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

Chương 10 Sắc ký khí
Chương 9 đã đưa ra các nguyên lý cơ bản của phương pháp sắc ký
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.
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí 2
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).
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí 3
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
Hình 10-1. Sơ đồ thiết bị sắc ký khí
nóng để cung cấp đủ áp lực hơi
cho chất 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.
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí 4
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. Hình 10-2. (c) Mặt cắt ngang của cột sắc ký
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí 5
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
Hình 10-2. (c) Mặt cắt ngang của cột sắc ký
giữa hiệu quả của cột wall-
coated và cột nhồi (packed column).
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí 6
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;
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí 7
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
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí 8
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
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí 9
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.
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí 10
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”.
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí 11
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.
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí 12
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.
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí 13
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.
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí 14
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).
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí 15
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 𝑥
chiều cao 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,
Ví dụ: Các hạt được thiết kế 50/100 một
đây đề cập đến kích thước sàng ở
cái rây (sàng) 50, nhưng các hạt được
đó các hạt được đi qua hoặc giữ lại
giữ lại bởi một cái sàng 100 kích thước (bảng 10-3).
của chúng nằm trong khoảng 0,150-0,300 mm.
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí 16
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 thay 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
Hình 10-7. Tách 10 hợp chất trên (a) cột không
lực lớn nhất dẫn đến sự lưu.
phân cực poly(dimethylsiloxane) và (b) cột có
Tương tác lưỡng cực của
độ phân cực lớn poly(ethylene glycol), pha tĩnh
các ketone tạo ra lực liên kết
có bề dày 1µm, đường kính 0,32 mm × chiều dài
với pha tĩnh lớn thứ hai.
30m, cột mao quản ở 70°C.
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí 17
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:
′ 𝑐ℎấ𝑡 𝑝ℎâ𝑛 𝑡í𝑐ℎ −𝑙𝑜𝑔𝑡′𝑟 𝑛
I = 100 𝑛 + (𝑁 − 𝑛) 𝑙𝑜𝑔𝑡𝑟 (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.
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí 18
10.1.3. Chỉ số lưu (retention index)
Ví dụ, trên hình 10-8, cho biết 𝑡′𝑟(𝐶𝐻4) = 0,5 phút; tr(octan) = 14,3 phút, tr (chất phân
tích) = 15,7 phút và tr (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
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí 19
10.1.3. Chỉ số lưu (retention index)
Bảng 10-4. 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.
10.1. Quá trình tách trong sắc ký khí 20
10.1.3. Chỉ số lưu (retention index)
Bảng 10-4. 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) trên bảng 10-4, 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. Nếu chúng ta nhìn
xuống phía dưới của bảng 10-4, khi pha tĩnh trở lên phân cực hơn. Với
(biscyanopropyl)0,9(cyanoproylphenyl)0,1-polysiloxane ở dưới cùng của bảng 10-4,
benzene được tách rửa sau decan, và nitropropane là tách sau n-C14H30.