Sắc ký khí (Gas chromatography (GC))

Nguyên lý hoạt động

GC dựa trên sự phân bố khác nhau của các thành phần trong mẫu giữa hai pha: pha động và pha tĩnh.

• Pha động: là một khí mang trơ (ví dụ: heli, nitơ, argon), có nhiệm vụ mang mẫu qua cột sắc ký. Khí mang phải trơ để không phản ứng với mẫu hay pha tĩnh.
• Pha tĩnh: là một chất lỏng phủ lên bề mặt của một chất rắn xốp, được chứa trong một cột mao quản dài và mỏng. Pha tĩnh có thể là polymer lỏng hoặc chất rắn hấp phụ. Sự tương tác khác nhau giữa các thành phần trong mẫu với pha tĩnh là cơ sở của quá trình tách.

Khi mẫu được đưa vào hệ thống GC, nó được làm bay hơi (thường bằng cách tiêm vào buồng làm nóng) và được khí mang đưa qua cột. Các thành phần trong mẫu tương tác với pha tĩnh với mức độ khác nhau. Các thành phần có ái lực mạnh hơn với pha tĩnh sẽ di chuyển chậm hơn qua cột, trong khi các thành phần có ái lực yếu hơn sẽ di chuyển nhanh hơn. Sự khác biệt về tốc độ di chuyển này dẫn đến sự tách các thành phần thành các băng riêng biệt khi chúng thoát ra khỏi cột và được detector ghi nhận. Thời gian một chất di chuyển qua cột được gọi là thời gian lưu và là đặc trưng cho mỗi chất trong điều kiện vận hành cụ thể.

Cấu tạo của hệ thống GC

Một hệ thống GC điển hình bao gồm các thành phần sau:

• Nguồn khí mang: Cung cấp khí mang (như heli, nitơ, hoặc hydro) với áp suất và lưu lượng ổn định. Độ tinh khiết của khí mang rất quan trọng để tránh nhiễu và đảm bảo tuổi thọ của cột.
• Bộ phận tiêm mẫu: Dùng để đưa mẫu vào hệ thống. Quá trình tiêm mẫu phải nhanh và chính xác để đảm bảo hiệu quả tách. Các kỹ thuật tiêm mẫu phổ biến bao gồm tiêm chia dòng và tiêm không chia dòng.
• Cột sắc ký: Là nơi diễn ra quá trình tách các thành phần. Cột thường được làm bằng silica nung chảy và được phủ pha tĩnh. Có hai loại cột chính: cột nhồi và cột mao quản. Cột mao quản được sử dụng phổ biến hơn do hiệu quả tách cao hơn.
• Lò cột: Điều chỉnh nhiệt độ của cột sắc ký. Nhiệt độ lò có thể được giữ cố định (chế độ đẳng nhiệt) hoặc thay đổi theo chương trình nhiệt độ đã được thiết lập để tối ưu hóa quá trình tách.
• Detector: Phát hiện và đo lượng từng thành phần khi chúng thoát ra khỏi cột. Detector tạo ra tín hiệu điện tỷ lệ với lượng chất phân tích.
• Bộ phận ghi dữ liệu: Ghi lại tín hiệu từ detector và tạo ra sắc ký đồ. Sắc ký đồ biểu diễn tín hiệu detector theo thời gian và được sử dụng để định tính và định lượng các thành phần trong mẫu.

Các loại Detector thường dùng

• Detector ion hóa ngọn lửa (FID): Phổ biến nhất, nhạy với hầu hết các hợp chất hữu cơ, hoạt động bằng cách đốt cháy các chất phân tích trong ngọn lửa hydro.
• Detector dẫn nhiệt (TCD): Phát hiện mọi chất, nhưng độ nhạy thấp hơn FID, hoạt động bằng cách đo sự thay đổi độ dẫn nhiệt của khí mang do sự có mặt của chất phân tích.
• Detector bắt electron (ECD): Rất nhạy với các hợp chất halogen hóa, hoạt động bằng cách đo sự giảm dòng điện do các chất phân tích bắt electron.
• Detector khối phổ (MS): Cung cấp thông tin về khối lượng phân tử của các thành phần, giúp xác định cấu trúc, hoạt động bằng cách ion hóa các chất phân tích và phân tách các ion theo tỷ lệ khối lượng/điện tích.

Ứng dụng của GC

GC được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:

• Phân tích môi trường: Xác định các chất ô nhiễm trong nước, không khí và đất.
• Công nghiệp thực phẩm: Kiểm tra chất lượng và an toàn thực phẩm.
• Dược phẩm: Phân tích thuốc và kiểm soát chất lượng.
• Hóa dầu: Phân tích thành phần của dầu mỏ và khí tự nhiên.
• Pháp y: Phân tích ma túy và chất độc. Ngoài ra, GC còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như hương liệu, mỹ phẩm, và nghiên cứu.

Ưu điểm của GC

• Độ nhạy cao: GC có thể phát hiện các chất ở nồng độ rất thấp, thường ở mức phần triệu (ppm) hoặc thậm chí phần tỷ (ppb).
• Khả năng tách các hỗn hợp phức tạp: GC có thể tách các hỗn hợp chứa hàng trăm thành phần khác nhau.
• Thời gian phân tích nhanh: Thời gian phân tích thường chỉ mất vài phút đến vài chục phút.
• Chi phí tương đối thấp: So với một số kỹ thuật phân tích khác, chi phí thiết bị và vận hành của GC tương đối thấp.

Nhược điểm của GC

• Chỉ áp dụng cho các hợp chất bay hơi và bền nhiệt: Các hợp chất không bay hơi hoặc dễ bị phân hủy nhiệt không thể phân tích bằng GC.
• Không phù hợp cho các hợp chất phân cực cao hoặc khối lượng phân tử lớn: Các hợp chất này có thể bị hấp phụ mạnh vào pha tĩnh hoặc bị phân hủy nhiệt trong quá trình phân tích.

Một số công thức liên quan (đơn giản)

• Thời gian lưu (t_R): Thời gian một chất phân tích di chuyển từ điểm tiêm mẫu đến detector.
• Chỉ số lưu (I): Được sử dụng để so sánh thời gian lưu của một chất phân tích với thời gian lưu của một chất chuẩn. Chỉ số lưu giúp xác định chất phân tích độc lập với điều kiện vận hành cụ thể.

Mặc dù không có công thức phức tạp được trình bày ở đây, việc hiểu các nguyên tắc cơ bản của GC và các thành phần của nó là rất quan trọng để hiểu được sức mạnh và ứng dụng của kỹ thuật này.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng tách

Hiệu năng tách của GC phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm:

• Loại cột sắc ký: Cột mao quản có hiệu năng tách cao hơn cột nhồi do có chiều dài và diện tích bề mặt lớn hơn.
• Pha tĩnh: Chọn pha tĩnh phù hợp với các chất phân tích cần tách. Pha tĩnh phải có ái lực khác nhau với các chất phân tích để đạt được sự tách hiệu quả.
• Nhiệt độ cột: Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ di chuyển của các chất phân tích. Nhiệt độ quá thấp sẽ làm tăng thời gian phân tích, trong khi nhiệt độ quá cao có thể làm phân hủy mẫu.
• Lưu lượng khí mang: Lưu lượng khí mang ảnh hưởng đến thời gian phân tích và hiệu năng tách. Lưu lượng quá cao sẽ làm giảm thời gian phân tích nhưng cũng giảm hiệu năng tách.
• Thể tích mẫu tiêm: Thể tích mẫu quá lớn có thể làm giảm hiệu năng tách do quá tải cột.

Phân tích định tính và định lượng

• Định tính: Xác định các thành phần trong mẫu dựa trên thời gian lưu của chúng. So sánh thời gian lưu của các chất phân tích với thời gian lưu của các chất chuẩn đã biết. Việc sử dụng detector khối phổ (MS) có thể cung cấp thông tin cấu trúc để xác định chất phân tích một cách chắc chắn hơn.
• Định lượng: Xác định nồng độ của các thành phần trong mẫu dựa trên diện tích hoặc chiều cao của các peak trên sắc ký đồ. Có thể sử dụng phương pháp đường chuẩn hoặc phương pháp chuẩn nội.

Chuẩn bị mẫu

Việc chuẩn bị mẫu là một bước quan trọng trong phân tích GC. Mục tiêu là loại bỏ các tạp chất và cô đặc các chất phân tích. Một số kỹ thuật chuẩn bị mẫu thường được sử dụng bao gồm:

• Chiết xuất lỏng-lỏng: Phân bố chất phân tích giữa hai pha lỏng không tan lẫn vào nhau.
• Chiết xuất pha rắn (SPE): Sử dụng pha tĩnh rắn để hấp phụ chất phân tích từ dung dịch.
• Headspace: Phân tích các hợp chất bay hơi trong không gian phía trên mẫu lỏng hoặc rắn.

Kết hợp GC với các kỹ thuật khác

GC thường được kết hợp với các kỹ thuật khác để tăng cường khả năng phân tích, chẳng hạn như:

• Sắc ký khí-khối phổ (GC-MS): Cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử của các thành phần.
• Sắc ký khí-quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (GC-FTIR): Cung cấp thông tin về các nhóm chức của các thành phần.

• Skoog, D. A., Holler, F. J., & Crouch, S. R. (2017). Principles of instrumental analysis. Cengage learning.
• Harris, D. C. (2016). Quantitative chemical analysis. Macmillan Higher Education.
• Grob, R. L., & Barry, E. F. (Eds.). (2004). Modern practice of gas chromatography. John Wiley & Sons.
• McNair, H. M., & Miller, J. M. (1998). Basic gas chromatography. John Wiley & Sons.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để lựa chọn pha tĩnh phù hợp cho một bài toán phân tích cụ thể bằng GC?

Trả lời: Việc lựa chọn pha tĩnh phụ thuộc vào tính chất của các chất phân tích cần tách. Nguyên tắc chung là “giống tan giống”: các chất phân tích phân cực sẽ tương tác mạnh hơn với pha tĩnh phân cực, và các chất phân tích không phân cực sẽ tương tác mạnh hơn với pha tĩnh không phân cực. Ví dụ, để tách các hydrocarbon không phân cực, có thể sử dụng pha tĩnh không phân cực như polysiloxane (ví dụ: DB-5, DB-1). Đối với các hợp chất phân cực như rượu và amin, có thể sử dụng pha tĩnh phân cực như polyethylene glycol (ví dụ: Carbowax).

Ngoài FID, TCD, ECD và MS, còn có những loại detector nào khác được sử dụng trong GC? Ưu điểm và nhược điểm của chúng là gì?

Trả lời: Một số detector khác bao gồm: detector quang phổ phát xạ nguyên tử (AED), detector quang hóa (PID), detector nitơ-photpho (NPD), và detector ion hóa phóng xạ (NPD). AED cho phép xác định các nguyên tố cụ thể, PID nhạy với các hợp chất chưa no, NPD nhạy với các hợp chất chứa nitơ và photpho, và NPD nhạy với các hợp chất dễ bị ion hóa. Tuy nhiên, mỗi loại detector đều có những hạn chế riêng về độ nhạy, tính chọn lọc và chi phí.

Ảnh hưởng của nhiệt độ lập trình lên hiệu quả tách trong GC là gì?

Trả lời: Nhiệt độ lập trình, tức là việc thay đổi nhiệt độ cột theo thời gian trong quá trình phân tích, có thể cải thiện đáng kể hiệu quả tách, đặc biệt là đối với các hỗn hợp chứa các chất phân tích có điểm sôi rất khác nhau. Bằng cách tăng nhiệt độ cột dần dần, các chất có điểm sôi thấp sẽ tách ra ở nhiệt độ thấp, trong khi các chất có điểm sôi cao sẽ tách ra ở nhiệt độ cao hơn, tránh hiện tượng peak chồng lấp và rút ngắn thời gian phân tích.

Làm thế nào để tính toán số đĩa lý thuyết (N) của một cột GC dựa trên sắc ký đồ?

Trả lời: Số đĩa lý thuyết (N) là một thước đo hiệu quả của cột sắc ký. Nó có thể được tính toán bằng công thức:

$N = 16 (t_R / w_b)^2 = 5.54 (tR / w{h/2})^2$

Trong đó, $t_R$ là thời gian lưu, $wb$ là độ rộng peak ở đáy, và $w{h/2}$ là độ rộng peak ở một nửa chiều cao. N càng lớn, hiệu quả tách càng cao.

Kỹ thuật headspace GC được sử dụng như thế nào và trong những trường hợp nào nó đặc biệt hữu ích?

Trả lời: Headspace GC là một kỹ thuật được sử dụng để phân tích các hợp chất bay hơi trong mẫu rắn hoặc lỏng. Mẫu được đặt trong một lọ kín và được làm nóng để các hợp chất bay hơi phân bố vào pha khí phía trên mẫu. Pha khí này sau đó được lấy mẫu và đưa vào hệ thống GC để phân tích. Headspace GC đặc biệt hữu ích cho việc phân tích các hợp chất dễ bay hơi trong các ma trận phức tạp, như các chất ô nhiễm trong đất, hương liệu trong thực phẩm, và các thành phần bay hơi trong các sản phẩm tiêu dùng. Nó giúp giảm thiểu sự nhiễu từ ma trận mẫu và đơn giản hóa quá trình chuẩn bị mẫu.