Hệ thống sắc ký khí (GC – Gas Chromatography)của Trung tâm Khảo kiểm nghiệm phân bón Quốc gia

Tại Trung tâm Khảo kiểm nghiệm phân bón Quốc gia, các hệ thống sắc ký khí được trang bị đầy đủ các loại đầu dò (FID, TCD, ECD, FPD, NPD, MS) có khả năng phân tích được nhiều loại hợp chất hữu cơ trong các nền mẫu khác nhau.

1. Sơ lược về hệ thống GC

Mẫu được bơm vào trong và theo dòng khí mang (khí mang thường là heli, argon, hoặc nitơ) đưa đến cột sắc ký (pha tĩnh). 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). Mẫu khi qua cột này sẽ được hấp phụ lên trên pha tĩnh đó. Sau đó, các chất lần lượt tách khỏi cột theo dòng khí ra ngoài được ghi nhận bởi đầu dò. 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. Từ các tín hiệu nhận được máy tính sẽ xử lý và biểu hiện kết quả bằng sắc ký đồ. Các chất được xác định nhờ giá trị thời gian lưu trên sắc ký đồ.

Sơ đồ hệ thống sắc ký khí

Hệ thống sắc ký khí bao gồm các thành phần cơ bản như sau:

1.1. Nguồn cung cấp khí mang: Có thể sử dụng bình chứa khí hoặc các thiết bị sinh khí (thiết bị tách khí N2 từ không khí, thiết bị cung cấp khí H2 từ nước cất, bình khí Heli…).

1.2. Lò cột: dùng để điều khiển nhiệt độ cột phân tích

1.3. Bộ phận tiêm mẫu

Bộ phận tiêm mẫu dùng để đưa mẫu vào cột phân tích theo với thể tích bơm có thể thay đổi. Khi đưa mẫu vào cột, có thể sử dụng chế độ chia dòng (split) và không chia dòng (splitless).

Có 2 cách đưa mẫu vào cột: bằng tiêm mẫu thủ công và tiêm mẫu tự động (Autosamper – có hoặc không có bộ phận hóa hơi – headspace).

1.4. Cột phân tích

Có 2 loại cột: cột nhồi và cột mao quản.

– Cột nhồi (packed column): pha tĩnh được nhồi vào trong cột, cột có đường kính 2-4mm và chiều dài 2-3m.

– Cột mao quản (capillary): pha tĩnh được phủ mặt trong (bề dày 0.2-0.5µm), cột có đường kính trong 0.1-0.5mm và chiều dài 30-100m.

Cột nhồi và cột mao quản

1.5. Đầu dò

Đầu dò dùng phát hiện tín hiệu để định tính và định lượng các chất cần phân tích. Có nhiều loại đầu dò khác nhau tùy theo mục đích phân tích như đầu dò ion hóa ngọn lửa (FID-Flame Ioniation Detetor), đầu dò dẫn nhiệt (TCD-Thermal Conductivity Detector), đầu dò cộng kết điện tử (ECD-Electron Capture Detector), đầu dò quang hóa ngọn lửa (FPD-Flame Photometric Detector), đầu dò NPD (NPD-Nitrogen Phospho Detector), đầu dò khối phổ (MS-Mass Spectrometry).

1.6. Bộ phận ghi nhận tín hiệu

Bộ phận này ghi tín hiệu do đầu dò phát hiện, lưu các thông số, sắc ký đồ, các thông số liên quan đến peak như tính đối xứng, hệ số phân giải,… đồng thời tính toán, xử lý các thông số liên quan đến kết quả phân tích.

2. Một số hệ thống GC tại NCFT

Cùng với sự phát triển của kỹ thuật sắc ký, sắc ký khí là công cụ hữu hiệu trong nghiên cứu khoa học đặc biệt trong lĩnh vực hóa học phân tích. Phương pháp sắc ký khí là một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến trong việc phân tích các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi trong các loại nền mẫu theo chuỗi giá trị sản phẩm như đất, nước, không khí, phân bón, nông sản, thực phẩm, thức ăn chăn nuôi, thức ăn thủy sản…

Tại NCFT, các hệ thống sắc ký khí của hãng Bruker với các đầu dò như FID, ECD, NPD, FPD, TCD, MS có khả năng phân tích được các hợp chất hữu cơ có bản chất khác nhau. Các hệ thống GC đều có gắn các bộ phận bơm mẫu tự động (Autosampler) và bộ phận hóa hơi (Headspace).

14/04/2020

Tại Trung tâm Khảo kiểm nghiệm phân bón Quốc gia, các hệ thống sắc ký khí được trang bị đầy đủ các loại đầu dò (FID, TCD, ECD, FPD, NPD, MS) có khả năng phân tích được nhiều loại hợp chất hữu cơ trong các nền mẫu khác nhau.

1. Sơ lược về hệ thống GC

Mẫu được bơm vào trong và theo dòng khí mang (khí mang thường là heli, argon, hoặc nitơ) đưa đến cột sắc ký (pha tĩnh). 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). Mẫu khi qua cột này sẽ được hấp phụ lên trên pha tĩnh đó. Sau đó, các chất lần lượt tách khỏi cột theo dòng khí ra ngoài được ghi nhận bởi đầu dò. 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. Từ các tín hiệu nhận được máy tính sẽ xử lý và biểu hiện kết quả bằng sắc ký đồ. Các chất được xác định nhờ giá trị thời gian lưu trên sắc ký đồ.

Sơ đồ hệ thống sắc ký khí

Hệ thống sắc ký khí bao gồm các thành phần cơ bản như sau:

1.1. Nguồn cung cấp khí mang: Có thể sử dụng bình chứa khí hoặc các thiết bị sinh khí (thiết bị tách khí N2 từ không khí, thiết bị cung cấp khí H2 từ nước cất, bình khí Heli…).

1.2. Lò cột: dùng để điều khiển nhiệt độ cột phân tích

1.3. Bộ phận tiêm mẫu

Bộ phận tiêm mẫu dùng để đưa mẫu vào cột phân tích theo với thể tích bơm có thể thay đổi. Khi đưa mẫu vào cột, có thể sử dụng chế độ chia dòng (split) và không chia dòng (splitless).

Có 2 cách đưa mẫu vào cột: bằng tiêm mẫu thủ công và tiêm mẫu tự động (Autosamper – có hoặc không có bộ phận hóa hơi – headspace).

1.4. Cột phân tích

Có 2 loại cột: cột nhồi và cột mao quản.

– Cột nhồi (packed column): pha tĩnh được nhồi vào trong cột, cột có đường kính 2-4mm và chiều dài 2-3m.

– Cột mao quản (capillary): pha tĩnh được phủ mặt trong (bề dày 0.2-0.5µm), cột có đường kính trong 0.1-0.5mm và chiều dài 30-100m.

Cột nhồi và cột mao quản

1.5. Đầu dò

Đầu dò dùng phát hiện tín hiệu để định tính và định lượng các chất cần phân tích. Có nhiều loại đầu dò khác nhau tùy theo mục đích phân tích như đầu dò ion hóa ngọn lửa (FID-Flame Ioniation Detetor), đầu dò dẫn nhiệt (TCD-Thermal Conductivity Detector), đầu dò cộng kết điện tử (ECD-Electron Capture Detector), đầu dò quang hóa ngọn lửa (FPD-Flame Photometric Detector), đầu dò NPD (NPD-Nitrogen Phospho Detector), đầu dò khối phổ (MS-Mass Spectrometry).

1.6. Bộ phận ghi nhận tín hiệu

Bộ phận này ghi tín hiệu do đầu dò phát hiện, lưu các thông số, sắc ký đồ, các thông số liên quan đến peak như tính đối xứng, hệ số phân giải,… đồng thời tính toán, xử lý các thông số liên quan đến kết quả phân tích.

2. Một số hệ thống GC tại NCFT

Cùng với sự phát triển của kỹ thuật sắc ký, sắc ký khí là công cụ hữu hiệu trong nghiên cứu khoa học đặc biệt trong lĩnh vực hóa học phân tích. Phương pháp sắc ký khí là một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến trong việc phân tích các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi trong các loại nền mẫu theo chuỗi giá trị sản phẩm như đất, nước, không khí, phân bón, nông sản, thực phẩm, thức ăn chăn nuôi, thức ăn thủy sản…

Tại NCFT, các hệ thống sắc ký khí của hãng Bruker với các đầu dò như FID, ECD, NPD, FPD, TCD, MS có khả năng phân tích được các hợp chất hữu cơ có bản chất khác nhau. Các hệ thống GC đều có gắn các bộ phận bơm mẫu tự động (Autosampler) và bộ phận hóa hơi (Headspace).

Hệ thống 450 – GC

Hệ thống GC/MS/MS

Công nghệ GC-MS 3 tứ cực cho phép các nhà khoa học tăng độ đặc hiệu phân tích và đạt được kết quả sàng lọc mục tiêu có độ chính xác cao cũng như định lượng các chất ở nồng độ thấp trong mẫu nền phức hợp. Ảnh hưởng của mẫu nền giảm đi đáng kể, tính toán phân tách các đỉnh sắc ký dễ dàng hơn. Các kỹ thuật ghi phổ có độ nhạy cao được sử dụng tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể:

– SRM – kiểm soát phản ứng lựa chọn: cô lập ion cần chọn, sau đó phân mảnh ion cô lập đó, trong các mảnh ion sinh ra, cô lập 1 mảnh ion con cần quan tâm và đưa vào đầu dò để phát hiện.

(Nguồn ảnh: Tạp chí Nature)

– MRM – kiểm soát đa phản ứng: Đầu tiên, cô lập ion cần chọn (ion mẹ) ở tứ cực thứ nhất, phân mảnh ion cô lập đó tại tứ cực thứ 2 (thực chất là buồng va chạm) thu được các ion con, cô lập 2 (hoặc nhiều) ion con cần quan tâm ở tứ cực thứ 3 và đưa vào đầu dò để phát hiện.

(Nguồn ảnh: mrmproteomics.com)

Công nghệ MRM được sử dụng trong proteomic cho phép các nhà khoa học chọn ra các peptide đang quan tâm, và từ đó xác định được chính xác nồng độ của nó.

Hình ảnh so sánh 2 chế độ MS/MS thường và MRM-MS

(Nguồn ảnh: broadinstitute.org)

– H-SRM – kiểm soát phản ứng độ lựa chọn cao.

– U-SRM – kiểm soát phản ứng độ lựa chọn cực cao.

Hàng trăm hợp chất có thể được phân tích chỉ trong một lần bơm mẫu khi sử dụng chế độ SRM hẹn giờ, chức năng tự động điều chỉnh thời gian SRM cho các điểm chọn phù hợp các peak ngay cả khi có sự xen phủ của các phân đoạn.

Hình 6: Phổ ion khi phân tích bằng GC/MS-MS của chlordane (một loại thuốc trừ sâu hữu cơ có chứa clo) trong mẫu trầm tích. Các ion bố mẹ được phân lập (trong ví dụ này m/z là 373) và sau đó bị phân mảnh. Các ion tạo thành từ ion bố mẹ này tạo ra phổ như trong hình, từ đó cải thiện được độ chọn lọc và cho phép xác nhận sự có mặt của chlordane trong mẫu.

Hình 7: phân tích DDT trong nước mặt bị nhiễm bẩn

Trên hình 7 là phổ đồ toàn dải của dichlorodiphenyltrichloroethane (DDT) trong nước mặt bị nhiễm bẩn khi phân tích bằng GCMS 3 tứ cực. Do ảnh hưởng của nhiễu nền, việc định lượng DDT bằng phương pháp này không sử dụng được. Phổ đồ ở giữa là quá trình phân tích bằng GCMS nhưng sử dụng chế độ SIM. Nhiễu nền đã giảm nhưng vẫn chưa đủ để định lượng DDT. Ở phồ đồ dưới cùng không còn ảnh hưởng của nhiễu nên, đó là khi áp dụng kỹ thuật SRM, bằng việc điều chỉnh chuyển hóa các ion mẹ DDT ở m/z 234.94 để tạo ra các ion con ở m/z 164.96, tất cả các ảnh hưởng nhiễu nền đều bị loại bỏ. Điểm hạn chế duy nhất đó là do giới hạn lượng mẫu được phân tách thực tế trên cột sắc ký trước đó.

Hình 8: Dữ liệu phổ toàn bộ khi phân tích đồng thời các thuốc trừ sâu

Việc phân tích đồng thời các thuốc trừ sâu khi sử dụng chế độ SRM có điều chỉnh thời gian với hệ GCMS 3 tứ cực. Sắc ký đồ ở hình 8 cho thấy toàn bộ dải dữ liệu thu được của một loạt các hợp chất đồng thời được rửa giải, công nghệ này cho phép thiết bị tối ưu hóa với từng hợp chất để xử lý kịp thời toàn bộ khối lượng lớn dữ liệu này và còn cho độ chính xác và độ lặp lại rất cao. Điều này giúp các nhà nghiên cứu có thể tập trung làm việc với các qui trình trong phòng thí nghiệm khác mà không cần phải quá quan tâm đến kết quả của quá trình phân tích này.

Nguồn bài: labcompare.com & labnews.co.uk

3. Ứng dụng hệ thống GC phân tích tại NCFT

Hệ thống sắc ký khí với các loại đầu dò, Trung tâm Quốc gia có thể phân tích được hầu hết các hợp chất thuốc trừ sâu họ Chlor (Aldrin, Eldrin,…), họ Phospho (Chlorpyriphos, Diazinon,…) họ Cúc (Cypermethrin, Deltamethrin,…), các loại thuốc diệt cỏ, diệt nấm trong các nền mẫu nông sản, thực phẩm, thủy hải sản, môi trường… phục vụ công tác an toàn vệ sinh cho các loại hàng hóa lưu thông trong nước và xuất khẩu.

Phân tích các chỉ tiêu trong nước theo quy chuẩn của Bộ Y tế (QCVN 01:2009/BYT) và các quy chuẩn khác.

Phân tích 23 hoạt chất amin thơm trong sản phẩm dệt may.

Phân tích hơn 20 amino acid trong thực phẩm, phân bón, chế phẩm sinh học,…

Phân tích BTX (Benzen – Toluen – Xylen) và một số hợp chất bay hơi khác trong không khí.