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

Sắc ký khí – Khối phổ là gì

Sắc ký khí-khối phổ (gc-ms) là một phương pháp phân tích kết hợp các đặc điểm của sắc ký khí và khối phổ để xác định các chất khác nhau trong một mẫu thử nghiệm. Phương pháp này có thể phát hiện các chất chỉ có một lượng nhỏ trong mẫu.

Với thiết bị này, các hỗn hợp hóa học phức tạp có thể được tách, xác định và định lượng. Điều này làm cho các hệ thống sắc ký khí-khối phổ trở nên lý tưởng để phân tích hàng trăm hợp chất có trọng lượng phân tử tương đối thấp trong các vật liệu môi trường.

Ứng dụng nổi bật của sắc ký khí-khối phổ

– Phát hiện ma túy.

– Thử nghiệm Mẫu Lửa.

– Môi trường phân tích.

– Phân tích các mẫu vật không xác định.

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

Lịch sử nghiên cứu sắc ký khí-khối phổ

Sự kết hợp đầu tiên giữa máy sắc ký khí và khối phổ là vào năm 1959. Sự phát triển của máy tính đã làm giảm kích thước và giảm giá thành khiến việc sử dụng các nhạc cụ trở nên dễ dàng hơn. Việc này đơn giản hơn và ít tốn thời gian hơn.

Năm 1964, các cộng sự điện tử (eai), một nhà cung cấp máy tính hàng đầu ở Hoa Kỳ, đã bắt đầu phát triển một máy tính khối phổ bốn cực điều khiển bằng máy tính. Tuy nhiên, phải đến năm 1990, thiết bị này mới chính thức trở thành sản phẩm thương mại.

Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy sắc ký khí-khối phổ

Hệ thống gc-ms bao gồm hai phần chính: một máy sắc ký khí và một máy khối phổ.

Máy sắc ký khí sử dụng cột mao quản phụ thuộc vào kích thước cột (chiều dài, đường kính, độ dày màng) và đặc tính pha (ví dụ 5% phenylpolysiloxan). Sự khác biệt về tính chất hóa học của các phân tử khác nhau trong hỗn hợp và ái lực tương đối của chúng đối với pha tĩnh của cột tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân tách các phân tử khi mẫu di chuyển dọc theo chiều dài của cột.

Các phân tử được giữ lại bởi cột và sau đó rời khỏi cột vào những thời điểm khác nhau được gọi là thời gian lưu giữ. Đây là lý do tại sao khối phổ kế bắt giữ các phân tử, ion hóa, tăng tốc, làm lệch hướng và phát hiện các phân tử bị ion hóa riêng lẻ. Khối phổ kế thực hiện điều này bằng cách phá vỡ mỗi phân tử thành các mảnh ion và phát hiện các mảnh này bằng tỷ lệ khối lượng trên điện tích của chúng.

Dung dịch mẫu được bơm vào đầu vào gc, làm bay hơi, và sau đó được lọc lên cột bằng khí mang (thường là heli). Mẫu chảy qua cột và các hợp chất chứa hỗn hợp được phân tách bằng tương tác tương đối của chúng với lớp phủ cột (pha tĩnh) và khí mang (pha động). Mặt sau của cột đi qua một kênh gia nhiệt và kết thúc ở đầu vào nguồn ion, nơi các hợp chất rửa giải từ cột được chuyển thành ion.

Có một cách hiệu quả để tạo ra các ion. Phương pháp thường được sử dụng nhất là ion hóa điện tử (ei), một phương pháp thay thế đôi khi được sử dụng là ion hóa hóa học (ci):

Đối với ei, chùm điện tử ion hóa các phân tử mẫu, dẫn đến mất điện tử. Phân tử thiếu electron được gọi là phân tử ion, ký hiệu là m +. (cation gốc). Khi ion này được nhìn thấy trong phổ khối lượng, nó cho biết khối lượng phân tử của hợp chất. Do một lượng lớn năng lượng được truyền cho ion phân tử, nó thường tạo ra các ion nhỏ hơn với các đặc tính dư thừa tương đối cho phép đặc trưng cấu trúc phân tử. Thông tin này sau đó có thể được sử dụng để xác định các hợp chất cần kiểm tra và giúp làm sáng tỏ cấu trúc của các thành phần chưa biết trong hỗn hợp.

ci Metan (hoặc khí thích hợp khác) lần đầu tiên bị ion hóa, tạo ra một gốc tự do mà từ đó phân tử mẫu bị ion hóa, tạo ra ion phân tử [m + h] +. ci là cách ion hóa phân tử có năng lượng thấp hơn, do đó ci tạo ra ít phân mảnh hơn ei. Điều này làm cho ci ít thông tin hơn về cấu trúc chi tiết của phân tử, nhưng tạo ra các ion phân tử. Đôi khi ei không thể phát hiện ra các ion phân tử, vì vậy hai phương pháp bổ sung cho nhau. Sau khi ion hóa, một cực dương nhỏ được sử dụng để đẩy các ion ra khỏi buồng ion hóa.

Yếu tố tiếp theo là máy phân tích khối phổ, nó phân tách các ion tích điện dương dựa trên các đặc tính 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, bẫy ion, từ trường, thời gian bay, tần số vô tuyến, cộng hưởng cyclotron và hội tụ. Phổ biến nhất là tứ cực và giữ lại ion. Sau khi các ion được tách ra, chúng đi vào máy dò, lần lượt được khuếch đại để tăng tín hiệu. Máy dò sẽ gửi thông tin đến một máy tính ghi lại tất cả dữ liệu được tạo ra, chuyển đổi các xung điện thành dữ liệu hiển thị và lưu trữ nó. Ngoài ra, máy tính điều khiển hoạt động của khối phổ kế.

Vì hệ thống sắc ký khí và khối phổ được kết hợp với nhau

Sử dụng hai cụm máy sắc ký khí và máy đo quang cho phép xác định nguyên tố tốt hơn so với việc sử dụng cả hai đơn lẻ vì:

– Không thể xác định chính xác các phân tử cụ thể bằng phương pháp sắc ký khí hoặc khối phổ.

– Phép đo khối phổ thường yêu cầu các mẫu rất tinh khiết, và sắc ký khí với các máy dò truyền thống không thể phân biệt giữa nhiều phân tử đi qua cột trong cùng một khoảng thời gian (tức là có cùng thời gian lưu).

– Đôi khi hai phân tử khác nhau cũng có thể có các dạng mảnh ion hóa giống nhau trong khối phổ.

– Việc kết hợp hai quá trình làm giảm nguy cơ sai sót, vì rất khó xảy ra trường hợp hai phân tử khác nhau hoạt động giống nhau trong máy sắc ký khí và máy đo khối phổ. Do đó, khi phổ khối lượng xác định xuất hiện tại các thời điểm lưu đặc trưng trong phân tích GC-MS, nó thường làm tăng độ chắc chắn rằng chất phân tích có trong mẫu.

Ghi chú Mẫu cho GC-MS

Để máy sắc ký khí-khối phổ hoạt động hiệu quả và chính xác, cần chú ý những vấn đề sau:

Đối với một hợp chất được phân tích bằng gc / ms, nó phải dễ bay hơi và bền 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 của dữ liệu thu được.

Các mẫu thường được phân tích dưới dạng dung dịch hữu cơ để “hóa học ướt” khác nhau của các vật liệu quan tâm (ví dụ: đất, trầm tích, mô, v.v.) có thể được phân giải trước gc / ms.

Nguồn: http://moitruongviet.edu.vn/

Sắc ký khí – Khối phổ là gì

Sắc ký khí-khối phổ (gc-ms) là một phương pháp phân tích kết hợp các đặc điểm của sắc ký khí và khối phổ để xác định các chất khác nhau trong một mẫu thử nghiệm. Phương pháp này có thể phát hiện các chất chỉ có một lượng nhỏ trong mẫu.

Với thiết bị này, các hỗn hợp hóa học phức tạp có thể được tách, xác định và định lượng. Điều này làm cho các hệ thống sắc ký khí-khối phổ trở nên lý tưởng để phân tích hàng trăm hợp chất có trọng lượng phân tử tương đối thấp trong các vật liệu môi trường.

Ứng dụng nổi bật của sắc ký khí-khối phổ

– Phát hiện ma túy.

– Thử nghiệm Mẫu Lửa.

– Môi trường phân tích.

– Phân tích các mẫu vật không xác định.

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

Lịch sử nghiên cứu sắc ký khí-khối phổ

Sự kết hợp đầu tiên giữa máy sắc ký khí và khối phổ là vào năm 1959. Sự phát triển của máy tính đã làm giảm kích thước và giảm giá thành khiến việc sử dụng các nhạc cụ trở nên dễ dàng hơn. Việc này đơn giản hơn và ít tốn thời gian hơn.

Năm 1964, các cộng sự điện tử (eai), một nhà cung cấp máy tính hàng đầu ở Hoa Kỳ, đã bắt đầu phát triển một máy tính khối phổ bốn cực điều khiển bằng máy tính. Tuy nhiên, phải đến năm 1990, thiết bị này mới chính thức trở thành sản phẩm thương mại.

Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy sắc ký khí-khối phổ

Hệ thống gc-ms bao gồm hai phần chính: một máy sắc ký khí và một máy khối phổ.

Máy sắc ký khí sử dụng cột mao quản phụ thuộc vào kích thước cột (chiều dài, đường kính, độ dày màng) và đặc tính pha (ví dụ 5% phenylpolysiloxan). Sự khác biệt về tính chất hóa học của các phân tử khác nhau trong hỗn hợp và ái lực tương đối của chúng đối với pha tĩnh của cột tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân tách các phân tử khi mẫu di chuyển dọc theo chiều dài của cột.

Các phân tử được giữ lại bởi cột và sau đó rời khỏi cột vào những thời điểm khác nhau được gọi là thời gian lưu giữ. Đây là lý do tại sao khối phổ kế bắt giữ các phân tử, ion hóa, tăng tốc, làm lệch hướng và phát hiện các phân tử bị ion hóa riêng lẻ. Khối phổ kế thực hiện điều này bằng cách phá vỡ mỗi phân tử thành các mảnh ion và phát hiện các mảnh này bằng tỷ lệ khối lượng trên điện tích của chúng.

Dung dịch mẫu được bơm vào đầu vào gc, làm bay hơi, và sau đó được lọc lên cột bằng khí mang (thường là heli). Mẫu chảy qua cột và các hợp chất chứa hỗn hợp được phân tách bằng tương tác tương đối của chúng với lớp phủ cột (pha tĩnh) và khí mang (pha động). Mặt sau của cột đi qua một kênh gia nhiệt và kết thúc ở đầu vào nguồn ion, nơi các hợp chất rửa giải từ cột được chuyển thành ion.

Có một cách hiệu quả để tạo ra các ion. Phương pháp thường được sử dụng nhất là ion hóa điện tử (ei), một phương pháp thay thế đôi khi được sử dụng là ion hóa hóa học (ci):

Đối với ei, chùm điện tử ion hóa các phân tử mẫu, dẫn đến mất điện tử. Phân tử thiếu electron được gọi là phân tử ion, ký hiệu là m +. (cation gốc). Khi ion này được nhìn thấy trong phổ khối lượng, nó cho biết khối lượng phân tử của hợp chất. Do một lượng lớn năng lượng được truyền cho ion phân tử, nó thường tạo ra các ion nhỏ hơn với các đặc tính dư thừa tương đối cho phép đặc trưng cấu trúc phân tử. Thông tin này sau đó có thể được sử dụng để xác định các hợp chất cần kiểm tra và giúp làm sáng tỏ cấu trúc của các thành phần chưa biết trong hỗn hợp.

ci Metan (hoặc khí thích hợp khác) lần đầu tiên bị ion hóa, tạo ra một gốc tự do mà từ đó phân tử mẫu bị ion hóa, tạo ra ion phân tử [m + h] +. ci là cách ion hóa phân tử có năng lượng thấp hơn, do đó ci tạo ra ít phân mảnh hơn ei. Điều này làm cho ci ít thông tin hơn về cấu trúc chi tiết của phân tử, nhưng tạo ra các ion phân tử. Đôi khi ei không thể phát hiện ra các ion phân tử, vì vậy hai phương pháp bổ sung cho nhau. Sau khi ion hóa, một cực dương nhỏ được sử dụng để đẩy các ion ra khỏi buồng ion hóa.

Yếu tố tiếp theo là máy phân tích khối phổ, nó phân tách các ion tích điện dương dựa trên các đặc tính 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, bẫy ion, từ trường, thời gian bay, tần số vô tuyến, cộng hưởng cyclotron và hội tụ. Phổ biến nhất là tứ cực và giữ lại ion. Sau khi các ion được tách ra, chúng đi vào máy dò, lần lượt được khuếch đại để tăng tín hiệu. Máy dò sẽ gửi thông tin đến một máy tính ghi lại tất cả dữ liệu được tạo ra, chuyển đổi các xung điện thành dữ liệu hiển thị và lưu trữ nó. Ngoài ra, máy tính điều khiển hoạt động của khối phổ kế.

Vì hệ thống sắc ký khí và khối phổ được kết hợp với nhau

Sử dụng hai cụm máy sắc ký khí và máy đo quang cho phép xác định nguyên tố tốt hơn so với việc sử dụng cả hai đơn lẻ vì:

– Không thể xác định chính xác các phân tử cụ thể bằng phương pháp sắc ký khí hoặc khối phổ.

– Phép đo khối phổ thường yêu cầu các mẫu rất tinh khiết, và sắc ký khí với các máy dò truyền thống không thể phân biệt giữa nhiều phân tử đi qua cột trong cùng một khoảng thời gian (tức là có cùng thời gian lưu).

– Đôi khi hai phân tử khác nhau cũng có thể có các dạng mảnh ion hóa giống nhau trong khối phổ.

– Việc kết hợp hai quá trình làm giảm nguy cơ sai sót, vì rất khó xảy ra trường hợp hai phân tử khác nhau hoạt động giống nhau trong máy sắc ký khí và máy đo khối phổ. Do đó, khi phổ khối lượng xác định xuất hiện tại các thời điểm lưu đặc trưng trong phân tích GC-MS, nó thường làm tăng độ chắc chắn rằng chất phân tích có trong mẫu.

Ghi chú Mẫu cho GC-MS

Để máy sắc ký khí-khối phổ hoạt động hiệu quả và chính xác, cần chú ý những vấn đề sau:

Đối với một hợp chất được phân tích bằng gc / ms, nó phải dễ bay hơi và bền 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 của dữ liệu thu được.

Các mẫu thường được phân tích dưới dạng dung dịch hữu cơ để “hóa học ướt” khác nhau của các vật liệu quan tâm (ví dụ: đất, trầm tích, mô, v.v.) có thể được phân giải trước gc / ms.

Nguồn: http://moitruongviet.edu.vn/