KI THUAT SAC KI KHI TRONG HOA HOC PHAN TICH HIEN DAI

Do nhu cầu phát triển của các ngành khoa học nói chung và ngành hóa học nói riêng. Ngành hóa học phân tích đang từng bước phát triển mạnh mẽ, ngày càng có nhiều phương pháp phân tích mới được ra đời. Các phương pháp mới này đáp ứng phần nào nhu cầu phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật. Các phương pháp này cho phép xác định được một cách chính xác và nhanh chóng nhất, phạm vi phân tích ngày càng rộng và phạm vi phát hiện ngày càng nhỏ. Có thể nói sự phát triển đó đã mở ra một hướng mới cho hóa học trong việc phân tích các chất và nghiên cứu các chất mới. Một trong những phương pháp phân tích hiểu hiệu và đa năng, là phương pháp sắc ký. Trong đó Có phương pháp sắc ký lỏng hiệu nâng cao, phương pháp sắc ký điện di mao quản, phương pháp sắc ký khí… Để tìm hiểu rõ hơn về các phương pháp sắc ký, chúng tôi xin chọn đề tài “Tìm hiểu về Sắc ký khí”. Phương pháp sắc ký khí đang trở thành một công cụ được ứng dụng rất mạnh mẽ trong nhiều ngành khoa học, hóa sinh, sinh học, y học, dược học, hóa học lâm sàng, nghiên cứu xúc tác, hóa học môi trường,… Sắc ký khí đã trở thành một trong những phương pháp quan trọng nhất để tách, xác định cấu trúc, nghiên cứu các thông số hóa lý như hệ số hoạt độ, entanpi, nhiệt hóa hơi, hệ số khuếch tán phân tử, động học xúc tác,… Sắc ký khí được coi là phương tiện đầu tay của các nhà hóa học, đặc biệt là các nhà hóa học hữu cơ. Năm 1952, máy sắc ký khí đầu tiên được ra đời dưới sự chủ trì của giáo sư Keuleman và các cộng tác viên. Trong sắc ký khí, mẫu được tách do sự phân bố giữa pha tĩnh và pha động nhờ cơ chế hấp phụ, phân bố hoặc kết hợp cả hai cơ chế này. Khi pha tĩnh là một chất hấp phụ rắn thì kỹ thuật phân tích được gọi là sắc ký khí – rắn (GSC). Khi pha lỏng được gắn lên bề mặt của chất mang trơ hoặc được phủ dưới dạng một lớp phim mỏng lên thành cột mao quản thì kỹ thuật này được gọi là sắc ký khí – lỏng (GLC). Ngày nay thiết bị sắc ký khí còn được ghép nối thành công với các thiết bị xác định cấu trúc như khối phổ (MS), quang phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier (FI – IR)

vi phân tích ngày càng rộng và phạm vi phát hiện ngày càng nhỏ Có thể nói sựphát triển đó đã mở ra một hướng mới cho hóa học trong việc phân tích các chất

và nghiên cứu các chất mới Một trong những phương pháp phân tích hiểu hiệu

và đa năng, là phương pháp sắc ký Trong đó Có phương pháp sắc ký lỏng hiệunâng cao, phương pháp sắc ký điện di mao quản, phương pháp sắc ký khí… Để

tìm hiểu rõ hơn về các phương pháp sắc ký, chúng tôi xin chọn đề tài “Tìm hiểu về Sắc ký khí” Phương pháp sắc ký khí đang trở thành một công cụ được ứng

dụng rất mạnh mẽ trong nhiều ngành khoa học, hóa sinh, sinh học, y học, dượchọc, hóa học lâm sàng, nghiên cứu xúc tác, hóa học môi trường,… Sắc ký khí đãtrở thành một trong những phương pháp quan trọng nhất để tách, xác định cấutrúc, nghiên cứu các thông số hóa lý như hệ số hoạt độ, entanpi, nhiệt hóa hơi, hệ

xa nhau Sau một thời gian nhất định, các cấu tử sẽ tách ra khỏi nhau.

1.2 Một số yêu cầu của phương pháp phân tích sắc khí

Một số yêu cầu để phép phân tích sắc ký khí có hiệu quả: Cột tách có pha tĩnh phùhợp với mẫu phân tích Detecto phù hợp với phương pháp cũng như tínhchất và hàm lượng mẫu.Khí mang phù hợp với chất phân tích và nguyên lýlàm việc của Detecto Khí phụ trợ có thành phần và tính chất phù hợp

Đưa ra quy trình vận hành, bao gồm: nhiệt độ cột tách, nhiệt độ Detecto, nhiệt

độ hóa mẫu, cách bơm mẫu, tốc độ dòng khí mang, khí phụ trợ,…

1.3 Sơ đồ máy và quá trình phân tích

Để phép phân tích sắc ký khí có hiệu quả, căn cứ vào mẫu phân tích, người phântích bằng những nguyên tắc cơ bản và bằng kinh nghiệm thực tế đã đưa ra một cấuhình máy và điều kiện vận hành phù hợp bao gồm:

Cột tách có pha tĩnh phù hợp với mẫu phân tích

Detetor phù hợp với phương pháp cũng như tính chất và hàm lượng mẫu

Khí mang phù hợp với chất phân tích và nguyên lý làm việc của detetorĐưa ra quy trình vận hành bao gồm nhiệt độ của cột tách, nhiệt độ detetor,nhiệt độ bộ phận bơm mẫu, cách bơm mẫu, tốc độ dòng khí mang, khí phụ trợ…Những thông số này được đặt thông qua máy tính điều khiển của thiết bị

1 Nguồn khí mang 6.Detetor

2 Điều chỉnh áp suất 7 Khuếch đại

Sau khi mẫu được đưa vào bộ phận bơm mẫu 4 (injector), nó được hóa hơi

do ở đây được đặt một nhiệt độ hóa hơi phù hợp Khí mang ở nguồn 1 được điềuchỉnh áp suất ở 2 và làm sạch ở bộ phận lọc khí 3, sẽ đẩy mẫu đi dọc theo cột.Nhiệt độ cột được khống chế chặt chẽ bằng hệ rơle và cặp nhiệt điện Các chấtphân tích sau khi được tách trên cột lần lượt đi vào detetor Tại đây mỗi chất phântích cho một tín hiệu nhất định, các tín hiệu này được khuếch đại, xử lý và ghi lạinhờ các bộ phận 7, 8, 9

Ngày nay, hầu hết các máy sắc ký đều có bộ phận máy tính có cài đặt cácchương trình hoạt động cho máy bao gồm tốc độ dòng khí mang, nhiệt độ của các

bộ phận bơm mẫu, cột tách, detetor và xử lý tín hiệu sau cột 10 Ngoài ra, bộ phận

tự động bơm mẫu và các chế độ làm việc khác phù hợp với từng đối tượng phântích và detetor cũng được áp dụng

Hình 1.1 Sơ đồ máy sắc kí khí

Phần mềm vi sử lý

1.3.2 Các bước tiến hành của phép phân tích sắc ký khí

- Chuẩn bị hệ sắc ký

Kiểm tra: mức độ rò rỉ của khí mang, sự liên thông giữa thiết bị dùng dùng

để tách các cấu tử trong hỗn hợp cần phân tích ra khỏi nhau, thiết bị nhận biết chấttan ra khỏi cột và thể hiện kết quả với thiết bị điều khiển khác

Nếu là cột mới thì phải luyện cột trước khi sử dụng bằng cách cho khímang chạy qua cột ít nhất 30 phút ở nhiệt độ khoảng 200 – 250OC tùy theo oax

- Tiến hành chạy sắc ký

- Bơm mẫu vào cột

- Chạy sắc ký

- Phân tích dữ liệu thu được từ sắc đồ: định tính, định lượng

Tóm lại yêu cầu tổng quát của quá trình vận hành: độ lặp lại của thí nghiệmphải cao, hạn chế tối đa sai số ngẫu nhiên

2 Cột tách sắc ký khí

Cột thường làm bằng thủy tinh hoặc bằng thép không gỉ có chứa pha tĩnh

Có hai loại cột: cột nhồi và cột mao quản Cột nhồi thường dài từ 1 – 5m, đườngkính trong 5mm Cột nhồi được nhồi đầy pha tĩnh hoặc được phủ bên trong bằngpha tĩnh Cột mao quản dài từ 10 đến 100m, đường kính trong 250m Pha tĩnhđược phủ trên bề mặt phía trong của cột Cột mao quản có khả năng tách cao hơncột nhồi nhưng các pic lại dễ bị roãng khi bơm quá nhiều mẫu

Hình 2.1 Cột nhồi (Brain M Tissue, 17/9/2003)

Hình 2.2.Cột mao quản (Brain M Tissue, 17/9/2003)

Cột tách là trung tâm của phép tách sắc ký Ngày nay, hầu hết các máy sắc

ký đều sử dụng cột tách mao quản, có pha tĩnh là các hợp chất cao phân tử gồm 4loại: các ancol, các ete và este, các hợp chất amin, các silicon

Cột

Đối với loại này ngoài lực hấp phụ là chính thường kèm theo lực phân bố và làmcho sắc đồ bất đối xứng (có dạng đuôi).

Do pha tĩnh thường là các chất phân cực và có tính hấp phụ mạnh nên khitách các chất phân tích có độ phân cực mạnh thì thời gian lưu của chúng cũng sẽlớn hơn nhiều so với GLC vì thế chỉ thuận lợi khi tách các hỗn hợp có độ phân cựcthấp

Đối với các cấu tử có độ phân cực mạnh như nước, các ancol… do có ái lựcrất lớn đối với pha tĩnh loại này nên không thể tách được chúng ra khỏi nhau tronghỗn hợp đồng đẳng của chúng Điều này phải được chú ý khi chế biến và xử lýmẫu phân tích

Lưu ý: Trong GSC, chất nhồi cũng có thể đóng vai trò như một chất xúc tác, làm

xảy ra các phản ứng hóa học trên cột mà chất phân tích cũng tham gia (nhưsilicagel; alumina)

Các loại polyme vi xốp thường được tạo ra từ phản ứng trùng hợp styren vàđivinylbennzen, cho nên tùy thuộc vào hàm lượng đivinylbenzen mà có các kíchthước lỗ xốp khác nhau Loại này hấp phụ được cả những chất phân cực rất yếu kể

cả nước

- Đối với Sắc ký khí – lỏng(GLC)

Chất mang thường dùng là diatomit Diatomit là loại vật liệu silicat, nó làcấu tử chính trong gạch chịu lửa Diatomit có ưu điểm là trơ về phương diện hóahọc, có khả năng thấm pha tĩnh là lỏng tốt, có bề mặt riêng lớn, chịu được nhiệt độcao Nhưng cũng có nhược điểm là dễ vỡ nên kích thước và hình dáng bên ngoàikhông đồng nhất, dó có nguồn gốc tự nhiên nên nó có chứa nhiều tạp chất

Chế tạo: sơ chế đất diatomit sau đó trộn đều với xôđa ở tỷ lệ thích hợp, nung hỗnhợp ở 900oC rồi nghiền thành bột

sau khi chế tạo người ta phủ bề mặt để sản phẩm luôn giữ 1% (về khối lượng) phatĩnh có tính chất chọn lọc đặc biệt nào đó, khi tạo được các cột có tính năng sửdụng tương đương nhau (tương tự như hãng chế tạo ra nhiều cột giống nhau).

Lưu ý: Do yêu cầu bề dày của màng pha tĩnh trên toàn cột phải đồng nhất nên

thường hòa tan pha tĩnh vào dung môi có nhiệt độ sôi thấp, sau khi thấm đều trêncột, rung, lắc, cho chảy dung dịch dư, sau đó tiến hành đuổi dung môi Cột sau khinhồi mới được uốn cong cho phù hợp kích thước lò

Pha tĩnh lý tưởng phải không phản ứng với chất phân tích, có KD xác định được rõràng đối với các chất phân tích, giá trị này không được quá lớn hoặc quá nhỏ -thích hợp đồng thời có nhiệt độ sôi cao (thích hợp với hệ sắc ký để không hạn chếkhả năng làm việc của cột)

- Ưu điểm và nhược điểm của cột nhồi.

Trơ về mặt hóa học, có khả năng thấm ước pha tĩnh tốt, có bề mặt riêng lớn vàchiệu được nhiệt độ cao Nhưng chứa nhiều tạp chất và dễ vỡ

2.1.2.Cột mao quản

Loại cột này, người ta phủ thành cột bằng một lớp pha tĩnh Do độ giảm áp suấttrong cột thấp nên các cột này thường rất dài, để có khoảng hơn 105 lý thuyết thìcột phải dài khoảng 10 -100m trong khi các cột nhồi chỉ dài khoảng 1 - 5m

Có 3 loại cột mao quản hở:

- SCOT: support coated open tubular columns (cột mao quản hở phủ pha tĩnh)

- PLOT: porous layer open tubular columns (cột mao quản hở phủ lớp xốp)

- WCOT: wall coated open tubular columns (cột mao quản hở phủ thành hoặcphim) Loại cột này thường được chế tạo từ ống SiO2 đường kính trong khoảng0,25 – 0,50 mm, được “gặm” (ăn mòn – không nhẵn như các ống thủy tinh) và phủmột màng tĩnh (phim), thường có bề dày là 0,5 – 0,25m

Do đường kính mao quản nhỏ nên để cos đĩa lý thuyết lớn ���lượng mẫu đưavào cột phải nhỏ < 100ng ��� cần lượng mẫu nhỏ (cần có sự tương quan với khảnăng tương thích của detetor) Cột này có thể thực hiện các cân bằng chiết trongkhoảng 1000 đĩa chỉ cần đến không quá 1 giây (s)

Các hình dưới đây thể hiện một số thông số của các loại cột mao quản

Hình 2.4 Mô hình mô phỏng mặt cắt ngang của các loại cột mao quản

- Các ưu điểm của cột mao quản

Ưu điểm:

+ Cân bằng thiết lập nhanh;

+ Độ phân giải tốt (do dùng lượng mẫu nhỏ)

+ Độ đồng nhất cao (đối với loại cột ăn mòn bằng phương pháp hóa học)+ Giới hạn phát hiện nhỏ

Nhược điểm của cột mao quản:

số thích hợp sau đó nhồi vào cột Chất nhồi được đưa vào cột bằng: một đầu cộtbằng một phễu đầu cột kia được gắn với một hệ thống chân không ( nhờ vào bơmchân không) Toàn bộ cột được đặc nằm ngang trên một bộ rung có thể điều khiểnđược tốc độ

Pha tĩnh

T

Cột maoquản nhồi

Cột nhồithông thườngĐường kính

600 – 1200đĩa/m

1000 – 3000đĩa/m 500 – 1000 đĩa/m

Tốc độ dòng

(tối ưu)

20 – 30 cm/shydro; heli

10 – 15 cm/snitơ; argon

20 – 30 cm/shydro; heli

10 – 15 cm/snitơ; argon

8 – 15 cm/shydro; heli

3 – 10 cm/snitơ; argon

4 – 6 cm/shydro; heli

2 – 5 cm/snitơ; argon

Tốc độ thể tích

dòng (tối ưu)

1 – 5 ml/phúthydro; heli0,5 – 4 ml/phútnitơ; argon

2 – 8 ml/phúthydro; heli

1 – 4 ml/phútnitơ; argon

2 – 6 ml/phúthydro; heli

1 – 3 ml/phútnitơ; argon

20–60 ml/phúthydro; heli

15 – 50 ml/phútnitơ; argonLượng mẫu

Bảng 2.1 Cấu tạo và các thông số về các cột tách

Hiện nay ở Việt Nam cột nhồi thông thường vẫn là loại cột sắc ký phổ biến

nhất, trong khi đó đa số các phòng thí nghiệm, kể cả trong kỹ nghệ, ở nhiều nước

khoa học tiên tiến trên thế giới hầu như đã bỏ hẳn cột nhồi mà chỉ còn sử dụng cột

mao quản Tuy nhiên so với phương pháp sắc ký khí cột nhồi, sắc ký khí sử dụng

cột mao quản đòi hỏi những yêu cầu hết sức đặc biệt đối với quá trình bơm mẫu

cũng như đối với quá trình phát hiện các cấu tử (ví dụ đối với các cột mao quản

phim mỏng WCOT lượng mẫu được đưa vào cột khoảng 10-7g

2.3 Các loại pha tĩnh lỏng

Pha tĩnh loại này được đánh gía dựa vào ts oôi (tức là khoảng nhiệt độ làmviệc của cột) và độ phân cực

Để sử dụng hiệu quả của pha tĩnh, người ta đưa ra một số nguyên tắc

Dùng các pha tĩnh phân cực để tách các mẫu gồm các cấu tử phân cực

- Cấu tử có áp suất hơi thấp – cần phải được tách ở nhiệt độ khá cao nên cần phatĩnh lỏng là chất chịu được nhiệt độ cao

- Cũng cần lưu ý rằng khi tách ở nhiệt độ thấp thì độ phân giải của GC sẽ tốt hơn Thí dụ một số pha tĩnh thường gặp

NP: không phân cực; I: ít phân cực; P: phân cực

3 Các loại khí mang (pha động) được sử dụng trong sắc ký khí.

Có thể sử dụng khí đơn hoặc hỗn hợp 2 hoặc 3 khí theo tỉ lệ thích hợp Khímang có vai trò đưa chất phân tích đi dọc theo cột, rửa giải và làm sạch hệ thốngsắc ký Việc chọn khí nào làm khí mang phụ thuộc vào chất phân tích, phụthuộc vào Detecto, và kỹ thuật sắc ký Thường sử dụng các khí như: He, H2,

Ar, N2, Kr,… có độ tinh khiết cao khoảng 99,995% đến 99,9999% Tốc độ trung

d c d c

P P P P

3.1 Yêu cầu đối với khí mang:

Do độ giảm áp suất qua cột tách tỷ lệ với độ nhớt của khí mang theophương trình:

Ngoài ra đối với khí màn còn lưu ý các điểm:

Độ an toàn khi sử dụng

Hiệu quả kinh tế, độ tinh khiết cao…

3.2 Đặc điểm của một số khí mang thường được sử dụng

Khí hydro: khí hydro thương mại thường đạt đủ tiêu chuẩn cho sắc ký khí.

Trong phân tích lượng vết, khi sử dụng pha tĩnh dễ bị hỏng và trong sắc ký điềuchế cần phải làm sạch và khô khí Khi sử dụng khí hydro làm khí mang cần dùngnitơ làm khí bảo vệ thổi qua cột trước Các ống dẫn khí hydro phải đủ dày tốt nhất

là dùng ống kim loại nhỏ vừa kín vừa tiết kiệm khí Hydro dùng cho các cột táchlàm việc dưới 200oC vẫn tỏ ra trơ Trong các phòng thí nghiệm hiện đại dừng kháphổ biến máy sản xuất khí hydro với công suất từ 125ml/phút đến 225ml/phút Khidùng máy này, lúc đầu phải chờ cho máy đạt áp suất nhất định mới được đưa khívào cột tách Trong phòng sắc ký sử dụng khí hydro phải có máy dò độ hở hydro

và cấm lửa

Khí hêli: là khí trơ hóa học rất thích hợp cho sắc ký khí nhiệt độ cao Khi

sử dụng detetor ion hóa bằng tia phóng xạ phải sử dụng hêli tinh khiết

Khí argon: cũng như các khí trơ khác, argon trên cơ cở không có hoạt tính

hóa học được dùng cho sắc ký khí ở nhiệt độ cao Do độ nhớt của argon cao, yêucầu về dây dẫn khi sử dụng nó không gặp khó khăn lắm Khí argon ngày càng được

sử dụng nhiều làm khí mang

Khí nitơ: do không nguy hiểm, giá rẻ và dễ dàng làm tinh khiết nên nitơ

được sử dụng rất nhiều trong sắc ký khí Nhưng cần chú ý với detetor TCD vì gíatrị dẫn nhiệt của nitơ rất gần với độ dẫn của nhiều khí hoặc hơi chất hữu cơ nên cótrường hợp pic sắc ký sẽ ngược Trong phân tích định, hệ số hiệu chỉnh đặc trưng

sẽ xê dịch rất mạnh khỏi 1 khi dùng khí mang có độ dẫn cao

Không khí và oxi: Độ tinh khiết của oxi thương mại cũng đạt yêu cầu cho

sắc ký khí nhưng cần phải sấy khô vì rất dễ lẫn nước trong bom đựng khí Khôngkhí nén có thể lấy từ bom khí bơm nén kiểu dầu Nếu dùng bơm nén thì phải chú ýkhông cho hơi dầu đi vào thiết bị sắc ký

ký khí.

4.1 Detetor độ dẫn nhiệt (TCD – thermal conductivity detetor)

Nguyên tắc hoạt động: So sánh độ dẫn nhiệt của khí mang tinh khiết và

của khí mang có chất tan thông qua việc đo điện trở của một dây dẫn đã được đốtnóng Mạch so sánh được lắp theo kiểu Wheattone

Hình 4.1 Sơ đồ của detetor dẫn nhiệt

Độ nhạy của detetor phụ thuộc vào khả năng dẫn điện của khí mang, dòng nuôiđiện trở

Ưu điểm:Đáp ứng được với tất cả các chất Đủ nhạy cho nhiều chất cần

phân tích (cỡ 10ppm),Khoảng tuyến tính của tín hiệu kha tốt – rộng (cách nhau đến

104 lần),Cấu tạo đơn giản Tín hiệu khá bền (độ lưu tín hiệu)

4.2 Detetor ion hóa ngọn lửa (FID – Flame ionzation Detetor)

Nguyên tắc hoạt động: Đo sự biến đổi độ dẫn điện của ngọn lửa trong một

điện trường khi có chất hữu cơ đi qua (Nhờ nhiệt độ cao của ngọn lửa mà các chất

đi ra khỏi cột đặc biệt là các chất hữu cơ bị ion hóa và tạo thành dòng ion trong

Khí mang có chất tan

Khí mang

Hình 4.2 Sơ đồ của detetor FID:

Độ nhạy của detetor phụ thuộc vào khả năng đọc dòng điện cực nhỏ của hệ vimạch điện tử ( cỡ 10 12A); nhiệt độ của ngọn lửa ion hóa; bản chất của các cấu tử

bị ion hóa (dễ hoặc khó bị ion hóa); không nhạy với các chất vô cơ và các chất hữu

cơ vó carbon bị oxi hóa ở mức cao như các nhóm cacbonyl

Ưu điểm: Độ chọn lọc cao (đáp ứng tốt các hợp chất hydrocacbon – rất thuận

tiện khi phân tích dầu khoáng)

- Có độ nhạy khá cao đối với nhiều chất (có thể phát hiện chất

có nồng độ cỡ 100ppb)

- Khoảng tuyến tính rất rộng (hơn kém nhau đến hàng triệu lần)

- Độ bền tính hiệu cao, ít bị ảnh hưởng bởi tốc độ dòng khímang và các thông số thực nghiệm khác

4.3 Detetor cộng kết điện tử (EDC – electron capture detetor)

Nguyên tắc hoạt động: dựa trên đặc tính các chất có khả năng cộng kết

(bắt) điện tử tự do trong pha khí

Trong trường hợp này, các ion được tạo ra bởi một nguồn phóng xạ như3

H hoặc 63Ni, chúng phát ra các hạt  , các hạt này ion hóa các chất (chẳng hạnnhư khí mang N2 ���N22e) và tạo ra một dòng trong mạch Khi có chất

có khả năng “bắt” electron (là các chất chứa các nguyên tử có độ âm điện cao nhưhalogen, oxy, nitơ, photpho, lưu huỳnh) được đưa vào detetor thì làm cho dònggiảm xuống

Hình 4.3 Sơ đồ detetor EDC

Độ nhạy của detetor EDC phụ thuộc chủ yếu vào:Độ lớn của dòng nền,Mứcnăng lượng của electron phát ra của nguồn bức xạ,Độ âm điện của nguyên tử gắnvào chất cần phân tích,Điện thế đặt vào hai cực của detetor Detetor này rất nhạyvới các hợp chất halogenua, giới hạn tín hiệu có thể đạt đến cỡ 2.1014g s/ Khoảng tuyến tính khá tốt (hơn kém nhau cỡ 1000 lần),Bản chất khí mang

Ưu nhược điểm của detetor EDC: Chỉ chọn lọc và có độ nhạy cao với các

hợp chất cơ halogen (cỡ 0,01ppb đối với Lindan), không nhạy đối với các chấtkhác vì thế được dùng chủ yếu trong việc phân tích các PCB, Pesticides có nguồngốc cơ clo, các Fluorocarbons và các chất tương tự

Khoảng tuyến tính hẹp

4.4 Detetor khối phổ (MSD – mass spectroscopy detetor)

Nguyên tắc hoạt động: các chất ra khỏi cột được chuyển hoàn toàn thành

dạng khí và tách chất tan khỏi khí mang, sau đó dùng các nguồn ion hóa cực mạnh

để cắt các phân tử thành các mảnh ion, các mảnh ion này được tách ra khỏi nhautheo một trật tự nhất định về khối lượng và cuối cùng nhận biết các ion ra khỏi bộphân tách khối lượng bằng thiết bị thích hợp

Bộ phận ion hóa mẫu

Bộ phận phát hiện các ion

ra khỏi bộ phận phân tách ion

Hình 4.4 Sơ đồ detetor MSD

Độ nhạy của detetor phụ thuộc vào hiệu suất cắt mảnh của bộ phận ion hóamẫu điện trường của tứ cực

Ưu nhược điểm: Tùy theo dạng sắc đồ mà có thể dự đoán công thức, cấu

trúc của các phân tử mà không cần chất chuẩn (qua catalog có sẵn trong phầnmềm), có độ nhạy và độ chính xác cao (cỡ 101 đến 103 ppm), khoảng tuyến tínhtốt (hơn kém nhau cỡ 104 lần), thời gian phân tích nhanh

4.5 Detector phát xạ nguyên tử (Atomic emission detector: AED)

Các nguyên tố trong dòng hơi đi ra từ cột mao quản của SKK Sau khi rakhỏi cột, hơi đi vào bào quang điện vi sóng - ở đây các thành phần bị phân hủy vàcác nguyên tử của chúng bị kích thích bởi năng lượng của tế bào quang điện Ánhsáng phát ra bởi các phần tử bị kích thích, được tách ra thành các tia riêng biệt điqua chuỗi quang diod đến máy tính Máy tính chọn ra các tia riêng biệt và ghi sắc

đồ dưới dạng các pic chỉ tương ứng với một cấu tử cụ thể của các chất bay hơi đi ra

từ cột SKK

Hình 4.5 Sơ đồ cấu tạo detector cộng kết điện tử

4.6 Detector quang hóa (chemiluminescence detector)

Detector quang hóa được nối với máy SK lỏng hoặc SKK và đóng vai tròquan trọng trong các phòng thí nghiệm phân tích Trong phổ quang hóa, nănglượng cần thiết để kích thích chất phân tích cao hơn các trạng thái điện tử quayvòng quanh và dao động và không xuất phát từ nguồn sáng bên ngoài như laser

hoặc đèn Vấn đề phân tán nguồn kích thích hoàn toàn tránh được Năng lượngđược tạo ra bằng phản ứng hóa học giữa chất phân tích và thuốc thử:

CH3 – S – CH3 + F2 → sản phẩm + hv (ánh sáng)

Quang hóa ở pha khí, sự phát ánh sáng được tạo ra bởi phản ứng giữa chấtphân tích và khí oxy hóa mạnh Phản ứng xảy ra vào khoảng thời gian mà sảnphẩm của ánh sáng tạo ra ngay lập tức Vì vậy hệ thống phân tích trộn chất phântích với thuốc thử ngay trong bình thể tích nhỏ, trực tiếp ở phía trước của khuếchđại ánh sáng Khi chất phân tích đi ra từ cột sắc ký khí, đuôi cột gắn trực tiếp vàobình phản ứng Vì vậy năng lượng của phản ứng được giải phóng ra bao nhiêu thìđược dùng bấy nhiêu để kích thích phân tử chất phân tích Sự mất năng lượngthông qua sự va chạm của pha khí là không mong muốn Vì vậy áp suất khí ở bìnhphản ứng phải được duy trì thấp bằng bơm chân không để hạn chế tối đa tác dụngbất hoạt của sự va chạm

Hình 4.7 Sơ đồ detector quang kế ngọn lửa

4.8 Detector nitrogen – phosphor (Nitrogen – phosphorus detector: NPD)

Cấu tạo của detector nitrogen – phosphor tương tự như detector ion hóangọn lửa Sự khác nhau chính là ngọn lửa hydro / không khí của detector ion hóangọn lửa được thay bằng hạt rubidisilicat đốt nóng trong detector nitrogen –phosphor Các chất từ cột SKK đi ra qua hạt muối rubidi nóng phát ra các ion củacac thành phần có chứa nitrogen và phosphor đi qua nó Các ion được tập trung ởbình thu ở phía trên hạt nung nóng, tạo ra dòng điện tương tự như det ion hóa ngọnlửa

4.9 detector quang hóa ion (Photoionization detector:PID)

Detector quang ion hóa được ứng dụng để xác định các hydrocabua thơmhoặc các hợp chất có nguyên tử dị vòng Detector quang ion hóa sử dụng ánh sáng

tử ngoại để ion hóa các chất bị kích thích đi ra từ cột SKK Các ion tạo ra được tậphợp ở điện cực Vì vậy dòng điện phát sinh là thước đo nồng độ chất phân tích.Phản ứng quang ion hóa xảy ra như sau: R = hv → R+ + e-

Nếu năng lượng của một phonton đi vào đủ cao, thì sự quang kích có thểxảy ra, 1 điện tử hoàn toàn tách ra khỏi phân tử quỹ đạo – là sự ion hóa Nếu sự ionhóa củ một chất xảy ra, thì dòng diện sinh ra tập trung ở điện cực của bình phảnứng của detector quang ion hóa, tỷ lệ thuận với chính chất đi vào bình phản ứng.Chỉ có các hydrocabua thơm và các chất các nguyên tử dị vòng (tương tự nhưsunlfua hữu cơ và phosphor hữu cơ) mới được xác định bằng detector quang ionhóa, bởi vì chỉ có các chất này mới có khả năng ion hóa trong phạm vi nguồn ánhsáng của các đèn ngoại tử đang có bán trên thị trường Năng lượng của các đèn tửngoại từ 8,3 đến 11,7 ev, có nghĩa là lamda max trong khoảng từ 150nm đến 106

nm Hầu hết các detector quang ion hóa bán trên thị trường chỉ có 1 đèn tử ngoại.Các đèn tử ngoại được thay đổi phụ thuộc vào yêu cầu phân tích.

Phát hiện chọn lọc bằng detector quang ion hóa: thí dụ về sự phát hiện

chọn lọc benzen trong sự có mặt của isopropanol Điểm sôi của benzen 80,10C, khảnăng ion hóa = 9,24 ev - ứng với đèn tử ngoại có năng lượng bằng 9,5 ev ở trongdetector quang ion hóa bởi vì năng lượng này cao hơn khả năng ion hóa của benzen(9,24 ev) Isopropanol có điểm sôi tương tự như benzen (82,50C) và 2 chất này sẽ

ra khỏi cột SKK gần như cùng một thời gian Mặc dù vậy, isopropanol có khả năngion hóa cao hnw năng lượng của đèn tử ngoại (10,15 ev) nên không nhìn thấy hoặccảm ứng rất yếu ở detector quang ion hóa và vì thế chỉ phát hiện nên không nhìnthấy hoặc cảm ứng rất yếu ở detector quang ion hóa và vì thế chỉ phát hiện đượcmột chất là benzen

Hình 4.8 Sơ đồ cấu tạo detector quang ion hóa

Cấu tạo của detector quang ion hóa được trình bày ở hình 25: detectorquang ion hóa là detector SKK không phân hủy vì chỉ có một phần rất nhỏ của chấtphân tích bị ion hóa ở buồng của detector Vì thế có thể nối ống xả từ detectorquang ion hóa với một detector khác (như detector ion hóa ngọn lửa hoặc detectorcộng kết điện tử) để có kết quả phân tích đồng thời bằng 2 detector Nhiệm vụchính ở đây là thiết kế buồng ion hóa và ống nối với detector thứ 2 có thể tích nhỏnhất (đường kính trong nhỏ) để các pic khi tách bằng cột SKK không bị mở rộngtrước khi phát hiện

5 Lựa chọn các điều kiện cho phép sắt ký khí

Để chọn quy trình phân tích sắc ký khí, cần phải biết nguồn gốc và thànhphần mẫu, điều này đặc biệt quan trọng đối với phân tích định lượng Nói chung,mỗi một mẫu đều có thể được phân loại theo thành phần hoặc các đặc tính của cấu

tử theo một trong các nhóm sau:

Nhóm A: các cấu tử có hàm lượng tương tự nhau trong mẫu

Nhóm B: bên cạnh cấu tử chính, mẫu còn chứa một số cấu tử với hàm lượngrất nhỏ (thường gọi là cấu tử vết)

Nhóm C: các cấu tử của mẫu (thuộc nhóm A hoặc B) có điểm sôi rất khácnhau (gọi là hỗn hợp với khoảng sôi rộng)

Nhóm D: các cấu tử của hỗn hợp (nhóm A, B hoặc C) rất phân cực nhưancol với số nguyên tử cacbon thấp, axit béo tự do, các amin bậc 1 và este của axitbéo

Nhóm E: mẫu (nhóm A, B, C hoặc D) tồn tại ở dạng dung dịch

Nhóm F: mẫu có chứa một số thành phần không bay hơi hoặc rất khó bayhơi

Trên cơ sở thành phần của mẫu sẽ quyết định lựa chọn những phương tiệnthiết bị và điều kiện làm việc

Vì vậy không thể kéo dài cột tách một cách tùy ý Riêng về tiết diện cột tách

sẽ do dung lượng cần thiết của mẫu quyết định Trog sắc ký khí điều chế, đườngkính trong của cột tách phải lớn hơn 4mm

Khi sử dụng detetor TCD để phân tích những mẫu thuộc nhóm A hoặc Ccần phải dùng cột có đường kính thật nhỏ, sao cho với những lưu lượng khí mangthấp không làm giãn pic Để giữ tốc độ khí mang u trong cột cố định, đối với cột có

tiết diện nhỏ phải làm giảm lưu lượng dòng khí Trong trường hợp đó, khả năngchịu tải của cột sẽ giảm tỷ lệ thuận với tiết diện cột, tức là lượng mẫu phải giảm.Song nồng độ mẫu trong khí mang vẫn giữ nguyên, do đó các tín hiệu đo đượccũng không bị giảm

Nếu mẫu thuộc nhóm B (phân tích lượng vết) mà vẫn muốn sử dụng detetorTCD (để phân tích các khí vĩnh cửu, hydro, oxy, khí có chứa nitơ như: NO, H2S lànhững chất không thể phát hiện được bằng detector FID) thì phải bơm nhiều mẫu,tải trọng của cột tăng nên bắt buộc cột phải có đường kính lớn hơn Mức độ lớn tùythuộc vào hàm lượng mẫu phân tích (thường đường kính trong của cột tách khoảng4,25 – 6,35mm) Tuy vậy, khi phân tích lượng vết thường sử dụng detetor FID

Khi vận hành với detetor ion hóa (FID, ECD), cần phải tạo ra các dòng chấtlớn có thể được bằng cách tăng tốc độ dòng khí mang nhưng vẫn nằm trong vùngtối ưu Mặt khác cũng cần quan tâm đến các phản ứng xảy ra tại detetor (nếu dòngkhí quá lớn sẽ làm tắt ngọn lửa hoặc ngọn lửa sẽ cháy ở vùng không tối ưu), thôngthường chỉ sử dụng cột có đường kính trong từ 3 – 4mm Với cột mao quản cần lựachọn cột có đường kính trong nhỏ để đạt hiệu suất tối đa Nếu độ tải trọng của cộtmao quản không đáp ứng được yêu cầu tách thì dùng cột mao quản lớp mỏng

Khi dùng cột mao quản, vấn đề tiết kiệm chiều dài cột tách thường ít được

đề cập Với mẫu có hằng số phân bố K khá lớn thì cột mao quản phim mỏng cóchiều dài 25m là thích hợp

5.1.3 Điều khiển nhiệt độ cột tách

Đẳng nhiệt : Đây là phương pháp đơn giản nhất và đặc biệt cần thiết đối vớiviệc xác định các thông số hóa lý Nếu mẫu có chứa ít cấu tử với các hằng số phân

bố tương tự nhau thì phương thức làm việc sẽ cho số thông tin tối đa Mẫu thuộcnhóm C thì thời gian phân tích quá dài cũng như tỷ số giữa chiều cao và độ rộngpic ngày càng bất lợi cho phân tích định lượng Trường hợp này tốt nhất là sử dụngchương trình nhiệt độ

Chương trình nhiệt độ: Chương trình nhiệt độ giúp phân tích hỗn hợp nhóm Cchỉ cần một lượng bơm mẫu

Ưu điểm của phương pháp này là:

- Rút ngắn thời gian phân tích đối với các mẫu có khoảng điểm sôi rộng

- Tỷ lệ giữa chiều cao pic và chiều rộng pic luôn ổn định vì thế thuận lợi cho phântích định lượng Thông thường, các mẫu hợp chất thiên nhiên rất phức tạp nênkhông thể bằng một phương trình tuyến tính thu được kết quả mong muốn mà phải

sử dụng đa phương trình, nghĩa là ở khoảng nhiệt độ giữa chừng có thể giữ đẳngnhiệt cột trong thời gian thích ứng rồi lại tăng tiếp với tốc độ mong muốn Trước vàsau chương trình có thể giữ ở nhiệt độ cố định.

Đối với một số pha tĩnh, khi tăng nhiệt độ cột tách thì dễ bị cuốn đi bởidòng khí, gây ra hiện tượng lệch đường nền gây khó khăn cho việc sử dụng tíchphân kế điện tử Điều này được khắc phục bằng cách sử dụng cột kép, tín hiệu củahai cột được phân cực trái dấu nhau nên bù trừ được việc pha tĩnh bay hơi Tuyvậy, khi sử dụng chương trình nhiệt độ cần lưu ý đến các điểm sau đây:

Nhiệt độ của buồng điều nhiệt phải được điều chỉnh với tốc độ thích ứngnhư chương trình quy định Hiện nay chưa có máy sắc ký nào làm việc chính xácvới tốc độ nhỏ hơn 0,3o C /phút và lớn hơn 24o C/phút Thực tế cột nhồi thườngdùng với tốc độ 5 20 o C/phút, cột mao quản là 0, 25 2,5 o C/phút

Việc làm nguội buồng điều nhiệt cần phải được tiến hành nhanh chóng, vàthường làm nguội sâu hơn nhiệt độ làm việc ban đầu để quá trình thực hiện chươngtrình mới nhanh chóng ổn định, vì khi cửa buồng điều nhiệt nóng, nhiệt trong cáctấm cách nhiệt lại phả ra

Nhiệt độ của buồng bay hơi mẫu cần phải được đưa lên cao, độc lập vớinhiệt độ của buồng điều nhiệt nhằm làm sự bay hơi mẫu ổn định và lặp lại cho dùnhiệt độ tăng hay giảm

Khí mang sử dụng phải tinh khiết, nếu không các tạp chất sẽ tích tụ trướchết ở phần đầu của cột tách Khi nhiệt độ của cột tăng lên nó sẽ vận chuyển qua cộtgây ra pic lạ bất ngờ

Sử dụng cột nhồi cần lưu ý đến độ dày của thành cột để đảm bảo truyềnnhiệt tốt và đường kính cột không quá lớn (thường sử dụng cột có đường kính3mm) để đảm bảo cho độ chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài cột tách là ít nhất Cộtmao quản thích hợp với chương trình nhiệt độ hơn so với cột nhồi

Riêng trong trường hợp pha tĩnh là tinh thể lỏng, cần phải lưu ý cả nhiệt độchặn dưới bởi vì hiệu quả tách cao nhất chỉ thể hiện trong trường hợp pha tĩnh ởtrạng thái tinh thể lỏng Ví dụ: đối với metoxietoxiazo xibenzen là 96 - 1220C.

Với pha tĩnh là cao su silicon, khi sử dụng detetor FID thì nhiệt độ cột táchphải thấp hơn nhiệt độ chặn vài chục độ vì trong trường hợp này một phần pha tĩnhthoát ra khỏi cột sẽ cháy trong ngọn lửa hydro tạo thành SiO2 gây bẩn hai bản điệncực và làm tắc đầu phun, điều đó sẽ làm giảm độ nhạy và nhiễu đường nền

Trong trường hợp sắc ký điều chế, pha tĩnh có thể bị kéo theo vào bình hứngmẫu và ngưng tụ ở đó làm bẩn các chất thu được nên phải tinh chế lại

5.3 Chọn và phối hợp detector

Việc lựa chọn detetor là một trong những vấn đề rất khó và phụ thuộc vàonhiều thông số

- Đối với cột mao quản thường sử dụng detetor FID

- Các detetor dẫn nhiệt cỡ nhỏ cho đến nay hầu như không được sử dụng vìchúng quá nhạy với sự thay đổi tốc độ Đó cũng là một khó khăn khi muốn pháthiện một số loại khí như CO, CO2, H2O nếu dùng cột mao quản

Đối với mẫu thuộc nhóm B hoặc C thì nên dùng detetor FID vì có phạm vi tuyếntính lớn và không nhạy cảm với sự thay đổi lưu lượng dòng khí nhất là trongtrường hợp sử dụng chương trình nhiệt độ Để phát hiện các mẫu đặc thù phải sửdụng detetor đặc trưng tương ứng

Ví dụ, để phát hiện hợp chất chứa halogen trong thuốc trừ sâu, chất độc,…cần phải sử dụng detetor ECD, để phát hiện các hợp chất chứa lưu huỳnh vàphotpho phải dùng detetor FPD

Nhằm phát hiện một cách hiệu quả các chất cần tách, đôi khi có thể sử dụngkết hợp hai hoặc nhiều detetor cùng một lúc Ví dụ, kết hợp FID cới TCD, FID vớiECD, kết hợp với sự giúp đỡ của bộ chia dòng lối ra và máy tự ghi nhiều kênh.Trong sắc ký mao quản, thường sử dụng bộ chia dòng lối vào nhằm để khống chếlưu lượng khí mang và lượng mẫu bơm vào cột

5.4 Chọn khí mang

Việc lựa chọn khí mang trước hết phụ thuộc vào detetor sử dụng

- Với detetor TCD, tốt nhất là dùng hêli hoặc hydro

- Với detetor FID thì dùng nitơ là đủ

Gần đây, hydro được sử dụng nhiều làm khí mang vì nó có độ nhớt thấp,đặc biệt trong sắc ký mao quản