Chương 10: Sắc ký khí | Bài giảng môn Phân tích bằng công cụ | Đại học Bách khoa hà nội

CHƯƠNG 10 SẮC KÝ KHÍ (Gas chormatography) Sắc ký khí Cột sắc ký đặt trong lò ổn nhiệt 2
Sơ đồ thiết bị sắc ký khí 5 3 2 1 4
1. Mobile phase (carrier gas: He, N2 hay H2 ): chất phân tích (hơi) được chạy qua cột bằng khí mang.
2. Sample injector: Mẫu là chất khí hay chất lỏng dễ bay hơi được tiêm qua một vách
ngăn (một đĩa cao su) vào một buồng nóng để bốc hơi nhanh chóng.
3. Column: Tách các thành phần trong mẫu phân tích. Cột phải đủ nóng để cung cấp
đủ áp lực hơi cho chất phân tích để rửa giải trong một thời gian hợp lý.
4. Detector: Chất phân tích được chuyển đổi tín hiệu. Các detector được duy trì ở nhiệt
độ cao hơn nhiệt độ của cột, nhờ vậy tất cả các chất phân tích đều ở dạng khí. 3
5. Computer: Kết quả được hiển thị. 4
Quá trình tách trong sắc ký khí (separation)
➢Trong sắc ký khí, chất phân tích dạng khí được vận chuyển qua
cột bằng pha động dạng khí (gọi là khí mang, carrier gas).
➢Trong sắc ký phân bố khí- lỏng (gas-liquid partition
choromatoghraphy), pha tĩnh
là chất lỏng không bay hơi
được liên kết trực tiếp bên
trong cột hay là chất mang rắn ở trong cột. ➢Trong sắc ký hấp phụ khí-rắn (gas-solid adsorption
chromatography), chất phân tích được hấp phụ trực tiếp trên hạt 5 rắn của pha tĩnh.
Cột sắc ký (Column)
Cột mao quản (open tubular column) Cột sắc ký
➢ Cột mao quản dài và hẹp, được làm bằng silica (SiO2) và được tráng với
polyimide (nhựa, chịu được tới 350°C) để hỗ trợ và bảo vệ độ ẩm từ không khí.
➢ Đường kính của cột bên trong cột thường từ 0,10-0,53 mm và có độ dài từ 15-
100 m, loại có chiều dài 30 m là phổ biến nhất.
➢ Cột mao quản cho độ phân giải cao hơn, thời gian phân tích ngắn hơn, độ
nhạy cao hơn, dung lượng mẫu phân tích ít hơn so với cột nhồi.
➢ Cột mao quản được dùng phần lớn trong sắc ký khí. 6
Mặt cắt ngang cột sắc ký
1. Cột mao quản wall-coated có bề dày màng pha tĩnh dạng lỏng từ 0,1-5
µm trên tường bên trong của cột.
2. Cột mao quản support-coated có các hạt rắn được phủ với chất lỏng là
pha tĩnh và được gắn bên trong của cột.
3. Cột mao quản porous-coated, các hạt rắn là pha tĩnh hoạt động. Với
diện tích bề mặt lớn, loại cột mao quản support-coated có khả năng lưu
mẫu lớn hơn với cột wall-coated.
Hiệu quả của cột support-coated nằm giữa hiệu quả của cột wall-coated và cột
nhồi (packed column). 7
Câu hỏi: Phân loại cột mao quản theo pha tĩnh?
Ảnh hưởng của đường kính trong ống cột mao
quản tới độ phân giải.
Cột hẹp hơn độ phân giải của chất 1 và 2 tăng lên
Các cột có đường kính nhỏ cho độ phân giải cao hơn, dung
lượng mẫu nhỏ hơn, nhưng áp suất vận hành cao hơn và. 8
Ảnh hưởng của chiều dài cột mao quản tới độ phân giải.
Số đĩa lý thuyết (N) tỉ lệ thuận với chiều dài cột.
Chiều dài cột tăng thời gian lưu tăng.
Chiều dài cột tăng độ phân giải các chất cũng tăng lên. 9
Ảnh hưởng của độ dày pha tĩnh đến hiệu quả của cột mao quản
Bề dày của pha tĩnh tăng, thời gian lưu tăng và làm tăng độ phân giải.
Điều kiện: DB-1 pha tĩnh trong cột (loại cột wall-coated), chiều dài cột 15 m,
đường kính trong 0,32 mm hoạt động ở 40 °C với vận tốc khí mang He là 38 cm/s.
Khi tăng độ dày của pha tĩnh, dẫn đến tăng thời gian lưu và khả năng lưu mẫu, dẫn đến làm tăng độ phân
giải của các chất được rửa giải ra trước với hệ số dung lượng k’ ≤5. Màng dày của pha tĩnh có thể bảo vệ
các chất phân tích từ các bề mặt silica và giảm đuôi pic, nhưng cũng có thể làm tăng chảy (phân hủy và
bốc hơi) của pha tĩnh ở nhiệt độ cao. Chiều dày 0,25 µm là tiêu chuẩn, nhưng có thể sử dụng bề dày dày
hơn cho các chất phân tích dễ bay hơi.
Câu hỏi: Các thông số của cột ảnh hưởng thế nào đến độ phân 10 giải?
Sự lựa chọn của pha tĩnh được dựa trên nguyên tắc
"like dissolves like”.
❑ Các cột không phân cực là lựa chọn tốt nhất cho các chất tan không phân cực.
❑ Cột có độ phân cực trung bình là sự lựa chọn tốt nhất cho các chất phân cực trung gian
❑ Cột có độ phân cực lớn là sự lựa chọn tốt nhất cho các chất tan có độ 11 phân cực lớn.
Các loại pha tĩnh phổ biến trong sắc ký khí mao quản 12
Độ phân cực của một số chất tan 13
2. Cột nhồi (packed column)
❖ Cột nhồi thường được làm bằng thép không gỉ
hoặc thủy tinh, đường kính trong 3-6 mm và chiều dài cột từ 1-5 m.
Sắc ký đồ của hỗn hợp alcohol ở 40 °C sử
❖ Cột nhồi chứa các hạt chất mang thường là
dụng cột nhồi (đường kính trong 2 mm ×
chiều dài 76 cm) chứa 20% Carbonwax
silica được silica hóa co kích thước siêu đồng đều
20M trên chất mang Gas-Chrom R và
được bọc với chất lỏng không bay hơi làm pha
detector ion hóa ngọn lửa.
tĩnh, hoặc đôi khi có thể chính chất rắn là pha tĩnh.
So với cột mao quản, cột nhồi cho dung lượng
mẫu lớn hơn, nhưng pic rộng, thời gian lưu dài và
Câu hỏi: Cấu tạo cột
độ phân giải thấp.
nhồi, nêu ưu nhược
❖ Cột nhồi thường được sử dụng cho quá trình điểm?
tách khi chuẩn bị mẫu, khi phải sử dụng một
lượng lớn pha tĩnh hoặc để tách các chất khí được 14 giữ lại kém.
✓ Bề mặt của cột và các hạt pha tĩnh thường chứa các nhóm
hydroxyl (OH), có thể tạo liên kết hydro với các chất tan phân cực, do
vậy dẫn đến tạo đuôi pic.
✓ Silica hóa (silinization) là quá trình giảm đuôi pic bằng cách khóa
cách nhóm hydroxyl với nhóm trimethylsilyl không phân cực.
✓ Để ngăn cản khả năng tạo liên kết với chất tan, teflon là một chất
mang hữu dụng, nhưng nó bị giới hạn bởi nhiệt độ (<200°C). 15
Chỉ số lưu (retention index) Tách 10 chất
(a) cột không phân cực poly(dimethylsiloxane).
(b) cột có độ phân cực lớn poly(ethylene glycol). Pha tĩnh có bề dày 1µm, đường kính 0,32 mm × chiều dài 30m, cột mao quản ở 70°C.
Chỉ số lưu của chất tan phân cực và không phân cực thay đổi như thế nào khi độ
phân cực của pha tĩnh thay đổi.
Hinh (a): 10 hợp chất được tách ra theo thứ tự tăng nhiệt độ sôi từ pha tĩnh không phân cực.
Hình (b): pha tĩnh là phân cực, nó sẽ giữ lại các chất phân cực lâu hơn. Được rửa
giải ra trước là 4 alkane, sau đó là 3 ketone và cuối cùng là 3 rượu. Liên kết hydro
với pha tĩnh có thể là lực lớn nhất dẫn đến sự lưu. Tương tác lưỡng cực của các
ketone tạo ra lực liên kết với pha tĩnh lớn thứ hai. 16 17
Chỉ số lưu cho một số hợp chất trên các pha tĩnh phổ biến
*: Để so sánh, nhiệt độ sôi (b.p.) của các alkane: hexan, 69°C; heptan, 98 °C; octane, 126 °C;
nonan, 151 °C; decan, 174 °C; Undecan, 196 °C. Chỉ số lưu được duy trì cho các alkan
mạch thẳng là cố định và không thay đổi với các pha tĩnh: hexane, 600; heptan, 700;
octane, 800; nonan, 900; decan, 1 000; Undecan, 1 100. 18
Chỉ số lưu cho một số hợp chất trên các pha tĩnh phổ biến
Chỉ số lưu của benzen là 657 trên pha tĩnh là poly(dimethylsiloxane) có nghĩa là
benzen được rửa giải giữa hexan (I = 600) và heptan (I = 700) từ pha tĩnh không
phân cực này. Nitropropane được tách sau heptan trên cùng một cột.
Khi pha tĩnh trở lên phân cực hơn. Với (biscyanopropyl)0,9(cyanoproylphenyl)0,1-
polysiloxane ở dưới cùng của bảng, benzene được tách rửa sau decan, và
nitropropane là tách sau n-C14H30. 19
4. Chương trình nhiệt độ và áp suất
Trong chương trình nhiệt độ, nhiệt độ của một cột được nâng lên trong giai đoạn tách để
tăng áp suất hơi chất tan và làm giảm thời gian lưu của các chất được rửa giải cuối.
a) Ổn nhiệt: Tại một nhiệt độ ổn định 150 °C, các hợp chất dễ bay hơi hơn được tách ra rất
gần với nhau và các hợp chất ít bay hơi có thể không được rửa giải ra khỏi cột.
b) Chương trình nhiệt độ: Nếu nhiệt độ tăng từ 50-250 °C với tốc độ tăng 8 °C/phút, tất cả
các hợp chất này được tách ra và các đỉnh là khá đồng đều. Chúng ta không thể tăng nhiệt
độ quá cao vì chất phân tích và pha tĩnh có thể bị phân hủy.
So sánh (a) đẳng nhiệt và (b) chương trình nhiệt độ. Mỗi mẫu có chứa ankan mạch thẳng chạy trên một cột nhồi
đường kính 1,6 mm, dài 6m có chứa 3% Apiezon L (pha lỏng) trên sàng 100/120 chất mang VarAport với tốc độ khí 20
mang He tỷ lệ 10 mL/phút. Độ nhạy của sắc ký chạy với chương trình nhiệt độ gấp 16 lần so với đẳng nhiệt.