Chương 1: Nhập môn sắc ký khí và những khái niệm cơ bản Ngày nay sắc ký khí (Gas Chromatography) đã trở thành một trong những phương pháp sắc ký quan trọng nhất để tách, xác định cấu trúc, nghiên cứu các thông số hóa lý như hệ số hoạt độ, entanpi, nhiệt hóa hơi, hệ số khuếch tán phân tử, động học xúc tác … Tuy nhiên hiện nay kỹ thuật sắc ký khí có tốc độ phát triển chậm đi so với kỹ thuật sắc ký khí lỏng cao áp (HPLC) nhưng nó vẫn được coi là phương tiện đầu tay của các nhà hóa học, đặc biệt là các nhà hóa học hữu cơ. Năm 1952, máy sắc ký khí đầu tiên được ra đời dưới sự chủ trì của giáo sư Keulemann và các cộng tác viên. Từ đó, kỹ thuật sắc ký khí được hoàn chỉnh và phát triển mạnh.1 Sự lưu giữ Tư liệu của một quá trình sắc ký là sắc đố. Mỗi pic của sắc đồ ứng với một hoặc một nhóm cấu tử của 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, nó bao gổm cả 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) Như vậy, không khí thường được sử dụng để xác định thời gian chết trong detectơ dẫn nhiệt (TCD) vì không khí cho tín hiệu trong detectơ này. Với detectơ ion hóa ngọn lửa (FID) thì không khí lại không cho tín hiệu nên viêc xác định thời gian chết được thực hiện bẳng 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 từ thời gian lưu của 3 cấu tử thuộc cùng một dãy đổng đẳng.
Sắc đổ là một giản đồ 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 đinh pic đến điểm bơm mẫu E (tính theo đơn vị thời gian) được định nghĩa là thời gian lưu. Nếu gọi F là lưu lượng dòng khí mang thì có thể xác định thể tích lưu như sau: Tương tự như vậy 6 Trong đó, được goi là thể tích chết. Thể tích chết của thiết bị sắc ký bao gồm 3 yếu tố: thể tích của pha động trong bản thân cột sắc ký, thể tích rỗng của các chi tiết nối giữa cột với detectơ và thể tích tế bào đo của detectơ.
1 Sắc đồ đẳng nhiệt đặc trưng cho một quá trình sắc ký E: điểm bơm mẫu G: pic của khí trơ Do trở kháng của cột tách nên 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 dễ 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 năng dễ bị nén của chất khí, lưu lượng của khí mang tăng nhanh hơn so với mức độ tăng lên của độ giảm áp suất. Vì vậy, để loại trừ sự phụ thuộc của lưu lượng dòng F (cũng như của thể tích lưu ) vào độ chênh lệch áp suất đầu cột, phải sử dụng hệ só hiệu chinh j (hệ số Martin).
: áp suất đầu cột : áp suất cuối cột Mặt khác, để có thể so sánh các đại lượng lưu giữ được đo ở các diểu kiện phòng thí nghiệm khác nhau (nhiệt độ, áp suát), cần phải hiệu chỉnh lưu lượng dòng theo công thức sau: 7 Trong đó : Lưu lượng dòng hiệu chỉnh : lưu lượng dòng đo ở cuối cột tách : nhiệt độ cột tách : nhiệt độ phòng : áp suất phòng : áp suất hơi nước tại nhiệt độ phòng Từ đó ta có: Đói với các phép đo hóa lý còn sử dụng khái niệm thể tích lưu riêng. Đó chính là giá trị pha tĩnh và qui về : khối lượng pha tĩnh Áp dụng định luật Rault và Henry cho trường hợp sắc ký khí - lỏng (pha tĩnh là một lớp phim mỏng bao quanh chất mang rắn) sẽ có mối tương quan giữa và (hệ số hoạt độ của chất tan trong dung môi là pha tĩnh ở nồng độ vô cùng loãng): Trong đó: R: hằng số khí lý tương : áp suất hơi bão hòa của chất tan tinh khiêt tại nhiệt độ đã cho : khối lượng phân tử của chất lỏng làm pha tĩnh Trên cơ sở phương trình (1.10), có thể áp dụng có hiệu quả cao phương phạp sắc ký khí - lỏng để xác định hệ số hoạt động. đóng góp vào việc nghiên cứu các hệ chiết lỏng - lỏng cũng như hiệu ứng muởi. Khi mẩu đi vào cột sắc ký, chúng nhanh chóng phân bố giữa hai pha, pha lòng (tĩnh) và pha khí (đọng).
Quá trình đó được thể hiện bằng hệ số phân bố K : 8 Trong đó: n : số mol của chất tan V : thể tích toàn thể của pha tĩnh trong cột tách K : hằng số phận bố, chỉ phụ thuộc vào bản chất của chất tan, pha fĩnh và nhiệt độ mà không phụ thuộc vào kiểu cột tách k: hệ số dung lượng , là đại lượng biểu diễn mối tương : hệ số pha ( Môi liên hệ giữa thể tích lưu và hẳng số phân bố K được biểu thị bằng phương trình: Trong đó : thể tích của pha động (khí) : thể tích của pha tĩnh (lỏng) Tương tự như vậy, có thể nhận được mối tương quan giữa thời gian lưu và hằng số phân số K như sau: Với L : chiểu dài cột tách : tốc độ trung bình của khí mang Từ phương trình ( 1.16 ), có thể xác định được hẳng số phân bố K từ các giá trị lưu giữ và , nếu biết các giá trị thể tích của pha động và pha tĩnh .2 Năng suất cột tách Độ rộng của một pic sắc ký trong trường hợp bơm mấu lý tường chỉ phụ thuộc vào năng suất tách của cột và thời gian lưu. Năng suắt tách của cột sắc ký được thể hiện qua số đĩa lý thuyết n và được xác định như sau: : thời gian lưu của chất tan : độ lệch chuẩn của pic sắc kí 9 Hình 1. 2 Mối tương quan giữa chiều rộng của pic tại các độ cao khác nhau với độ lệch chuẩn σ của đường cong hình Gauss Trong trường hợp lý tường, pic sắc ký có dạng hình Gauss thì có thể biểu diễn độ rộng của pic tại điểm uốn, tại một nửa chiểu cao pic và tại đáy pic như sau: Tại điểm uốn Tại một nửa chiều cao Tại đáy pic Do vậy, có thể thiết lập mối quan hệ giữa số đĩa lý thuyết n với các đại lượng trên như sau : Nếu gọi chiều cao của một đĩa lý thuyết là h và chiều dài toàn thể của cột là L thì ta có : Trong sắc ký khí cột nhồi, có thể chế được những cột tách có số đĩa lý thuyết tới 3000 đĩa/m, tương ứng với chiều cao một đia lý thuyết khoảng 0,2 -0,5 mm. Những cột tách như vậy có thể tạo ra những pic rất hẹp, ngay với cả thời gian lưu khá lớn.3 Hiệu quả cột tách Để đánh giá hiệu quả một cột tách sắc ký, có thể sử dụng nhiều đại lượng khác nhau.
Trước hềt phải nói đến "số phân tách". Khái niệm này được ký hiệu là TZ là chữ viết fắ 10 của thuật ngữ tiếng Đức "Trennzahl". TZ được định nghĩa là sự phân giải giữa hai thành viên liền nhau của dãy đồng đẳng n-parafin Trong thực tế, TZ chính là số lượng pic có thể chiếm chỗ trong khoảng cách giữa hai pic của hai cấu tử. Khái niệm TZ rất gần với độ phân giải và được định nghĩa như sau : Do Nên Trong trường hợp R=1 hai pic có độ lớn tương tự nhau được phân tách khỏi nhau khoảng 95%.5 thì sự phân giải được coi là hoàn toàn 99,7 %.
3 Sơ đồ biểu diễn độ phân giải Rs Nếu gọi là hệ số tách tương đối, thì có thể biểu diễn sự liên quan giữa và n trong phương trình sau: Từ đó có thể xác định được số đĩa lý thuyết cần thiết đối với một yêu cầu tách nhất định để đạt được độ phân giải như mong muốn. Và khi đã xác định được số đĩa lý thuyết cần thiết, thì có thể tính được chiều dài cột sắc ký tối thiểu lầ bao nhiêu theo phương trình: 11 Trong trường hợp được thay bằng sẽ thu được số đĩa lý thuyết hiệu dụng Từ đó suy ra độ cao hiệu dụng của một đia lý thuyết H là: Do nên ta có: Như vậy, muốn tăng hiệu suất phân giải Rs giữa hai pic lên gấp hai lần thì phải tăng số đĩa lý thuyết N lên gấp 4 lần.4 Phương trình Van Deemter Từ lý thuyết đĩa, có thể xác định được các đại lượng đặc trưng quan trọng là n (số đĩa lý thuyết) và h (độ cao của một đĩa lý thuyết) nhưng không cho biết về ảnh hưởng cảu các điều kiện làm việc (nhiệt độ, áp suất, tốc độ dòng,…đến các đại lượng nói trên. Chỉ sau khi có sự hỗ trợ của lý thuyết động học ("rate theory"), đặc biêt là với sự ra đời của phương trình Van Deemter, thì mọi ảnh hưởng của các thêng số thực nghiệm lên các đại lượng nói trên mới trở nên sáng tỏ. Phương trình Van Deemter được biểu diễn như sau: Trong đó : tốc độ trung bình dòng khí mang : độ không đồng nhất của chất nhồi cột : đường kính trung bình của hạt chất mang : hệ số Labyrinth về đường đi của khí trong cột : hệ số khuếch tán phân tử trong pha khí : hệ số khuếch tán phân tử trong pha lỏng : hệ số dung lượng : độ dày của lớp phim pha tĩnh trên chất mang Trong đó A đại diện cho sự khếch tán tán xạ (còn gọi là khuếch tán Eddy), cho những thông tin về đường đi khác nhau của khí do chất nhồi cột quyết định.
Còn B thì cho những chỉ dẫn về sự khuếch tán phân tử trong pha khí. Đại lượng C biểu thị trở kháng của cột trong quá trình chuyển khối trong pha động cũng như trong pha tĩnh. Sơ đồ biễu diễn sự phụ thuộc của h vào cả 3 thành phần nói trên được trình bày trong hình 1. 4 Sự phụ thuộc của chiều cao đĩa lý thuyết h (cũng như của độ làm doãng pic) vào tốc độ khí mang theo phương trình Van Deemter Nếu lấy vi phân của phương trình (1.