Tài liệu Lý thuyết về phương pháp sắc ký

13 Chương 3 SƠ LƯỢC LÝ THUẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ 3.1. Đại cương về phương pháp phân tích sắc ký: [3],[6],[8],[13] 3.1.1. Khái niệm: Phương pháp sắc ký là một trong những phương pháp phân tích được ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay vì là phương pháp có độ nhạy và khả năng định lượng tốt, phù hợp để xác định nhiều đối tượng khác nhau như các chất khó hoặc dễ bay hơi, chất phân cực hoặc kém phân cực,... Phương pháp này do nhà bác học Nga M.X.Txvet phát minh ra vào năm 1930. Nguyên tắc cơ bản của sắc ký là dựa vào sự khác biệt của ái lực của các cấu tử trong hỗn hợp chất cần phân tích với pha động và pha tĩnh. Pha động có thể là chất lỏng hoặc khí có tác dụng lôi kéo các chất cần tách di chuyển trong cột sắc ký có chứa pha tĩnh. Pha tĩnh là chất lỏng nhớt được phủ trên bề mặt bên trong của cột mao quản hoặc là những hạt chất rắn nhỏ được nhồi vào cột có tác dụng giữ chất ở lại. Để tách được các chất từ một hỗn hợp cần có sự tác động của cả pha tĩnh và pha động. Sự tác động này đối với từng cấu tử khác nhau là khác nhau. Vì vậy khi cho hỗn hợp chất cần phân tích đi qua bề mặt pha tĩnh thì các cấu tử sẽ bị tách khỏi nhau và từ đó có thể định tính cũng như định lượng chúng. Tùy theo bản chất pha động mà ta chia thành hai loại sắc ký sau:  Sắc ký lỏng: pha động là chất lỏng, có thể sử dụng một loại dung môi hay hỗn hợp nhiều loại dung môi. Các phương pháp sắc ký lỏng thông dụng gồm sắc ký hấp phụ, sắc ký phân bố và sắc ký ion.  Sắc ký khí: pha động là khí trơ không có lực tương tác hóa học hay vật lý với chất cần phân tích. Trong phương pháp sắc ký khí dựa vào đầu dò (detector) có thể phân loại thành các kỹ thuật sau: - Sắc ký khí đầu dò dẫn nhiệt (GC-TCD). - Sắc ký khí đầu dò ion hoá ngọn lửa (GC-FID). 14 - Sắc ký khí đầu dò bắt điện tử (GC- ECD) - Sắc ký khí đầu dò quang hoá ngọn lửa (GC- FPD). - Sắc ký khí đầu dò ion hoá phát xạ (GC- TID hoặc GC- NPD). - Sắc ký khí ghép khối phổ (GC- MS). 3.1.2. Các đại lượng cơ bản trong phương pháp sắc ký: 3.1.2.1. Hệ số phân bố: Cân bằng của cấu tử trong hệ sắc ký được mô tả bằng phương trình đơn giản sau: Xpha động Xpha tĩnh Hằng số cân bằng cho cân bằng này được gọi là tỉ lệ phân bố hay hệ số phân bố (partition coefficient), được tính như sau: CS k= (1) CM Với CS: nồng độ cấu tử trong pha tĩnh CM: nồng độ cấu tử trong pha động Hệ số k phụ thuộc vào bản chất pha tĩnh, pha động và chất phân tích. 3.1.2.2. Thời gian lưu (tR): Các chất tan trong hỗn hợp mẫu phân tích khi được nạp vào cột sắc ký thì chúng sẽ bị lưu giữ trên pha tĩnh theo một thời gian nhất định gọi là thời gian lưu. Thời gian lưu này được tính từ lúc nạp mẫu vào cột tách sắc ký cho đến lúc chất tan được rửa giải hoàn toàn ra khỏi cột, tại thời điểm đó chất phân tích có nồng độ cực đại. Với tR: thời gian lưu của cấu tử chất phân tích (min) t0: thời gian để cho chất hoàn toàn không có ái lực với pha tĩnh đi qua cột, hay là thời gian pha động đi vào cột đến khi ra khỏi cột và còn gọi là thời gian chết (min). tR’: thời gian lưu hiệu chỉnh (min). tR’ = tR - t0 (2) 15 C (nồng độ) tR t’R t inject min 0 Hình 3.1: Thời gian lưu của cấu tử phân tích trên sắc ký đồ 3.1.2.3. Hệ số dung lượng: Được định nghĩa theo công thức sau: CS VS K’= * VM CM Với VS: thể tích pha tĩnh (3) VM: thể tích pha động K’ là đại lượng quan trọng nhất trong sắc ký và được đo bằng thực nghiệm, có thể tính theo công thức: tR – t0 K’ = (4) t0 Nếu K’ 0, tR  t0: chất ra sớm nhất, cột không có khả năng giữ chất lại. K’ càng lớn (tR càng lớn) chất ở trong cột càng lâu, thời gian phân tích càng dài thì mũi sắc ký có khả năng bị tù. K’ nhỏ thì các mũi chất ra nhanh và khả năng tách kém. Khoảng K’ lý tưởng là từ 2-5 nhưng khi phân tích một hỗn hợp phức tạp thì K’ có thể chấp nhận 1- 20. 3.1.2.4. Số đĩa lý thuyết của cột: Số đĩa lý thuyết (N) của cột đặc trưng cho khả năng tách mũi sắc ký của các cấu tử trên cột. 16 W1/2 inject h Wb 0 min Hình 3.2: Mô tả cách tính số đĩa lý thuyết tR2 tR2 N = 16 = 5,54 Wb (5) 2 W 2 1/2 Với Wb: bề rộng đáy của mũi sắc ký W1/2: bề rộng đáy của mũi sắc ký ở phân nửa chiều cao. Số đĩa lý thuyết càng lớn và bề rộng Wb càng nhỏ thì mũi sắc ký càng nhọn. Khi chiều cao của cột không đổi, số đĩa lý thuyết tăng thì hiệu năng tách của cột càng cao. 3.1.2.5. Độ chọn lọc: Độ chọn lọc () là đại lượng biễu diễn sự khác nhau của các mũi kề nhau trong một hệ sắc ký đã chọn. Khi  càng khác 1 thì sự tách của hai chất càng rõ. Độ chọn lọc  thay đổi theo sự thay đổi của thành phần pha động và pha tĩnh. = tR2 – t0 K’2 = (6) tR1 – t0 K’1 3.1.2.6. Độ phân giải: Độ phân giải (RS) được dùng để đánh giá khả năng tách hai mũi sắc ký gần nhau. tR2 – tR1 RS = = W1 + W2 2 -1 1 * 4  K’2 * 1 + K’2  N (7) 17 Với tR1: thời gian lưu của cấu tử thứ nhất tR2: thời gian lưu của cấu tử thứ hai W1: bề rộng đáy của mũi sắc ký thứ nhất W2: bề rộng đáy của mũi sắc ký thứ hai. : độ chọn lọc của cột sắc ký cho hai cấu tử 1 và 2. Trường hợp RS=1, hai mũi có độ lớn tương tự nhau được phân tách khỏi nhau khoảng 95%. Nếu RS= 1.5 thì sự phân giải được coi là hoàn toàn (99.7%). 3.2. Phương pháp sắc ký khí đầu dò bắt điện tử (GC- ECD): [3], [13] 3.2.1. Khái niệm: Sắc ký khí là một phương pháp phân tích có nguyên lý dựa trên hai quá trình hấp thụ (hoặc hấp phụ) và giải hấp liên tục giữa pha tĩnh là chất rắn hoặc lỏng và pha động là chất khí. Do pha động hoàn toàn không có tương tác với chất cần phân tích nên thời gian lưu giữ của các chất trong cột phân tích chỉ phụ thuộc vào bản chất của tương tác giữa chất phân tích với pha tĩnh. Dựa vào sự khác nhau về ái lực giữa các chất cần phân tích với pha tĩnh và nhiệt độ sôi mà các chất cần phân tích trong mẫu được tách ra khỏi nhau nhờ sự chuyển dịch liên tục của pha động dọc lớp pha tĩnh. Khi pha tĩnh là một chất hấp phụ rắn thì kỹ thuật phân tích được gọi là sắc ký khí- rắn (GSC). Khi pha tĩnh là chất lỏng được gắn lên bề mặt của chất mang trơ hoặc được phủ dưới dạng một lớp phim mỏng lên thành cột mao quản thì kỹ thuật này được gọi là sắc ký khí-lỏng (GLC). Trong sắc ký khí, các đại lượng thời gian lưu, độ chọn lọc , số đĩa lý thuyết,... cũng được sử dụng để đánh giá khả năng tách các chất trong mẫu phân tích. Tuy nhiên điều kiện tiến hành thí nghiệm như nhiệt độ, áp suất, tốc độ dòng,... là những yếu tố ảnh hưởng đến độ phân giải của các chất thể hiện qua phương trình Van- Deemter: 8K’i df2 2DG h = 2dp + u + u  (1+ K’i) DF 2 2 18 u: tốc độ trung bình của dòng khí mang : độ không đồng nhất của chất nhồi cột dp: đường kính trung bình của hạt chất mang : hệ số Labyrinth về đường kính của khí trong cột DG: hệ số khuếch tán phân tử trong pha khí DF: hệ số khuếc tán phân tử trong pha lỏng K’i: hệ số dung lượng df: độ dày của lớp phim pha tĩnh trên chất mang Phương trình Van-Deemter có thể rút gọn như sau: B h=A+ +Cu u A: hệ số khuếch tán xoáy diễn tả các đường đi khác nhau của dòng khí mang do khuếch tán xoáy trong cột gây ra. B: hệ số khuếch tán dọc theo chiều dài cột C: hệ số trở kháng chuyển khối. 3.2.2. Sơ đồ thiết bị sắc ký khí: C B E G F A D A: khí mang E: đầu dò B: bộ lọc F: lò cột C: buồng tiêm mẫu G: thiết bị ghi nhận tín hiệu D: cột Hình 3.3: Sơ đồ thiết bị sắc ký khí 3.2.2.1. Khí mang: Pha động trong sắc ký khí hay còn gọi là khí mang giữ vai trò vận chuyển chất phân tích dọc theo cột sắc ký và tiếp nhận các phân tử chất phân tích đã bị giữ 19 lại trước đó giải hấp đi tới để tiếp tục tương tác với các phần khác của bề mặt pha tĩnh. Điều kiện để một khí được sử dụng làm khí mang: - Phân tử lượng nhỏ. - Trơ về mặt hoá học đối với chất phân tích, pha tĩnh, vật liệu làm cột. - Tinh khiết. - Phù hợp với detector sử dụng. Khí mang trong sắc ký khí thường dùng là các khí như heli, nitơ, argon,... Với detector ECD có thể vận hành với các khí mang khác nhau. Khi làm việc theo kiểu dòng một chiều có thể dùng khí nitơ, khi vận hành theo kiểu xung có thể dùng argon bổ sung 5% metan sẽ cho kết quả tốt hơn. 3.2.2.2. Buồng tiêm: Buồng tiêm là nơi khi mẫu được bơm vào sẽ hóa hơi và bị lôi cuốn theo dòng khí mang.  Phương pháp tiêm mẫu: Trong phương pháp sắc ký khí, việc lựa chọn kỹ thuật tiêm và tối ưu điều kiện tiêm đóng vai trò quyết định kết quả phân tích. Hai kỹ thuật tiêm mẫu thường dùng nhất trong sắc ký khí là tiêm chia dòng và không chia dòng.  Tiêm chia dòng: - Mẫu được tiêm vào buồng tiêm, tại đây toàn bộ mẫu được hoá hơi, đồng thời cuối buồng tiêm van xả được mở ra phần lớn hơi sẽ theo van ra - ngoài, chỉ một phần nhỏ được giữ lại đưa vào cột. Tỉ lệ Vra gọi là tỉ lệ chia dòng. Tỉ lệ chia dòng từ 20:1 đến 100:1. Vcột Các thông số để đánh giá phương pháp tiêm chia dòng là nhiệt độ buồng tiêm, tỉ số chia dòng, áp suất khí mang,... - Phương pháp tiêm chia dòng cho mũi sắc ký nhọn, phù hợp về mặt định tính. Về mặt định lượng thì không tốt bởi vì tỉ lệ chia dòng sẽ thay đổi tuỳ thuộc điều kiện tiêm và nhất là đối với các hỗn hợp mẫu chứa các chất có khả năng bay hơi khác nhau. 20 - Phương pháp tiêm chia dòng phù hợp cho phân tích mẫu có hàm lượng lớn, nhưng không phù hợp cho phân tích lượng vết do lượng mẫu vào cột rất ít.  Tiêm không chia dòng: - Toàn bộ mẫu được chuyển thẳng vào cột, tiêm không chia dòng sử dụng buồng tiêm giống như tiêm chia dòng nhưng khác ở chỗ trong quá trình tiêm mẫu van thoát khí sẽ đóng lại. Thời gian tiêm không chia dòng từ 40-90 giây, thể tích tiêm 1-2l. - Nhiệt độ cột sắc ký lúc đầu thấp, sau tăng lên. Nhiệt độ đầu thấp hơn nhiệt độ của dung môi 20-300C, khi vào đầu cột gặp nhiệt độ thấp hơn hỗn hợp hơi sẽ đọng lại (gồm hơi chất phân tích và hơi dung môi) như vậy sẽ giúp lôi kéo toàn thể chất phân tích trong buồng tiêm vào cột. Khi tăng nhiệt độ hơi dung môi ra trước, các chất phân tích từ từ ra sau cho mũi tương đối nhỏ. - Phương pháp này thích hợp cho phân tích dạng vết, siêu vết nhưng không dùng cho chất có nhiệt độ sôi thấp hơn dung môi. 3.2.2.3. Cột tách sắc ký khí: Trong thực tế có nhiều dạng cột tách dùng cho các mục đích nghiên cứu khác nhau. Nhìn chung cột sắc ký cần đạt các yêu cầu sau đây: - Đảm bảo trao đổi chất tốt giữa pha tĩnh và pha động nhờ việc tối ưu hoá các thông số của phương trình Van-Deemter. - Độ giảm áp suất nhỏ với một tốc độ khí mang nhất định. - Vật liệu dùng chế tạo cột phải có tính bền ở nhiệt độ cao. Cột sắc ký được chia làm hai loại cột nhồi và cột mao quản.  Cột nhồi: Vật liệu làm cột nhồi thường là thủy tinh, polytetrafluoethylene, thép không gỉ, niken hoặc đồng. Chiều dài của cột từ 1-3m. Do các hạt nhồi thường làm giảm áp suất lớn nên các cột thường ngắn hơn 3m. Đường kính của cột khoảng 1/8 đến 21 1/4 inches. Đối với cột nhồi yếu tố quan trọng nhất chính là pha tĩnh của cột bởi nó quyết định tính chọn lọc của cột. Cột nhồi thường cho hiệu quả tách thấp. Một cột có chiều dài 1m được nhồi bởi các hạt có kích thước 125-150m và không bao giờ tạo ra quá 3000 đĩa lý thuyết. Tuy nhiên cột nhồi cũng có những ưu điểm nhất định như hệ số lưu giữ cao, thích hợp với các detector có thể tích lớn, dung lượng mẫu cao, ít chịu ảnh hưởng của chất bẩn trong mẫu nên không đòi hỏi nhiều công tinh chế mẫu.  Cột mao quản: Cột mao quản là loại cột tách có đường kính nhỏ hơn 1mm và thành trong của cột được tẩm pha tĩnh. Nhờ cấu trúc đặc biệt này của cột mao quản, khí mang sẽ đưa mẫu đi qua cột tách rất dài (do vậy năng suất tách cao) mà không gặp trở kháng gì lớn (độ chêch lệch áp suất thấp). So với cột nhồi, cột mao quản có ưu điểm là: - Các hỗn hợp phức tạp được tách với hiệu suất cao hơn hẳn. - Tách được cả các chất có cấu trúc hoá học rất gần nhau. - Độ tin cậy cao hơn trong việc nhận biết các cấu tử. - Độ nhạy phát hiện cao hơn. - Giảm thời gian phân tích. - Cho phép nối trực tiếp với khối phổ kế mà không cần bộ tách. Cột mao quản được chia làm hai loại chính: - Cột WCOT (Wall Coated Open Tubular): kết cấu gồm một ống mao quản bằng fused silica được phủ trực tiếp một lớp pha tĩnh. Đường kính trong khoảng 0.2-0.5mm. Bề dày df của lớp pha tĩnh này quyết định hệ số lưu giữ và dung lượng của cột. Ở nhiệt độ thường lớp pha tĩnh này ở dạng sệt gần như đặc. Đây chính là dạng sắc ký khí-lỏng. Nếu lớp pha tĩnh không được gắn lên thành cột mà qua một lớp trung gian thì ta có cột SCOT (Support coated open tubular) với tính chất giống như cột WCOT. Hầu hết các phép phân tích GC được thực hiện trên cột WCOT. 22 - Cột PLOT (Porous Layer Open Tubular): cũng cấu tạo bởi một ống silica nóng chảy nhưng còn có thêm một lớp mỏng các hạt chất hấp phụ xốp đường kính dp đóng vai trò như chất mang giữa thành trong của cột tách và lớp phim pha tĩnh. Do lực cản áp suất thấp nên có thể sản xuất cột PLOT có độ dài lớn để tăng hiệu quả tách (50-100m). Cột thường có đường kính trong khoảng 0.53mm. Việc lựa chọn cột mao quản phụ thuộc vào bản chất và độ phức tạp của mẫu phân tích. Chiều dài cột, đường kính trong của cột, pha tĩnh và độ dày của lớp phim pha tĩnh ảnh hưởng đến độ phân giải, thời gian phân tích và độ nhạy của phép đo. 3.2.2.4. Pha tĩnh trong sắc ký khí: Trong sắc ký khí, pha tĩnh đóng vai trò chính trong việc tạo nên tương tác cần thiết để tách các cấu tử chất phân tích khỏi nhau. Sự thay đổi pha tĩnh sẽ ảnh hưởng đến lực tương tác trong quá trình tách. Pha tĩnh không được phản ứng bất thuận nghịch với khí mang, chất mang rắn và các cấu tử cần phân tích. Mỗi pha tĩnh đều có nhiệt độ chặn trên và chặn dưới. Nhiệt độ chặn dưới được xác định bởi điểm nóng chảy, còn nhiệt độ chặn trên được xác định bởi áp suất hơi và độ bền nhiệt của pha tĩnh. Nhiệt độ sử dụng tối đa phải thấp hơn điểm sôi khoảng 700C sao cho áp suất hơi không vượt quá 1mmHg. Tuy nhiên đối với các loại detector nhạy, nhiệt độ đó vẫn còn quá cao, đặc biệt đối với các pha tĩnh thuộc loại các hợp chất mà phân tử dễ bị bay hơi sẽ làm thay đổi khả năng tách của cột. Do vậy, điều quan trọng là tất cả các cột tách sau khi nhồi phải được luyện thật kỹ để thành phần trong cột trở nên ổn định hoàn toàn. Một nguyên tắc cơ bản để chọn pha tĩnh là: pha tĩnh phân cực sẽ giữ tốt các chất phân cực, tương tự pha tĩnh không phân cực sẽ giữ tốt các chất không phân cực. Lựa chọn pha tĩnh cho một dãy đồng đẳng không khó khăn, nhưng để tách các chất có điểm sôi tương tự nhau, phải chọn pha tĩnh sao cho hệ số hoạt độ của chúng phải khác nhau. Một số pha tĩnh thông dụng dùng cho cột mao quản trong sắc ký khí: 23 - Pha tĩnh có độ phân cực thấp: dimethylpolysiloxan, methylpolysiloxan,.. dùng phân tích các hidrocarbon, thuốc trừ sâu có chứa vài nhóm phân cực. - Pha tĩnh phân cực cao hơn: thêm vào các pha tĩnh có độ phân cực thấp các gốc phenyl, cyano... 3.2.2.5. Đầu dò (detector): Detector là bộ phận ghi nhận sự xuất hiện và nồng độ các chất trong dòng khí mang. Detector có nhiệm vụ chuyển hoá một đại lượng không điện (nồng độ của các chất được tách khỏi cột sắc ký) thành tín hiệu điện. Tính chất cần có của một detector: độ nhạy cao, có khả năng cho tính hiệu với nhiều loại hợp chất, khoảng tuyến tính rộng, cho tín hiệu nhanh, ổn định, độ ồn thấp. Các loại detector thông dụng trong sắc ký khí: - Phổ quát: FID, TCD, MS - Chọn lọc: ECD - Bảo toàn chất phân tích: TCD - Phá huỷ chất phân tích: ECD, FPD, FID, MS.  Detector bắt điện tử ECD: Detector ECD bao gồm một buồng ion hoá chứa nguồn phóng xạ 63Ni phát ra tia . Detector hoạt động dựa trên nguyên tắc dùng tia  bắn phá phân tử khí mang tạo thành các ion dương và ion âm có động năng lớn: N2 N2+ + e- Các electron di chuyển về anod tạo dòng điện ion hoá. Khi các hợp chất phân tích có chứa nguyên tố có độ âm điện lớn (như halogen) có khả năng bắt giữ điện tử xuất hiện trong dòng khí mang sẽ kết hợp với các electron làm giảm cường độ dòng điện. Mật độ dòng electron giảm nhiều hay ít phụ thuộc vào bản chất và nồng độ chất phân tích trong luồng khí mang qua detector. Quá trình biến đổi điện này được ghi lại và khuếch đại thành tín hiệu detector. 24 AM + e-  AMAM- + N2+  AM + N2 Các nhóm chất có độ nhạy cao đối với detector ECD là các hợp chất hữu cơ có nhóm halogen (độ nhạy tăng theo thứ tự F < Cl < Br < I), các thuốc trừ sâu clo hữu cơ, PCB, furan... Độ chọn lọc phụ thuộc vào ái lực của chất đối với electron. Để detector ECD hoạt động tốt nguồn khí mang phải có độ tinh khiết rất cao (không chứa hơi ẩm, oxi, hidrocarbon). 3.2.3. Định tính và định lượng trong sắc ký khí: 3.2.3.1. Định tính: Dựa vào thời gian lưu tR của cấu tử phân tích và thời gian lưu của chất chuẩn trong cùng điều kiện phân tích sắc ký. Tuy nhiên thời gian lưu không đảm bảo hai chất trùng nhau hoàn toàn, để đảm bảo hơn cho việc định danh có thể so sánh thời gian lưu của chất phân tích và chất chuẩn trên hai pha tĩnh khác nhau. 3.2.3.2. Định lượng: Diện tích mũi sắc ký trên sắc ký đồ tỉ lệ với nồng độ của chất từ đó có thể tính được chính xác nồng độ của mỗi thành phần trong hỗn hợp. Có hai phương pháp dùng để định lượng:  Phương pháp ngoại chuẩn: So sánh trực tiếp diện tích mũi sắc ký của mẫu theo diện tích mũi sắc ký của chất chuẩn từ đó suy ra nồng độ mẫu. Trong phương pháp này dùng chất chuẩn tinh khiết của chất cần xác định pha thành nhiều nồng độ khác nhau, dựng đường chuẩn theo diện tích mũi trên sắc ký đồ và nồng độ chất phân tích. Dựa vào đường chuẩn và diện tích mũi của chất cần phân tích trên sắc ký đồ có thể suy ra nồng độ chất cần phân tích. Phương trình đường chuẩn cho phương pháp ngoại chuẩn: A = kC + b A: diện tích mũi sắc ký C: nồng độ chất phân tích  Phương pháp nội chuẩn: 25 So sánh gián tiếp mũi sắc ký của chất phân tích theo diện tích mũi sắc ký của chất chuẩn thông qua diện tích của chất nội chuẩn từ đó suy ra nồng độ của chất phân tích trong mẫu. Chất nội chuẩn được sử dụng cần có các tính chất: - Có lý tính và hoá tính gần giống với chất cần phân tích. - Không hiện diện trong thành phần mẫu. - Có thời gian lưu gần với các chất cần phân tích nhưng phải tách hoàn toàn khỏi chất phân tích. - Cường độ tín hiệu đo tương đương với chất cần phân tích. - Không tham gia phản ứng với chất phân tích. Phương pháp nội chuẩn có ưu điểm là cho kết quả chính xác hơn, tránh được sai số do thể tích mẫu đưa vào máy sắc ký không đều nhau. Tuy nhiên cũng có hạn chế do khó chọn được chất nội chuẩn phù hợp với điều kiện phân tích. Phương trình đường chuẩn trong phương pháp nội chuẩn: Ax = kCx + b AIS Ax, AIS : diện tích của chất cần phân tích và chất nội chuẩn Cx : nồng độ của chất cần phân tích.