CHƯƠNG 10 SẮC KÝ KHÍ (Gas chormatography) Sắc ký khí Cột sắc ký đặt trong lò ổn nhiệt 2 Quá trình tách trong sắc ký khí (separation) Trong sắc ký khí, chất phân tích dạng khí được vận chuyển qua cột bằng pha động dạng khí (gọi là khí mang, carrier gas). Trong sắc ký phân bố khí- lỏng (gas-liquid partition choromatoghraphy), pha tĩnh là chất lỏng không bay hơi được liên kết trực tiếp bên trong cột hay là chất mang rắn ở trong cột. Trong sắc ký hấp phụ khí-rắn (gas-solid adsorption chromatography), chất phân tích được hấp phụ trực tiếp trên hạt rắn của pha tĩnh. 3 Sơ đồ thiết bị sắc ký khí 5 3 2 1 4 1.
Mobile phase (carrier gas: He, N2 hay H2 ): Hơi được chạy qua cột bằng khí mang. Sample injector: Mẫu là chất khí hay chất lỏng dễ bay hơi được tiêm qua một vách ngăn (một đĩa cao su) vào một cổng nóng để bốc hơi nhanh chóng. Column: Tách các thành phần trong mẫu phân tích. Cột phải đủ nóng để cung cấp đủ áp lực hơi cho chất phân tích để rửa giải trong một thời gian hợp lý.
Detector: Chất phân tích được chuyển đổi tín hiệu. 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. Computer: Kết quả được hiển thị. 4 Cột sắc ký (Column) Cột mao quản (open tubular column) Cột sắc ký Cột mao quản dài và hẹp, 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.
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. 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. Cột mao quản được dùng phần lớn trong sắc ký khí. 5 Mặt cắt ngang cột sắc ký 1.
Cột mao quản wall-coated có bề dày màng pha tĩnh dạng lỏng từ 0,1-5 µm trên tường bên trong của cột. Cột mao quản support-coated có các hạt rắn được phủ với chất lỏng là pha tĩnh và được gắn bên trong của cột. 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 quả của cột wall-coated và cột nhồi (packed column). 6 Ảnh hưởng của đường kính trong ống cột mao quản tới độ phân giải. Cột hẹp hơn độ phân giải của chất 1 và 2 tăng lên 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. 7 Ảnh hưởng của chiều dài cột mao quản tới độ phân giải.
Số đĩa lý thuyết (N) tỉ lệ thuận với chiều dài cột. Chiều dài cột tăng thời gian lưu tăng. Chiều dài cột tăng độ phân giải các chất cũng tăng lên. 8 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 15 m, đường kính trong 0,32 mm hoạt động ở 40 °C với vận tốc khí mang He là 38 cm/s. 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.
9 Sự lựa chọn của pha tĩnh được dựa trên nguyên tắc "like dissolves like”. Các cột không phân cực là lựa chọn tốt nhất cho các chất tan không phân cực. Cột có độ phân cực trung bình là sự lựa chọn tốt nhất cho các chất phân cực trung gian Cột có độ phân cực lớn là sự lựa chọn tốt nhất cho các chất tan có độ phân cực lớn. 10 Các loại pha tĩnh phổ biến trong sắc ký khí mao quản 11 Độ phân cực của một số chất tan 12 2.
Cột nhồi (packed column) 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. Sắc ký đồ của hỗn hợp alcohol ở 40 °C sử Cột nhồi chứa các hạt chất mang thường là dụng cột nhồi (đường kính trong 2 mm × silica được silica hóa co kích thước siêu đồng đều chiều dài 76 cm) chứa 20% Carbonwax 20M trên chất mang Gas-Chrom R và được bọc với chất lỏng không bay hơi làm pha detector ion hóa ngọn lửa. 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.
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. 13 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).
Pha tĩnh có bề dày 1µm, đường kính 0,32 mm × chiều dài 30m, cột mao quản ở 70°C. 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. Hinh (a): 10 hợp chất được tách ra theo thứ tự tăng nhiệt độ sôi từ pha tĩnh không phân cực. Hình (b): 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 tạo ra lực liên kết với pha tĩnh lớn thứ hai. 15 16 Chỉ số lưu cho một số hợp chất trên các pha tĩnh phổ biến *: Để so sánh, nhiệt độ sôi (b.) 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. 17 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) 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. Khi pha tĩnh trở lên phân cực hơn.
Với (biscyanopropyl)0,9(cyanoproylphenyl)0,1- polysiloxane ở dưới cùng của bảng, benzene được tách rửa sau decan, và nitropropane là tách sau n-C14H30. Chương trình nhiệt độ và áp suất Trong chương trình nhiệt độ, nhiệt độ của một cột được nâng lên trong giai đoạn tách để tăng áp suất hơi chất tan và làm giảm thời gian lưu của các chất được rửa giải cuối. Tại một nhiệt độ ổn định 150 °C, các hợp chất dễ bay hơi hơn được tách ra rất gần với nhau và các hợp chất ít bay hơi có thể không được rửa giải ra khỏi cột. Nếu nhiệt độ tăng từ 50-250 °C với tốc độ tăng 8 °C/phút, tất cả các hợp chất này được tách ra và các đỉnh là khá đồng đều.
Chúng ta không thể tăng nhiệt độ quá cao vì chất phân tích và pha tĩnh có thể bị phân hủy. So sánh (a) đẳng nhiệt và (b) chương trình nhiệt độ. Mỗi mẫu có chứa ankan mạch thẳng chạy trên một cột nhồi đường kính 1,6 mm, dài 6m có chứa 3% Apiezon L (pha lỏng) trên sàng 100/120 chất mang VarAport với tốc độ khí mang He tỷ lệ 10 mL/phút. Độ nhạy của sắc ký chạy với chương trình nhiệt độ 19 gấp 16 lần so với đẳng nhiệt.
Nhiều thiết bị sắc ký được trang bị bộ phận điện tử để điều khiển áp của khí mang. Tăng áp suất đầu vào dẫn đến tăng tốc độ di chuyển của pha động và giảm thời gian lưu. Trong một số trường hợp, các việc lập chương trình áp suất có thể được sử dụng thay cho lập chương trình nhiệt độ để giảm thời gian lưu của các chất được rửa giải cuối. Kết thúc việc chạy sắc ký, áp suất có thể được giảm nhanh chóng về giá trị ban đầu của nó và có thể bắt đầu cho chạy các mẫu mới.
Việc này sẽ tích kiệm thời gian để làm nóng, làm nguội. Chương trình áp suất được sử dụng rất hữu ích cho các chất phân tích mà không thể chịu đựng được nhiệt độ cao. 20 Khí mang (Carrier gas) H2, He và N2 về cơ bản cho chiều cao đĩa lý thuyết tối ưu tương tự nhau (0,3 mm) ở lưu lượng khí khác nhau đáng kể. Tốc độ khí mang tăng theo thứ tự N2<He<H2.
Heli là khí mang phổ biến nhất và tương thích với hầu hết các detector. Đường cong Van Deemter cho sắc Đối với detector ion hóa ngọn lửa, N2 ký khí của n-C17H36 tại 175 °C sử dụng N2, He, hoặc H2 với cột (loại cho giới hạn phát hiện thấp hơn He. wall-coated có đường kính trong 0,25 mm, chiều dài cột 25 m với pha tĩnh OV-101. 21 Ảnh hưởng của khí mang đến việc tách hai hợp chất trên cùng một cột và cùng một chương trình nhiệt độ.
Hạn chế để sử dụng H2 1. Có thể phản ứng với các hợp chất chưa bão hòa trên bề mặt kim loại như một xúc tác. Không thể được sử dụng với detector khối phổ. (Lý do phổ biến mà H2 trước kia là nó tạo thành hỗn hợp nổ trong không khí khi H2 chiếm lớn hơn 4% thể tích.
Tốc độ dòng khí trong sắc ký mao quản có khả năng tạo ra nồng độ nguy hiểm của H2. Máy phát điện sản xuất H2 có độ tinh khiết cao và loại trừ được việc sử dụng máy nén H2 ) Tách hai hydrocarbon polyaromatic trên cột sắc ký wall-coated cột mao quản với các khí mang khác nhau.