Đồ án Tìm hiểu về sắc ký khí ghép khối phổ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
BỘ MÔN HÓA CƠ SỞ
---------------o0o---------------

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC

TÊN ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ SẮC KÝ KHÍ GHÉP
KHỐI PHỔ

GVHD: Th.s Phan Thị Xuân
SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Mai
LỚP: 03ĐHHH1
MSSV: 2004120119


LỜI CẢM ƠN
Kiến thức là tài sản quý báu mà chúng em tích góp được sau những tháng ngày
học và hành trên ghế nhà trường. Trên thực tế không có sự thành công nào mà không
gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của
người khác. Trên con đường góp nhặt những kiến thức không thể thiếu sự dạy dỗ và
quan tâm của quý thầy cô và sự giúp đỡ của các bạn.
Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến tất cả quý thầy cô em đặc biệt là
các thầy cô Khoa Công Nghệ Hóa Học – Trường Đại Học Công Nghệ Thực Phẩm đã
cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho
chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường. Để làm được bài báo cáo này em đã
vận dụng những truyền đạt của thầy cô và tìm hiểu của bản thân trong quá trình học,
không chỉ là vốn kiến thức riêng lẻ của riêng chuyên ngành hóa phân tích mà là cả
những kiến thức của các ngành có liên quan và các môn bổ trợ.
Em xin chân thành cảm ơn TS.Đặng Văn Sử thầy đã dạy em rất nhiều môn có
liên quan giúp em có cơ sở tìm hiểu sâu xa về đề tài đặc biệt là môn “Các phương

pháp phân tích hợp chất hữu cơ”. Với tấm lòng biết ơn sâu sắc em xin gửi lời cảm ơn
chân thành đến cô Phan Thị Xuân, một người thầy và cũng là một người mẹ tinh thần
của em. Cô là người đã truyền nguồn cảm hứng cho em với câu nói “ Kiến thức là
những gì còn lại sau khi tất cả đã mất”, cô cũng là người trực tiếp hướng dẫn em thực
hiện đồ án này. Những tình cảm cô đối với tất cả sinh viên luôn là nguồn động viên
tinh thần to lớn với tất cả chúng em để vượt qua những khó khăn trong quá trình thực
hiện đề tài.
Tình cảm rất nhiều lời thì có hạn, một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn quý
cô thầy, chúc tất cả quý thầy cô luôn dồi dào sức khỏe và ngập tràn nhiệt huyết để luôn
là người truyền lửa cho các thế hệ sinh viên.

2


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Nhóm sinh viên gồm:

Nguyễn Thị Tuyết Mai MSSV 2004120119

Nhận xét:
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
….………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
….………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
….
…………………………………………………………………………………………………
….
…………………………………………………………………………………………………
….
…………………………………………………………………………………………………
….……………………………………………………………………………………….
Điểm đánh giá:
…………………………………………………………………………………………………
….
…………………………………………………………………………………………………
….
…………………………………………………………………………………………………
….
…………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………….
3


…………………………………………………………………………………………………
….
…………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…Ngày. ……….tháng ………….năm 2014
(ký tên, ghi rõ họ và tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Nhóm sinh viên gồm:

Nguyễn Thị Tuyết Mai MSSV 2004120119

Nhận xét:
…………………………………………………………………………………………………
….………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
….………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
….………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
….………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
….………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
….………………………………………………………………………………………………
Điểm đánh giá:
…………………………………………………………………………………………………
….………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
….
…………………………………………………………………………………………………
4


………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………….

………………………………………………………………………………………………
Ngày. ……….tháng ………….năm 2014
(ký tên, ghi rõ họ và tên)

5


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình

Trang

Hình 1: Sơ đồ hệ thống GC

4

Hình 2: Hệ thống inlet để tiêm mẫu vào cột nhồi trong GC

6

Hình 3: Hệ thống inlet đẻ tiêm mẫu vào cột mao quản trong GC
Hình 4: Cột mao quản

6

Hình 5: Minh họa cấu trúc bên trong của các cột nhồi và cột mao quản

7

Hình 6: Sắc kí đồ của GC

9

Hình 7: Phổ đồ của MS

11

Hình 8: Phổ đồ của GCMS

12

Hình 9: Màn hình hiển thị - máy tính

13

7

6


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng

Trang

Bảng 1: Dựng dãy chuẩn làm việc của Chlorpyrifos và Diazinnon bằng

19

GCMS
Bảng 2: Tốc độ tăng nhiệt của lò cột GC

21

Bảng 3: Các phân mảnh ion của Chlorpyrifos và Diazinnon trong MS
Bảng 4: Độ lệch tương đối của tỉ lệ ion giữa chuẩn và mẫu (%) theo tỉ lệ

22
23

ion tương đối (%)

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

7


Viết tắt

Tên cụ thể

Mô tả

GCMS

Gas chromatography mass

Sắc kí khí ghép khối phổ

spectroscopy
GC

Gas chromatography

Sắc kí khí

LC

Liquid chromatography

Sắc kí lỏng

MS

Mass spectroscopy

Phổ khối

HPLC

High performance liquid

Sắc kí lỏng cao áp

chromatography
PC
M/Z

Personal computer

Máy tính cá nhân
Khối lượng phân tử/ điện tích

8


MỤC LỤC

9


Trường ĐH Công nghiệp Thực phẩm Tp. HCM – Khoa Công nghệ Hóa học

PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ SẮC KÝ KHÍ GHÉP KHỐI PHỔ
1.1 Giới thiệu sắc kí ghép khối phổ.

Sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS) là một trong những phương pháp được xem
như dấu gạch nối giữa hai kĩ thuật phân tích. Như tên gọi của nó, nó thực chất là sự kết
hợp hai kỹ thuật để tạo thành một phương pháp duy nhất trong phân tích hỗn hợp các
hóa chất. Sự kết hợp giữa phương pháp sắc kí và phương pháp khối phổ tạo nên một
phương pháp đặc biệt có hiệu quả trong lĩnh vực hóa phân tích. Hai thiết bị này có khả
năng bổ sung và hỗ trợ cho nhau trong quá trình phân tích, sắc ký khí tách các thành
phần của một hỗn hợp và khối phổ phân tích đặc tính của từng thành phần riêng lẻ.
Bằng cách kết hợp hai kỹ thuật, nhà hóa học phân tích có thể khảo sát định tính và định
lượng một dung dịch chứa một số hóa chất với nồng độ thấp đến 1 picogram

[1]

hoặc nhỏ

hơn nữa – đây là nồng độ rất khó phát hiện ở các phương pháp phân tích công cụ khác
.2

như phương pháp đo phổ UV – VIS.
Đặc điểm
Thời gian phân tích rất ngắn: những mẫu không bền trong thời gian bảo quản cũng
có thể phân tích một cách thuận lợi, đặc biệt là việc phân tích các hỗn hợp phức tạp.
Nhờ đó, có thể tiết kiệm được khá nhiều thời gian thực nghiệm vì phân lập mẫu theo
nguyên tắc điều chế trước khi đưa vào khối phổ do vậy giảm nhẹ yêu cầu kĩ thuật đối
với các kĩ thuật viên.
GC-MS được sử dụng rất phổ biến. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh
vực y tế, dược phẩm, môi trường, và luật môi trường. Tiến hành thực nghiệm trong
phòng thí nghiệm để biết xem làm thế nào để các nhà hóa học môi trường có thể đánh
giá các mẫu có chứa các chất ô nhiễm được gọi là PAHs.
Một hệ thống GCMS có ba thành phần chính đó là:
−
Sắc kí khí (GC)
−
Khối phổ (MS)
−
Máy tính kết nối

PHẦN 2: HỆ THỐNG SẮC KÝ KHÍ GHÉP KHỐI PHỔ
2.1

Sắc ký khí
GVHD: Th.s Phan Thị Xuân

10


Trường ĐH Công nghiệp Thực phẩm Tp. HCM – Khoa Công nghệ Hóa học

Chúng ta biết rằng, muốn phép phân tích cho kết quả đúng nhất, ta phải loại bỏ
triệt để các yếu tố ảnh hưởng. Có rất nhiều phương pháp để loại các yếu tố này và cách
được xem như là tốt nhất hiện nay chính là tách chúng ra khỏi hỗn hợp mẫu bằng sắc kí.
Các thành phần trong mẫu sau khi được tách riêng lẻ có thể được xác định riêng.
Trong tất cả các phương pháp sắc ký, quá trình tách luôn xảy ra khi hỗn hợp mẫu
được tiêm vào pha động. Trong sắc ký lỏng (LC), pha động là dung môi. Trong sắc ký
khí (GC), pha động là một loại khí trơ như helium, nitơ, hidro…
Riêng nói về sắc kí khí pha động mang hỗn hợp mẫu qua pha tĩnh. Pha tĩnh sẽ
tương tác với các thành phần trong hỗn hợp mẫu. Pha tĩnh thường được chứa trong một
ống được gọi là cột. Cột có thể là thủy tinh hoặc thép không gỉ kích thước khác nhau.
2.1.1

Nguyên tắc hoạt động của sắc ký khí
Trong quá trình khí mang đem mẫu qua cột sắc ký, các hỗn hợp của các hợp chất

trong pha động xảy ra sẽ tương tác với pha tĩnh. Mỗi hợp chất trong hỗn hợp tương tác
với pha tĩnh một lực tương tác khác nhau. Những tương tác yếu nhất sẽ ra khỏi cột nhanh
nhất (hay gọi là rửa giải). Những tương tác mạnh nhất sẽ thoát khỏi cột cuối cùng. Bằng
cách thay đổi các đặc điểm của pha động và pha tĩnh, sẽ tách ra được các hỗn hợp khác
nhau của các chất hóa học. Để cải tiến hơn quá trình phân tách này nhà phân tích có thể
thực hiện thay đổi nhiệt độ của pha tĩnh hoặc áp suất của pha động.
Sơ đồ hệ thống sắc kí khí

2.1.2

GVHD: Th.s Phan Thị Xuân

11


Trường ĐH Công nghiệp Thực phẩm Tp. HCM – Khoa Công nghệ Hóa học

Hình 1: sơ đồ hệ thống GC[8].
Một hệ thống sắc kí cơ bản gồm có:
2.1.2.1 Khí mang

Khí mang là một khí trơ như: nitơ, heli, argon, hidro... trong đó hai là khí mang
phổ biến nhất là nitơ và heli. Nitơ rẻ tiền và sẵn có hơn so với heli nhưng heli cho hiệu
quả tách thường cao hơn. Khí được chứa trong bơm khí có gắn van giảm áp và điều
chỉnh.
Khí mang cần có độ tinh khiết cao và phải không tương tác với mẫu, chỉ mang
mẫu đi qua cột: Tín hiệu đetectơ có phụ thuộc vào sự khác nhau về tính chất giữa khí
mang và chất cần phân tích [2].
Nguồn cung cấp khí mang: có thể sử dụng bình chứa khí hoặc các thiết bị sinh khí
như: thiết bị tách khí N2 từ không khí, thiết bị cung cấp khí H2 từ nước cất…
2.1.2.2 Bộ tiêm mẫu
Thường dùng bơm tiêm đề bơm trực tiếp mẫu qua một vách polime silicon chịu
nhiệt cao vào cột hoặc vào inlet để mẫu lỏng có thể bay hơi nhanh chóng. Yêu cầu cần
thiết là mẫu phải có nhiệt độ sôi phù hợp để có thể làm bay hơi được trong phòng mẫu.
Nhiệt độ tại inlet có thể cao hơn nhiệt độ trong cột một chút để quá trình bay hơi được
thực hiện dễ dàng.
2.1.2.3 Cột

GVHD: Th.s Phan Thị Xuân

12


Trường ĐH Công nghiệp Thực phẩm Tp. HCM – Khoa Công nghệ Hóa học

Trong sắc kí khí có hai loại cột: cột nhồi và cột mao quản.
Về cơ bản thiết bị sắc kí sử dụng cột nhồi hoặc cột mao quản có thể ghép nối thiết
bị khối phổ loại hội tụ chùm tia đơn hoặc kép [3], [4]. Có nhiều giải pháp kĩ thuật khác nhau
để thực hiện việc ghép nối trong hệ thống. Với thiết bị ghép nối trong hệ thống. Với thiết
bị hiện đại ngày nay toàn bộ dòng khí thoát ra (khí mang và mẫu) từ cột được chuyển
thẳng vào bộ phận chiết khí mang trung gian, sau đó được đưa trực tiếp vào buồng ion
hóa mẫu. Thiết bị chiết khí mang trung gian có thể có những cấu trúc khác nhau, nhưng
khi làm việc chúng phải tuân theo nguyên lí chung là khuếch tán qua hệ thống lỗ xốp
hoặc khuếch tán qua trong một thiết bị tách khuếch tán phân tử [1].
Cột tách sắc kí cần thỏa mãn các yêu cầu sau:
Đảm bảo trao đổi chất tôt giữa pha động và pha tĩnh nhờ việc tối ưu hóa các thông
số của
phương trình Van Deemter.
Độ thấm cao tức có độ giảm áp suất nhỏ với một tốc độ khí mang nhất định.
Khả năng tải trọng cao của cột.
Có khoảng nhiệt độ sử dụng rộng và chịu được nhiệt độ cao[8].
Với cột nhồi (packed column): Dạng cổ điển nhất của cột sắc ký khí là cột nhồi
với một cột thủy tinh hay thép không rỉ hở hai đầu, pha tĩnh được nhồi vào trong cột, cột
có đường kính 2 – 4mm và chiều dài 2 – 3m (hình 5). Tuy nhiên, ngày nay phần lớn (trên
90%) các cột sắc ký khí là mao quản[2].
Với cột mao quản hay còn gọi là cột mở (capillary): thường được làm bằng
silica nung chảy, pha tĩnh được phủ mặt trong (bề dày 0.2 – 0.5 µm), cột có đường kính
trong từ 0.1 – 0.5mm và chiều dài từ 30 – 100m hay hơn. Các cột thông thường có đường
kính trong 0,2 mm; 0,25 mm; 0,32 mm với chiều dài 25 – 60m. Thành trong của cột mao
quả có thể tráng lên một lớp pha tĩnh lỏng với bề dày 0,2 - 5 mm (wall coated open

tubular, WCOT) hay được phủ một lớp hạt có một lớp pha tĩnh lỏng bao quanh (support
coated open tubular, SCOT) hoặc một lớp pha tĩnh xốp của chất hấp phụ hay rây phân tử
(porous layer open tubular, PLOT)... Loại cột mao quản thông dụng nhất hiện nay là
WCOT (hình 4, hình 5)[2].

GVHD: Th.s Phan Thị Xuân

13


Trường ĐH Công nghiệp Thực phẩm Tp. HCM – Khoa Công nghệ Hóa học

Hình 2: Hệ thống inlet để tiêm mẫu vào cột nhồi
So với cột nhồi, cột mao quản có hiệu năng tách cao hơn rất nhiều. Một cột mao
quản 60 m có thể có 180.000 – 300.000 đĩa lý thuyết so với 4000 đĩa lý thuyết của cột
nhồi 2m).
Loại cột nhồi có đường kính nhỏ hơn (microbore; 0,75 mm) được xem như là
dạng trung gian giữa cột nhồi và mao quản.

Hình 3: Hệ thống inlet để tiêm mẫu vào cột mao quản

GVHD: Th.s Phan Thị Xuân

14


Trường ĐH Công nghiệp Thực phẩm Tp. HCM – Khoa Công nghệ Hóa học

Hình 4: cột mao quản được làm bằng polyamide và fused silica[8]

Hình 5: Minh họa cấu trúc bên trong của các cột nhồi và cột mao quản [8].
Cột mao quản được đặt bên trong lò cột để có thể lập trình để tăng nhiệt độ dần
dần (or in GC terms, ramped) giúp tách tốt hơn. Khi nhiệt độ tăng, những hợp chất có
GVHD: Th.s Phan Thị Xuân

15


Trường ĐH Công nghiệp Thực phẩm Tp. HCM – Khoa Công nghệ Hóa học

điểm sôi thấp rửa giải từ cột sớm hơn những chất có nhiệt độ sôi cao hơn. Vì vậy, trên
thực tế có hai yếu tố riêng biệt tác động đến quá trình tách là nhiệt độ và sự tương tác của
các chất phân tích với pha tĩnh đã đề cập trước đó.
Các hợp chất sau khi được tách ra, chúng sẽ rửa giải ra khỏi cột và đi qua một đầu
dò. Đầu dò có các cảm biến điện tử để phát hiện có chất đã được tách ra và đi qua đến
đầu dò. Các tín hiệu sau đó được xử lý bằng máy tính.
Thời gian pha động đi qua cột hay thời gian không lưu giữ gọi là t0.
Thời gian cần để một chất di chuyển qua cột sắc ký, khi ra khỏi cột nhờ thiết bị
detector ghi nhận tín hiệu và xuất hiện rực trên sắc đồ (tính từ lúc bơm mẫu đến khi xuất
hiện peak) là thời gian lưu (tR).
2.1.3

Sắc ký đồ
Trong quá trình chạy sắc kí, máy tính tạo ra một đồ thị từ các tín hiệu. (Xem hình

6). Đồ thị này được gọi là sắc kí đồ. Mũi của các peak trong sắc ký đồ đại diện cho các
tín hiệu được tạo ra khi một hợp chất rửa giải từ cột GC vào detector. Trục x biểu thị t R,
và trục y biểu thị cường độ (abundence) của tín hiệu. Trong hình 6, các peak được đánh
dấu với tR của chúng. Mỗi đỉnh đại diện cho một hợp chất riêng biệt được tách ra từ một
hỗn hợp mẫu. Các mũi ở phút 4.97 là từ dodecane, mũi ở phút 6.36 là từ biphenyl, mũi ở

phút 7.64 là từ chlorobiphenyl, và mũi ở phút 9.41 là từ hexadecanoic axit methyl ester.

Hình 6: sắc kí đồ của GC

GVHD: Th.s Phan Thị Xuân

16


Trường ĐH Công nghiệp Thực phẩm Tp. HCM – Khoa Công nghệ Hóa học

Nếu các điều kiện GC (tốc độ tăng nhiệt độ lò, loại cột, vv) đều giống nhau, một
chất sẽ luôn rửa giải với cùng một tR. Khi biết được tR cho một chất nhất định, chúng ta
có thể giả định danh tính của hợp chất có t R trùng khớp. Tuy nhiên, các hợp chất có tính
chất tương tự thường có thời gian lưu tương tự. Do đó, trước khi phân tích các nhà hóa
học cần phải biết thêm nhiều thông để xác định có hay không chất “Chất được dự đoán”
hay chất nào khác có tính chất gần giống với “Chất được dự đoán” đó trong một mẫu có
chứa các thành phần chưa biết.
2.2
2.2.1

Khối phổ (MS)
Nguyên tắc hoạt động
Ion hóa các nguyên tử muốn xác định khối lượng trong bộ phận ion hóa. Rồi cho
dòng ion dương thu được đi qua bộ phận chọn lọc để sau đó chỉ còn lại những ion có tốc
độ giống nhau tiếp tục hoạt động.những ion này tiếp tục đi qua điện trường để được tăng
tốc độ và cuối cùng đi qua từ trường. khi đi qua từ trường dòng ion này sẽ chuyển động
theo đường cong. Có thể nói khi biết bán kính đường cong này, chúng ta sẽ xác định
được khối lượng A của nguyên tử theo công thức:
Trong đó: K – hằng số; n – số electron tách ra khỏi nguyên tử khi bị ion hóa;

e – điện tích electron; r – bán kính cong; H – cường độ từ trường; V – thế hiệu điện
trường [5].
Có thể giải thích theo một cách khác dễ hiểu hơn. Khi một chất ở trạng thái khí
va chạm với một dòng electron thì phân tử chất đó có thể bị tách ra một hoặc hai electron
để trở thành các ion mang điện tích 1 hoặc 2 và cũng có thể quá trình va chạm này làm
phân tử làm phân tử chất tiếp nhận thêm electron để trở thành ion âm, gọi là ion hóa phân
tử. Khi va chạm mạnh hơn thì phân tử còn có thể bị phá vỡ ra thành nhiều phần khác
nhau mang điện tích dương hay âm. Sự phá vỡ này phụ thuộc hoàn toàn vào lưc va chạm,
dẫn đến các cách phá vỡ khác nhau. Các ion này sẽ được tách và ghi trên phổ đồ.
Các mảnh vỡ trên là những ion mang điện với khối lượng nhất định. Phân tử
lượng của các mảnh chia cho điện tích chính là khối lượng để tính tỷ lệ (M / Z). Hầu hết
các mảnh vỡ đều có z = +1, M / Z thường tương ứng với các khối lượng phân tử của mỗi

2.2.2

mảnh.
Các bước thực hiện phân tích bằng MS
2.2.2.1 Hóa khí chất mẫu

GVHD: Th.s Phan Thị Xuân

17


Trường ĐH Công nghiệp Thực phẩm Tp. HCM – Khoa Công nghệ Hóa học

Mẫu được dẫn vào bình chứa, ở đó áp xuất có thể giám tới 10-6 mmHg, sau đó
dòng khí này được dẫn vào ion hóa để sinh ra các ion, lượng mẫu có thể ghi nhận được
rất nhỏ từ 10-13 g/giây.
2.2.2.2

Ion hóa mẫu

Các phương pháp được sử dụng bao gồm:
Ion hóa nhờ va chạm điện tử (EI): Đây là phương pháp ion hóa phổ biến nhất.
Trong buồng ion hóa, các điện tử phát ra từ cathode làm bằng vonfram hoặc reni, sẽ bay
về anode với vận tốc lớn. Các phân tử chất nghiên cứu ở trạng thái hơi sẽ va chạm với
điện tử trong buồng ion hóa, có thể nhận năng lượng điện tử và bị ion hóa [6],[9].
Ion hóa nhờ trường điện từ: Đây cùng là một phương pháp ion hóa được dùng
khá phổ biến. Tại buồng ion hóa, người ta đặt các bộ phận phát ra từ trường, đó là các
“mũi nhọn” đặc biệt dưới dạng dây dẫn mảnh (2.5 µm) hay các lưỡi mảnh. Người ta đặt
điện cực vào các “mũi nhọn”. Ở tại các “mũi nhọn” sẽ cho một trường điện từ có gradien
từ 107 - 1010 V/cm. Dưới ảnh hưởng của trường điện từ mạnh này, các điện tử bứt khỏi
phân tử chất nghiên cứu do hiệu ứng đường hầm và ở đây không gây ra sự kích thích.
Vậy trong phương pháp ion hóa này, các ion phân tử được tạo thành vẫn giữ nguyên ở
trạng thái cơ bản, do đó các vạch phổ sẽ rất mảnh[9].
Ion hóa hóa học (CI): Một kỹ thuật tinh tế sản sinh ra ít mảnh vở hơn là sự ion
hóa hóa học (chemical ionization). Trong trường hợp này, nguồn ion hóa được đổ đầy
metan ở áp suất khoảng 100 Pa.
Các electron được cung cấp đủ năng lượng để chuyển CH4 đến những sản phẩm
hoạt động khác:
CH4 + e → CH4+ + 2e
CH4+ +CH4 → CH5+ + CH3
CH5+ + M → CH4 + MH+

GVHD: Th.s Phan Thị Xuân

18

Trường ĐH Công nghiệp Thực phẩm Tp. HCM – Khoa Công nghệ Hóa học

CH5+ là chất nhường photon khi tương tác với chất phân tích cho MH+, thường là ion có
hàm lượng lớn nhất trong phổ khối ion hóa hóa học metan (methane chemical ionization
mass spectrum) [6],[8].
Ion hóa nhờ sự phòng điện[1].
Ion hóa nhờ đốt nóng (nguồn nhiệt hay Lazer)[1].
Tách các ion theo khối lượng, về nguyên tắc việc tách này dựa trên sự khác nhau
về khối lượng của các ion hơn là sự khác nhau về điện tích. Trước tiên người ta tăng tốc
độ cho các ion, nhờ cho qua một điện trường mạnh, vận tốc của các ion được tính theo
công thức:

Trong đó:e – điện tích ion; U – thế tăng tốc; M: khối lượng; V – vận tốc.
Trong tốc độ này ở trong máy phân tích đạt 100 km/s. Sau khi tăng tốc, các ion
được bay qua một từ trường, đường bay của chúng sẽ bị lệch khác nhau do tác dụng của
từ trường với bán kính cong R được tính theo công thức:

Trong đó: R – bán kính cong; e – điện tích ion; M – khối lượng; H – cường độ từ
trường.
2.2.2.3 Chọn lọc

Một bộ 4 nam châm điện, được gọi là tứ cực (quadrapole), tứ cực có nhiêm vụ
tập trung các mảnh cho đi qua một khe và vào detector. Tứ cực được lập trình bằng máy
tính để điều khiển chỉ cho các mảnh M/Z được đi qua khe. Phần còn lại (tức là các mảnh
không mang điện tích) thì bị chặn lại không đi qua khe vào đầu dò. Máy tính có các tứ

cục sẽ soát qua lần lượt các mảnh M/Z theo chu kì cho đến khi soát hết tất cả các
mảnh. Điều sẽ lặp đi lặp lại ra nhiều lần trong mỗi giây. Mỗi chu kỳ di chuyển như vậy
được gọi là quét phổ.
Máy tính ghi lại biểu đồ sau mỗi lần quét. Trục hoành biểu thị tỷ lệ M /Z. Trục

tung chỉ thành phần % tương đối của các ion so với ion có lượng lớn nhất được qui ước
100%. Biểu đồ này được gọi là phổ khối (xem hình 7)[8].
GVHD: Th.s Phan Thị Xuân

19


Trường ĐH Công nghiệp Thực phẩm Tp. HCM – Khoa Công nghệ Hóa học

Hình 7: Sắc kí đồ và phổ MS tương ứng của 1-Butanol và 1-Bromobutane[8].
Sắc ký khí ghép khối phổ (GCMS) có thể phân tích các hỗn hợp hóa chất phức tạp
như không khí, nước…Nếu trong mẫu có một chất lạ xuất hiện, khối phổ có thể nhận
dạng cấu trúc hóa học độc nhất của nó (giống như việc lấy dấu vân tay). Cấu trúc của
chất này sau đó được so sánh với một thư viện cấu trúc các chất đã biết. Nếu không tìm
ra được chất tương ứng trong thư viện thì nhà nghiên cứu, có thể dựa trên cấu trúc mới
tìm được để phát triển các ý tưởng về cấu trúc hóa học. Nói cách khác, nhà nghiên cứu
thu được một dữ liệu mới và có thể đóng góp vào thư viện cấu trúc nói trên, sau khi tiến
hành thêm các biện pháp để xác định chính xác loại hợp chất mới này.
2.3

GCMS
Khi GC kết hợp với MS sẽ tạo ra một công cụ phân tích đa năng. Nhà nghiên cứu
có thể nghiên cứu về các chất hữu cơ, khi tiêm mẫu vào hệ thống sẽ tách ra các thành
phần riêng biệt từ hỗn hợp các chất, và xác định từng thành phần trong chúng. Hơn nữa,
các nhà nghiên cứu có thể xác định được hàm lượng (nồng độ) của từng thành phần.
Hình 8 thể hiện một đồ thị ba chiều khi GC kết hợp với MS. Muốn tạo ra biểu đồ
này trước hết nhà phân tích sẽ phải hình dung ra hình ảnh 3D và chuyển nó thành các đồ
thị 2D. Có thể tạo ra hoặc là một quang phổ khối lượng hoặc một sắc kí đồ bằng cách tạo
ra mặt cắt ngang phù hợp của hình ảnh 3D này, Khi đó sẽ tạo ra một quang phổ và đó sẽ
tạo ra một sắc kí đồ.

GVHD: Th.s Phan Thị Xuân

20


Trường ĐH Công nghiệp Thực phẩm Tp. HCM – Khoa Công nghệ Hóa học

Hình 8: phổ 3D của GCMS
2.4

Máy tính kết nối

Hình 9: màn hình hiển thị - máy tính
Các máy tính cá nhân (PC) đã tạo nên nhiều tiến bộ trong thiết bị đo phân tích.
Khối lượng lớn dữ liệu có được nhờ các công cụ sẽ được ghi lại trên giấy, nhưng sẽ trở
nên dễ dàng hơn nhiều nếu có một máy tính trợ giúp ghi nhớ và xuất ra dữ liệu một cách
nhanh chóng khi ta cần tra cứu.
Trước đây, hệ thống máy tính chuyên ngành đã được phát triển để xử lý công việc
mã hóa từ tín hiệu tương tự (analog) ở đầu ra sang tín hiệu số và sau đó áp dụng đồ họa
và bảng tính. Tuy nhiên, các hệ thống này sử dụng mã lập trình riêng và khá khó khăn để
học. Khi máy tính ngày càng nhanh hơn và có khả năng xử lý khối lượng lớn dữ liệu hơn,
chúng đã thực hiện công việc điều khiển thiết bị và thu thập dữ liệu. Phần mềm này
thường được viết trên hệ điều hành Windows, hệ thống được điều khiển theo ý muốn một
GVHD: Th.s Phan Thị Xuân

21


Trường ĐH Công nghiệp Thực phẩm Tp. HCM – Khoa Công nghệ Hóa học

cách đơn giản với việc chạm, nhấp vào chức năng muốn thực hiện, làm cho công việc
học hệ điều hành chuyên ngành và ngôn ngữ lệnh ít được chú trọng. Hơn nữa, nhiều gói
phần mềm hiện nay đều có tính tương tác, đa phương tiện kèm hỗ trợ trong học tập các
phần mềm và thiết bị. Hiện tại chỉ có những thiết bị hoàn toàn mới mới khiến có thể
khiến người học tập trung sự chú ý hơn vào việc học các nguyên tắc hoạt động cơ bản
của thiết bị.
Các công cụ này đều có phần mềm riêng theo từng hãng sản xuất đưa ra. Những
bộ phần mềm này sử dụng nhiều hệ điều hành. HPLC và GC-MS sử dụng hệ điều hành
Windows 3.1. AAS sử dụng một hệ điều hành MS-DOS tương tự như Windows 3.1. Sinh
viên cần lưu ý sự khác biệt trong các hệ điều hành khi vận hành thiết bị.
Mặc dù mỗi hệ thống khá khác nhau, nhưng chúng vấn có một số đặc điểm chính.
Các thông số kiểm soát công cụ hiệu quả, thu thập dữ liệu và phân tích dữ liệu thường
được kết hợp gộp chung vào phương pháp. Phương pháp có thể được sử dụng nhiều lần
bằng cách thiết lập một chuỗi lệnh. Một chuỗi lệnh được xây đựng theo công cụ để đánh
2.5
2.5.1

giá mẫu X phân tích bằng phương pháp Y.
Ưu và nhược điểm của GCMS
Ưu điểm
Kết hợp ưu điểm của hai phương pháp GC và MS.
Sắc ký khí là phương pháp có hiệu năng tách rất cao, cao hơn nhiều so với HPLC.
nó có thể phân tích những hỗn hợp rất phức tạp mà HPLC không phân tích được. Với
MS có thể vừa biết cấu trúc hóa học của phân tử phân tích được nhiều cấu trúc hóa học
của phân tử thông qua các thông tin cung cấp bởi mảnh ion.
Ưu điểm của MS là vừa có tính phổ quát vừa có tính chon lọc.
Định lượng dựa vào cường độ mảnh ion, cho độ nhạy cao.
Cho biết sự hiện diện của nguyên tố đồng vị có trong hợp chất.
Ngưỡng phát hiện của phương pháp này là 1 picogram.

Nhận diện được chính xác chất phân tích dựa vào thời gian lưu và khối phổ của
mảnh ion.
Kết quả thu nhận được một cách nhanh chóng (chỉ từ 1 đến 100 phút)
GVHD: Th.s Phan Thị Xuân

22


Trường ĐH Công nghiệp Thực phẩm Tp. HCM – Khoa Công nghệ Hóa học

Độ chính xác cao.
Độ nhạy cao, có khả năng phát hiện các cấu tử có nồng độ thấp.
2.5.2

Nhược điểm
Độ bay hơi: Mẫu phải bay hơi được
Độ bền nhiệt: Mẫu buộc phải tồn tại ở nhiệt độ cao.
Khối lượng phân tử: Đặc trưng < 500 amu
Chuẩn bị mẫu: Dung môi phải bay hơi và có nhiệt độ sôi thấp hơn các chất phân
tích
Lượng mẫu: Thường từ 1 –5 µl
Giá thành thiết bị cao, điều kiện hoạt động và bảo trì phức tạp.
Ngoài ra viêc kết nối GC với đầu dò MS gặp nhiều trở ngại hơn so với các loại
đầu dò khác vì điều kiện áp suất giữa máy GC và máy MS rất khác nhau. Chỉ có một số
loại cột sắc kí mới có thể sử dụng cho GCMS các loại cột polimer hữu cơ sẽ bị đứt mảnh
khi gia tăng nhiệt độ, mảnh này có thể đi vào đầu dò khối phổ làm xuất hiện những peak
rất lạ và đặc trưng, có thể gây nhầm lẫn với các mảnh ion của mẫu khảo sát.
Tuy nhiên việc kết nối GC với MS vẫn thuân lợi hơn LC với MS vì:
Có sự không tương thích cơ bản giũa máy HPLC và máy MS
MS hoạt động trong điều kiện: chân không sâu, nhiệt độ cao, các chất khảo sát

phải ở thể khí, vận tốc dòng chảy nhỏ
HPLC hoạt động trong điều kiện: áp suất cao, nhiệt độ tương đối thấp, các chất
khảo sát thể lỏng, vận tốc dòng chảy lớn.
GC với MS thuận lợi hơn vì:
Mẫu khảo sát có đặc tính dễ bay hơi nên lấy mẫu ở máy GC và MS đều ở thể khí

GVHD: Th.s Phan Thị Xuân

23


Trường ĐH Công nghiệp Thực phẩm Tp. HCM – Khoa Công nghệ Hóa học

Cột sắc kí của máy GC và bộ phận của máy MS có thể hoạt động trong cùng điều
kiện nhiệt độ.
Lưu lượng vật chất vào đầu dò MS ít hơn so với bên LC.
Giao diện kết nối giữa MS với GC không phức tạp như với LC.
2.6
2.6.1

Phạm vi ứng dụng
Ứng dụng
Thích hợp cho phân tích tinh dầu và các chất bay hơi, có thể phân tích và cho biết
thành phần của tinh dầu và các chất bay hơi rất nhanh và hiệu quả.
Sắc ký khí cột mao quản là phương tiện lý tưởng trong giai đoạn hiện nay để phân
tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật trong nông sản thực phẩm.
GCMS có thể áp dụng rất tốt cho việc nghiên cứu và phân tích các chất đồng vị
bền. Có thể kể đến như sau:
Phân tích các hợp chất chứa nhóm sunfua: áp dụng trong việc kiểm soát ô nhiễm
môi trường đặc biệt là nhiễm bẩn dầu trong nước biển và ô nhiễm nguồn cung cấp thức

ăn cho cho con người từ cá biển. Các họp chất chứa sunfua có thể coi là thước đo đánh
giá sự ô nhiễm trong cá và cá hồi. Trong các nghiên cứu người ta nhận thấy C 13H17 –
naphtalen ở mũi M/z = 170 và C3H7 – banzothiophen ở giá trị M/z = 176, alkyl
benothiophen C10H10S M/z =162 và alkyl naphtalen C12H12 M/z = 160. Người ta cũng
phát hiện ra năm đồng phân của alkyl benzothiophen.
Hệ thống sắc ký khí khối phổ được sử dụng để phân tích tất cả các hợp chất hoá
học độc có tính bay hơi, ví dụ như thuốc bảo vệ thực vật, các hợp chất thơm, các axit
béo...
Hệ thống sắc ký khí tích hợp với detector khối phổ không chỉ cho phép phân tích
định lượng mà còn cho phép định tính, phát hiện các hợp chất hóa học nhờ các thư viện
phổ như Winley, Pesticide...
Phạm vi ứng dụng: áp dụng trong các lĩnh vực kiểm định an toàn thực phẩm, môi
trường...
GVHD: Th.s Phan Thị Xuân

24


Trường ĐH Công nghiệp Thực phẩm Tp. HCM – Khoa Công nghệ Hóa học
2.6.2

Ví dụ
Xác định lượng dư Chlorpyrifos và Diazinnon bằng GCMS Quy trình được
cấp phép bởi “ Bộ Nông Nghiệp Và Phát Triển Nông Thôn – Cục Quản Lí Chất
Lượng Nông Lâm Sản và Thủy Sản Quy trình phân tích chuẩn theo NAF QUAD
NAF 032/10 [7]

2.6.2.1 Phạm vi áp dụng

Phương pháp này áp dụng để xác định dư lượng Chlorpyrifos, Diazinon trong thực

phẩm bằng GCMS. Giới hạn định lượng của phương pháp là 10 µg /kg và 5 µg /kg.
2.6.2.2 Nguyên tắc
Dư lượng Chlorpyrifos, Diazinon trong thực phẩm được trích ly bằng CH 3CN đã
axit hóa, dịch trích được làm sạch được loại bỏ dung môi dưới dòng khí nitơ, sau đó hòa
tan bằng iso-octane. Dư lượng Chlorpyrifos, Diazinon được xác định trên hệ thống sắc kí
khí với cột ZB-5MS và đầu dò MS (chế độ EI).
2.6.2.3 Hóa chất, thuốc thử
Chuẩn Chlorpyrifos, Diazinon có độ tinh khiết 97%. Dr. Ehrenstorfer (Dr.
Ehrenstorfer là tên một hang sản xuất hóa chất nổi tiếng của CHLB Đức) hoặc tương
đương.
Nội chuẩn Chlorpyrifos D10 100 µg /ml, Dr. Ehrenstorfer hoặc tương đương.
MnSO4 khan, loại dùng cho phân tích.
Sodium acetate (NaOAc) khan, loại dùng cho phân tích.
Primary secondary amine (PAS), kích thước hạt 40 µm, varian (Part No.
12213024) hoặc tương đương.
Bột C18, kích thước hạt 40 µm, Alltech hoặc tương đương.
CH3CN, loại dùng cho phân tích sắc kí lỏng.
Methanol, loại dùng cho phân tích sắc kí lỏng.
Iso-octane, loại dùng cho phân tích sắc kí lỏng.
CH3COOH, loại dùng cho phân tích.
GVHD: Th.s Phan Thị Xuân

25