Hóa phân tích bài tập sắc ký khí sử dụng Đầu dò ion hóa ngọn lửa

Dựa trên sự khác biệt trong tương tác giữa chất phân tích với pha động và pha tĩnh mà các cấu tử có thể tách sau một khoảng thời gian di chuyển trong cột sắc ký.. Có nhiều kĩ thuật sắc k

SẮC KÝ KHÍ

SỬ DỤNG ĐẦU DÒ ION HÓA NGỌN LỬA

I GIỚI THIỆU

Sắc ký là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong phân tích đồng thời nhiều cấu tử trong hỗn hợp nhờ khả năng tách của cột sắc ký Dựa trên sự khác biệt trong tương tác giữa chất phân tích với pha động và pha tĩnh mà các cấu tử có thể tách sau một khoảng thời gian di chuyển trong cột sắc ký

Có nhiều kĩ thuật sắc ký:

 Sắc ký giấy

 Sắc ký bản mỏng

 Sắc ký khí, lỏng

 Sắc ký trao đổi ion

 Sắc ký ái tính ion kim loại bất động

 Sắc ký lỏng hiệu năng cao

 Sắc ký lọc gel, ái lực

Tùy vào mục đích và tính chất của chất phân tích mà cần lựa chọn kĩ thuật cho phù hợp

Trong bài thực tập về sắc ký, nhóm sẽ thực tập về kĩ thuật tiêm tay trên máy sắc ký khí và kiểm chứng kiến thức đã học về sắc ký khí

Sắc ký khí là một phương pháp tách, trong đó pha động là một chất khí (được gọi là khí mang) và pha tĩnh chứa trong cột (thường gặp nhất là cột mao quản) là một lớp chất rắn hoặc lỏng được phủ lên

bề mặt thành phía trong của cột

Sắc ký khí được áp dụng để phân tích cho những mẫu khí, dung dịch lỏng và chất rắn bay hơi và bền ở nhiệt độ cao

Một hệ thống sắc ký khí gồm 4 bộ phận chính sau:

II NGUYÊN LÍ

Khí mang được đưa liên tục vào hệ thống

Bộ phần điều

chỉnh áp suất

khí mang

Bộ phận

Mẫu được tiêm (tùy theo kĩ thuật tiêm tay hay tiêm tự động) vào buồng hóa hơi được khí mang dẫn đến cột mao quản nằm trong lò diều nhiệt Tại đây quá trình tách các chất xảy ra Các chất phân tích được hấp phụ hay phân bố vào pha tĩnh, ở nhiệt độ cao chúng bị giải hấp khỏi pha tĩnh và bị dòng khí mang lôi cuốn đi Quá trình hấp phụ và giải hấp xảy ra trong suốt chiều dài của cột

Sau khi ra khỏi cột sắc ký, cấu tử lần lượt đi vào đầu dò và được chuyển thành tín hiệu điện, tín hiệu được khuếch đại và được máy tính ghi nhận được hiển thị dưới dang mũi peak tương ứng với từng cấu tử

III THÍ NGHIỆM: Thao tác tiêm tay trong kĩ thuật tiêm chia dòng trên máy sắc ký khí

 Cách thực hiện:

Rửa kim tiêm vài lần bằng dung môi, sau đó tráng kim tiêm bằng dung dịch cần phân tích Tránh bọt khí bằng cách hút xả dung dịch mà kim vẫn nhúng trong dung dịch mẫu

Sau khi loại bỏ hoàn toàn bọt khí, tiến hành rút một thể tích gấp đôi lượng cần phân tích, rút kim

ra khỏi dung dịch

Giữ kim thẳng đứng, đầu kim hướng lên trên, dùng piston đẩy đến thể tích cần tiêm, lau kim tiêm bằng giấy thấm, rút thêm khoảng 1μL không khí vào kim trước khi tiêm

Dùng hai tay giữ bơm kim tiêm, đâm kim theo chiều thẳng đứng Đợi 3-5s cho kim nóng lên, sau

đó tiêm nhanh vào máy và nhấn nút START trên máy

Đợi vài giấy sau đó rút kim ra

IV HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ

 GC – FID ( GC 2010, Shimadzu)

 Cột mao quản VF – 5MS, dài 30m, ID 0.25 mm, bề dày pha tĩnh 0.25μm

 Khí mang N2 4.5, khí H2 99.999%

 Kim tiêm sắc ký 10μL

 Dung môi hexane

 Hỗn hợp chuẩn 10 ppm của Styrene, Toluene và N,N DMA ( N,N Dimethylaniline)

1 Ảnh hưởng của nhiệt độ và bản chất chất phân tích lên khả năng lưu giữ.

1.1 Chương trình đẳng nhiệt tại 8 0 0 C

a Điều kiện thực nghiệm

 Hỗn hợp: Styrene, Toluene, N,N-dimethylaniline (DMA) trong Hexane

 Thể tích tiêm: 1L

 Nhiệt độ injector: 2500C

 Chế độ tiêm: chia dòng, tỷ lệ 1:10

 Tốc độ dòng: 1mL/phút

 Nhiệt độ detector: 2500C

b Kết quả

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0uV(x10,000)

Hình 1 Sắc ký đồ của hỗn hợp Toluene, Styrene và DMA tại chương trình đẳng nhiệt 80oC

c Giải thích và nhận xét

Thứ tự rửa giải: Toluene > Styrene> DMA Thứ tự rửa giải phụ thuộc vào cấu trúc (độ phân cực) của các chất và nhiệt độ sôi Chất cótương tác yếu với pha tĩnh và nhiệt độ sôi càng thấp thì tốc độ rửa giải càng nhanh Do nhiệt độ sôi của Toluene (110.60C) < Styrene (1450C) < DMA (1940C) và độ phân cực của Toluene <Styrene< DMA, nên tương tác của chúng với pha tĩnh phân cực của Toluene

sẽ yếu nhất, do đó, phân tử Toluene bị hấp phụ kém và giải hấp ra khỏi pha tĩnh nhanh hơn, vì vậy tốc

độ rửa giải của Toluene trong 3 chất là nhanh nhất Ngược lại, DMA có độ phân cực lớn nhất nên tương tác mạnh với pha tĩnh, phân tử DMA bị hấp phụ mạnh và giải hấp ra khỏi pha tĩnh lâu hơn, vì vậy tốc độ rửa giải của DMA lâu nhất

Trên sắc ký đồ xuất hiện 4 tín hiệu Mũi đầu tiên chính là dung môi Hexane vì Hexane không phân cực nhất Nồng độ Hexane cao, do đó mũi bị overload Bên cạnh đó, vì nhiệt độ sôi của Hexane nhỏ hơn 800C nên mũi này có thể bị chẻ do sự hóa hơi không đều khi tiêm mẫu

Mũi thứ 2, 3, 4 ứng với Toluene, Benzene, DMA

Nhược điểm của chương trình đẳng nhiệt: Nếu nhiệt độ trong cột thấp, một số chất sẽ không thể tách riêng ra hoàn toàn được do cấu trúc của chúng gần giống nhau, nhiệt độ không đủ cao để quá trình giải hấp sinh ra sự khác biệt đáng kể Bên cạnh đó, một số chất có bị hấp phụ mạnh trên bề mặt pha tĩnh sẽ có thời gian giải hấp lâu, làm thời gian phân tích dài

1.2 Chương trình gradient nhiệt độ

a Điều kiện thực nghiệm

 Hỗn hợp: Toluene, Styrene, N,N-dimethylaniline (DMA) trong Hexane

 Thể tích tiêm: 1L

 Nhiệt độ injector: 2500C

 Chế độ tiêm: chia dòng, tỷ lệ 1:10

 Tốc độ dòng: 1mL/phút

 Nhiệt độ detector: 2500C

b Kết quả

Hình 2 Chương trình nhiệt 1

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 m in

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

1.75

2.00uV(x100,000)

Hình 3 Sắc ký đồ của hỗn hợp Toluene, Styrene và DMA tại chương trình nhiệt 1

2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 m in 0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

1.75

2.00uV(x100,000)

Chrom atogram

(2) Chương trình đẳng nhiệt 80oC

Hình 4 Sắc ký đồ của hỗn hợp Toluene, Styrene và DMA tại chương trình đẳng nhiệt 80oC và chương trình nhiệt 1

Hình 5 Chương trình nhiệt 2

2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 m in 0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0uV(x100,000)

Chrom atogram

(2) (1)

(1)

Chú thích: (1) Chương trình nhiệt 2

(2) Chương trình nhiệt 1 (3)Chương trình đẳng nhiệt 800C

Hình 6 Sắc ký đồ của hỗn hợp Toluene, Styrene và DMA tại chương trình đẳng nhiệt 80oC, chương trình nhiệt 1 và 2

c Giải thích và nhận xét

Nguyên tắc chung trong việc tìm chương trình nhiệt tối ưu là (1) giữ nhiệt độ không đổi để tách

các peak gần nhau (tăng thời gian ở nhiệt độ không đổi, “Hold time”) và (2) gia nhiệtnhanh để các chất lưu giữ mạnh ra nhanh hơn (tăng tốc độ gia nhiệt, “Rate” hay tăng nhiệt độ“Temperature”).

Nhìn vào sắc ký đồ, ta thấy thời gian phân tích của chương trình đẳng nhiệt tại 80oC khá lâu (khoảng

12 phút) Peak thứ nhất (dung môi Hexane) và peak thứ 2 (Toluene) rất hợp lí vì tách được khỏi nhau

và thời gian tách ngắn Giữa các peak còn lại (Styrene và DMA) thì chưa hợp lí vì tách được ra khỏi nhau nhưng thời gian phân tích khá dài Vì vậy cần giữ nguyên nhiệt độ 800C trong 2 phút đầu và gia nhiệt sau đó

Chương trình nhiệt 1: 2 phút đầu nhiệt độ không đổi ở 800C, nhiệt độ được tăng 40.000C /phút lên đến 120.000C và giữ trong 8 phút Kết quả là thời gian rửa giải của Styrene và DMA được rút ngắn Tuy nhiên, đây vẫn chưa phải là chương trình nhiệt tối ưu do thời gian rửa giải của DMA khá xa Styrene

Chương trình nhiệt 2: 2 phút đầu nhiệt độ không đổi ở 800C, nhiệt độ được tăng 40.000C /phút lên đến 180.000C và giữ trong 8 phút Kết quả là 3 chất cần phân tích được tách ra khỏi nhau với thời gian tối ưu

2 Định danh chất phân tích

2.1 Điều kiện thực nghiệm

 Hỗn hợp 1: Styrene, Toluene, N,N-dimethylaniline (DMA) trong Hexane

 Hỗn hợp 2: Toluene, N,N-dimethylaniline (DMA) trong Hexane

 Hỗn hợp 3: Styrene, Toluene trong Hexane

 Thể tích tiêm: 1L

 Nhiệt độ injector: 2500C

 Chế độ tiêm: chia dòng, tỷ lệ 1:10

 Tốc độ dòng: 1mL/phút

 Nhiệt độ detector: 2500C

2.2 Kết quả

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 m in

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0uV(x100,000)

Chrom atogram

(2) Hỗn hợp 3: Styrene, Toluene (3)Hỗn hợp 1: Styrene, Toluene, N,N-dimethylaniline (DMA)

Hình 7 Sắc ký đồ của các hỗn hợp tại chương trình nhiệt 2

2.3 Nhận xét và giải thích

Trừ peak đầu tiên của dung môi, hỗn hợp 2 có 2 peak trùng với hỗn hợp 1 ứng với vị trí của Toluene và DMA Hỗn hợp 3 có 2 peak trùng với hỗn hợp 1 ứng với vị trí của Styrene và Toluene

Do đó:

peak ở 2.6 phút là của Toluene

peak ở 3.5 phút là của Styrene

peak ở 5.0 phút là của DMA

Như vậy, bằng việc sử dụng các dung dịch chuẩn, ta có thể định danh từng chất trong hỗn hợp dựa vào vị trí các peak trùng lặp

3 Phương pháp sử dụng chất nội chuẩn

3.1 Sơ lược về chất nội chuẩn

Khi sử dụng phương pháp tiêm bằng tay để đưa mẫu vào hệ thống sắc ký khí, những thể tích được đưa vào sẽ hoàn toàn không giống nhau do sai số của kĩ thuật viên (tiêm những lượng không giống nhau) Vì vậy ta sử dụng chất nội chuẩn để loại trừ đi sai số ấy trong các lần tiêm lặp và tăng độ lặp lại cho quá trình phân tích

Với mỗi lần tiêm, tín hiệu đo được của chất phân tích là rất khác nhau và độ lặp lại không cao, khoảng bất ổn rất rộng Tuy nhiên, tỉ lệ giữa diện tích của peak chất phân tích và peak của chất nội

(1) (2)

(3)

chuẩn gần như là không thay đổi trong các thí nghiệm lặp Do đó ảnh hưởng của tay nghề kĩ thuật viên kém trong quá trình tiêm mẫu sẽ được loại trừ

Dựa vào tỉ lệ diện tích và tỉ lệ lượng chất ta có thể dựng được một đường chuẩn tương ứng, từ đường chuẩn này ta có thể xác định được hàm lượng của một chất X chưa biết nồng độ

Tuy nhiên trong bài này ta chỉ khảo sát đến vai trò của chất nội chuẩn mà thôi

3.2 Yêu cầu khi sử dụng chất nội chuẩn

 Không được phép có sẵn trong mẫu cần phân tích

 Dễ bay hơi, bền nhiệt

 Có tính chất tương tự với chất cần phân tích

 Không phản ứng với chất phân tích và pha tĩnh

 Không được ra cùng lúc với chất phân tích

 Khi thêm chất nội chuẩn vào mẫu phân tích, cần thêm đúng một lượng chính xác cho tất cả các mẫu

 Peak chất nội chuẩn sử dụng không được chồng lên bất kỳ peak nào của chất cần phân tích

 Tín hiệu của chất nội chuẩn phải được phát hiện bằng đầu dò để ghi nhận tín hiệu

3.3 Kết quả

Bảng 1: Thông số của các peak chất phân tích trên sắc ký đồ

Lần 1 Peak# Ret.Time Area Tailing F Height Initial Time Final Time

TOL 2.968 436163.4 1.525 170001.5 2.899 3.113

Sty 3.85 637224.6 1.428 282824.8 3.776 4.014

DMA 5.361 580705.8 1.202 321120.5 5.316 5.489

Lần 2 Peak# Ret.Time Area Tailing F Height Initial Time Final Time

TOL 2.97 408237.5 2.051 140324.4 2.903 3.164

Sty 3.854 597611.8 1.659 242037.7 3.804 3.976

Lần 3 Peak# Ret.Time Area Tailing F Height Initial Time Final Time

TOL 2.969 399140.8 1.832 145192.9 2.926 3.132

Sty 3.852 582980.4 1.544 255446.6 3.808 4.042

DMA 5.362 534498 1.219 283979.8 5.297 5.526

(3)

1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 m in

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

uV(x1,000,000)

Chrom atogram

(2) Lần 2 (3) Lần 3

Hình 8 Sắc ký đồ của các hỗn hợp sử dụng phương pháp nội chuẩn

Sử dụng DMA làm chất nội chuẩn

Tỉ lệ diện tích giữa peak chất phân tích và peak IS

Q n= A analyte A

IS

Độ lệch chuẩn :

S3=√ ∑

i

n

¿¿¿¿¿

Khoảng bất ổn theo chuẩn Student:

ε 0.95,n=4.30∗S3

√3

Độ chính xác:

P=|1−ε 0.95, n

μ |

Lần 1 Lần 2 Lần 3 Q tb S ε 0.95 ;3 P

Q1=s tol /S DMA 0.751092 0.74533 0.746758 0.747727 0.00245 0.006083 99.2%

Q2=s sty /S DMA 1.097328 1.091075 1.090706 1.093036 0.003038 0.007543 99.3%

(1)

Toluene:Q1=0.747727 ± 0.006083

Stryrene:Q2=1.093036 ± 0.00754

3.4 Nhận xét

Với thể tích tiêm rất nhỏ cũng như việc phân tích các nồng độ rất nhỏ, khả năng lặp lại của thao tác là rất thấp dẫn đến độ lặp lại thấp và sai số sẽ lớn, nhưng nhờ vào việc sử dụng chất nội chuẩn là một chuẩn trung gian tín hiệu nằm giữa 2 chất phân tích ta thấy rằng độ lặp lại của phép đo - độ chính xác tăng đáng kể và rất cao( >99%) như vậy giúp ích rất nhiều và đem lại sự tin cậy cho kết quả đo được Điểm mạnh của phương pháp này là không cần duy trì tính nghiêm ngặt của thao tác tiến hành sắc kí vẫn cho kết quả chính xác vì sai số đã bị loại trừ theo tỉ số giữa chất phân tích và chất nội chuẩn Khi phân tích mẫu thật, ta cho một lượng biết trước chất chuẩn nội S vào mẫu rồi tiến hành sắc kí hỗn hợp Từ tỉ lệ diện tích đo được, bằng đường chuẩn tương đối vừa dựng ta có tỉ lệ trọng lượng Với trọng lượng chuẩn S thêm vào đã biết ta tính được trọng lượng của chất X

 Ưu điểm

Nhìn chung sắc ký khí là một phương pháp tách rất tốt, có thời gian tách khá ngắn, độ chính xác cao

>99%

Cột mao quản có chiều dài lớn nên làm tăng số đĩa lý thuyết nên khả năng tách của cột trong sắc ký khí rất cao

Có thể sử dụng với nhiều đầu dò khác nhau như:

FID: Đầu dò ion hóa ngọn lửa

TCD: Dẫn nhiệt

ECD: Cộng kết điện tử

FPD: Quang kế ngọn lửa

Detector ion hóa Helium

 Nhược điểm

Chỉ sử dụng cho hợp chất bền và bay hơi ở nhiệt độ dưới 400 0C, vì nếu tăng nhiệt độ quá

cao pha tĩnh bị tách từ từ ra khỏi cột  hiện tượng chảy máu cột

Đa số các hợp chất vô vơ không thể tách bằng sắc ký khí

Các hợp chất hữu cơ đều có thể dùng phương pháp này ngoại trừ hợp chất sinh học,

dược liêu và môi trường Vì nó có phân tử lượng lớn; vân tốc khí mang không đủ lớn

để đẩy nó vào cột, chứa các nhóm chức không phân cực; không tương tác với pha tĩnh

nên không tách được, dễ bị phân hủy không hóa hơi được

Nhiệt độ ảnh hưởng đến độ phân giải và thứ tự rửa giải của hợp chất Nhiệt độ càng cao

chất ra càng nhanh