Hóa phân tích sắc ký khí

Sắc Ký Khí

(Gas Chromatography)
PGS.TS. Nguyễn Đức Tuấn
Bộ môn Hóa phân tích – Kiểm nghiệm
Khoa Dƣợc – Đại học Y Dƣợc TPHCM
2-2014
Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Sắc ký khí
Mục tiêu: Trình bày được
- Phân loại và các khái niệm cơ bản của phương pháp

sắc ký khí (SKK)
- Nguyên lý và cấu tạo của máy SKK
- Ứng dụng SKK trong định tính và định lượng

Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Sắc ký khí
Nội dung

- Lịch sử phát triển của SKK
- Đại cương và các khái niệm cơ bản

- Nguyên lý và cấu tạo của máy SKK
- Thực hành SKK

- Ứng dụng SKK trong định tính và định lượng
- SKK và các phương pháp sắc ký khác
Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Lịch sử phát triển của SKK
 1777: Scheele, Fontana – Hấp thụ khí trên than hoạt
 1905: Ramsey – Tách neon khỏi heli trên than hoạt
 1936: Euken và Knick – Hấp phụ và giải hấp bằng nhiệt độ

 1941: G. Hess – Sử dụng khí mang rửa giải cột hấp phụ
 1941: Martin và Synge – Lý thuyết về sắc ký phân bố (khí – lỏng)
 1943: Tuner (1946: Claesson) – Khả năng phân tích các đồng
đẳng trên cột hấp phụ

Martin
(1910 – 2002)

 1946 - 1949: Cremer, Prior và Keulemans – Máy SKK đầu tiên.
Rijks – Phát triển SKK mao quản
 1952: Martin và James (Nobel hóa học)
 Sắc ký phân bố khí – lỏng (cột nhồi)
 Bài báo đầu tiên về SKK

 1957: Golay – Cột mao quản  1980: thương mại hóa

Nguyễn Đức Tuấn

Synge
(1914 – 1994)
Đại học Y Dược TPHCM


Lịch sử phát triển của SKK

Erika Cremer (1900 – 1996)

Máy sắc ký khí đầu tiên

Fritz Prior (1921 – 1996)
Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Lịch sử phát triển của SKK
Sự phát triển của SKK
 Thiết bị
 Cột, pha tĩnh

 Đầu dò …
 Điều khiển
 Cơ

 Cơ điện
 Điện tử

 Lưu trữ
Kết quả: Thao tác dễ dàng hơn, mẫu phân tích ít hơn, độ phân giải cao hơn,
độ chính xác cao hơn, định tính và định lượng dễ dàng hơn
Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Lịch sử phát triển của SKK
Ngày nay
 SKK đã trở thành một trong những phương pháp sắc ký quan trọng nhất để
 Tách

 Hổ trợ xác định cấu trúc (FT-IR, MS)
 Nghiên cứu các thông số hóa lý: hệ số hoạt độ, entapi, nhiệt hóa hơi, hệ
số khuếch tán phân tử, động học xúc tác …
 Kỹ thuật SKK có tốc độ phát triển chậm so với kỹ thuật HPLC
 SKK sử dụng cột nhồi đã bị thay thế bởi SKK sử dụng cột mao quản
 Thiết bị SKK ghép nối với thiết bị xác định cấu trúc như FT-IR, MS

Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Đại cƣơng và các khái niệm cơ bản
 Sắc ký khí là một phương pháp dùng để tách hỗn hợp các chất
bay hơi dựa trên sự “phân bố” của các cấu tử bay hơi giữa pha
tĩnh là chất rắn (sắc ký hấp phụ) hay chất lỏng (sắc ký phân bố)
và pha động là một chất khí trên một cột mở

 Mẫu phân tích: là những chất bay hơi ở nhiệt độ tiến hành sắc
ký, được hòa tan trong dung môi hữu cơ (MeOH, ether …) hay
ở thể hơi (kỹ thuật headspace)
 Pha động (khí mang) là chất khí di chuyển liên tục (sắc ký rửa
giải) qua pha tĩnh không bay hơi, theo một phương nhất định
 Pha động không tương tác với chất phân tích, chỉ có nhiệm vụ
di chuyển chất phân tích qua cột

Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Đại cƣơng và các khái niệm cơ bản
 Cơ chế của quá trình tách có thể là
 Phân bố (chủ yếu hiện nay)

 Hấp phụ (ít dùng)
Khả năng bay hơi (nhiệt độ sôi) của mẫu thử đóng một vai trò quan trọng

Các chất tách được là do “ái lực” khác nhau với pha tĩnh

Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Đại cƣơng và các khái niệm cơ bản
 Cơ chế tách của SKK

Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Đại cƣơng và các khái niệm cơ bản
 Khả năng tách của các chất trong mẫu phân tích phụ thuộc nhiều vào
 Bản chất của mẫu
 Bản chất của pha tĩnh

 Nhiệt độ của hệ thống (pha tĩnh, khí mang, mẫu thử)
 Nhiệt độ là thông số quan trọng của quá trình SKK
 Phải được kiểm soát chặt chẽ

 Nhiệt độ của quá trình phân tích có thể không đổi (isothermal) hay tăng
theo thời gian (gradient)
 Phân loại
 Sắc ký khí – rắn (hấp phụ): áp dụng hạn chế do có sự lưu giữ lâu các
phân tử phân cực trên bề mặt pha tĩnh (pic bất đối), chỉ áp dụng để tách
một vài chất khí có KLPT nhỏ
 Sắc ký khí – lỏng (phân bố): áp dụng rộng rãi
Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Nguyên lý và cấu tạo của máy sắc ký khí

 Hệ thống khí: khí mang, khí nén, hydro

 Buồng cột

 Bộ phận điều áp (van, đồng hồ đo)

 Cột sắc ký

 Bộ lọc khí

 Đầu dò

 Bộ chỉnh dòng

 Hệ thống xử lý và lưu dữ liệu

 Cổng bơm mẫu, buồng bơm mẫu
Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Nguyên lý và cấu tạo của máy sắc ký khí
 Hệ thống khí: khí
mang, khí nén, hydro
 Bộ phận điều áp
 Bộ lọc khí
 Bộ chỉnh dòng
 Cổng bơm mẫu, buồng
bơm mẫu
 Buồng cột

 Cột sắc ký
 Đầu dò
 Hệ thống xử lý và lưu
dữ liệu

Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Nguyên lý và cấu tạo của máy sắc ký khí

Máy sắc ký khí Shimadzu 14B

Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Nguyên lý và cấu tạo của máy sắc ký khí

GC-MS

Agilent 6890
Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM

Khí mang
 Vai trò: pha động
 Yêu cầu chung

 Không tương tác với pha tĩnh
 Thích hợp với dầu dò
 Tinh khiết (ảnh hưởng tới kết quả sắc ký và độ bền thiết bị): ≥ 99,995%

 Không có CO2, hơi nước, oxy và các khí lạ khác
 Lưu lượng khí
 Yêu cầu: ổn định (đẳng dòng) và kiểm soát được (gradient)

 Lưu lượng khí tối ưu  số đĩa lý thuyết tối đa
 Thông thường:
 Cột nhồi: 75 – 100 ml/phút

 Cột mao quản: 1 – 50 ml/phút

Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Khí mang
 Nguồn cung cấp:

 Bình khí nén
 Máy sinh khí
 Yêu cầu: mức độ tinh khiết cao
(99,995%)

 Sinh khí hydro: điện giải nước
 Sinh khí nitơ: từ không khí

 Không khí: loại tiểu phân,
hydrocarbon, CO2, halogen và
dẫn chất

Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Khí mang
 Thiết bị:
 Van điều áp, lưu tốc kế

 Thiết bị điều chỉnh lưu lượng khí
 Bộ lọc khí (làm sạch khí, bẫy khí): hấp
phụ CO2, O2, hydrocarbon, halogen và
dẫn chất, hấp thụ nước

Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Khí mang
 Các thông số quan trọng
 Khối lượng phân tử

 Cao: khuếch tán ít  pic gọn
 Thấp  độ nhạy cao (đầu dò dẫn nhiệt TCD)
 Độ nhớt của khí mang

 Tỷ lệ với độ giảm áp suất qua cột
 Thời gian phân tách
 Tốc độ dòng khí mang

 Các loại khí mang thường được sử dụng: heli, nitơ, hydro, argon
 Lựa chọn khí mang: cần chú ý
 Đầu dò sử dụng

 Yêu cầu tách
 …..
Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Khí mang
 Độ dẫn điện và độ nhớt của một số khí mang thường sử dụng

Độ dẫn điện ,
10-4 cal/cms.K

50oC

100oC

200oC

300oC

Argon

0,52

242

271

321

367

Heli

4,08

208

229

270

307

Nitơ

0,73

188

208

246

307

Hydro

5,47

94

103

121

139

Khí

Nguyễn Đức Tuấn

Độ nhớt () ở 1 atm

Đại học Y Dược TPHCM

Khí mang
Các điểm cần chú ý khi sử dụng khí mang cho các đầu dò khác nhau
 Đầu dò dẫn nhiệt (TCD)
 sử dụng khí mang có độ dẫn điện cao như hydro, heli
 Đầu dò ion hóa ngọn lửa (FID)
 Vận hành với tất cả khí mang vô cơ (trừ oxy)
 Nitơ thường được sử dụng
 Kết hợp với GC-MS: sử dụng heli
 Đầu dò cộng kết điện tử (ECD)
 Vận hành theo kiểu dòng một chiều: nitơ
 Vận hành theo kiểu xung: argon bổ sung 5% methan

Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Khí mang
Các đặc điểm của một số khí mang thƣờng đƣợc sử dụng
 Khí hydro
 Hydro thương mại đạt yêu cầu sắc ký
 Cần dùng nitơ làm khí bảo vệ thổi qua cột trước
 Ống dẫn khí hydro phải đủ dầy
 Vẫn trơ dưới 200oC
 Máy sinh khí hydro
 Công suất 125 – 225 ml/phút
 Khi máy đạt áp suất nhất định mới đưa khí vào cột sắc ký
 Trong phòng sắc ký phải có máy dò độ hở hydro và cấm lửa
 Khí heli
 Khí trơ hóa học, thích hợp cho SKK nhiệt độ cao

 Với đầu dò ion hóa bằng tia phóng xạ: phải sử dụng heli tinh khiết
Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Khí mang
Các đặc điểm của một số khí mang thƣờng đƣợc sử dụng

 Khí argon
 Khí trơ hóa học, thích hợp cho SKK nhiệt độ cao
 Độ nhớt cao

 Khí nitơ
 Không nguy hiểm, rẻ, dễ làm tinh khiết, được sử dụng nhiều
 Với đầu dò TCD: có thể xuất hiện pic âm do giá trị dẫn nhiệt của nitơ
rất gần với độ dẫn nhiệt của nhiều khí hoặc hơi chất hữu cơ
 Không khí và oxy
 Oxy thương mại đạt yêu cầu sắc ký
 Không khí nén có thể lấy từ bình khí hoặc bơm nén kiểu dầu

Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Bộ phận bơm mẫu
 Bộ phận bơm mẫu
 Thủ công
 Tự động hóa

 Headspace

 Cổng bơm mẫu: có nhiệt độ hóa hơi hoàn toàn mẫu
 Buồng bơm mẫu: thường được giữ khoảng 50oC trên điểm sôi của cấu tử
 Kỹ thuật bơm mẫu
 Chia dòng: sử dụng từ  1% lượng mẫu bơm (có thể thay đổi)
 Không chia dòng: sử dụng toàn bộ lượng mẫu bơm

 Lượng mẫu
 Cột mao quản: # 1 µL (0,2 – 5 µL )
 Cột nhồi: lượng mẫu bơm lớn hơn

 Mẫu lỏng: hòa tan trong dung môi thích hợp
 Mẫu khí: headspace
 Vi chiết pha rắn: mẫu thể tích lớn, nồng độ thấp, nhiều tạp không bay hơi
Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Bộ phận bơm mẫu

Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM