Cơ sở lý thuyết và khả năng ứng dụng - Sắc ký khí: Phần 2

Chia sẻ: Lê Thị Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:129

Thêm vào BST

Báo xấu

216
lượt xem 121
download

Cơ sở lý thuyết và khả năng ứng dụng - Sắc ký khí: Phần 2

Mô tả tài liệu

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung Tài liệu trình bày những khái niệm và phương trình cơ bản của phương pháp sắc ký khí; kĩ thuật và phương pháp sắc ký khí; sắc ký khí mao quản; phân tích sắc ký; phân tích định tính; phân tích định lượng trong sắc ký khí.... Tài liệu gồm 2 phần, sau đây là phần 2. 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 2

('hưưng 5 Phân tích định tính trong sắc ký khí 5.1 Phân tích định tính theu cúc thòng sỏ lưu Nliir dã nêu ử các phần trCMi, thời gian lưu cùa một cấu tử cũng như thể tícli lưu là Iiliữnu đại lượng dặc tnrim định tính cho câu tử phân tích. Các đại lượng này tuy đơn gián trong việc xác định nhưnc có bản chất rất phức tạp vì nó bao cồm loàn bộ bản chãi tircyim tác giữa cáu tứ và pha lĩnh. Đã có rất nhicu nghiên cứu về bán chất tương tác phân tử tìr các đại lượng này. Phân lích địnli tính thường đựa trên việc so sánh thời gian lưu của cấu từ cần xác clỊnli với cliât chuìin hoặc dùng phương pháp (licin. Giữa llic tích lưii và áp suât hưi bão hòa cúa cấu tử tinh khiết có mối liên hệ biếu thị trong phươiig trình (1.10). TiDiig dó, p(, chỉ đặc trimg cho riêng cau từ cần xác định, còn liệ số lìoạt độ y biếu (lìị tirofng tác ngoại phân tử giữa các' cáu (ử và pha tĩnh nên y phụ thuòc vào bán chàt hóa học cúa chúng. CVi p,, và y đều phụ thuộc rãt nhiều vào nliiệt độ. Từ phương trình Clausius Cliipcyron: [[1p _ \ I) ãĩ ' ' R T ' suy ra: In p,, - - +k (5.2) RI Từ (1.10) và (5.2) nhận dưoc; in V, = +k (5.3) RT Khi biếu diễn mối quan hệ uiữa InV^ theo (l/T) có thể hiểu rõ được ý nghĩa cỉia nhiệt độ làm việc cùa cột tách. Nếunliiệt độ của cột tách thấp thì tliời gian phântích sẽ tãng ihco hàm số mũ. Do đó, khixác định hỗn hợp 127
nhiều cấu tử có khoáng nhiệt độ sôi rộng cần chú ý đến chương trình nhiệt độ. Nếu chọn nhiệt độ đẳng nhiệt thì chi thích hợp cho các cấu tử nhẹ CÒII các cấu tử nặng sẽ liai lại rất lâu trong cột tách và pic rất giãn, khỏiiíi xác định được chính xác và ngược lại. Nếu máy không có chương trình nhiệt độ thì có những giái pháp sau đây cho các mẫu có khoảng nhiệt độ sôi rộng: - Tách sơ bộ mẫu bằng phương pháp chưng cất thông thường hoặc sắc ký điều chế. - Phân tích đẳng nhiệt cho từng vùng cấu tử thích hợp c ò n các phần khác không cần để ý. Trưòmg hợp này phải đuổi các cấu tử năng không quan tâm ra khỏi cột tách đế tiến hành cho mẫu khác. Muốn vậy, hoặc tăng nhiệt độ của cột tách lên cao hoặc tăng tức thời tốc độ dòng khí để đuổi cấu tử nặng. Hoặc có một phưomg pháp ưu việt nữa là phương pháp thổi ngược. - Sừ dụng tiền cột có chứa các chất hấp phụ chọn lọc để giữ các cấu tử nặng, chỉ để các cẩu tử nhẹ đi vào cột tách. - Sử dụng chương trình tốc độ dòng. Cách này chí tiến hành được với một số máy sắc ký hiện đại như máy của hãng Carlo Erba. ưu điểm của phương pháp này là sau khi kết thúc việc phân tích, có thể nhanh chóng chỉnh tốc độ dòng về giá trị đầu mong muốn cho mẫu sau mà không phải chờ đợi lâu như trong chương trình nhiệt độ. Tuy nhiên, khi tối ưu hóa cách này phải chú ý rẳng thời gian lưu phụ thuộc tuyến tính vào tốc độ dòng chứ không phái Iheo hàm số logarit như trong chưomg trình nhiêt đô. 5.2 Các giá trị luti giữ của các đại diện dãy đồng đảng Entanpi hóa hơi của các chất chỉ phụ thuộc vào bản chất hóa học của chất đó. Nhưng để hóa hơi các cấu tử ra khỏi một dung dịch (như quá trình tạo cân bằng trong cột tílch) thì entanpi hóa hơi còn phụ thuộc vào bản chất của dung môi. Cấu trúc hay độ phân cực của pha tĩnh lỏng có ảnh hưởng lớn đến entanpi hóa hơi do tương tác giữa các phân tử chất tan với dung môi. Trong các dãy đồng đẳng thì sự hóa hơi của các chất tan tinh khiết tuân theo một quy luật đơn giản và quan trọng như sau: AH luôn được thêm một giá trị nhất định khi số nguyên tử cacbon tăng lên một đơn vị. McReynolds và Rohrschneider nhận thấy có mối quan hệ sau: 128
logp,j = k| + k,n (5.4) A H ,-k , + k,n (5.5) Trong đó; k|, k;, k„ k,,; các hằng số phụ thiióc vào các nhóm chức của dãy dồng đẳng tương ứng n ; số nguyên tử cacbon của mạch Điêm sôiTh củadãy đồng đắng (trừ trưcnig hợp các phân tử có số cacbon quá íl) cũng tãng tỷ lệ thuận với ĩĩ; T „= k ,+ k ,n (5.6) k„ k4 : các hằng số phụ thuộc vào loại nhóm chức Từ mối iươiig quan giữa Vm và p„, cũng Iihư sự phụ thuộc giữa y với số cacbon, thu được: log(V,>, (5.7) Trong đó: x: chỉ số của thành viên thuộc một dãy đồng đẳng nào đó k: hằng số Phương trình này cho thíVy trong các dãy đổng đẳng có mối tương quan bậc nhất giữa logV^ và sô nguyên tử cacbon. Rõ ràng, cấu trúc của các chất nghiên cứu cũng như cùa dung môi (pha tĩnh) quyết định đến các Ihông số lưu giữ và qua mối tương quan bậc nhất đó có thể kết luận rằng các đại lượng lưu giữ trong hệ thống logarit là sự cộng tính của các thông số cấu trúc. Do vậy, có thể suy đoán được độ lớn của thòi gian lưu giữ trên cơ sờ các gia số đại diện cho các thành phẩn cấu trúc. Ngược lại, nếu biết thời gian lưu giữ (xác định từ sắc đồ) có thể rút ra kết luận sơ bộ về cấu trúc. Điều này mở rộng lĩnh vực áp dụng của phưcmg pháp sắc ký, không chỉ là phưomg pháp tách mà còn là phương pháp nghiên cứu cấu trúc. 129
Hình 5.1: Các chỉ số lưu trên pha lỏng phân cực với các hợp chất phân cực thuộc về nhiều dãy đồng đẳng phụ thuộc vào số nguyên tử cacbon 1. Ancol bậc nhất; 2. a. (1) - Anken dioỉ; 3. a - Anken 5.3 Hệ thống chỉ số lưu theo Kovats Như đà trình bày ờ chương 1, thể tích lưu tuyệt đối trong các phép đo thông thường ít được sử dụng vì chúng phụ thuộc vào rất nhiều thông sô' như; lưu lượng dòng, chiều dài cột tách, lượng pha tĩnh, V.V.... Chúng chỉ được dùng để xác định các thông số nhiệt động học như hệ sô' hoạt độ, entanpi hóa hơi, entanpi hòa tan dư, hằng số phân bố,... Với các phép đo rất tốn kém, công phu và đặc biệt đòi hỏi những số liệu chính xác như lượng pha tĩnh, rất khó xác định, nhất là trong sắc ký mao quản. Ngoài ra, những tương tác ngoại phân tử của pha tĩnh và chất mang còn gây ra những khó khăn phụ. Vì vậy, các nhà phân tích thưèfng chỉ xác định thể tích iưu tưcmg đối dựa trên các chất chuẩn quy ưóc để có thể lập thành bảng tra. Song, điều kiện tiên quyết là độ phân cực của hệ chất mang - pha tĩnh, cũng như nhiệt độ cột tách cần phải ổn định và lặp lại. Mối liên hệ giữa logV^ và sô' nguyên tử cacbon 130
CÍUI các thìinh viên trong dãy dỏng daim là luvcn tính. Bởi vậy, về nguyên tắc có thê chọn bât cứ dãy đồng đang nào làm clìuân và chỉ số lưu giữ của bất cứ inôl chất nghiên cứu nào cũng có Ihc xác định dựa trên dãy chuẩn lựa chọn. Trên cơ sở đó, Kovats và E-ttrc đã thống nhất đề nghị chọn dãy đồng đắng n-parafin làm dãy chuẩn nhàm xác định thê tích lưu tương đối. Do các n-parafin không có dị tô' vể nhóm chức nên có thể tránh được hiộu ứng lưỡng cực - lưỡng cực, hiệu ứng cám ứng giữa phân tử lưỡng cực - trung hòa. Giữa chúng và pha tĩnh chỉ đơn thuần có lực tươiig tác khuếch tán Van der Waals nên thế tích luxi của chúng dối với bất cứ pha ũnh nào cũng không chênh lệch nhiểu lắm, có thể coi là cố định. Theo Kovats, chí sô' lưu của một cấu tử sẽ được xác định bằng cách so sánh thời gian lưu của nó với thời gian lini của hai n-parafin, trong đó một cấLi tử được rửa giải ra trước còn cấu tử kia rỉra giải ra sau chất nghiên cứu. Chi số Um Kovats (I) của một cấu tử X trên pha tĩnh y tại nhiệt độ T được tín h theo cồng thức sau ; l ị = 100z + (5.8) Trong đó: z: số nguyên tử cacbon cùa câu tử thuộc dãy đồng đẳng n-parafin, đ ư ợ c r ử a g i ả i r a trư ớ c c â u tử X z+l: số nguyên tử cacbon của cấu tử thuộc dãy đồng đẳng n- parafin, được rửa giài ra sau cấu tứ X Theo định nghĩa này, cứ mỗi nguyên tử cacbon thì chỉ số lưu tăng 10'0 đơn vị. Như vậy, chỉ số lưu của dãy đồng đẳng n-parafin sẽ là 100, 2 0 '0 . 3 ( K ) ... Nẽii sự khác biệt về sô' cacbon giữa hai n-parafin (kẹp cấu tử cần nghiên cứai vào giữa) không phái là 1 mà là 2 hocặc lớn hơn thì phân số trong phương trìmh trên sẽ được nhân với 200, hoặc một bội số tương ứng của 100. Ví dụ sau sẽ làm sáng tỏ điều này. * V í dự: tính chỉ số lưu Kovats cho hợp chất c ó thời gian lưu ú , , = 1.75. Ta có: t K = 1,25; t ' , , = 2 , 5 Ơ . 131
Như vậy tR,x) nằm giữa hai n-parafin thỏa mãn điều kiện irên. > 9 9 ^ R(ii-pciítím) ^ ^ R(x) ^ ^ Rtn*hepiai») Áp dụng phương trình Kovats cho cấu lử X như sau : Ix = 2 0 0 X ( ~ ) + 500 log 2,5 - log 1,25 Ix = 597 Trong trường hợp này có thể nói rằng cấu tử X có sô' nguyên tử cacbon biểu kiếri là 5,97. Cấu tử này rõ ràng có thời gian lưu gần bằng thời gian lưu của n-hexan. I,h„..,= 600 Vì vậy, có thể định nghĩa chỉ số Kovats như sau: Chỉ sô' lưu Kovats được xác định bằng tích số của 100 với số nguyên tử cacbon biểu kiến. Chỉ sô'lưu Kovats có những ưu điểm sau: - Rất ít phụ thuộc vào thông số làm việc, do đó nó là giá trị đạc trimg cho mỗi chất ứng với một pha tĩnh và một nhiệt độ nhất định. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của chúng rất nhỏ và về nguyên tắc chỉ khoảng 2-6 đcm vị khi thay đổi 10°c. - Độ lặp lại của việc xác định chí số lưu của hai phòng thí nghiệm khác nhau chĩ lệch một đơn vị và thậm chí với những điều kiện thuận lợi chi chênh lệch 0,05 đơn vị. Do những ưu điểm trên, chỉ số Kovats đã được xác định và lẠp thành bảng tra cứu. 5.4 Liên hệ giữa các giá trị lưu và cấu trúc của các hợp chất Giữa các cấu tử cần xác định và pha tĩnh có các lực tương tác khác nhau như: - Tương tác lưỡng cực - lưỡng cực - Lực liên kết cầu hydrô, khả năng tạo phức cho-nhận (olefin với các kim loại chuyển tiếp như Rh, Pd, Ag). 132
- Lực Van dcr Wa!ls giữa các phân tir ít plìân cực như các phân lử hyclrocacboii. Thõng thường các loại lực tư(íii
Giá trị thực nghiệm đo được của hợp chất này là Ijị() đúng bằng 895,7. Lý do của sự trùng hợp này là vì hai nhóm chức (vòng propan và nối đỏi) ử cách xa nhau nên không tưcfng tác qua lại. Trên cơ sử đó, môi liên hệ giữa các gia sô với thành phần càu (rúc (nhóin chức) đã được lập thành bảng. Nhimg điều quan trọng là phải nghiên cứu trên pha tĩnh không phân cực để có thế loại bỏ hoàn toàn những tư(íng tác mạnh do sự phiin cực pha tình gây ra. Trong trưỉmg hợp đó, các gia số được gọi là các yếu tố đồng tính và chúng được định nghĩa như sau: H"' = I'' (cấu tử nghiên cứu) - 1'' (hợp chất chuẩn đồng tính). Ví dụ: H'' = I'' ( 1-anken) - r ' (n-ankan tưomg ứng). Hợp chất chuẩn đồng tính là một n-parafin có cùng số cacbon so với chất nghiên cứu và kí hiệu A ở phía trên là biểu thị pha không phân cực. 5.4.2 So sánh chỉ sô lưu ciia một hợp chất trên hai pha tĩnh khác nhau Có thế xác định được chỉ số lưu cùa một hợp chất duy nhất trong hai hoặc nhiều pha tĩnh khác nhau. Các pha tĩnh này có thể tương tác ngoại phân tử với hợp chất cần nghiên cứii theo các dạng cũng như mức độ mạnh yêu khác hẳn nhau. Giả sử một trong hai pha tĩnh không phân cực, có nghĩa là trên pha tĩnh này không tồn tại lực tương tác theo kiểu lưõng cực - lưỡng cực, thì hiệu sô' của hai giá trị I (AI), sẽ là giá trị đặc trưng cho tưomg tác lưỡng cực - lưỡng cực giữa pha tĩnh phủn cực với nhóm chức (cũng như với bộ phận phan cực) của phân tử chất cần nghiên cứii. Trong đó giả thiết rằng, bộ khung cacbon của chất cẩn nghiôn cứu cho đóng góp như nhau đối vói thòi gian lưu giữ ĩr trên cả hai pha tĩnh, một pha phân cực và một pha không phân cực. Bằng cách đó, có thể đặc trưng hóa các phân tử chứa nhóm chức khi thực hiện phép đo sắc ký khí với một pha tĩnh (lỏng) phân cực trên cơ sở đánh giá các giá trị AI của chúng, với điều kiện độ phân cực của pha tĩnh đã được định nghĩa. Thậm chí, giá trị AI của các nhóm chức riêng biệt còn có thể sử dụng làm gia số để dự đoán trước giá trị AI của các hợp chất có chứa các “vùng phân cực" tương ứng. Bảng 5.1 trình bày các giá trị chỉ số lưu (I và AI) của một số hợp chất Q. Các hợp chất này tuy cùng chứa 6 nguyên tử cacbon (mạch hở hoặc mạch vòng khép kín), nhưng lại chiếm giữ các nhóm chức khác nhau. Theo 134
định nghĩa ờ trên, n-hexan c« chi sò lưu Kovais là 600, với bất kỳ một pha tĩnli nào trong số ba pha tĩnh được sử (.lụim ớ cl;ìs: Scịuaian (không phâii cực), Polypropylenglycol (phân cực lìiạnh) và cao su Silicon DC200 (phân cực vừa phái). Quy ước rằng lực tươnc tác nsoạị pliâii từ của các n-parafin với pha ũnli klìòng bị ảnh hường bới độ phân cực ciia pha tĩnh. ìlie o bảng 5.1, dễ thấy rằng các chất Iiỉỉhicn cứu ờ đây được sắp xếp t h e o t h ứ tự d ộ p h â n c ự c t ă n s d ầ n c ù a c á c c iá trị A I . Các giá trị lưu giữ ờ báns 5.1 sẽ được giái thích như sau: 1. n-hexenol có AI lớn nhất, lý do là chúnẹ có tương tác lưỡng cực - lưỡng cực đặc biệt mạnh với sự tham sia của cầu nối hydrô giữa các nhóm hydroxyỉ với nguyên tử ôxy thuộc cííu tnìc ete của polypropylenglycol. Các amin bậc một và bậc hai Iirơng ứng còn có tương tác mạnh hcfn nữa. Bảng 5.1. cấu trúc hóa học và sự lưu giữ{l và Al) của các hợp chất Cg | I X ’200 jl> K i C ấ u trú c T ê n ch át AI H exan 600 600 600 0 H e x e n -1 5 8 4 ,5 591,2 610,5 2 6 ,0 o X y c lo h e x a n 6 7 4 ,8 6 7 2 ,3 6 9 9 ,2 2 4 ,4 1 - C lo h e x a n 8 2 9 ,! 851,6 9 2 2 ,6 9 3 ,5 õ B e n z e ii 651,0 6 9 2 ,3 7 6 7 ,9 116,9 H exanal 741.5 7 9 0 ,2 8 9 9 ,0 137.5 H e x a n o n -2 7 2 6 ,0 781,2 891,0 1 6 5 ,0 0 > X y c lo h e x a n o n 831,1 S 9 3 .9 1038,2 207,1 H e x a n o l- 1 7 9 8 ,5 891,3 1103,8 3 0 5 ,3 135
= Chỉ sô' liai với cột Squalan (100mx0,25mm), T = 100"C jDc:n
5.5 Đặc trưng hóa độ phán cực và sự lựa chọn pha tĩnh trèn cơ sư các hàng sỏ Rohrschneider và McReynols Đối với một càu tử c ó chứa inột Iilióm chức và một bộ khung liydrocacbon không phân cực Iliì nhận được một chỉ số lưii đặc trưng, tùy Iheo mức độ phân cực của pha tình dược sử dụng. Cũng phân tích cấu tử đó trên một pha tĩnh khác không phân cực nlur Squalan thì nhận được một chỉ sô' lưu, hiệu số của hai giá trị đó chính là Al. Nếu lựa chọn một cấu tử tiêu chuẩn có độ phân cực quy định thì có thê đặc trưng được pha tĩnh dựa trên độ lớn ciia AI. Giá trị AI tăng nếu độ phân cực của pha tĩnh tăng. Rohrschneider bằng thực nsliiệm đã cho thấy cần phải sử dụng năm giá trị liru cúa nãni hợp chất tièu cliiiáii đé đặc trimg cha một pha tĩnh thông qua các giá trị AI của pha tĩnh này. Nãm cấu tử đó là benzen, etanol, 2-butanon, nitrometan và piridin. Rohrschneider đã quy dịnh cho mỗi pha tĩnh được nhận năm hằng số X, y, z, II, s. Năm hằng số này chính !à tièu chuẩn cho năm loại tương tác ứng vứi năm cấu tử chuiìin nêu trên. Mỗi chất này được coi là tiêu biểu cho vài nhóm chất liên quan khác nhau (bàng 5.2), Bàng 5.2: Các chất chuẩn do Rohrschneider đề xuất và các nhóm chất đặc trưng K ý h iệ u Chất chuấn C á c n h ó m c h ấ t đ ã c trư n g X B e iiz e n T liơ n i, o le fin y E ta n o l A ỉk o I, n ilr il, a x i í , d i- t r ia n k y l- h a lo g e n u a z 2 -B u tta n o n X e t o n , e íe, a n d c h y t, c s t e , e p o x i, d ẫ n x u ấ t a m in u N it r o m e t a n D ẫ ỉ ì x u ấ t với n h ó m n it r o v à n it r il s P ir id in P ir id in , d io x a n Squalan là pha lĩnh không phân cực, được quy ước có độ phân cực bằng 0. Tưomg ứng với các hằng số đặc trimg cho pha tĩnh (x, y, z, A I, s), có thể gán cho các chất tan 5 hằng số là a, b, c, d, e. Giá trị của các hằng số này của 5 cấu tử chuẩn được liệt kê liong bảng 5.3. Bất cứ một cấu tử nào klníc ngoài năm crái tử chuẩn đã nêu cũng được Iihận nãm hằng số tươiig línig a, b, c, d, e. Khi xày ra một tương tác nào đó. 137
tưởng tượng rằng hai kiểu cấu trúc tương đương, một bên là chất nghiên ciíni và một bên là pha tính gặp nhau, kết quả là tạo ra một sự "lưu giữ" nào dó. Vì cả nãm loại lực tương tác kể trên đều có thể tồn tại song song, nôn giá trị AI chính là sự tổ hợp tuyến tính. Do vậy, ta có phưomg trình sau : AI = ax + by + cz + du + es (5») Bảng 5.3: Các hằng số đặc trưng cho chất tan của năm cấu tử chuẩn Cấu tử a B c d e Benzen 100 0 0 0 0 Etanol 0 100 0 0 0 2-Butanon 0 0 100 0 0 Nitrometan 0 0 0 100 0 Piridin 0 0 0 0 100 Từ định nghĩa này, c ó thể xác định các giá trị X, y, z, u, s như sau: X = I/IOO của benzen trong pha tĩnh sử dụng y = I/IOO của etanoỉ trong pha tĩnh sử dụng z = I/IOO của 2-butanon trong pha tĩnh sử dụng u = I/100 của nitrometan trong pha tĩnh sử dụng s = I/IOO của piridin trong pha tĩnh sử dụng Và có thể rút ra cách xác định thực nghiệm các hằng số Rohrschneidcr của một pha tĩnh như sau: Lấy lần lượt một trong năm cấu tử chuẩn bơm vào cột tách chứa pha tĩnh nghiên cứu và cột Squalan. Xác định chỉ sô' Kovats cho từng cấu tử trên hai cột tách rồi đật hiệu số AI = I r x ~ I r x ’ tro n g đó A - S q u a la n . Tỷ lệ A I/100 sẽ cho các hằng số tương ứng. Ngược lại, nếu biết hằng số Rohrschneider thì có thể tính được hằng số a, b, c, d, e của bất kỳ một cấu tử nào nếu xác định được AI. Ví dụ, xác định các hằng số Rohrschneider cho pha tĩnh OV-17, biết rằng từ thực nghiệm thu được các chỉ sô' lưu I cho năm cấu tử chuẩn trên hai pha tĩnh OV-17 và Squalan (tại T=100°C) như sau: 138
H.M/C, , xọ = 779 Sc|n;ll.in --^«4 Iovn-55C 2 -H lll.U lD lt _ c T Ị B iita tío n _-7 Ị SíỊtl.íl.Uí M )\ 17 - / I U N itm m o l.in __ A c n I N iiio tìic ta n T1f^ .StỊiiaLìii ~ ' i()V-l7 -/lu |’iikJih _ /L(\c Ỵ p m d in _ QA O kị.Kílan ■" ^0V-!7 ” Áp dụng ciíc phương trình trên, ta có: ý ^ Ị Bcti/cii X= = (779 - 649 )x 0,01 = 1,30 100 Ạ Ị E t.in ol y= = (550-384) X 0,0! = 1,66 100 2- Bu I.UI nn AI z= = (7l0-53l)x0.01 = l,79 100 Niíiomct.ui AI u= = (710-457)x0,01 = 2,53 100 i ’i)iciiti AI s= = (942 - 695 )x 0,01 =2,47 100 Như vậy, nếu có một chất A bất kỳ nào dó Ihì có thể tính AI của chất đó như sau: AP = (x^. l ,30) + ( y \ 1,66) +(z^. 1,79) +(u\2,53) +(s^.2,47) Đê’ Xik định các hằng số đặc trưng cho chất A ( x \ y*, z'^, u‘', s''), phải sử dụng các hằng số Rohrschneicier của 5 pha tĩnh khác nhau. Trên cơ sở 5 phưcnig trình với 5 ẩn số, dễ dàng tính được các lìằng sô' đặc trưng cho cấu tử cẩn nghiên cứu. Ngày nay, những tài liệu tra cứu các hằng số Rohrschneider đã trở nên rất phổ biến và dễ tìm. Bảng 5.4 dán ra một số pha tĩnh lỏng và độ phân cực tương ứng cùa chúng. 39
Bàng 5.4: Một số pha tĩnh sắc ký - Độ phàn cực cột tách C h iề u A I /100 dài íỉcnzen EtiUìol 2-Rutiinon N itro in c ta n Hirklin C h ấ t lỏ n g là m p h a t ĩn h cộ t X z u s y (m ) 4 D ầ u S ilic o n D C 2 0 0 0,15 0 ,5 6 0 ,4 7 0,78 0 .4 4 5 A p iz o n L 0 ,3 2 0 ,3 9 0 ,2 5 0 ,4 8 0 ,5 5 2 Ư C O N 550x 1,14 2 ,7 6 1 ,6 8 3,12 2 ,0 8 5 P o ly p h e n y le t e ( v ò n g 5 ) 1.75 2 ,2 7 2 ,3 4 3 ,2 6 2 .8 4 5 N e o p c n t y Ịg ly c o ls u x in a t 2 ,6 8 4 ,8 8 3 ,8 7 6,13 5,21 5 S ilic o n - f lu id - n it r ii 2 ,8 6 4 ,8 0 4 ,4 9 6 ,8 2 4 ,X 9 X F !15 0 2 C a rb o w a x 3,18 5,33 3,81 7 ,0 2 5 ,0 4 3 l , 2 , 3 - t r i- 2 - x ia n e t o x i- 6 ,0 0 8,71 7 ,9 4 11,53 9 ,4 0 p ro p a n 5 S q u a lu n 0 0 0 0 0 Chỉ sô' lư u 649 384 531 457 695 McReynolds đề nghị bổ sung thêm một số chất chuẩn để có thể dự đoán trước được chính xác hơn về tính chất cùa các pha tĩnh lỏng, đồng thời thay thế etanol bằng butanol, 2-butanon bằng 2-pentanon và nitrometan bằng nitropropan. McReynoIds ký hiệu năm chất đầu tiên là X , y, z, u, s, và ký hiệu năm chất bổ sung 2-metyl-2-pentanol; 1-butaniodua; 2-octyn; 1,4- dioxan và cis-hydrindan là H, J, K, L, M. Ba chất chuẩn cuối chỉ cung cấp thêm một số ít cải tiến. Thông thường chỉ dùng bảng hợp chất chuẩn đầu tiên từ benzen cho tới 1-butaniodua. 140
T r o n g v i ệ c t í n h t o á n c á c h a n g s ò M c R o y i i o l d s CỊIIV ư ớ c X, y , z , . . . b ằ n g 1 c h ứ k h ò n g p h á i là 1 0 0 . N h ư v a \ , liã n s í s ố Iliứ n h á t c i i a M c R e y n o l d s X ứ íig v ớ i b c n / . e n là c h ấ t c h i i ấ n c ó thô tín h n h u sau : < __ 4 1 __ Ị ['Ịi.ư ÌT ih 1 K iị/t.'ii Iv ii/t-n Đối với axit béo no và khỏiií: no, k!ìi xót uiá trị X Ihì DEGS>NPGS, điều này râì phù h(yp với thực tê là NPGS tácli tirơnt: clối tốt các este của axit béo no, không no có cùng số nguyén tử cacbon. Một Irong các ứng dụng phổ biến nhất ciui hằng số McReynold và Rohrschneider là xác định các pha giống hệt nhau hoặc tương tự nhau nhằm tránh được viộc sử dụng ttììng lặp. ở đày, sự "giống nhau” hay “tirofng tự” không chỉ liên quan đến cấu tạo hóa học của các pha mà còn liên quan đ ế n cả “sự phân cực" của chúng. Trone bảng 5.5 là các hằng số McReynolds của nãm pha lựa chọn. Bảng 5.5: Các hằng số McReynolđs của một sô pha iỏng đưỢc lựa chọn 9 1 1 K ý h iệ u th ư ơ n g T h à n h p h án h ó a h ọ c X y z’ u’ s m ại E ;th o fa t 6 0 / 2 5 P o ly o x y c ly lc ii iiio M o slca ra t 191 382 244 380 333 E m u lf o i O N - 8 7 0 O le y lp o ly ( o x y c t y le n ) c t a n o l 202 393 251 395 344 U C O N 4 0 -H b - Poly(propy|fĩiglycol) 20? 394 253 392 341 2 0 ()() T r it o i i X-100 T e c - x e t y lp h c n o x v ỊV ìlv 203 399 268 402 362 ( o x y e t y le n ) c t a iio l XE-60 M e t y l ( 7 5 % ) x ia n o c t y l 204 381 340 493 367 (25% ) Silicon Các pha này có thành phần hóa học hoàn loàn khác nhau, nhưng các hằng sô' đặc trưng về pha của chúng thì lại gần sát nhau. Tìiực tế emulíor, triton, và dầu ucon là hoàn toàn giống nhau vổ phương diện sắc ký, nếu thử tách trên emulfor (hì không cần phái tliìr ở hai pha kia nữa. 141
ứng dụng quan trọng khác của hằng sô' McReynolds là sự lựa chọn các pha giống nhau về mặt hóa học, đặc biệt là các sản phẩm Silicon, chúng có thể thay thế cho nhau về phương diện sắc ký. Dựa trên bảng 5.5 có thể lựa chọn pha tĩnh thích hợp cho yêu cầu tách. Nói chung, giá trị lớn của hằng s ò McReynolds hay Rohrschneider có nghĩa là pha tĩnh có khả năng giữ cấu tử cần tách lâu hcfn. Ví dụ, dầu UCON LB-550 tách ancol thích hợp hơn OV-17 vì zZ', =271 và = 158. Còn DEGS thì thích hợp hơn nhiều đê’ tách este so với các pha tĩnh khác (xem z và z). Để tách hydrocacbon thơm khỏi ancol, thì giá trị X hay X và giá trị y hay y’ (xem bảng 5.5) cần phải khác xa nhau. Tuy vậy, cần phải chọn pha tĩnh thích hợp để tiết kiệm thời gian phân tích, có nghĩa là trong sô' các pha tĩnh có tỷ lệ tương đối X, y bằng nhau thì ưu tiên pha tĩnh có giá trị tuyệt đối x’, y’ ở mức độ trung bình từ 100-300, nếu nhỏ hơn thì hiệu suất phân giải không đảm bảo, nhưng nếu lớn quá thì thời gian phân tích quá lâu. Mặt khác, dựa trên các chỉ số này có thể dự đoán được thứ tự rửa giải. Qua bảng 5.5 có thể lựa chọn Carbovvax 20M, DEGA, Reoplex 4000,... làm pha tĩnh cho yêu cầu tách trên. Để có một bức tranh tổng thể sử dụng pha tĩnh phù hợp, các hằng sô McReynold xác định theo nguyên tắc Rohrschneider cũng như các pha tĩnh lỏng tương ứng và các chú ý cần thiết được liệt kê chi tiết trong phụ chương 4. Khi các vấn đề tách trờ nên phức tạp hơn thì có thể lấy nhiều hằng số. Ví dụ, để tách este của axit béo, có thể lựa chọn DEGS hay NPGS dựa trên hằng số Rohrschneider. Bảng 5.6: Các hằng số Rohrschneider cho DEGS và NPGS DEGS NPGS X 4,85 2,60 / y 7,85 4,88 z 6,14 3,87 u 9,50 6,13 s 8,37 6,21 142
Chương 6 Phân tích định lượng trong sắc ký khí Trước hết vẫn cần nhắc lại ráng, sắc ký khí là một phưcmg pháp tách. Các thông tin thu được từ sắc đồ có thế được đánh giá về mặt định tính cũng như định lượng. Tuy nhiên, inức dỏ chính xác và độ tin cậy của việc đánh giá định lượiig phụ thuộc nliicu vào thiết bị và phưoíng pháp được chọn lọc. Độ chính xác cao nhất (với sai số 0,1 đến 0,29t ) chỉ có thể đạt được với sự giúp đỡ của thiết bị điện tử tlìu nliận và xử lý tín hiệu (tích phân kế và máy vi tính). Nếu xử lý tín hiệu bằiig thủ công, mức độ sai số sẽ lớn hơn nhiều, lu y theo Ihành phần của mẫu. sai số này có thê’ dao động từ 2 % tới 100%, thậm chí tới 170%. 6.1 Cơ sư cần thiết đế đánh giá định lượng Đê’ đạt được kết quá phân tích “đúng”, diều cần thiết trước hết là các cấu tỉr nghiên cứu phải dược tách hoàn chỉnh mà không có pic này chồng lên pic khác. Việc nhận biết lất cá các cấu lử quan trọng cần phải được xác định, trên cơ sờ đó tra cứu những hệ số hiệu chỉnh tương ứng từ các tài liệu tham khảo hoặc các sách tra cứu chuyên dụng. Cũng có thể xác dịnh đirợc lìệ sô' hiệu chỉnh hang thực nghiệm, nếu các cấu tử cần quan tàm đủ tinh khiết. Cần phái kicni tra các diều kiện sau đây trước khi thực hiện phân tích định lượng; - Đ ộ lặp lại (với điều kiện giữ nguyên các th ôn g s ố làm v iệc của thiết b ị). - Mối tưcfng quan giữa các kết quả thu được, trong trường hợp thay đổi các thông sô' làm việc của thiết bị như cột tách, lượng bơm mẫu, nhiệt độ,... - Độ chính xác của kết quả (qua việc so sánh các giá trị thu được mà bản thân các giá trị đó đã dược biết tìr trước trong quá trình cân và chuẩn bị 143
mẫu hoặc được xác định bởi các phưomg pháp đo hóa lý khác độc lập với phưorng pháp sắc ký khí)- Ngoài ra, còn cần phải chú ý đến độ nhạy và độ tuyến tính của các detectơ cũng như của thiết bị ghi và xử lý tín hiệu tự động. Riêng đối với những yêu cầu đặc biột về phân tích lượng vết, phải sử dụng các detectơ chọn lọc nhằm phát hiện một cách đặc thù và đồng thời định lượng các cấu tử với độ nhạy đặc biệt cao (ví dụ các detectơ FPD, ECD,...). Còn đối với phân tích định lượng thông thường thì uu tiên sử dụng các detectơ không đặc thù, bởi vì khả năng đáp ứng (khả năng chuyên hóa các đại lượng không điện thành điện) của các loại detectơ này được đặc trưng bời những mối quan hệ chung và đcfn giản giữa tín hiệu tạo thành với cấu trúc của các hợp chất cần phát hiện. Phân tích định lượng chia làm bốn giai đoạn: - Tách sắc ký (thu tín hiệu ở detectơ). - Chuyển tín hiệu detectơ thành số liệu (đo diện tích). - Chuyển các số liệu đo để so sánh (tính toán). - Giải thích các số liệu (thống kê). Để có thể phân tích định lượng trong sắc ký, trước hết giả thiết rằng các biến đổi tín hiệu (S) của detectơ có quan hệ nghiêm ngặt với sự biến đổi nồng độ của các chất được tách ra trong dung dịch rửa giải theo một tương quan tỉ lộ thuận. Có như vậy thì mỗi một diện tích pic A| = ISị.dt mới đại diện cho nồng độ của một cấu tử i trong mẫu. 6.2 Đánh giá tín hiệu của detectơ ■ Xác định diện tích pic 6.2.1 Phương pháp dùng thiết bị đo diện tích Nếu gọi Aj là diện tích pic, Lp là chiều dài của một nhánh pic và Pp là số vòng quay của bánh xe đo của thiết bị đo diện tích thì Aị ~ LpHp. Tuy nhiên, phương pháp này không thích hợp cho những pic có diện tích nhỏ vì sai số có thể rất lớn. 144
Hình 6.1: Xác định diện tích pjc bằng máy đo diện tích 6.2.2 l'ính diện tích tam giác bằng phương pháp thủ công Phưcmg pháp này đcm giàn và clìính xác hơn phưcmg pháp dùng thiết bị đo diện tích. Cách làm là hoặc vẽ một tam giác cân dựa trên cơ sỏ tiếp tuyến với hai điểm uốn của hai nhánh pic (hình 6.2a), hoặc dựa trên chiều cao và (!ộ rộng của pic ở một nửa chiều cao (hình 6.2b). Diện tích tani giác sẽ là : w A = —- x h hoặc A=W|^.f (6.1) Trong đó : ; đưòng nền (đáy) cúa tain giác h : chiều cao của tam giác : độ rộng của pic ở mcM nửa chiều cao cùa pic Hinh 6.2; Tính diện tích pic bằng phương phảp thủ công a. Kiểu tam giác b. Kiểu gấn đúng tam giác 145
6.2.3 Phương pháp cát sắc đồ và cản trọng lượng Đ ộ c h í n h x á c c ủ a p h ư ơ n g p h á p p h ụ t h u ộ c v à o m ứ c đ ộ c ẩ n ih ậ n k h i C ĨII và sự đồng đều của trọng lượng giấy ghi. Mức độ thiếu chính xác ciia cỊuá trình cắt sẽ được giảm đến cực tiểu, nếu giữ cho tỷ số của chiều cao pic so với độ rông pic ở khoảng giữa chiểu cao dao động trong khoảng từ 1 đến !(). Sự đồng nhất, mức độ ẩm và trọng lượng của giấy là những yếu tố lất quan trọng, bào đảm độ chính xác trong phương pháp này. 6.2.4 Phương pháp sử dụng tích phản kế Tích phân kế điện tử thường được sử dụng trong trường hợp phái phân tích các hỗn hợp chứa rất nhiều cấu tử, đặc biệt khi số lượng mẩu lớn, Với phương pháp này, có thê’ loại trừ hoàn toàn các lỗi do chủ quan gây ra, Các tích phân kế được ưu tiên sử dụng thường là những loại được nối trực tiếp với bộ khuếch đại điện tử mà không cần phải thông qua bộ ghi. Các tích phân kê có khoảng tuyến tính khá lớn. Chúng có thể đảm nhận những chírc năng cần thiết cho việc đánh giá sắc đồ sau đây: - Xác định chính xác vị trí của điểm bắt đầu cũng như điểm kết ihúc mỗi pic, xác định cực đại và diện tích cùa các pic. - Hiệu chỉnh đưcmg nền trong trường hợp đường nền bị trôi. - In các kết quả cuối cùng (thời gian lưu và diện tích các pic tương ứng) dưói dang đã được digital hóa. 6.3 Các phương pháp tính toán định lượng và chuẩn hóa Để tính toán định lượng thành phần của các cấu tử trong mẫu, sau khi đã tính được diện tích các pic trên sắc đồ, cần phải xác định các hệ số hiệu chỉnh đặc trưng cho các chất khác nhau. Để có thể xác địnhđược cáchệ số hiệu chỉnh đó, nhất thiết phải biết được thành phần định tính của mẫutrên sắc đồ. Điều này sẽ được đề cập kỹ hơn trong phần 6.4. 6.3.1 Phương pháp qui về 100% Với các hệ sô' hiệu chính đặc trưng cho các chất khác nhau, sẽ có phương trình sau: 146