BỘ CÔNG NGHIỆP
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC
  
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT
SỐ DETECTOR TRONG SẮC KÝ LỎNG
VÀ KHÍ
Giảng viên: ThS LÊ NHẤT TÂM
Tháng 10/2006
Mục lục
Giới thiệu về phương pháp sắc ký……………………………………………… 1
1. Nguyên lý hoạt động của một số detector trong sắc ký khí………………… 1
1.1 Dectector dẫn nhiệt (thermal conductivity dectector)……………………… 3
1.2 Detector ion hóa ngọn lửa (flame-ionization detector)………………………4
1.3 Detector cộng kết điện tử (electron capture dtector):……………………… 6
1.4 Detector phát xạ nguyên tử (atomic-emission detector):…………………… 9
1.5 Detector quang kế ngọn lửa (flame photometric GC detector)………………9
1.6 Detector quang hóa ion (photoionization detector):……………………… 11
1.8 Chemiluminescence Spectroscopy:……………………………………… 12
2. Nguyên lý hoạt động của một sô detector trong sắc ký lỏng:……………… 13
2.1. Nguyên lý hoạt động của một sô detector trong sắc ký lỏng:…………… 13
2.2 The refractive index detector : đầu dò chiết suất RI………………… 14
2.3 Máy dò huỳnh quang ……………………………………………………….15
2.4 Máy dò UV:…………………………………………………………………16
3. Các thông số quan trọng của detector:……………………………………… 17
GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ VÀ ĐẦU DÒ DETECTOR
Sắc ký là phương pháp tách, phân li, phân tích, các chất dựa vào sự phân
bố khác nhau giữa pha động và pha tĩnh.
Khi tiếp xúc với pha tĩnh các cấu tử của hỗn hợp sẽ phân bố giữa pha
động và pha tĩnh tương ứng với tính chất của chúng (tính bị hấp phụ, tính tan )
Trong các hệ thống sắc ký chỉ có các phân tử pha động mới chuyển động dọc

1:10
5
2000-9000
Tất cả các
chất không
làm hỏng dây
nung
Kiểu dây
2,5.10
-6
1:10
5
2000-9000 đối
với benzen
Sắc ký quá
trình
Kiểu nhiệt
điện trở
2.10
-6
1:2,5:10
4
15000 đối với
không khí
Phân tích khí
Bán dẫn
1,2.10
-7
1:10
4

điện tử cao
như các thuốc
trừ sâu, diệt
cỏ, hợp chất
chứa nitơ, hợp
chất dị
nguyên
Quang kế
ngọn lửa
(FPD)
10
-8
đối với
parathion
1:10
2
và thấp
hơn
Phát xạ tối ưu
cho lưu hùynh
ở 394mm và
photpho ở
526mm
Detector ion
hóa heli
5.10
-13
1:10
4
300

ion hóa nhỏ
hơn 11,6eV
1.1. Dectector dẫn nhiệt (thermal conductivity dectector):
Dựa trên nguyên tắc cầu Wheatstone, đôi khi còn được gọi là Katharometer.
Các điện trở của cầu bằng kim loại trơ, có độ dẫn nhiệt tốt, như: vàng, bạch
kim, tungsteng. Cấu tử mẩu ra khỏi cột, đi vào một nhánh của cột. Khi có sự
hiện diện của mẫu làm thay đổi nhiệt độ. Nhiệt độ của nó phụ thuộc vào độ
dẫn nhiệt của chất khí bao quanh nó. Khi các phân tử hữu cơ thay thế chất khí
mang thì tính đãn nhiệt của nó thay đổi do nhiệt độ trong các cấu tử tăng lên
sẽ dẫn đến sự thay đổi trong điện trở. Dựa trên sự thay đổi điện trở của cầu,
gây sự mất cân bằng trong mạch, tạo một tín hiệu dưới dạng mũi sắc ký. Khi
mẫu ra khỏi cột tín hiệu biến mất.
Detector TCD có thể thiết kế theo một số kiểu khác nhau. Trong đó có ba
kiểu thường gặp là: tế bào dòng chảy, tế bào bán khuếch tán và tế bào khuếch
tán.
A-kiểu tế bào dòng chảy
B-kiểu tế bào bán khuếch tán
C-kiểu tế bào khuếch tán
Mẫu
Mẫu
Khuyếch đại
Nguồn
cung
cấp
Loại A ít nhạy hơn cả, thời gian đáp ứng lâu, chỉ thích hợp cho sắc ký điều
chế. Loại B, với thể tích tối thiểu 100µl được sử dụng phổ biến cho sắc ký cột
nhồi. Còn loại C với giới hạn phát hiện 10-100µl có thể sử dụng cho sắc ký
mao quản cột hở.
Độ nhạy của detector TCD phụ thuộc vào hai yếu tố sau:
- Khả năng dẫn nhiệt của khí mang (các khí mang có độ dẫn nhiệt tốt như

của ngọn lửa (thế hiệu giữa hai bản điện cực này khỏang 250-300V).
Dòng ion đưộc giảm áp trên một điện trở có chỉ số rất cao (10
8
-10
12
Ω) và độ
giảm hiệu điện thế này được khuếch đại và ghi lại trên máy tự ghi. Số lượng
của ion tạo thành (chính là độ nhạy của detector) phụ thuộc vào các yếu tố
sau:
- Cấu trúc hình học của detector
- Tỷ lệ thành phần của hydro/không khí
- Nhiệt độ của ngọn lửa.
- Cấu trúc của các phần tử mẫu cần xác định
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của detector ion hóa ngọn lửa (FID)
Các hợp chất hữu cơ được đốt cháy bằng ngọn lửa hydro/không khí tạo thành
các ion. Khí mang từ cột sẽ được được trộn trước với hydro và đốt cháy bằng
ngọn lửa ở buồng đốt. Một điện cực hình trụ đựợc đặt cách vài mm phía trên
ngọn lửa để thu thập các ion sinh ra. Dòng ion này sẽ được đo bằng cách đặt
một điện thế giữa đầu phun của ngọn kửa và điện hình trụ để hạn chế đến
mức tối đa sự tái kết hợp của các ion, phải đặt điện thế chọn lọc vào vùng bảo
hòa (vùng mà khi tăng điện thế sẽ không làm tăng dòng ion) các tính hiệu tạo
thành sẽ được khuếch đại bằng bộ khếch đại điện tử rồi qua bộ sử lý và ghi
tính hiệu.
Đặc điểm:
Không bị ảnh hưởng bởi vận tốc khí mang.
Thời gian chi tín hiệu nhỏ hơn 0,1giây và có độ nhạy gấp 1000 detector TCD
Giới hạn phát hiện dưới 10-12g/s
Tuy nhiên cũng có những điểm bất lợi là phải dùng thêm hệ thống khí đốt,
ngoài khí mang không được dùng khi mẫu có các khí như: SO
2

, được
phủ bên ngoài tấm bạch kim hay titan), khí mang được dùng là Ar. Điện tử sơ
cấp của tia β sẽ ion hóa phân tử khí mang làm bắn ra điện tử thứ cấp, tạo dòng
điện trong điện trường, phản ứng dây chuyền xảy ra. Khi có sự hiện diện của
mẫu, thường là chất có độ âm điện cao, sẽ nhận điện tử thứ cấp, làm giảm
cường độ dòng điện, tương ứng với sự xuất hiện mũi sắc kí
Detector hoạt động dựa trên đặt tính của các chất có khả năng cột kết các điện
tử tự do trong pha khí (trừ trường ngoại lệ của các khí trơ) khả năng cộng kết
điện tử lớn hay nhỏ là phụ thuộc vào các hợp chất cần được phát hiện. Khả
năng đó tương đối nhỏ đối với các hợp chất hdrocacbon no. Ngược lại, khi
các hợp chất có chứa các nhóm chức hoặc đa liên kết (đôi hoặc ba) thì khả
năng các điện tử sẽ tăng hẳn lên. Đặc biệt là nếu trong phân tử của hợp chất
này có chứa các nguyên tử halogen (Cl, Br….) Bởi vậy, độ nhạy phát hiện
của detector ECD rất đặc thù cho các nhóm chức và có thể dao động trong
phạm vi khá rộng (1-10
6
)
Bộ phận chính của detector ECD là một buồng ion. Tại đây diễn ra quá trình
ion hóa, bắt giữa điện tử và tái kết hợp.
M: là phân tử khí mang, EC: và phân tử của chất có khả năng bắt giữ điện tử.
Cũng chính vì khả năng bắt giữ điện tử (electron-capture) mà detector còn
được gọi là detector bắt giữ điện tử.
* Quá trình ion hóa: một nguồn tia phóng xạ được lắp sẵn trong detector, phát
ra một chùm tia β
-
với tốc độ 10
8
-10
9
hạt/s. Các hạt β

vào detector phụ thuộc vào bản chất của chất nghiên cứu và nhiệt độ của
detector các giá trị này thường dao động giữ 1-30V. ngược lại, nếu sử dụng
điện thế dạng xung khỏang làm việc tối ưu của detector sẽ không phụ thuộc
vào bản chất của chất nghiên cứu, mà chỉ phụ thuộc khỏang cách giữ các
xung trong một điều kiện nhất định. Thông thường sử dụng thé hiệu một
chiều gián đọan khỏang 50V, với độ dài xung từ 0,75-3µs và khỏang cách giữ
hai xung 5-200 µs.
Đặc điểm:
Độ nhạy cao, nhất là khi mẫu thuộc các nhóm chức: halogenua, peroxid,
quinon, nitro…Đặc biệt dùng phân tích thuốc sát trùng.
Lớp cách điện
ống hình trụ
Vỏ detector
Tay đòn
Kẹp lớn
Đầu nhận xung từ buồng detector
Nhưng để độ nhạy cao, phải dùng khí Ar (giá trị cao), vì N
2
có độ liên kết khá
bền nên khó tạo điện tử thứ cấp.
1.4Detector phát xạ nguyên tử (atomic-emission detector):
Một trong những bổ sung mới nhất cho máy sắc kí khí là detector phát xạ
nguyên tử (AED). Detector này khá đắt tiền so với detector GC nhưng nó có
thế mạnh không thể thay thế được. Thật vậy, thay vì đo đơn giản pha khí cung
cấp ( chứa cacbon) để tạo ra các ion trong ngọn lửa bằng detector ion hóa
ngọn lửa. AED có thể thay đổi nền hiện tại vì sự bắt phần tử không phải điện
tử của những điện tử nhiệt với electron bắt điện tử. AED có nhiều tính khó
dùng hơn bởi vì nó dựa vào sự dò tìm của những phát xạ nguyên tử.
Đây là loại hiện đại. Cấu tử ra khỏi cột được đưa qua trường plasma (tạo bởi
heli) có năng lượng của bức xạ vùng vi sóng. Cấu tử mẫu nhận năng lượng, bị

2
thì tỏa ra hỗn hợp sunfur bước sóng
cực đại của năng lượng tỏa ra được kích thích từ S
2
có giá trị gần đúng
394nm. Năng lượng tỏa ra của hỗn hợp photphorus trong ngọn lửa được kích
thích từ HPO (λ
max
=510-526nm) để độ nhạy máy đò của một hay nhiều hỗn
hợp khác giống như nó giải hấp từ cột GC, một phễu lọc giao thoa được dùng
giữa gọn lửa và ống phổ trắc quang (PMT) để phân tách vùng tỏa năng lượng.
Việc cần xem lại ở đây là phễu lọc phải được chuyển đổi giữa vùng chạy của
biểu đồ cromate nếu hỗn hợp khác của chúng có thể được đò.
Khí mang thóat từ cột được trôn với hydro và đi tới cuối ống. dòng không khí
theo một đường khác và được trộn với hổn hợp Hydro – khí mang tại ống tạo ra
ngọn lửa hydro. Khi mẫu cuốn theo khí mang, được đốt cháy bằng ngọn lửa
hydro trong ống phát ra ánh sáng ở bước sóng nào đó. Ánh sáng phát ra bởi ngọn
lửa hydro đi qua ống thạch anh để tránh cho bộ lọc quang và bộ nhân quang khỏi
bị nhiễm bẩn bởi hơi và sản phẩm đốt cháy và đi đến bộ lọc quang. Bộ lọc cản
chỉ cho ánh sáng có độ dài sóng đặc thù đi qua. Bộ lọc kiểu S 394nm được dùng
để phát hiện các hợp chất chứa lưu hùynh và loại P 526nm dùng cho hợp chất
chứa photpho.
Nếu những hợp chấc chứa lưu hùynh hoặc photpho có trong khí mẫu, chúng
được đốt cháy trong ống, phát ra ánh sáng 394nm hoặc 526nm tương ứng.
Chỉ có ánh sáng có độ dài sóng này mới qua được bộ lọc cản và bộ nhân
quang. Cường độ của ánh sáng được chuyển thành tính hiệu thông qua bộ
nhân quang. Tín hiệu này được khuếch đại trong điện kế và chuyển qua bộ xử
lý số liệu.
1.6Detector quang hóa ion (photoionization detector):
Vỏ bọc cách ly

phần đơn giản hơn.
Những máy dò tìm này cũng được sử dụng như những máy dò tìm cho kĩ
thuật phân tích thành phần các chất.
Tín hiệu
Cột mao quản từ
sắc ký khí
máy bơm chân không
Thế mạnh của phương pháp trắc quang bằng phản ứng hóa học trong đầu dò
của bức xạ điện tử có tiêu chuẩn thấp.
Vấn đề đầu tiên của loại hình phản ứng này là tạo ra năng lượng cần thiết,
kích thích các electron lên mức năng lượng cao hơn, nhờ những chấn động và
tình trạng xoay vòng (từ đó chúng bị phá hủy trạng thái này bằng sự phát xạ
chứ không đơn giản như ánh sáng phát từ ngọn đèn hay tia laze.
1.8 Detector Nitơ-photpho NPD:
Detector NPD còn gọi là detector ion hóa ngọn lửa sử dụng muối kiềm hay
detector nhiệt ion (AFID-Alkali flame ionization detector ), detector ion hóa
nhiệt ngọn lửa (FTD- flame thermionic detector) detector này cho độ nhạy
cao khi phân tích các hợp chất có chứa nitơ-photpho, phụ thuộc vào điều kiện
phân tích nó tỏ ra rất hữu hiệu trong việc phân tích các dược phẩm, dư lượng
của các hợp chất cacbamat và photphat sử dụng trong nông nghiệp và phân
tích lượng vết các hợp chất chứa nitơ và photpho như nitrosamin,
trimetylamin, acrylomitricl trong các chất tổng hợp nhân tạo.
Mặt dù cơ chế phản ứng chính xác của detector này vẫn chưa được hiểu một
cách đầy đủ nhưng có thể đưa ra một cơ chế phản ứng chấp nhận được như
sau:
Các hợp chât chứa nitơ đi ra từ cột sắc ký trở thành gốc CN
*
. Sau khi phân
hủy nhiệt trên bề mặt kim loại kiềm nung đỏ gốc CN
*

là do sự thay đổi độ dẫn điện.
Đầu dò độ dẫn điện thường cho phép một lượng thể tích rất nhỏ.
Đầu dò độ dẫn điện được sử dụng rộng rãi chủ yếu trong sắc ký trao đổi ion
(cation và anion). Nhưng nói chung nó chỉ đựoc dùng trong những trường hợp
đặc biệt.
Nguyên tắc:
Các cấu tử sau khi ra khỏi cột được cho chảy xuyên qua thiết bị mao dẫn có cấu
tạo gồm hai điện cực (cực âm và cực dương) bằng kim loại đặt ở hai đầu mao
dẫn, mao dẫn làm bằng vật liệu không dẫn điện như: SILICA, PEEK,
TEFLON…. Sau khi tác động một hiệu điện thế xoay chiều vào hai điện cực, sự
phân chia điện tích trong pha động xảy ra, sự biến đổi tính dẫn điện của pha động
xảy ra, tách rời các cấu tử trong mẫu (các cấu tử mang điện tích dương sẽ bị kéo
về cực âm và ngược lai). Các kết quả trên sẽ được khuyếch đại, liên tục được ghi
nhận lại.
Đầu dò độ dẫn điện được sử dụng rộng rãi chủ yếu trong sắc ký trao đổi ion
(cation và anion). Nhưng nói chung nó chỉ đựoc dùng trong những trường hợp
đặc biệt.
2.2 The refractive index detector : đầu dò chiết suất RI
Nguyên tắc hoạt động:
Principles
Đầu dò chiết suất RI là một đầu dò được sử dụng trong sắc ký lỏng cao áp.
Nguyên tắc làm việc,của đầu dò chiết suất liên quan đến sự thay đổi chỉ số chiết
suất khi các cấu tử mẫu sau khi đi qua cột sắc ký
Sự khác biệt lớn về chỉ số chiết suất giữa mẫu và pha động càng lớn càng tạo ra
một sự mất cân bằng lớn. Do đó, tính nhạy của đầu dò sẽ cao hơn nếu có sự cách
Cấu tạo: CONDUCTIVITY DETECTOR
biệt về chỉ số chiết suất giữa mẫu và pha động. Mặt khác, trong một hỗn hợp
phức tạp, các thành phần trong mẫu có thể được bao phủ bởi một dải rộng của giá
trị chỉ số khúc xạ và trong một vài trường hợp có thể gần với tính chất pha động,
kết quả có được từ detector không rõ ràng,

Biểu đồ đơn giản của đầu dò UV
Nguyên tắc hoạt động: Khi không có mẫu qua detector ánh sáng đi qua dòng pin
và phát ra tín hiệu lớn nhất tại dòng cảm biến nếu một mẫu có bước sóng đi qua
detector, mẫu này làm giảm lượng ánh sáng ở dòng cảm biến và là nguyên nhân
làm thay đổi tín hiệu ở detector. Tín hiệu này chuyển một dòng electron và xuất
hiện sắc phổ trên giấy. Tín hiệu hiển thị tăng lên tập trung tại mẫu của dòng pin.
Detector cũng phản ứng lại để thay đổi theo nội dung của dòng pin.
Ngày nay có 2 loại đầu dò UV được sử dụng phổ biến.
- Đầu dò có bước sóng thay đổi được.
- Photodiode Array.
Đầu dò UV có bước sóng thay đổi sử dụng ánh sáng đơn sắc
( cho ánh sáng đi qua khe và tấm cách )
Để chọn 1 bước sóng ánh sáng đi qua mẫu
Đầu dò UV có bước sóng thay đổi sử dụng ánh sáng đơn sắc
( cho ánh sáng đi qua khe và tấm cách )
Để chọn 1 bước sóng ánh sáng đi qua mẫu
3. Các thông số quan trọng của detector:
Phân tích định tính trong sắc ký khí chỉ cần pic không bị biến dạng nhiều
nhằm xác định chính xác đỉnh pic, còn trong phân tích định lượng thì yêu cầu đạt
cao hơn như độ lặp lại, độ so sánh, độ chính xác. Để đáp ứng được các yêu cầu
đó, cần phải đảm bảo sự ổn định đủ lớn các thông số detector: dòng điện nuôi
mạch cầu, nhiệt độ trong detector, tỷ lệ giữ khí đốt và khí mang cũng như thế
phân cực khi dùng detector FID.
Sự đáp ứng (độ nhạy thích ứng phụ thuộc vào chất) của một detector không
được phụ thuộc qua về mặt kĩ thuật. Và điều quan trọng hơn cả đối với phân tích
định lượng là độ tuyến tính của detector.
Để nhận biết và xác định lượng vết thì sự “nhạy cảm” của detector là quyết
định.