Phương pháp phân tích sắc ký khí

Bài tiểu luận Phương pháp phân tích sắc ký khí
PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SẮC KÝ KHÍ
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SẮC KÝ
I. Tổng quan về phân tích sắc ký:
Sắc ký (Chromatography) là phương pháp tách, phân ly, phân tách các chất dựa vào
sự phân bố khác nhau của chúng giữa hai pha động và 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 hệ thống sắc ký
chỉ có các phân tử pha động mới chuyển động dọc theo hệ sắc ký. Các chất khác nhau sẽ
có ái lực khác nhau với pha động và pha tĩnh. Trong quá trình chuyển động dọc theo hệ
sắc ký hết lớp pha tĩnh này đến lớp pha tĩnh khác, sẽ lặp đi lặp lại quá trình hấp phụ, phản
hấp phụ. Hệ quả là các chất có ái lực lớn với pha tĩnh sẽ chuyện động chậm hơn qua hệ
thống sắc ký so với các chất tương tác yếu hơn pha này. Nhờ đặc điểm này mà người ta
có thể tách các chất qua quá trình sắc ký.
Sắc ký là một họ các kĩ thuật hoá học phân tích dùng để tách các chất trong một hỗn hợp. Nó
bao gồm việc cho mẫu chứa chất cần phân tích trong "pha động", thường là dòng chảy của dung
môi, di chuyển qua "pha tĩnh." Pha tĩnh trì hoãn sự di chuyển của các thành phần trong mẫu. Khi
các thành phần này di chuyển qua hệ thống với tốc độ khác nhau, chúng sẽ được tách khỏi nhau
theo thời gian.
Thuật ngữ sắc ký (chromatography) lần đầu tiên được giới thiệu bởi nhà thực vật Mikhail
Tswwett, người Nga, để ghi nhận quá trình tách pigment thực vật trên cột tách bằng vật liệu
CaCO
3
. Kết quả trên cột xuất hiện dãy mày sắc khác nhau.
II. Cơ sở của phương pháp sắc ký:
1
Bài tiểu luận Phương pháp phân tích sắc ký khí
Phương pháp sắc ký dựa vào sự phân bố khác nhau của các chất giữa hai pha động và
tĩnh. Có nhiều nguyên nhân đưa đến sự phân bố khác nhau của các chất, nhưng chính sự
lặp đi lặp lại hiện tượng hấp phụ - phản hấp phụ của các chất khi dòng pha động chuyển
động qua pha tĩnh là nguyên nhân chủ yếu của việc tách sắc ký.

III. Phân loại và phương pháp tiến hành phân tích sắc ký:
Trong phương pháp sắc ký, pha động phải là các lưu thể (các chất ở dạng khí hay
lỏng), còn pha tĩnh có thể là các chất ở trạng thái lỏng hoặc rắn. Dựa vào trạng thái tập
hợp của pha động, người ta có thể chia sắc ký thành hai nhóm lớn: SẮC KÝ KHÍ (Gas
Chromatography- GC) và SẮC KÝ LỎNG (Liquid Chromatography). Dựa vào cơ chế
trao đổi của các chất giữa hai pha động và tĩnh người ta lại chia các phương pháp sắc ký
thành các nhóm nhỏ hơn.
Tuỳ thuộc chế độ đưa mẫu vào hệ thống sắc ký cũng như các thao tác tiến hành sắc
ký, người ta chia cách tiến hành sắc ký thành ba loại:
1. Phương pháp tiền lưu:
Đây là phương pháp sắc ký đơn giản nhất. người ta cho hỗn hợp, ví dụ, hai chất A và
B liên tục chảy qua cột có nạp sẵn các các chất hấp phụ. Người ta xác định nồng độ các
cấu tử trong dung dịch chảy ra khỏi cột và xây dựng đồ thị theo hệ toạ độ: nồng độ cấu
tử- thể tích dung dịch chảy qua cột. đồ thị này thường gọi là sắc ký đồ hay đường cong
thoát (có tác giả gọi là đường cong xuất). Do các cấu tử bị hấp phụ lên cột, nên trước hết
từ cột chỉ chảy ra dung môi. Sau đó trong dung dịch thoát sẽ có cấu tử bị hấp phụ yến hơn
trên cột, ví dụ cấu tử A, sau đó đến phần dung dịch chứa hỗn hợp A+B, đường cong thoát
theo phương pháp tiền lưu cho trên hình dưới. Trong phương pháp tiền lưu, ta chỉ thu
được dung dịch thoát có cấu tử A tinh khiết ở lúc đầu, sau đó là hỗn hợp A+B. Phương
2
Bài tiểu luận Phương pháp phân tích sắc ký khí
pháp tiền lưu không cho phép tách hoàn toàn các cấu tử ra khỏi nhau nên thực tế ít được
dùng vào mục đích phân tích các chất.
2. Phương pháp rửa giải :
Trong phương pháp rửa giải, đầu tiên người ta cho Vml dung dịch chứa hỗn hợp các
cấu tử (ví dụ, hỗn hợp hai cấu tử A và B, trong đó A có ái lực với cột nhỏ hơn B) chạy
qua cột. Các cấu tử A, B chứa trong Vml trước hết sẽ bị giữ lại ở phần trên của cột. Sau
đó cho dung dịch rửa (thường là dung môi hoà tan các cấu tử) chảy qua cột. Lúc đó các
cấu tử bị giữ ở phần trên của cột sẽ bị dung môi “rửa” và đưa dẫn xuống phía dưới. Cấu
tử A có ái lực với cột nhỏ hơn B nên chuyển động xuống phía dưới nhanh hơn B. Nếu cột

đủ dài và chế độ chảy của dung dịch rửa thích hợp thì sau một thời gian cho chảy dung
dịch rửa, các cấu tử tách ra thành từng vùng. Các vùng này sẽ tuần tự thoát ra khỏi cột,
mỗi vùng lại được cách nhau bằng một phần dung môi. Hình bên dưới biểu diễn đường
cong thoát của quá trình rửa giải. Trong phương pháp rửa giải, người ta cũng hay dùng
những dung dịch chứa một cấu tử có ái lực với cột nhưng phải nhỏ hơn ái lực của các cấu
tử cần tách với cột.
3
Bài tiểu luận Phương pháp phân tích sắc ký khí
3. Phương pháp rửa đẩy
Trong phương pháp rửa đẩy, sau khi đưa mẫu vào cột, ta cho chảy qua cột một dung
dịch rửa chứa chất có ái lực với pha tĩnh lớn hơn các cấu tử cần tách. Các cấu tử cần tách
sẽ bị chuyển dần xuống phía dưới khi ta tiến hành quá trình rửa cột và tuần tự thoát ra
khỏi cột. Cấu tử thoát ra khỏi cột đầu tiên là cấu tử tương tác với pha tĩnh yếu nhất, sau
đó dần dần đến các cấu tử có ái lực với cột mạnh dần. Khác với phương pháp rửa giải,
nồng độ các cấu tử không giảm qua quá trình sắc ký. Một nhược điểm quan trọng của
phương pháp rửa đẩy là rất khó phân biệt các phần riêng của các cấu tử trong dung dịch
thoát vì ở đây giữa các phần dung dịch thoát chứa các cấu tử không tách nhau bằng các
thể tích dung dịch rửa.
CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SẮC KÝ – SẮC KÝ KHÍ
I. Các phương pháp phân tích sắc ký:
Do tính đa dạng của phương pháp phân tích sắc ký cho nên việc phân loại được dựa
trên:
Phân loại dựa vào trạng thái vật lý của các pha:
Đây là phương pháp phân loại phổ biến nhất dựa trên tính tự nhiên của 2 pha sử dụng
là Pha động và Pha tĩnh:
Lỏng Khí
Rắn Sắc ký:
Rắn – Lỏng
Sắc ký:
Rắn – Khí

Lỏng Sắc ký:
Lỏng – Lỏng
Sắc ký:
Lỏng - Khí
- Pha động có thể là khí, tương ứng với sắc ký khí
- Pha động có thể là lỏng, tương ứng với sắc ký lỏng
- Khi pha tĩnh – Rắn, pha động – Lỏng, khi đó gọi là sắc ký Rắn – Lỏng.
- Khi pha tĩnh – Lỏng, pha động – Lỏng, khi đó gọi là sắc ký Lỏng – Lỏng.
4
Pha tĩnh
Pha động
Bài tiểu luận Phương pháp phân tích sắc ký khí
Phân loại dựa vào cơ chế của quá trình tách:
- Sắc ký hấp phụ.
- Sắc ký phân bố.
- Sắc ký trao đổi ion.
- Sắc ký thẩm thấu gel.
Hình: minh họa sắc ký trao đổi ion.
5
Bài tiểu luận Phương pháp phân tích sắc ký khí
Hình: sắc ký lọc gel.
II. Phương pháp phân tích sắc ký khí (Gas Chromatography):
6
Gas Chromatography
Bài tiểu luận Phương pháp phân tích sắc ký khí
1. Khái niệm:
Cũng dựa trên nguyên tắc chung của các phương pháp sắc ký, đó là có sự di chuyển
của pha động đi qua pha tĩnh mà kết quả là chất sắc ký sẽ được tách riêng biệt từ hỗn
hợp.
- Là phương pháp tách.

- Dựa trên hai quá trình:
o Hấp phụ.
o Giải hấp phụ
- Xảy ra liên tục giữa 2 pha:
o Pha tĩnh: thường là rắn hoặc lỏng.
o Pha động: là khí
Sắc ký khí là một phương pháp chia tách trong đó pha động là 1 chất khí (được gọi là khí
mang) và pha tĩnh chứa trong cột là một chất rắn hoặc chất lỏng phủ trên bề mặt chất
mang trơ dạng rắn hay phủ đều lên thành phía trong của cột. Tuỳ thuộc bản chất pha tĩnh
chia thành hai loại sắc ký khí:
- Sắc ký khí rắn (gas solid chromatography - GSC): Chất phân tích được hấp phụ trực
tiếp trên pha tĩnh là các tiểu phân rắn.
7
T=0’
T=10’
T=20’
Thiết bị nạp
Thiết bị nạp
Detector
Detector
Most
Most
Interaction with Stationary Phase
Interaction with Stationary Phase
Least
Least
Hướng di chuyển pha động
Hướng di chuyển pha động
Bài tiểu luận Phương pháp phân tích sắc ký khí
- Sắc ký khí lỏng (gas liquid chromatography - GLC): Pha tĩnh là 1 chất lỏng không

bay hơi.
2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của sắc ký khí:
Sơ đồ khối của một máy sắc ký:
Sơ đồ một hệ sắc ký với đầu dò FID:
8
Bài tiểu luận Phương pháp phân tích sắc ký khí
Các bộ phận cơ bản của máy sắc ký khí bao gồm:
- Nguồn cung cấp khí mang: thường là bình khí hoặc là máy sinh khí.(1)
- Hệ thống điều khiển áp suất hoặc tốc độ dòng khí mang (2+3): điều khiển cơ chế
điện tử.
- Buồng bơm mẫu (4): có nhiều loại khác nhau với mục đích phân tích khác nhau:
PACKED, WBI,….
- Lò cột (5) dùng để điều khiển nhiệt độ cột tách.
- Cột tách (6): là nơi xảy ra các quá trình tách chất. Các loại cột gồm cột nhồi, cột
mao quản,…
- Đầu dò (detector)(7): có nhiều loại khác nhau tùy theo mục đích phân tích. Dùng
để phát hiện chất và định lượng
- Hệ thống ghi nhận và xử lý tín hiệu: dùng để ghi nhận và tính toán các kết quả.
(1) – Bình chứa khí nén – khí mang (khí trơ về mặt sắc ký He,N
2
,…)
(2) – Thiết bị nạp mẫu khí – Injector
(3) – Cột sắc ký – Column
(4) – Thiết bị ghi nhận – Detector
(5) – Bộ xử lý tín hiệu, tính toán kết quả.
a, Khí mang:
Thường sử dụng khí trơ về mặt sắc ký như He, N
2
,… để tạo sự di chuyển pha động.
Khí mang phải thỏa mãn các điều kiện:

- Độ tinh khiết cao.
- Không thay đổi trạng thái hóa lý khi đi qua cột sắc ký.
- Phải thể hiện tính trơ đối với pha tĩnh, chất phân tích, vật liệu làm cột sắc ký và
detector.
- Có khả năng hấp phụ càng nhỏ càng tốt
9
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
Bài tiểu luận Phương pháp phân tích sắc ký khí
b, Injector:
Mẫu khí khi chưa nạp vào cột thì ở dạng lỏng (hóa lỏng), khi đưa vào thiết bị để nạp
vào cột thì phải hóa hơi chúng bằng nhiệt độ. Bắt buộc mẫu qua cột phải ở dạng khí.
Trong Injector có một bộ phận hóa hơi. Mẫu lỏng đi nạp vào được gia nhiệt để thành hơi
rồi mới cho chạy qua cột nhờ khí mang.
c, Column:
Cột tách sắc ký có 2 dạng:
- Cột nhồi:
o Thường được dùng với các máy sắc ký thế hệ cũ hoặc các máy dùng cho
mục đích đặc biệt.
o Thường làm bằng thép không gỉ, thủy tinh…
o Chiều dài < 5m, thông thường từ 1 – 3m.
o Đường kính cột khoảng từ 3 – 6 mm.
o Thường được nhồi bởi các hạt có đường kính 100 – 120 mesh
o Hiệu quả thấp.
o Nếu cột quá dài sẽ gây áp suất đầu cột quá lớn, vì vậy cột không thể dài
quá, dẫn đến số đĩa lý thuyết thấp.
o Hiện nay có một số loại cột nhồi mới có đường kính nhỏ (< 1mm) cho

phép nâng chiều dài cột lên vài chục mét. Thường dùng cho một số ứng
dụng đặc biệt mà cột mao quản không đáp ứng được.
o Đường kính của cột lớn nên ít chịu ảnh hưởng của tạp chất.
o Mẫu đưa vào không đòi hỏi phải tinh chế kỹ.
o Mẫu thường bơm với thể tích lớn nên sai số giữa các lần bơm nhỏ.
o Các cột nhồi có đường kính nhỏ (<1mm) được dùng trong:
 Các phép phân tích cần độ phân giải cao
 Hoặc cơ chế hấp phụ đặc biệt
 Hoặc dùng phân tích với nhiệt độ rất cao
 Hoặc tốc độ tăng – giảm nhiệt độ rấ nhanh.
10
Bài tiểu luận Phương pháp phân tích sắc ký khí
- Cột mao quản:
o Thường được làm bằng vật liệu FUSED SILICA có tính bền về mặt vật lý
rất cao và trơ về mặt hóa học.
o Có chiều dài thông thường từ 10 – 30m. Trong những trường hợp cần tăng
hiệu quả tách người ta có thể chế tạo các cột có chiều dài 100 – 150m.
o Đường kính cột trong khoảng 0,53 – 0,1mm.
o Cột mao quản được chia làm 2 loại chính là:
 WCOT: cột mao quản phim mỏng
 PLOT: cột mao quản lớp mỏng.
d, Detector:
Detector có chức năng chuyển đổi đại lượng không điện (nồng độ của chất được tách
khỏi cột sắc ký) thành đại lượng điện.
Có 3 loại detector phổ biến:
- Detector dẫn nhiệt TCD:
Cấu tạo gồm 2 buồng:
+ Buồng so sánh
+ Buồng đo
Khí mang như H

2
, He, N
2
… đi qua buồng so sánh.
11
Đều tiếp nhận các dòng khí
Bài tiểu luận Phương pháp phân tích sắc ký khí
Khí được sắc ký sau khi tách ra khỏi cột thì đi qua buồng đo.
Nếu thành phần khí ở buồng đo và buồng so sánh như nhau thì tín hiệu nhận được
bằng không.
- Detector ion hóa ngọn lửa:
Dựa trên nguyên tắc các chất cần sắc ký sẽ bị
ion hóa khi gặp ngọn lửa đèn hydrogen. Kết quả
là trong buồng detector tạo ra dòng ion hóa.
Như vậy, ở nhiệt độ cao của ngọn lửa hydrogen,
các chất từ cột tách đi vào detector sẽ bị ion hóa
thành các ion trái dấu, các ion này di chuyển đến
các điện cực âm (-) và dương (+).
VD: C
6
H
6
→ 6CH*
6CH* + 3O
2
→ 6CHO* + 6e
-
Detector TDC ghi nhận. Thích hợp cho việc phân
tích các hợ chất hữu cơ chứa carbon. Không thích hợp cho các
khí CO, CO

2
, SO
2
,…
- Detector bắt electron:
Bộ phận chính là buồng ion có chứa nguồn phóng xạ phát
beta, tại đây diễn ra các quá trình ion hóa, bắt giữ điện tử và tái kết
hợp
3. Pha tĩnh dùng cho cột sắc ký:
Yêu cầu chung cho pha tĩnh:
- Ít bay hơi.
- Bền nhiệt.
- Trơ về mặt hóa học
- Thường pha tĩnh được chọn trong phân tích dựa trên độ phân cực.
- Pha tĩnh của cột và các chất phân tích cần có độ phân cực tương tự thì mới tách
tốt (các chất giống nhau hòa tan tốt vào nhau).
Pha tĩnh rắn cho cột nhồi:
- Các pha tĩnh rắn có ưu điểm hơn pha tĩnh lỏng như:
o Chất hấp phụ rắn bền và ổn định trong một khoảng nhiệt độ lớn
o Hiện tượng chảy máu cột hầu như không xảy ra
o Dùng tách rất tốt các hydrocarbon nhẹ, khí hiếm, khí trơ, các alcol…
o Một số pha tĩnh thường dùng là Diatomic, Molecular Sieve, Tenax,…
Pha tĩnh rắn cho cột PLOT:
- Các pha tĩnh về căn bản giống như trong cột nhồi.
- Tuy nhiên kích thước hạt nhỏ hơn (thường 1µm hoặc nhỏ hơn) và có độ đồng nhất
cao hơn để dễ phủ lên bề mặt cột mao quản
- Có diện tích bề mặt và hệ số tải lớn như cột nhồi nhưng cột dài hơn nên hiệu quả
tách, độ lặp lại và độ ổn định cao hơn cột nhồi
- Cho phép phân tích những hợp chất rất phân cực mà cột WCOT không phân tích
được hoặc rất khó phân tích

Các pha tĩnh lỏng:
- Chủ yếu được sử dụng cho cột WCOT.
12
Bài tiểu luận Phương pháp phân tích sắc ký khí
- Các pha tĩnh thường được phân loại theo độ phân cực
- Trong nhóm các pha tĩnh cơ bản, nhóm Methylsilicone là quan trọng nhất và hay
được sử dụng nhất.
- Quá trình tách dựa chủ yếu trên nhiệt độ sôi của chất và tương tác của chất với
pha tĩnh.
Pha tĩnh dùng cho cột sắc ký:
Cấu trúc của pha tĩnh:
- Polydimethyl siloxane (R=CH
4
) là
khung cơ bản cho việc tạo thành các pha
tĩnh khác.
- Khi thay thế nhóm methyl bằng các
nhóm khác sẽ dẫn đến sự thay đổi độ
phân cực và khả năng tách
o Phenyl – C
6
H
5
o Cyanopropyl – C
3
H
3
CN
o Tryfluropropyl – C
3

H
6
CF
3
Cấu trúc và khoảng nhiệt độ làm việc của 1 số pha tĩnh trong cột mao quản:
13
Bài tiểu luận Phương pháp phân tích sắc ký khí
14
Bài tiểu luận Phương pháp phân tích sắc ký khí
So sánh giữa cột nhồi và cột WCOT:
Để nâng cao hiệu suất tách có thể:
- Lựa chọn pha tĩnh, chiều dài cột, đường kính cột… phù hợp với lượng mẫu, loại
mẫu, lựa chọn chương trình nhiệt độ phù hợp
- Ghép nối hai hay nhiều cột có pha tĩnh khác nhau.
- Với những mẫu có thành phần phức tạp việc ghép nối cột thường được sử dụng.
- Những cột có đường kính không khác nhau nhiều có thể ghép nối với nhau.
- Nếu kết hợp với van chuyển đổi cột tự động cho phép tự động chuyển cột trong
quá trình phân tích.
15
Bài tiểu luận Phương pháp phân tích sắc ký khí
III. Phương pháp chiết pha rắn:
Chiết pha rắn (SPE – solid phase extraction) là kỹ thuật tách chất tan giữa hai pha
lỏng – rắn, ở đây chất tan được chiết từ pha lỏng sang pha rắn.
Mục đích là loại bỏ chất cản trở, chất gây nhiễu, chất lơ lửng có trong mẫu, hay nói cách
khác là làm sạch mẫu.
16
Bài tiểu luận Phương pháp phân tích sắc ký khí
MỤC LỤC
17