164 - Detector ion hóa ngọn lửa (Flame ionization detector: FIA) - Detector bắt điện tử (Electron capture detector: ECD) - Detector độ dẫn (Conductivity detector: CD) - Detector dẫn nhiệt (Thermal conductivity detector: TCD) - Detector phát xạ nguyên tử (Atomic emission detector: AED) - Trong các loại detector này, loại 1 và 2 được sử dụng phổ biến hơn (bảng 9.5.). Nhưng bất kỳ loại nào cũng phải thỏa mãn những yêu cầu đã nêu trong mục 9.4 ở trên mới có thể dùng được. 9.6.2.6. Bộ phận ghi và chỉ thị kết quả tách sau detector. Nó có thể là một trong các bộ phận sau: - Bộ tích phân kế (Intergrator) - Máy tự ghi (Strip-chart-recorder) - Hay computer with printer - Đó là 6 phần cơ bản cần thiết nhất. Tất nhiên hiện nay có hệ thống máy sắc ký hoàn chỉnh thường có gắn theo máy tính, bộ phận tự động bơm mẫu, bộ phận xử lý kết quả theo chương trình đặt ra, chương trình hóa quá trình sắc ký, …Toàn bộ hệ thống máy sắc ký ta có thể minh họa như trong hình 9.10. Bảng 9.5. Các loại detecter trong GC Loại Ứng dụng Độ nhạy (g) T.tính Noise Khí mang FIA phổ biến 10 -13 10 7 nhỏ H 2 , Air ECD phổ biến chọn lọc 10 -13 10 7 nhỏ N 2 , H 2 CD Ít 10 -10 10 5 nhỏ N 2 , Air TCD nhiều 10 -8 10 5 vừa H 2 , He AED Ít (mới) 10 -10 10 5 lớn, vừa He, Air, N 2 TID Ít (mới) 10 -8 10 5 nhỏ, vừa N 2 165 Hình 9.10. Sơ đồ khối của thiết bị sắc ký khí 9.6 3. Pha tĩnh trong sắc ký khí Pha tĩnh trong sắc ký khí có thể được chế tạo và sử dụng ở 2 trạng thái rắn và lỏng. Do đó có tên: Gas- Liquid Chr (GLC) và Gas- Solid Chr (GSC). Nếu ở trạng thái lỏng để giữ nó trong cột tách, thì phải tẩm nó trên chất mang trơ rắn. Do đó pha tĩnh chỉ là một lớp màng mỏng xung quanh hạt chất mang trơ. Chất mang trơ là các oxit silica đã hoạt hoá cho trơ và chế tạo thành những hạt hình cầu kích thước Φ = 3÷5µm. Pha tĩnh lỏng thường là các dầu silicon hay các polyeter. Do có cấu tạo như thế nên pha tĩnh loại này có dung tích hấp phụ nhỏ. Mặt khác lại là màng chất lỏng, nên sự tách thường chỉ được dùng ở nhiệt độ thấp. vì thế nó ít được sử dụng hơn pha tĩnh rắn Pha tĩnh rắn là được chế tạo ở dạng các hạt hình cầu hay mảnh nhỏ có Φ= 3÷7 hay 10µm, trên ba loại nền là silica, oxit nhôm, và cao phân tử hữu cơ (polystyrene). Nhưng phổ biến nhất là nền silica, và ứng dụng với loại sắc ký cũng có một loại pha tĩnh riêng, ví dụ pha tĩnh của: - Sắc ký hấp thụ pha thường - Sắc ký hấp thụ pha ngược - Sắc ký trao đổi ion - Sắc ký rây (sàng) phân tử Song sắc ký khí, chủ yếu chỉ có hai loại hấp thụ pha thường và pha ngược là 166 được sử dụng nhiều. Chất nhồi pha thường của sắc ký khí là các silica trung tính được chế tạo trong điều kiện đặc biệt, có dung lượng hấp phụ cao, diện tích bề mặt riêng lớn, độ xốp cao (bảng 9.6). Gần 80% số chất nhồi loại này của các hãng đều sản xuất trên nền silica. Nền thứ hai là nhôm oxit Pha tĩnh của loại hấp thụ pha thường là rất kỵ nước. Nó có bề mặt ưa nước và nước làm mất tính chất sắc ký của bề mặt hấp thụ, qua việc hình thành các cầu hydro của nhóm OH trên bề mặt pha tĩnh với các phân tử nước Chất nhồi cột pha ngược là các silica trung tính đã được ankyl hoa, các nhóm OH trên bề mặt đã bị thay bằng các nhóm ankyl, ví dụ: -CH 3 , - C 2 H 5 , - C 3 H 7 , - C 18 H 17 , - C 18 H 37 , phenyl,…Do đó tính ưa nước không còn nữa. Nên bề mặt sắc ký không còn bị ảnh hưởng bởi độ ẩm nữa. Trong thực tế loại pha ngược được sử dụng phổ biến hơn. Nó thích hợp cho việc tách nhiều loại hợp chất, từ không phân cực đến phân cực (bảng 9.7) Bảng 9.6 . Pha tĩnh của GLC Tên Ký hiệu Tmax (C) Để tách Polydimethyl siloxane OV-1; SE-30 350 Hydrocacbon, aromatic, drugs, steroides Poly-(phenyl methyl)- siloxane (10% phenyl) OV-3; SE-52 350 Axit béo, ester, alkaloides halogen compounds, drugs Polyethylene glycol Carbowax20M 250 Axit tự do, alkohols, ethers, oils, glycols Pha tĩnh được nạp vào trong cột tách có thể theo hai cách: - Nhồi đầy cột bằng kỹ thuật rung, cách này cho các cột tách kích thước bình thường (Φ= 2-4mm) và cột thép hay cột đồng - Tẩm thành một lớp bề mặt trong của cột, cách này thường dùng cho các loại cột mao quản bằng thuỷ tinh, đường kính nhỏ hơn 1mm Bảng 9.7. . Ví dụ về pha tĩnh rắn (GSC) Nền (Matrix) Carbowax Chromsorb W Chromsorb G Anachrom Chromsorb N-AW Celite 545 Chromsorb W-AWDMCS Silica Silica Silica Silica Silica Silica Silica 167 9.6.4. Pha động trong sắc ký khí Pha động trong sắc ký khí thường là các chất khí đơn hay hỗn hợp của hai khí. Nó có nhiệm vụ: - Rửa giãi chất phân tích ra khỏi cột - Mang chất phân tích ra khỏi cột Vì thế nhiều người quen gọi là khí mang của GC. Việc chọn chất khí nào làm khí mang là tuỳ thuộc vào: - Bản chất của chất phân tích - Loại detector chọn để phát hiện chất phân tích - Kỹ thuật sắc ký (T= const hay građient T) Các chất khí thường được dùng là hydro, nitơ, heli, argon tinh khiết phải đạt > 99,9% Trong quá trình sắc ký, tốc độ chảy của pha động có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả tách một hỗn hợp. Nói chung, tốc độ khí thường được sử dụng trong vòng từ 100-250 ml/phut cho nhiều đối tượng mẫu. 9.6 5. Sự lưu giữ của chất Sự lưu giữ của các chất trong cột tách cũng được quyết định bởi các yếu tố như: - Các đặc trưng của pha tĩnh - Bản chất của pha động, thành phần và tốc độ của pha động - Nhiệt độ của quá trình tách. Trong GC yếu tố này cực kỳ quan trọng. Do đó trong nhiều trường hợp người ta phải thực hiện chế độ građient nhiệt độ để thu được kết kết quả tách tốt. 9.6.6. Tối ưu hoá các điều kiện sắc ký Tối ưu hoá các điều kiện sắc ký là quá trình nghiên cứu tìm những điều kiện tách phù hợp nhất cho một hỗn hợp hay một loại hỗn hợp chất cần phân tích. Công việc này chính là xây dựng một quy trình phân tích. Nó bao gồm các vấn đề sau dựa theo chất mẫu phân tích: 1. Chọn loại cột sắc ký: Kích thước, loại pha tĩnh, cột sắc ký thường hay cột mao quản 2. Chọn pha động là chất nào, thành phần và tốc độ của nó 3. Chọn kỹ thuật sắc ký ở nhiệt độ không đổi, hay gradient nhiệt độ liên tục, gradient nhiệt độ từng bậc, từng đoạn cần thiết,.v.v… 168 4. Chọn máy GC với detector phù hợp để phát hiện các chất phân tích với độ nhạy cao 5. Chọn cách xử lý mẫu và lượng mẫu bơm vào cột tách. Ở đây rất quan trọng là dung môi hoà tan mẫu mà không gây ảnh hưởng đến kết quả tách 6. Chọn điều kiện thu ghi sắc đồ của quá trình tách sắc ký của hỗn hợp mẫu Thực hiện hoàn chỉnh 6 công việc này ta sẽ chọn được điều kiện phù hợp cho việc phân tích định lượng một hỗn hợp mẫu đạt kết quả tốt. Nếu làm tất cả những việc trên, mà chất nền (matrix) của mẫu vẫn ảnh hưởng đến quá trình tách, sắc đồ chưa tốt, thì ta phải tìm cách loại bề mặt chất nền của mẫu. 9.6.7. Phân tích định tính Nguyên tắc của phát hiện định tính là dựa vào thời gian lưu (t Ri ) của các chất trong một điều kiện sắc ký nhất định đã chọn. Vì như ta đã biết, thời gian lưu t Ri là đặc trưng cho mỗi chất. Do đó để định tính một hỗn hợp các chất ta phải: - Chạy sắc ký của một hỗn hợp các chất chuẩn để xác định thời gian lưu t Ri của các chất đó - Chạy sắc ký của hỗn hợp mẫu phân tích Sau đó so sánh thời gian lưu t Ri của các chất trên hai sắc đồ, ta sẽ suy ra trong mẫu phân tích có chứa những chất nào. Như ví dụ trong hình 8.5 ta thấy mẫu sắc đồ chuẩn có các chất X 1 , X 2 , X 3 , X 4 , X 5 , còn trong mẫu phân tích chỉ có chất X 2 , các chất khác không có. Hiện nay với hệ thống máy GC hiện đại,có gắn máy tính và chương trình xử lí số liệu, thì computer đã nhớ sẵn thời gian lưu t Ri của chất phân tích, nó sẽ so sánh và thông báo kết quả ngay sau khi chạy sắc lý mẫu phân tích. 169 9.6.8. Phân tích định lượng . Trong quá trình sắc kí, tín hiệu đo được của quá trình sắc ký hoặc là chiều cao của pic hoặc là diện tích của pic sắc ký. Trong những điều kiện sắc kí xác định, thì 2 đại lượng này luôn có quan hệ phụ thuộc vào nồng độ của chất ở trong mẫu. Mối quan hệ này có thể được biểu thị bằng 2 phương trình sau đây: Theo chiều cao H: H = k.c Hay là theo diện tích S: S = k.c Ở đây : H và S là chiều cao và diện tích của pic sắc ký; C là nồng độ của chất trong mẫu; còn k là hằng số, nó được xác định bởi các đìêu kiện sắc ký đã chọn và bản chất của chất phân tích. Đây là 2 phương trình để định lượng trong GC. Trong 2 170 phương trình này, nếu đo H thì phạm vi tuyến tính hẹp với nồng độ C; còn nếu đo S thì quan hệ tuyến tính giữa S và C lớn hơn. Do đó, trong thực tế của phân tích GC người ta hay sử dụng phương trình : S = k.c để định lượng. 9.6.8.1 . Phân tích bán định lượng. Ở đây để định lượng, người ta coi tổng diện tích của tất cả các pic sắc ký của các chất trong mẫu phân tích là bằng 100%; Nghĩa là có: S t = (S 1 + S 2 + S 3 + … + S i ) = 100 Do đó % của một chất Ci: 100 ×= St Si Ci % Tất nhiên, ở đây việc coi tổng S t = 100 % chỉ là gần đúng. Vì độ nhạy của detector với mỗi chất phân tích là khác nhau. Nên cách này chỉ là bán định lượng mà thôi 9.6.8.2 Phân tích định lượng Cũng từ 2 phương trình cơ sở trên H=KC và S=KC, muốn định lượng chính xác một chất ta phải dùng phương pháp đường chuẩn. Cách làm cũng tương tự như mọi kỹ thuật phân tích định lượng khác sắc ký lỏng đã nói ở trên. Cụ thể là: 1.Trước hết chuẩn bị 1 dãy mẫu chuẩn của chất phân tích nồng độ C o , C 1 , C 2 , C 3 , C 4, C 5 trong cùng các điều kiện với các mẫu phân tích C x (bảng 9.8 ) 2. Chọn các điều kiện ghi sắc đồ của các mẫu chuẩn và mẫu phân tích, ta sẽ có được các cặp giá trị tương ứng giữa S và C hay H và C như trong bảng 9.8 3. Dựng đường chuẩn và xác định giá trị C x cần tìm (hình 9.11) Bảng 9.8 . Các điều kiện dựng đường chuẩn . Nồng độ C 0 C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C x Giá trị đo S So S1 S2 S3 S4 S5 Sx,… Giá trị đo H Ho H1 H2 H3 H4 H5 Hx,… Nếu mẫu phân tích có thành phần phức tạp chúng ta không thể pha được dãy mẫu chuẩn, thì phải dùng phương pháp thêm tiêu chuẩn là tốt nhất. Vì với kỹ thuật này chúng ta loại trừ được ảnh hưởng của thành phần nền (matrix) của mẫu . 171 H 1 H 3 H 4 H 5 C 1 C 2 C 3 Cx C 4 C 5 H2 Hx C H (a) ` C C C1 3 C4 Cx C2 (b) Hình 9.11. Đường chuẩn phân tích a. Phương pháp đường chuẩn . b. Phương pháp thêm 9.6.9. Vài ứng dụng của sắc ký khí. Hiện nay sắc ký khí cũng là một kỹ thuật phân tích được sử dụng nhiều để phân tích các chất hữu cơ trong các lĩnh vực của , hoá dầu, hoá dược phẩm, hoá chất tự nhiên , hỗn hợp các hyđrocacbon các loại … 172 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Hoàng Minh Châu, Từ Văn Mặc, Từ Vọng Nghi (2002). Cơ sở hóa học phân tích, NXB KH & KT. 2. Trần Tứ Hiếu (2002), Hóa học phân tích , NXB ĐHQG Hà Nội. 3. Từ Vọng Nghi, Trần Chương Huyến, Phạm Luận (1990 ), Một số phương pháp phân tích điện hóa hiện đại, Trường Đại học khoa học tự nhiên, ĐHQG Hà Nội 4. Phạm Luận (1994), Cơ sở lý thuyết hóa học phân tích , Trường Đại học khoa học tự nhiên, ĐHQG Hà Nội 5. Hồ Viết Quý (1999), Các phương pháp phân tích quang học trong hóa học, NXB Đại học quốc gia Hà Nội. 6. В.Н.Алексеев, Количественный анализ , Москва, издательствo “Химия”, 1972 7. H.A. Laitinen , Phân tích hóa học . Tập 1 và 2, Nguyễn Tinh Dung và Nguyễn Huyến dịch. NXB KH & KT, 1976. 8. Ο.Д. Кyρиленко, Краткий спровочник по химий издательствo “наукова думка”, 1974. . CD Ít 10 -10 10 5 nhỏ N 2 , Air TCD nhiều 10 -8 10 5 vừa H 2 , He AED Ít (mới) 10 -10 10 5 lớn, vừa He, Air, N 2 TID Ít (mới) 10 -8 10 5 nhỏ, vừa N 2 165 Hình 9 .10. Sơ. loại hỗn hợp chất cần phân tích. Công việc này chính là xây dựng một quy trình phân tích. Nó bao gồm các vấn đề sau dựa theo chất mẫu phân tích: 1. Chọn loại cột sắc k : Kích thước, loại pha. trong mẫu phân tích là bằng 100 %; Nghĩa là c : S t = (S 1 + S 2 + S 3 + … + S i ) = 100 Do đó % của một chất Ci: 100 ×= St Si Ci % Tất nhiên, ở đây việc coi tổng S t = 100 % chỉ