Nguyên lý hoạt động máy sắc ký khí (GC – Gas Chromatography)

Sắc ký khí làm việc thế nào?

Giống như đối với tất cả các kỹ thuật sắc ký khác, kỹ thuật này 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 hoặc hỗ trợ mạnh của chính nó 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 0,25 m phim trong một ống 0,32 mm).

Nguyên lý máy sắc ký khí GC

Việc tách các hợp chất dựa trên những thế mạnh khác nhau của sự tương tác 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). Trong ví dụ trên, hợp chất X tương tác mạnh mẽ hơn với các pha tĩnh, và do đó thiếu đằng sau hợp chất O trong chuyển động của nó thông qua các cột. Kết quả là, hợp chất O có một thời gian lưu ngắn hơn nhiều so với hợp chất X.

Những nhân tố nào 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 (xem thêm chương cực). Việc hạ thấp nhiệt độ sôi là, thời gian lưu giữ ngắn hơn thường là do các hợp chất sẽ dành nhiều thời gian hơn trong pha khí. Đó là một trong những lý do chính tại sao các dung môi nhiệt độ sôi thấp (tức là, diethyl ether, diclometan) được sử dụng làm dung môi để hòa tan mẫu. Nhiệt độ của cột không có phải trên điểm sôi vì mỗi hợp chất có áp suất hơi bằng không không ở bất kỳ nhiệt độ nhất định, thậm chí chất rắn. 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 họ 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)

2. 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. giai đoạn cố định Chiral được dựa trên các dẫn xuất axit amin, cyclodextrins và Silanes chiral có khả năng đồng phân đối tách bởi vì một enantiomer tương tác mạnh hơn so với cái khác với pha tĩnh, thường là do hiệu ứng về không gian hoặc tương tác rất cụ thể khác. Ví dụ, một cột cyclodextrin được sử dụng trong việc xác định các thừa enantiomeric trong thí nghiệm epoxidation chiral (Chem 30CL).

3. Nhiệt độ cột

Một nhiệt độ quá cao của cột trong là kết quả thời gian lưu giữ rất ngắn nhưng cũng trong một tách rất kém bởi vì tất cả các thành phần chủ yếu là ở trong pha khí. Tuy nhiên, để cho việc tách để xảy ra các thành phần cần để có thể tương tác với pha tĩnh. Nếu các hợp chất không tương tác với pha tĩnh, thời gian lưu giữ sẽ giảm. Đồng thời, chất lượng của các phân hủy, bởi vì sự khác biệt trong thời gian lưu không như tuyên bố nữa. 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 ở đây (ví dụ xem kết thúc của chương này)

4. 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.

5. 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. Người ta phải ghi nhớ rằng các phân tử khí không chỉ theo một hướng mà còn ngang và ngược lại. mở rộng này là tỷ lệ nghịch với tốc độ dòng chảy. Mở rộng cũng được quan sát bởi vì tỷ lệ hữu hạn của khối lượng chuyển nhượng giữa các giai đoạn và bởi vì các phân tử đang dùng con đường khác

6. Thể tích mẫu

Lý tưởng nhất là, các đỉnh núi trong sắc ký đồ hiển thị một hình dạng đối xứng (đường cong Gauss). Nếu có quá nhiều mẫu được tiêm, các đỉnh núi thấy một tailing đáng kể, gây ra một tách nghèo. 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 GC 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 là cực kỳ thấp nồng độ trong điều kiện của phân tích.

7. 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

1. Khối phổ (GC / MS)

Nhiều máy GC được kết hợp với một máy phổ khối, mà là một sự kết hợp rất tốt. Các GC tách các hợp chất từ mỗi khác, trong khi khối phổ kế sẽ giúp xác định chúng dựa trên mô hình phân mảnh của họ (tham khảo phổ khối – Mass Spectrometry).

2. 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 = 1 pg / 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, quá trình đốt cháy không đủ khả năng hoặc rất ít ion kết quả là một tín hiệu nền thấp. Nếu các thành phần carbon chứa khác, được giới thiệu đến dòng này, các cation sẽ được sản xuất trong dòng nước thải. Các nguyên tử cacbon nhiều hơn là trong phân tử, các mảnh vỡ hơn được hình thành và nhạy cảm hơn các máy dò là cho hợp chất này. Thật không may, không có mối quan hệ trực tiếp giữa số lượng các nguyên tử carbon và kích thước của tín hiệu. Kết quả là, các yếu tố phản ứng cá nhân cho mỗi hợp chất phải được xác định bằng thực nghiệm cho từng nhạc cụ. Do thực tế rằng mẫu được đốt cháy (nhiệt phân), kỹ thuật này là không thích hợp cho GC chuẩn bị. Ngoài ra, một số loại khí thường được yêu cầu để vận hành một FID: hydro, oxy (hoặc khí nén), và một khí mang.

Hệ thống GC Varian 3800

2. 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 những chỉ chứa khí mang, một trong những khác có chứa khí mang và hợp chất. Đương nhiên, một loại khí tàu sân bay với độ dẫn nhiệt cao tức là, heli hoặc hydro được sử dụng để tối đa hóa sự khác biệt nhiệt độ (và do đó sự khác biệt trong kháng chiến) giữa hai sợi (= dây vonfram mỏng). Các tỷ lệ lớn đất-đối-khối lượng cho phép đến một trạng thái ổn định một cân bằng nhanh chóng. Sự khác biệt nhiệt độ giữa tham chiếu và các sợi tế bào mẫu được giám sát bởi một mạch cầu Wheatstone (học sinh học về mạch này trong vật lý!).

1. 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 và 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 sưu tập điện tử sẽ giảm. Các máy dò là 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 mà nó thể hiện một sự nhạy cảm rất cao.