Splitless là gì

Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh Chương I. Cơsở lý thuyết sắc ký 1. Giới thiệu chung: 1.1 Sắc ký là gì: Sắc ký là một phương pháp thường dùng trong phòng thí nghiệm mà cho phép chúng ta dễdàng phân li, phân tách, phân tích các hỗn hợp hoá học dựa vào sự phân bốkhác nhau giữ pha động và pha tĩ nh. Khi tiếp xúc với pha tĩ nh, các cấu tử sẽphân bốgiữa pha động và pha tĩnh. Trong hệ thống sắc ký chỉcó những pha động mới di chuyển dọc theo hệthống sắc ký, ở đây các chất khác nhau sẽcó ái lực khác nhau với pha tĩ Trong hệthống chuyển động dọc theo hệsắc ký, hết lớp pha tĩ nh. nh này đến lớp pha tĩ nh khác, sẽcó sự lặp đi lặp lại giữ quá trình hấp phụ, phản hấp phụ. Kết quảlà những cấu tử có ái lực lớn với pha tĩ nh sẽchuyển động chậm hơn qua hệthống sắc kí so với các cấu tử tương tác yếu hơn. Nhờ đặc điểm này, người ta có thểtách các chất qua quá trình sắc ký. 1.2 Lị ch sử phát triển của hệthống sắc ký Sắc ký được phát triển đầu tiên vào 1903 bởi nhà thực vật học người Nga Mikhail Tswett. Ông đã sử dụng cột calcium carbonate đểtách các hợp chất màu, khi ông đang nghiên cứu vềchlorophyll. Chữ sắc trong sắc kí có nghĩa là màu; nó vừa là tên của Tsvett trong nghĩ a tiếng Nga, và vừa là màu của các sắc tốthực vật ông phân tích vào lúc bấy giờ. Tên này vẫn tiếp tục được dùng dù các phương pháp hiện đại không còn liên quan đến màu sắc.Năm 1952 Archer John Porter Martin và Richard Laurence Millington Synge được trao giải Nobel Hoá học cho phát minh của họvề sắc kí phân bố. Kĩthuật sắc kí phát triển nhanh chống trong suốt thếkỉXX. Các nhà nghiên cứu nhận thấy nguyên tắc nền tảng của sắc ký Tsvet, có thểđược áp dụng theo nhiều cách khác nhau, từ đó xuất hiện nhiều loại sắc ký khác nhau. Đồng thời, kĩthuật sắc ký cũng tiến bộliên tục, cho phép phân tích các phân tử tương tự nhau. Báo Cáo Hóa Phân tích 1 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh 1.3 Phân loại sắc ký  Sắc ký khí-lỏng  Sắc ký trao đổi ion  Sắc ký ái tính ion kim loại bất động  Sắc ký lỏng hiệu năng cao  Sắc ký thẩm thấu gel  Sắc ký ái lực  Sắc ký lớp mỏng. 2. Sắc ký khí 2.1 Sơđồ cấu tạo của một hệ thống sắc ký Sắc ký là một phương pháp phân tích tiên tiến, và đ ược sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm phân tích. Đặc biệt, đối với các hợp chất bền vềnhiệt, và khó bịphân huỷở nhiệt độcao, thường được ưu tiên sử dụng phương pháp sắc ký khí đểđị nh tính và đị nh lượng. Sơđồ cấu tạo của một hệ thống sắc ký khí thông thường Các bộphận chính của hệthống sắc ký: - Pha động [mobile phase]. - Buồng tiêm mẫu [Injector] - Cột sắc ký [column] Báo Cáo Hóa Phân tích 2 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh - Đầu dò [ Detector] - dữ liệu phân tích. 2.2 Nguyên tắc hoạt động Hầu hết các loại máy sắc ký đều hoạt động dựa trên nguyên tắc di chuyển của các mẫu chất cần phân tích trong cột sắc ký. Những chất nào tương tác mạnh với pha tĩ nh ra sau, những chất tương tác yếu sẽra trước Nguyên lý hoạt động của máy GC là: Hình biểu diễn sơđồcấu tạo của hệthống sắc ký Đầu tiên mẫu được tiêm vào trong Injector, tại đây mẫu đ ược chia dòng theo tỉlệcài đặt và cần phải gia nhiệt cho injector đểhoá hơi những mẫu chất cần phân tích, khi mẫu tiêm vào đ ược hoá hơi, cần cài đặt nhiệt độ của injector phải cao hơn nhiệt hoá hơi của mẫu.Sau khi mẫu đ ược hoá hơi chúng được khí mang đẩy vào trong cột. Nhiệt độcủa cột cũng cần phải được gia nhiệt đểtránh sự ngưng tự của mẫu trong cột. Chất nào có nhiệt độsôi thấp sẽra trước và chất nào có nhiệt độsôi cao thì ra sau. Ngoài ra còn phụthuộc vào ái lực của chất phân tích và pha tĩ mẫu ra khỏi cột, lúc này một lần nữa mẫu đ nh. Sau khi ược khí mang đẩy vào trong detector, tại đây mẫu được đ ốt cháy bằng ngọn lửa và tạo ra các ion, nhờ vào lượng ion tạo ra mà detector đã nhận dạng đ ược trong mẫu cần phân tích có được ion nào, các tín hiệu mà detector phát hiện đ ược chuyển thành các tín hiệu điện và đ ược xuất ra dưới dạng dữ liệu. Báo Cáo Hóa Phân tích 3 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh 3. Máy Gas chromatography Clarus 500 3.1 Pha động: Pha động sử dụng trong hệ GC là khí trơ [helium, hydrogen, nitrogen] hoạt động kém, không tương tác với mẫu chất, các khí mang phải có độtinh khiết cao bởi một lượng nhỏtạp chất cũng có thểlàm phân hủy pha tĩnh, dẫn đến hiện tượng chảy máu cột và cuối cùng là phá hủy cột. Việc lựa chọn pha đ ộng tùy thuộc vào nhiều yếu tố:Tùy thuộc vào loại detector, độan toàn, và giá cảcủa nó. Ngoài ra còn phụthuộc vào tính chất vật lý của từng loại khí nhưđộnhớt hay tốc độ. Ví dụnhưhydrogen là chất khí có độnhớt thấp nên tốc đ ộ nhanh làm thời gian phân tích thấp. Đối với cột dài được nhồi chặt hoặc cột mao quản dài thì nên lựa chọn khí mang có độnhớt thấp. Độ dẫn điện và độ nhớt của các khí thường sử dụng trong sắc khí Độ Đô nhớt [ŋ] ở 1 atm Khí dẫn điện λ, 10-4 50oC 100oC 2000C 3000 C cal/cms.k Helium 4.08 208 229 270 307 Nitrogen 0.73 188 208 246 307 hydrogen 5.47 94 103 121 139 Tốc độ của dòng khí có thểđược đánh giá bằng đơn vịcm/s hoặc là mL/min. Với tốc độdòng tính bằng cm /s thì không phụthuộc vào đường kính cột nhưng đối với mL/min thì phụthuộc. Tương ứng của vận tốc và tốc độ dòng của khí mang với cột Đường kính o.18 0.25 0.32 0.53 Vận tốc [cm/sec] Helium Hydrogen 30-45 46-60 Tốc độ dòng [mL/min] Helium Hydrogen 0,50.7-0.9 0.7 30-45 46-60 30-45 46-60 30-45 46-60 0.9- 1.3-1.8 1.4- 2.2-2.9 4.0- 6.0-7.9 1.3 2.2 6.0 Báo Cáo Hóa Phân tích 4 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh Tùy theo loại detector sử dụng mà lựa chọn loại khí mang phù hợp nhất. - Detector độdẫn [TCD] cần loại khí mang có đ ộ dẫn cao như hydrogen, helium. Với helinum thì an toàn hơn nhưng giá thành cao. Trong sắc ký khí điều chếthì cần sử dụng nhiều khí mang nên thích hợp nhất là sử dụng khí nitrogen vì giá thành rẻ, nhưng cần chú ý đến độnhạy cũng nhưkhoảng tuyến tính của nó. - Detctor ion hóa ngọn lửa [FID] có thểsử dụng bất kì loại khí nào làm khí mang trừ khí oxygen. Với ưu điểm là giá thành rẻvà an toàn nên khí nitrogen thường đ ược sử dụng. Nhưng khi sử dụng kết hợp sắc ký khí khối phổ[GC-MS] thì phải sử dụng helium làm khí mang. Ngoài ra đối với detector FID khi vận hành cần dùng thêm khí hydrogen và không khí đểđốt cháy ngọn lửa. - Đối với detector cộng kết điện tử [ECD] có thểvận hành với các loại khí mang khác nhau, khi làm việc theo kiểu dòng một chiều có thểsử dụng khí nitrogen, vận hành theo kiểu xung có thểdùng khí argon kết hợp với 5% khí methane. Đặc điểm của một số loại khí sử dụng khí mang trong sắc ký khí - Khí hydrogen: khí hydrogen thương mại thường đạt tiêu chuẩn cho sắc ký, sử dụng trong phân tích lượng vết, khi sử dụng pha tĩnh dễbị hỏng. Khi sử dụng khí hydrogen làm khí mang cần dùng khí nitrogen làm khí bảo vệthổi qua cột trước. Các ống dẫn khí phải đủdày, tốt nhất là dùng ống kim loại nhỏvừa kín vừa tiết kiệm khí. Hydrogen dùng trong cột tách khi làm việc ởnhiệt đ Báo Cáo Hóa Phân tích ộ trên 200 oC vẫn tỏra trơ. Trong một sốphòng 5 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh thì nghiệm thường dùng máy sản xuất khí hydrogen với công suất 12.5mL/min đến 22.5mL/min khi sử dùng loại máy này cần đ ể cho máy đạt áp suất ổn đị nh mới được đưa khí vào cột. Trong phòng sắc ký sử dụng khí hydrogen phải có máy dò độhở khí hydrogen và cấm lửa. -Helium: là loại khí trơhóa học rất thích hợp cho sắc ký khí ở nhiệt độ cao. Khi sử dụng detector ion hóa bằng tia phóng xạphải có khí helium tinh khiết. - Khí argon cũng là loại khí trơnên thích hợp cho sắc ký khí nhiệt độ cao, khí argon có độnhớt cao, yêu cầu vềdây dẫn khi sử dụng cũng không gặp khó khăn lắm nên ngày càng đ ược sử dùng nhiều làm khí mang. - Khí nitrogen: Do không nguy hiểm, giá rẻvà dễdàng làm tinh khiết nên khí nitrogen thường đ ược sử dụng trong sắc ký khí. Nhưng cần chú ý khi sử dụng với detector TCD, vì giá trịdẫn nhiệt của nó gần bằng với độ dẫn của nhiều khí hoặc hơi của nhiểu hợp chất hữu cơnên có trường hợp peak sắc ký có thểngược. - Không khí và oxygen: độtinh khiết của oxygen thương mại cũng đạt yêu cầu cho sắc ký khí, nhưng cần phải được sấy khô vì rất dễlẫn nước trong bơm đựng khí. Không khí nén có thểlấy từ bơm khí hoặc bơm nén kiểu dầu, nếu dùng bơm nén cần chú ý không cho hơi dầu đi vào thiết bịsắc ký. Yêu cầu khi sử dụng các khí trên là phải có độtinh khiết cao, trước đường dẫn khí thường lắp đặt bộloại hydrocarbon. 3.2 Buồng tiêm mẫu [injector]: Là nơi đểtiêm mẫu vào và thực hiện quá trình sắc ký, tại đây mẫu bị hóa hơi và mẫu bịkhí mang đ ẩy vào cột. Dạng tiêm mẫu khí đơn giản nhất là sử dụng syring khí [gas syring] tiêm trực tiếp vào injector nhưng thường không chính xác và dễgây hỏng septum do đầu kim tiêm lớn. Thông thường người ta sử dụng van 6 cổng đểthực hiện việc tiêm mẫu khí, bao gồm hai giai đoạn. Giai đoạn một: Nạp mẫu khí. Giai đoạn hai: Đưa mẫu vào cột phân tích. Báo Cáo Hóa Phân tích 6 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh Có hai loại injector, injector cho cột nhồi và injector cho cột mao quản 3.2.1 Injector cho cột nhồi : Cấu tạo bao gồm một ống thạch anh [glass insert hay liner] chứa trong buồng gia nhiệt làm bằng kim loại. Nó được đốt nóng ở nhiệt độsôi trung bình của mẫu được phân tích, ống tiêm chứa mẫu được tiêm qua septum làm bằng nhựa silicone bịtkín một đ ầu của injector đầu còn lại của injector được nối trực tiếp với cột. Những mẫu là chất lỏng được đưa vào với ống tiêm ngay lập tức được hóa hơi và đươc khí mang đẩy vào cột hoàn toàn trong vài giây Báo Cáo Hóa Phân tích 7 Nhóm 5 3.2.2 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh Injector cho cột mao quản: Có hệthống tiêm mẫu chia dòngkhông chia dòng [split/splitless], đây là kĩthuật tiêm phổbiến và thích hợp nhằm làm giảm lượng mẫu đưa vào cột, với cột mao quản chỉcó thểcho phép lượng mẫu vô cùng nhỏđi qua. Cấu tạo của injector cho cột mao quản: + Đường khí mang vào injector + Đường septum purge: là đ ường khí mang thổi qua septum đểloại trừ những tạp chất hấp thụmặt sau của septum sau mỗi lần tiêm mẫu + Đường split đ ược đóng mở bằng valve từ có nhiệm vụcho một phần mẫu theo khí mang ra ngoài. + Đường còn lại là đường khí đi vào cột Báo Cáo Hóa Phân tích 8 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh Cấu tạo của injector cho cột mao quản - Injector ở chếđộchia dòng, mẫu được tiêm vào qua septum, khí mang vào injector và đ ẩy mẫu đã được hóa hơi trong buồng đi vào cột nhưng trước khi đi vào cột thì một lượng khí đã được thoát ra ngoài theo tỉ lệnhất đị nh để đảm bảo cho lượng khí đi qua cột phù hợp, lượng mẫu khí được qua cột có thểlà nhỏnhất. Trong liner còn có một loại bông thủy tinh Báo Cáo Hóa Phân tích 9 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh có nhiêm vụgiữ lại những thành phần không bịhóa hơi của mẫu ở nhiệt độ của injector tránh thành phần đó đi đến cột gây nghẹt cột. Hình biểu diễn đường đi của khí và tỉlệchia dòng của các đường - Injector ở chếđô không chia dòng: Sử dụng cho việc tiêm mẫu có nòng độloãng. Một lượng nhỏdung dị hơi và được qua cột ch được tiêm vào sẽđươc hóa gần nhu hoàn toàn vì vậy thường gây ra bẩn cột. Valve split đóng suốt trong quá trình bom mẫu, đểcho mẫu hoặc một phân đoạn cuả mẫu được qua cột hoàn toàn sau đó có thểchuyển sang chếđộ chia dòng. Hình biểu diễn đường đi của khí và tỉlệchia dòng của các đường Báo Cáo Hóa Phân tích 10 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh - Glass liner cho chếđộchia dòng và không chia dòng sử dụng cho cột mao quản có thểgiống nhau có thềkhác nhau Glass insert cho split [a] và splitless [b] + Với liner sử dụng cho chếđ ộ chia dòng có thểdùng cho chếđộ không chia dòng, nhưng liner dành cho chếđ ộ không chia dòng thì không thểsử dụng cho chếđộchia dòng được. + Với liner sử dụng cho cảchếđộchia dòng và không chia dòng. Ở chế độ split cho phép chia dòng với tỉlệkhông đổi từ lúc bơm mẫu cho đến khi kết thúc quá trình chạy. Chế độ splitless cho phép không chia dòng trong lúc bơm mẫu để cho mẫu hoặc một phân đoạn của mẫu vào cột hoàn toàn sau đó sẽ chuyển sang chếđộchia dòng. Ưu điểm và nhược điểm khi sử dung liner loại này là: Nếu mẫu có những thành phần có nhiệt độbay hơi khác nhau sẽ thay đ ổithời gian không chia dòng đểloại bỏnhững tạp chất khó bay hơi. Giảm được tạp chất khi đi vào cột.  Tuy nhiên sẽtốn nhiều khí do bịchia dòng, mẫu bịpha loãng nhiều hơn. Báo Cáo Hóa Phân tích 11 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh + Với liner sử dung riêng cho chếđộsplitless Cho phép toàn bộmẫu qua cột và valve split ở chếđ ộ này đóng suốt trong quá trình phân tích. Ưu điểm và nhược điểm khi sử dung liner loại này là Mẫu bịpha loãng ít hơn trong quá trình phân tích do không đi tới valve split, hầu hết mẫu đươc đưa vào cột hoàn toàn.  Do hầu hết mẫu được đưa vào cột nên dễ gây nhiễm bẩn cột. Khi muốn chuyển sang chếđộsplit phải thay thếliner. Báo Cáo Hóa Phân tích 12 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh - Injector cho cột mao quản với hệthống bom mẫu trực tiếp trên cột + Cho phép bom mẫu trực tiếp trên đ ầu cột mao quản. + Thường sử dụng với cột có đường kình 0.53mm. + Mũikim tiêm thường mảnh và rất nhỏđểcó thểnằm vào trong cột. + Thểtích tiêm thường nhỏ, dưới 1μL. + Đường kính trong của liner thường rất nhỏđểgiảm thểtích buồng tiêm. Ưu điểm: + Cho phép gần nhưtoàn bộlượng mẫu đi vào cột cùng lúc. + Tránh tối đa được sự pha loãng mẫu do thểtich buồng tiêm nhỏ [liner có thểtích nhỏ]. + Thường dùng phân tích khi nồng độmẫu rất nhỏ. Nhược điểm: + Rất dễgây bẩn cột. + Kim tiêm nhỏnên rất dễgẫy khi tiêm mẫu. Báo Cáo Hóa Phân tích 13 Nhóm 5 - Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh Injector cho cột mao quản với hệthống bom mẫu chương trình hóa hơi nhiệt đô [PTV - Programmable temperature vaporizer injector] cho phép thay đổi nhiệt độcủa cổng bơm mẫu trong quá trình bơm mẫu, kết hợp với chếđộ spilt và splitless. Bắt đầu từ nhiệt độthấp đểbay hơi dung môi trước và khi đó tỉlệchia dòng sẽrất cao đểđuổi dung môi ra, sau đó tăng nhiệt đ ộ rất nhanh để bay hơi mẫu khi đó tỉlệchia dòng sẽthấp xuống hoặc không chia dòng, loại liner sử dung trong injector này thường làm bằng thạch anh, thép hoặc hợp kim vì các loại vật liệu này có khảnăng thích ứng với sự thay đổi nhiệt đ ộ nhanh mà không bịgãy hay biến dạng. Injector loại này đ ược trang bịrất nhiều quạt làm lạnh đ ể có thể giảm nhiệt độxuống nhanh chống lên tới 40oC/min. Ưu điểm + Cho phép bay hơi gần nhưtoàn bộdung môi bằng cách chia dòng với tỉlệrất lớn ở nhiệt độthấp trong thời gian thích hợp. + Cho phép đ ưa gần nhưtoàn bộmẫu vào cột với tỉlệnhiễm bẩn tối thiểu nhờ chếđộchia dòng rất nhỏhoặc không chia dòng sau khi đã bay Báo Cáo Hóa Phân tích 14 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh hơi gần nhưtoàn bộdung môi, vì vậy có thểtiêm mẩu với lượng lớn làm tăng độ nhạy trong quá trình phân tích. + Do có chương trình hóa hơi và khà năng điều chỉ nh tỉlệchia dòng nên cho phép đ ưa những hợp chất có nhiệt dộbay hơi khác nhau vào cột với tỉlệkhác nhau. Nhược điểm: + Gía thành của injector khá cao. + Đồi hỏi khảnăng thiết lập chương trình nhiệt độvà chia dòng đúng mới có thểđáp ứng được yêu cầu phân tích. + Thời gian tiêu tốn đểinjector đạt đến trạng thái cân bằng sau mỗi lần chạy là khá lâu do ở gần nhiệt độphòng tốc đ ộ giảm nhiệt của injector thường chậm. + Do có sử dụng nhiều quạt làm lạnh nên việc bảo trì cũng gập phải nhiều khó khăn. 3.3 Cột sắc ký: Kiểu cột tách Đặc trưng Đường kính trong Chiều dài Hiệu quả cột tách Tốc độ dòng [tối ưu] Tốc độ thểtích dòng [tối ưu] Lượng mẫu Áp suất đòi hỏi Cột mao quản phim mỏng WCOT Cột mao quản lớp mỏng SCOT Cột mao quản nhồi Cột nhồi thong thường 0.25-0.5mm 0.5mm 1mm 2-4mm 10-100m 10-100m 1-6m 1-4m 1000-3000 đĩa/m 600-1200 đĩ a/m 1000-3000 đĩ a/m 500-1000 đĩ a/m 20-30cm/s [hydrogen, helium] 10-15cm/s [nitrogen, argon] 1-5ml/phút [helium, hydrogen] 0.5-4ml/phút [nitrogen, argon] 20-30cm/s [hydrogen, helium] 10-15cm/s [nitrogen, argon] 2-8ml/phút [hydrogen, helium] 1-4ml/phút [nitrogen, argon] 8-15cm/s [hydrogen, helium] 3-10cm/s [nitrogen, argon] 2-6ml/phút [hydrogen, helium] 1-3ml/phút [nitrogen, argon] 4-6cm/s [hydrogen, helium] 2-5cm/s [nitrogen, argon] 20-60ml/phút [hydrogen, helium] 15-50ml/phút [nitrogen, argon] 10-100ng 10ng -1g 10ng -10g 10ng -1mg Thấp Thấp Cao Rất cao Báo Cáo Hóa Phân tích 15 Nhóm 5 Khí bổ trợ đòi hỏi cho detector Tốc độ phân tích Trơhóa học Tính thấm Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh Đòi hỏi thông thường Đòi hỏi thông thường Đòi hỏi thông thường Đòi hỏi thông thường Nhanh Nhanh Trung bình Chậm Tốt Cao Kém nhất Cao Thấp Thấp Có hai loại cột chính thường được dùng trong sắc ký khí là cột nhồi và cột mao quản. Cột nhồi: - nhồi thông thường có vỏcột làm bằng thủy tinh hay kim loại với đường kính trong từ 3-6 mm với chiều dài khoảng 1-6 m. Đối với mục đích điều chếthì các cột được sử dụng sẽcó đường kính lớn hơn [từ 6-12mm]. Cột nhồi thường được nhồi đầy bằng những hạt xốp có đường kính nằm trong khoảng từ 37-44 µm đến 250-354 µm. Trong sắc ký khí -lỏng [pha tĩ nh là chất lỏng và pha động là chất khí] thì những hạt xốp này đóng vai trò như chất mang được phủlên bởi một lớp pha tĩ nh lỏng tương ứng có khối lượng từ 0.1-25% khối lượng của chất mang. Nhờ có những lỗxốp này mà pha tĩnh và pha động có khoảng không đểtiếp xúc với nhau. Hàm lượng pha tĩnh được quyết đị nh bởi các yếu tốsau: Chiều dài cột.  Mức độtải trọng cần thiết của cột: các cột tách có tải trọng lớn, trường hợp này nếu ta bơm mẫu nhiều cũng cho những peak cân đối và độ phân giải tốt, ngay cảđối với các cấu tử chính.  Mức độ bao phủcần thiết của bềmặt chất mang: với độbao phủ lớn, sự hấp phụtrên bềmặt sẽbịgiảm đi; trong khi đó nếu bao phủthấp tức là lớp phim pha tĩ nh trên bềmặt chất mang rất mỏng thì sự trao đ ổi chất giữa pha tĩ nh và pha động sẽđạt được mức độ tối ưu. Tỉlệgiữa diện tích bềmặt và tỷtrọng chất mang Chất mang thường được dùng trong cột nhồi là đất diatomit. Đất này sau khi được đun với CaCO3 ở 9000C sẽcó diện tích bềmặt khoảng 1-4m2/g. Thành phần chủyếu gồm SiO2 và một ít Al2 O3 , ngoài ra còn có chứa một Báo Cáo Hóa Phân tích 16 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh sốoxide kim loại kiềm và kiềm thổ. Sau khi xử lý theo các phương pháp khác nhau, nhận đ ược các loại chất mang có đặc điểm khác nhau. Phương pháp tẩm pha tĩ nh trên chất mang: kỷthuật bay hơi dần dung môi là phương pháp phổbiến nhất đ ể tẩm chất mà cụ thể ở đây là tẩm pha tĩ nh lên chất mang. Theo đó, cân lượng pha tĩ nh và chất mang tương ứng rồi đổ pha tĩ nh vào một dung môi thích hợp như CHCl 3 , CH2 Cl2, acetone, methanol,… Khuấy đều dung dịch cho đến khi tan hết. Với pha tĩ nh khó tan nhưcao su silicon thì cần phải đun hồi lưu dung dị ch trong vài giờ cho đ ến khi pha tĩ nh tan hoàn toàn trong dung môi. Đổdung dị mặt chất mang. Làm bay hơi từ từ cho đ ch phủđầy lên bề ến khô bằng cách đun cách thủy trong tủhút và khuấy đ ều. Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là không thu hồi được dung môi, độc, hạt chất mang có thểphần nào bịvỡ do va chạm cơhọc, lớp phim trên bềmặt của pha tĩ nh cũng sẽkhông đều. Để đảm bảo an toàn có thểlàm bay hơi dung môi bằng cách sấy dưới đèn hồng ngoại hoặc đèn sấy thường. Phương pháp tốt nhất là làm bay hơi dung môi bằng máy cất chân không quay. Phương pháp này khắc phục được hoàn toàn nhược điểm đã nêu ở trên. Trường hợp không có máy cất chân không quay, có thểđổ chất mang đã tẩm pha tĩ nh vào bình cầu có gai ở trong, lắp bình cầu vào hệ thống bơm chân không bằng hơi nước. Lắc bằng tay bình cấu đặt trong bếp cách thủy. Trong trường hợp này dung môi cũng không thểthu hồi. Thông thường chất mang ở dạng thô không đủtrơcho quá trình sắc ký, bởi vậy sẽxảy ra tương tác giữa chất nghiên cứu và chất mang [lực hấp phụ]. Do đó các peak sắc ký bịbiến dạng, mất cân đ cho việc đị nh lượng. Đểkhắc phục tình trạng trên, chất ối, gây khó khăn mang rắn phải được xử lý bằng cách rửa với acid đểloại các ion kim loại và thậm chí silan hóa chất mang đểtriệt tiêu các nhóm -OH gây hiệu ứng hấp phụ trên bềmặt. Xử lý chất mang: chất mang được ngâm trong acid HCl khoảng 30-60 phút, lọc bỏacid. Lặp lại quá trình đó vài lần cho đ trong, rửa bằng nước cất hai lần cho đ ến khi acid vẫn còn ến khi trung hòa, sấy khô trong tủ sấy [thường là tủ sấy chân không]. Chất mang có ký hiệu AW [acid washed] là loại được rửa acid [ví dụ: Chorosorb W -AW]. Nếu chưa được Báo Cáo Hóa Phân tích 17 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh rửa acid, chất mang có ký hiệu NAW [non acid washed]. Trường hợp cần tách các chất có tính kiềm, chất mang không được rửa bằng acid mà được rửa bằng dung dị ch kiềm, nếu không các cấu tử có tính kiềm sẽbịgiữ trong cột tách. Khi ch đóKOH chất 6% mang được ngâm torng dung dị trong CH3 OH, trộn đều trong máy cất chân không khoảng 1 giờ không gia nhiệt, sau đó loại bỏdung môi bằng chưng cất cách thủy. Trường hợp này, chất mang có kí hiệu là BW [base washed]. Sau khi đã rửa nhưtrên, chất mang có thểđược làm trơbằng cách silan hóa nhằm che phủcác nhóm SiOH trên bề mặt. Các chất dimethyldichlorosilan [DMCS], thường dung để silan hóa là: Trimethylchlorosilan [TMCS], Hexamethyldisilazan [HMDS]. Qúa trình silan hóa : DMCS [rất dễbịthủy phân trong không khí nên thường được bảo quản kín] được hòa tan trong toluene tinh khiết đ ạt nồng độ 5%. Đổdung dị ch này vào ngập chất mang, tiến hành đun hồi lưu trong khoảng 4-6 giờ. Sau đó lọc bỏdung môi bằng phểu Buchne, rửa bằng toluene tinh khiết đểloại DMCS dư. Cuối cùng ngâm chất mang trong CH3OH tinh khiết khoảng 15 phút . Lọc lần nữa, sấy khô sản phẩm trong tủ sấy chân không. Lúc này chất mang có ký hiêu thêm DMCS [ vi dụ: Chorosorb W-AW-DMCS, có nghĩ a là Chorosorb loại W đã được rửa bằng acid và silan hóa bằng DMCS]. Qúa trình silan hóa bằng HMDS cũng tiến hành tương tự nhưng trong trường hợp này HMDS được pha trong dung môi DMF và không cần ngâm trong methanol. Tùy thuộc vào loại chất mang và bản chất ban đầu của nó mà ta sẽcó cách xử lý phù hợp nhất. - Cột mao quản là ống hở có bán kính từ 0. 1-0.5 mm với chiều dài từ 5- 100 m. Loại được sử dụng phổbiến có đường kính kỡ 0.3 và chiều dài khoảng 25 m. Dạng nguyên thủy của cột mao quản được làm bằng thủy tinh hay kim loại. Cột mao quản làm bằng kim loại phải được làm sạch cẩn thận để loại bỏdầu bôi trơn trước khi pha tĩ nh được phủ lên. Thông thường chúng được làm sạch bằng methylene dichloride, methanol và sau đó là nước. Sau đó cột được rửa lại bằng acid loãng đểloại bỏoxide kim loại và những sản phẩm ăn mòn khác có thểcòn sót lại trên thành cột. Tiếp theo cũng rửa lại tuần tự với nước, methanol, dimethylene chloride. Cuối cùng cột đ ược làm khô bằng dòng hơi nitrogen nóng Nhưng những thập Báo Cáo Hóa Phân tích 18 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh niên sau nay silica nóng chảy được sử dụng thay thếcho tất cảnhững vật liệu khác. Bởi vì silica nóng chảy có một sốưu điểm sau: có bềmặt rất trơ có thểtránh đ ược sự hấp phụ xảy ra giữa chất phân tích [đặc biệt khi chúng là những chất phân cực] với những trung tâm hấp phụdẫn đến hiện tượng peak bịkéo ch;đuôi bênhay mất vật liệu do sự hấp phụthuận nghị cạnh đó nó còn có độbền cơhọc cao. Hơn nữa việc phủnhững loại pha tĩnh phân cực nhưCarbowax lên bềmặt kim loại tương đối khó khăn. Cột mao quản được chia làm hai loại cơbản là cột mao quản phim mỏng và cột mao quản lớp mỏng. Trong đó, cột mao quản phim mỏng [Wall-coated open tubular, gọi tắt là WCOT] chứa một lớp mỏng pha tĩ nh với bềdày khoãng 0.25 µm phủtrực tiếp lên thành bên trong của cột. Còn đ ối với cột mao quản lớp mỏng thì trên thành trong của cột được phủmột lớp mỏng rắn đóng vai trò nhưchất mang, sau đó pha tĩ nh sẽđược phủ trên lớp chất mang này. Cột mao quản cho hiệu suất tách chất cao hơn cột nhồi. Chính áp suất đòi hỏi đểđẩy pha động đi qua cột đã làm hạn chếchiều dài của cột. Do sự phát triển của công nghệlàm cột hiện đ ại mà ngày nay người ta có thểtạo những liên kết ngang giữa các phân tử polymer chất lỏng nên có thểgắn chúng lên bềmặt của silica bằng những liên kết hóa học đó. Pha tĩnh ban đầu có thểlà những phân tử polymer đ ơn và lớn. Tính chất nhiệt động của pha có tạo thành liên kết ngang tương tự nhưpha lỏng ban đầu. So với cột nhồi, cột mao quản có những ưu điểm sau:  Các hỗn hợp phức tạp được tách với hiệu suất cao hơn hẳn.  Tách được cảcác chất có cấu trúc hóa học rất gần nhau.  Độ tin cậy cao hơn trong việc nhận dạng các cấu tử.  Độ nhạy phát hiện hơn.  Giảm thời gian phân tích. Tuy nhiên do lượng pha tĩ nh trong các cột mao quản rất nhỏnên dung lượng của những cột đó cũng rất giới hạn. Nên lượng mẫu bơm vào cột cũng rất hạn chế. Ví dụđối với cột WCOT , lượng mẫu đưa vào cột chỉ khoảng 10 -7 g. Báo Cáo Hóa Phân tích 19 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh Cột nhồi Cột mao quản Cột sắc ký a] b] Cột PLOT Cột WCOT Hình vẽmặt cắt của cột sắc ký: a] Cột nhồi; b] Cột mao quản Bề dày lớp Bềdày lớp phủ phủ Đường kính ngoài Báo Cáo Hóa Phân tích Đường kính ngoài 20 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh Hình biểu diễn mặt cắt cột mao quản 3.4 Pha tĩ nh Có hai loại pha tĩnh: phân cực và không phân cực Pha tĩ nh phân cực tương tác với chất phân tách và pha động bởi một số loại tương tác sau: các lực liên phân tử; sự khuếch tán; sự phân cực; lưỡng cực-lưỡng cực; liên kết hydrogen. Pha tĩ nh không phân cực chủyếu dựa vào áp suất hơi đểtách chất. Việc lựa chọn pha tĩnh trong sắc ký khí không chỉdựa vào tính chọn lọc của pha tĩ nh mà còn đòi hỏi pha tĩnh phải có độbền nhiệt cao. Và vì một sốhợp chất polymer có khảnăng đáp ứng tốt những yêu cầu trên nên thường được tĩ Ví dụnhư polymer nhchọn tronglàm sắcpha ký khí. siloxane có đ ộ bền nhiệt cao do những liên kết Si-O giữ vai trò nòng cốt trong chuỗi silicon. Những nhóm thếgắn trên chuỗi silicon làm cho chúng có tính chọn lọc. Ví dụnhưnhững nhóm thếCH 3 sẽlàm cho polymer có tính không phân cực gần giống nhưlà những hợp chất hydrocarbon. Nếu thay thếdần sốgốc CH 3 bằng gốc phenyl sẽlàm tăng độphân cực cho chuỗi polymer nên được ứng dụng đểtách những hợp chất có độphân cực trung bình. Và nếu thay thếhoàn toàn các gốc phenyl trên chuỗi silicon bằng gốc cyanopropyl ta sẽthu được chuỗi silicon có tính phân cực cao nhất trong tất cảcác loại siloxane. Trong khi polyethylene glycol thì cho tương tác với chất phân tách dựa trên liên kết hydrogen nên nó phù hợp để phân tách các chất có khảnăng cho proton [nhưcác alcohol]. Polyethylene glycol Pha polysiloxane cơbản Pha tĩ nh có tính chọn lọc Báo Cáo Hóa Phân tích 21 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh Đối với những pha tĩ nh có độbền nhiệt cao ta có thểlấy 2 pha tĩ nh điển hình sau làm ví dụ. Một pha bao gổm dimethyl polysiloxane polymer được xác định là có tính chọn lọc. Những chuỗi polymer này đ ược liên kết với carboran [hợp chất carbon-boron] hình neo là tác nhân đóng vai trò chính làm cho chuỗi polymer có độbền nhiệt cao khoảng 400 0 C. Pha tĩ nh thứ hai có được khi ta gắn trực tiếp gốc phenyl vào chuỗi polymer. a. Polysiloxane cải biến Carboran b. Sylarilen polymer Hình: Pha tĩ nh bền nhiệt Đại lượng đánh giá độ phân cực của pha tĩ nh được gọi là chỉsố Rohrschneider và McReynolds. Chỉsốnày dựa trên sựchênh lệch giữa các chỉsốlưu của chất phân tích mang các nhóm chức phân cực tương ứng với pha tĩ nh phân cực và pha tĩ nh không phân cực. Ví dụta lấy một pha tĩ nh rất không phân cực như squalane chẳng hạn [một alkane C30 mạch nhánh, hexamethyl tetracosane] đ ể tham chiếu, sự khác nhau vềchỉ sốlưu trên một pha tĩ nh nhất đị nh khác so với chỉsốlưu trên squalane của cùng một chất chất phân tích đ ược xem là độ phân cực của pha đó. Cụthể hơn nếu chất phân tích là rượu ta có thểchia phân tử rượu ra làm hai phần: gốc alkyl chỉcho tương tác khuếch tán yếu với tất cả2 loại pha tĩ nh phân cực và không phân cực và gốc rượu có khả năng tạo liên kết hydrogen. Cho nên khi tương tác với pha tĩ nh phân cực do có khảnăng tạo thành liên kết hydrogen nên các phân tử rượu sẽbịgiữ lại mạnh hơn so với khi tương tác với pha tĩ nh không phân cực. Theo quan niệm của Rohrschneider và McReynolds thì sự tăng chỉsốlưu của rượu trên pha Báo Cáo Hóa Phân tích 22 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh tĩnh phân cực được cho bởi một hằng sốnhất đị nh và đặc trưng cho pha tĩ nh. Đối với chất tham chiếu là butanol-1 ta có: polar nonpolar y’ = I butanol-1 - I butanol-1 Để xác đị nh độ phân cực của dung môi một cách khái quát hơn, người ta đã chọn 5 chất tan đặc biệt đặc trưng cho các tương tác hóa học thong thường. Tương ứng với mỗi chất là một hằng số: x’,y’,z’,u’,s’. Độphân cực của pha tĩnh_chỉsốRohrschneider/McReynolds, ∑, chính là tổng các hằng sốtrên: ∑ = x’+y’+z’+u’ +s’ Độ phân cực của 2 pha được xem là tương đương nếu chỉsố Rohrschneider/McReynolds của chúng chênh lệch nhau không quá 200 đơn vị.Khi đó tùy thuộc vào tính chọn lọc của mỗi pha và chất cần phân tích mà ta lựa chọn pha tĩnh cho phù hợp. Chất Hằng số chuẩn Rohrschneider/ Lưỡng Phức Liên kết McReynolds cực л hydrogen x’ - cho - Benzene Loại tương tác Đặc trưng cho Olephine, hợp chất vòng Butanol-1 y’  - cho Rượu, phenol, acid, amide 2- z‘  nhận - Pentanon 1- Aldehyde, ketone, ester, ether u’  nhận - Nitropropa Hợp chất nitro và nitrilo ne Pyridine s’  cho - Amine, hợp chất vòng Báo Cáo Hóa Phân tích 23 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh Bảng 1.1 ChỉsốRohrschneider/McReynolds, ∑, và 5 chất tan đ ại diện cho các loại tương tác hóa học tiêu biểu Thành Pha tĩ nh phần Squalane Dimethyl silicon Phenyl methyl silicon Cyanopropylphenyl [cpph] dimethyl silicon PEG 20 M 100% methyl 5% phenyl 50% phenyl 75% phenyl 6% cpph 50% cpph 100% cpph Chỉ x’ 0 y’ z’ u’ s’ 17 0 57 0 45 0 67 0 43 số ∑ 0 229 32 72 65 98 67 334 119 158 162 243 202 884 178 204 208 305 208 1103 50 115 107 164 103 539 227 373 336 489 398 1823 523 757 659 942 801 3682 322 536 368 572 510 2308 Bảng 1.2 ChỉsốRohrschneider/McReynolds, ∑, và độphân cực của một sốdung môi Mỗi pha tĩnh chỉcó thểhoạt động tốt trong một khoảng nhiệt đ định. Trong đó giới hạn thấp nhất được xác đị ộ nhất nh bởi điểm nóng chảy còn nhiệt độ cao nhất thì được xác đị nh bằng áp suất hơi và đ ộ bền nhiệt của từng loại pha tĩ nh. Nhiệt đ ộ sử dụng tối đa phải thấp hơn nhiệt độsôi của pha tĩnh khoảng 700 C sao cho áp suất hơi không vượt quá 1mmHg. 3.5 Giới thiệu vềdetector trong GC Hệthống detector trong máy GC hoạt động đểphát hiện khí thông qua tính chất vật lý hoặc hoá học đ ặc trưng của khí. Đầu dò là thiết bị chuyển đổi “tính chất”hóa lý thành “tín hiệu”điện. Hiện nay có rất nhiều loại detector khác nhau vềcấu tạo và nguyên tắc hoạt đ ộng được sử dụng trong máy GC tùy theo mục đích của mỗi loạidetector mà người ta xem xét và lựa chọn detector cho phù hợp. Một sốdetector thông dụng nhất được dùng trong GC như: TCD [detector dẫn nhiệt, FID [detector ion hoá bằng ngọn lửa], ECD [detector cộng kết Báo Cáo Hóa Phân tích điện tử], PID [detector quang 24 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh hoá].Trong đó, detector FID hiện nay đ ược sử dụng thường nhất trong hệ thống sắc khí GC.Detector FID được Harley, Mcwilliam và Dewar chếtạo lần đầu tiên vào năm 1958. Là detector đ ược sử dụng rộng rãi do đáp ứng với nhiều hợp chất hữu cơ. Mỗi một đầu dò có những đặc trưng chính là độ nhạy và độ chọn lọc, dynamic range và linear range. - Độnhạy: Đối với đặc trưng này detector được chia làm hai loại: detector truyền khối [mass flow detector] phát hiện khí thông qua lưu lượng khí [thể tích] đến detector trong một đ ơn vịthời gian-ng/s và detector nồng đ ộ [concentration-sensitive detector] cho kết quảtỷlệthuận với nồng độkhí trong pha đ ộng [ng/ml]. Dynamic range và linear range: Dynamic range là khoảng giới hạn mà trong đó detector vẫn còn cho tín hiệu thay đ ổi đáng kểkhi thay đổi khối lượng hoặc nồng độ của khí .Giới hạn phát hiện chính là giới hạn dứơi của dynamic range.Trong dynmic range người ta chú ý đến linear range, đây là khoảng mà trong đó tín hiệu xuất ra của đ ầu dò tỷlệthuận với khối lượng hoặc nồng độ khí phân tích. Linear range phụthuộc nhiều vào nhiệt đ ộ cột sắc ký, nhiệt đ ộ detector và lưu lượng khí. - Độ chọn lọc: Căn cứ vào độ chọn lọc chia detector thành hai loại: Detector phổbiến [universal] có thểnhận biết tất cảcác loại khí khác nhau thoát ra từ cột sắc ký, còn detector chọn lọc [selective] chỉcó thểphản ứng Báo Cáo Hóa Phân tích 25 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh bới một loại nguyên tốcụthểnào đó trong mẫu phân tích. Đối với detector FID hoạt động tốt với hầu hết những hợp chất hữu cơ [phân tử hydrocarbon với nhiều carbon với độnhạy tương đối cao, ngoại trừ những hợp chất có khối lượng phân tử thấp].Thứ nhất, độnhạy của detector là sự thay đ ổi của tính hiệu detector ứng với sự thay đổi của sốlượng hoặc nồng độ khí ra.Thứ hai, tính hiệu không bị ảnh hưởng bởi những biến đổi vừa phải vềnhiệt độ, áp suất và lưu lượng khí. Mặc khác, FID không bị gây nhiễu bởi những tạp chất khác nhưlà carbon dioxide và nước.Thứ ba, khoảng tuyến tính của FID tương đối rộng có thểlên đến 10 7. Do đó, FID sẽcho kết quảtỷlệthuận với sốlượng carbon có trong hợp chất thay vì tỷ lệthuận với khối lượng hay sốmol chất đến detector. Một số detector dùng cho sắc ký khí Detector Detector dẫn nhiệt [Thermal conductivity - TCD] Detector ion hóa ngọn lửa [Flame Ionization - FID] Detector cộng kết điện tử [Electron Capture - ECD] Detctor quang kế ngọn lửa [Flame Photometric - FPD] Detector Nitrogen Phosphorus [NPD] Giới hạn phát hiện Khoảng tuyến Đáp ứng của detector tính 400 pg/ml > 105 [propan] Tất cảcác hợp chất hữu cơ 2 pg/s [C] > 107 Các hợp chất có carbon 5 fg/s 104 Hợp chất halogen, các chất nhiều nối đôi nối ba < 1 pg/s > 104 [phospho] > 103 < 10 pg/s [sulfur] 100 fg/s 105 25 fg - 100 105 Detector khối pg phổ [Mass Spectrometric 100 fg/s 105 MSD] Detector quang hóa 4 [Chemiluminescence] 200 pg - 40 10 ng Fourier transform infrared Hợp chất chứa lưu huỳnh, phospho Hợp chất chứa nitơ, phospho. Đáp ứng với hydrocarbon kém hơn Hầu hết các hợp chất hữu cơ Hợp chất chứa nitơ, lưu huỳnh Hầu hết các hợp chất hữu cơ 26 Báo Cáo Hóa Phân tích Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh 3.5.1 cấu tạo của detector và nguyên tắc hoạt động của FID - cấu tạo Báo Cáo Hóa Phân tích 27 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh Nói chung,trong đầu dò FID gồm những phần cần thiết sau: Đầu tiên là ống nối cột phân tích và đ ầu dò FID. Trong đầu dò FID gồm có điện cực góp hình ống và đây là bộphận làm ảnh hưởng đến độnhạy của detector [vì sau một thời gian sử dụng các chất sẽbám lên bềmặt trong của điện cực làm cho điện cực bịnhiễm bẩn do đó tín hiệu peak đưa ra sẽ bịnhiễu và không chính xác. Thếáp:+/-220V, với lượng tối thiểu có thể phát hiện là 3*10-12g/sec [mẫu diphenyl], khoảng tuyến tính làm việc là 105, nhiệt độtối đa sử dụng là 250 0C. Bộkích cháy là một điện trở xoắn filament [nhưdây tóc bóng đèn] và hai dòng khí: không khí và H 2. Khi kích hoạt cháy cho đầu dò cần chú ý đến tỷlệcủa H 2: không khí>1. Đây là bộ phận để tạo ra ngọn lửa được đốt cháy bằng hỗn hợp H 2 - không khí với đầu đốt làm bằng thạch anh.Tốc độchảy của hydrogen thường từ khoảng từ 20 đến 30ml trên phút, tốc đ ộ chảy của không khí gấp 6 lần của hydrogen khoảng 120 đến 130ml trên phút.Một cột nhồi với tốc đ ộ chảy khoảng 20 đến 25ml trên phút và phụthuộc vào dòng khí chảy của Báo Cáo Hóa Phân tích 28 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh hydrogen.Tuy nhiên đối với cột mao quản thì tốc đ ộ chảy của cột sẽít hơn 1ml trên phút đ ối với cột có đường kính tương đối nhỏ. Trong đó, pha động có thểlà bất cứ khí trơnào như: khí helium, nitrogen, agron ect. Một bộ phận không thểthiếu trong đầu dò FID là khối gia nhiệt[ heater block] có tác dụng duy trì quá trình đẳng nhiệt trong hệthống. vì khi ta phân tích mẫu, chất phân tích trong lò cột ở nhiệt độrất cao, khi đi vào đầu dò bị nguội lạnh nó sẽbịngưng kết lại ởđầu dò nhất là tại collector electrode và nó sẽlàm giảm độnhạy của thiết bịsau một thời gian sử dụng. Do vậy, nhiệt độtrong đầu dò luôn luôn được chỉ nh cao hơn trong lò cột đểchất phân tích không bịbám trên đ ầu dò.Một bộphận quan trọng trong detector FID là bộphận dò dùng đểnhận tính hiệu của mẫu cần phân tích và cho ra kết quảphân tích. Hình của đ ầu dò FID được chỉở hình bên dưới: - Nguyên tắc hoạt động : Báo Cáo Hóa Phân tích 29 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh Nguyên tắc làm việc dựa trên sự biến đổi độdẫn điện của ngọn lửa hydrogen được đặt trong một điện trường khi có chất hữu cơcần tách chuyển qua. khi mẫu chứa các hợp chất hữu cơđiđến ngọn lửa trong môi trường giàu hydrogen này.Nhờ nhiệt độcủa ngọn lửa hydrogen cao các chất hữu cơnày từ cột tách đi vào detector bịbẽgãy mạnh, chúng sẽbị chuyển thành các gốc tự do chứa một nguyên tử carbon.Sau đó, cùng với sự hiện diện của oxygen trong dòng khí, các chất hữu cơsẽtiếp tục bịoxi hóa đểtạo thành các ion trái dấu tương ứng, phản ứng sẽxảy ra tại đây CHO+ sẽphản ứng tiếp với nước được tạo thành trong ngọn lửa đểcho ra ion hydronium. Các ion này tạo thành được chuyển vềcác bản điện cực trái dấu nằm ở hai phía của ngọn lửa [hiệu điện thếgiữa hai bản điện cực này khoảng 250-300V].Dòng ion này đ ược giảm áp trên một điện trở có trị sốrất cao [10 8 - 10 12 ] và đ ộ giảm hiệu điện thếnày được khuếch đại và ghi lại trên máy tự ghi. Sốlượng ion tao thành chính là đ detector. Chính những ion này và các dạng [H 2 O]nH + ộ nhạy của khác sẽđ ến được điện cực, cho tính hiệu tỷlệthuận với lượng ion. Đầu tiên, dung môi rửa giải tồn tại trong cột GC [A] và sau đó đi vào lò của đầu dò FID [B] và luôn luôn phải đảm bảo dung môi rửa giải tồn tại trong lò và không thoát ra khỏi pha đ ộng và lắng trên bềmặt chung giữ cột và FID. Khi dung môi nay đến FID nó sẽđược trộn lẫn với khí hydrogen [C] và sau đó qua chất oxi hóa [D].Chất phát quang, nhiên liệu và chất oxi hóa tiếp tục trộn lẫn với nhau và đi đến đ ầu vòi có độxiên điện thếcao [E].Đầu vòi này giúp đẩy ngọn lửa đểlàm giảm ion carbon được tạo ra. Những ion này sẽđược đẩy lên đĩ a góp [G ] có kết nối với thiết bị đo ampe rất nhạy đểdò tìm ra những ion bắt phá đến đĩa. Sau đó Báo Cáo Hóa Phân tích 30 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh đưa ra tín hiệu đến bộkhuếch đại và máy tích phân.Cuối cùng, những khí thoát này sẽđược thoát ra ngoài qua một hệthống thoát khí [J]. 3.5.2 Ưu điểm và hạn chế khi sử dụng detector trong GC Sơđồ FID - Ưu điểm: Thuận lợi của FID là khoảng tuyến tính rộng đến 10 7, LoD cũng rất nhỏ10-13gC/s. Ở điều kiện hoạt động bình thường những dòng cỡ 10[-13]A điều được ghi lại.Bên cạnh đó, một điểm mạnh của FID là rất ít bịnhiễu xạbởi nhiều khí . Báo Cáo Hóa Phân tích 31 Nhóm 5 He N2O Ne Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh N2 SiCl4 CO2 NH3 H2S Kr SO2 SiHCl3 NO CO N2O2 HCN Ar CoS SiF4 SO2 O2 NO2 Xe CS2 CH 3SiCl3 H2O 3.5.3 Hạn chế: Một khuyết điểm của detector FID là phá huỷmẫu, do đó trong các hệ thống đa cấp, FID luôn được sử dụng sau cùng. Mặc khác, đầu dò FID là loại đầu dò tương đối kém nhạy [chỉphát hiện được những hợp chất có khối lượng đủlớn] và chỉsử dụng thích hợp nhất đối với các hợp chất chứa carbon và không chọn lọc [phát hiện tất cảnhững hợp chất chứa carbon]. Mặc khác, có một sốchất không thểphát hiện đ ược bằng FID như: CO2 , CO, focmic acid, focmandehide, các khí nitrogen oxide [NO n], SO2, NH 3, hợp chất halogen, H2 S, H2O, cũng nhưcác khí cần thiết dùng trong quá trình hoạt động của detector như: hydrogen, không khí, nitrogen, Helium. Tính hiệu của detector sẽbị ảnh hưởng bởi các dịnguyên tốnhư: oxygen, sulfur và halogen có mặt trong hydrocarbon. 3.5.4 Bảo vệ detector: Cũng giống nhưtất cảnhững detector khác khi sử dụng trong máy GC, vấn đề điều khiển nhiệt độlà hết sức quan trong đối với FID. Detector cần phải được bảo vệ kín và được nung nóng hơn một chút so với cột sắc ký để tránh trường hợp xảy ra sự ngưng tụcủa mẫu khí khi lưu chuyển giữa các ống dẫn. tuy nhiên, cũng không đ ể cho detector quá nóng vì khi đó bề mặt rắn bịđốt nóng sẽbức xạelectron và gây tín hiệu nhiễu. 3.5.5 Một vài detector thông dụng khác Báo Cáo Hóa Phân tích 32 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh 3.5.5.1 TCD-detector dẫn nhiệt TCD là một detector phổbiến và không phá hủy mẫu trong quá trình phân tích. Tuy nhiên detector này rất có ích khi các detector khác cho kết quả không tốt, nhất là khi phân tích mẫu có chứa CS 2, COS, H 2 S, CO, CO2, NO, NO2 .TCD hoạt động dựa trên nguyên tắc đo liên tục độdẫn điện của khí mang [tinh khiết hoặc có chứa các cấu tử mẫu cần tách] giữa buồng đo và buồng so sánh trong đó có lắp các dây điện trở. Độnhạy của detector loại này phụthuộc vào: khảnăng dẫn điện của khí mang [các khí mang có độdẫn điện tốt nhưhydrogen, helium], độnhạy tỷlệthuận với dòng điện [dòng điện này đ ược điều chỉ nh tùy thuộc vào loại và lưu lượng khí mang, nhiệt độdetector và nhiệt độcột tách]. Đây là loại đầu dò đa năng không có chọn lọc, tín hiệu đo dựa trên khảnăng làm nguội điện trở khác nhau giữa chất phân tích và khí mang. Thường sử dụng đểxác đị nh các chất khí, các chất dễbay hơi, đặc biệt là các khí trơmà FID không xác nh địđược [không nhạy]. Báo Cáo Hóa Phân tích 33 Nhóm 5 3.5.5.2 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh ECD-detector cộng kết điện tử ECD là loại detector đ ược sử dụng rộng rãi trong GC hiện nay chỉ sau FID. ECD có thểphát hiện đ ến picogam [10 -12g] và thậm chí có thể đến femptogam [10-15g]. Detector này hoạt động dựa trên đặc tính của các chất có khảnăng cộng kết các điện tử tự do trong pha khí [trừ khí trơ]. Bộ phận chính của ECD là buồng ion, tại đây diễn ra các quá trình ion hóa, bắt giữ điện tử và tái liên hợp. Các hạt βcó trong nguồn phóng xạphát ra từ catot làm bằng Ni 63 với mật đ ộ 108 - 109 hạt /giây sẽion hóa các phân tử khí mang tạo ra các ion dương và các điện tử tự do sơcấp. Các diện tử tự do này chậm hơn hẳn so với các điện tử của chùm tia β. Khi có một xung điện thếđược đặt vào các điện cực của tếbào, chúng được gia tốc và dị ch chuyển vềphía anot . Tại đây chúng mất điện tích và tạo ra dòng điện nền của detector. Các nguyên tử hoặc phân tử của các chất sau khi qua cột tách được đưa thẳng vào buồng ion của ECD cùng với khí mang. Tùy theo ái lực điện tử của các phân tử này, các điện tử tự do sơcấp nói trên sẽbịcác phân tử đó bắt giữ và tạo ra các ion âm. Các ion âm vừa tạo ra sẽkết hợp với ion dương của phân tử khí mang tạo thành các phân tử trung hòa. Nhưvậy mật độđiện tử giảm làm giảm dòng điện nền so với khi chỉcó khí mang đi qua. Tuy nhiên sốđiện tử trong một đơn vịthời gian có thểđ ược duy trì hằng đị nh bằng cách tăng Báo Cáo Hóa Phân tích 34 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh xung điện thếtương ứng với sốđiện tử bịbắt giữ. Sự biến đổi xung điện thếnày tỷlệvới các phân tử ái điện tử đi qua detector và đ ược thể hiện bằng píc sắc ký. Nhưng đối với những hợp chất hydrocarbon no thì khảnăng cộng kết điện tử tương đối nhỏ, ngược lại khi các hợp chất có chứa các nhóm chức hoặc các đa liên kết thì khảnăng bắt giữ các điện tử sẽtăng lên. Đặc biệt những hợp chất có chứa halogen. Độnhạy của detector này phụthuộc vào: đ ộ lớn của dòng điện nền, mức năng lượng ái điện tử của chất cần phát hiện, bản chất của khí mang và điện thếđược đặt vào detector. Báo Cáo Hóa Phân tích 35 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh Hình bên trên trình bày hai kiểu thiết kếdetector phổbiến hiện nay. Cấu tạo [a] gồm có điện cực âm điện cực dương được thiết kếđồng trục.trong khi đó, ở hình [b] nguồn bức xạlà một tấm mỏng, điện cực dương và điện cực âm được thiết kếtạo thành hai mặt phẳng song song. Điều này tạo thuận lợi hơn khi dòng khí chuyển động ngược chiều với các hạt mang điện tích âm và do đó tạo sự va chạm, tiếp xúc lớn hơn. Vậy, độ nhạy của ECD phụthuộc chủyếu vào khảnăng cộng kết điện tử của các chất phân tích. Các hợp chất có khảnăng bắt giữ điện tử lớn nhưcác hợp chất dịnguyên, hợp chất có chứa nhóm chức hay các đa liên kết, đặc biệt là các chất có các nguyên tử halogen cho đáp ứng tốt detector có độnhạy rất cao, vì vậy rất phù hợp với với ECD. Là yêu cầu phân tích lượng vết các hợp chất có chứa halogen,các loại thuốc khác dung trong dược. Báo Cáo Hóa Phân tích 36 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh 3.5.5.3 PID-detector ion hóa quang học Detector này cho khoảng tuyến tính rộng [10 7 ], đường nền ổn đị nh và thấp. Detector nay hoạtt đ ộng sửdụng nguồn bức xạUV để ion hóa mẫu, được sử dụng chủ yếu đểphân tích các hợp chất thơm và có nối kép trong phân tử. Báo Cáo Hóa Phân tích 37 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh Cấu tạo chính của PID là một điện UV với công suất tùy vào mẫu cần phân tích, thông thường năng lượng UV nằm trong khoảng 8.311.7eV. Buồng chiếu UV và buồng ion hóa được ngăn cách với nhau bằng một cửa sổ trong suốt, thường làm bằng thủy tinh hoặc thạch anh. Tuy nhiên khi sử dụng năng lượng cao, các tinh thểfluorua của kim loại liềm và kiềm thổđược sử dụng nhiều hơn. 3.5.5.4 NPD-detector nitrogen-phosphorus Báo Cáo Hóa Phân tích 38 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh Các hợp chất chứa phosphorus và nitrogen sau khi vào detector sẽ bịnhiệt phân trong ngọn lửa và tạo thành các gốc tự do CNn - và POm-. sau đó các gốc tự do nay sẽnhận điện tử từ hơi Rb được cung cấp nhờ quá trình nguyên tử hóa muối RbCl bởi ngọn lửa hay bởi một nguồn nhiệt và tạo thành các ion CN - và PO 2 -. Các anion này tạo thành sẽlien kết với cation H + trong khi Rb trở thành Rb + và tạo thành dòng ion. Dòng ion này sẽđược ghi nhận bởi bộđếm ion [collector]. Dùng đ ể xác đị nh các hợp chất có chứa nitrogen và phosphorus. Cấu tạo tương tự nhưFID nhưng có them một hạt muối kim loại kiềm, thường là RbCl đặt trên ngọn lửa.Tốc độ dòng khí hydrogen và không khí nhỏ, độ ổn đị nh của tín hiệu phụthuộc vào độ ổn đị nh của dòng khí mang. Báo Cáo Hóa Phân tích 39 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh Chương II Thực nghiệm 1. Đị nh tính một số dung môi thông dụng: Hiện nay sốlượng dung môi hữu cơđược sản xuất trên quy mô công nghiệp bởi các nhà sản xuất ngày càng nhiều. Một sốcông ty hóa chất sử dụng các loại dung môi này. Nhưng do nhu cầu vềđộtinh khiết cao của dung môi, vi vậy hệthống sắc ký đ ược chọn để kiểm tra độ tinh khiết của các loại dung môi này. Dưới đây là kết quảđị nh tính một sốdung môi thông thường: Điều kiện tiến hành: - Injector: 1500C - Column: Mau quản, dài 30m Detector: 2200C - Chương trình nhiệt đ ộ: Báo Cáo Hóa Phân tích 40 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh Kết quảphân tích dung môi: acetonitrile, n- butanol, va ethanol Peak # 1 2 4 name Unknown Acetonitril unknown Time [min] 2.56 3.43 3.60 Area [%] 0.01 99.98 0.00 Kiểm tra độtinh khiết của acetonitrile Báo Cáo Hóa Phân tích 41 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh Peak # 1 2 3 4 5 6 7 name Unkown Unkown Unkown Unkown n-butanol Unkown Unkown Time [min] 2.50 3.07 3.72 4.05 4.57 7.10 7.46 Area [%] 0.01 0.01 0.02 0.08 99.87 0 0 Kiểm tra độ tinh khiết của n-butanol Peak # 1 2 4 5 6 name Unknown ethanol unknown unknown Unknown Time [min] 2.28 2.84 3.28 5.00 5.36 Area [%] 0.01 99.93 0.01 0.01 0.01 Kiểm tra độ tinh khiết của ethanol Báo Cáo Hóa Phân tích 42 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh 2. Định tình, đị nh lượng rượu vodka: Để định tính và đị nh lượng được rượu vodka thi yêu cầu là phải lập đường chuẩn cho rượu. Đểlâp đường chuẩn thì ta cần 3 chất sau: Dung môi n-butanol [tinh khiết 99.87%], nội chuẩn acetonitrile [đ ộ tinh khiết 99.98%], và cuối cùng là chất chuần ethanol [ tinh khiết 99.93%]. Cách lập đường chuẩn: - Pha mẫu: Lấy ba chất gồm ethanol, acetonitril, n-butanol đem pha thành 5 hỗn hợp với 5 nồng độ khác nhau. Mẫu 1 Nồng độ [%] 5 Methanol [mL] Acetonitril [nội chuẩn] [mL] 0.5 1 Butanol [dung môi] [mL] 8.5 2 3 4 5 10 20 30 40 0.5 1 1.5 2 4 3.5 2.5 2.5 0.5 0.5 0.5 0.5 - Điểu kiện sắc kí: Máy sắc kí khi Claurus 500 với detctor FID Cột mao quàn: Elit-wax [polyethylene glycol], [30mx0.32, 0.5μm] Với chương trình nhiệt cho lò Báo Cáo Hóa Phân tích 43 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh Chương trình nhiệtcủa lò 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 1 2 4 5 7.67 9.67 10.33 12.33 Thờigian [min] Buống tiêm chia dòng: 170 oC, chia dòng tỉlệlà 25:1 Nhiệt độđầu dò FID: 2200C Khí mang nitrogen: 2mL/min Thểtích tiêm:0.4 μL - Cách thức tiến hành: Lần lượt tiêm và chạy sắc ký hỗn hợp ở các nồng độtừthấp đến cao. Kết quảphân tích: 2.5 2 1.5 1 0.5 y Đường Chuẩn cho rượu vodka x 0 0 Báo Cáo Hóa Phân tích 1 2 3 44 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh 3. Ảnh hưởng của một sốyếu tốlên kết quảphân tích 3.1 Nhiệt độ: Nhiệt độcó ảnh hưởng rất lớn đến quá trình phân tích sắc ký khí, đặc biệt là chương trình nhiệt độcủa oven. Có hai cách đểthiết lập chương trình nhiệt đ ộ cho oven: Chạy đẳng nhiệt và chạy theo một chương trình nhiệt đ ộ. Chạy theo một chương trình nhiệt độ: Nhiệt độđ ược của oven được cài từ thấp lên cao, khi đó những chất có nhiệt độsôi thấp sẽra khỏi cột trước, những chất có nhiệt độsôi cao sẽra sau. Nhưng khi chuyển sang chếđộchạy nhiệt độđẳng nhiệt thì thời gian lưu của các chất đó thay đổi rõ rệt, thời gian lưu tăng lên, độcao của các peak ra sau sẽgiảm, và độ rộng của peak tăng, bởi vì sự ảnh hưởng của chương trình nhiệt độ thấp Chương trình nhiệt 100C/min - 100 0 C độ: 500 C [min]- Chương trình nhiệt độ: 600C đẳng nhiệt Báo Cáo Hóa Phân tích 45 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh 3.2 Injector: Quá trình tiêm mẫu ảnh hưởng nhiều đến quá trình phân tích dữ liệu, tuỳvào kỹthuật tiêm mẫu của từng người, làm chênh lệch thời gian xuất hiện peak của mẫu chất. Và ảnh hưởng đến độchính xác của kết quả phân tích. Ngoài ra nồng đ ộ mẫu tiêm vào sẽảnh hưởng đến độ cao của peak xuất hiện, lượng mẫu tiêm vào với nồng đ ộ lớn thì chiều cao của peak xuất hiện càng lớn. mV mV DMSO [0.04L ] DMSO [0.02μL] a] b] Hình: Biểu diễn sựảnh hưởng của lượng mẫu tiêm vào a] Lượng tiêm vào là 0.04 Lb] Lượng mẫu tiêm vào là 0.02 μL Cùng chương trình nhiệt cho cột và nhiệt độcủa detctor giống nhau nhưng nhiệt độcủa injector thay đổi sẽthay đ ổi tới kết quảphân tích. Khi thay đổi nhiệt đ ộ của injector làm thay đ ổi kết quảphân tích, với injector có nhiệt độthấp làm thời gian xuất hiên peak lâu hơn và lượng tạp chất được thểhiên rõ hơn. Vì với nhiệt độcủa injector cao làm cho các thành phần tạp chất trong mẫu chất có nhiệt độsôi gần bằng nhau đi đ ến detector cùng lúc và xuất hiện trong cùng một peak. Báo Cáo Hóa Phân tích 46 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh mV Time [min] DMF được phân tích với nhiệt độcủa injector là 2000C mV DMF được phân tích với nhiệt độcủa injector là 170oC Báo Cáo Hóa Phân tích 47 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh 3.3 Ảnh hưởng của tốc độdòng: Tốc độ dòng ảnh hưởng bởi áp suất đầu cột. khi áp suất đầu cột tăng, khi đó tốc dòng tăng lên làm cho thời gian lưu sẽbịgiảm xuống và tất cảnhững độcao của pick sẽtăng theo. o o o Hinh 12: Chu trình nhiệtộ:đ 50 C [1min]-10 C/min-100 C, áp suất ầu đ cột: 15psi, tỉlệchia vòng: 1/50 Ngược lại, khi áp suất đầu cột giảm thì tốc đ ứng sẽgiảm làm cho thời gian lưu trở nên tăng. Tất cảđ ộ dòng tương ộ cao của pick sẽ giảm và chiều rộng của pick sẽtăng lên. Hình 12: Chu trình nhiệt độ: 50oC [1min]-10oC/min- 100oC, áp suất đầu cột: 9 psi, tỉlệchia vòng: 1/50 Báo Cáo Hóa Phân tích 48 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh 3.4Pha tĩ nh: Sự phân ly diễn ra trong cột sắc ký, bởi sự tương tác qua lại giữ pha tĩnh, pha động và mẫu phân tích. Pha tĩnh trong cột sắc ký sẽquyết đị khảnăng phân ly của cột, đ nh ể phân tích thành phần cấu tử. Nếu pha động giữ lại một hợp chất với thời gian lưu tương đ ối rộng hơn với những chất khác, khi đó những hợp chất này sẽđược phân ly. Sự chọn lọc của pha tĩnh này phụthuộc vào những nguyên tắc sau: với pha tĩnh không phân cực thì sẽưu tiên hơn cho phân tích những chất không phân cực, ngược lại, đối với pha tĩ nh phân cực dùng đ ể phân những tích những hợp chất phân cực. Sự phân cực của pha tĩ nh được quyết đị nh bởi cấu tạo của polymer đ ược thế trong pha tĩnh. Đối với những pha tĩ nh dày, sẽảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính lưu của cột mao quản. Độdày của những lớp pha tĩnh càng tăng dẫn đ ến làm tăng thời gian lưu chất tan của dung môi. Khi đó lượng mẫu cực đại sẽđược chứa trong cột mà đựợc tiêm vào trước sự sai lệch của pick xảy ra. Lưu lượng chứa này ảnh hưởng trực tiếp đến độ dày, đường kính và sự phân cực của pha tĩ nh. Tăng lưu lượng chứa là kết quảcủa sự tăng đường kính và độdày của pha tĩ nh, khảnăng hòa tan chất tan trong pha tĩ nh sẽsẽlớn hơn lưu lượng chứa chất tan. Độ dày của pha tĩ nh gồm hai loại: [ lớp dày từ 1-5 µm] dùng đểphân tích những chất có nhiệt đ ộ sôi thấp [ hợp chất khí và những hợp chất dễbay hơi], [ lớp dày từ 0,1-0,25 µm] dùng đểphân tích những hợp chất có nhiệt độ sôi cao, độhóa hơi thấp và chất đơn giản Báo Cáo Hóa Phân tích 49 Nhóm 5 Người hướng dẫn: Hứa Kim Thanh References www.wikipedia.org/wiki www.chromatographyonline.com Sách “chemical analysis modern instrumentation methods and techniques tác giảFrancis Rouessac and Annick Rouessac. www.perkinelmer.com Báo Cáo Hóa Phân tích

50