bài tập lớn thiết bị đo y sinh đề tài sắc ký khí

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (882.58 KB, 61 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

---BÀI TẬP LỚNTHIẾT BỊ ĐO YSINHĐỀ TÀI : SẮC KÝ KHÍ

Giảng viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Thị Lan HươngNhóm 3Sinh viênMSSV1. Phạm Ngọc Lam Trường201701512. Hà Văn Đạt201737343. Nguyễn Đức Toản20174275Hà Nội, 05/2021MỤC LỤCChương 1: Nhập mơn sắc ký khí và những khái niệm cơ bản...4

1.1 Sự lưu giữ...4

1.2 Năng suất cột tách...8

1.3 Hiệu quả cột tách...10

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

1.4 Phương trình Van Deemter...12

2.3 Hệ thống tiêm mẫu (Sample Injection system)...16

2.3.1 Buồng tiêm dùng cho cột nhồi...17

2.3.2 Buồng tiêm dùng cho cột mao quản...17

2.4 Cột sắc ký...19

2.4.1 Cột nhồi (packed column)...20

2.4.2 Cột mao quản (capillary)...23

2.4.3 Pha tĩnh...26

2.5 Lò cột và chương trình nhiệt độ (Columnoven)...34

2.6 Đầu dị (Detector)...37

2.6.1 Dectector dẫn nhiệt (thermal conductivity dectector)...39

2.6.2 Detector ion hóa ngọn lửa (flame-ionization detector):...41

2.6.3 Detector cộng kết điện tử (electron capture dtector):...43

2.6.4 Detector phát xạ nguyên tử (atomic-emission detector):...47

2.6.5 Detector quang kế ngọn lửa (flame photometric GC detector)...48

2.6.6 Detector quang hóa ion (photoionization detector)...50

3.5 Chọn phương pháp tiêm mẫu...60

3.6 Chương trình hóa nhiệt độ và áp suất...61

Chương 4. Phương pháp định lượng và định giác bằng GC...64

4.1 Phân tích định tính...64

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

4.2 Phân tích định lượng...65

4.2.1 Một số nguyên nhân gây ra sai số...65

4.2.2 Các phương pháp tính toán định lượng...66

Chương 5. ỨNG DỤNG CỦA GC...69

5.1 Ứng dụng của GC tại CASE...69

5.2 Hệ thống sắc ký khí ghép khối phổ đầu dò Ion Trap(CASE)...70

5.2.1. Nguyên tắc hoạt động hệ thống sắc ký khí ghép khối phổ (GCMS – Gas Chromatography Mass Spectrometry)...70

5.2.2. Cấu tạo đầu dò khối phổ đầu dò bẫy ion (Ion trap)...71

5.2.3. Ứng dụng hệ thống Thermo Polaris Q...72

Tài liệu tham khảo...74

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

DANH MỤC HÌNH Ả

Hình 1. 1 Sắc đồ đẳng nhiệt đặc trưng cho một quá trình sắc ký...6

Hình 1. 2 Mối tương quan giữa chiều rộng của pic tại các độ cao khác nhau với độ lệch chuẩn σ của đường cong hình Gauss...10

Hình 1. 3 Sơ đồ biểu diễn độ phân giải Rs...12

Hình 1. 4 Sự phụ thuộc của chiều cao đĩa lý thuyết h (cũng như của độ làm dỗng pic) vào tốc độ khí mang theo phương trình Van Deemter...14YHình 2. 1 Sơ đồ khối của một máy sắc ký...15

Hình 2. 2 Hệ thống tiêm mẫu cho cột nhồi và cột mao quản...17

Hình 2. 3 Hệ thống tiêm mẫu có chia dịng, khơng chia dịng và tiêm mẫu vào cột...19

Hình 2. 4 Cột nhồi và cột mao quản...20

Hình 2. 5 Cấu tạo của một số cột sắc ký...20

Hình 2. 6 Cột mao quản được làm bằng polyamide và fused silica...24

Hình 2. 7 Minh họa cấu trúc bên trong của các cột nhồi và cột mao quản...24

Hình 2. 8 Khả năng tách trên 3 cột...26

Hình 2. 9 Quá trình Silan hóa của chất mang pha tĩnh...28

Hình 2. 10 Biến tính bề mặt fused silica...28

Hình 2. 11 Các pha tĩnh thường sử dụng trong GLC Ảnh hưởng của độ phân cực của pha tĩnh đến thời gian lưu...29

Hình 2. 12 Sắc ký đồ của một số cột mao quản với các pha tĩnh...31

Hình 2. 13 Ảnh hưởng của đường kính cột và bề dày lớp phim...34

Hình 2. 14 Lị cột...35

Hình 2. 15 Sắc ký đồ ở hai chế độ: Isothermal và Temperature Programming...36

Hình 2. 16 Các vùng có gia nhiệt của hệ GC...37

Hình 2. 17 Cấu tạo detector dẫn nhiệt...40

Hình 2. 18 Detector ion hóa ngọn lửa...41

Hình 2. 19 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của detector ion hóa ngọn lửa (FID)...42

Hình 2. 20 Detector cộng kết điện tử...44

Hình 2. 21 Detector cộng kết điện tử theo kiểu hình trụ đồng trục...45

Hình 2. 22 Detector phát xạ nguyên tử...47

Hình 2. 23 Detector quang kế ngọn lửa...48

Hình 2. 24 Sơ đồ khối detector quang kế ngọn lửa hydro...49

Hình 2. 25 25 Detector quang hóa ion (photoionization detector)...50

Hình 2. 26 Hệ thống ghi nhận và xử lý số liệu5Hình 4. 1 Phân tích định tính bằng cách so sánh thời gian lưu với chất chuẩn6Hình 5. 1 Sơ đồ cấu tạo đầu dị khối phổ...69

Hình 5. 2 Cấu tạo đầu dị khối phổ bẫy ion...70

Hình 5. 3 Cấu tạo đầu dị khối phổ bẫy ion...71

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

Chương 1: Nhập mơn sắc ký khí và những khái niệm cơ bản

Ngày nay sắc ký khí (Gas Chromatography) đã trở thành một trong những phương phápsắc ký quan trọng nhất để tách, xác định cấu trúc, nghiên cứu các thơng số hóa lý như hệsố hoạt độ, entanpi, nhiệt hóa hơi, hệ số khuếch tán phân tử, động học xúc tác … Tuynhiên hiện nay kỹ thuật sắc ký khí có tốc độ phát triển chậm đi so với kỹ thuật sắc ký khílỏng cao áp (HPLC) nhưng nó vẫn 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 Keulemann vàcác cộng tác viên. Từ đó, kỹ thuật sắc ký khí được hồn chỉnh và phát triển mạnh.

Như vậy, khơng khí thường được sử dụng để xác định thời gian chết trong detectơ dẫnnhiệt (TCD) vì khơng khí cho tín hiệu trong detectơ này. Với detectơ ion hóa ngọn lửa(FID) thì khơng khí lại khơng cho tín hiệu nên viêc xác định thời gian chết được thựchiện bẳng cách dùng một cấu tử nhẹ nhất cho tín hiệu, đó là mêtan. Trong trường hợpkhơng sử dụng được khơng khí và khơng có mêtan thì có thể xác định thời gian chết từthời gian lưu của 3 cấu tử thuộc cùng một dãy đổng đẳng.

Sắc đổ là một giản đồ được trình bày theo khơng gian hai chiều và có thể đánh giá sắc đồtheo hai hướng khác nhau của hệ tọa độ.

Khoảng cách từ giữa đinh pic đến điểm bơm mẫu E (tính theo đơn vị thời gian) được địnhnghĩa là thời gian lưu . Nếu gọi F là lưu lượng dịng khí mang thì có thể xác định thể tíchlưu như sau:

Tương tự như vậy

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

Trong đó, được goi là thể tích chết. Thể tích chết của thiết bị sắc ký bao gồm 3 yếu tố:thể tích của pha động trong bản thân cột sắc ký, thể tích rỗng của các chi tiết nối giữa cộtvới detectơ và thể tích tế bào đo của detectơ.

Hình 1. 1 Sắc đồ đẳng nhiệt đặc trưng cho một quá trình sắc ký

E: điểm bơm mẫuG: pic của khí trơ

Do trở kháng của cột tách nên áp suất đầu cột bao giờ cũng lớn hơn áp suất cuối cột, vàcó sự giảm áp suất trên suốt chiều dài cột tách. Giả sử như khí mang khơng có đặc tính dễbị nén, thì có mối quan hệ tuyến tính giữa lưu lượng dịng khí và độ giảm áp suất trênsuốt chiều dài cột tách. Nhưng do khả năng dễ bị nén của chất khí, lưu lượng của khímang tăng nhanh hơn so với mức độ tăng lên của độ giảm áp suất. Vì vậy, để loại trừ sựphụ thuộc của lưu lượng dòng F (cũng như của thể tích lưu ) vào độ chênh lệch áp suấtđầu cột, phải sử dụng hệ só hiệu chinh j (hệ số Martin).

: áp suất đầu cột : áp suất cuối cột

Mặt khác, để có thể so sánh các đại lượng lưu giữ được đo ở các diểu kiện phịng thínghiệm khác nhau (nhiệt độ, áp st), cần phải hiệu chỉnh lưu lượng dịng theo cơng thứcsau:

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

Trong đó

: Lưu lượng dịng hiệu chỉnh : lưu lượng dòng đo ở cuối cột tách : nhiệt độ cột tách

: nhiệt độ phòng : áp suất phòng

: áp suất hơi nước tại nhiệt độ phịngTừ đó ta có:

Đói với các phép đo hóa lý cịn sử dụng khái niệm thể tích lưu riêng . Đó chính là giá trịpha tĩnh và qui về

: khối lượng pha tĩnh

Áp dụng định luật Rault và Henry cho trường hợp sắc ký khí - lỏng (pha tĩnh là một lớpphim mỏng bao quanh chất mang rắn) sẽ có mối tương quan giữa và (hệ số hoạt độ củachất tan trong dung mơi là pha tĩnh ở nồng độ vơ cùng lỗng):

-Khi mẩu đi vào cột sắc ký, chúng nhanh chóng phân bố giữa hai pha, pha lịng (tĩnh) vàpha khí (đọng). Q trình đó được thể hiện bằng hệ số phân bố K :

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

Trong đó:

n : số mol của chất tan

V : thể tích tồn thể của pha tĩnh trong cột tách

K : hằng số phận bố, chỉ phụ thuộc vào bản chất của chất tan, pha fĩnh và nhiệt độ màkhông phụ thuộc vào kiểu cột tách

k: hệ số dung lượng , là đại lượng biểu diễn mối tương : hệ số pha (

Môi liên hệ giữa thể tích lưu và hẳng số phân bố K được biểu thị bằng phương trình:Trong đó

: thể tích của pha động (khí) : thể tích của pha tĩnh (lỏng)

Tương tự như vậy, có thể nhận được mối tương quan giữa thời gian lưu và hằng số phânsố K như sau:

Với L : chiểu dài cột tách: tốc độ trung bình của khí mang

Từ phương trình ( 1.13 ) và ( 1.16 ), có thể xác định được hẳng số phân bố K từ các giá trịlưu giữ và , nếu biết các giá trị thể tích của pha động và pha tĩnh .

1.2 Năng suất cột tách

Độ rộng của một pic sắc ký trong trường hợp bơm mấu lý tường chỉ phụ thuộc vào năngsuất tách của cột và thời gian lưu. Năng suắt tách của cột sắc ký được thể hiện qua số đĩalý thuyết n và được xác định như sau:

: thời gian lưu của chất tan : độ lệch chuẩn của pic sắc kí

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

Hình 1. 2 Mối tương quan giữa chiều rộng của pic tại các độ cao khác nhau với độ lệchchuẩn σ của đường cong hình Gauss

Trong trường hợp lý tường, pic sắc ký có dạng hình Gauss thì có thể biểu diễn độ rộngcủa pic tại điểm uốn, tại một nửa chiểu cao pic và tại đáy pic như sau:

Tại điểm uốn Tại một nửa chiều cao Tại đáy pic

Do vậy, có thể thiết lập mối quan hệ giữa số đĩa lý thuyết n với các đại lượng trên như sau:

Nếu gọi chiều cao của một đĩa lý thuyết là h và chiều dài tồn thể của cột là L thì ta có :Trong sắc ký khí cột nhồi, có thể chế được những cột tách có số đĩa lý thuyết tới 3000đĩa/m, tương ứng với chiều cao một đia lý thuyết khoảng 0,2 -0,5 mm. Những cột táchnhư vậy có thể tạo ra những pic rất hẹp, ngay với cả thời gian lưu khá lớn.

1.3 Hiệu quả cột tách

Để đánh giá hiệu quả một cột tách sắc ký, có thể sử dụng nhiều đại lượng khác nhau.Trước hềt phải nói đến "số phân tách". Khái niệm này được ký hiệu là TZ là chữ viết fắ

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

của thuật ngữ tiếng Đức "Trennzahl". TZ được định nghĩa là sự phân giải giữa hai thànhviên liền nhau của dãy đồng đẳng n-parafin

Trong thực tế, TZ chính là số lượng pic có thể chiếm chỗ trong khoảng cách giữa hai piccủa hai cấu tử . Khái niệm TZ rất gần với độ phân giải và được định nghĩa như sau :Do

Nên

Trong trường hợp R=1 hai pic có độ lớn tương tự nhau được phân tách khỏi nhau khoảng95%. Cịn nếu R=1.5 thì sự phân giải được coi là hồn tồn 99,7 %.

Hình 1. 3 Sơ đồ biểu diễn độ phân giải Rs

Nếu gọi là hệ số tách tương đối, thì có thể biểu diễn sự liên quan giữa và n trong phươngtrình sau:

Từ đó có thể xác định được số đĩa lý thuyết cần thiết đối với một yêu cầu tách nhất địnhđể đạt được độ phân giải như mong muốn. Và khi đã xác định được số đĩa lý thuyết cầnthiết, thì có thể tính được chiều dài cột sắc ký tối thiểu lầ bao nhiêu theo phương trình:

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

Trong trường hợp được thay bằng sẽ thu được số đĩa lý thuyết hiệu dụng Từ đó suy ra độ cao hiệu dụng của một đia lý thuyết H là:

Do nên ta có:

Như vậy, muốn tăng hiệu suất phân giải Rs giữa hai pic lên gấp hai lần thì phải tăng sốđĩa lý thuyết N lên gấp 4 lần.

1.4 Phương trình Van Deemter

Từ lý thuyết đĩa, có thể xác định được các đại lượng đặc trưng quan trọng là n (số đĩa lýthuyết) và h (độ cao của một đĩa lý thuyết) nhưng không cho biết về ảnh hưởng cảu cácđiều kiện làm việc (nhiệt độ, áp suất, tốc độ dịng,…đến các đại lượng nói trên. Chỉ saukhi có sự hỗ trợ của lý thuyết động học ("rate theory"), đặc biêt là với sự ra đời củaphương trình Van Deemter, thì mọi ảnh hưởng của các thêng số thực nghiệm lên các đạilượng nói trên mới trở nên sáng tỏ. Phương trình Van Deemter được biểu diễn như sau:Trong đó

: tốc độ trung bình dịng khí mang : độ khơng đồng nhất của chất nhồi cột : đường kính trung bình của hạt chất mang : hệ số Labyrinth về đường đi của khí trong cột : hệ số khuếch tán phân tử trong pha khí : hệ số khuếch tán phân tử trong pha lỏng : hệ số dung lượng

: độ dày của lớp phim pha tĩnh trên chất mang

Trong đó A đại diện cho sự khếch tán tán xạ (còn gọi là khuếch tán Eddy), cho nhữngthông tin về đường đi khác nhau của khí do chất nhồi cột quyết định. Cịn B thì chonhững chỉ dẫn về sự khuếch tán phân tử trong pha khí. Đại lượng C biểu thị trở kháng củacột trong quá trình chuyển khối trong pha động cũng như trong pha tĩnh. Sơ đồ biễu diễnsự phụ thuộc của h vào cả 3 thành phần nói trên được trình bày trong hình 1.6

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

Hình 1. 4 Sự phụ thuộc của chiều cao đĩa lý thuyết h (cũng như của độ làm doãng pic) vàotốc độ khí mang theo phương trình Van Deemter

Nếu lấy vi phân của phương trình (1.36) và gán cho nó giá trị 0 sẽ nhận được gía trị tốiưu cho tốc độ khí mang và cho độ cao của cột đĩa lý thuyết ( hoặc )

Năng suất tách cột sắc ký đạt được giá trị tối ưu khi tốc độ khí mang là . Trong thực tế,tốc độ khí mang thường được chọn lớn gấp đơi so với , bởi vì tuy có thiệt ít nhiều về năngsuất tách nhưng lại lợi hơn hẳn về thời gian phân tích. Sở dĩ có thể làm như vậy là nhờ độdốc của nhánh bên phải đường cong Van Deemter (hình 1.6) thường nhỏ hơn nhiều so vớithì chỉ làm giảm không đáng kể năng suất tách của cột. trong khi đó thời gian phân tíchmẫu có thể giảm đi nhiều. Điều này được thể hiện rõ nét hơn trong trường hợp sử dụnghydro làm khí mang, đặc biệt trong sắc ký khí mao quản. Bởi vì khí đó nhánh bên phảicủa đường cong Van Deemter cịn chỗi hơn nhiều, gần như nằm song song với trụchoành.

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

Chương 2: Hệ thống sắc ký khí2.1 Thiết bị

Hiện nay, hơn 30 nhà sản xuất cung cấp ra thị trườngkhoảng 150 mẫu khác nhau của thiết bị sắc kí khí.

Trong thập niên 70, các bộ tích phân kế điện tử và xử lý sốliệu dựa trên máy tính trở nên thơng dụng.

Thập niên 80 đã xuất hiện các thiết bị sắc kí khí với cácthơng số như nhiệt độ của cột, tốc độ dòng, tiêm mẫu,được điều khiển bằng máy tính với giá cả vừa phải; và có lẽquan trọng nhất là sự phát triển của các cột có khảnăng tách những mẫu phức tạp có chứa nhiều cấu tử trongmột khoảng thời gian ngắn.

Hình 2. 1 Sơ đồ khối của một máy sắc ký

2.2 Hệ thống cấp khí mang2.2.1. Hệ thống cấp khí mang

Hệ thống cung cấp khí mang bao gồm các bộ điều chỉnháp suất (pressure regulators), các thiết bị đo áp suất (gauges),và thiết bị đo tốc độ dịng (flowmeter). Hệ thống khí mang cịnchứa một hệ thống lọc phân tử để tách nước và các chất nhiễmbẩn khác. Tốc độ dịng được kiểm sốt bởi các bộ điều chỉnh ápsuất hai giai đoạn được lắp vào các bình chứa khí mang.

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

Hình 2. 8 Khả năng tách trên 3 cột

(i) cột nhồi – 2m x ¼ inch;

(ii)cột wide bore 10m x 0.53mm x 2.5um HP 50;

(iii) cột narrow bore 25m x 0.25mm x 0.25um Cabowax -20M2.4.3 Pha tĩnh

Pha tĩnh chia làm 2 loại: pha tĩnh rắn và pha tĩnh lỏng. Hailoại hạt được nhồi vào trong cột, là chất hấp phụ (Adsorbent)vàchất mang (Support) phủ pha tĩnh. Các hạt phải đồng nhất vàthường có đường kính 30/40 Mesh hay 100/120 Mesh. Yêu cầuchung cho pha tĩnh là ít bay hơi, bền nhiệt, trơ về mặt hóa học.

a. Pha tĩnh rắn

Pha tĩnh rắn cho cột nhồi: thường dùng là Diatomic,

Molecular sieve, Prorapak, Chromosorb, Tenax…Pha tĩnh rắn có

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

vài ưu điểm hơn pha tỉnh lỏng:

- Chất hấp phụ rắn bền và ổn định trong một khoảng nhiệt độ lớn.- Không xảy ra hiện tượng chảy máu cột (Bleeding), đặc biệt

là đối với các chất hâp phụ vô cơ và rây phân tử (MolecularSieve)

- Tách rất tốt các Hydrocacbon nhẹ, các khí hiếm, khí trơ và cácAlcol...

Pha tĩnh rắn cho cột PLOT: về căn bản giống như pha tĩnhtrong cột nhồi. Tuy nhiên kích thước hạt nhỏ hơn (≤ 1µm) và cóđộ đồng nhất cao hơn nên dễ phủ lên bề mặt cột mao quản FusedSilica.

S bềmặt và hệ số tải lớn (như cột nhồi) nhưng độ dài cột dàihơn nên hiệu quả tách, độ ổn định và độ lặp lại cao hơn cộtnhồi. Đồng thời vho phép phân tích những hợp chất rất phâncực mà cột WCOT không phân tích được hoặc rất khó phân tích.

Các chất hấp phụ thường sử dụng

- Alumina (Al2O3): Hoạt hóa ở 200°C – 1h, tách khí và cáchyrocacbonđến C5, kích thước hạt: 100/120 mesh, kíchthước lỗ xốp:1 Å - 100 Å.

- Silica (SiO ): 2 dùng khi tách các khí có M nhỏ và các

thước lỗ xốp trung bình: 22 Å

Bề mặt riêng 100m /g kích thước lỗ xốp trung binh: 300 Å.2

- Zeolite: Tách các khí có M nhỏ bằng phương pháp loại trừ(exclusion):Rây phân tử (molecular sieves).Các zeolite kíhiệu5A và 13Xthường được sử dụng để tách H , O22,N2, CH ,4

CO, Ar, Ne…

Sử dung các nhóm Silanol (≡Si-OH) và dùng phương pháp tẩm (slurry

method of coating) để chuyển chất hấp phụ lên chất mang

Hexamethyldisilazane + ≡Si-OH ⇒gốc trimethylsilyl

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

Hình 2. 9 Quá trình Silan hóa của chất mang pha tĩnh

Biến tính bề mặt fused silica

Độ phân cực (polar) của các gốc Silanol trên bề mặt- Phân cực: -CN, -CO và –OH

- Không phân cực: Hydrrocacbon (dialkyl siloxane)- Phân cực lớn: Polyester

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

Hình 2. 10 Biến tính bề mặt fused silica

Hình 2. 11 Các pha tĩnh thường sử dụng trong GLC Ảnh hưởng của độ phân cực của phatĩnh đến thời gian lưu

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

- Nó cũng phải bền hóa học và có áp suất hơi bão hịa thấp ởtại các nhiệt độ cao. Nhiệt độ làm việc nhỏ nhất nên gần nhiệtđộ phòng, ở đây chất lỏng pha tĩnh phải tồn tại ở dạng lỏng chứkhông phải rắn.

Trong sắc ký khí lỏng, khả năng chọn lọc của một cột chi phốikhoảng trống giữa các peak và độ lớn cực đại của peak đượctách. Sự khác nhau về độ chọn lọc là có ý nghĩa

vì chúng cho phép việc tách các chất tan có cấu trúc gần giốngnhau bởi một pha tĩnh chọn lọc.

Các thông số sau đây ảnh hưởng đến độ chọn lọc:- Bản chất của pha tĩnh

- Nồng độ của pha tĩnh- Nhiệt độ cột

- Việc chọn lựa và xử lý sơ bộ chất mang rắn hoặc chất hấp phụ.Một vài loại pha tĩnh lỏng thông dụng được liệt kê trongbảng và việc chọn pha tĩnh lỏng cho một đối tượng mẫu đượcdựa trên qui tắc “các chất càng giống nhau thì càng tan tốt vàonhau”.

Cột khơng phân cực là tốt nhất cho mẫu phân tích khơng phâncực.

Các cột có độ phân cực trung bình thì tốt cho mẫu phâncực trung bình và phân cực mạnh thì tốt cho mẫu phân cựcmạnh. Ví dụ để tách ancol ta phải chọn pha lỏng phân cực nhưcacbowax-20, ngược lại để tách hidrocacbon no mạch thẳngphải sử dụng các pha lỏng không phân cực.

Khi cột dùng nhiều bị lão hóa thì pha tĩnh bị đốt bay mấtnên các nhóm silan (Si-OH) bị lộ ra và các peak bị kéo dài đuôităng lên.

Nếu trong cột có oxi ở nhiệt độ cao cũng dẫn đến sự thốihóa cột và pic bị kéo đi. Để giảm khuynh hướng pha tĩnh bịmất ở nhiệt độ cao, người ta gắn chúng vào bề mặt pha tĩnh

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

silica bằng các liên kết cộng hóa trị.

Người ta chia các pha lỏng và các đối tượng cần tách ranhiều nhóm theo tính phân cực của phân tử như sau:

- Nhóm rất phân cực: H O, glycol, glyxerin, poliphenol, axit2

- Nhóm phân cực: ancol mạch thẳng, axit béo hữu cơ,phenol, amin bậc 1,2, hợp chất nitro và nitril có chứa hydroα.

- Nhóm phân cực trung bình: ete, ankanal, ankanon, este,amin bậc 3, hợp chất nitro và nitril không chứa hidro α.- Nhóm ít phân cực: hidrocacbon thơm, anken, hidrocacbon

đã bị halogen hóa một phần.

- Nhóm khơng phân cực: ankan, thioankanol, sunfua, ankanđã bị halogen hóa. Các loại pha tĩnh phổ biến nhất là Squalane,polysioxanes và polyethylene glycol. Trong đó, nhóm MethylSilicone (hay Polydimethyl Siloxane) là quan trọng nhất vàhay được sử dụng nhất.

Polysioxanes: là các pha tĩnh được sử dụng rộng rải nhất chocác cột sắc ký khí mao quản cũng như cột nhồi. Bởi vì cấu trúccủa chúng có thể được gắn thêm một số loại nhóm chức đadạng nên chúng thể hiện tính phân cực trong một dải rộng. Cácloại silicon này là dạng gôm nhớt nên có thể phủ tốt trên silicavà cũng thích hợp lý tưởng cho cột sắc ký mao quản.

Polydimethyl siloxane (R = CH ) là khung cơ bản cho việc tạo4

thành các pha tĩnh khác. Khi thay thế nhóm methyl bằng cácnhóm khác sẽ dẫn đến sự thay đổi độ phân cực và khả năngtách.

Phenyl – C6H5

Cyanopropyl – C3H3CN

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

Trifluropropyl – C3H6CF3

Hình 2. 12 Sắc ký đồ của một số cột mao quản với các pha tĩnh

(a) Polydimethyl siloxane ;

(b) 5(phenylmethyldimethyl) siloxane ;(c) 50(phenylmethyldimethyl) siloxane ;(d) 50%poly(trifluoropropyl-dimethyl siloxane) ;(e) polyethylene glycol ;

(f) 50%poly(cyanopropyl-dimethyl) siloxanePolyethylene glycol

Các pha tĩnh không chứa silicon được sử dụng rộng rải nhấtlà các polyethylene glycol. Chúng có sẵn trên thị trường với mộtkhoảng rộng của trọng lượng phân tử như Carbowax 20M vàSuperox-4.

Cấu trúc chung của một polyethylene glycol có thểđược mô tả như sau: HO-CH2-CH -(-O-CH -CH -) -O-CH -222n2

CH -OH2

Loại pha tĩnh lỏng này có độ phân cực cao, nhưng cũng cómột vài hạn chế. Ví dụ Carbowax 20M có nhiệt độ làm việc cựcđại khá thấp 225oC và nhiệt độ làm việc tối thiểu là 60 C. Hơno

nữa, những lượng vết của oxi và nước có những ảnh hưởng

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

không tốt trên các pha tĩnh lỏng nhưng đặc biệt khơng tốt chocarbowax 20M, làm tăng nhanh q trình lão hóa của cột.

Bảng 5. Một số pha tĩnh thường sử dụng trong sắc ký khí (Độphân cực tăng dần)

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

Bảng 6. Một số pha tĩnh-Tên thương mại-Ứng dụng

Pha tĩnhTên thương mại Tính phân

dimethyl) siloxane(10% phenyl)

Axit béo đã ester hóa ;alkaloid; dượcphẩm;các hợp chất halogenhóa

Polyethylene glycol Carbowax Phân cực Axit tự do; alcol; ether; tinh dầu;glycol

36

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

Poly(phenylmethyl OV-

17dimethyl) siloxane(50% phenyl)

Phân cực trungbình

phẩm ;steriod; bảo vệthực

i OV-275methyl) siloxane

OV-275 Phân cực cao Axit béo chưa no nhiều nối đơi; axittự do; alcol

Hình 2. 13 Ảnh hưởng của đường kính cột và bề dày lớp phim

Để nâng cao hiệu suất tách có thể:

- Lựa chọn pha tĩnh, chiều dài cột, đường kính cột…phùhợp với lượng mẫu, loại mẫu. Lựa chọn chương trìnhnhiệt độ phù hợp.

- Ghép nối hai hay nhiều cột có pha tĩnh khác nhau. Vớinhững mẫu có thành phần phức tạp thì việc ghép nốicột vẫn thường được sử dụng. Những cột có đườngkính khơng khác nhau nhiều có tểh ghép nối được vớinhau. Nếu kết hợp với van chuyển cột tự động cũngcho phép chuyển cột trong q trình phân tích.

2.5 Lị cột và chương trình nhiệt độ (Columnoven)

37

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

Hình 2. 14 Lị cột

Khi buồng tiêm được đặt ở nhiệt độ cao (vaporizing inlet), mẫu bay hơinhanh và di chuyển đến cột, do đó thường gây ra độ lệch tương đối lớn về thể tíchmẫu vào cột. Dù nhiệt độ cao của buồng tiêm giúp bảo vệ cột, tuy nhiên nó có thểlàm phân hủy các chất kém bền nhiệt, phân biệt các chất có điểm sôi khác nhautrong mẫu, gây mất mẫu hay quá tải cột tách.

Khi nhiệt độ của buồng tiêm được giữ dưới nhiệt độ sôi của dung môikhi tiêm mẫu (cool inlet), sau đó tăng dần và bắt đầu quá trình sắc ký sẽ làmgiảm tối thiểu sự phân hủy, giảm sự phân biệt đối xử giữa các chất có mứcđộ hóa hơi khác nhau trong mẫu phân tích, đồng thời làm tăng độ nhạy và độlặp lại của quá trình sắc ký khí.

Để bảo đảm tính lặp lại của thời gian lưu thì cần phải ổn định nhiệt độcột sắc ký (Column Thermostating)do đó lị ổn nhiệt (thermostating oven) làcần thiết. Tùy vào độ phức tạp các cấu tử ttrong mẫu mà có hai chế độ nhiệttrong lị là Isothermal và Temperature Programming

Isothermal : đối với mẫu đơn giản T .= f(T ), T ≥ Toptisôioptisôi với RT= 2 – 30 phút

38

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

Temperature Programming: đối với mẫu phức tạp. Việc tách các cấu tử dựa

vào sự thay đổi của T sơi

Hình 2. 15 Sắc ký đồ ở hai chế độ: Isothermal và Temperature Programming

Chương trình nhiệt độ làm tăng khả năng tách của cột nhờ ngưng tụ rồi bốc hơi dung mơi, từ đó giúp cải thiện:

39

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

Hình 2. 16 Các vùng có gia nhiệt của hệ GC

2.6 Đầu dị (Detector)

Detector có nhiệm vụ chuyển hóa một đại lượng khơng điện (trong trường hợp này 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 khỏicột sắc ký. Vì vậy detector 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 các cấu 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…

Bảng 7. Một số detector trong sắc ký khí

Detector Giới hạn pháthiện

40

</div>Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

Kiểu dây 2,5.10-6 1:105 2000-9000 đốivới benzen

Sắc ký quátrìnhKiểu nhiệt

lửa (FID)

2.10-2 đối vớicacbon

Detector vạnnăng cho tấtcả các chất có

nhóm CH2

Cộng kếtđi tử(ECD)

diệt cỏ, hợpchất chứa

nitơ, hợpchất dịnguyênQuang

10-8 đối vớiparathion

1:102 và thấphơn

Phát xạ tốiưu cho lưuhùynh ở394mm vàphotpho ở526mmDetector

hóa heli

tíchlượng vết khívơ cơ, độ

nhạy

41

</div>Trang 28<div class="page_container" data-page="28">

phụthuộc vào độtinh khiết của

hóa argon:- Dạng thường

- Dạng miniot- Dạng triot

Bao gồm tấtcả các chất

có nănglượng ionhóa nhỏ hơn

11,6eV2.6.1 Dectector dẫn nhiệt (thermal conductivity

dectector)

Dựa trên nguyên tắc cầu Wheatstone, đôi khi còn được gọi làKatharometer. 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 mộtnhánh của cột. Khi có sự hiện diện của mẫu làm thay đổi nhiệt độ. Nhiệtđộ của nó phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt của chất khí bao quanh nó. Khi cácphân tử hữu cơ thay thế chất khí mang thì tính đãn nhiệt của nó thay đổido nhiệt độ trong các cấu tử tăng lên sẽ dẫn đến sự thay đổi trong điệntrở. Dựa trên sự thay đổi điện trở của cầu, gây sự mất cân bằng trongmạch, tạo một tín hiệu dưới dạng mũi sắc ký. Khi mẫu ra khỏi cột tínhiệu biến mất.

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

42

</div>Trang 29<div class="page_container" data-page="29">

Hình 2. 17 Cấu tạo detector dẫn nhiệt

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 điều chế. Loại B, với thể tích tối thiểu 100µl được sử dụng phổ biến cho sắc ký cột nhồi. Còn loại C với giới hạn phát hiện 10-100µl có thể sử dụng cho sắc ký mao 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 nhiệttốt như hydro, heli thường được ưu tiên sử dụng).

- Độ nhạy tỷ lệ với dịng ni cầu. Cần lưu ý rằng dịng điện nàyđiều chỉnh tùy thuộc vào loại và lưu lượng khí mang, nhiệt độdetector và nhiệt độ cột tách.

Với detector này, diện tích của các pic khơng chỉ phụ thuộc vào hàmlượng thể tích mà cịn phụ thuộc vào sự chênh lệch giữa độ dẫn nhiệt củacấu tử và của khí mang. Điều này lý giải tại sao phải dùng hệ số hiệuchỉnh trong phân tích định lượng.

Đặc điểm:

43

</div>Trang 30<div class="page_container" data-page="30">

- Đơn giản, dùng được các mẫu hữu cơ và vô cơ, không phân hủymẫu.

- Thời gian cho tín hiệu lớn và kém nhạy 2.6.2 Detector ion hóa ngọn lửa (flame-ionization detector):

Hình 2. 18 Detector ion hóa ngọn lửa

Detector FID là một trong những detector có độ nhạy cao. Nguyên tắclàm việc của nó dựa trên sự biến đổi độ dẫn điện của ngọn lửa của hydrođặt trong một điện trường khi có chất hữu cơ cần tách chuyển qua. Nhờnhiệt độ cao của ngọn lửa hydro, các chất hữu cơ từ cột tách đi vàodetector bị bẻ gãy mạch, bị ion hóa nhờ có oxy của khơng khí để tạo

44

</div>