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

Phần III: Các phương pháp tách
Chương 10. Sắc ký khí Tran Thi Thuy
Department of Analytical Chemistry
School of Chemical Engineering – Hanoi University of Science and Technology (HUST)
Chương 9 đã đưa ra các nguyên lý cơ bản của phương
pháp sắc ký. Chương 10 sẽ thảo luận về sắc ký khí và
thiết bị đo. Mục đích của chương này là để bạn có thể hiểu
phương pháp sắc ký khí làm việc như thế nào và những
tham số bạn có thể kiểm soát và điều chỉnh để cho kết
quả phân tích tốt nhất. 2 HUST SCE Outline
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí 10.2. Bơm mẫu 10.3. Detectors 9/22/2020 2 HUST SCE
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí
Trong sắc ký khí, chất phân tích dạng khí được vận chuyển thông qua cột
bằng khí mang (carier gas). Trong sắc ký phân bố khí-lỏng (gas-liquid
partition choromatoghraphy), pha tĩnh là chất lỏng không bay hơi được liên
kết bên trong cột hay là chất mang rắn (hình 10-2, phải). Trong sắc ký hấp
phụ khí-rắn, chất phân tích được hấp phụ trực tiếp trên hạt rắn của pha tĩnh (hình 10-2, trái). 4 HUST SCE
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí
Trong sắc ký khí sơ đồ hình 10-
1, mẫu chất lỏng hay khí dễ
bay hơi được tiêm qua một
vách ngăn (một đĩa cao su) vào
một cổng nóng, trong đó nó
bốc hơi nhanh chóng. Hơi được
quét qua cột bằng khí mang
He, N2 hay H2, và chất phân
tích được tách ra đi tới detector,
kết quả được hiển thị trên máy
tính. Cột phải đủ nóng để cung
cấp đủ áp lực hơi cho chất
Hình 10-1. Sơ đồ thiết bị sắc ký khí
phân tích được rửa giải trong
một thời gian hợp lý. 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. 5 HUST SCE
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí
10.1.1. Cột mao quản (open tubular columns)
Phần lớn các cột sắc ký dùng
trong phân tích sử dụng cột
mao quản, dài và hẹp (hình
10-2), 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. Như đã thảo
luận ở chương 9, cột mao
quản cho độ phân giải cao
hơn, thời gian phân tích ngắn
hơn, độ nhạy cao hơn nhưng
dung lượng mẫu thấp hơn.
Hình 10-2. (c) Mặt cắt ngang của cột sắc ký 6 HUST SCE
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí
10.1.1. Cột mao quản (open tubular columns)
Trên hình 10-2c: Loại cột mao
quản wall-coated có bề dày
màng pha tĩnh dạng lỏng từ 0,1-
5 µm trên tường bên trong của
cột. Loại cột mao quản support-
coated có các hạt rắn được phủ
với chất lỏng là pha tĩnh và được
gắn bên trong của cột. Loại 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
Hình 10-2. (c) Mặt cắt ngang của cột sắc ký
quả của cột wall-coated và cột nhồi (packed column). 7 HUST SCE
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí
10.1.1. Cột mao quản (open tubular columns)
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.
Hình 10-2. (a) Kích thước tiêu biểu của cột
sắc ký; (b) Cột silica (fused silica column) với
đường kính lồng 0,2m, chiều dài cột từ 15- 100m; 8 HUST SCE
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí
10.1.1. Cột mao quản (open tubular columns)
Các cột có đường kính nhỏ cho độ
phân giải cao hơn, nhưng áp suất
vận hành cao hơn và dung lượng
mẫu nhỏ hơn (hình 10-3).
Hình 10-3. (a) Ảnh hưởng của đường kính trong ống cột mao quản tới độ
phân giải. Cột có đường kính nhỏ cho độ phân giải cao hơn. Chú ý độ
phân giải tăng lên đỉnh 1 và 2 trong cột hẹp. Điều kiện:
DB-1 pha tĩnh (dày 0,25 µm), chiều dài cột 15 m (loại cột wall-coated
column) hoạt động ở 95° C với tốc độ khí mang He 34 cm/s 9 HUST SCE
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí
10.1.1. Cột mao quản (open tubular columns)
Loại đường kính 0,32 mm hoặc lớn hơn có khuynh
hướng quá tải hệ thống khí
của khối phổ, bởi thế dòng khí
phải được phân chia và chỉ
một phần nhỏ được gửi đến
khối phổ. Số đĩa lý thuyết, N,
trên cột tỉ lệ thuận với chiều dài cột (hình 10-4).
Hình 10-4. Độ phân giải tăng tỉ lệ thuận với chiều dài cột. Lưu ý rằng độ
phân giải giữa pic 1 và 2 tăng khi chiều dài cột tăng. Điều kiện: DB-1
pha tĩnh (dày 0,25 µm), đường kính trong cột 0,32 mm, loại cột wall-
coated, hoạt động ở 95° C với tốc độ khí mang He 34 cm/s 10 HUST SCE
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí
10.1.1. Cột mao quản (open tubular columns)
Ở vận tốc khí mang không đổi trên
hình hình 10-5, 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.
Hình 10-5. (a) 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 15m, đường kính
trong 0,32 mm hoạt động ở 40°C với
vận tốc khí mang He là 38 cm/s. 11 HUST SCE
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí
10.1.1. Cột mao quản (open tubular columns)
Bảng 10-1. Các loại pha tĩnh phổ biến trong sắc ký khí mao quản Sự lựa chọn của pha tĩnh lỏng (Bảng 10- 1) được dựa trên nguyên tắc "like dissolves like”. 12 HUST SCE
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí
10.1.1. Cột mao quản (open tubular columns)
Các cột không phân cực là lựa chọn tốt nhất cho các chất tan không phân
cực (bảng 10-2). Cột có độ phân cực trung bình là sự lựa chọn tốt nhất cho
các chất phân cực trung gian và các cột có độ phân cực lớn là sự lựa chọn
tốt nhất cho các chất tan có độ phân cực lớn. 13 HUST SCE
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí
10.1.2. Cột nhồi (packed column)
Cột nhồi chứa các hạt chất mang có
kích thước siêu đồng đều được bọc
với chất lỏng không bay hơi làm pha
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 hơn, thời
gian lưu dài hơn và độ phân giải thấp hơn (hình 10-6).
Hình 10-6. Sắc ký đồ của hỗn hợp alcohol ở 40°C sử dụng cột nhồi
(đường kính trong 2 mm × chiều dài 76 cm) chứa 20% Carbonwax
20M trên chất mang Gas-Chrom R và detector ion hóa ngọn lửa. 14 HUST SCE
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí
10.1.2. Cột nhồi (packed column)
Mặc dù có độ phân giải thấp hơn so với cột mao quản, cột nhồi
thường được sử dụng cho quá trình tách khi chuẩn bị mẫu, khi phải
sử dụng một lượng lớn pha tĩnh hoặc để tách các chất khí được giữ lại
kém. 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 chiều dài. Các
chất mang thường là silica được silica hóa. 15 HUST SCE
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí
10.1.2. Cột nhồi (packed column)
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). 16 HUST SCE
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí
10.1.2. Cột nhồi (packed column)
Bảng 10-3. Rây thử nghiệm tiêu chuẩn
Trong cột nhồi, mức độ đồng đều của
kích thước hạt làm giảm hệ số A trong
phương trình Van Deemter (H ≈ A + 𝐵 + C×u 𝑢
x), do vậy làm giảm chiều cao 𝑥
của đĩa và làm tăng độ phân giải. Kích
thước của hạt càng nhỏ thì thời gian
thiết lập cân bằng của chất tan càng
giảm, do vậy sẽ làm tăng hiệu quả của
cột. Tuy nhiên, khi kích thước của các
hạt nhỏ, khoảng cách giữa các hạt sẽ
nhỏ hơn và áp suất đủ để tạo lực cho
pha động ra khỏi cột sẽ là cao hơn.
Kích thước hạt cỡ micromet, đây đề
cập đến kích thước sàng ở đó các hạt
Ví dụ: Các hạt được thiết kế 50/100 một cái
được đi qua hoặc giữ lại (bảng 10-3).
rây (sàng) 50, nhưng các hạt được giữ lại bởi
một cái sàng 100 kích thước của chúng nằm
trong khoảng 0,150-0,300 mm. 17 HUST SCE
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí
10.1.3. Chỉ số lưu (retention index)
Hình 10-7 minh họa chỉ số lưu
của chất tan phân cực và không
phân cực thay đổi như thế nào
khi độ phân cực của pha tĩnh
t hay đổi. Ở hình 10-7a, 10 hợp
chất được tách ra theo thứ tự
tăng nhiệt độ sôi từ pha tĩnh
không phân cực. Ở hình 10-7b,
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
Hình 10-7. Tách 10 hợp chất trên (a) cột không phân
tạo ra lực liên kết với pha tĩnh
cực poly(dimethylsiloxane) và (b) cột có độ phân cực lớn thứ hai.
lớn poly(ethylene glycol), pha tĩnh có bề dày 1µm,
đường kính 0,32 mm × chiều dài 30m, cột mao quản ở 70°C. 18 HUST SCE
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí
10.1.3. Chỉ số lưu (retention index)
Chỉ số lưu Kovats, I tính cho một alkane mạch thẳng bằng 100 lần số
nguyên tử cacbon. Ví dụ, octan, I = 800, nonan, I = 900. Một hợp chất
được rửa giải giữa octan và nonan, có chỉ số lưu Kovats I giữa 800 và
900 và được tính theo công thức: ′ ′
I = 100 𝑛 + (𝑁 − 𝑛) 𝑙𝑜𝑔𝑡𝑟 𝑐ℎấ𝑡 𝑝ℎâ𝑛 𝑡í𝑐ℎ −𝑙𝑜𝑔𝑡𝑟 𝑛 (10-1) 𝑙𝑜𝑔𝑡′ ′
𝑟 𝑁 −𝑙𝑜𝑔𝑡𝑟 𝑛
Ở đây, n là số nguyên tử cacbon của alkane mạch ngắn hơn, và N là số
nguyên tử cacbon của alkane mạch dài hơn. 𝑡′𝑟(𝑛) là hệ số lưu hiệu
chỉnh của alkane mạch ngắn hơn và 𝑡′𝑟(𝑁) là hệ số lưu hiệu chỉnh của alkane mạch dài hơn. 19 HUST SCE
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí
10.1.3. Chỉ số lưu (retention index)
Ví dụ, trên hình 10-8, cho biết tr(𝐶𝐻4) = 0,5 phút; tr(octan) = 14,3 phút, tr (chất phân tích) = 15,7 phút và t
r (nonan) = 18,5 phút, hãy tính chỉ số lưu Kovats cho chất phân tích.
Hình 10-8. Sơ đồ sắc ký khí ái lực theo thời gian lưu.
I = 100 8 + (9 − 8) 𝑙𝑜𝑔15,2−𝑙𝑜𝑔13,8 = 836
𝑙𝑜𝑔18,0−𝑙𝑜𝑔13,8 20 HUST SCE