Phương pháp sắc ký khí

SẮẮC KÝ

GC ( pha độộn g: KHÍ)

GSC

LC (pha độộn g: LỎỎN G)

HPLC

GLC

LSC

IEC

LLC

PlaC

SEC

AC

TLC

PC

IC

1

CÁC TỪ VIẾT TẮT

GC: Gas Chromatography ( Sắc ký khí)
LC : Liquid Chromatography ( Sắc ký lỏng)
GSC : Gas – Solid Chromatography ( Sắc ký khí - rắn)
GLC : Gas –Liquid Chromatography ( Sắc ký khí - lỏng)
HPLC : High – Performance Liquid Chromatography
( Sắc ký lỏng hiệu năng cao)
LSC : Liquid– Solid Chromatography ( Sắc ký lỏng- rắn)
LLC : Liquid–Liquid Chromatography ( Sắc ký lỏng- lỏng)
IEC : Ion – exchange Chromatography ( Sắc ký trao đổi ion)
IC : Ion Chromatography

( Sắc ký ion)

SEC : Size – Exclusion Chromatography ( Sắc ký rây phân tử)
AC : Affinity Chromatography ( SắC ký ái lực)
TLC : Thin Layer Chromatography ( Sắc ký bản mỏng)
PC : Paper Chromatography
Planar Chromatography : Sắc ký phẳng ( PlaC)

2


II. PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ

Sơ đồ thiết bị máy sắc ký khí

•
•

bơm mẫu:
3. Bộ phận bơm mẫu và buồng
- Xylanh bơm mẫu có độ chính xác cao
- Buồng bơm mẫu phải phù hợp với thể tích xylanh và tốc độ bay hơi hoàn toàn
mẫu

động: gồm 2 phần:
2. Bộ phận điều khiển tốc độ pha

•
•

- Hệ thống van khí
- Hệ thống đồng hồ đo áp suất: có độ chính xác cao 0,01atm

cầu:
vai trò pha động. Khí mang phải đảm bảo yêu
khí) có chứa sẵn khí mang (Ar, He, N2…) đóng

•
•
•
•

1. Bom khí: or Máy nén khí ( thiết bị điều chế

- Trơ về mặt hóa học với hệ sắc ký,
- Phù hợp với detector
- Có khả năng tách tốt ( độ nhớt, độ linh động)
- Có lợi về kinh tế

bộ phận

Yêu cầu tổng quát của từng


•
•
•

5. Cộột sắẮc ký:
Phù hợp với đối tượng cần tách,
Đặc biệt lưu ý đến độ phân cực và độ chọn lọc.
Độ phân cực và độ chọn lọc được thể hiện ở nhóm chức gắn lên pha tĩnh, các nhóm chức phổ
biến: Ankyl, Phenyl, cyano, rezoxino, hydroxin, carbamat, sulfonyl, sulfid, amino…

yêu cầu chế độ nhiệt nghiêm ngặt
Buồng bơm mẫu, cột sắc ký, detector
4. Bộ phận điều khiển nhiệt độ:

•
•

- Phải có hệ thống cấp và tản nhiệt tốt phù hợp với yêu cầu nhiệt độ từng vùng

- Bộ chương trình nhiệt độ cột sắc ký phải có độ đáp ứng tốt


•

dữ liệu:
7. Bộ phận phân tích
- Mức độ tự động hóa càng cao càng tốt (ngân hàng dữ liệu để định tính, độ
chính xác của bộ phận đọc tín hiệu từ detector, các phương pháp định lượng và
xử lý số liệu)

6. Detector:

•

- Là bộ phận nhận biết chất tan đi ra khỏi cột. Phải phù hợp với đối
tượng và cấu tử cần tách, có độ nhạy và độ đáp ứng cao.


2.1.2. NGUYÊN TẮC VẬN HÀNH

1. ChuẩỎn bịộ hệộ sắẮc ký

Kiểm tra

-

Mức độ rò rỉ của khí mang

- Sự liên thông giữa 3 khối

Chú ý: NệẮu cộột mớẮị thì phaỎị luyệộn cộột trướẮc khị sưỎ duộng bắằng cách cho khí
0
0
mang chaộy qua cộột ít nhẩẮt 30 phút ớỎ nhịệột độộ 200-250 C tùy theo T max cuỎa
cộột trướẮc khị tịệẮn hành bớm mẩẫu

2. Đắột chệẮ độộ chaộy sắẮc ký:

TộẮc độộ dòng pha độộng, địệằu kịệộn nhịệột độộ, thớằị gịan chaộy sắẮc ký, choộn Detector, địệằu kịệộn làm vịệộc
cuỎa Detector và các địệằu kịệộn phẩn dòng tưằ buộằng bớm mẩẫu


3. Tiến hành chạy sắc ký

Bơm mẫu vào cột, lượng mẫu cần bơm, chọn kiểu bơm (kim nóng, kim
lạnh)

4. Phân tích các dữ liệu từ sắc đồ:
Định tính, định lượng

YÊU CẦằU TỔỎN G QUÁT CUỎA QUÁ TRÌNH VẦộN HÀNH

Độộ lắộp laộị cuỎa thí nghịệộm phaỎị cao, haộn chệẮ tộẮị đa saị sộẮ ngẩẫu
nhịện


 

2.1.3. Ứng dụng phương trình VanDeemter trong sắc ký khí

H = A + B/u + Cu
Uopt =
Hmin = A + 2

( A = Hx = 2٨dh)

Thực tế A ≠ 0 do vậy sự phụ thuộc của Hmin vào A có thể mô tả bằng hình vẽ dưới đây:

1

1- Cột mao quản

H(mm)

2- Cột nhồi dh=35 µm
2

0,3 –

3- Cột nhồi dh=15 µm

3

4- Cột nhồi dh=07 µm

0,24
Cột nhồi có dh càng

0,1-

nhỏ thì khả năng
tách càng cao

0
10

20

30

40

50

u(cm/s)


•

1. Chọn U sử dụng: Thực tế không bao giờ chọn được Usd = Uopt; thông thường Usd > Uopt
nhưng cần phải tính toán sao cho tách được cấu tử cần tách ra khỏi nhau trong khoảng thời gian
ngắn và tốn ít khí

•
•

mang.

2. Điều kiện nhiệt độ của cột tách: Nhiệt độ sử dụng không quá cao và không quá thấp.
- Khi nhiệt độ càng lớn thì tốc độ của các cấu tử càng tăng, khi đó UA ≈ UB ≈ Ui ≈ U ; Khi nhiệt

càng thấp UA ≈ UB ≈ Ui ≈ U ≈ 0 → Hệ số tách = 1 → Không tách được các cấu tử ra khỏi nhau

•

- Khi tách các cấu tử có nhiệt độ bay hơi cao, phải dùng nhiệt độ cao thì phải đặc biệt lưu ý đến
giới hạn nhiệt độ làm việc của cột và của detector.

•

3. Chọn lượng mẫu: Đối với 1 cột sắc ký, để có N lớn, khả năng tách tốt thì khối lượng mẫu càng

HÓA MỘT

- Khi xác định chương trình nhiệt độ của một phép phân tích cần phải có sắc đồ sơ bộ, sau đó thay
đổi tốc độ gia nhiệt của hệ.

•

TRÌNH
QUÁ
TỐI ƯU

nhỏ càng tốt, tuy nhiên phải lưu ý đến giới hạn phát hiện của detector và đặc biệt nhiễu đường nền
do dung môi và khí mang gây nên

•

4. Chọn pha động: Chọn pha động thích hợp là việc làm rất khó khăn của người phân tích, nó phụ
thuộc vào điều kiện của các phòng thí nghiệm.

•
•

2.2.1. CỘT SẮC KÝ
Trước những năm 1970: làm bằng kim loại

•

Hiện nay: Chế tạo bằng thủy tinh thạch anh và bao bọc bằng một lớp polymer chịu
nhiệt có đường kính d =

mm; chiều dài l = 1- 4 mét. Chất nhồi được cho vào cột

và làm cho đường kính trong của cột ≈ 0 ( cỡ vài chục µm)→ khi khí mang vào cột
gây nên hiện tượng giảm áp (tốc độ dòng khí mang giảm theo chiều dài cột)

•

TĨNH
VÀ PHA

Độ chênh lệch áp suất (P) trên cột sắc ký ảnh hưởng lớn đến hiệu quả tách: Trong quá
trình tách, áp suất khí mang giảm dần dọc theo cột, dẫn đến làm giảm tốc độ dòng pha
động → số đĩa lý thuyết trên cột thay đổi → bề rộng chân pic thay đổi → khả năng phân

SẮC KÝ

giải 2 cấu tử cạnh nhau cũng thay đổi.

•
•
•

P → F , U → H → N → W và R
Mỗi loại cột, tùy theo cách chế tạo mà có những đặc điểm khác nhau →

CỘT

Độ giảm áp ∆P (∆P = P đầu – Pcuối )

2.2.


2.2.2. PHA TĨNH:
Tùy thuộc vào trạng thái tồn tại của các pha trong hệ sắc ký mà phân chia thành các loại sắc ký khác nhau:
Trong sắc ký khí - rắn (GSC), pha tĩnh là rắn; trong sắc ký khí - lỏng (GLC) thì pha tĩnh là lỏng. Để giữ cho pha tĩnh lỏng không di chuyển, vật liệu nền
rắn mịn được đưa vào cột ( chất mang). Trong kỹ thuật pha tĩnh được phủ lên chất mang được gọi là chất nhồi.

-

Các loại cột hiện nay chia làm 2 nhóm: Cột nhồi và cột mao quản.

2.2.2.1. CỘT NHỒI
Cột nhồi là loại cột mà chất mang và pha tĩnh được nhồi vào đầy cột

● Đối với GSC
Chất nhồi đồng thời là pha tĩnh, thường dùng là các polymer vi xốp, silicagel, alumina hoặc là một loại rây phân tử nào đó.
Đối với loại này, ngoài lực hấp phụ là chính, thường kèm theo lực phân bố và làm cho sắc đồ bất đối xứng ( có dạng đuôi).
Do pha tĩnh thường là các chất phân cực và có tính chất hấp phụ mạnh → khi tách các chất phân tích có độ phân cực mạnh thì thời gian lưu của

chúng cũng sẽ lớn ( lớn hơn nhiều so với GLC), vì thế nó chỉ thuận lợi khi tách các hỗn hợp có độ phân cực thấp. Đối với các cấu tử có độ phân cực
mạnh như nước, các ancol… do có ái lực lớn đối với pha tĩnh loại này nên không thể tách được chúng ra khỏi nhau trong hỗn hợp đồng đẳng của
chúng. Điều này phải được chú ý khi chế biến và xử lý mẫu phân tích.


● Đối với GLC
Chất mang thường dùng là Diatomit
Diatomit là loại vật liệu Silicat, nó là cấu tử chính trong gạch chịu lửa.
Ưu điểm: - Trơ về phương diện hóa học
- Khả năng thấm pha tĩnh lỏng tốt
- Bề mặt riêng lớn
- Chịu được nhiệt độ cao
Nhược điểm:
- Dễ vỡ
- Chứa nhiều tạp chất ( do có nguồn gốc tự nhiên)
0
2
Chế tạo: Sơ chế đất Diatomit → trộn đều với Na2CO3 theo tỉ lệ thích hợp, nung ở 900 C rồi nghiền thành bột. Diện tích bề mặt từ 1 - 4 m /g
Cấu trúc bề mặt:
OH

OH

O
Si

Si


+ Trong GLC, vấn đề quan trọng là phải phủ pha tính lỏng lên vật liệu nền ( Diatomit) sao cho đảm bảo có được 1 lớp phủ đồng nhất.

Cách phủ pha tĩnh: Hòa tan pha tĩnh lỏng vào dung môi có nhiệt độ sôi thấp, trộn với vật liệu nền, sau đó làm bay hơi dung môi.
Cách nhồi cột : Rót chất nhồi vào cột, lắc, rung để chất nhồi được nhồi chặt vào cột và đồng nhất cột, sau đó uốn cong để phù hợp với
bình điều nhiệt.

+ Trong GC, quan trọng nhất là chất để làm pha tĩnh lỏng.
Yêu cầu:
- Khí mang và nền rắn (chất mang) không tương tác với chất phân tích.
- Hệ số phân bố KD của pha tĩnh đối với chất phân tích phải ở khoảng giữa, không quá lớn và không quá bé.
KD được xác định bởi bản chất của pha tĩnh và nhiệt độ
Nếu KD lớn quá → tR dài và bất tiện
Nếu KD nhỏ → tR của tất cả các chất phân tích gần giống với t đ → khg thể tách đc.
KD là hàm số của độ bay hơi của chất phân tích hòa tan trong pha lỏng tĩnh
KD = f (ĐBHcpt)
Độ bay hơi của chất phân tích phụ thuộc vào tương tác giữa các phân tử của chất phân tích và các phân tử của pha tĩnh lỏng


+ Hiện nay có nhiều loại pha tĩnh lỏng có thể dùng được:

CÁC LOẠI PHA TĨNH LỎNG THÔNG DỤNG VÀ ỨNG DỤNG

Tên thông thường

Thành phần hóa học

0
T s cực đại

Độ phân cực

Ứng dụng điển hình

1

Squallane

C30H62

0
150 C

NP (kg pc)

Các hydrocacbon

2

OV-1 hay SE-30

Polimetyl siloxan

350

NP

Mục đích chung, các

S
T
T

hợp chất khg phân cực

3

Dexsil-300GC

Policacboran siloxane

400

NP

Các hợp chất có áp
suất hơi thấp

4

DEG - Adipate

Dietylenglycol adipate

200

I ( pc trbinh)

Các este, axit béo,
thuốc trừ sâu


5

DEG- Adipate

Dinonyl phtalat

150

I

Mục đích chung, các axeton, các ete, hợp chất
huỳnh quang, sulfua

6

Cacbawax 20M

Polietylen glycol

250

P (pc)

Rượu, hợp chất thơm, este

7

OV - 210

Politrifluopropyl metyl

250

P

Amino axit, steroit, các hợp chất Nitơ

275

P

Ancaloit, hợp chất Halogen

siloxane

8

OV - 275

Policyano metyl siloxane

● Các loại pha tĩnh lỏng không phân cực có khuynh hướng tương tác ít hơn với chất phân tích → t R gần với điểm sôi của chất phân tích.
Các loại pha tĩnh lỏng phân cực tương tác mạnh với chất phân tích phân cực → khó dự đoán trước thời gian lưu.


● NGUYÊN TẮC CHUNG
* Dùng pha tĩnh có độ phân cực giống độ phân cực của các cấu tử trong mẫu
Ví dụ:
- Squalane (C30H62) bản thân là một Hydrocacbon no ( không phân cực), được dùng để tách các hỗn hợp Hydrocacbon.
- Cacbawax là Polyetylen glycol là chất phân cực mạnh dùng để tách các rượu.

* Khi mẫu chứa các cấu tử có điểm sôi giống nhau nhưng độ phân cực khác nhau thì cấu tử nào có độ phân cực trùng với độ phân
cực của pha tĩnh sẽ bị lưu lại trên cột lâu hơn → t R lớn hơn.
Ví dụ: Có 1 hỗn hợp gồm các hydrocacbon parafin không phân cực và các hợp chất thơm phân cực
Nếu dùng cột Cacbawax để tách thì các hợp chất thơm sẽ tương đối trễ hơn so với các Parafin.
Nếu dùng cột Squalane để tách thì các hợp chất Parafin sẽ tương đối trễ hơn so với các hợp chất thơm.


2.2.2.2. CỘT MAO QUẢN
Thay vì nhồi cột bằng chất nền rắn, người ta phủ thành trong của một ống hẹp ( mao quản) bằng pha tĩnh- Cột loại này thường rất dài, số đĩa
5
lý thuyết lên đến 10 đĩa ( đối với cột dài 25 m)

Có 03 loại cột mao quản hở:

-

SCOT ( Support coated open-tubular columns) – Cột mao quản hở phủ pha tĩnh

là một ống bằng thép không gỉ có dtrong = 0,3 – 0,5 mm được phủ một lớp vật liệu nền có kích thước hạt rất nhỏ như là celite.

-

PLOT ( Porous layer open- tubular columns) – Cột mao quản hở lớp xốp.
gồm một lớp xốp ở thành ống bên trong của ống mao quản thủy tinh được tạo ra bằng cách phủ một loại bột thủy tinh để làm nền cho pha

tĩnh.

-

WCOT ( Wall – coated open – tubular Colums) – Cột mao quản hở phủ thành

Gồm 01 ống Silica đường kính trong 0,25 – 0,5 mm, được cho ăn mòn bên trong ( không nhẵn) và phủ một màng pha tĩnh mỏng (cở 0,5 µm).

Do đường kính mao quản nhỏ, để có số đĩa lý thuyết lớn → lượng mẫu đưa vào cột phải nhỏ < 100 ng, tuy nhiên cần có sự tương quan với khả
năng tương thích của Detector.Cột này có thể thực hiện các cân bằng rất lớn khoảng 1000 cân bằng/ 1 giây.


Do đường kính mao quản nhỏ, để có số đĩa lý thuyết lớn → lượng mẫu đưa vào cột phải nhỏ < 100 ng,
tuy nhiên cần có sự tương quan với khả năng tương thích của Detector. Cột này có thể thực hiện các cân
bằng rất lớn khoảng 1000 cân bằng/ 1 giây.

ƯU ĐIỂM so với cột nhồi

-

Cân bằng thiết lập nhanh
Độ phân giải tốt ( do dùng lượng mẫu nhỏ); độ đồng nhất cao ( đối với loại cột cho ăn mòn bằng phương
pháp hóa học)

-

Giới hạn phát hiện nhỏ

NHƯỢC ĐIỂM

-

Dài, nhỏ khó chế tạo.
Lượng mẫu nhỏ → cần có detector có khả năng tương thích cao

 

2.3. KHÍ MANG – PHA ĐỘNG

Từ mối liên hệ giữa thời gian lưu t’R với tốc độ dòng pha động F qua phương trình V’R = t’R F, F và tốc
độ chuyển dời u của pha động phụ thuộc vào áp suất của nó trên cột thông qua hệ số Martin J ( J: Hệ số hiệu
chỉnh), J là hàm số phụ thuộc vào áp suất đầu và áp suất cuối cột :

J=
Cần chú ý rằng: do tính chất dễ bị nén của chất khí, nên tốc độ chuyển dời của khí mang không tỷ lệ
thuận với áp suất bình khí mang; khi áp suất hơi bão hòa của cấu tử tăng, thời gian lưu của cấu tử sẽ giảm khi
tăng nhiệt độ của cột sắc ký.


2.3.1. Yêu

cầu đối với khí mang:

Độ giảm áp suất qua cột tách tỷ lệ với độ nhớt của khí mang theo phương trình: ∆P = (€ / Bo) Lu
Trong đó: ∆P = Pđ - Pc
€ : Độ nhớt của khí mang
u : Tốc độ dòng trung bình
B0: Độ thẩm thấu riêng

Do yêu cầu của đối tượng cần tách và khả năng tương thích của Detector, nên khí mang cần có các yêu cầu chính sau:





Đối với cột nhồi cần khí mang có độ nhớt thấp. Cột mao quản có thể sử dụng được các khí mang có độ nhớt cao.
Khí mang được dùng phải không thay đổi trạng thái lý, hóa khi đi qua máy sắc ký.
Phải tương thích với detector.
Chẳng hạn: - Detector độ dẫn (TCD) cần phải sử dụng khí mang có độ dẫn cao như H 2, He; trong một số trường hợp có thể dùng N 2

nhưng cần chú ý đến khoảng tuyến tính của Detector.
- Detector ion hóa ngọn lửa có thể dùng được tất cả các khí mang ( trừ O2)



Cần lưu ý đến độ an toàn khi sử dụng, hiệu quả kinh tế, độ tinh khiết cao


2.3.2. MỘT SỐ KHÍ MANG THÔNG DỤNG

Tính chẩẮt và khaỎ nắng sưỎ duộn g

Khị mang
Argon

Heli

Nitơ

Hydro

-4
0
Độ dẫn điện ( 10 cal/cm. s .K)

0,52

4,08

0,73

5,47

0
Độ nhớt ( ở 1 atm, 200 C)

321

270

246

121

Khoảng nhiệt độ làm việc

Rất rộng

Rất rộng

Rộng

Hẹp

Yêu cầu về độ tinh khiết

99,999%

99,999%

99,999%

99,999%

Tính kinh tế

Đắt

Rất đắt

Rẻ

Rẻ

Mức độ an toàn

Cao

Cao

cao

Rất thấp

Mức độ phổ biên

ít

Rất ít

Cao

ít


2.4. Các loại Detector
2.4.1. Detector độ dẫn nhiệt ( TCD- Thermal Conductivity Detector)
Nguyên tắc hoạt động:

Detector dẫn nhiệt (TCD)