Phương pháp sắc ký khí và ứng dụng

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.88 MB, 81 trang )

1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

TIỂU LUẬN MÔN HỌC
CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CÔNG CỤ
ĐỀ TÀI:
“PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ VÀ ỨNG DỤNG”

HVTH: Nguyễn Thế Quân
MSHV: 12144445
GVHD: TS. Huỳnh Khánh Duy

TPHCM, tháng 1 năm 2014

2

MỤC LỤC
1. ĐẠI CƯƠNG VỀ SẮC KÝ KHÍ
1.1 Khái niệm và phân loại……………………………………………………………4
1.2. Vài nét lịch sử…………………………………………………………………… 4
1.3 Cơ sở lý thuyết chung của sắc ký khí…………………………………………… 4
1.3.1 Quá trình sắc kí………………………………………………………… 4
1.3.2 Các phương pháp tiến hành tách sắc kí………………………………… 5
1.3.4 Sự doãng rộng của pic và hiệu lực tách…………………………………11
1.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu lực tách của cột……………………… 13
1.3.6 Độ phân giải của cột …………………………………………………….17
2. HỆ THỐNG SẮC KÝ KHÍ
2.1.Thiết bị……………………………………………………………………………20
2.2 Hệ thống cấp khí mang………………………………………………………….20
2.2.1 Hệ thống cấp khí mang…………………………………………………20
2.2.2 Khí mang……………………………………………………………… 21
2.3 Hệ thống tiêm mẫu……………………………………………………………….22
2.3.1 Buồng tiêm dùng cho cột nhồi…………………………………………23
2.3.2 Buồng tiêm dùng cho cột mao quản………………………………… 23
2.4. Cột sắc ký……………………………………………………………………….25
2.4.1 Cột nhồi……………………………………………………………… 26
2.4.2 Cột mao quản………………………………………………………….29
2.4.3 Pha tĩnh ……………………………………………………………… 33
2.5 Lò cột ……………………………………………………………………………42
2.6. Đầu dò……………………………………………………………….………….44
2.6.1 Dectector dẫn nhiệt (thermal conductivity dectector)……………….45
2.6.2 Detector ion hóa ngọn lửa (flame-ionization detector) …………… 47
2.6.3 Detector cộng kết điện tử (electron capture dtector) ……………… 49
2.6.4 Detector phát xạ nguyên tử (atomic-emission detector) ……………52

2.6.5 Detector quang kế ngọn lửa (flame photometric GC detector) …….53
2.6.6 Detector quang hóa ion (photoionization detector) ……………… 54
2.6.7 Chemiluminescence Spectroscopy………………………………… 55
2.6.8 Detector Nitơ-photpho NPD …………………………………………56
2.6.9 Detector khối phổ…………………………………………………….57
3

2.6.10 Các thông số quan trọng của detector……………………………… 59
2.7. Hệ thống ghi nhận và xử lý số liệu…………………………………………….61
3. TIẾN TRÌNH PHÂN TÍCH SẮC KÝ KHÍ
3.1 Xác định mục tiêu phân tích………………………………………………… 61
3.2 Chuẩn bị mẫu……………………………………………………………………62
3.3 Chọn Detector……………………………………………………………………62
3.4 Chọn cột………………………………………………………………………….63
3.5 Chọn phương pháp tiêm mẫu……………………………………………………64
3.6 Chương trình hóa nhiệt độ và áp suất………………………………………… 64
4. PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TÍNH VÀ ĐỊNH LƯỢNG BẰNG GC
4.1 Phân tích định tính………………………………………………………………67
4.2 Phân tích định lượng…………………………………………………………….67
4.2.1 Một số nguyên nhân gây ra sai số…………………………………….68
4.2.2 Các phương pháp tính toán định lượng……………………………….68
5. ỨNG DỤNG CỦA GC
5.1 Ứng dụng của GC tại CASE ……………………………………………………70
5.2 Hệ thống sắc ký khí ghép khối phổ đầu dò Ion Trap(CASE)…………………71
5.2.1. Nguyên tắc hoạt động GCMS……………………………………… 71
5.2.2. Cấu tạo đầu dò khối phổ đầu dò bẫy ion (Ion trap)……………… 72
5.2.3. Ứng dụng hệ thống Thermo Polaris Q………………………………73
5.3 GCMS với độ phân giải cao (HRGC/HRMS)-CASE………………………….74
5.4 Xác định hàm lượng Diethylene Glycol, Ethylene Glycol có trong kem đánh răng
bằng phương pháp GC-MS…………………………………………………………75

5.4.1 Mở Đầu………………………………………………………………75
5.4.2 Nội dung tiến hành………………………………………………….75
5.4.3 Kết Luận…………………………………………………………… 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………….81

4

1. ĐẠI CƯƠNG VỀ SẮC KÝ KHÍ
1.1 Khái niệm và phân loại
Sắc kí (IUPAC-1993): là một phương pháp tách trong đó các cấu tử được tách
được phân bố giữa hai pha, một trong hai pha là pha tĩnh đứng yên còn pha kia chuyển
động theo một hướng xác định.
Sắc ký khí (GC- Gas Chromatography) là một phương pháp sắc ký mà pha
động là chất khí hoặc ở dạng hơi và pha tĩnh chứa trong cột là một chất rắn hoặc chất
lỏng phủ trên bề mặt chất mang dạng rắn hay phủ đều lên thành phía trong của cột tạo
lớp màng phim mỏng.
Cơ sở tách bằng sắc kí khí là sự phân bố của mẫu giữa hai pha: pha tĩnh có bề
mặt tiếp xúc lớn, pha động là khí thấm qua toàn bề mặt tĩnh đó. GC chia làm 2 loại:
– Sắc kí khí-rắn(GSC- Gas Solid Chromatography): pha tĩnh là chất rắn. Chất
rắn nhồi cột thường là silicagel, rây phân tử hoặc than hoạt tính. Cơ chế tách
chủ yếu là hấp phụ.
– Sắc kí khí-lỏng(GLC- Gas Liquid Chromatography): pha tĩnh là lỏng. Chất
lỏng bao bọc quanh bề mặt một chất rắn trơ, gọi là chất mang, tạo nên một lớp
phim mỏng. Cơ chế tách là sự phân bố của mẫu trong và ngoài lớp phim mỏng.
Mỗi thành phần của hỗn hợp trong pha động khi đi qua pha tĩnh sẽ tương tác

với pha tĩnh bằng ái lực, ái lực của mỗi chất với pha tĩnh là khác nhau, chất có cái lực
yếu với pha tĩnh sẽ thoát ra khỏi cột trước và chất có ái lực mạnh với pha tĩnh sẽ ra
khỏi cột sau. Đó là đặc trưng cơ bản của pha động và pha tĩnh, hơn nữa quá trình chia
tách có thể xảy ra bởi sự thay đổi nhiệt độ của pha tĩnh hoặc là áp suất của pha động.
1.2 Vài nét lịch sử
1905 Ramsey tách hỗn hợp khí và hơi dựa trên cơ sở hấp phụ của than hoạt tính.
1906 Tswett tách các sắc tố thực vật trên cột và gọi quá trình tách là ‘sắc kí’.
1941 Martin và Synge (giải thưởng Nobel) trình bày lý thuyết đĩa trong chưng cất và
chiết suất ngược dòng. Trên cơ sở đó James và Martin đề xuất ra sắc kí khí-lỏng
(1952).
Từ đó đến nay GC ngày càng hoàn thiện. Đến năm 1968 đã có khoảng 18000
công trình về GC. Những năm gần đây được sự hỗ trợ của công nghệ điện tử và tin
học, GC đạt được nhiều thành tựu hơn nữa.
1.3 Cơ sở lý thuyết chung của sắc ký khí
1.3.1 Quá trình sắc kí
Sắc kí là một kỹ thuật tách trong đó các cấu tử cần tách trong một hỗn hợp mẫu
được vận chuyển bởi pha động đi qua pha tĩnh. Mẫu đi vào tướng động được mang
theo dọc hệ thống sắc kí (cột, bản phẳng) có chứa pha tĩnh phân bố đều khắp.
5

Pha động có thể là pha lỏng hoặc khí, pha tĩnh có thể là một lớp phim được phủ
trên bề mặt của chất mang trơ hoặc một bề mặt rắn. Sự tương tác xảy ra giữa các cấu
tử với pha tĩnh nhờ đó các cấu tử sẽ phân bố giữa pha động và pha tĩnh.
Sự ái lực khác nhau của các chất tan trên pha tĩnh làm chúng di chuyển với
những vận tốc khác nhau trong pha động của hệ thống sắc kí. Kết quả là chúng được
tách thành những dải trong pha động và vào lúc cuối của quá trình các cấu tử lần lượt
hiện ra theo trật tự tương tác với pha tĩnh.
Cấu tử di chuyển chậm (tương tác yếu) ra trước, cấu tử bị lưu giữ mạnh hơn ra
sau dưới dạng các đỉnh (pic) tách riêng rẻ (hoặc bậc thang) tùy thuộc vào cách tiến
hành sắc kí và được hiển thị dưới dạng sắc kí đồ.

Hình minh họa một quá trình tách một hỗn hợp đơn giản gồm hai chất A và B
(lực tương tác với pha tĩnh của A < B) theo thời gian. Mẫu chứa A và B được tiêm vào
cột. Khi cho một chất rửa giải bắt đầu chảy qua cột, phần của mẫu được hòa tan trong
pha động được di chuyển tại phần đầu của cột (tại thời điểm t
0
). Ở đây các cấu tử A và
B tự phân bố giữa hai pha.
Tiếp tục cho pha động đi qua cột thì nó sẽ đẩy phần hòa tan này chạy xuống
dưới và một sự phân bố mới giữa pha động và pha tĩnh sẽ xảy ra (thời điểm t1). Đồng
thời sự phân bố giữa dung môi mới và pha tĩnh cũng diễn ra tại vị trí của mẫu lúc đầu.
Việc thêm tiếp dung môi sẽ mang các phân tử hòa tan chạy xuống cột trong một
loạt liên tiếp các chuyển biến giữa hai pha. Bởi vì sự di chuyển của chất tan chỉ xảy ra
trong pha động, nên tốc độ trung bình của sự di chuyển chất tan phụ thuộc vào phần
thời gian chất tan ấy nằm trong pha đó. Phần thời gian này là nhỏ đối với chất tan bị
lưu giữ mạnh bởi pha tĩnh (cấu tử B trong ví dụ trên) và lớn đối với chất tan (cấu tử A)
có sự lưu giữ trong pha động mạnh hơn. Sau một thời gian các phân tử chất A và B
dần dần được tách khỏi nhau.
Nếu đặt một detector có khả năng phát hiện được các chất tan (cấu tử A và B)
tại cuối cột tách và tín hiệu của nó được vẽ lại như một hàm của thời gian (hoặc thể
tích được thêm vào) thì một loạt pic đối xứng sẽ được ghi lại và được gọi là sắc kí đồ.
Vị trí của các pic theo thời gian được dùng để nhận diện định tính và diện tích
của peak được dùng cho phép phân tích định lượng của cấu tử đang xét.
6

Hình 1. Quá trình tách sắc kí trên cột của hai chất A và B
1.3.2 Các phương pháp tiến hành tách sắc kí
Để thực hiện tách sắc kí người ta có thể sử dụng một trong ba phương pháp sau:
1.3.2.1. Phương pháp rửa giải
Kỹ thuật này được sử dụng rộng rãi nhất trong các phương pháp sắc kí hiện

nay. Một lượng nhỏ hỗn hợp mẫu được giới thiệu vào cột với pha động có ái lực với
pha tĩnh bé hơn so với bất kì cấu tử cần tách có trong mẫu. Vì thế các cấu tử cần tách
di chuyển với tốc độ chậm hơn so với chất rửa giải. Tốc độ này được xác định bởi ái
lực tương đối của mỗi cấu tử lên pha tĩnh so với pha động, đó chính là hệ số phân bố K
= Csp/Cmp. Ở đây Csp, Cmp là nồng độ của cấu tử đang xét trên pha tĩnh và trong pha
động.
Các cấu tử được rửa giải theo trật tự ái lực của chúng nhưng tốc độ di chuyển
tương đối của chúng phụ thuộc vào tương tác 3 thành phần giữa chúng với pha động,
với pha tĩnh và giữa pha động với pha tĩnh. Bởi vì các cấu tử được tách khỏi nhau với
một vùng pha động ở giữa chúng nên phương pháp này được sử dụng trong các phép
tách với mục đích phân tích.
Pha động có thể không thay đổi thành phần dung môi trong suốt quá trình rửa
giải; có thể thay đổi dung môi rửa giải sau một thời gian định trước (rửa giải theo từng
giai đoạn); cũng có thể không thay đổi các dung môi tạo nên pha động nhưng thay đổi
nồng độ của các thành phần có trong pha động sau một thời gian định trước (rửa giải
gradient).

7

1.3.2.2. Phương pháp tiền lưu
Hỗn hợp cần tách gồm các chất A, B và C được cho chảy liên tục vào phần trên
của cột, trong đó A là cấu tử có ái lực yếu nhất với pha tĩnh. Do các cấu tử A, B và C
bị lưu giữ trên cột, nên trước hết từ cột chảy ra chỉ có dung môi. A do có lực tương tác
trên cột yếu nhất sẽ di chuyển xuống dưới còn các cấu tử có ái lực mạnh hơn A bị pha
tĩnh giữ ở phần trên của cột.
Do dung dượng có hạn của pha tĩnh nên khi vượt dung lượng này thì cấu tử A
sẽ di chuyển dọc theo cột và ra khỏi cột ở dạng nguyên chất sau đó là hỗn hợp của các
thành phần tiếp theo A+B rồi A+B+C.
Phương pháp tiền lưu ít được dùng do không thực hiện được việc tách hoàn

toàn các cấu tử, đặc biệt khi sử dụng sự tách sắc kí vào mục đích phân tích.
1.3.2.3. Phương pháp thế đẩy
Mẫu được cho vào cột, dùng dung môi rửa giải có ái lực với pha tĩnh mạnh hơn
bất kì một cấu tử nào của hỗn hợp tách để đẩy các cấu tử cần tách thoát ra khỏi cột.
Cấu tử thoát ra khỏi cột đầu tiên là cấu tử tương tác yếu nhất với pha tĩnh, sau đó đến
các cấu tử khác có ái lực với pha tĩnh tăng dần.
Phương pháp này tạo nên các dải rửa giải không hoàn toàn được tách khỏi
nhau: có dải thu được chất nguyên chất nhưng có dải giữa các dải nguyên chất thì gồm
hỗn hợp của chúng. Trong thực hành phòng thí nghiệm để tách các hỗn hợp phức tạp
người ta thường hay dùng hơn cả là phương pháp rửa giải.

Hình 2. Các phương pháp rửa giải, tiền lưu, thế đẩy

8

1.3.3 Đặc tính sắc kí của chất tan
1.3.3.1. Tính chất lưu giữ
Tính chất lưu giữ phản ánh sự phân bố của chất tan giữa pha tĩnh và pha động và được
biểu thị bằng các đại lượng thể tích lưu hay thời gian lưu.
– Thể tích lưu V
R
là thể tích pha động cần thiết để vận chuyển chất tan i từ thời
điểm đưa mẫu vào, đi qua cột và đến detectơ (trên sắc kí đồ là điểm cực đại của
peak).
– Thời gian lưu t
R
là thời gian từ lúc chất tan i được nạp vào cột tách ở bộ phận
tiêm mẫu cho đến lúc chất ra khỏi cột ở thời điểm có nồng độ cực đại.
Thể tích lưu có thể nhận được trực tiếp từ thời gian lưu tR trên sắc kí đồ bằng cách
nhân với tốc độ thể tích dòng Fc (thể tích của pha động trên một đơn vị thời gian):

Tốc độ dòng được tính theo các thông số của cột như sau:
– d
c
là đường kính của cột,
– L là chiều dài cột,
– εt là độ rỗng toàn phần của chất nhồi cột (độ rỗng của chất nhồi cột biểu thị tỉ
số thể tích kẽ hở của chất nhồi và thể tích khối toàn phần của nó: đối với chất
nhồi rắn = 0.35 – 0.45, chất nhồi xốp = 0.70 – 0.90, cột mao quản = 1.0),
– V
c
là thể tích bên trong cột.
Tốc độ tuyến tính trung bình u của sự dịch chuyển chất tan là:
Tốc độ tuyến tính trung bình u của pha động là:
Ở đây t
M
hay t
o
là thời gian không bị lưu giữ của chất tan (thời gian chất tan lưu
trong pha động). Trong sắc kí khí, t
M
được lấy bằng thời gian cần thiết cho CH
4
di
chuyển đi qua cột. Tương ứng t
M
hay to có thể tích V
M
(hoặc V
o

) biểu thị thể tích trống
của cột (bao gồm cả thể tích của bộ phận tiêm mẫu (injector), thể tích các đoạn ống
nối, thể tích rỗng của chính cột và thể tích detector).
Thể tích lưu hiệu chỉnh V’
R
hoặc thời gian lưu hiệu chỉnh t’
R
được cho bởi:
V’
R
= V
R
–V
M
hoặc t’R = t
R
– t
M

(thời gian không bị lưu giữ của chất tan gần đúng được xem như là thời gian lưu của
pha động).
9

Hình 3. Sắc kí đồ minh họa các thời gian lưu t (hoặc thể tích lưu) và độ rộng của đáy
peak W của chất tan không bị lưu giữ M và của 2 chất bị lưu giữ 1 và 2
1.3.3.2. Hệ số phân bố K (Partition coefficient)
Mỗi cấu tử hoặc chất tan được phân bố giữa 2 pha với một cân bằng được thiết
lập và tất cả các quá trình tách sắc kí được dựa trên sự khác nhau về khả năng phân bố
của chất tan giữa pha động và pha tĩnh.

Khi chất tan đi vào hệ thống sắc kí, nó ngay lập tức phân bố giữa các pha động
và pha tĩnh. Giả thiết nếu pha động dừng lại vào bất kì một thời gian nào, chất tan có
một sự phân bố cân bằng giữa hai pha, và nồng độ của chất tan ở trong mỗi pha được
cho bởi hệ số phân bố nhiệt động:

Ở đây C
s
và C
M
là nồng độ chất tan trong pha tĩnh và pha động tương ứng.
Trường hợp khi K = 1 thì chất tan được phân bố bằng nhau giữa hai pha.
Hệ số phân bố xác định tốc độ trung bình của mỗi vùng chất tan (chính xác là
tâm vùng) do pha động vận chuyển khi nó đi qua cột. Đối với peak đối xứng, khi cực
đại pic xuất hiện ở lối ra của cột, một nửa lượng chất tan đã được rửa khỏi cột trong
thể tích lưu V
R
và một nửa còn lại được phân bố giữa thể tích pha động V
M
và thể tích
pha tĩnh V
s
:
V
R
C
M
= V
M
C
M

+ V
s
C
s

hay V
R
= V
M
+ KV
s
hay V
R
– V
M
= KV
s

Phương trình này đúng với cột phân bố lỏng, còn đối với cột hấp phụ, V
s
phải thay
bằng S
s
là diện tích bề mặt của chất hấp thụ.
1.3.3.3. Hệ số dung lượng k’ (The capacity factor)
Hệ số dung lượng k’ là thông số thực nghiệm quan trọng trong sắc kí cột được
sử dụng rộng rải để mô tả các tốc độ dịch chuyển của các chất tan trên cột. Cho một
chất tan, hệ số dung lượng k’ được định nghĩa như là tỉ số mol chất tan trong pha tĩnh
và số mol chất tan trong pha động:
10

Tỉ số V
M
/V
s
được gọi là tỉ số thể tích pha
Hệ số dung lượng còn được định nghĩa là tỉ số giữa thời gian của chất tan lưu
lại trên pha tĩnh và thời gian cần để chất tan đó di chuyển trong pha động suốt chiều
dài của cột nếu không bị lưu giữ t
M
.

Khi k’ cho một chất tan nhỏ hơn 1 nhiều, sự rửa giải xảy ra rất nhanh nên việc
xác định thời gian lưu là rất khó. Còn khi k’ khoảng 20 đến 30 thì thời gian rửa giải sẽ
bị kéo dài. Vì vậy các phép tách nên được thực hiện ở những điều kiện mà các k’ của
các chất tan nằm trong khoảng giá trị từ 1 đến 5.
Giá trị k’ trong sắc kí khí có thể được thay đổi bởi việc thay đổi nhiệt độ và
cách nhồi cột. Còn trong sắc kí lỏng, k’ thường được điều khiển để cho phép tách tốt
hơn bởi thay đổi thành phần pha động và pha tĩnh.
1.3.3.4. Hệ số chọn lọc (The selectivity factor)
Khả năng của một pha tĩnh tách 2 cấu tử A và B (B là cấu tử bị lưu giữ mạnh
hơn) được xác định bởi tỉ số phân bố tương đối của chúng và cũng là những hệ số lưu
giữ của chúng đối với một pha tĩnh đã cho.
Hệ số chọn lọc α là một hàm của sự lưu giữ tương đối của mỗi cấu tử trên pha
tĩnh

Hệ số chọn lọc của một cặp dải (pic) gần nhau là một hàm phụ thuộc vào loại
pha tĩnh được sử dụng, pha động và nhiệt độ của cột. Để cho một sự tách được tốt thì α
nên có gía trị lớn hơn 1. Hai chất cần tách càng tách ra xa khỏi nhau khi α càng lớn

nhưng nếu quá lớn thì thời gian phân tích càng kéo dài, α nên trong khoảng từ 1,05 đến
2,0.
1.3.3.5. Những yếu tố ảnh hưởng đến sự lưu giữ
Tốc độ di chuyển của một dải chất tan qua một cột hay một đĩa sắc kí lớp mỏng
phụ thuộc vào sự phân bố của các phân tử chất tan giữa pha tĩnh và pha động. Những
nhân tố ảnh hưởng đến sự phân bố hay sự lưu giữ là:
– Thành phần và tính chất của pha động
– Kiểu và tính chất của pha tĩnh
– Các lực tương tác các phân tử giữa các cấu tử của pha động và pha tĩnh
– Nhiệt độ
Hai yếu tố góp phần để tách tốt các hợp chất bởi sắc kí là:
11

Sự khác nhau về thời gian phân bố của chúng trong 2 pha: nếu sự khác nhau
càng lớn thì sự tách chúng càng tốt. Độ doãng rộng của các pic nếu càng rộng thì sự
tách chúng càng kém.
1.3.4 Sự doãng rộng của pic và hiệu lực tách
1.3.4.1. Mở đầu
Hiệu lực của một cột tách chịu tác động bởi độ lớn của sự doãng rộng pic xảy ra
khi một chất chuyển động dọc theo cột. Chất tan khi chạy dọc theo cột có khuynh
hướng phân bố như một hình phân bố chuẩn Gaussian với độ lệch chuẩn σ.
Nếu chất tan tiêu tốn nhiều thời gian khi dịch chuyển dọc xuống cột thì pic càng
bị doãng rộng. Độ doãng rộng của một pic thường được biểu diễn thông qua các giá
trị:
– W1/2 là độ rộng của của pic được đo ở ½ chiều cao của peak,
– W là độ rộng của đáy pic được xác định tại hai điểm cắt của hai đường tiếp
tuyến của hai bên thân pic với đường nền.

Hình 4. Sơ đồ của một dải chất tan và sự đánh giá của dải sắc kí đồ cho hiệu lực cột.
1.3.4.2. Sự khuếch tán

Nguyên nhân chính dẫn đến sự doãng rộng của peak là sự khuếch tán. Hệ số
khuếch tán D đo tốc độ J tại đó một chất di chuyển một cách ngẫu nhiên từ một vùng
có nồng độ cao đến vùng có nồng độ thấp.

D là hệ số khuếch tán
c là nồng độ
x là độ dài di chuyển
12

Sự khuếch tán trong chất lỏng thấp hơn trong chất khí khoảng 104 lần, còn các
phân tử lớn thì khuếch tán chậm hơn các phân tử nhỏ từ 10 đến 100 lần.
Độ rộng của dải sắc kí do khuếch tán được biểu diễn qua phương trình sau:

c là nồng độ (mol/cm3),
t là thời gian,
x là khoảng cách di chuyển được dọc theo cột,
D là hệ số khuếch tán,
m là số mol chất tan dịch chuyển qua một đơn vị diện tích tiết diện ngang của cột.
Phương trình trên cho biết độ lệch chuẩn của dải sắc kí:
1.3.4.3 Chiều cao đĩa lý thuyết H
Chiều cao đĩa lý thuyết H là một hằng số giữa phương sai σ2 của dải chất tan và
khoảng cách x mà nó di chuyển. Tên gọi này là từ lý thuyết chưng cất trong đó sự tách
được thực hiện trong những giai đoạn rời rạc được gọi là đĩa tách.
H = σ2/L L là chiều dài của cột nhồi
Có thể giả định cột sắc kí được chia thành N phần mỏng hay N lớp hay N đĩa
tách. Ở mỗi đĩa sự phân bố chất tan vào hai pha lại đạt đến một trạng thái cân bằng
mới (sắc kí là một quá trình động, thực ra pha động chảy liên tục và thời gian không
đủ để thiết lập trạng thái cân bằng).
Chiều cao của đĩa tách cũng được gọi là chiều cao đĩa lý thuyết. Mặc dù trong
cột sắc kí không có các đĩa thực nhưng người ta vẫn sử dụng khái niệm này để chỉ mối

quan hệ giữa độ rộng của dải sắc kí và khoảng cách dịch chuyển dọc theo cột sắc kí.
Nếu chiều cao đĩa lý thuyết càng nhỏ (tức số đĩa lý thuyết càng nhiều) thì độ
rộng hay sự doãng rộng của pic càng nhỏ. Khả năng tách các cấu tử của một hỗn hợp
của một cột được cải thiện nếu giảm chiều cao một đĩa lý thuyết. Các chất tan khi dịch
chuyển qua cùng một cột tách có chiều cao đĩa lý thuyết khác nhau bởi vì chúng có hệ
số khuếch tán khác nhau.
Chiều cao một đĩa lý thuyết khoảng từ 0.1 đến 1 mm trong sắc kí khí và khoảng
10 μm trong săc kí lỏng hiệu năng cao và nhỏ hơn 1μm trong sắc kí điện di mao quản.
1.3.4.3 Số đĩa lý thuyết N

L là chiều dài cột, với

t
R
là thời gian lưu của pic,
13

W là độ rộng của peak ở đáy,
W1/2 là chiều rộng của pic đo ở nửa chiều cao từ đỉnh đến đáy pic.
Công thức này được sử dụng để xác định thực nghiệm số đĩa lí thuyết của một cột
tách. Hiệu lực của cột tách sẽ tăng lên khi số đĩa lí thuyết càng lớn và khi chiều cao đĩa
càng nhỏ.
1.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu lực tách của cột
1.3.5.1 Ảnh hưởng của tốc độ của pha động
Mức độ ảnh hưởng động học lên hiệu lực của một cột rõ ràng phụ thuộc vào độ
dài thời gian của pha động tiếp xúc với pha tĩnh tức phụ thuộc vào tốc độ pha động.
Nghiên cứu về hiệu lực cột nói chung được thực hiện bởi việc xác định chiều cao H
như là một hàm phụ thuộc vào tốc độ pha động.
Kết quả cho thấy cả sắc kí khí lẫn sắc kí lỏng đều có chiều cao đĩa lí thuyết đạt
cực tiểu ở trong vùng tốc độ dòng thấp của pha động và nói chung tốc độ đó của sắc kí

lỏng thấp hơn so với sắc kí khí.
1.3.5.2 Lí thuyết về sự doãng rộng peak
Hơn 40 năm qua, rất nhiều công trình nghiên cứu về thực nghiệm lẫn lý thuyết
về mối quan hệ định lượng để giải thích ảnh hưởng của các thông số như: vận tốc
tuyến tính của pha động, hệ số khuếch tán trong pha động và trong pha tĩnh, tỉ số phân
bố, đường kính của hạt nhồi, bề dày của lớp chất lỏng phủ trên hạt… đến chiều cao đĩa
lý thuyết cho các loại cột khác nhau.
Những yếu tố ảnh hưởng này được phản ánh qua phương trình của Van
Deemter như sau: H A B/u C
A
u C
M
u
H là chiều cao đĩa lý thuyết (cm);
u là vận tốc tuyến tính của pha động (cm/s);
A là hệ số mô tả ảnh hưởng đến H của sự khuếch tán xoáy;
B là hệ số khuếch tán dài;
Cs và C
M
là các hệ số chuyển khối của pha tĩnh và pha động.
14

Hình 5. Đường cong H-u (Van Deemter) cho một cột sắc kí khí
1.3.5.3 Sự khuếch tán xoáy
Thành phần A mô tả sự khuếch tán xoáy của các cấu tử và các đường đi khác
nhau của pha động chạy xuyên qua pha tĩnh được nhồi trong cột. Vì thế các cấu tử
phải di chuyển với những khoảng cách đường đi khác nhau qua một đơn vị chiều dài
của cột.
Số hạng A độc lập với tốc độ của pha động nhưng phụ thuộc vào:

Đường kính hạt nhồi trong pha tĩnh dp,
Cách chúng được nhồi trong cột hoặc được phủ trên bản mỏng được biểu diễn
qua λ là hàm số phụ thuộc vào độ đồng thể của chất nhồi, dạng hình học và kích thước
của cột:
A = λ.dp
Một số phân tử chất tan có đường đi gần với thành cột sẽ di chuyển nhanh hơn
so với những phân tử khác do ở đó mật độ nhồi tương đối thấp, tốc độ nhanh hơn. Các
phân tử đi theo đường ngắn hơn được rửa giải ra trước những phân tử đi theo những
đường quanh co dài hơn dẫn đến doãng rộng pic của mỗi chất tan.
Một sự tách và độ rộng của pic tối thiểu sẽ đạt được nếu dùng các hạt nhồi có
đường kính trung bình đủ nhỏ và được nhồi đồng thể vào trong cột. Tuy nhiên, hạt
càng nhỏ thì áp suất cần để pha động dịch chuyển qua cột càng cao, đặc biệt sẽ gặp
khó khăn để nhồi cột đồng thể. Trong sắc kí khí cột nhồi người ta nhồi cột với các hạt
có kích thước tối ưu khoảng 0.15 μm. Trong sắc kí khí – lỏng khi sử dụng màng mỏng
trên thành cột mao quản thì số hạng A = 0.
15

Hình 6. Ảnh hưởng của khuếch tán xoáy (a), khuếch tán dọc (b) sự truyền khối (c) đến
phương trình Van Deemter.
1.3.5.4 Sự khuếch tán dọc
Khuếch tán là quá trình chất di chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng
độ thấp hơn với tốc độ tỉ lệ với sự chênh lệch nồng độ và hệ số khuếch tán của chất
đang xét.
Trong sắc kí, khuếch tán dọc được dùng để mô tả sự khuếch tán diễn ra dọc
theo trục của cột và song song với đường đi của pha động. Nó dẫn đến sự dịch chuyển
của chất tan từ trung tâm nồng độ của một dải chất tan đến những vùng loãng hơn về
hướng phía trước hoặc sau của dòng chảy.
Khuếch tán dọc là một nguồn của sự doãng rộng của pic trong sắc kí khí do tốc
độ khuếch tán cao trong pha khí. Hiện tượng này ít hơn trong sắc kí lỏng. Độ lớn của

B trong phương trình Van Deemter được xác định phần lớn bởi hệ số khuếch tán DM
của chất phân tích trong pha động và tỉ lệ thuận với hằng số này:
B = 2γ. D
M

γ là hệ số trở kháng của chất nhồi cột đến khuếch tán dọc,
D
M
là hệ số khuếch tán của chất tan trong pha động.
Trong các cột mao quản thì γ có giá trị bằng 1 còn trong cột nhồi thì khoảng
0.7. B ảnh hưởng lớn trong phương trình V-D khi tốc độ pha động thấp nên trong sắc
kí lỏng ảnh hưởng này ít hơn nhiều bởi vì pha động có tốc độ thấp hơn nhiều so với
của sắc kí khí.
16

1.3.5.5 Sự truyền khối trong pha tĩnh
Khi pha tĩnh là chất lỏng: hệ số truyền khối Cs tỉ lệ thuận với bình phương
chiều dày của lớp phim trên bề mặt chất mang và tỉ lệ nghịch với hệ số khuếch tán Ds
của chất tan trong lớp phim.
Với lớp phim dày các phân tử chất tan phải di chuyển trung bình xa hơn để tiến
đến bề mặt, và với hệ số khuếch tán nhỏ hơn, chúng sẽ di chuyển đến chậm hơn. Hậu
quả là tốc độ truyền khối chậm hơn và chiều cao đĩa lý thuyết tăng lên.
Khi pha tĩnh là một bề mặt rắn: hệ số truyền khối pha tĩnh Cs tỉ lệ thuận với
thời gian được đòi hỏi cho những cấu tử bị hấp phụ hoặc giải hấp, hay tỉ lệ nghịch
hằng số tốc độ bậc nhất của các quá trình này.
Sự chuyển động của phân tử trong pha tĩnh tiêu tốn một thời gian dài hơn, trong
khi những phân tử khác chuyển động về phía trước cùng với pha động, sẽ dẫn đến
peak sẽ doãng rộng. Pha động đi qua cột càng nhanh và tốc độ truyền khối trong pha
tĩnh càng nhỏ thì peak càng doãng rộng hơn.
Khắc phục: những chất lỏng ít nhớt hơn có thể được chọn làm pha tĩnh để tăng

hệ số khuếch tán. Có thể giảm chiều dày của pha tĩnh nhưng dung lượng của cột sẽ bị
giảm xuống.
1.3.5.6 Sự truyền khối trong pha động
Các quá trình truyền khối trong pha động rất phức tạp. Sự hiểu biết tốt về mặt
định tính của những yếu tố từ nguyên nhân này tác động đến sự doãng rộng của pic
dẫn đến sự cải thiện lớn lao trong tất cả các loại cột sắc kí.
Hệ số truyền khối trong pha động C
M
:
– tỉ lệ nghịch với hệ số khuếch tán của chất tan trong pha động D
M

– tỉ lệ thuận với bình phương đường kính của hạt nhồi,
– tỉ lệ thuận với bình phương của đường kính cột và tốc độ chảy của pha động.
Sự doãng rộng của dải trong pha động là do một phần vào số đông các đường đi
nhờ đó một phân tử hoặc ion có thể tìm được cách của nó để đi qua cột nhồi. Trên bề
mặt của pha tĩnh có thể chứa các lỗ khích thước khác nhau nên một số các phân tử chất
tan có thể chuyển động vào ra các lỗ này dẫn đến sẽ bị chậm so với những phân tử
khác. Các dòng chất lỏng của pha động ở gần các hạt chuyển động chậm hơn dòng
chất lỏng ở giữa khoảng cách các hạt.
Như vậy thời gian lưu trong cột cho các phân tử của cùng một chất cũng khác
nhau. Các phân tử này đi đến cột qua những khoảng thời gian khác nhau dẫn đến sự
doãng rộng pic. Ảnh hưởng này thỉnh thoảng được gọi là khuếch tán xoáy, độc lập với
tốc độ của dung môi.
1.3.5.7 Các phương pháp giảm sự doãng rộng peak
17

Hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của cột là đường kính của các
hạt nhồi và đường kính của cột:
– Nếu sử dụng các hạt nhồi có đường kính càng nhỏ thì càng giảm chiều cao đĩa

lý thuyết.
– Trong khi đó lợi dụng ảnh hưởng của đường kính cột, các cột ngày càng hẹp
hơn được sử dụng trong những năm gần đây.
Với pha động khí, tốc độ của khuếch tán dọc có thể được giảm một cách đáng
kể bởi hạ thấp nhiệt độ và như vậy làm giảm hệ số khuếch tán DM. Điều này dẫn đến
chiều cao đĩa lý thuyết sẽ nhỏ hơn tại nhiệt độ thấp. Ảnh hưởng này không đáng kể
trong trường hợp sắc kí lỏng bởi vì sự khuếch tán là đủ chậm nên sự khuếch tán dọc có
ảnh hưởng rất nhỏ đến chiều cao đĩa lý thuyết.
Đối với pha tĩnh lỏng, chiều dày của lớp chất lỏng hấp thụ nên càng mỏng càng
tốt bởi vì C
s
trong phương trình Van-Deemter tỉ lệ thuận với bình phương của đại
lượng này.
1.3.6 Độ phân giải của cột (Column resolution)
1.3.6.1 Định nghĩa
Trong sắc kí, độ phân giải Rs của hai pic được xác định như sau:

Δt
R
và ΔV
R
là hiệu của thời gian hoặc thể t.
18

Hình 7. Sự phân giải peak
Độ phân giải của một cột tách cho biết khả năng tách hai chất phân tích bởi cột.
Nếu cột tách có độ phân giải khoảng 1.5 thì phép tách A và B gần như hoàn toàn (sự
xen phủ chỉ còn khoảng 0.3%), trong khi nếu độ phân giải 0.75 thì không tách được
còn độ phân giải bằng 1 thì sự xen phủ của hai pic còn khoảng 4%.

Độ phân giải cho một pha tĩnh đã chọn có thể được cải thiện bởi tăng chiều dài
của cột tách (tức tăng số đĩa l í thuyết N của cột tách) nhưng như vậy sẽ làm kéo dài
thời gian phân tích.
1.3.6.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ phân giải
Mối quan hệ giữa số đĩa lý thuyết và độ phân giải là:

19

Độ phân giải
N là số đĩa lý thuyết,
k’2 là hệ số dung lượng của cấu tử thứ hai
Nếu số đĩa lý thuyết của 2 peak không giống nhau thì thay thế N bằng 1 2 N N và thay
k’2 bằng k’av.
Cải thiện Rs nhờ chiều cao đĩa lý thuyết
Một chi tiết quan trọng trong phương trình trên là độ phân giải tỉ lệ thuận với N
. Vì vậy nếu tăng gấp đôi chiều dài cột thì tăng độ phân giải lên 2 lần. Tuy nhiên khi
tăng số đĩa lý thuyết lên do tăng chiều dài cột thì quá trình sắc kí phải tiêu tốn nhiều
thời gian hơn trừ khi sự tăng số đĩa là do giảm chiều cao mỗi đĩa và không tăng chiều
dài của cột, nhiệt độ của cột (cho trường hợp sắc kí khí) và chiều dày của lớp phim
(cho sắc kí lỏng). Việc tối ưu hóa tốc độ pha động cũng có ích.
Cải thiện Rs nhờ hệ số chọn lọc α
Khi tăng α hay khi tăng tỉ số phân bố thì độ phân giải cũng tăng theo. Cách để
thay đổi α là thay đổi pha tĩnh hoặc thay đổi cả pha tĩnh lẫn pha động trong sắc kí lỏng
bởi vì thay đổi bản chất của các pha sẽ dẫn đến thay đổi α.
Khi tỉ số phân bố =2 thì đảm bảo cho sự phân giải tốt. Tuy nhiên sự tối ưu này
là cho một cặp cấu tử. Trong trường hợp hỗn hợp chứa nhiều cấu tử thì cần phải thay
đổi k’ để có sự phân tách giữa các cấu tử.
Trong sắc kí khí, giá trị tối ưu hóa của k’ có thể đạt được bằng chương trình hóa
nhiệt độ còn trong sắc kí lỏng thì bằng chương trình hóa thành phần pha động tức thay
đổi tỉ lệ giữa các dung môi của pha động.

Cải thiện Rs nhờ hệ số dung lượng
Thường sự tách có thể được cải thiện một cách đáng kể bằng việc thay đổi hệ số
dung lượng k’. Nói chung, sự tăng giá trị k’ làm tăng độ phân giải. Để xác định
khoảng tối ưu của giá trị k’, phương trình được viết dưới dạng:

Ở đây Q chứa phần còn lại của phương trình.
Thường giá trị của k’ > 10 nên tránh vì dù tăng lên chút ít độ phân giải nhưng
thời gian đòi hỏi cho sự tách tăng lên rất đáng kể. Giá trị tối ưu của k’ trong khoảng từ
1 đến 5.Cách dễ nhất để cải thiện độ phân giải là tối ưu hóa k’:
– Đối với pha động là khí, k’ thường có thể được cải thiện bởi sự thay đổi nhiệt
độ.
20

– Các phương pháp để giảm chiều cao của đĩa lý thuyết được đề cập bên dưới,
bao gồm giảm kích thước hạt nhồi, đường kính của cột
2. HỆ THỐNG SẮC KÝ KHÍ
2.1 Thiết bị
 Hiện nay, hơn 30 nhà sản xuất cung cấp ra thị trường khoảng 150 mẫu
khác nhau của thiết bị sắc kí khí.
 Trong thập niên 70, các bộ tích phân kế điện tử và xử lý số liệu dựa trên máy
tính trở nên thông dụng.
 Thập niên 80 đã xuất hiện các thiết bị sắc kí khí với các thông số như nhiệt độ
của cột, tốc độ dòng, tiêm mẫu, được điều khiển bằng máy tính với giá cả vừa
phải; và có lẽ quan trọng nhất là sự phát triển của các cột có khả năng
tách những mẫu phức tạp có chứa nhiều cấu tử trong một khoảng thời gian
ngắn.

Hình 8. Sơ đồ khối của một máy sắc ký khí
2.2 Hệ thống cấp khí mang
2.2.1 Hệ thống cấp khí mang

Hệ thống cung cấp khí mang bao gồm các bộ điều chỉnh áp suất (pressure
regulators), các thiết bị đo áp suất (gauges), và thiết bị đo tốc độ dòng (flowmeter). Hệ
thống khí mang còn chứa một hệ thống lọc phân tử để tách nước và các chất nhiễm
bẩn khác. Tốc độ dòng được kiểm soát bởi các bộ điều chỉnh áp suất hai giai đoạn
được lắp vào các bình chứa khí mang.
Áp suất của khí vào thiết bị nằm trong khoảng từ 10 đến 50 psi để có tốc độ
dòng từ khoảng 30 đến 150 ml/ph đối với cột nhồi và khoảng từ 1 đến 25 ml/ph đối
với cột mao quản. Nói chung, nếu áp suất đi vào thiết bị không đổi thì tốc độ dòng sẽ
21

không đổi. Để đo tốc độ dòng khí người ta dùng thiết bị đo tốc độ dòng (flowmeter)
với bọt xà phòng và đồng hồ bấm giây.
2.2.2 Khí mang
Khí mang lý tưởng dùng cho sắc ký phải là khí trơ (He, Ar, N
2
, CO
2
và H
2
), có
độ tinh khiết cao.
Độ giảm áp suất tỉ lệ với độ nhớt khí mang nên cần chọn khí mang có độ nhớt
thấp cho cột mao quản và cột nhồi chặt.
Bảng 1. Độ dẫn điện và độ nhớt của một số khí mang

Khí mang thường dùng là tùy thuộc vào detector sử dụng. Khi lựa chọn cần chú
đến detector đang sử dụng như sau:
– Detector đo độ dẫn : khí mang có độ dẫn cao như H
2
, He. Khí He có ưu điểm

không nguy hiểm.
– Detector ion hóa ngọn lửa : khí mang N
2
do rẻ và không nhuy hiểm nhưng trong
trường hợp ghép nối với các thiết bị khác, ví dụ ghép nối với khối phổ phải
dùng khí mang là He.
– Detector cộng kết ngọn lửa thường dùng khí mang là N
2
.
Đặc điểm một vài loại khí mang phổ biến:
He, Ar: là khí trơ hóa học rất thích hợp cho sắc kí ở nhiệt độ cao. Trong đó He
là khí mang thông dụng nhất và thích hợp với hầu hết các detector dùng cho sắc ký
khí.
H
2
: Hiệu suất tách lớn và thời gian phân tích ngắn, khi tăng tốc độ dòng lớn
hơn nhiều tốc độ dòng tối ưu nhưng hiệu suất (chiều cao đĩa lý thuyết) giảm rất ít. Tuy
nhiên dùng khí mang H
2
khá nguy hiểm vì hydro có thể gây nổ khi tiếp xúc với oxy
không khí, không dùng được cho detector khối phổ và là tác nhân phản ứng với các
hợp chất không bão hòa trên bề mặt kim loại. Khí H
2
khi sử dụng làm khí mang cần
dùng khí nitơ làm khí bảo vệ thổi qua cột trước. Trong các phòng thí nghiệm người ta
đã dùng phổ biến máy sản xuất khí hydro với công suất từ 125 ml/ph đến 225 ml/ph.
Khi dùng H
2
trong phòng thí nghiệm phải có mày dò chỗ hở H
2

và cấm lửa.
N
2
: Hiệu suất tách tốt chỉ trong trường hợp nhiệt độ cột tách thấp và tốc độ
dòng thấp. Giới hạn phát hiện đối với detector ion hóa ngọn lửa hơi thấp hơn He
nhưng thời gian phân tích kéo dài hơn. Khí nitơ do không nguy hiểm, giá rẻ và dễ
dàng làm tinh khiết nên N
2
được dùng nhiều cho sắc kí khí. Cần chú ý là độ dẫn nhiệt
22

của N
2
rất gần với độ dẫn của nhiều khí và nhiều chất hữu cơ nên có trường hợp peak
sắc kí có thể bị ngược.
Độ tinh khiết là yếu tố rất quan trọng của khí mang đối với sắc ký khí, tạp chất
có trong khí mang như các hydrocarbon, oxy, nước không chỉ làm tăng tín hiệu
nhiễu đường nền mà còn ảnh hưởng đến detector và tương tác với pha tĩnh làm hỏng
cột, do đó khí mang cần phải qua các bộ lọc để loại bỏ oxy, nước và vết các chất hữu
cơ trước khi vào cột tách. Độ tinh khiết của khí mang tốt nhất phải lớn hơn 99,995%.
Thiết bị sử dụng để cung cấp khí mang có thể là bình chứa khí hoặc các thiết bị
sinh khí (thiết bị tách khí N
2
từ không khí, thiết bị cung cấp khí H
2
từ nước cất,…).
2.3 Hệ thống tiêm mẫu (Sample Injection system)
Có 2 cách đưa mẫu vào cột là tiêm mẫu thủ công và tiêm mẫu tự động
(Autosampler) có hoặc không có bộ phận hóa hơi – headspace.
Cách thông dụng nhất để đưa mẫu vào cột là sử dụng một bơm tiêm mẫu vi

lượng (microsyringe) để tiêm một mẫu lỏng hoặc khí qua một đệm cao su silicon
(septum) chịu nhiệt vào một buồng hóa hơi (injector). Buồng này được đốt nóng với
nhiệt độ thích hợp và được nối với cột tách. Đối với các cột tách thông thường, cỡ mẫu
thường thay đổi từ 1 vài đến 20μl. Cột mao quản đòi hỏi lượng mẫu đưa vào nhỏ hơn
nên trong trường hợp này hệ thống chia dòng mẫu được thiết kế trong bộ tiêm mẫu
được sử dụng để chỉ một phần nhỏ lượng mẫu được tiêm đi vào cột, phần còn lại được
thải ra ngoài.
Kỹ thuật sử dụng bơm tiêm:
– Hút dung dịch mẫu vào bơm tiêm và điều chỉnh dung dịch đến vạch rồi kéo
ngược pittông ra sau để lượng mẫu đó chuyển hết vào thân bơm tiêm (đầu kim
rỗng).
– Sau khi xuyên kim qua lớp đệm cao su silic của injector để yên khoảng 3 đến 5
giây để kim được cân bằng nhiệt độ trong injector rồi mới đẩy pittong.
– Cách này giúp tránh một số cấu tử khó bay hơi còn đọng lại ở đầu kim gây sai
số khi địnhlượng những cấu tử này.
Buồng tiêm gồm có 2 loại cơ bản là buồng tiêm cho cột nhồi và buồng tiêm cho
cột mao quản. Cấu tạo của chúng khác nhau chủ yếu về liner trong buồng tiêm. Với
mỗi loại cột và kỹ thuật tiêm có 1 loại liner riêng tùy thuộc vào cơ chế hoạt động của
buồng tiêm.
23

Cột mao quản Cột nhồi
Hình 9. Hệ thống tiêm mẫu cho cột nhồi và cột mao quản
2.3.1 Buồng tiêm dùng cho cột nhồi: là buồng tiêm trực tiếp, cấu tạo khá đơn
giản: mẫu được tiêm qua septum vào buồng tiêm, mà cụ thể hơn là liner. Ở đây mẫu
phân tích được làm nóng, hóa hơi và được “cuốn theo” dòng khí mang đi thẳng vào
cột.
2.3.2 Buồng tiêm dùng cho cột mao quản: chia làm 2 loại cơ bản dựa trên kỹ thuật

tiêm
– Buồng tiêm chia dòng (split) /không chia dòng(splitless)
– Buồng tiêm trên cột (on-column)
24

a/ Tiêm chia dòng (split) /không chia dòng(splitless) là kỹ thuật tiêm phổ biến nhất
và thích hợp nhất dùng cho cột mao quản nhằm làm giảm lượng mẫu đưa vào cột, đặc
biệt là với những cột có đường kính trong rất nhỏ.
Buồng tiêm ở chế độ chia dòng(split):
Thích hợp cho mẫu có các cấu tử phân tích có nồng độ lớn hơn 0.1% mẫu.
Với các phân tích có độ phân giải cao, các kết quả tốt nhất thu được khi cho
lượng nhỏ nhất của mẫu (≤ 1μl) tiêm vào có thể được dò tìm khoảng ≤ 1ng cho mỗi
cấu tử. Việc tiêm toàn bộ mẫu sẽ làm quá tải cột có đường kính 0.32 mm hoặc nhỏ
hơn. Trong khi đó tiêm mẫu có chia dòng chỉ đưa vào cột khoảng 0.2 đến 2% lượng
mẫu.
Mẫu được tiêm nhanh (< 1s) qua lớp đệm cao su silic (septum) vào vùng hóa
hơi của hệ thống tiêm mẫu (injector) được giữ ở nhiệt độ cao (ví dụ ở 350
o
C) để quá
trình bay hơi mẫu được diễn ra nhanh. Dòng khí mang lôi kéo mẫu qua buồng trộn, ở
đó có sự hóa hơi hoàn toàn và hòa trộn tốt.
Tại điểm chia dòng, một phần nhỏ của hơi đi vào trong cột sắc kí còn phần lớn
đi qua van chia dòng đến lỗ thông khí thải. Tỉ lệ của mẫu không được đưa vào cột
được gọi là tỉ số chia dòng (split ratio) có giá trị từ 50:1 đến 600:1. Sau khi mẫu bị sục
ra khỏi buồng tiêm mẫu (khoảng 30s), van chia dòng đóng lại và khí mang được giảm
tương ứng.
Một μl chất lỏng được tiêm vào sẽ tạo khoảng 0.5 ml thể tích khí và nhanh
chóng làm đầy buồng tiêm mẫu. Vài khí có thể thoát ra trở lại theo đường của đệm cao
su silicon.
Các cấu tử có nhiệt độ sôi thấp sẽ thoát ra đầu tiên rồi đến các cấu tử có nhiệt

độ sôi cao hơn. Nhiệt độ của buồng tiêm mẫu nên đủ lớn để giảm thiểu phần mất này
của mẫu. Tuy nhiên nếu nhiệt độ quá cao, sự phân hủy mẫu có thể xảy ra.
Trong suốt quá trình tiêm mẫu và sắc kí, có dòng khí 1ml/ph làm sạch lớp đệm
cao su silicon để tách hơi mẫu dư và các khí thoát ra từ lớp đệm cao su này (septum
purge).
Buồng tiêm ở chế độ tiêm không chia dòng (splitless):
Thích hợp cho phân tích lượng vết những cấu tử có nồng độ nhỏ hơn 0.01%
mẫu và cách tiêm này có khoảng 80 % mẫu được đưa vào cột.
Hệ thống tiêm mẫu tương tự như trường hợp tiêm mẫu chia dòng, nhưng ống
thủy tinh trong buồng tiêm mẫu là thẳng, trống và không có buồng trộn mẫu.
Một thể tích lớn (khoảng 2 μl) của dung dịch được pha loãng trong dung môi có
nhiệt độ sôi thấp được tiêm chậm (khoảng 2s) vào trong ống thủy tinh của buồng tiêm
mẫu với lỗ thoát chia dòng bị đóng.
25

Nhiệt độ của buồng tiêm mẫu cho chế độ không chia dòng giữ thấp hơn
(khoảng 220
o
C) so với chế độ chia dòng vì mẫu bị lưu giữ lâu hơn trong buồng tiêm
mẫu và tránh mẫu bị phân hủy nhiệt.

Hình 10. Hệ thống tiêm mẫu có chia dòng, không chia dòng và tiêm mẫu vào cột
b/ Tiêm trên cột (on-column):Có thể dùng cho cột đường kính trong tương đối lớn
0,32 mm (wide-bore). Mẫu phân tích được tiêm trực tiếp vào cột mà không có sự hóa
hơi ở buồng tiêm, do đó thành phần của mẫu vào cột ít thay đổi so với mẫu ban đầu và
độ lặp lại cao.
Tiêm trên cột hạn chế tối đa sự phân hủy và sự phân biệt các thành phần trong
mẫu, nên được áp dụng cho phân tích các hợp chất không bền nhiệt, dễ bị phân hủy ở
gần nhiệt độ sôi của nó và mẫu đa thành phần có khoảng nhiệt độ sôi lớn.
Tiêm trên cột có thể gây quá tải cột, làm giảm hoạt tính của pha tĩnh và gây nhiễm bẩn

cột do sự tích lũy của các hợp chất ít bay hơi, vì vậy không thích hợp với mẫu chứa
các hợp chất có nhiệt độ sôi cao.
Yêu cầu loại bơm tiêm chuyên dụng với đầu kim nhỏ để có thể đưa vào cột,
buồng tiêm mẫu cũng phải được thiết kế đặc biệt, phải dùng cột có đường kính trong
tương đối lớn. Dùng tiền cột không chỉ bảo vệ cột tách mà còn giúp cho việc tiêm mẫu
dễ dàng hơn, tránh cho mẫu bị ngưng tụ trong cột, do đó làm giảm độ rộng của peak
sắc ký.
Hiện nay, buồng tiêm PTV (Programmable temperature vaporizing) là buồng
tiêm lý tưởng với sự kết hợp của tất cả các loại buồng tiêm nói trên, bao gồm cả tiêm
chia dòng/không chia dòng và tiêm trên cột. Buồng tiêm có thể thay đổi nhiệt độ, thời
gian tiêm mẫu, lưu lượng khí chia dòng và khí làm sạch Tuy nhiên cấu tạo, chương
trình điều khiển khá phức tạp và phải tối ưu hóa nhiều thông số.
2.4 CỘT SẮC KÝ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHKHOA KỸ THUẬT HÓA HỌCTIỂU LUẬN MÔN HỌCCÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CÔNG CỤĐỀ TÀI : “ PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ VÀ ỨNG DỤNG ” HVTH : Nguyễn Thế QuânMSHV : 12144445GVHD : TS. Huỳnh Khánh DuyTPHCM, tháng 1 năm 2014M ỤC LỤC1. ĐẠI CƯƠNG VỀ SẮC KÝ KHÍ1. 1 Khái niệm và phân loại … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 41.2. Vài nét lịch sử dân tộc … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 41.3 Cơ sở triết lý chung của sắc ký khí … … … … … … … … … … … … … … … … … 41.3.1 Quá trình sắc kí … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 41.3.2 Các phương pháp thực thi tách sắc kí … … … … … … … … … … … … … 51.3.4 Sự doãng rộng của pic và hiệu lực hiện hành tách … … … … … … … … … … … … … 111.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng tác động đến hiệu lực hiện hành tách của cột … … … … … … … … … 131.3.6 Độ phân giải của cột … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …. 172. HỆ THỐNG SẮC KÝ KHÍ2. 1. Thiết bị … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 202.2 Hệ thống cấp khí mang … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …. 202.2.1 Hệ thống cấp khí mang … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 202.2.2 Khí mang … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 212.3 Hệ thống tiêm mẫu … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …. 222.3.1 Buồng tiêm dùng cho cột nhồi … … … … … … … … … … … … … … … … 232.3.2 Buồng tiêm dùng cho cột mao quản … … … … … … … … … … … … … 232.4. Cột sắc ký … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …. 252.4.1 Cột nhồi … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 262.4.2 Cột mao quản … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …. 292.4.3 Pha tĩnh … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 332.5 Lò cột … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 422.6. Đầu dò … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …. … … … …. 442.6.1 Dectector dẫn nhiệt ( thermal conductivity dectector ) … … … … … …. 452.6.2 Detector ion hóa ngọn lửa ( flame-ionization detector ) … … … … … 472.6.3 Detector cộng kết điện tử ( electron capture dtector ) … … … … … … 492.6.4 Detector phát xạ nguyên tử ( atomic-emission detector ) … … … … … 522.6.5 Detector quang kế ngọn lửa ( flame photometric GC detector ) … …. 532.6.6 Detector quang hóa ion ( photoionization detector ) … … … … … … 542.6.7 Chemiluminescence Spectroscopy … … … … … … … … … … … … … 552.6.8 Detector Nitơ-photpho NPD … … … … … … … … … … … … … … … … 562.6.9 Detector khối phổ … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …. 572.6.10 Các thông số kỹ thuật quan trọng của detector … … … … … … … … … … … … 592.7. Hệ thống ghi nhận và xử lý số liệu … … … … … … … … … … … … … … … … …. 613. TIẾN TRÌNH PHÂN TÍCH SẮC KÝ KHÍ3. 1 Xác định tiềm năng nghiên cứu và phân tích … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 613.2 Chuẩn bị mẫu … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 623.3 Chọn Detector … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 623.4 Chọn cột … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …. 633.5 Chọn phương pháp tiêm mẫu … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 643.6 Chương trình hóa nhiệt độ và áp suất … … … … … … … … … … … … … … … … 644. PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TÍNH VÀ ĐỊNH LƯỢNG BẰNG GC4. 1 Phân tích định tính … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 674.2 Phân tích định lượng … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …. 674.2.1 Một số nguyên do gây ra sai số … … … … … … … … … … … … … …. 684.2.2 Các phương pháp đo lường và thống kê định lượng … … … … … … … … … … … …. 685. ỨNG DỤNG CỦA GC5. 1 Ứng dụng của GC tại CASE … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 705.2 Hệ thống sắc ký khí ghép khối phổ đầu dò Ion Trap ( CASE ) … … … … … … … 715.2.1. Nguyên tắc hoạt động giải trí GCMS … … … … … … … … … … … … … … … 715.2.2. Cấu tạo đầu dò khối phổ đầu dò bẫy ion ( Ion trap ) … … … … … … 725.2.3. Ứng dụng mạng lưới hệ thống Thermo Polaris Q … … … … … … … … … … … … 735.3 GCMS với độ phân giải cao ( HRGC / HRMS ) – CASE … … … … … … … … … …. 745.4 Xác định hàm lượng Diethylene Glycol, Ethylene Glycol có trong kem đánh răngbằng phương pháp GC-MS … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 755.4.1 Mở Đầu … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 755.4.2 Nội dung thực thi … … … … … … … … … … … … … … … … … … …. 755.4.3 Kết Luận … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 80T ÀI LIỆU THAM KHẢO … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …. 811. ĐẠI CƯƠNG VỀ SẮC KÝ KHÍ1. 1 Khái niệm và phân loạiSắc kí ( IUPAC-1993 ) : là một phương pháp tách trong đó những cấu tử được táchđược phân bổ giữa hai pha, một trong hai pha là pha tĩnh đứng yên còn pha kia chuyểnđộng theo một hướng xác lập. Sắc ký khí ( GC – Gas Chromatography ) là một phương pháp sắc ký mà phađộng là chất khí hoặc ở dạng hơi và pha tĩnh chứa trong cột là một chất rắn hoặc chấtlỏng phủ trên mặt phẳng chất mang dạng rắn hay phủ đều lên thành phía trong của cột tạolớp màng phim mỏng dính. Cơ sở tách bằng sắc kí khí là sự phân bổ của mẫu giữa hai pha : pha tĩnh có bềmặt tiếp xúc lớn, pha động là khí thấm qua toàn mặt phẳng tĩnh đó. GC chia làm 2 loại : – Sắc kí khí-rắn ( GSC – Gas Solid Chromatography ) : pha tĩnh là chất rắn. Chấtrắn nhồi cột thường là silicagel, rây phân tử hoặc than hoạt tính. Cơ chế táchchủ yếu là hấp phụ. – Sắc kí khí-lỏng ( GLC – Gas Liquid Chromatography ) : pha tĩnh là lỏng. Chấtlỏng bảo phủ quanh mặt phẳng một chất rắn trơ, gọi là chất mang, tạo nên một lớpphim mỏng mảnh. Cơ chế tách là sự phân bổ của mẫu trong và ngoài lớp phim mỏng mảnh. Mỗi thành phần của hỗn hợp trong pha động khi đi qua pha tĩnh sẽ tương tácvới pha tĩnh bằng ái lực, ái lực của mỗi chất với pha tĩnh là khác nhau, chất có cái lựcyếu với pha tĩnh sẽ thoát ra khỏi cột trước và chất có ái lực mạnh với pha tĩnh sẽ rakhỏi cột sau. Đó là đặc trưng cơ bản của pha động và pha tĩnh, hơn thế nữa quy trình chiatách hoàn toàn có thể xảy ra bởi sự biến hóa nhiệt độ của pha tĩnh hoặc là áp suất của pha động. 1.2 Vài nét lịch sử1905 Ramsey tách hỗn hợp khí và hơi dựa trên cơ sở hấp phụ của than hoạt tính. 1906 Tswett tách những sắc tố thực vật trên cột và gọi quy trình tách là ‘ sắc kí ’. 1941 Martin và Synge ( phần thưởng Nobel ) trình diễn triết lý đĩa trong chưng cất vàchiết suất ngược dòng. Trên cơ sở đó James và Martin đề xuất kiến nghị ra sắc kí khí-lỏng ( 1952 ). Từ đó đến nay GC ngày càng hoàn thành xong. Đến năm 1968 đã có khoảng chừng 18000 khu công trình về GC. Những năm gần đây được sự tương hỗ của công nghệ tiên tiến điện tử và tinhọc, GC đạt được nhiều thành tựu hơn nữa. 1.3 Cơ sở triết lý chung của sắc ký khí1. 3.1 Quá trình sắc kíSắc kí là một kỹ thuật tách trong đó những cấu tử cần tách trong một hỗn hợp mẫuđược luân chuyển bởi pha động đi qua pha tĩnh. Mẫu đi vào tướng động được mangtheo dọc mạng lưới hệ thống sắc kí ( cột, bản phẳng ) có chứa pha tĩnh phân bổ đều khắp. Pha động hoàn toàn có thể là pha lỏng hoặc khí, pha tĩnh hoàn toàn có thể là một lớp phim được phủtrên mặt phẳng của chất mang trơ hoặc một mặt phẳng rắn. Sự tương tác xảy ra giữa những cấutử với pha tĩnh nhờ đó những cấu tử sẽ phân bổ giữa pha động và pha tĩnh. Sự ái lực khác nhau của những chất tan trên pha tĩnh làm chúng vận động và di chuyển vớinhững tốc độ khác nhau trong pha động của mạng lưới hệ thống sắc kí. Kết quả là chúng đượctách thành những dải trong pha động và vào lúc cuối của quy trình những cấu tử lần lượthiện ra theo trật tự tương tác với pha tĩnh. Cấu tử vận động và di chuyển chậm ( tương tác yếu ) ra trước, cấu tử bị lưu giữ mạnh hơn rasau dưới dạng những đỉnh ( pic ) tách riêng rẻ ( hoặc bậc thang ) tùy thuộc vào cách tiếnhành sắc kí và được hiển thị dưới dạng sắc kí đồ. Hình minh họa một quy trình tách một hỗn hợp đơn thuần gồm hai chất A và B ( lực tương tác với pha tĩnh của A < B ) theo thời hạn. Mẫu chứa A và B được tiêm vàocột. Khi cho một chất rửa giải mở màn chảy qua cột, phần của mẫu được hòa tan trongpha động được chuyển dời tại phần đầu của cột ( tại thời gian t ). Ở đây những cấu tử A vàB tự phân bổ giữa hai pha. Tiếp tục cho pha động đi qua cột thì nó sẽ đẩy phần hòa tan này chạy xuốngdưới và một sự phân bổ mới giữa pha động và pha tĩnh sẽ xảy ra ( thời gian t1 ). Đồngthời sự phân bổ giữa dung môi mới và pha tĩnh cũng diễn ra tại vị trí của mẫu lúc đầu. Việc thêm tiếp dung môi sẽ mang những phân tử hòa tan chạy xuống cột trong mộtloạt liên tục những chuyển biến giữa hai pha. Bởi vì sự vận động và di chuyển của chất tan chỉ xảy ratrong pha động, nên vận tốc trung bình của sự chuyển dời chất tan phụ thuộc vào vào phầnthời gian chất tan ấy nằm trong pha đó. Phần thời hạn này là nhỏ so với chất tan bịlưu giữ mạnh bởi pha tĩnh ( cấu tử B trong ví dụ trên ) và lớn so với chất tan ( cấu tử A ) có sự lưu giữ trong pha động mạnh hơn. Sau một thời hạn những phân tử chất A và Bdần dần được tách khỏi nhau. Nếu đặt một detector có năng lực phát hiện được những chất tan ( cấu tử A và B ) tại cuối cột tách và tín hiệu của nó được vẽ lại như một hàm của thời hạn ( hoặc thểtích được thêm vào ) thì một loạt pic đối xứng sẽ được ghi lại và được gọi là sắc kí đồ. Vị trí của những pic theo thời hạn được dùng để nhận diện định tính và diện tíchcủa peak được dùng được cho phép nghiên cứu và phân tích định lượng của cấu tử đang xét. Hình 1. Quá trình tách sắc kí trên cột của hai chất A và B1. 3.2 Các phương pháp thực thi tách sắc kíĐể thực thi tách sắc kí người ta hoàn toàn có thể sử dụng một trong ba phương pháp sau : 1.3.2. 1. Phương pháp rửa giảiKỹ thuật này được sử dụng thoáng rộng nhất trong những phương pháp sắc kí hiệnnay. Một lượng nhỏ hỗn hợp mẫu được trình làng vào cột với pha động có ái lực vớipha tĩnh bé hơn so với bất kể cấu tử cần tách có trong mẫu. Vì thế những cấu tử cần táchdi chuyển với vận tốc chậm hơn so với chất rửa giải. Tốc độ này được xác lập bởi áilực tương đối của mỗi cấu tử lên pha tĩnh so với pha động, đó chính là thông số phân bổ K = Csp / Cmp. Ở đây Csp, Cmp là nồng độ của cấu tử đang xét trên pha tĩnh và trong phađộng. Các cấu tử được rửa giải theo trật tự ái lực của chúng nhưng vận tốc di chuyểntương đối của chúng nhờ vào vào tương tác 3 thành phần giữa chúng với pha động, với pha tĩnh và giữa pha động với pha tĩnh. Bởi vì những cấu tử được tách khỏi nhau vớimột vùng pha động ở giữa chúng nên phương pháp này được sử dụng trong những phéptách với mục tiêu nghiên cứu và phân tích. Pha động hoàn toàn có thể không đổi khác thành phần dung môi trong suốt quy trình rửagiải ; hoàn toàn có thể đổi khác dung môi rửa giải sau một thời hạn định trước ( rửa giải theo từnggiai đoạn ) ; cũng hoàn toàn có thể không biến hóa những dung môi tạo nên pha động nhưng thay đổinồng độ của những thành phần có trong pha động sau một thời hạn định trước ( rửa giảigradient ). 1.3.2. 2. Phương pháp tiền lưuHỗn hợp cần tách gồm những chất A, B và C được cho chảy liên tục vào phần trêncủa cột, trong đó A là cấu tử có ái lực yếu nhất với pha tĩnh. Do những cấu tử A, B và Cbị lưu giữ trên cột, nên trước hết từ cột chảy ra chỉ có dung môi. A do có lực tương táctrên cột yếu nhất sẽ chuyển dời xuống dưới còn những cấu tử có ái lực mạnh hơn A bị phatĩnh giữ ở phần trên của cột. Do dung dượng hạn chế của pha tĩnh nên khi vượt dung tích này thì cấu tử Asẽ vận động và di chuyển dọc theo cột và ra khỏi cột ở dạng nguyên chất sau đó là hỗn hợp của cácthành phần tiếp theo A + B rồi A + B + C.Phương pháp tiền lưu ít được dùng do không triển khai được việc tách hoàntoàn những cấu tử, đặc biệt quan trọng khi sử dụng sự tách sắc kí vào mục tiêu nghiên cứu và phân tích. 1.3.2. 3. Phương pháp thế đẩyMẫu được cho vào cột, dùng dung môi rửa giải có ái lực với pha tĩnh mạnh hơnbất kì một cấu tử nào của hỗn hợp tách để đẩy những cấu tử cần tách thoát ra khỏi cột. Cấu tử thoát ra khỏi cột tiên phong là cấu tử tương tác yếu nhất với pha tĩnh, sau đó đếncác cấu tử khác có ái lực với pha tĩnh tăng dần. Phương pháp này tạo nên những dải rửa giải không trọn vẹn được tách khỏinhau : có dải thu được chất nguyên chất nhưng có dải giữa những dải nguyên chất thì gồmhỗn hợp của chúng. Trong thực hành thực tế phòng thí nghiệm để tách những hỗn hợp phức tạpngười ta thường hay dùng hơn cả là phương pháp rửa giải. Hình 2. Các phương pháp rửa giải, tiền lưu, thế đẩy1. 3.3 Đặc tính sắc kí của chất tan1. 3.3.1. Tính chất lưu giữTính chất lưu giữ phản ánh sự phân bổ của chất tan giữa pha tĩnh và pha động và đượcbiểu thị bằng những đại lượng thể tích lưu hay thời hạn lưu. - Thể tích lưu Vlà thể tích pha động thiết yếu để luân chuyển chất tan i từ thờiđiểm đưa mẫu vào, đi qua cột và đến detectơ ( trên sắc kí đồ là điểm cực lớn củapeak ). - Thời gian lưu tlà thời hạn từ lúc chất tan i được nạp vào cột tách ở bộ phậntiêm mẫu cho đến lúc chất ra khỏi cột ở thời gian có nồng độ cực lớn. Thể tích lưu hoàn toàn có thể nhận được trực tiếp từ thời hạn lưu tR trên sắc kí đồ bằng cáchnhân với vận tốc thể tích dòng Fc ( thể tích của pha động trên một đơn vị chức năng thời hạn ) : Tốc độ dòng được tính theo những thông số kỹ thuật của cột như sau : - dlà đường kính của cột, - L là chiều dài cột, - εt là độ rỗng toàn phần của chất nhồi cột ( độ rỗng của chất nhồi cột bộc lộ tỉsố thể tích kẽ hở của chất nhồi và thể tích khối toàn phần của nó : so với chấtnhồi rắn = 0.35 - 0.45, chất nhồi xốp = 0.70 - 0.90, cột mao quản = 1.0 ), - Vlà thể tích bên trong cột. Tốc độ tuyến tính trung bình u của sự di dời chất tan là : Tốc độ tuyến tính trung bình u của pha động là : Ở đây thay tlà thời hạn không bị lưu giữ của chất tan ( thời hạn chất tan lưutrong pha động ). Trong sắc kí khí, tđược lấy bằng thời hạn thiết yếu cho CHdichuyển đi qua cột. Tương ứng thay to có thể tích V ( hoặc V ) bộc lộ thể tích trốngcủa cột ( gồm có cả thể tích của bộ phận tiêm mẫu ( injector ), thể tích những đoạn ốngnối, thể tích rỗng của chính cột và thể tích detector ). Thể tích lưu hiệu chỉnh V’hoặc thời hạn lưu hiệu chỉnh t’được cho bởi : V ’ = V – Vhoặc t’R = t – t ( thời hạn không bị lưu giữ của chất tan gần đúng được xem như thể thời hạn lưu củapha động ). Hình 3. Sắc kí đồ minh họa những thời hạn lưu t ( hoặc thể tích lưu ) và độ rộng của đáypeak W của chất tan không bị lưu giữ M và của 2 chất bị lưu giữ 1 và 21.3.3. 2. Hệ số phân bổ K ( Partition coefficient ) Mỗi cấu tử hoặc chất tan được phân bổ giữa 2 pha với một cân bằng được thiếtlập và tổng thể những quy trình tách sắc kí được dựa trên sự khác nhau về năng lực phân bốcủa chất tan giữa pha động và pha tĩnh. Khi chất tan đi vào mạng lưới hệ thống sắc kí, nó ngay lập tức phân bổ giữa những pha độngvà pha tĩnh. Giả thiết nếu pha động dừng lại vào bất kể một thời hạn nào, chất tan cómột sự phân bổ cân đối giữa hai pha, và nồng độ của chất tan ở trong mỗi pha đượccho bởi thông số phân bổ nhiệt động : Ở đây Cvà Clà nồng độ chất tan trong pha tĩnh và pha động tương ứng. Trường hợp khi K = 1 thì chất tan được phân bổ bằng nhau giữa hai pha. Hệ số phân bổ xác lập vận tốc trung bình của mỗi vùng chất tan ( đúng mực làtâm vùng ) do pha động luân chuyển khi nó đi qua cột. Đối với peak đối xứng, khi cựcđại pic Open ở lối ra của cột, một nửa lượng chất tan đã được rửa khỏi cột trongthể tích lưu Vvà 50% còn lại được phân bổ giữa thể tích pha động Vvà thể tíchpha tĩnh V = V + Vhay V = V + KVhay V – V = KVPhương trình này đúng với cột phân bổ lỏng, còn so với cột hấp phụ, Vphải thaybằng Slà diện tích quy hoạnh mặt phẳng của chất hấp thụ. 1.3.3. 3. Hệ số dung tích k ’ ( The capacity factor ) Hệ số dung tích k ’ là thông số kỹ thuật thực nghiệm quan trọng trong sắc kí cột đượcsử dụng rộng rải để miêu tả những vận tốc di dời của những chất tan trên cột. Cho mộtchất tan, thông số dung tích k ’ được định nghĩa như thể tỉ số mol chất tan trong pha tĩnhvà số mol chất tan trong pha động : 10T ỉ số V / Vđược gọi là tỉ số thể tích phaHệ số dung tích còn được định nghĩa là tỉ số giữa thời hạn của chất tan lưulại trên pha tĩnh và thời hạn cần để chất tan đó chuyển dời trong pha động suốt chiềudài của cột nếu không bị lưu giữ tKhi k ’ cho một chất tan nhỏ hơn 1 nhiều, sự rửa giải xảy ra rất nhanh nên việcxác định thời hạn lưu là rất khó. Còn khi k ’ khoảng chừng 20 đến 30 thì thời hạn rửa giải sẽbị lê dài. Vì vậy những phép tách nên được triển khai ở những điều kiện kèm theo mà những k ’ củacác chất tan nằm trong khoảng chừng giá trị từ 1 đến 5. Giá trị k ’ trong sắc kí khí hoàn toàn có thể được biến hóa bởi việc đổi khác nhiệt độ vàcách nhồi cột. Còn trong sắc kí lỏng, k ’ thường được điều khiển và tinh chỉnh để cho phép tách tốthơn bởi biến hóa thành phần pha động và pha tĩnh. 1.3.3. 4. Hệ số tinh lọc ( The selectivity factor ) Khả năng của một pha tĩnh tách 2 cấu tử A và B ( B là cấu tử bị lưu giữ mạnhhơn ) được xác lập bởi tỉ số phân bổ tương đối của chúng và cũng là những thông số lưugiữ của chúng so với một pha tĩnh đã cho. Hệ số tinh lọc α là một hàm của sự lưu giữ tương đối của mỗi cấu tử trên phatĩnhHệ số tinh lọc của một cặp dải ( pic ) gần nhau là một hàm nhờ vào vào loạipha tĩnh được sử dụng, pha động và nhiệt độ của cột. Để cho một sự tách được tốt thì αnên có gía trị lớn hơn 1. Hai chất cần tách càng tách ra xa khỏi nhau khi α càng lớnnhưng nếu quá lớn thì thời hạn nghiên cứu và phân tích càng lê dài, α nên trong khoảng chừng từ 1,05 đến2, 0.1.3. 3.5. Những yếu tố tác động ảnh hưởng đến sự lưu giữTốc độ vận động và di chuyển của một dải chất tan qua một cột hay một đĩa sắc kí lớp mỏngphụ thuộc vào sự phân bổ của những phân tử chất tan giữa pha tĩnh và pha động. Nhữngnhân tố tác động ảnh hưởng đến sự phân bổ hay sự lưu giữ là : - Thành phần và đặc thù của pha động - Kiểu và đặc thù của pha tĩnh - Các lực tương tác những phân tử giữa những cấu tử của pha động và pha tĩnh - Nhiệt độHai yếu tố góp thêm phần để tách tốt những hợp chất bởi sắc kí là : 11S ự khác nhau về thời hạn phân bổ của chúng trong 2 pha : nếu sự khác nhaucàng lớn thì sự tách chúng càng tốt. Độ doãng rộng của những pic nếu càng rộng thì sựtách chúng càng kém. 1.3.4 Sự doãng rộng của pic và hiệu lực hiện hành tách1. 3.4.1. Mở đầuHiệu lực của một cột tách chịu ảnh hưởng tác động bởi độ lớn của sự doãng rộng pic xảy rakhi một chất hoạt động dọc theo cột. Chất tan khi chạy dọc theo cột có khuynhhướng phân bổ như một hình phân bổ chuẩn Gaussian với độ lệch chuẩn σ. Nếu chất tan tiêu tốn nhiều thời hạn khi di dời dọc xuống cột thì pic càngbị doãng rộng. Độ doãng rộng của một pic thường được trình diễn trải qua những giátrị : - W1 / 2 là độ rộng của của pic được đo ở ½ chiều cao của peak, - W là độ rộng của đáy pic được xác lập tại hai điểm cắt của hai đường tiếptuyến của hai bên thân pic với đường nền. Hình 4. Sơ đồ của một dải chất tan và sự nhìn nhận của dải sắc kí đồ cho hiệu lực thực thi hiện hành cột. 1.3.4. 2. Sự khuếch tánNguyên nhân chính dẫn đến sự doãng rộng của peak là sự khuếch tán. Hệ sốkhuếch tán D đo vận tốc J tại đó một chất vận động và di chuyển một cách ngẫu nhiên từ một vùngcó nồng độ cao đến vùng có nồng độ thấp. D là thông số khuếch tánc là nồng độx là độ dài di chuyển12Sự khuếch tán trong chất lỏng thấp hơn trong chất khí khoảng chừng 104 lần, còn cácphân tử lớn thì khuếch tán chậm hơn những phân tử nhỏ từ 10 đến 100 lần. Độ rộng của dải sắc kí do khuếch tán được màn biểu diễn qua phương trình sau : c là nồng độ ( mol / cm3 ), t là thời hạn, x là khoảng cách chuyển dời được dọc theo cột, D là thông số khuếch tán, m là số mol chất tan di dời qua một đơn vị chức năng diện tích quy hoạnh tiết diện ngang của cột. Phương trình trên cho biết độ lệch chuẩn của dải sắc kí : 1.3.4. 3 Chiều cao đĩa kim chỉ nan HChiều cao đĩa triết lý H là một hằng số giữa phương sai σ2 của dải chất tan vàkhoảng cách x mà nó vận động và di chuyển. Tên gọi này là từ kim chỉ nan chưng cất trong đó sự táchđược triển khai trong những tiến trình rời rạc được gọi là đĩa tách. H = σ2 / L L là chiều dài của cột nhồiCó thể giả định cột sắc kí được chia thành N phần mỏng dính hay N lớp hay N đĩatách. Ở mỗi đĩa sự phân bổ chất tan vào hai pha lại đạt đến một trạng thái cân bằngmới ( sắc kí là một quy trình động, thực ra pha động chảy liên tục và thời hạn khôngđủ để thiết lập trạng thái cân đối ). Chiều cao của đĩa tách cũng được gọi là chiều cao đĩa triết lý. Mặc dù trongcột sắc kí không có những đĩa thực nhưng người ta vẫn sử dụng khái niệm này để chỉ mốiquan hệ giữa độ rộng của dải sắc kí và khoảng cách di dời dọc theo cột sắc kí. Nếu chiều cao đĩa kim chỉ nan càng nhỏ ( tức số đĩa kim chỉ nan càng nhiều ) thì độrộng hay sự doãng rộng của pic càng nhỏ. Khả năng tách những cấu tử của một hỗn hợpcủa một cột được cải tổ nếu giảm chiều cao một đĩa triết lý. Các chất tan khi dịchchuyển qua cùng một cột tách có chiều cao đĩa triết lý khác nhau chính do chúng có hệsố khuếch tán khác nhau. Chiều cao một đĩa kim chỉ nan khoảng chừng từ 0.1 đến 1 mm trong sắc kí khí và khoảng10 μm trong săc kí lỏng hiệu năng cao và nhỏ hơn 1 μm trong sắc kí điện di mao quản. 1.3.4. 3 Số đĩa kim chỉ nan NL là chiều dài cột, vớilà thời hạn lưu của pic, 13W là độ rộng của peak ở đáy, W1 / 2 là chiều rộng của pic đo ở nửa chiều cao từ đỉnh đến đáy pic. Công thức này được sử dụng để xác lập thực nghiệm số đĩa lí thuyết của một cộttách. Hiệu lực của cột tách sẽ tăng lên khi số đĩa lí thuyết càng lớn và khi chiều cao đĩacàng nhỏ. 1.3.5 Các yếu tố tác động ảnh hưởng đến hiệu lực thực thi hiện hành tách của cột1. 3.5.1 Ảnh hưởng của vận tốc của pha độngMức độ tác động ảnh hưởng động học lên hiệu lực thực thi hiện hành của một cột rõ ràng phụ thuộc vào vào độdài thời hạn của pha động tiếp xúc với pha tĩnh tức phụ thuộc vào vào vận tốc pha động. Nghiên cứu về hiệu lực thực thi hiện hành cột nói chung được triển khai bởi việc xác lập chiều cao Hnhư là một hàm nhờ vào vào vận tốc pha động. Kết quả cho thấy cả sắc kí khí lẫn sắc kí lỏng đều có chiều cao đĩa lí thuyết đạtcực tiểu ở trong vùng vận tốc dòng thấp của pha động và nói chung vận tốc đó của sắc kílỏng thấp hơn so với sắc kí khí. 1.3.5. 2 Lí thuyết về sự doãng rộng peakHơn 40 năm qua, rất nhiều khu công trình điều tra và nghiên cứu về thực nghiệm lẫn lý thuyếtvề mối quan hệ định lượng để lý giải tác động ảnh hưởng của những thông số kỹ thuật như : vận tốctuyến tính của pha động, thông số khuếch tán trong pha động và trong pha tĩnh, tỉ số phânbố, đường kính của hạt nhồi, bề dày của lớp chất lỏng phủ trên hạt … đến chiều cao đĩalý thuyết cho những loại cột khác nhau. Những yếu tố tác động ảnh hưởng này được phản ánh qua phương trình của VanDeemter như sau : H A B / u Cu CH là chiều cao đĩa triết lý ( cm ) ; u là tốc độ tuyến tính của pha động ( cm / s ) ; A là thông số miêu tả ảnh hưởng tác động đến H của sự khuếch tán xoáy ; B là thông số khuếch tán dài ; Cs và Clà những thông số chuyển khối của pha tĩnh và pha động. 14H ình 5. Đường cong H-u ( Van Deemter ) cho một cột sắc kí khí1. 3.5.3 Sự khuếch tán xoáyThành phần A miêu tả sự khuếch tán xoáy của những cấu tử và những đường đi khácnhau của pha động chạy xuyên qua pha tĩnh được nhồi trong cột. Vì thế những cấu tửphải chuyển dời với những khoảng cách đường đi khác nhau qua một đơn vị chức năng chiều dàicủa cột. Số hạng A độc lập với vận tốc của pha động nhưng nhờ vào vào : Đường kính hạt nhồi trong pha tĩnh dp, Cách chúng được nhồi trong cột hoặc được phủ trên bản mỏng mảnh được biểu diễnqua λ là hàm số nhờ vào vào độ đồng thể của chất nhồi, dạng hình học và kích thướccủa cột : A = λ. dpMột số phân tử chất tan có đường đi gần với thành cột sẽ chuyển dời nhanh hơnso với những phân tử khác do ở đó tỷ lệ nhồi tương đối thấp, vận tốc nhanh hơn. Cácphân tử đi theo đường ngắn hơn được rửa giải ra trước những phân tử đi theo nhữngđường quanh co dài hơn dẫn đến doãng rộng pic của mỗi chất tan. Một sự tách và độ rộng của pic tối thiểu sẽ đạt được nếu dùng những hạt nhồi cóđường kính trung bình đủ nhỏ và được nhồi đồng thể vào trong cột. Tuy nhiên, hạtcàng nhỏ thì áp suất cần để pha động di dời qua cột càng cao, đặc biệt quan trọng sẽ gặpkhó khăn để nhồi cột đồng thể. Trong sắc kí khí cột nhồi người ta nhồi cột với những hạtcó size tối ưu khoảng chừng 0.15 μm. Trong sắc kí khí – lỏng khi sử dụng màng mỏngtrên thành cột mao quản thì số hạng A = 0.15 Hình 6. Ảnh hưởng của khuếch tán xoáy ( a ), khuếch tán dọc ( b ) sự truyền khối ( c ) đếnphương trình Van Deemter. 1.3.5. 4 Sự khuếch tán dọcKhuếch tán là quy trình chất chuyển dời từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồngđộ thấp hơn với vận tốc tỉ lệ với sự chênh lệch nồng độ và thông số khuếch tán của chấtđang xét. Trong sắc kí, khuếch tán dọc được dùng để miêu tả sự khuếch tán diễn ra dọctheo trục của cột và song song với đường đi của pha động. Nó dẫn đến sự dịch chuyểncủa chất tan từ TT nồng độ của một dải chất tan đến những vùng loãng hơn vềhướng phía trước hoặc sau của dòng chảy. Khuếch tán dọc là một nguồn của sự doãng rộng của pic trong sắc kí khí do tốcđộ khuếch tán cao trong pha khí. Hiện tượng này ít hơn trong sắc kí lỏng. Độ lớn củaB trong phương trình Van Deemter được xác lập phần nhiều bởi thông số khuếch tán DMcủa chất nghiên cứu và phân tích trong pha động và tỉ lệ thuận với hằng số này : B = 2 γ. Dγ là thông số trở kháng của chất nhồi cột đến khuếch tán dọc, là thông số khuếch tán của chất tan trong pha động. Trong những cột mao quản thì γ có giá trị bằng 1 còn trong cột nhồi thì khoảng0. 7. B tác động ảnh hưởng lớn trong phương trình V-D khi vận tốc pha động thấp nên trong sắckí lỏng ảnh hưởng tác động này ít hơn nhiều do tại pha động có vận tốc thấp hơn nhiều so vớicủa sắc kí khí. 161.3.5.5 Sự truyền khối trong pha tĩnhKhi pha tĩnh là chất lỏng : thông số truyền khối Cs tỉ lệ thuận với bình phươngchiều dày của lớp phim trên mặt phẳng chất mang và tỉ lệ nghịch với thông số khuếch tán Dscủa chất tan trong lớp phim. Với lớp phim dày những phân tử chất tan phải vận động và di chuyển trung bình xa hơn để tiếnđến mặt phẳng, và với thông số khuếch tán nhỏ hơn, chúng sẽ vận động và di chuyển đến chậm hơn. Hậuquả là vận tốc truyền khối chậm hơn và chiều cao đĩa kim chỉ nan tăng lên. Khi pha tĩnh là một mặt phẳng rắn : thông số truyền khối pha tĩnh Cs tỉ lệ thuận vớithời gian được yên cầu cho những cấu tử bị hấp phụ hoặc giải hấp, hay tỉ lệ nghịchhằng số vận tốc bậc nhất của những quy trình này. Sự hoạt động của phân tử trong pha tĩnh tiêu tốn một thời hạn dài hơn, trongkhi những phân tử khác hoạt động về phía trước cùng với pha động, sẽ dẫn đếnpeak sẽ doãng rộng. Pha động đi qua cột càng nhanh và vận tốc truyền khối trong phatĩnh càng nhỏ thì peak càng doãng rộng hơn. Khắc phục : những chất lỏng ít nhớt hơn hoàn toàn có thể được chọn làm pha tĩnh để tănghệ số khuếch tán. Có thể giảm chiều dày của pha tĩnh nhưng dung tích của cột sẽ bịgiảm xuống. 1.3.5. 6 Sự truyền khối trong pha độngCác quy trình truyền khối trong pha động rất phức tạp. Sự hiểu biết tốt về mặtđịnh tính của những yếu tố từ nguyên do này ảnh hưởng tác động đến sự doãng rộng của picdẫn đến sự cải tổ lớn lao trong tổng thể những loại cột sắc kí. Hệ số truyền khối trong pha động C - tỉ lệ nghịch với thông số khuếch tán của chất tan trong pha động D - tỉ lệ thuận với bình phương đường kính của hạt nhồi, - tỉ lệ thuận với bình phương của đường kính cột và vận tốc chảy của pha động. Sự doãng rộng của dải trong pha động là do một phần vào số đông những đường đinhờ đó một phân tử hoặc ion hoàn toàn có thể tìm được cách của nó để đi qua cột nhồi. Trên bềmặt của pha tĩnh hoàn toàn có thể chứa những lỗ khích thước khác nhau nên một số ít những phân tử chấttan hoàn toàn có thể hoạt động vào ra những lỗ này dẫn đến sẽ bị chậm so với những phân tửkhác. Các dòng chất lỏng của pha động ở gần những hạt hoạt động chậm hơn dòngchất lỏng ở giữa khoảng cách những hạt. Như vậy thời hạn lưu trong cột cho những phân tử của cùng một chất cũng khácnhau. Các phân tử này đi đến cột qua những khoảng chừng thời hạn khác nhau dẫn đến sựdoãng rộng pic. Ảnh hưởng này nhiều lúc được gọi là khuếch tán xoáy, độc lập vớitốc độ của dung môi. 1.3.5. 7 Các phương pháp giảm sự doãng rộng peak17Hai yếu tố quan trọng tác động ảnh hưởng đến hiệu suất cao của cột là đường kính của cáchạt nhồi và đường kính của cột : - Nếu sử dụng những hạt nhồi có đường kính càng nhỏ thì càng giảm chiều cao đĩalý thuyết. - Trong khi đó tận dụng ảnh hưởng tác động của đường kính cột, những cột ngày càng hẹphơn được sử dụng trong những năm gần đây. Với pha động khí, vận tốc của khuếch tán dọc hoàn toàn có thể được giảm một cách đángkể bởi hạ thấp nhiệt độ và như vậy làm giảm thông số khuếch tán DM. Điều này dẫn đếnchiều cao đĩa triết lý sẽ nhỏ hơn tại nhiệt độ thấp. Ảnh hưởng này không đáng kểtrong trường hợp sắc kí lỏng do tại sự khuếch tán là đủ chậm nên sự khuếch tán dọc cóảnh hưởng rất nhỏ đến chiều cao đĩa kim chỉ nan. Đối với pha tĩnh lỏng, chiều dày của lớp chất lỏng hấp thụ nên càng mỏng mảnh càngtốt chính do Ctrong phương trình Van-Deemter tỉ lệ thuận với bình phương của đạilượng này. 1.3.6 Độ phân giải của cột ( Column resolution ) 1.3.6. 1 Định nghĩaTrong sắc kí, độ phân giải Rs của hai pic được xác lập như sau : Δtvà ΔVlà hiệu của thời hạn hoặc thể t. 18H ình 7. Sự phân giải peakĐộ phân giải của một cột tách cho biết năng lực tách hai chất nghiên cứu và phân tích bởi cột. Nếu cột tách có độ phân giải khoảng chừng 1.5 thì phép tách A và B gần như trọn vẹn ( sựxen phủ chỉ còn khoảng chừng 0.3 % ), trong khi nếu độ phân giải 0.75 thì không tách đượccòn độ phân giải bằng 1 thì sự xen phủ của hai pic còn khoảng chừng 4 %. Độ phân giải cho một pha tĩnh đã chọn hoàn toàn có thể được cải tổ bởi tăng chiều dàicủa cột tách ( tức tăng số đĩa l í thuyết N của cột tách ) nhưng như vậy sẽ làm kéo dàithời gian nghiên cứu và phân tích. 1.3.6. 2. Các yếu tố tác động ảnh hưởng đến độ phân giảiMối quan hệ giữa số đĩa triết lý và độ phân giải là : 19 Độ phân giảiN là số đĩa triết lý, k ’ 2 là thông số dung tích của cấu tử thứ haiNếu số đĩa triết lý của 2 peak không giống nhau thì thay thế sửa chữa N bằng 1 2 N N và thayk ’ 2 bằng k’av. Cải thiện Rs nhờ chiều cao đĩa lý thuyếtMột cụ thể quan trọng trong phương trình trên là độ phân giải tỉ lệ thuận với N. Vì vậy nếu tăng gấp đôi chiều dài cột thì tăng độ phân giải lên 2 lần. Tuy nhiên khităng số đĩa triết lý lên do tăng chiều dài cột thì quy trình sắc kí phải tiêu tốn nhiềuthời gian hơn trừ khi sự tăng số đĩa là do giảm độ cao mỗi đĩa và không tăng chiềudài của cột, nhiệt độ của cột ( cho trường hợp sắc kí khí ) và chiều dày của lớp phim ( cho sắc kí lỏng ). Việc tối ưu hóa vận tốc pha động cũng có ích. Cải thiện Rs nhờ thông số tinh lọc αKhi tăng α hay khi tăng tỉ số phân bổ thì độ phân giải cũng tăng theo. Cách đểthay đổi α là biến hóa pha tĩnh hoặc đổi khác cả pha tĩnh lẫn pha động trong sắc kí lỏngbởi vì đổi khác thực chất của những pha sẽ dẫn đến biến hóa α. Khi tỉ số phân bổ = 2 thì bảo vệ cho sự phân giải tốt. Tuy nhiên sự tối ưu nàylà cho một cặp cấu tử. Trong trường hợp hỗn hợp chứa nhiều cấu tử thì cần phải thayđổi k ’ để có sự phân tách giữa những cấu tử. Trong sắc kí khí, giá trị tối ưu hóa của k ’ hoàn toàn có thể đạt được bằng chương trình hóanhiệt độ còn trong sắc kí lỏng thì bằng chương trình hóa thành phần pha động tức thayđổi tỉ lệ giữa những dung môi của pha động. Cải thiện Rs nhờ thông số dung lượngThường sự tách hoàn toàn có thể được cải tổ một cách đáng kể bằng việc đổi khác hệ sốdung lượng k ’. Nói chung, sự tăng giá trị k ’ làm tăng độ phân giải. Để xác địnhkhoảng tối ưu của giá trị k ’, phương trình được viết dưới dạng : Ở đây Q. chứa phần còn lại của phương trình. Thường giá trị của k ’ > 10 nên tránh vì dù tăng lên chút ít độ phân giải nhưngthời gian yên cầu cho sự tách tăng lên rất đáng kể. Giá trị tối ưu của k ’ trong khoảng chừng từ1 đến 5. Cách dễ nhất để cải tổ độ phân giải là tối ưu hóa k ’ : – Đối với pha động là khí, k ’ thường hoàn toàn có thể được cải tổ bởi sự biến hóa nhiệtđộ. 20 – Các phương pháp để giảm độ cao của đĩa kim chỉ nan được đề cập bên dưới, gồm có giảm size hạt nhồi, đường kính của cột2. HỆ THỐNG SẮC KÝ KHÍ2. 1 Thiết bị  Hiện nay, hơn 30 đơn vị sản xuất cung ứng ra thị trường khoảng chừng 150 mẫukhác nhau của thiết bị sắc kí khí.  Trong thập niên 70, những bộ tích phân kế điện tử và xử lý số liệu dựa trên máytính trở nên thông dụng.  Thập niên 80 đã Open những thiết bị sắc kí khí với những thông số kỹ thuật như nhiệt độcủa cột, vận tốc dòng, tiêm mẫu, được điều khiển và tinh chỉnh bằng máy tính với Ngân sách chi tiêu vừaphải ; và có lẽ rằng quan trọng nhất là sự tăng trưởng của những cột có khả năngtách những mẫu phức tạp có chứa nhiều cấu tử trong một khoảng chừng thời gianngắn. Hình 8. Sơ đồ khối của một máy sắc ký khí2. 2 Hệ thống cấp khí mang2. 2.1 Hệ thống cấp khí mangHệ thống phân phối khí mang gồm có những bộ kiểm soát và điều chỉnh áp suất ( pressureregulators ), những thiết bị đo áp suất ( gauges ), và thiết bị đo vận tốc dòng ( flowmeter ). Hệthống khí mang còn chứa một mạng lưới hệ thống lọc phân tử để tách nước và những chất nhiễmbẩn khác. Tốc độ dòng được trấn áp bởi những bộ kiểm soát và điều chỉnh áp suất hai giai đoạnđược lắp vào những bình chứa khí mang. Áp suất của khí vào thiết bị nằm trong khoảng chừng từ 10 đến 50 psi để có tốc độdòng từ khoảng chừng 30 đến 150 ml / ph so với cột nhồi và khoảng chừng từ 1 đến 25 ml / ph đốivới cột mao quản. Nói chung, nếu áp suất đi vào thiết bị không đổi thì vận tốc dòng sẽ21không đổi. Để đo vận tốc dòng khí người ta dùng thiết bị đo vận tốc dòng ( flowmeter ) với bọt xà phòng và đồng hồ đeo tay bấm giây. 2.2.2 Khí mangKhí mang lý tưởng dùng cho sắc ký phải là khí trơ ( He, Ar, N, COvà H ), cóđộ tinh khiết cao. Độ giảm áp suất tỉ lệ với độ nhớt khí mang nên cần chọn khí mang có độ nhớtthấp cho cột mao quản và cột nhồi chặt. Bảng 1. Độ dẫn điện và độ nhớt của một số ít khí mangKhí mang thường dùng là tùy thuộc vào detector sử dụng. Khi lựa chọn cần chúđến detector đang sử dụng như sau : – Detector đo độ dẫn : khí mang có độ dẫn cao như H, He. Khí He có ưu điểmkhông nguy khốn. – Detector ion hóa ngọn lửa : khí mang Ndo rẻ và không nhuy hiểm nhưng trongtrường hợp ghép nối với những thiết bị khác, ví dụ ghép nối với khối phổ phảidùng khí mang là He. – Detector cộng kết ngọn lửa thường dùng khí mang là NĐặc điểm một vài loại khí mang thông dụng : He, Ar : là khí trơ hóa học rất thích hợp cho sắc kí ở nhiệt độ cao. Trong đó Helà khí mang thông dụng nhất và thích hợp với hầu hết những detector dùng cho sắc kýkhí. : Hiệu suất tách lớn và thời hạn nghiên cứu và phân tích ngắn, khi tăng vận tốc dòng lớnhơn nhiều vận tốc dòng tối ưu nhưng hiệu suất ( chiều cao đĩa triết lý ) giảm rất ít. Tuynhiên dùng khí mang Hkhá nguy hại vì hydro hoàn toàn có thể gây nổ khi tiếp xúc với oxykhông khí, không dùng được cho detector khối phổ và là tác nhân phản ứng với cáchợp chất không bão hòa trên mặt phẳng sắt kẽm kim loại. Khí Hkhi sử dụng làm khí mang cầndùng khí nitơ làm khí bảo vệ thổi qua cột trước. Trong những phòng thí nghiệm người tađã dùng thông dụng máy sản xuất khí hydro với hiệu suất từ 125 ml / ph đến 225 ml / ph. Khi dùng Htrong phòng thí nghiệm phải có mày dò chỗ hở Hvà cấm lửa. : Hiệu suất tách tốt chỉ trong trường hợp nhiệt độ cột tách thấp và tốc độdòng thấp. Giới hạn phát hiện so với detector ion hóa ngọn lửa hơi thấp hơn Henhưng thời hạn nghiên cứu và phân tích lê dài hơn. Khí nitơ do không nguy khốn, giá rẻ và dễdàng làm tinh khiết nên Nđược dùng nhiều cho sắc kí khí. Cần quan tâm là độ dẫn nhiệt22của Nrất gần với độ dẫn của nhiều khí và nhiều chất hữu cơ nên có trường hợp peaksắc kí hoàn toàn có thể bị ngược. Độ tinh khiết là yếu tố rất quan trọng của khí mang so với sắc ký khí, tạp chấtcó trong khí mang như những hydrocarbon, oxy, nước không chỉ làm tăng tín hiệunhiễu đường nền mà còn tác động ảnh hưởng đến detector và tương tác với pha tĩnh làm hỏngcột, do đó khí mang cần phải qua những bộ lọc để vô hiệu oxy, nước và vết những chất hữucơ trước khi vào cột tách. Độ tinh khiết của khí mang tốt nhất phải lớn hơn 99,995 %. Thiết bị sử dụng để phân phối khí mang hoàn toàn có thể là bình chứa khí hoặc những thiết bịsinh khí ( thiết bị tách khí Ntừ không khí, thiết bị cung ứng khí Htừ nước cất, … ). 2.3 Hệ thống tiêm mẫu ( Sample Injection system ) Có 2 cách đưa mẫu vào cột là tiêm mẫu bằng tay thủ công và tiêm mẫu tự động ( Autosampler ) có hoặc không có bộ phận hóa hơi – headspace. Cách thông dụng nhất để đưa mẫu vào cột là sử dụng một bơm tiêm mẫu vilượng ( microsyringe ) để tiêm một mẫu lỏng hoặc khí qua một đệm cao su đặc silicon ( septum ) chịu nhiệt vào một buồng hóa hơi ( injector ). Buồng này được đốt nóng vớinhiệt độ thích hợp và được nối với cột tách. Đối với những cột tách thường thì, cỡ mẫuthường đổi khác từ 1 vài đến 20 μl. Cột mao quản yên cầu lượng mẫu đưa vào nhỏ hơnnên trong trường hợp này mạng lưới hệ thống chia dòng mẫu được phong cách thiết kế trong bộ tiêm mẫuđược sử dụng để chỉ một phần nhỏ lượng mẫu được tiêm đi vào cột, phần còn lại đượcthải ra ngoài. Kỹ thuật sử dụng bơm tiêm : – Hút dung dịch mẫu vào bơm tiêm và kiểm soát và điều chỉnh dung dịch đến vạch rồi kéongược pittông ra sau để lượng mẫu đó chuyển hết vào thân bơm tiêm ( đầu kimrỗng ). – Sau khi xuyên kim qua lớp đệm cao su đặc silic của injector để yên khoảng chừng 3 đến 5 giây để kim được cân đối nhiệt độ trong injector rồi mới đẩy pittong. – Cách này giúp tránh 1 số ít cấu tử khó bay hơi còn đọng lại ở đầu kim gây saisố khi địnhlượng những cấu tử này. Buồng tiêm gồm có 2 loại cơ bản là buồng tiêm cho cột nhồi và buồng tiêm chocột mao quản. Cấu tạo của chúng khác nhau đa phần về liner trong buồng tiêm. Vớimỗi loại cột và kỹ thuật tiêm có 1 loại liner riêng tùy thuộc vào chính sách hoạt động giải trí củabuồng tiêm. 23C ột mao quản Cột nhồiHình 9. Hệ thống tiêm mẫu cho cột nhồi và cột mao quản2. 3.1 Buồng tiêm dùng cho cột nhồi : là buồng tiêm trực tiếp, cấu trúc khá đơngiản : mẫu được tiêm qua septum vào buồng tiêm, mà đơn cử hơn là liner. Ở đây mẫuphân tích được làm nóng, hóa hơi và được “ cuốn theo ” dòng khí mang đi thẳng vàocột. 2.3.2 Buồng tiêm dùng cho cột mao quản : chia làm 2 loại cơ bản dựa trên kỹ thuậttiêm – Buồng tiêm chia dòng ( split ) / không chia dòng ( splitless ) – Buồng tiêm trên cột ( on-column ) 24 a / Tiêm chia dòng ( split ) / không chia dòng ( splitless ) là kỹ thuật tiêm phổ cập nhấtvà thích hợp nhất dùng cho cột mao quản nhằm mục đích làm giảm lượng mẫu đưa vào cột, đặcbiệt là với những cột có đường kính trong rất nhỏ. Buồng tiêm ở chính sách chia dòng ( split ) : Thích hợp cho mẫu có những cấu tử nghiên cứu và phân tích có nồng độ lớn hơn 0.1 % mẫu. Với những nghiên cứu và phân tích có độ phân giải cao, những tác dụng tốt nhất thu được khi cholượng nhỏ nhất của mẫu ( ≤ 1 μl ) tiêm vào hoàn toàn có thể được dò tìm khoảng chừng ≤ 1 ng cho mỗicấu tử. Việc tiêm hàng loạt mẫu sẽ làm quá tải cột có đường kính 0.32 mm hoặc nhỏhơn. Trong khi đó tiêm mẫu có chia dòng chỉ đưa vào cột khoảng chừng 0.2 đến 2 % lượngmẫu. Mẫu được tiêm nhanh ( < 1 s ) qua lớp đệm cao su đặc silic ( septum ) vào vùng hóahơi của mạng lưới hệ thống tiêm mẫu ( injector ) được giữ ở nhiệt độ cao ( ví dụ ở 350C ) để quátrình bay hơi mẫu được diễn ra nhanh. Dòng khí mang lôi kéo mẫu qua buồng trộn, ởđó có sự hóa hơi trọn vẹn và hòa trộn tốt. Tại điểm chia dòng, một phần nhỏ của hơi đi vào trong cột sắc kí còn phần lớnđi qua van chia dòng đến lỗ thông khí thải. Tỉ lệ của mẫu không được đưa vào cộtđược gọi là tỉ số chia dòng ( split ratio ) có giá trị từ 50 : 1 đến 600 : 1. Sau khi mẫu bị sụcra khỏi buồng tiêm mẫu ( khoảng chừng 30 s ), van chia dòng đóng lại và khí mang được giảmtương ứng. Một μl chất lỏng được tiêm vào sẽ tạo khoảng chừng 0.5 ml thể tích khí và nhanhchóng làm đầy buồng tiêm mẫu. Vài khí hoàn toàn có thể thoát ra trở lại theo đường của đệm caosu silicon. Các cấu tử có nhiệt độ sôi thấp sẽ thoát ra tiên phong rồi đến những cấu tử có nhiệtđộ sôi cao hơn. Nhiệt độ của buồng tiêm mẫu nên đủ lớn để giảm thiểu phần mất nàycủa mẫu. Tuy nhiên nếu nhiệt độ quá cao, sự phân hủy mẫu hoàn toàn có thể xảy ra. Trong suốt quy trình tiêm mẫu và sắc kí, có dòng khí 1 ml / ph làm sạch lớp đệmcao su silicon để tách hơi mẫu dư và những khí thoát ra từ lớp đệm cao su đặc này ( septumpurge ). Buồng tiêm ở chính sách tiêm không chia dòng ( splitless ) : Thích hợp cho phân tích lượng vết những cấu tử có nồng độ nhỏ hơn 0.01 % mẫu và cách tiêm này có khoảng chừng 80 % mẫu được đưa vào cột. Hệ thống tiêm mẫu tựa như như trường hợp tiêm mẫu chia dòng, nhưng ốngthủy tinh trong buồng tiêm mẫu là thẳng, trống và không có buồng trộn mẫu. Một thể tích lớn ( khoảng chừng 2 μl ) của dung dịch được pha loãng trong dung môi cónhiệt độ sôi thấp được tiêm chậm ( khoảng chừng 2 s ) vào trong ống thủy tinh của buồng tiêmmẫu với lỗ thoát chia dòng bị đóng. 25N hiệt độ của buồng tiêm mẫu cho chính sách không chia dòng giữ thấp hơn ( khoảng chừng 220C ) so với chính sách chia dòng vì mẫu bị lưu giữ lâu hơn trong buồng tiêmmẫu và tránh mẫu bị phân hủy nhiệt. Hình 10. Hệ thống tiêm mẫu có chia dòng, không chia dòng và tiêm mẫu vào cộtb / Tiêm trên cột ( on-column ) : Có thể dùng cho cột đường kính trong tương đối lớn0, 32 mm ( wide-bore ). Mẫu nghiên cứu và phân tích được tiêm trực tiếp vào cột mà không có sự hóahơi ở buồng tiêm, do đó thành phần của mẫu vào cột ít đổi khác so với mẫu khởi đầu vàđộ lặp lại cao. Tiêm trên cột hạn chế tối đa sự phân hủy và sự phân biệt những thành phần trongmẫu, nên được vận dụng cho nghiên cứu và phân tích những hợp chất không bền nhiệt, dễ bị phân hủy ởgần nhiệt độ sôi của nó và mẫu đa thành phần có khoảng chừng nhiệt độ sôi lớn. Tiêm trên cột hoàn toàn có thể gây quá tải cột, làm giảm hoạt tính của pha tĩnh và gây nhiễm bẩncột do sự tích lũy của những hợp chất ít bay hơi, vì thế không thích hợp với mẫu chứacác hợp chất có nhiệt độ sôi cao. Yêu cầu loại bơm tiêm chuyên sử dụng với đầu kim nhỏ để hoàn toàn có thể đưa vào cột, buồng tiêm mẫu cũng phải được phong cách thiết kế đặc biệt quan trọng, phải dùng cột có đường kính trongtương đối lớn. Dùng tiền cột không chỉ bảo vệ cột tách mà còn giúp cho việc tiêm mẫudễ dàng hơn, tránh cho mẫu bị ngưng tụ trong cột, do đó làm giảm độ rộng của peaksắc ký. Hiện nay, buồng tiêm PTV ( Programmable temperature vaporizing ) là buồngtiêm lý tưởng với sự tích hợp của tổng thể những loại buồng tiêm nói trên, gồm có cả tiêmchia dòng / không chia dòng và tiêm trên cột. Buồng tiêm hoàn toàn có thể biến hóa nhiệt độ, thờigian tiêm mẫu, lưu lượng khí chia dòng và khí làm sạch Tuy nhiên cấu trúc, chươngtrình tinh chỉnh và điều khiển khá phức tạp và phải tối ưu hóa nhiều thông số kỹ thuật. 2.4 CỘT SẮC KÝ

Source: https://mindovermetal.org
Category: Ứng dụng hay