Phương pháp sắc kí khí

Nguyên tắcCác bộ phận của hệ thống sắc kí khíCác yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả tách chấtỨng dụng

SẮC KÝ KHÍ

(GAS CHROMATOGRAPHY)

Tách riêng từng cấu tử của mẫu do

sự phân bố giữa pha tĩnh và pha động

NGUYÊN TẮC

CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG

SẮC KÝ KHÍ

CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG

SẮC KÝ KHÍ

•  Khí mang (carrier gas)

•  Bộ phận đưa mẫu vào máy (injector)

•  Cột sắc ký (column)

•  Bộ phận phát hiện tín hiệu (detector)

CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG

SẮC KÝ KHÍ (tt)

•  Khí mang (carrier gas)

– H2, He, N2, CO2, Ar, …

• H2, He: cột mao quản (capillary column)

• N2: cột nhồi (packed column)

– Đóng vai trò pha động

– Phải có tính trơ: không tác dụng với nguyên liệu nhồi cột, mẫu phân tích

– Độ tinh khiết: 99,999%

Đồng

hồ đo

áp suất

•  Inlet: áp suất cao (3000 psi = 20,7MPa)

•  Outlet: áp suất thấp

Khí mang (carrier gas)

•  Tốc độ dòng khí mang

– Tốc độ phải được điều khiển chính xác

–  Giảm tối thiểu sai lệch của detector

– Capillary column: µL/phút tới 1 mL/phút

•  Tốc độ sẽ giảm khi tăng nhiệt độ của cột

– Độ nhớt tăng theo nhiệt độ

CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG

SẮC KÝ KHÍ

•  Bộ phận đưa mẫu vào máy (injector)

Bộ phận đưa mẫu vào máy

buồng bay hơi

•  Bay hơi mẫu

ngay lập tức

•  Mẫu khí/lỏng

CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG

SẮC KÝ KHÍ

•  Bộ phận đưa mẫu vào máy (injector)

Bộ phận đưa mẫu vào máy

(injector)

•  Khí mang đưa

mẫu vào phía

Bộ phận đưa mẫu vào máy

(injector)

•  Gia nhiệt cổng

tiêm mẫu:

– Làm bay hơi

mẫu (cao hơn

điểm sôi của

analyte 500C)

– Đủ thấp để

k h ô n g l à m

thoái hóa cột

Bộ phận đưa mẫu vào máy

CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG

SẮC KÝ KHÍ

•  Cột sắc ký (column)

•  Thực hiện sắc ký với chương trình đẳng nhiệt (isothermal) hoặc chương trình nhiệt thay đổi (programmed temperature)

•  Có hệ thống máy tính để ra lệnh phân tích mẫu với chương trình mong muốn

Cột sắc ký (column)

•  Chứa pha tĩnh:

Cột sắc ký (column)

•  Cột nhồi (packed)

§ Máy bay hơi nhanh

•  Cột mao quản (capillary)

§ Chia nhỏ ra: 1-2%, độ tách sẽ cao hơn

§ Không chia nhỏ: ~ 100%, ngược lại (dạng vết)

Chọn pha tĩnh ?

•  Dựa vào các tiêu chí sau:

– Áp suất bay hơi thấp

Điều quan trọng nhất khi chọn

pha tĩnh là gì ?

Tính phân cực của pha tĩnh

• Chất phân cực cho analyte phân cực

• Chất không phân cực cho analyte không phân

cực

• 

phenol, amin, khí có tính acid,…)

• 

• 

Cột mao quản

•  Phổ biến và hiệu quả nhất

•  Độ tách cao (N>100000)

•  Lớp ngoài: được làm từ silica

– Trơ, linh hoạt, khỏe và dễ sử dụng

•  Lớp trong: cột là một ống mở

– Ít gây cản trở cho dòng chảy

– Có thể thiết kế dài thêm (> 100 m)

•  Pha tĩnh là lớp chất lỏng mỏng, đồng nhất được phủ lên vách ống

Cột mao quản hở (wall coated open tubular, WCOT)

•  Dài 10 – 100m, đường kính trong 0.1 –

0.7mm

•  (1): lớp polymer

(VD: polyimid)

giúp cột bền nhiệt

•  (2): đồng, thép

không rỉ, thuỷ tinh,

thuỷ tinh silica

Cách chọn cột ?

•  Dựa vào các thông số chính sau:

– Kích thước: đường kính trong - ngoài, dài,

– Điều kiện: nhiệt độ, tốc độ dòng

– Thành phần: thành phần pha tĩnh, khí mang

•  Chọn loại cột trước sau đó mới đến kích thước

•  Chọn loại pha tĩnh có độ phân cực gần với độ phân cực của mẫu chất cần phân tích

•  Pha tĩnh phân cực

– Các chất phân cực: hòa tan tốt và được pha tĩnh giữ chặt, thứ tự giải ly ra khỏi cột của các hợp chất đồng đẳng sẽ theo thứ tự nhiệt

độ sôi

– Các chất kém phân cực: ít hòa tan, ít bị giữ bởi pha tĩnh → giải ly ra khỏi cột trước các hợp chất phân cực có cùng nhiệt độ soi

Ảnh hưởng của đường kính cột

Ảnh hưởng của chiều dài cột

Packed Capillary Đường kính trong

Ưu điểm Giá thấp hơn Hiệu quả cao hơn

Dễ làm hơn Nhanh hơn

Dễ sử dụng hơn Trơ hơn Lượng mẫu lớn hơn Cần ít cột hơn

Cố định khí tốt hơn Tốt hơn cho hỗn hợp

phức tạp

So sánh Capillary và Packed

- Nhiều peak

hơn

Điều kiện nhiệt độ

•  Nhiệt độ của lò:

–   Cài đặt bởi người dùng, phụ thuộc vào

loại cột và analyte

– Không nên cao hơn điểm sôi của analyte

•  Nhiệt độ cột quá cao:

– Các hợp chất được giải ly cùng một thời

điểm

•  Nhiệt độ cột quá thấp:

– Thời gian lưu lâu → peak mất cân đối, biến dạng

Đầu dò (detector)

•  Theo dõi khí mang lúc nó đi ra khỏi cột, ghi nhận thành tín hiệu tương ứng khi có sự thay đổi trong thành phần khí mang

•  Sắc ký đồ: biểu đồ ghi nhận các tín hiệu xuất hiện theo thời gian, các tín hiệu có cường độ tương ứng với nồng độ của mỗi hợp chất có trong khí mang

Các loại đầu dò

•  MS

•  Ion hoá ngọn lửa (flame ionization detector, FID)

•  Nitrogen – phosphor (nitrogen – phosphorous

detector, NPD)

•  Trắc quang ngọn lửa (flame photometric detector, FPD)

•  Quang ion hóa (photoionization detector, PID)

•  Bắt điện tử (electron capture detector, ECD)

•  Dẫn nhiệt (thermal conductivity detector, TCD)

Loại detector Loại mẫu Giới hạn phát hiện

Đặc tính một số detetor

Đầu dò dẫn nhiệt ( T hermal C onductivity D etector )

•  Bộ phận căn bản:

– Dây tóc đèn bằng bạch

kim/tungsten/hỗn hợp

tunsten với rhenium →

nhạy cảm với nhiệt độ

– Đặt tại đầu ra của cột

– Được nung nóng bởi dòng

điện có cường độ không

đổi, bị làm lạnh bởi He

•  Nguyên tắc: khi chất khí đi ra khỏi cột sắc ký

sẽ có độ dẫn nhiệt khác với khí mang (He)

•  Khi một hợp chất phân tích (thể khí) được giải

ly ra khỏi cột, do độ dẫn nhiệt của các khí này khác với độ dẫn nhiệt của He, nên sợi tóc đèn

bị làm nguội ở nhiệt độ khác

→ hiện tượng nhiệt thay đổi → điện trở của sợi

tóc đèn thay đổi, điện áp giảm, tạo ra 1 mũi tín hiệu (peak) được ghi lên sắc ký đồ

Đầu dò dẫn nhiệt ( T hermal C onductivity D etector) (tt)

Đầu dò ion hóa ngọn lửa ( F lame I onization D etector)

Đầu dò ion hóa ngọn lửa ( F lame I onization D etector)

– HCHO, HCOOH: cho tín hiệu yếu

– Thiêu hủy mẫu nên không sử dụng cho sắc

ký điều chế

Đầu dò ion hóa ngọn lửa ( F lame I onization D etector) (tt)

Đầu dò bắt điện tử ( E lectron C apture D etector)

• 

– 

63

– 

•  Mẫu cần phân tích (thuốc trừ sâu): bắt giữ

e → tạo các gốc tự do và các ion thứ cấp

có năng lượng thấp hơn → giảm dòng

điện → tín hiệu peak

•  Phát hiện: mẫu chứa Cl, chất làm dẻo,

cloroflourocarbon, thuốc trừ sâu, diệt cỏ (DDT), NOx, SO2

Đầu dò bắt điện tử ( E lectron C apture D etector) (tt)

Đầu dò nito – phospho

Đầu dò trắc quang ngọn lửa

Sắc ký khí ghép khối phổ

GC-MS

•  Xác định cấu trúc hóa học của hợp chất cần khảo sát

•  Dòng khí thoát ra khỏi GC được cho vào

buồng ion hóa của máy khối phổ

•  So sánh với phổ chuẩn (library)

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN

HIỆU QUẢ TÁCH CHẤT

•  Áp suất hơi của một hợp chất

– Định nghĩa: là áp suất tạo ra bởi những phân

tử của 1 chất khí ở điều kiện cân bằng với

những phân tử của chính nó nhưng ở thể lỏng – Là số đo cho biết khả năng của những phân

tử chất lỏng có thể biến đổi từ thể lỏng sang thể khí

• Hợp chất có MW nhỏ, tính phân cực kém:

áp suất hơi lớn

Bảng: liên quan giữa as hơi và thời gian lưu của hợp chất trong cột sắc ký khí

Áp suất hơi của

hợp chất

Khả năng hòa tan vào pha tĩnh

Thời gian lưu

•  Mối liên quan giữa nhiệt độ cột và thời gian lưu

Ưu điểm của phương pháp GC

Ø Phân tích nhanh (tính theo phút, thậm chí là theo giây)

Ø Có thể tự động

Ø Lượng mẫu nhỏ

Ø Khả năng tách cao (thường tính theo ppb, ppm)

Ø Đơn giản, và không đắt

Ø Cho phép kết hợp với kỹ thuật khác

Ø Độ chính xác cao

Hạn chế của GC

bay hơi của mẫu

•  Không thích hợp cho mẫu dễ bị phá hủy bởi nhiệt

•  Cần máy quang phổ để xác định độ đồng nhất

của các peak

– Các hợp chất tính kiềm: acid citric, acid

maleic,… cột OV17 hoặc tương đương)

– Flavonol, cafein (cột OV 101)

– Hợp chất bay hơi có chứa nhóm carbonyl: vanillin (cột Carbowax 20M)

Phân tích môi trường

•  Ứng dụng rộng rãi: bụi, thuốc trừ sâu, diệt cỏ, phế liệu, chất thải, phân tích các chất ô nhiễm trong nước sinh hoạt và

nước thải

– Hợp chất chứa clo (ECD)

– Hợp chất hữu cơ phospho, carbamat (FPD)