Nguyên lý hoạt động hệ thống sắc ký khí – quang phổ khối (GC-MS)

Hệ thống sắc ký khí – quang phổ khối (Gas Chromatography/Mass Spectroscopy – GC/MS) là một thiết bị có mặt trong hầu hết các phòng thí nghiệm về môi trường. Đây là một thiết bị có kỹ thuật với độ chính xác cao sử dụng để phân tích và định lượng các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và bán bay hơi trong nước, nước thải, bùn hoặc mẫu đất. Thiết bị này cho phép cả phân tách định tính, định lượng và xác định các chất gây ô nhiễm môi trường trong các mẫu.

Phương pháp sắc ký khí – quang phổ khối là gì

Phương pháp sắc ký khí – quang phổ khối (GC-MS) là phương pháp phân tích kết hợp các tính năng của sắc ký khí và quang phổ khối để xác định các chất khác nhau trong một mẫu thử. Phương pháp này có thể phát hiện một chất chỉ với một lượng nhỏ sự có mặt của chất đó trong mẫu thử.

Thông qua thiết bị này, các hỗn hợp hóa chất phức tạp có thể được tách ra, xác định và định lượng. Điều này làm cho hệ thống sắc ký khí – quang phổ khối lý tưởng cho việc phân tích hàng trăm hợp chất trọng lượng phân tử tương đối thấp được tìm thấy trong các vật liệu môi trường.

Các ứng dụng nổi bật của phương pháp sử dụng thiết bị sắc ký khí – quang phổ khối

- Phát hiện ma túy.

- Kiểm tra mẫu vật hỏa hoạn.

- Phân tích môi trường.

- Phân tích các mẫu vật chưa xác định.

- Xác định nguyên tố vi lượng trong các vật liệu.

Lịch sử nghiên cứu phương pháp sắc ký khí – quang phổ khối

Sự kết hợp đầu tiên của sắc ký khí với máy quang phổ khối đã được thực hiện vào năm 1959. Do sự phát triển của các máy tính đã giảm các kích thước cùng giá cả tốt hơn đã giúp việc sử dụng công cụ này được đơn giản và tốn ít thời gian hơn rất nhiều.

Năm 1964, Tập đoàn Electronic Associates (EAI), nhà cung cấp máy tính hàng đầu của Hoa Kỳ, bắt đầu phát triển máy quang phổ khối bốn cực điều khiển bằng máy tính. Tuy nhiên phải đến năm 1990, thiết bị này chính thức thành sản phẩm được thương mại hóa.

Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của một thiết bị sắc ký khí – quang phổ khối

Hệ thống GC-MS bao gồm hai phần chính: máy sắc ký khí và máy quang phổ khối.

Máy sắc ký khí sử dụng cột mao quản phụ thuộc vào kích thước của cột (chiều dài, đường kính, độ dày màng) cũng như tính chất pha (ví dụ: 5% phenyl polysiloxane). Sự khác biệt về tính chất hóa học giữa các phân tử khác nhau trong hỗn hợp và ái lực tương đối của chúng đối với pha đứng yên của cột sẽ thúc đẩy sự phân tách các phân tử khi mẫu di chuyển theo chiều dài của cột.

Các phân tử được giữ lại bởi cột và sau đó đi ra khỏi cột tại các thời điểm khác nhau (gọi là thời gian lưu). Đây là lý do máy quang phổ khối giữ lại các phân tử, ion hóa, tăng tốc, làm chệch hướng và phát hiện các phân tử ion hóa riêng biệt. Máy quang phổ khối thực hiện điều này bằng cách phá vỡ từng phân tử thành các mảnh ion và phát hiện các mảnh này bằng tỷ lệ khối lượng-điện tích của chúng.

Dung dịch mẫu được bơm vào đầu vào GC, được hóa hơi và quét lên cột sắc ký bằng khí mang (thường là heli). Mẫu chảy qua cột và các hợp chất chứa hỗn hợp được phân tách nhờ vào sự tương tác tương đối của chúng với lớp phủ của cột (pha tĩnh) và khí mang (pha động). Phần sau của cột đi qua một đường truyền được làm nóng và kết thúc ở lối vào nguồn ion trong đó các hợp chất rửa giải từ cột được chuyển đổi thành các ion.

Có phương pháp hiệu quả để sản xuất ion. Phương pháp được sử dụng thường xuyên nhất là ion hóa điện tử (EI) và phương pháp thay thế đôi khi được sử dụng là ion hóa hóa học (CI):

Đối với EI, một chùm electron làm ion hóa các phân tử mẫu dẫn đến mất một electron. Một phân tử thiếu một electron được gọi là ion phân tử và được đại diện bởi M +. (một cation triệt để). Khi ion này được nhìn thấy trong phổ khối, nó cho trọng lượng phân tử của hợp chất. Do lượng năng lượng lớn truyền vào ion phân tử, nó thường tạo ra các ion nhỏ hơn với lượng dư tương đối đặc trưng cung cấp đặc điểm cho cấu trúc phân tử đó. Thông tin này sau đó có thể được sử dụng để xác định các hợp chất cần kiểm travà giúp làm rõ cấu trúc của các thành phần chưa biết của hỗn hợp.

CI bắt đầu bằng quá trình ion hóa metan (hoặc một loại khí phù hợp khác), tạo ra một gốc từ đó sẽ ion hóa phân tử mẫu để tạo ra các ion phân tử [M + H] +. CI là một cách tieeutoons ít năng lượng hơn để ion hóa một phân tử do đó sự phân mảnh xảy ra với CI ít hơn so với EI. Điều này làm CI cung cấp ít thông tin hơn về cấu trúc chi tiết của phân tử, nhưng tạo ra ion phân tử. Đôi khi ion phân tử không thể được phát hiện bằng EI, do đó hai phương pháp bổ sung cho nhau. Sau khi ion hóa một dương cực nhỏ được sử dụng để đẩy các ion ra khỏi buồng ion hóa.

Thành phần tiếp theo là máy phân tích quang phổ khối, phân tách các ion tích điện dương theo các tính chất liên quan đến khối lượng khác nhau tùy thuộc vào máy phân tích được sử dụng. Một số loại máy phân tích tồn tại: tứ cực, giữ lại ion, từ trường, thời gian bay, tần số vô tuyến, cộng hưởng cyclotron và tập trung. Phổ biến nhất là tứ cực và giữ lại ion. Sau khi các ion được tách ra, chúng đi vào một máy dò, từ đó được khuếch đại để tăng tín hiệu. Máy dò gửi thông tin đến máy tính ghi lại tất cả dữ liệu được tạo ra, chuyển đổi các xung điện thành dữ liệu hiển thị và lưu trữ. Ngoài ra, máy tính cũng điều khiển hoạt động của máy quang phổ khối.

Nguyên nhân hai hệ thống sắc ký khí và quang phổ khối được ghép chung

Hai thành phần máy sắc ký khí và quang được sử dụng cùng nhau, cho phép mức độ nhận dạng nguyên tố tốt hơn nhiều so với việc tách rời sử dụng riêng biệt hai thành phần này vì:

- Không thể xác định chính xác một phân tử cụ thể bằng máy sắc ký khí hoặc quang phổ khối.

- Quá trình quang phổ khối thường đòi hỏi một mẫu rất tinh khiết trong khi sắc ký khí sử dụng máy dò truyền thống không thể phân biệt giữa nhiều phân tử xảy ra trong cùng một khoảng thời gian để đi qua cột (nghĩa là có cùng thời gian lưu).

- Đôi khi hai phân tử khác nhau cũng có thể có một mẫu tương tự các mảnh ion hóa trong máy quang phổ khối.

- Kết hợp hai quá trình làm giảm khả năng xảy ra lỗi, vì rất khó có khả năng hai phân tử khác nhau sẽ hoạt động theo cùng một cách trong cả sắc ký khí và máy quang phổ khối. Do đó, khi phổ khối lượng xác định xuất hiện tại thời điểm lưu giữ đặc trưng trong phân tích GC-MS, thông thường sẽ làm tăng sự chắc chắn rằng chất phân tích có trong mẫu.

Một số lưu ý đối với mẫu sử dụng trong thiết bị sắc ký khí – quang phổ khối

Để máy sắc ký khí – quang phổ khối hoạt động hiệu quả và chính xác cần chú ý một số vấn đề sau:

Để một hợp chất được phân tích bởi GC/MS, nó phải đủ độ bay hơi và ổn định nhiệt.

Các hợp chất chức năng có thể yêu cầu sửa đổi hóa học (tạo dẫn xuất) trước khi phân tích, để loại bỏ các hiệu ứng hấp phụ không mong muốn có thể ảnh hưởng đến chất lượng dữ liệu thu được.

Các mẫu thường được phân tích dưới dạng dung dịch hữu cơ do đó các vật liệu quan tâm (ví dụ: đất, trầm tích, mô, v.v.) cần phải được chiết bằng dung môi và dịch chiết phải chịu các kỹ thuật ‘hóa ướt’ khác nhau trước khi có thể phân tích GC/MS.

Nguồn: http://moitruongviet.edu.vn/