NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ DETECTOR TRONG SẮC KÝ LỎNG VÀ KHÍ pot

Detector có nhiệm vụ chuyển hóa một đại lượng không điện trong trường hợpnày là nồng độ của các chất được tách khỏi cột sắc ký thành đại lượng điện và có chức năng phát hiện và đo độ lớn

BỘ CÔNG NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

Tháng 10/2006

Mục lục

Giới thiệu về phương pháp sắc ký……… 1

1 Nguyên lý hoạt động của một số detector trong sắc ký khí……… 1

1.1 Dectector dẫn nhiệt (thermal conductivity dectector)……… 3

1.2 Detector ion hóa ngọn lửa (flame-ionization detector)………4

1.3 Detector cộng kết điện tử (electron capture dtector):……… 6

1.4 Detector phát xạ nguyên tử (atomic-emission detector):……… 9

1.5 Detector quang kế ngọn lửa (flame photometric GC detector)………9

1.6 Detector quang hóa ion (photoionization detector):……… 11

1.8 Chemiluminescence Spectroscopy:……… 12

2 Nguyên lý hoạt động của một sô detector trong sắc ký lỏng:……… 13

2.1 Nguyên lý hoạt động của một sô detector trong sắc ký lỏng:……… 13

2.2 The refractive index detector : đầu dò chiết suất RI……… 14

2.3 Máy dò huỳnh quang ……….15

2.4 Máy dò UV:………16

3 Các thông số quan trọng của detector:……… 17

GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ VÀ ĐẦU DÒ DETECTOR

Sắc ký là phương pháp tách, phân li, phân tích, các chất dựa vào sự phân

bố khác nhau giữa pha động và pha tĩnh

Khi tiếp xúc với pha tĩnh các cấu tử của hỗn hợp sẽ phân bố giữa pha

động và pha tĩnh tương ứng với tính chất của chúng (tính bị hấp phụ, tính tan )

Trong các hệ thống sắc ký chỉ có các phân tử pha động mới chuyển động dọctheo hệ sắc ký Các chất khác nhau sẽ có ái lực khác nhau với pha động và phatĩnh Trong quá trình pha động chuyển động dọc theo hệ sắc ký các chất có ái lựclớn với pha tĩnh sẽ chuyển động chậm hơn qua hệ thống sắc ký so với các chất có

ái lực yếu hơn so với pha này

Trong phương pháp phân tích sắc ký phải qua nhiều quy trình phân tích

Trong đó thì detector là một trong những bộ phận quan trọng

Detector có nhiệm vụ chuyển hóa một đại lượng không điện (trong trường hợpnày là nồng độ của các chất được tách khỏi cột sắc ký) thành đại lượng điện và

có chức năng phát hiện và đo độ lớn của các cấu tử khi ra khỏi cột sắc ký Vì vậydetector quyết định một phần độ chính xác cũng như độ nhạy của phương pháp

Nguyên tắc hoạt động của các detector là dựa vào tính chất vật lí của cáccấu tử như: tính chất hấp thụ và phát xạ ánh sáng, tính phân cực, tính khúc xạ,tính dẫn điện, dẫn nhiệt, khối lượng riêng…

1 Nguyên lý hoạt động của một số detector trong sắc ký khí:

In Computer Bơm mẫu

Lò cộtDetector

Detector Giới hạn phát

hiện

Khỏang tuyếntính

Độ nhạy A.s/g Áp dụng cho

Dẫn

nhiệt(TCD)

chất khônglàm hỏng dâynung

với benzen

Sắc ký quátrìnhKiểu nhiệt

nhóm CH2Cộng kết điện

trừ sâu, diệt

cỏ, hợp chấtchứa nitơ, hợpchất dị

nguyênQuang kế

1:1031:1051:106

1,5115

Dựa trên nguyên tắc cầu Wheatstone, đôi khi còn được gọi là Katharometer.

Các điện trở của cầu bằng kim loại trơ, có độ dẫn nhiệt tốt, như: vàng, bạch

kim, tungsteng Cấu tử mẩu ra khỏi cột, đi vào một nhánh của cột Khi có sựhiện diện của mẫu làm thay đổi nhiệt độ Nhiệt độ của nó phụ thuộc vào độdẫn nhiệt của chất khí bao quanh nó Khi các phân tử hữu cơ thay thế chất khímang thì tính đãn nhiệt của nó thay đổi do nhiệt độ trong các cấu tử tăng lên

sẽ dẫn đến sự thay đổi trong điện trở Dựa trên sự thay đổi điện trở của cầu,gây sự mất cân bằng trong mạch, tạo một tín hiệu dưới dạng mũi sắc ký Khimẫu ra khỏi cột tín hiệu biến mất

Detector TCD có thể thiết kế theo một số kiểu khác nhau Trong đó có bakiểu thường gặp là: tế bào dòng chảy, tế bào bán khuếch tán và tế bào khuếchtán

A-kiểu tế bào dòng chảy

B-kiểu tế bào bán khuếch tán

C-kiểu tế bào khuếch tán

Loại A ít nhạy hơn cả, thời gian đáp ứng lâu, chỉ thích hợp cho sắc ký điềuchế Loại B, với thể tích tối thiểu 100µl được sử dụng phổ biến cho sắc ký cộtnhồi Còn loại C với giới hạn phát hiện 10-100µl có thể sử dụng cho sắc kýmao quản cột hở.

Độ nhạy của detector TCD phụ thuộc vào hai yếu tố sau:

- Khả năng dẫn nhiệt của khí mang (các khí mang có độ dẫn nhiệt tốt như

hydro, heli thường được ưu tiên sử dụng)

- Độ nhạy tỷ lệ với dòng nuôi cầu Cần lưu ý rằng dòng điện này điều chỉnh

tùy thuộc vào loại và lưu lượng khí mang, nhiệt độ detector và nhiệt độcột tách

Với detector này, diện tích của các pic không chỉ phụ thuộc vào hàm lượngthể tích mà còn phụ thuộc vào sự chênh lệch giữa độ dẫn nhiệt của cấu tử vàcủa khí mang Điều này lý giải tại sao phải dùng hệ số hiệu chỉnh trong phân

tích định lượng

Đặc điểm:

Đơn giản, dùng được các mẫu hữu cơ và vô cơ, không phân hủy mẫu

Thời gian cho tín hiệu lớn và kém nhạy

1.2 Detector ion hóa ngọn lửa (flame-ionization detector):

Cách điện

Detector FID là một trong những detector có độ nhạy cao Nguyên tắc làmviệc của nó dựa trên sự biến đổi độ dẫn điện của ngọn lửa của hydro đặt trongmột điện trường khi có chất hữu cơ cần tách chuyển qua Nhờ nhiệt độ caocủa ngọn lửa hydro, các chất hữu cơ từ cột tách đi vào detector bị bẻ gãymạch, bị ion hóa nhờ có oxy của không khí để tạo thành các ion trái dấu

tương ứng Cơ chế tạo thành ion trong trường hợp benzen như sau:

C6H6 6CH

6CH + 3O2 6CHO+ + 6e

Các ion tạo thành được chuyển về các bản điện cực trái dấu nằm ở hai phíacủa ngọn lửa (thế hiệu giữa hai bản điện cực này khỏang 250-300V)

Dòng ion đưộc giảm áp trên một điện trở có chỉ số rất cao (108-1012Ω) và độ

giảm hiệu điện thế này được khuếch đại và ghi lại trên máy tự ghi Số lượngcủa ion tạo thành (chính là độ nhạy của detector) phụ thuộc vào các yếu tốsau:

- Cấu trúc hình học của detector

- Tỷ lệ thành phần của hydro/không khí

- Nhiệt độ của ngọn lửa

- Cấu trúc của các phần tử mẫu cần xác định

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của detector ion hóa ngọn lửa (FID)

Các hợp chất hữu cơ được đốt cháy bằng ngọn lửa hydro/không khí tạo thànhcác ion Khí mang từ cột sẽ được được trộn trước với hydro và đốt cháy bằngngọn lửa ở buồng đốt Một điện cực hình trụ đựợc đặt cách vài mm phía trênngọn lửa để thu thập các ion sinh ra Dòng ion này sẽ được đo bằng cách đặtmột điện thế giữa đầu phun của ngọn kửa và điện hình trụ để hạn chế đếnmức tối đa sự tái kết hợp của các ion, phải đặt điện thế chọn lọc vào vùng bảohòa (vùng mà khi tăng điện thế sẽ không làm tăng dòng ion) các tính hiệu tạothành sẽ được khuếch đại bằng bộ khếch đại điện tử rồi qua bộ sử lý và ghitính hiệu.

Đặc điểm:

Không bị ảnh hưởng bởi vận tốc khí mang

Thời gian chi tín hiệu nhỏ hơn 0,1giây và có độ nhạy gấp 1000 detector TCDGiới hạn phát hiện dưới 10-12g/s

Tuy nhiên cũng có những điểm bất lợi là phải dùng thêm hệ thống khí đốt,

ngoài khí mang không được dùng khi mẫu có các khí như: SO2, CO2,

H2O,NOx Ngoài ra cấu tử mẫu bị phân hủy trong ngọn lửa nên không thểdùng trong trường hợp muốn cho cấu tử qua tiếp một thiết bị phân tích khác(thí dụ máy hồng ngoại)

Chỉ đáp ứng với các hợp chất hữu cơ, không có đáp ứng đối với các khí bền

và nước

Độ ổn định cao ít bị ảnh hưởng tới sự thay đổi nhiệt độ và tốc độ dòng

Khỏang động học từ 106-107

Nhiệt độ làm việc tới 4000C

Phân hủy chất đòi hỏi 3 khí: khí mang, hydro, oxi

1.3 Detector cộng kết điện tử (electron capture dtector):

ECD sử dụng hoạt độ phóng xạ β phóng ra để ion hóa các khí mang và phátsinh ra dòng điện ở giữa cặp điện cực khi những phân tử hữu cơ có chứa

nhóm electron mang điện tích như: halogen, photpho và nhóm nitro đi qua

detector, detector giữa lại một vài electron và làm biến đổi số đo của dòng

điện giữa các điện cực

Detector gồm có điện trường, bên trong có nguồn phát tia β (do Ni63, được

phủ bên ngoài tấm bạch kim hay titan), khí mang được dùng là Ar Điện tử sơcấp của tia β sẽ ion hóa phân tử khí mang làm bắn ra điện tử thứ cấp, tạo dòng

điện trong điện trường, phản ứng dây chuyền xảy ra Khi có sự hiện diện của

mẫu, thường là chất có độ âm điện cao, sẽ nhận điện tử thứ cấp, làm giảm

cường độ dòng điện, tương ứng với sự xuất hiện mũi sắc kí

Detector hoạt động dựa trên đặt tính của các chất có khả năng cột kết các điện

tử tự do trong pha khí (trừ trường ngoại lệ của các khí trơ) khả năng cộng kết

điện tử lớn hay nhỏ là phụ thuộc vào các hợp chất cần được phát hiện Khảnăng đó tương đối nhỏ đối với các hợp chất hdrocacbon no Ngược lại, khi

các hợp chất có chứa các nhóm chức hoặc đa liên kết (đôi hoặc ba) thì khả

năng các điện tử sẽ tăng hẳn lên Đặc biệt là nếu trong phân tử của hợp chất

này có chứa các nguyên tử halogen (Cl, Br….) Bởi vậy, độ nhạy phát hiệncủa detector ECD rất đặc thù cho các nhóm chức và có thể dao động trongphạm vi khá rộng (1-106)

Bộ phận chính của detector ECD là một buồng ion Tại đây diễn ra quá trìnhion hóa, bắt giữa điện tử và tái kết hợp

M: là phân tử khí mang, EC: và phân tử của chất có khả năng bắt giữ điện tử.Cũng chính vì khả năng bắt giữ điện tử (electron-capture) mà detector còn

được gọi là detector bắt giữ điện tử

* Quá trình ion hóa: một nguồn tia phóng xạ được lắp sẵn trong detector, phát

ra một chùm tia β- với tốc độ 108-109 hạt/s Các hạt β- này sẽ ion hóa phân tửkhí mang (M) tạo ra các ion dương của phân tử khí mang và điện tử tự do sơcấp (e-) So với các điện tử của chùm tia β- các điện tử tự do này chậm hơn

hẳn Chúng được gia tốc nhờ một điện trường và được chuyển dịch về phíaanôt Tại đây chúng bị lấymất điện tích và qua đó cho dòng điện nền củadetector

* Quá trinh công kết điện tử các nguyên tử hoặc là phân tử của các chất (EC),sau khi rời bỏ cột tách, được đưa thẳng vào buồng ion cùng với khí mang.Tùy theo ái lực điện tử của các phân tử này, các điện tử tự do sơ cấp nói trên

sẽ bị các phân tử đó bắt giữ và do vậy tạo ra các ion âm

* Quá trình tái kết hợp: các ion âm được tạo ra như vậy sẽ kết hợp với các ion

dương của phân tử khí mang để tạo thành các phân tử trung hòa

Như vậy do khả năng cột kết điện tử của chất cần phân tích, điện tử bị lấymất

khỏi hệ và dòng điện nền bị giảm đi so với lúc chỉ có khí mang tinh khiết điqua detector Mức độ suygiảm của dòng điện nền trong thời điểm có chất đi

qua được thể hiện bằng pic sắc ký của chất đó

Độ nhạy của detector ECD phụ thuộc vào :

- Độ lớn của dòng điện nền

- Mức năng lượng ái điện tử của chất cần phát hiện

- Bản chất của khí mang

- Điện thế được đặt vầo detector

Rõ ràng những chất có ái lực điện tử cao sẽ cho các tính hiệu mạnh, để tạo ra

các điện thế cần thiết cho quá trình vận chuyển ion, có thể đặt vào detector

thế một chiều không đổi hoặc là thế một chiều dưới dạng xung Trong trường

hợp sử dụng thế một chiều không đổi, vùng làm việc tối ưu của điện thế đặt

vào detector phụ thuộc vào bản chất của chất nghiên cứu và nhiệt độ của

detector các giá trị này thường dao động giữ 1-30V ngược lại, nếu sử dụng

điện thế dạng xung khỏang làm việc tối ưu của detector sẽ không phụ thuộc

vào bản chất của chất nghiên cứu, mà chỉ phụ thuộc khỏang cách giữ các

xung trong một điều kiện nhất định Thông thường sử dụng thé hiệu một

chiều gián đọan khỏang 50V, với độ dài xung từ 0,75-3µs và khỏang cách giữ

hai xung 5-200 µs

Đặc điểm:

Độ nhạy cao, nhất là khi mẫu thuộc các nhóm chức: halogenua, peroxid,

quinon, nitro…Đặc biệt dùng phân tích thuốc sát trùng

Nhưng để độ nhạy cao, phải dùng khí Ar (giá trị cao), vì N2 có độ liên kết khá

bền nên khó tạo điện tử thứ cấp

1.4 Detector phát xạ nguyên tử (atomic-emission detector):

Một trong những bổ sung mới nhất cho máy sắc kí khí là detector phát xạnguyên tử (AED) Detector này khá đắt tiền so với detector GC nhưng nó cóthế mạnh không thể thay thế được Thật vậy, thay vì đo đơn giản pha khí cungcấp ( chứa cacbon) để tạo ra các ion trong ngọn lửa bằng detector ion hóangọn lửa AED có thể thay đổi nền hiện tại vì sự bắt phần tử không phải điện

tử của những điện tử nhiệt với electron bắt điện tử AED có nhiều tính khó

dùng hơn bởi vì nó dựa vào sự dò tìm của những phát xạ nguyên tử

Đây là loại hiện đại Cấu tử ra khỏi cột được đưa qua trường plasma (tạo bởiheli) có năng lượng của bức xạ vùng vi sóng Cấu tử mẫu nhận năng lượng, bị

nguyên tử hóa và nguyên tử bị kích thích, do đó chúng có khả năng phát xạ

Cường độ phát xạ được ghi nhận và chuyển thành mũi sắc kí

Đặc điểm:

Độ nhạy rất cao, thời gian phát xạ tính hiệu nhỏ

Đặc biệt máy có thể ghi nhận đồng thời nhiều cấc tử

Tuy nhiên chi phí phân tích rất cao vì phải dùng khí heli

Thế mạnh của detector AED là nó có khả năng xác định những phát xạ

nguyên tử của nhiều phân tử trong một phép phân tích Elute từ cột mao quản

GC Khi Elute ra khỏi cột mao quản, chúng được đưa vào trong một trườngplasma (hoặc sự phóng điện) nơi mà cấu tử mẫu nhận năng lượng và bị kíchthích bởi năng lượng từ plasma, do đó chúng có khả năng phát xạ Máy tính

có ghi lại cường độ phát xạ và chuyển thành mũi sắc kí

1.5 Detector quang kế ngọn lửa (flame photometric GC detector)

Nguyên nhân để ta sử dụng detector GC nhiều hơn những loại detector khác

trong biểu đồ khí cromate là do nó có độ nhạy cao và hiệu quả trong việc dò

điện thế cao

máy lọcgiao thoa

Kim loại

chịu nhiệt

các hợp chất riêng biệt Trong quá trình phân tích biểu đồ cromate đặc trưng.Chất định phân của sulfur hay phosphorus chứa hợp chất là nhân tố chính củadetectỏ trắc quang ngọn lửa (FPD) Thiết bị này sử dụng những phản ứngquang hóa của những hỗn hợp này trong ngọn lửa hydrogen/không khí như làmột nguồn của quá trình phân tích mà nó có quang hệ đặc biệt với những hợpchất chứa hai loại nguyên tử Khi thích S2 thì tỏa ra hỗn hợp sunfur bước sóngcực đại của năng lượng tỏa ra được kích thích từ S2 có giá trị gần đúng

394nm Năng lượng tỏa ra của hỗn hợp photphorus trong ngọn lửa được kích

thích từ HPO (λmax=510-526nm) để độ nhạy máy đò của một hay nhiều hỗnhợp khác giống như nó giải hấp từ cột GC, một phễu lọc giao thoa được dùnggiữa gọn lửa và ống phổ trắc quang (PMT) để phân tách vùng tỏa năng lượng.Việc cần xem lại ở đây là phễu lọc phải được chuyển đổi giữa vùng chạy củabiểu đồ cromate nếu hỗn hợp khác của chúng có thể được đò

Khí mang thóat từ cột được trôn với hydro và đi tới cuối ống dòng không khítheo một đường khác và được trộn với hổn hợp Hydro – khí mang tại ống tạo rangọn lửa hydro Khi mẫu cuốn theo khí mang, được đốt cháy bằng ngọn lửahydro trong ống phát ra ánh sáng ở bước sóng nào đó Ánh sáng phát ra bởi ngọnlửa hydro đi qua ống thạch anh để tránh cho bộ lọc quang và bộ nhân quang khỏi

bị nhiễm bẩn bởi hơi và sản phẩm đốt cháy và đi đến bộ lọc quang Bộ lọc cảnchỉ cho ánh sáng có độ dài sóng đặc thù đi qua Bộ lọc kiểu S 394nm được dùng

để phát hiện các hợp chất chứa lưu hùynh và loại P 526nm dùng cho hợp chất

chứa photpho

Nếu những hợp chấc chứa lưu hùynh hoặc photpho có trong khí mẫu, chúng

được đốt cháy trong ống, phát ra ánh sáng 394nm hoặc 526nm tương ứng

Chỉ có ánh sáng có độ dài sóng này mới qua được bộ lọc cản và bộ nhân

quang Cường độ của ánh sáng được chuyển thành tính hiệu thông qua bộ

nhân quang Tín hiệu này được khuếch đại trong điện kế và chuyển qua bộ xử

lý số liệu

1.6 Detector quang hóa ion (photoionization detector):

Vỏ bọc cách lychắn tia UV

Cung cấp

điện

Cửa trong suốt cho UV

đi quaKhí hoặc máy dò kết nối có

thể tích nhỏ

Buồng gia

nhiệt sự ion

hóa

Phản ứng sử dụng hơn một loại detector cho sắc phổ khí, nó đạt được độnhạy cao nhờ hiệu quả của các hợp chất đặc biệt với kĩ thuật phân tích sắcphổ riêng biệt Sự xác địnhcó chọn lọc của hydrocacbon thơm hoặc nhómorgano-heteroatom là công việc của đầu dò quang phổ PID Thiết bị sử dụng

năng lượng ánh sáng cực tím như phương tiện của kĩ thuật phân tích rừ cột

GC Các ion tạo ra từ quá trình này bởi tiến trình hoạt động của electron.Dòng điện phát ra được tập trung cho kĩ thuật phân tích

1.7 Chemiluminescence Spectroscopy:

Sự phát quang bằng phản ứng hóa học, giống như nguyên tử phát ra quang

phổ, dùng để định lượng sự phát quang từ những nguyên tử bị kích thích

trong phép phân tích cô đặc, tuy nhiên không giống AES

Sự phát quang bằng phản ứng hóa học thường phát ra những phân tử mạnh để

thay thế khi chúng bị kích thích, dãy ánh sáng được xác định bởi kĩ thuật bắtnguồn từ việc tạo ra phân tử, từ đơn giản đến phức tạp

Hơn nữa sự trắc quang bằng phản ứng hóa học có thể xảy ra bên trong pha

lỏng hay pha khí Trong khi đó AES gần như chính xác so với pha khí Tuynhiên sự phát quang bằng phản ứng hóa học trong pha lỏng đóng vai trò quantrọng trong kĩ thuật phân tích phòng thí nghiệm Phương pháp này thường sửdụng với sắc kí lỏng Chúng ta sẽ tập trung vào những phản ứng của sự phátquang bằng phản ứng hóa học ở pha khí với những chất cấu thành nên nó cóphần đơn giản hơn

Những máy dò tìm này cũng được sử dụng như những máy dò tìm cho kĩthuật phân tích thành phần các chất

Tín hiệu

Cột mao quản từsắc ký khí

máy bơm chân không