Sắc Ký khí và Nguyên lý hoạt động

Sắc ký khí là gì? Sắc ký (tiếng Anhchromatography, từ tiếng Hy Lạp là χρῶμα chroma có nghĩa là “màu sắc” và γράφειν graphein nghĩa là “ghi lại”) là một trong các kĩ thuật phân tích thường dùng trong phòng thí nghiệm của bộ môn hoá học phân tích. Dùng để tách các chất trong một hỗn hợp. Nó bao gồm việc cho mẫu chứa chất cần phân tích trong “pha động”, thường là dòng chảy của dung môi, di chuyển qua “pha tĩnh”. Pha tĩnh trì hoãn sự di chuyển của các thành phần trong mẫu. Khi các thành phần này di chuyển qua hệ thống với tốc độ khác nhau, chúng sẽ được tách khỏi nhau theo thời gian. Giống như các vận động viên chạy maratông. Một cách lý tưởng, mỗi thành phần đi qua hệ thống trong một khoảng thời gian riêng biệt. Gọi là “thời gian lưu.”

Trong kĩ thuật sắc ký, hỗn hợp được chuyên chở trong chất lỏng hoặc khí. Và các thành phần của nó được tách ra do sự phân bố khác nhau của các chất tan khi chúng chảy qua pha tĩnh rắn hay lỏng. Nhiều kĩ thuật khác nhau đã được dùng để phân tích hợp chất phức tạp dựa trên ái tính khác nhau của các chất trong môi trường động khí hoặc lỏng và đối với môi trường hấp phụ tĩnh mà chúng di chuyển qua, như giấy, gelatin hay gel magie silicate.

Sắc ký phân tích được dùng để xác định danh tính và nồng độ các phân tử trong hỗn hợp. Sắc ký tinh chế được dùng để tinh chế các chất có trong hỗn hợp.

Sắc ký khí làm việc thế nào?

Giống như với các kỹ thuật sắc ký khác, sắc ký khí đòi hỏi phải có một pha tĩnh và một pha động. Pha động (= khí mang) bao gồm một loại khí có thể là: heli, argon, hoặc nitơ. Các pha tĩnh bao gồm một cột đóng gói, nơi đóng gói đóng vai trò như một pha tĩnh. Hoặc được phủ với pha tĩnh lỏng (= polymer có điểm sôi cao). Hầu hết các phương pháp sắc ký khí phân tích sử dụng cột mao quản. Nơi các lớp pha tĩnh được tráng lên thành một ống có đường kính nhỏ trực tiếp (tức 0,25m phim trong một ống 0,32mm).

Sơ đồ sắc ký khí
Sơ đồ sắc ký khí

Việc tách các hợp chất dựa trên những sự tương tác khác nhau của các hợp chất với pha tĩnh (theo nguyên tắc “like-dissolves-like”). Là các tương tác mạnh mẽ. Còn các hợp chất tương tác với pha tĩnh. Và nhiều thời gian cần thiết để di chuyển qua cột (= thời gian lưu giữ lâu hơn).

Những nhân tố ảnh hưởng đến việc tách các thành phần?

  1. Điểm sôi

Điểm sôi của một hợp chất thường liên quan đến phân cực của nó. Các dung môi nhiệt độ sôi thấp (như diethyl ether, diclometan) được sử dụng làm dung môi để hòa tan mẫu. Nhiệt độ của cột không phải trên điểm sôi. Vì mỗi hợp chất có áp suất hơi bằng không ở những mốc nhiệt độ nhất định. Đó là lý do tại sao chúng ta có thể ngửi thấy các hợp chất như long não (0,065 mmHg/25°C), isoborneol (0,0035 mmHg/25°C), naphthalene (0,084 mmHg/25°C), vv. Tuy nhiên, áp lực hơi của chúng là khá thấp so với các chất lỏng (tức là, nước (24 mmHg/25°C), ethyl acetate (95 mmHg/25°C), diethyl ether (520 mmHg/25°C).

  1. Phân cực của các thành phần so với sự phân cực của pha tĩnh trên cột

Nếu sự phân cực của pha tĩnh và hợp chất tương tự, thời gian lưu tăng do các hợp chất tương tác mạnh mẽ hơn với các pha tĩnh. Kết quả là, hợp chất phân cực có thời gian lưu giữ lâu trên các phân cực pha tĩnh và thời gian lưu giữ ngắn hơn trên các cột không phân cực bằng cách sử dụng một nhiệt độ.

  1. Nhiệt độ cột

Nhiệt độ quá cao của cột làm thời gian lưu giữ rất ngắn. Tuy nhiên, để cho việc tách để xảy ra các thành phần cần có thể tương tác với pha tĩnh. Nếu các hợp chất không tương tác với pha tĩnh, thời gian lưu giữ sẽ giảm. Sự phân ly tốt nhất thường được quan sát cho gradient nhiệt độ. Bởi vì sự khác biệt trong phân cực và ở điểm sôi được sử dụng.

Cột nhồi sắc ký khí
Cột nhồi sắc ký
  1. Tốc độ khí mang

Tốc độ dòng khí cao làm giảm thời gian lưu giữ. Nhưng sự tách kém sẽ được quan sát thấy. Giống như trên, các thành phần có rất ít thời gian để tương tác với pha tĩnh và chỉ bị đẩy qua cột.

  1. Chiều dài cột

Cột thường cải thiện sự tách biệt. Cụ thể là thời gian lưu làm tăng tỉ lệ thuận với chiều dài cột. Và một đỉnh cao mở rộng đáng kể sẽ được quan sát cũng vì tăng khuếch tán dọc bên trong các cột. Các phân tử khí không chỉ theo một hướng mà còn ngang và ngược lại.

  1. Thể tích mẫu

Lý tưởng nhất là, các đỉnh trong sắc ký đồ hiển thị một hình dạng đối xứng (đường cong Gauss). Hầu hết các máy dò tương đối nhạy cảm. Và không cần phải có rất nhiều vật liệu để sản xuất ra một tín hiệu phát hiện được. Nói đúng ra, điều kiện tiêu chuẩn chỉ có 1-2% của hợp chất tiêm vào lỗ chích đi qua cột. Bởi vì hầu hết các công cụ sắc ký khí đang hoạt động ở chế độ tách. Để tránh quá tải cho các cột và các máy dò. Các chế độ splitless sẽ chỉ được sử dụng nếu mẫu có nồng độ cực kỳ thấp trong điều kiện của phân tích.

  1. Kết luận

Nhiệt độ cao và tốc độ khí cao làm giảm thời gian lưu giữ. Chất lượng tách của chất cũng kém đi.

Những loại đầu dò nào được sử dụng trong sắc ký khí

Khối phổ (GC / MS)

Nhiều máy sắc ký khí được kết hợp với một máy phổ khối là một sự kết hợp rất tốt. Các sắc ký khí tách các hợp chất. Trong khi khối phổ kế sẽ giúp xác định chúng. Dựa trên mô hình phân mảnh.

Đầu dò ion hóa Ngọn lửa (FID)

Loại đầu dò (Detector) này rất nhạy cảm đối với các phân tử hữu cơ (10-12 g/s = 1pg/s, tuyến tính khoảng: 106-107). Nhưng tương đối không nhạy cảm đối với một vài phân tử nhỏ. Tức là, N2, NOx, H2S, CO, CO2, H2O. Nếu một lượng thích hợp của hydrogen/không khí được trộn lẫn.

Detector dẫn nhiệt (TCD)

Đầu dò này là ít nhạy hơn so với FID (10-5-10-6 g/s, tuyến tính khoảng: 103-104), nhưng rất thích hợp cho các ứng dụng chuẩn bị. Bởi vì mẫu không bị tiêu diệt. Việc dò tìm dựa vào việc so sánh hai dòng khí. Một trong hai dòng chỉ chứa khí mang. Một dòng khác có chứa khí mang và hợp chất. Heli hoặc hydro được sử dụng để tối đa hóa sự khác biệt nhiệt độ. Sự khác biệt giữa hai sợi (= dây vonfram mỏng).

http://www.case.vn/DataNews/News/131/GC2010Plus_2.jpg

Detector cộng kết điện tử (ECD)

Đầu dò này bao gồm một khoang chứa hai điện cực và một nguồn bức xạ phát ra -radiation (tức là, 63Ni, 3H). Sự va chạm giữa electron và khí mang (methane cộng với một khí trơ) tạo ra một electron plasma chứa các ion dương. Nếu một hợp chất có mặt có chứa các nguyên tử có độ âm điện, các electron sẽ được “bắt” để tạo thành ion âm. Và tốc độ của bộ điện tử sẽ giảm.

Các máy dò rất chọn lọc các hợp chất với các nguyên tử của ái lực electron cao (10-14 g/s). Nhưng có một phạm vi tuyến tính tương đối nhỏ (~ 102-103). Máy dò này thường được sử dụng trong phân tích các hợp chất clo. Tức là, thuốc trừ sâu (thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu), biphenyl đã polyclo hóa, vv ….