng đươc 1 thời gian dài. Tuy nhiên cách này có thể phá hủy lớp phim pha tĩnh do bị sốc
nhiệt.
B: kiểu tuyến tính: Bắt đầu từ nhiệt độ thấp và duy trì đẳng nhiệt trong một thời gian
nào đó. Nhiệt độ ban đầu và tốc độ tăng tuyến tính đến một nhiệt độ cuối cùng được chọn
sẵn. Nhiệt độ cuối cùng này được duy trì trong một thời gian cụ thể nào đó. Điều kiện ban
đầu thích hợp cho việc tách các chất có độ sôi thấp, nhiệt độ cuối cùng được lựa chọn nên đủ
lớn để rửa giải các cấu tử được lưu giữ mạnh [lưu ý giới hạn nhiệt độ cao nhất của pha tĩnh].
- Cần tránh tăng nhiệt độ quá cao để ngăn sự phân hủy nhiệt của chất phân tích và pha
tĩnh.
Page. 14/41
♣♣♣TÌM HIỂU VỀ PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ♣♣♣
Yêu cầu kỹ thuật
Các thông số đặc trưng của thiết bị: Đối lưu lò cột. Dải nhiệt độ có thể kiểm soát từ
nhiệt độ phòng lên khoảng 500o C với độ chính xác ± 0,5o C.
Tốc độ tăng nhiệt trong dải từ 0,50 C/phút tới 300 C/phút. Cài đặt gia nhiệt nhanh
khoảng 1800 C/phút để dùng với cột hoặc các kỹ thuật tiêm đặc biệt.
Khuyến nghị
• Đặt tốc độ dòng tối ưu và nhiệt độ tối ưu cho các chất giải hấp trước rồi dùng tăng bậc
nhiệt độ [ramp] để giảm thời gian giải hấp và cải tiến hình dạng của các mũi ra sau.
• Tăng nhiệt độ tới giá trị cao ở cuối chương trình nhiệt để đảm bảo tất cả các mũi ra
sau [do dịch chiết hoặc nền chứa các chất có nhiệt độ sôi cao] được giải hấp trước khi mẫu kế
tiếp được tiêm.
• Nhiệt độ cột tối đa phải nằm trong nhiệt độ giới hạn của pha tĩnh và thường ở khoảng
250 C thấp hơn nhiệt độ đầu dò .
3.4.1 Kỹ thuật tiêm “on-column”
Thiết kế buồng tiêm cột nhồi là một ví dụ của tiêm “on-column”, ở đây toàn bộ mẫu đi
qua cột sắc ký. Tiêm “on-column” cũng có thể thực hiện với cột mao quản nhưng ở đây mẫu
thường được tiêm vào cột lạnh. Sau đó, chương trình nhiệt độ được kích hoạt để tạo điều kiện
thuận lợi cho quá trình tách và giải hấp các thành phần của mẫu. Kỹ thuật “on-column” lạnh
này phù hợp nhất cho các mẫu chứa các thành phần không bền hoặc các thành phần có dải
bốc hơi rộng. Để tránh hiện tượng quá tải và hình thành giọt nhỏ ở đầu cột mao quản, thể tích
tiêm thường được giữ khá nhỏ [0,3 µl]. Do vậy giới hạn phát hiện thường tương đối cao và
kỹ thuật này không thích hợp cho phân tích vết. Với kỹ thuật tiêm này có thể dùng để định
lượng.
3.4.2 Tiêm chia/không chia.
Đây là hệ thống buồng tiêm phổ biến dùng với các cột mao quản và có hai kiểu vận
hành, chia và không chia.
- Kiểu chia: Thích hợp cho các mẫu có các cấu tử phân tích có nồng độ lớn hơn 0,1%
mẫu. Với các phân tích có độ phân giải cao, các kết quả tốt nhất cho lượng nhỏ nhất của mẫu
[ Cl > F và có khuynh hướng tăng theo số và vị trí halogen được thay thế trong hợp chất
như bảng dưới.
Đầu dò này rất thuận lợi để phân tích các độc chất môi trường như các hợp chất
halogen bay hơi trong nước và các mẫu chứa PCBs, dioxin và các thuốc trừ sâu họ clo hữu
cơ. Đầu dò bắt giữ điện tử cũng có những ứng dụng trong một số lĩnh vực khác nhưng người
Page. 21/41
♣♣♣TÌM HIỂU VỀ PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ♣♣♣
phân tích phải tạo dẫn suất để dễ dàng phân tích hợp chất. Tạo dẫn suất halogen có thể nâng
cao khả năng phát hiện cho hợp chất khi dùng GC-ECD để phân tích và đôi khi đồng thời
tăng độ chọn lọc phân tích hợp chất
3.5.4 Đầu dò quang kế ngọn lửa [FPD]:
Nguyên tắc hoạt động:
Dựa vào sự phát xạ cực đại các tia sáng đặc trưng cho lưu huỳnh [λ = 394 nm] và
Phốtpho [λ = 526 nm] với các hợp chất chứa hai nguyên tố này trong phân tử. Khi các hợp
chất trong phân tử có chứa lưu huỳnh hoặc phốtpho được đốt cháy trong ngọn lửa, chúng sẽ
tạo thành S2 hoặc HPO. Trong điều kiện ngọn lửa, S2 cho phát xạ cực đại quanh vùng 394
nm và HPO phát xạ quanh 526 nm. Các bước sóng phát xạ cực đại tương ứng của lưu huỳnh
và phốtpho được đo bằng một ống nhân quang, chuyển qua tín hiệu điện và được xử lý thành
mũi tương ứng trên sắc ký đồ.
Tính chất
Các tính chất của đầu dò quang hóa ngọn lửa có thể được tóm tắt như sau:
a] FPD là một đầu dò chọn lọc cho lưu huỳnh và phốtpho. Như vậy nó chọn lọc với các
hợp chất trong phân tử có chứa lưu huỳnh và phốtpho.
b] Độ chọn lọc của FPD cho lưu huỳnh và phốtpho trên các hyđrô cacbon từ khoảng
104 -105 . c] Độ chọn lọc cho phốtpho trên lưu huỳnh khoảng 5-10 do đó ta có thể phát hiện
nồng độ cao của các hợp chất chứa lưu huỳnh ở chế độ phốtpho.
d] Độ chọn lọc của lưu huỳnh trên phốtpho là 103 -104 do đó không có sự cản trở của
các hợp chất chứa phốtpho khi phân tích ở chế độ lưu huỳnh.
e] Lượng phát hiện nhỏ nhất cho các hợp chất chứa lưu huỳnh là 10-100 ng và 1-10 pg
cho các hợp chất chứa phốtpho.
f] Ở nhiệt độ thấp hơn, độ chọn lọc của đầu dò tăng song nguy cơ nhiễm bẩn đầu dò
cao.
g] Độ nhạy của đầu dò bị ảnh hưởng bởi tốc độ dòng khí hyđrô, không khí hoặc dòng
khí bổ trợ.
h] Khoảng tuyến tính của FPD cho phốtpho là 103 -105 . Tín hiệu của FPD cho lưu
huỳnh thường không tuyến tính, một số tác giả báo cáo dải tuyến tính 102 -103 song tín hiệu
bị lệ thuộc rất lớn vào các điều kiện vận hành, kiểu đầu dò và hợp chất cụ thể. Các đặc điểm
này làm cho đầu dò FPD được xem là đầu dò rất chọn lọc khi phân tích các hợp chất trong
phân tử có chứa lưu huỳnh và phốtpho. FPD được dùng khi yêu cầu phân tích ở hàm lượng
rất nhỏ các hợp chất có chứa lưu huỳnh và phốtpho.
Page. 22/41
♣♣♣TÌM HIỂU VỀ PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ♣♣♣
Hình 14 - Cấu tạo đầu dò quang hóa ngọn lửa
3.5.5 Đầu dò Nitơ – Phospho [NPD]:
là một dạng đầu dò nhiệt điện tử trong đó Nitơ và Phospho làm thay đổi chức năng làm
việc trên một lớp được bao bằng cuộn sinh nhiệt đặc biệt làm phát sinh ra dòng điện đo đạc
được.
Hình 15 - Cấu tạo đầu dò Nitơ - Phốtpho
Nguyên tắc hoạt động:
Page. 23/41
♣♣♣TÌM HIỂU VỀ PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ♣♣♣
Dựa vào một dòng nhỏ sinh ra bởi sự di chuyển của các ion đặc biệt từ plasma đến một
bộ góp tích điện, các ion này được sinh ra do các hợp chất trong phân tử có chứa nitơ hoặc
phốtpho phản ứng ở lớp viền khí xung quanh bề mặt bi rubidium. Sau đó, dòng điện này
được đo và chuyển thành tín hiệu của đầu dò. Trong đầu dò NPD, bộ góp và vòi phun được
áp một thế. Bi rubidium được áp một dòng điện để nung nóng từ khoảng 600oC-800oC tạo
nên một plasma. Vùng plasma này được nuôi bởi dòng hyđrô và không khí, tốc độ dòng khí
hyđrô khoảng 2-6 mL/phút và với không khí khoảng 60-200 mL/phút.
Tính chất:
a] NPD bị ảnh hưởng rất lớn bởi nhiệt độ, nên NPD thường được vận hành ở khoảng
275oC-325oC.
b] Độ chọn lọc của NPD cho nitơ trên cacbon là 103 -105 và cho phốtpho trên cacbon
là 104 -105,5 .
c] Có thể phát hiện các hợp chất chứa phốtpho ở mức 0,1-5pg và 0,5-1pg cho các hợp
chất chứa nitơ.
d] Độ nhạy phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc của hợp chất, tốc độ dòng khí và nhiệt độ
của đầu dò.
e] Dải tuyến tính của đầu dò NPD khoảng 104 -105 . Dải này phụ thuộc vào hợp chất
được phân tích, dòng khí và nhiệt độ đầu dò.
f] Đối với các hợp chất trong phân tử có chứa nitơ và phốpho, độ nhạy của NPD gấp
FID khoảng 10 000 lần.
g] Một tính chất nữa là không tạo thành ngọn lửa trong đầu dò NPD, do đó quá trình
ion hóa hyđrô cacbon không xảy ra như trong đầu dò FID.
Vậy NPD rất chọn lọc cho các hợp chất có chứa nitơ hoặc phốtpho nhưng cho tín hiệu
rất kém với các hợp chất khác như hyđrô cacbon.
3.5.6 Đầu dò khối phổ [MS], hay còn gọi là GC-MS:
Có độ nhạy và hiệu quả cao kể cả đối với lượng mẫu nhỏ.
Quang phổ khối lượng độ phân giải cao là một kỹ thuật thiết yếu và rất mạnh trong hóa
học phân tích, nó đã được dùng trong 4 thập niên qua. Đối với các phép phân tích hữu cơ,
thiết bị thường được kết nối với sắc ký khí. Chỉ qua việc phát triển các thiết bị hàng đầu dựa
trên bẫy ion mà các khối phổ kế nhỏ mới, độ phân giải thấp đã trở nên như một đầu dò dùng
cho sắc ký khí.
Nguyên tắc hoạt động
Page. 24/41
♣♣♣TÌM HIỂU VỀ PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ♣♣♣
Nguyên tắc chung là mẫu được ion hóa tạo thành ion. Sau đó, ion có cùng giá trị m/z
được tách và đi đến bộ ghi chuyển thành tín hiệu dưới dạng độ giàu của ion theo m/z. Như
vậy, ứng tại một thời điểm cố định ta sẽ thu được một mũi chứa nhiều ion có m/z khác nhau
và mũi này tạo nên phổ toàn ion [TIC] trong quang phổ khối lượng.
Hình 16- Sơ đồ đầu dò bẫy ion
Các phân tử khí mang được tách bởi giao diện sao cho chủ yếu chỉ các phân tử cần chất
phân tích vào quang phổ kế khối lượng. Khi các phân tử chất tan vào bẫy, dây tóc [filament]
được bật tạo dòng điện tử năng lượng cao ion hóa các phân tử chất tan. Năng lượng của các
điện tử được kiểm soát bởi chùm điện tử năng lượng cao 70eV tạo thành các ion [thường là
các ion dương M+ ] theo phương trình tổng quát: Sự ion hóa chỉ cần năng lượng khoảng 20
eV. Do đó, năng lượng dư tiếp tục truyền cho ion phân tử M+* gây nên sự phân mảnh cho tới
khi năng lượng cung cấp vào tiêu tốn hết như trong sơ đồ sau: Tùy theo kỹ thuật ion hóa, chất
cần phân tích phân mảnh theo các kiểu mẫu có thể dự đoán được. Kích thước và độ giàu của
các mảnh ion này đặc trưng cho chất phân tích vào bẫy và cho phổ đồ khối lượng đặc trưng.
M + e- M+* + 2e- M+* B+ A+ C+ D+ E+ F+ G+ H+
Ban đầu các ion được giữ trong bẫy bằng cách áp vào các điện cực trong bẫy một điện
áp có tần số vô tuyến tương ứng gọi là tần số lưu. Trong suốt giai đoạn tách, trường này được
tăng bậc nhanh chóng. Gia tăng trường làm cho các ion trở nên không ổn định và được đẩy
Page. 25/41