Tài liệu Phương pháp phân tích sắc ký khí và ứng dụng

BIÊN SOẠN: TRẦN THỊ THU PHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ VÀ ỨNG DỤNG (Gas Chromatography) I. Định nghĩa sắc ký Sắc ký là một nhóm các phương pháp hóa lý dùng để tách các thành phần của một hỗn hợp. Sự tách sắc ký được dựa trên sự phân chia khác nhau của các chất khác nhau vào hai pha luôn tiếp xúc và không hòa lẫn vào nhau: một pha tĩnh và một pha động. Pha tĩnh trì hoãn sự di chuyển của các thành phần trong mẫu. Khi các thành phần này di chuyển qua hệ thống sắc ký với tốc độ khác nhau, chúng sẽ được tách khỏi nhau theo thời gian. Mỗi một thành phần đi qua hệ thống trong một khoảng thời gian riêng biệt, gọi là thời gian lưu. Trong kỹ thuật sắc ký, hỗn hợp được chuyên chở trong chất lỏng hoặc khí và các thành phần của nó được tách ra do sự phân bố khác nhau của các chất hòa tan khi chúng chảy qua pha tĩnh rắn hoặc lỏng. Nhiều kỹ thuật khác nhau đã được dùng để phân tích hợp chất phức tạp dựa trên ái tính khác nhau của các chất trong môi trường động khí hoặc lỏng và đối với môi trường hấp phụ tĩnh mà chúng di chuyển qua như giấy, gelatin, gel magnesium silicate,… II. Tốc độ di chuyển của một chất, peak và hình dáng peak 1. Tốc độ di chuyển của một chất Tốc độ di chuyển của một chất có thể được đặc trưng bởi hệ số phân bố của nó giữa hai pha hoặc bởi các đại lượng về sự lưu giữ của chất đó trên pha tĩnh (thời gian lưu, thể tích lưu). a, Thời gian lưu và thể tích lưu Thời gian lưu là 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 peak trên sắc ký đồ (tính từ lúc bơm mẫu đến khi xuất hiện peak). tM là thời gian lưu của một chất không bị lưu giữ, nghĩa là tốc độ di chuyển của nó bằng tốc độ di chuyển trung bình của dung môi, thời gian này được gọi là thời gian chết. t R càng lớn, chất càng bị lưu giữ mạnh và tốc độ di chuyển của nó càng nhỏ. 1 BIÊN SOẠN: TRẦN THỊ THU PHƯƠNG Hình 1. Sắc ký đồ của một chất Thời gian lưu hiệu chỉnh tR’ được tính theo công thức: tR’= tR - tM b. Hệ số phân bố K= Cs ; Trong đó: Cs và Cm là nồng độ chất tan trong pha tĩnh và pha động khi cân bằng Cm được thiết lập. Khi nồng độ nhỏ K phụ thuộc vào bản chất các pha, chất tan và nhiệt độ, K càng lớn thì chất đó phân bố càng nhiều trong pha tĩnh và di chuyển càng chậm. c. Hệ số dung lượng K’ (Hệ số phân bố khối lượng) K '= Qs ; Trong đó: Qs và QM là lượng chất tan phân bố trong pha tĩnh và pha động, K’ Qm phụ thuộc vào bản chất các pha, bản chất chất tan, nhiệt độ và đặc điểm của cột. Để tách một hỗn hợp chất, người ta thường chọn cột, pha động và các điều kiện phân tích khác sao cho K’ nằm trong khoảng từ 1 đến 8. 2. Peak và hình dáng peak a. Hình dáng peak: Hình dáng lý tưởng của peak là trục đối xứng, nhưng thực tế trục sắc ký chỉ gần đối xứng. Chiều rộng của trục được đo ở 1/10 chiều cao của peak. b. Sự kéo dài peak: Là kết quả của sự di chuyển nhanh chậm khác nhau của các phân tử của cùng một chất khi đi qua cột sắc ký. Các lực ra chậm bao giờ cũng tù hơn. c. Hiệu lực của cột: Hiệu lực của cột thường được đo bằng hai thông số: số đĩa lý thuyết N và chiều cao đĩa lý thuyết H. Ta có thể coi như cột sắc ký được chia thành N lớp hay N tầng mỏng, ở mỗi một lớp sự phân bố chất tan vào hai pha đạt trạng thái cân bằng. Những tầng mỏng giả định này gọi là đĩa lý thuyết. Nếu cột sắc ký có chiều dài là L thì: H=N/L. Cột có N lớn là cột có hiệu lực cao. 2 BIÊN SOẠN: TRẦN THỊ THU PHƯƠNG d. Độ phân giải: Độ phân giải Rs là tỉ số khoảng cách giữa hai peak và độ rộng trung bình của peak. Rs=0,75 hai peak tách không tốt, còn xen phủ nhau nhiều. Rs=1,0 hai peak tách khá tốt, còn xen phủ nhau 4%. Rs=1,5 hai peak tách hoàn toàn (xen phủ 0,3%). III. Sắc ký khí Sắc ký khí là phương pháp tách dựa trên sự phân bố khác nhau của các chất giữa hai pha không trộn lẫn vào nhau, trong đó pha động là chất khí (khí mang) đi qua pha tĩnh chứa trong cột. Sắc ký khí được áp dụng để tách những chất hoặc dẫn xuất của chúng mà có thể hóa hơi ở nhiệt độ phân tích. Phương pháp sắc ký khí dựa trên cơ chế hấp phụ, phân bố hoặc loại theo kích thước (dùng rây phân tử). Hình 2: sơ đồ của một máy sắc ký khí 1. Khí mang Khí mang là một khí trơ như Nitơ, Heli, Hidro…. Khí được chứa trong bom 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 detector có phụ thuộc vào sự khác nhau về tính chất giữa khí mang và chất cần phân tích. 2. Bộ phận tiêm mẫu Tiêm mẫu trực tiếp: Thường dùng bơm tiêm để bơm trực tiếp mẫu qua một vách polime silicon (còn gọi là septum) chịu nhiệt cao vào cột hoặc vào phòng đun nóng mẫu 3 BIÊN SOẠN: TRẦN THỊ THU PHƯƠNG để mẫu lỏng có thể bay hơi nhanh chóng. Yêu cầu cần thiết là mẫu phải có đủ áp suất hơi để có thể được làm bay hơi trong phòng mẫu. Nhiệt độ phòng mẫu có thể cao hơn nhiệt độ trong cột một chút để quá trình bay hơi được thực hiện dễ dàng. Tiêm pha hơi: Có thể thực hiện bằng hệ thống tiêm mẫu head-space tĩnh hay động. Hệ thống tiêm mẫu head-space động (kỹ thuật bẫy và làm sạch): Bao gồm thiết bị nhúng chìm vào dung dịch cho các chất bay hơi bám và cột hấp phụ ở nhiệt độ thấp. Các chất lưu giữ được giải hấp phụ vào pha động bằng cách làm nóng nhanh cột hấp phụ. Hệ thống tiêm mẫu head-space tĩnh: Bao gồm buồng ổn nhiệt mẫu có kiểm soát nhiệt độ trong đó đặt lọ đựng mẫu chứa mẫu rắn hoặc lỏng trong thời gian cố định để cho các thành phần bay hơi đạt được trạng thái cân bằng giữa pha hơi và pha lỏng hoặc rắn. Sau khi đạt được trạng thái cân bằng, một lượng mẫu khi xác định trước được đưa vào máy sắc ký khí. 3. Cột sắc ký a. Pha tĩnh Pha tĩnh chứa trong cột có thể là: Cột mao quản làm bằng silica nung chảy, pha tĩnh phủ trên thành cột. Cột nhồi chứa hạt chất mang , trơ tẩm pha tĩnh lỏng. Cột nhồi chứa pha tĩnh rắn. Cột mao quản có đường kính trong từ 0,1mm đến 0,53mm và dài từ 5m đến 60m. Pha tĩnh là một lớp phim bề dày 0,1µm đến 5,0 µm có thể gắn kết về hóa học vào bề mặt bên trong. Cột nhồi làm bằng thủy tinh hay kim loại, thông thường dài từ 1m đến 3m, đường kính trong từ 2mm đến 4mm. Pha tĩnh thường là chất polymer xốp hoặc chất mang rắn phủ pha tĩnh lỏng. Trong phân tích các hợp chất phân cực ở cột nhồi với pha tĩnh có dung lượng thấp, tính phân cực thấp, chất mang phải trơ để tránh làm cho peak không đối xứng. Hoạt tính chất mang có thể được giảm đi bằng cách silan hóa trước khi phủ pha tĩnh lên. Thường dùng diatomit nung, rửa với acid. Các chất mang thường có các kích thước hạt khác nhau, thường sử dụng nhất các hạt từ 150µm đến 180µm và 125µm đến 150µm. b. Pha động 4 BIÊN SOẠN: TRẦN THỊ THU PHƯƠNG Thời gian lưu và hiệu lực cột phụ thuộc vào tốc độ dòng khí mang: Thời gian lưu tỉ lệ thuận với chiều dài cột và độ phân giải tỉ lệ thuận với căn bậc hai chiều dài cột. Đối với cột nhồi, lưu lượng khí mang tính bằng ml/min ở áp suất khí quyển và nhiệt độ phòng. Lưu lượng đo ở đầu ra của detector bằng dụng cụ đo cơ học có chia độ hoặc ống đo tốc độ dòng dùng bọt xà phòng ở nhiệt độ cột đang phân tích. Tốc độ dài của dòng khí mang đi qua cột nhồi tỉ lệ nghịch với căn bậc hai đường kính trong của cột ở một thể tích dòng xác định. Lưu lượng 60ml/min trong cột đường kính trong 4mm và lưu lượng 15ml/min trong cột đường kính trong 2mm cùng cho tốc độ dòng như nhau, do đó thời gian lưu tương đương nhau. Thường dùng heli và nitơ làm khí mang cho cột nhồi và nitơ, heli, hidro cho cột mao quản. 4. Detector a. Detector dẫn nhiệt (TCD): Việc vận hành của detector dựa trên sự cân bằng nhiệt của một dây dẫn nung nóng. Khi có chất cần phân tích đi qua thì độ dẫn điện của hỗn hợp khí sẽ thấp đi, dây sẽ nóng lên, xuất hiện một tín hiệu điện. Detector dẫn nhiệt thích hợp với nhiều chất cần phân tích. b. Detector ion hóa ngọn lửa (FID): Khi đốt cháy các hợp chất hữu cơ trong ngọn lửa, chúng sẽ tạo ra các ion. Các điện cực ở gần ngọn lửa sẽ phát hiện ra sự có mặt của các ion bằng sự xuất hiện của một dòng điện nhỏ chạy qua mạch điện. Có thể đo được những dòng ngay cả khi chúng xấp xỉ bằng 10 -12A. Đây là detector được dùng nhiều nhất, phát hiện được đến 10-9g. c. Detector hấp thụ electron (Detector bắt electron – ECD): Nhờ có nguồn phóng xạ như 3 H hoặc 63Ni, khí mang bị ion hóa tạo nên một “dòng nhất định” trong mạch detector. Khi một chất phân tích hấp thụ electron được giải hấp nó sẽ làm giảm dòng này, đặc biệt khi hợp chất có chứa nguyên tố có độ âm điện cao. Dòng sẽ giảm đi, tạo ra tín hiệu ghi đè. Detector đặc biệt nhảy cảm với những hợp chất chứa halogen. Detector hấp thụ electron rất thuận lợi cho việc phân tích môi trường. Độ nhạy cao. 5. Sắc ký đồ Sắc ký đồ thông thường biểu thị trên hai trục x và y, trong đó tín hiệu detector ghi trên trục y và thời gian ghi trên trục x. Khi một hợp phần của mẫu được giải hấp và phát hiện nhờ detector thì tín hiệu đó sẽ được ghi lại. Thời gian ghi được cung cấp thông tin định tính về mẫu giống như thế bán song trong cực phổ, và sẽ nhận biết được 1 hợp phần trong mẫu. Thông tin định lượng từ sắc ký đồ được rút ra từ chỗ tín hiệu detector là hàm 5 BIÊN SOẠN: TRẦN THỊ THU PHƯƠNG của thời gian. Diện tích dưới peak tỷ lệ với lượng chất phân tích. Lượng này có thể biểu thị bằng đơn vị mol hoặc đơn vị khối lượng, tuy nhiên hằng số tỷ lệ sẽ khác nhau: SA= diện tích dưới peak – RA Trong đó R là diện tích trên một mol khí A được biểu thị bằng một hoặc là diện tích trên một gam khí A biểu thị bằng gam. IV.Vận dụng 1. Những lỗi thường gặp trong quá trình vận hành 1.1. Trường hợp 1: Lỗi phương pháp - Trong quá trình test xảy ra lỗi phương pháp (thời gian không chạy, sắc ký đồ không chạy, máy không tự xuất kết quả test,...) là do phương pháp trên máy không thực hiện được. VD: Sử dụng phương pháp TechVina35 để test mẫu, khi bơm mẫu vào inlet thì thời gian không chạy đồng thời khi hết thời gian không xuất kết quả thì đó là do lỗi phương pháp. - Biện pháp: Vào ổ C:/Chem32/1/Methods và xóa phương pháp. Sau đó, vào ổ D:/METHOD, copy phương pháp mà ổ C lỗi, click chuột vào ổ C:/Chem32/1/Methods, dán phương pháp vừa copy sang, tiếp tục thực hiện đo mẫu tiếp theo. Hình 1.1. Phương pháp test trong ổ (C:). 6 BIÊN SOẠN: TRẦN THỊ THU PHƯƠNG Hình 1.2. Phương pháp test trong ổ (D:). 1.2. Trường hợp 2: Lỗi quá trình bơm mẫu - Trong quá trình bơm mẫu xảy ra sự cố bơm nhầm mẫu vào inlet hoặc chưa thay đổi mẫu trước khi bơm. - Biện pháp: Dừng máy chạy đo mẫu bằng cách ấn nút STOP trên máy GC -> Khởi động phương pháp luyện cột, chờ “READY” và ấn nút START trên máy GC, luyện cột 30 phút -> ấn nút STOP trên máy GC -> Phương pháp luyện cột kết thúc, khởi động phương pháp test và chờ “READY” trên phần mềm máy tính hiện xanh và tiếp tục đo mẫu. 1.3. Trường hợp 3: Phần mềm TechVina Online báo máy GC offline - Phần mềm TechVina Online báo máy GC offline. - Biện pháp: Reset lại máy bằng cách: tắt phần mềm TechVinaOnline → tắt máy tính kết nối với máy GC→ tại trên bàn phím của máy GC; tắt nhiệt độ (off) ở front inlet, oven và front det sau đó đợi nhiệt độ của cả 3 mục đó giảm xuống dưới 100℃ (mất khoảng 30 phút) và tắt máy GC→ Khởi động lại, bật máy tính kết nối máy GC, bật phần mềm chờ máy ổn định và hiện ready trên phần mềm thì tiếp tục test mẫu. 1.4. Trường hợp 4: Máy GC phát ra tiếng kêu “tít” - Khi máy GC phát ra tiếng kêu “tít”, tại trên bàn phím của máy GC ấn vào front det và dùng nút  trên bàn phím máy GC để kiểm tra từng mục khí H 2, air, N2 xem có bị off hay 7 BIÊN SOẠN: TRẦN THỊ THU PHƯƠNG không và xem áp suất khí vào có đạt như áp suất khí đã cài đặt hay không; chỉ số áp suất bên trái là áp suất khí vào, chỉ số bên phải là áp suất khí cài đặt. - Biện pháp: Ấn nút front inlet, front det trên bàn phím máy GC và kiểm tra, nếu mục khí nào bị off thì bật on lên, nếu tình trạng không thay đổi, phải kiểm tra xem các bình khí có hết khí hay không bằng cách nhìn lên đồng hồ áp suất trên bình khí. Kiểm tra tình trạng máy GC tại phần mềm TechVina Online. Nếu tình trạng không thay đổi thì báo với người quản lý máy để được hỗ trợ. Hình 5.3. Hình ảnh bàn phím máy tính GC. 1.5. Trường hợp 5: Trường hợp mất điện đột ngột - Khi xảy ra sự cố mất điện đột ngột, ấn nút nguồn máy GC để tắt máy. - Khi có điện, bật nút nguồn và chờ máy khởi động, trên màn hình máy GC hiện chữ Agilent successful là được. - Ấn vào nút Status trên máy GC để xem trạng thái hiện tại của máy. 1.5.1. Trường hợp mất điện trong lúc máy đang ở trạng thái đo mẫu - Ấn nút status trên máy GC sẽ hiện dòng chữ Run blank sample to clear the colum - Bật máy tính kết nối máy GC, mở phần mềm TechVina Online, khởi động phương pháp luyện cột và luyện cột trong vòng 30 phút, -> STOP phương pháp luyện cột. 8 BIÊN SOẠN: TRẦN THỊ THU PHƯƠNG - Khởi động phương pháp test mẫu, chờ khi hiện “READY” trên thanh công cụ thì tiến hành test mẫu như bình thường. 1.5.2. Trường hợp mất điện trong lúc máy đang ở trạng thái KHÔNG đo mẫu - Bật máy tính kết nối máy GC, mở phần mềm TechVina Online, khởi động phương pháp test mẫu, chờ máy “READY” trên thanh công cụ thì tiến hành test mẫu như bình thường. 1.6. Tắt máy GC và khởi động máy khi không dùng đến 1 thời gian dài nghỉ lễ - Tắt phần mềm TechVinaOnline→ TechVinaOffline → tắt máy tính kết nối với máy GC→ tại trên bàn phím của máy GC; tắt nhiệt độ (off) ở front inlet, oven và front det sau đó đợi nhiệt độ của cả 3 mục đó giảm xuống dưới 100℃ (mất khoảng 30 phút) và tắt máy GC - Khởi động máy: Bật nút nguồn trên máy GC, bật máy tính kết nối máy GC, bật phần mềm TechVinaOnline→ TechVinaOffline chờ máy ổn định và hiện “ready” trên phần mềm thì tiếp tục test mẫu. 9