Cơ sở lý thuyết và khả năng ứng dụng - Sắc ký khí: Phần 1

Chia sẻ: Lê Thị Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:137

Thêm vào BST

Báo xấu

644
lượt xem 156
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Sắc ký khí là một trong những phương pháp phân tích thông dụng và hiệu quả thuộc nhóm các phương pháp phân tích công cụ. Ngày nay, phương pháp sắc ký khí đã trở thành một công cụ được ứng dụng rất mạnh mẽ trong nhiều ngành khoa học: hóa sinh, sinh học, y học, dược học, hóa học lâm sàng, nghiên cứu xúc tác, hóa học môi trường... Mời các bạn cùng tìm hiểu về sắc ký khí qua Tài liệu sau đây. Tài liệu gồm 2 phần, sau đây là phần 1. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Cơ sở lý thuyết và khả năng ứng dụng - Sắc ký khí: Phần 1

PHẠM HÙNG VIỆT ■ I SẮCRÝ c ạ sở LÝ t ịiu j4 t W,À KHẰ IÌĂH6 í l ỉ ẹ NHÀ XUẤTBẢN ĐẠI HỌC QUÓC GIA HÀ NỘI • • •
PHẠM HỪNG VIỆT SẮC KÝ KHỈ C ơ SỞ LÝ THUYẾT VÀ KHẢ NÃNG ỬNG DỤNG NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
;» vầí ,;tợ ■m
Mục lục t « Trang Lời nói đẩu ix Chương 1: Nhập môn sắc ký khí và các khái niệm cơ bản 1 1.1. Sơ đó thiết bị sắc ký khí 2 1.2, Những khái niệm và phương trình cơ bản của phương pháp sắc ký khi 4 1.2.1. Sự lưu giữ 4 1.2.2. Nàng suất cột tách 8 1.2.3. Hiệu quả cột tách 10 1.2.4. Phương trinh Van Deemter 12 Chương 2: Kỹ thuật và phương thức làm việc của phương pháp sắc ký khí 15 2.1. Càc loại khí mang sử dụng trong sắc ky khí 15 2.1.1. Các điểm cần chú ý khi sử dung khi mang cho các detectơ khác nhau 16 2.1.2, Các đặc điểm của một số khi thường ổươc 5Ú dụng trong sắc ký khí 16 2.2. Cột tách sắc ký khí 17 2.2.1. Phương pháp tẩm pha tĩnh trên chất mang 19 2.2.2. Phương pháp nhói cột tách 21 2.2.3. Châì mang cho sắc ký khí cột nhói 22 2.2.4. Pha tĩhh 25 2.2.5. Một SỐpha tĩnh thưởng sử dụng 26 2.3. Nguyên lý hoạt động của các loại detectơ trong sắc ký khí 28 2.3.1. Detectơ dẫn nhiệt (TCD) 29 2.3.2, Detectơ ion hỏa ngọn lửa (FID) 30 III
2.3.3. Detectơ cộng kết điện tử (ECD) 32 2.3.4. Detectơ Nitơ - Phôtpho (NPD) 34 2.3.5. Detectơ quang kế ngọn lửa (FPD) 35 2.3.6. Các thông số quan trọng của detectơ 36 2.4. Lựa chọn điéu kiện cho phân tích sắc ký khí 38 2.4.1. Chọn kiểu cột tách 38 2.4.2. Chọn pha tĩnh 38 2.4.3. Chọn kích thước cột lách 39 2.4.4. Chọn và phối hợp detectơ 40 2.4.5. Chọn khí mang 41 2.4.6. eiéu khiển nhiệt độ cột tách 41 Chương 3: sắc ký khí mao quản 3.1. Cơ sở lý thuyết của sắc ký khí mao quản 48 3.2.0ánh giá chất lượng cột mao quản 54 3.2.1. Đánh giá cột mao quản trên cơ sò nàng suất tách 55 3.2.2.0ánh giá cột mao quản theo phương pháp chuẩn Grob 58 3.3. Phưong pháp chế tạo cột mao quản 63 3.3.1. Vật liệu và phương pháp kéo cột mao quản 63 3.3.2. Xử lý cột mao quản trước khi tẩm 66 3.3.3. Phương pháp tẩm pha tĩnh lên cột mao quản 70 3.4. Kỹ thuật ỉiến hành sắc ký khí mao quản 72 3.4.1. Gá nối cột mao quản 73 3.4.2. Bộ phận bơm mẫu 74 3.4.3. Các kỹ thuật sử dụng xyranh để bơm mẫu 79 3.4.4. Phát hiện mẫu trong sắc ký khí mao quản 80 iv
Chương 4: Chuẩn bị mẫu cho phân tích sắc kỷ 83 4.1. Kỹ thuật tách và làm giàu sử dụng câc phương phápvât lý 84 4.2. Kỹ thuật tách vá làm giàu sử dụng phương pháp chiếtdung môi 90 4.3. Làm sạch mẫu bằng sắc ký lỏng-rắn 97 4.4. Sử dụng chất nội chuẩn 100 4.5. Kỹ thuật hấp phụ bé mặt dùng để làm giàulượng vết từ dung dịch loăng 101 4.5.1. Phương pháp chiết pha rán 102 4.5.2. Chất hấp phụ cacbon 106 4.5.3. Chất hấp phụ cao phân tử ( polyme) dạng iưới có lỗ xốp 108 4.5.4. Chất hấp phụ polyuretan 112 4.5.5. Chất hấp phụ pha liên kết 1'12 4.5.6. Nhựa trao đổi ion 1’'2 4.5.7. Phương pháp vi chiết pha rắn 114 4.6. Kỹ thuật dẫn xuất hóa ‘'17 4.6.1. Dẫn xuất Alkylsilyl 118 4.6.2. Chất dẫn xuất haloalkylaxyl 121 4.6.3. Este hốa 122 4.6.4. Alkyl hóa 123 4.6.5. Dần xuất chứa pentatlophenyl 124 Chương 5: Phân tích định tính trong sắc ký khí 127 5.1. Phân tích định tính theo các thông số lưu 127 5.2. Các già trị lưu giữ của các đại diện dãy đổng đẳng 128 5.3. Hệ thống chỉ số lưu theo Kovats 30 5.4. Liên hệ giữa các giá trị lưu và cấu trúc cùa các hợp chất 132 5.4.1. So sánh chỉ số lưu của hai hợp chất trong cùng một pha tĩnh 133 5.4.2. So sánh chì số lưu của một hợp chất trên hai pha tĩnhkhác nhau 134
5,5. Đặc trưng hóa độ phân cực và sự lựa chọn pha tĩnh trèn cơ sở các hằng số 137 Rohrschneider và McReynols Chương6: Phântíchđịnhlượngtrongsắc kýkhí 6.1. Cơ sở cắn thiết để đánh giá định lượng 143 6.2. Đánh giả tín hiệu của detectơ - xác định diện tích pic 144 6.2.1. Phương pháp dùng thiết bị đo diện tích 144 6.2.2. Tính diện tích tam giác bằng phương phápthủ công 145 6.2.3. Phương pháp cắt sắc đó và cân trọng lượng 146 6.2.4. Phương pháp sử dụng tích phân kế 6.3. Các phương pháp tính toán định lượng vá chuẩn hóa 146 6.3.1. Phương pháp qui vé 100% 146 6.3.2. Phương pháp ngoại chuẩn 147 6.3.3. Phương pháp nội chuẩn 147 6.4. Hệ số hiệu chỉnh vả cách xác định 148 Chương7: Các kỹthuật phụtrợ 7.1. “Sắc ký khí đa chiếu” 153 7.1.1. Càch rút ngắn thời gian phân tích bằng hệ thống nhiéu cột tách và các ^ khóa chuyển 7.1.2. ứng dụng kỹ thuât bẫy lạnh để lầm giáu mẫu 156 7.1.3. Kỹ thuật tuần hoàn 157 7.1.4. Kỹ thuật cắt trung tâm 158 7.1.5. Kỹ thuât lấy mẫu từ khòng gian hơi 158 7.2. Liên hợp sắc ký khí / khối phd 159 7.2.1. Cấu tạo khối phổ 161 7.2.2. Nguổn ion 162 7.2.3. Chân không trong khối phổ 180 7.2.4. Thiết bị phản tích khối lượng và các detectơ ion 186 7.3. Liên hợp sắc ký khí/phổ hồng ngoại 209 7.4. Một số ứng dụng của phưcmg pháp sắc ký khí 210 VI
7.4.1. Phân tích các hc^ chất thơm 211 7.4.2. Phân tích thuốc 213 7.4.3. Phân tích hydrocacbon 215 7.4.4. Phân tích thuốc trừ sâu,thuốc diệt cỏ vá các hợp chất polyclobiphenyl 217 7.4.5. Phân tích các phenol 222 7.4.6. Phân tích các hợp chất hydrocacbon thơm đa vông (PAHs) 225 7.4.7. Phân tích câc hợp chất bay hơi (VOCs) 226 7.4.8. Phân tích các dung môi 230 Phụchương 235 1. Xác định thời gian chết từ thời gian lưu của 3 cấu tử Ữ1UỘCcùng một dãy đổng đẳng 235 2. Xác định mối quan hệ cơ bản giửa hiệu suất phân giải, nàng suất tách, độ chọn 237 lọc của pha tĩnh và hệ số dung lượng 3. Xác định độ dày của lớp phim pha tĩnh từ các dữ liệu cùa quá trinh tẩm cột tằng 240 phương pháp tĩnh 4. Pha tĩnh lỏng 242 5. Các dữ liệu vé chất nhói cột sử dụng polyme xốp 248 Tài liệuthamkhảo 263 vii
Lời nói đầu N iịà \ IHÌV, phươỉìiị p h á p sắc ký khi â ã tì ỏ' thành m ộ t côtiiỊ cụ được ứtiỊỊ cỉụiiịỉ rấ t m ạnh m ẽ trong nhiều ngành klioii học: hóa sin h , sinh học, y học, dược h ọc. lìóa h ọ c lâm sùniỊ, iiiỊÌiiêii cứu .XÍIC rác, hóa h ọ c m ô i trường... sâ c k \ k h i khóiiiỊ c h ỉ đư ợ c coi là cônỵ CII ìiữii lìiệii cho niỊlìiên cthi c ơ h ủ ìì m ù còn có ứtiiỊ clụnỊỊ h ế t sức quan trọììỊị troiiiỊ Ả'V tliuậí, trong c á c th iế t hị p h â n tích tự d ộ iiiỊ của cô n g /líỊhiệp h ó a í hât i roìiỊ n h ư tro iii' rôniỊ n g h ệ n ó i chung. San ìiơỉi m ư ời nủni iỊÌảniỊ clạ\ c lìinêii đé "'Sắ( kỷ k h í ' ch o sinh viên khoa H ó a h ọ c cũiiịỊ ìiliiỉ thường xu yên làm việc với th iết h ị sấ c kỷ khi, túc g iả m u ô n viết tuột cuốn sách với niục (ííiii iỊÌúp các sinỉỉ viên n ó i liê n g và hạn đ ọ c nói chiini> h iểu được Ịìlnìng vấn d ề cơ hàn trong sắ c ký khi, đ ồng thời lĩnh h ộ i được nhữ ng k ỹ tiìuật m ới. đặc hiệt lù tronịỉ lĩnh vực sắ c ký k h í m a o qu ả n , ‘\suc ký k h i đ a c h iê u " i ũnịỊ n h ư các kỹ thuật ghép n ố i sắ c ký k h i với cứ( th iết hị ỊỊÌài tlìich cấu trúc n h ư khối phổ, (ỊitarìịỊ p h ổ h ổ n g ngoại chuyển h ó a P o u rie r... C u ô /I sách "'C ơ sở lý thuyết của p h ư ơ ìig p h á p s ắ c kỷ k h r đ ã dược N liù M uĩt hàn K h o a h ọ c vù K ỹ thuật p hát lìành vào tlìáỉiiỊ 2 năm 2003. Sưu khi xu ấ t hỏ n , tu y thời ^iưii l ât HỊỊắ/i, tÍH ịỊÌâ đ ã nhận được n hiều ỷ kiến k liíd i lệ i íai^ n h ư âốtìỊỊ’ \ịóp của các (Íồníị HỊ>liiậỊ) và hạn đọc. T rên c ơ s à đó, tá c giả đ ã tìtụnh d ạ n sửa chữa vù h ổ Sỉoiỵ tliéni m ột sô p h ầ n , đ ặ c h iệ t lù p h ầ n p h ụ vìnỉơng n h ằ m tăng kh ả iiăniỊ trơ cínt \'ê các loại c h ấ t m ang và p h a tĩnh, Ịịiúp cho tìĩịười s ử d ụ n g d ễ cỉùiHị lựa i liọỉi và (íặt nuui cúc vật ìiệu p h ù hợỊ) cho y ê n câii tcu lì củ a m ình. C hính vì vậy. cuốn sách ra m ắt h ạ n đọ c lần này được đ ặ t tên ''Sắr ký k ìú - C ơ s ỏ lỷ thuyết vù khả tiủniỊ íừiịỊ d ụ n g " đ ể p h ù ììỢỊ) hơỉi với nội choiỊị;. V ê thực chất, đ ủ \ chính là lần tái hàn ró hoủii.thiện và nâng cao íiầu tiên của cuốn sách “C ơ sỏ lý thuyết của phương p h á p sắc kỷ k h r đ ã được N ììà xu ú t hàn K h o a h ọ c và K ỹ thuật p h á t hùììh trước đáy. C uốn sách “Sắ c ký k h í - C ơ sà lý thuyết và kh ả n â n g i’ờ ig d ụ n g " có th ể c o i lù tài liệu tra cíùi giúp icli cho (á c kỹ SIÍ, (Ún h ộ k ỹ th u ậ t cũniỊ n h ư k ỹ ĩỉtu ậ t viên pỉiòiiịỊ th i ìiiịhiệni, nhữiiiỊ n^tfời íroniỊ côììg việc h à n g ngày sử ix
íỉụng th iết bị sắc kỷ khí. Đ ổ i với sình viên cúc trườììg Đ ạ i ỈÌỌ C \'à C a o (ỉẳììị’. cuốn sách n à y có th ể dược s ử d ụ n g lủ n i ^ iá o trìn h , iỊÌtip cho h ọ c ó k h á i Iiic iìi tổng íỊiiUii về lý thuyết, HỊỊiivêii tắc, phương pháp luậìì \‘ù Iihữm ; kììiì lìàiiỊỊ ih iiỊ d iiH iỊ của p h ư ơ ng p h á p sắc ký k lìi. C ác h ình v ẽ được trìììh b à y troniỊ sách, hầu h ế t được rú t ra rừ cái ịịiúo trh ih và tù i liệ u nước n g o à i vê chuyên n g ủ n lì sắc ký khí. T ro n ịỊ m ộ t sô liỉn lì vẽ vẫn đ ể HịỊuyên cá c chú thích h ằ n g tiế n g A tih h o ặ c tiế tìỊị Đ ứ c m à k liỏ n x chuyển thành tiêhg V iệt đ ể hạn đọ c tham khảo và k h ô n ^ Ịàni th a y (lỏi V ỉìiỊh ĩa k ỉìo a học cù a th u ậ t ngữ. T ro n g khu ôìì k h ổ h ạ n hẹp của t u ô ìi s ín h , không th ể trìn h h ủ y được lìẻ i tấ t các k ỹ th u ậ t m ớ i ÍÌĨIH Ị n h ư k h ử ỉiủ tiịị ííiiiỊ dụng rộ n g ỉớ n cùa phư ơ ng p lìá p sắc kỷ khí. V à tro n g k h i h iê n s o ạ n tà i liệ u , không th ể trá n h k h ỏ i những th iế u só t về trìn h hủy cũng n h ư vê v iệ c chọn lựa th ậ t chính xá c cá c th u ậ t tìiịừ ch uyên m ôn vù danh p h á p của chii Yi'11 HíỊÒiili hẹp sắc ký khí. T á c g iả hế t sức ho an nghênh, t ảr/i ơn vù m o n ^ tiê p tụ c nhận được nhữìỉg ỳ kiến đ ó n g góp cùa hạn đọc. N h â n d ịp này, tá c g iả x in hà ỵ tỏ lò n g càrn ƠII tớ i cúc anh c h ị rà c ú c h ọ ii đồng ng h iệp đ ã c ộ n g tác h iệu quử trotiịỊ khuôn k h ổ x â v (iipiịỊ ọc H ù , H V C H . P I h ị i ì i B iên Cương, đặc h iệ t lù TlìS. N ịịu y ễ n T h ị A n h H ư ờ n iỊ th u ộ c T r u n iị tá m N iịh iê iì ciùt C ô n g nghệ M ô i trườììg và P h ú t triển B ền vữnỊỊ đ ã cộnịỉ tác, đ ó n ịỊ vui trò t r ợ ỉ ỷ g iả n g d ạ y tro n g các c h ỉíơ tig trìn h thự c tập chuyên â é cho sin h viên cao h ọ c và giúp đ ỡ rấ t /liệu q u ả trong việc h o à n i hỉnh h ả n th ả o củ a cu ốn sách. C u ố i cCmg, tá c g ià cũng hủ y tỏ lờ i cảm ơri tớ i tấ t cả cá c hạn đồng nghiệp tro n g và n g o à i kh o a H ó a h ọ c, trư ờ tìg Đ ạ i h ọ c K h o a h ọ c T ự n h iê n • Đ ạ i h ọ c Q uốc gia H à n ộ i đ ã tạo đ iều kiện và giúp đ ỡ dư ới m ọ i h ìn h thức đ ể cuốn sách nà y được ra m ắ t hạn đọ c kịp thòi. H y vọng cu ố n sá ch s ẽ giÚỊ) íi 'h it nh iều cho bạn đọc. Hà Nội, 7 - 2004 Tác giả
Chương 1 Nhập môn sắc ký khí và các khái niệiĩi cơ bản N gày n ay sắc k ý k h í (G a s C liio m a t o s ia p h y - G C ) đ ã trở th à n h m ộ t trong những phương pháp sắc kv quan trọng nliât đế tách, xác định cấu trúc, nghiên c ứ u Cik t h ô n g số hóa lý như hệ số hoai độ, entanpi, n h iệ t hóa hơi, hệ s ố k h u ế c h t á n p h â n tử , đ ộ n g lio c x ú c tá c v . v . . . T u y h iệ n n a y k ỹ t h u ậ t s ắ c k ý k h í c ó t ố c đ ộ p h á t t r iể n c h ậ m đ i s o \ ó i k ỹ t lu iA l s ã c k ý l ỏ n g c a o á p ( H P L C ) , n h ư iig n ó v ẩ n đ ư ợ c c o i là p liir ơ n u t iệ n d ầ u la y c ù a c á c n h à h ó a h ọ c , đ ặ c b iệ t là các nhà hóa học hữu cơ. N ăm 1 9 5 2 , m á y s ắ c k ý k l i í d ầ u t i c i i đ ư ợ c ra đ ờ i d ư ớ i s ự c h ủ t r ì c ủ a g i á o s ư K e u l e n i a n i i v à c á c c ộ n g tá c v iê n . T ừ đ ó , k ỹ t h u ậ t s ắ c k ý k h í n g à y c à n g đ ư ợ c h o à n c h i n h v à p h á t t r iế n lâ t n h a n h . N g à y n a y , c ù n g v ớ i s ự p h á t t r iể n n i ạ n h m ẽ c ỉ i a k h o a h ọ c k ỹ t h u ậ t , p h ir ư n g p h á p s ắ c k ý k h í đ ư ợ c h iệ n đ ạ i h ó a rà't n h i c u v à n g à y c à n g đ á p ứ iig tỏ i lu n i c h o Iih u c ấ u c ủ a x ã h ộ i h iệ n đ ạ i. T r o n g s ắ c k ý k h í , m ẫ u d ư ợ c lá c h d o s ự p h à n bô' g iữ a p h a t ĩn h v à p h a động nhừ cơ chế hấp phụ, phân bô hoặc kết hợp cả hai cơ chế này. Khi pha t ìn h l à m ộ t c h ấ t h ấ p p h ụ r ắ n t h ì k ỹ t lu iậ t p h â iì t íc h đ ư ợ c g ọ i là s ắ c k ý k h í - r ắ n (GSC). Khi pha lỏng được gắii Icii bé mậl cúii cỊiấ! mang trơ hoặc được phù dưới dạng một lớp phim mỏng lêii thành cột mao quàn thì kỹ thuật này được g ọ i l à s ắ c k ý k h í - l ỏ n g ( G L C ) . V ậ t l i ệ i i t á c h c ó (h ế ớ d ạ n g b ộ t t h ỏ , đ ư ợ c t ẩ m m ộ t p h a l ỏ n g v à n h ồ i v à o c ộ t m à d ò i i í ỉ k h í m a n g c ó t h ể le n l ỏ i đ i q u a . Đ â y là m ộ t v í d ụ đ i ể n h ì n h c ủ a s ắ c k ý k h í c ộ t n h ồ i, N ế u c h ấ t h ấ p p h ụ , p h a l ỏ n g hoặc cá hai được phù lên trên thành của cột mao quản ống hẹp thì kỹ thuật n à y đ ư ợ c g ọ i là c ộ t m a o q u a n h ớ tẩ m t r ự c íiố p lê n c ộ t ( W C O T ) , c ộ t m a o q u ả n h ở t ẩ n i g i á n t iế p q u a lớ p c h ấ t m a n g ( S C O T ) h o ặ c c ộ t m a o q u ả n h ở t ẩ m t r ự c t iế p q u a lớ p x ố p ( P L O T ) . Sắc ký khí sử dụng cột nhồi ngày nay đã dần dần nhường chỗ cho kỹ thuật sắc ký khí sử dụng cột mao quán. Ngoài ra, thiết bị sắc ký khí còn 1
được ghép nối thành công với các thiết bị xác định cấu trúc nhir khối ph) (MS), quang phổ hồng ngoại chuyển hóa Pourier (FT - IR). Tuy nhiên vẫi phải nhấn mạnh rằng, trong một thiết bị sắc ký khí, phần quan trọng nhất li cột tách và detectơ. Các thiết bị được ghép nối với sắc ký khí như MS, FT - IR chỉ đóng vai trò như một loại dctectơ đặc biệt. Chương này sẽ giới thiệu sơ lược về lịch sử phát triển và các khái niệm cơ bản của phương pháp sắc ký khí. Trong những năm gần đây, sự phát triêii nhanh chóng của việc chế tạo các loại vật liệu nhồi cột mới và sự ra đời của những thiết bị sắc ký với nhiều tính năng và có thể ghép nối với các thiết bị ngoại vi đã làm giảm bớt tầm quan trọng của sắc ký cột nhồi, thậm chí với cả các hỗn hợp phân tích đơn giản. Tuy nhiên, việc phát triển lý thuyết cũng như thực hành trong phương pháp sắc ký khí sử dụng cột nhồi vẫn rất cần thiết và không thể bỏ qua được. Đặc biệt đối vói các ứng dụng phân tích khí vô cơ hoặc các chất hữu cơ nhẹ (từ C|-Cj) và thậm chí để phân tích các hợp chất có phân tửnhỏ với độ phân cực cao nhưancol, amin bậc thấp thì việc sử dụpg cột nhồi vẫn là sự lựa chọn tối ini nhất. 1.1 Sơ đồ thiết bị sắc ký khí Sơ đồ thu gọn của thiết bị sắc ký khí được mô tả trong hình 1,1. Đo dòng 1 xử li Seplum ■ ttf M«u ọ Chinh áp suất t Chi nh dòng BO chia dồng Buỉng điểu nhiệt = Ỉ B O phận cấp khi mang Hình 1.1: Sơ đổ thiết bị sắc ký khí Hai bộ phận quan trọng nhất của thiết bị sắc ký khí là hệ thống cột tách và detectơ. Nhờ có khí mang chứa trong bom khí (hoặc máy phát khí), mẫu từ buồng bay hơi được dẫn vào cột tách nằm trong buồng điều nhiệt. Quá trình sắc ký xảy ra tại đây. Sau khi rời khỏi cột tách tại các thời điểm khác 2
nhau, các cấu lử lần lượt đi vào cletectơ, tại đó chúng được chuyển thành tín hiệu điện. Tín hiệu này được khuếch đại rồi chuyến sang bộ ghi, tích phân kế hoặc máy vi tính. Các tín hiệu đưưc xử !ý ờđó rồi chuyển sang bộ phận in và lưu kết quà (bộ hiện số, máy ghi hoặc máy in). Trên sắc đổ nhận được, sẽ có các tín hiệu límg với các cấu tửđược tách gọi là pic. Tliời gian kai của pic là đại lượiig đặc trưng (định tính) cho chất cầii tách. Còn diện tích của pic là thước đo địnli lượng cho từng chất trong hỗn hợp c;1n nghiên cứu. Hình 1.2. nêu ra một sô' ký hiệu quy ước của các bộ phận trong sắc ký giúp độc giả nắmđược khi nghiên cihi và sửdụng máy. Chỉnh áp suất íng điểu hòa Chỉnh đòng Cột nhổỉ ơ Đo dòng Cột mao quản Ảp kế Bộ phận bơm mẫu Van kim Bộ phận Cột lọc bỡm niiu có chia dòng LI o o Vùng điểu hòa nhiệt độ Oẹtectơ o o dẫn nhiệt n Delectơ ion hóa ngọn iửa Hnh 1.2: Ký hiệu của một số bộ phận trong sắc ký
1.2 Những khái niệm và phương trình cơ bản của phương pháp sắc ký khí 1.2.1 Sự lưụ giữ Tư liệu của một quá trình sắc ký là sắc đồ. Mỗi pic của sắc đồ ứng với một hoặc một nhómcấu tửcủa hỗn hợp cần tách. Thời gian từ khi bơm mẫu đến điểm cực đại của pic được gọi là thời gian lưu toàn phần (thường gọi là thời gian lưu) Ir, nó bao gồm cà thời gian chết (chính là thời gian lưu của một cấu tử trơ như không khí, mêtan... đối với pha tĩnh) và thời gian lưu thật (còn được gọi là thời gian lưu hiệu chỉnh) t \ . t R = t R - t „ (1.1) Như vậy, không khí thường được sử dụng để xác định thời gian chết trong detectơ dẫn nhiệt (TCD) vì không khí cho tín hiộu trong detectơ này. Với detectơ ion hóa ngọn lửa (FID) thì không khí lại không cho tín hiệu nên việc xác định thời gian chết được thực hiện bằng cách dùng một cấu tử nhẹ nhất cho tín hiệu, đó là mêtan. Trong trường hợp không sử dụng được không khí và không có mêtan thì có thể xác định thời gian chết từthời gian lưu của 3 cấu tửthuộc cùng một dãy đổng đẳng (xem phụ chương I). Sắc đổ là một giản đổ được trình bày theo không gian hai chiều và có thể đánh giá sắc đồ theo hai hướng khác nhau của hệ tọa độ. Khoảng cách từ giữa đỉnh pic đến điểm bơm mẫu E (tính theo đơn vị thời gian) được định nghĩa là thời gian lưu Ir. Nếu gọi F là lưu lượng dòng khí mang thì có thể xác định thể tích lưu như sau: VR = F .t, (1.2) Tương tựnhưvậy: V , =F.t, = F(t« - 0 (1.3) V u= F. - F.tg (1.4) V r = V,-V„ (1.5)
Trong đó, v „ được gọi là thô tích chết. Thể tích chết của thiết bị sắc ký bao gổm 3 yếu tố; thể lích của pha dộng trong bán thân cột sắc ký, thể tích rỏnii của các chi tiết nối giữa CÕI với detcctơ và thể tích tế bào đo của detectơ. Hình 1.3: sắc đố đảng nhiệt đặc trưng cho một quả trình sắc ký E: điểm bơm mẫu G: pic của khí trơ Do trờ kháng của cột tách liên áp suất đầu cột bao giờ cũng lớn hơn áp suất cuối cột, và có sự giảm áp suất trên suốt chiều dài cột tách. Giả sử như khí mang không có đặc tính dề bị nén, thì có mối quan hệ tuyến tính giữa lưu lượng dòng khí và độ giảm áp suất trên suốt chiều dài cột tách. Nhưng do khả nãng dễ bị nén của chất khí, lưu lượng của khí mang tăng nhanh hơn so với mức độ tăng lên của độ giàin áp suất. Vì vậy, để loại trừ sự phụ thuộc của lưu lượiig dòng F (cũng nhưcủa thể tích lưu Vr, V’r) vào độ chênh lệch áp suất đầu cột, phải sửdụng hệ sốhiệu chỉnh j (hệ số Martin). 5
, , 6) 2 (p/p,)’ - l Pi: áp suất đầu cột p^: áp suất cuối cột Mặt khác, để có thể so sánh các đại lượng lưu giữ được đo ở các diều kiện phòng thí nghiệm khác nhau (nhiệt độ, áp suất), cần phải hiệu chỉnh lưu lượng dòng theocông thức sau: (1-7) Ta XPa Trong đó: Fc; lưu lượng dòng hiệu chỉnh : lưu lượng dòng đo ờcuối cột tách Tc : nhiệt độ cột tách : nhiệt độ phòng : áp suất phòng Ph2o: áp suất hơi nước tại nhiệt độ phòng Từ đó, thu được thể tích lưu hiệu chỉnh theocông thức sau: Vn =V’«.j = t’,.F c .j ^ X - X Í P C .P a (I . H) Đối với các phép đo hóa iý còn sửdụng khái niệtn thể tích lưu riêng Vq. Đó chính là giá trị tính cho Ig pha tĩnh và qui về 0 °c (273 K). Vg = )(1.9) ” l -^ c Wl: Khối lượng pha tĩnh (lỏng) Áp dụng định luật Rault và Henry cho tníờng hợp sắc ký khí - lỏng (pha tĩnh là một lớp phim mỏng bao quanh chất mang rắn) sẽ có mối tương quan giữa Vq và Ỵoo(hộ số hoạt độ của chất tan trong dung môi là pha tĩnh ở nồng độ vô cùng loãng); 6
273. R v.- = (MO) " y ,P M, Trong đó: R: hằng số khí lý tướng P(,: áp suất hơi bão hòa của chất tan tinh khiết tại nhiệt độ đã cho Ml: khối lượng phân tứcủa chất lỏng làmpha tĩnh Trên cơ sở phương trình (1 .1 0 ), có thè’ áp dụng có hiệu quả cao phương pháp sắc ký khí - lòng để xác định hệ sô' hoạt độ, đóng góp vào việc nghiên cứu các hệ chiết lỏng - lỏng cũng nhưhiệu ứng muối. Khi inẫu đi vào cột sắc ký, chúng nhanh chóng phân bố giữa hai pha, pha lỏng (tình) và pha khí (động). Quá trình đó được thể hiện bằng hệ số phàn bố K; c. n JỊ g K= / Co vV, .V o , Nồng độ của chất tan trong pha tĩnh Nồng độ của chất tan trong pha động Khôi lượng chất tan trong pha tĩnh Tiiể tích cùa pha động ” ^Khối lượng chất tan tVorĩgpliãđộng ^^^Thể tích của pha tĩnh ^ K = 'l i - X ^ = kxp ( 1. 12) Trong đó: n ; số mol của chất tan V; thể tích toàn thể của pha tĩnh irong cột tách K: hằng số phận bố, chỉ phụ thuộc vào bản chất của chất tan, pha tĩnh và nhiệt độ mà không phụ thuộc vào kiểu cột tách t*R k; hệ số dung lượng le= , là đại lượng biểu diễn mối tưcmg quan giữa thời gian của chất tan lưu lại trong pha lĩnh so với thời gian chất tan lưu trong pha động. 7
P: tỷ số pha (V ^ ,) Mối liên hệ giữa thế tích lưii và hằng sô' phân bố K được biểu thị bằng phương trình; V« = Vc + K.Vl (1.13) Trong đó: Vg : thể tích của pha động (khí) Vl : thể tích của pha tĩnh (lỏng) Tương tựnhư vậy, có thể nhận được mối tương quan giữa thời gian lini Ir và hằng số phân số K như sau: (1.14) tR=t„{l +K)=^(! +K) u Với L : chiều dài cột tách ũ; tốc độ trung bình của khí mang L V tR = 3 1+ K - ^ (I.I6) ũ Từ phương trình (1.13) và (1.16), có thể xác định được hằng sô' phân bổ K từcác giá trị lưu giữ tị, và v^, nếu biết các giá trị thể tích của pha đông và pha tĩnh Vl- ỉ.2.2 Năng suất cột tách Độ rộngcủa một pic sắc ký trong tmờng hợpbơmmẫu lý tưởng (A t « Ir) chỉ phụ thuộc vào năng suất tách của cột và thèri gian lưu. Năng suất tách của cột sắc ký được thể hiên qua sốđĩa lý thuyết n và được xác định nhưsau: / \ n= (1.17) v ơ / Ir : thời gian lưu của chất tan ơ: độ lệch chuẩn của pic sắc ký 8
Hlnh 1.4: Mối tương quan giữa chiếu rộng cùa píc tại các độ cao khác nhau với độ lệch chuẩn ơ của đuỡng cong hình Gauss Trong (rường hợp lý tưởng, pic sắc ký có dạng hình Gauss thì có thể biểu diễn độ rộng của pic tại điỏm uốn, tại một nửa chiểu cao pic và tại đáy pic nhưsau; tại điểm uốn: w, =2 a (1.18) tại inột nửa chiều cao: =2 ơ (2ln2)''^ =2,355ơ (1.19) tại đáy pic: Wị, =4ơ (1.20) Do vậy, có thể thiết lập mối quan hộ giữa số đĩa lý thuyết n với các đại lượng trên nhưsau: n= - =5,545 ( 1.21) 2,355 j