CÁC PHƢƠNG PHÁP VẬT LÝ ứng dụng trong hóa học
Phương pháp phổ khối lượng Lý thuyết và ứng dụng
100%
112
69
50 139 56 57
70
154 83
97
0 60
80
100
120
140
160
m/e
GS.TSKH.Nguyễn Đình Triệu
Nguyên tắc chung của phƣơng pháp phổ khối lƣợng Sự ion hóa Khi cho c¸c ph©n tö ë tr¹ng th¸i khÝ va ch¹m víi mét dßng electron cã n¨ng lượng nhÊt ®Þnh th× tõ c¸c ph©n tö sÏ bËt ra 1 hay 2 electron, vµ nã trë thµnh c¸c ion cã ®iÖn tÝch +1 (chiÕm tû lÖ lín) vµ +2: ABCD + e
ABCD + 2e ABCD
++
ABCD
-
Qu¸ tr×nh nµy ®îc gäi lµ sù ion ho¸.
+ 3e
>95%
Sự ion hóa NÕu c¸c ph©n tö tiÕp tôc va ch¹m víi dßng electron cã n¨ng lîng lín th× chóng sÏ bÞ ph¸ vì thµnh nhiÒu m¶nh ion kh¸c nhau, ®îc gäi lµ qu¸ tr×nh ph©n m¶nh (fragmentation): + + ABC
A + BC
ABC+
AB+ + C A+ + B
C¸c ion ®Òu cã khèi lîng vµ ®iÖn tÝch e. Tû sè m/e ®îc gäi lµ sè khèi z.
Hình ảnh so sánh
Phổ khối phân giải cao Phổ khối phân giải cao (PKPGH) có ý nghĩa quan trọng. Số khối nguyên tử tính theo đơn vị cacbon : 1u = 1/12 klnt C = 1,660277.10-27kg 1mu =10-3u= 1,660277.10-30 kg Bảng nguyên tử khối 1H 2H 1,00783 đvC 2,01410 đvC 12C 13C 12,00000 13,00336 14N 15N 14,0031 15,0001 16O 17O 15,9949 16,9991
Phổ khối phân giải cao
Hiệu số khối lượng phân tử : 12C16O 12C16O 27,9949 14N 12C 1H 28,0062 2 2 4 Δm = 0,0113 Δm = N2/CO 11,3 mu C2H4/CO
Phổ khối phân giải thường : CO,N2 ,C2H4 có M+= 28 C5H10N2O4 M+= 162 C6H12N4O M+= 162
27,9949 28,0312 0,0363 36,3 mu
PKPGC: M+= 162,0641 M+= 162,0766 Δm = 0,0125
Phổ khối phân giải cao Từ khối lƣợng phân tử M tra công thức phân tử trên bảng tra cứu : Ví dụ: Số khối m = 207,0686 0,003 (m) Từ bảng tính khối lƣợng phân tử tìm ra công thức phân tử có thể là: C11H11O4, m = 207,065735 (m = -0,002865) C12H7N4, m = 207,067071 (m = -0,001529) C14H9NO, m = 207,068414 (m = -0,000186) m = -0,000186 là nhỏ nhất ,nên chọn CTPT là : C14H9NO
Phổ khối phân giải cao Phổ khối của chất chƣa biết có M= 116,0470 43
100
M = 116,0470 M (116) = 2,44(100%) M+1 (117) = 0,14 M+2 (118) = 0,03 (1,4%)
%B
80
60
40
55 56 20
98 73 20 30
40 50 60
70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
m/e
Phổ khối phân giải cao Ví dụ 2: Phổ khối của một hợp chất chƣa biết (hình 1.35) có số khối phân tử tìm thấy M = 116,0470 và m/e = 98; 73; 56; 55; 43 (100). Tra cứu trên bảng thấy số khối m ứng với các công thức phân tử nhƣ sau: m = 116,0460 C3H6N3O2 (Δm=0,0010) m = 116,0473 C5H8O3 (Δm=0,0003) Vì không có số khối m=116,0470 nên ta chọn công thức phân tử của chất là C5H8O3 có m = 0,0003 nhỏ hơn.
Phổ khối phân giải cao Cơ chế phá vỡ phân tử CH3
C
CH2-CH2
COOH
CH2
O +. + M . = 116 CH3
C
O+ m/e 43
C +
O. m/e 56 CH3
+
CH2CH2COOH m/e 73
CH2
C
CH2
CH C
O CH2
m/e 98 CH C m/e 55
O
+
O.
KÜ thuËt thùc nghiÖm Nguyªn lÝ cÊu t¹o khèi phæ kÕ Khèi phæ kÕ ®îc chÕ t¹o ®Çu tiªn vµo n¨m 1912 (J.Thompson, Anh) nhng ®Õn n¨m 1939 míi ®îc hoµn thiÖn (F.W.Aston). S¬ ®å nguyªn lÝ cÊu t¹o chung cña phæ kÕ gåm c¸c bé phËn sau:
* Ho¸ khÝ mÉu * Ion ho¸ * Ph©n t¸ch c¸c ion * Thu gom c¸c ion theo sè khèi * Xö lÝ sè liÖu
Mét sè ph¬ng ph¸p Ph¬ng ph¸p Ho¸ khÝ mÉu N¹p mÉu
Hãa khÝ mÉu
B¬m hót
Ion hãa
Ph©n t¸ch ion theo sè khèi
§ªtect¬
Xö lÝ sè liÖu
Ph¬ng ph¸p Ion ho¸ mÉu:
Ph¬ng ph¸p va ch¹m electron Ph¬ng ph¸p ion ho¸ ho¸ häc Ph¬ng ph¸p ion ho¸ trêng Ph¬ng ph¸p ion ho¸ photon Ph¬ng ph¸p b¾n ph¸ ion
Phương pháp ion hóa Ph¬ng ph¸p va ch¹m electron: MÉu chÊt ë d¹ng h¬i ®îc dÉn vµo mét buång, ë ®©ycã mét dßng electron mang n¨ng lîng chuyÓn ®éng vu«ng gãc víi mÉu vµ x¶y ra va ch¹m gi÷a chóng, biÕn c¸c ph©n tö trung hßa thµnh c¸c ion ph©n tö hoÆc c¸c ion m¶nh.
Ph¬ng ph¸p ion ho¸ ho¸ häc: Ion ho¸ ho¸ häc lµ cho dßng ph©n tö khÝ va ch¹m víi mét dßng ion d¬ng hoÆc ion ©m ®Ó biÕn c¸c ph©n tö trung hßa thµnh ion ph©n tö hay ion m¶nh. Trong qu¸ tr×nh nµy, tríc tiªn ph¶i biÕn c¸c ph©n tö khÝ metan thµnh ion, sau ®ã c¸c ion nµy míi va ch¹m víi c¸c ph©n tö mÉu theo c¸c bíc sau:
Phƣơng pháp va chạm electron Anot
® iÖn tr- ê ng E
Ph© n tö khÝ electron
K atot Buång ion hãa va ch¹m electron
ion ThÕ t¨ ng tèc U
Phƣơng pháp ion hóa hóa học Bíc 1:
CH4
+
+
+
CH3 + MH +
CH4 + MH
+
CH5 + CH3
CH4 + CH3
CH5 + MH
CH4 +
CH4 + CH4
Bíc 2:
-e
+
C 2H5 + H2 +
CH4 + MH2 +
CH4 + M
+
CH4 + MH
(MH= mÉu chÊt)
Phổ khối của chất M+= 166 100
OH NHCH3
58
CH CH CH3
a) Va chạm electron
50 69 79 0 100
b) Ion hoá hoá học
m/e50
100
150 m/e
m/e 58
148 50
166 61
88 107 117
0 50
100
150
m/e
T¸ch c¸c ion theo sè khèi C¸c ion h×nh thµnh cã sè khèi m/e ®îc ph©n t¸ch ra khái nhau b»ng c¸c thiÕt bÞ kh¸c nhau nh: * ThiÕt bÞ ph©n t¸ch ion héi tô ®¬n * ThiÕt bÞ ph©n t¸ch ion héi tô kÐp • ThiÕt bÞ ph©n t¸ch ion tø cùc • ThiÕt bÞ ph©n t¸ch ion thời gian bay
ThiÕt bÞ ph©n t¸ch ion héi tô ®¬n ( khối phổ kế)
Y
Z
Nam ch©m Chïm ion
Khe Khe r §ªtect¬
H×nh 5.4 ThiÕt bÞ ph©n t¸ch ion héi tô ®¬n.
ThiÕt bÞ ph©n t¸ch ion héi tô kÐp (khối phổ kế ) ThiÕt bÞ nµy bao gåm mét ®iÖn trêng E vµ mét tõ trêng B ®Æt nèi tiÕp nhau. (B)
§iÖn tr-êng E
Nam ch©m
(E)
re rm Z Y
Chïm ion
H×nh 5.5 ThiÕt bÞ ph©n t¸ch ion héi tô kÐp
ThiÕt bÞ ph©n t¸ch ion tø cùc ( khối phổ kế ) ThiÕt bÞ nµy kh«ng dùa trªn nguyªn lÝ dïng tõ trêng mµ ®îc sö dông ®ång thêi ®iÖn ¸p mét chiÒu VD vµ ®iÖn ¸p xoay chiÒu cao tÇn VR ®Æt vµo bèn thanh trßn gäi lµ bèn cùc, cø hai cùc ®èi diÖn ®îc nèi víi nhau vµ trë thµnh cùc ©m hoÆc cùc d¬ng. y §ªtect¬ z
r0 +(VD+VRcos t)
Chïm ion -(VD+VRcos t)
x
Khối phổ kế thời gian bay – Thời gian bay của ion
từ nguồn đến đetectơ tỷ lệ với số khối m/e : T= L(m/2e)1/2 Vïng bay
2
1
G 0 (v 0) G1 (v 1)
E1
G 2 (v 2)
E2
TÊm ph¶n x¹ ThÕ t¨ng tèc U
Líi ion ho¸
X0 d1
Ion Ion
§ªtect¬
L d2
Đetectơ nhân electron Sơ đồ hoạt động của đetectơ nhân electron
Chïm ion Dinot -7,5 kV
Dinot -8kV
KhuÕch ®¹i
-6,5 kV
-7 kV
-6 kV
Đetectơ nhân electron
Phổ khối lƣợng
Ph©n lo¹i c¸c ion 1. Ion ph©n tö: Ion ph©n tö lµ c¸c ion cã sè khèi lín nhÊt, vµ chÝnh lµ träng lîng ph©n tö cña chÊt mÉu. Ngêi ta kÝ hiÖu ion ph©n tö lµ M+. Mét ph¬ng ph¸p kinh nghiÖm lµ khi M+ lµ mét sè ch½n th× ph©n tö sÏ khong chứa hoặcchøa mét sè ch½n nguyªn tö N. Ngîc l¹i nÕu lµ sè lÎ th× ph©n tö cã thÓ chøa sè lÎ nguyªn tö N.
2. Ion ®ång vÞ:
Hîp chÊt h÷u c¬ cã c«ng thøc CnH2n cã tØ lÖ lµ:
Trªn phæ ®å sÏ cho ta thÊy tØ lÖ nµy lµ chiÒu cao v¹ch phæ. Ion M+ cña 12CnH2n cã chiÒu cao h cßn ion (M+1)+ cña 13C12Cn-1H2n cã chiÒu cao h’ th×: h ' 0,011xn h 1
Do ®ã:
n
h' 0,011xh
Nh vËy dùa vµo chiÒu cao v¹ch phæ M+ vµ (M+1)+ ta cã thÓ tÝnh ®îc sè nguyªn tö cacbon trong ph©n tö.
H×nh d¹ng chiÒu cao v¹ch phæ M+, (M+2)+ vµ (M+4)+ cña ph©n tö chøa Br, Cl vµ S. 79
Br +81 Br 32
35
79
Cl
37
Br
81
Br
79
Br
81
S
Br
Cl 31
S
Tính tỷ lệ ion đồng vị cùng nguyên tố Ví dụ 1: Hợp chất CH2Cl2. Giả dụ đồng vị có khối lƣợng A1, A2 và tỷ lệ đồng vị a1, a2 có thể tính Klpt M nhƣ sau : Ta có: (A1+A2)2 = A12 + 2A1A2 + A22 . 35Cl có A1=35 35 35 37 37Cl A2=37 35 37 37 CH2 14 14 14 M 84 86 88 Tính tỷ lệ cƣờng độ vạch phổ nhƣ sau : (a1+a2)2 = a12 + 2a1a2 + a22 a1=1 12 2.1.0,32 0,322 a2=0,32 1 0,64 0,10
Tính tỷ lệ ion đồng vị hai nguyên tố khác nhau Thí dụ 2 : Hợp chất CH2BrCl Br có đồng vị A1 và A2 tỷ lệ đồng vị a1 và a2 Cl có đồng vị B1 B2 tỷ lệ đồng vị b1 b2 Tính klpt M : ( A1 + A2 )(B1 + B2 ) Tính tỷ lệ cƣờng độ vạch phổ : ( a1 + a2 )( b1 + b2 ) Áp dụng cách tính tƣơng tự nhƣ trên.
Ion m¶nh C¸c ion m¶nh lµ do sù ph¸ vì ph©n tö sinh ra khi va ch¹m víi electron. Tuú theo n¨ng lîng va ch¹m lín hay nhá mµ ph©n tö vì thµnh nhiÒu m¶nh kh¸c nhau. O 100%
105
O
CH3
M=178 123
50 77
56
122 178 (M )
135 0 50
100
150
m/e
Phæ khèi lîng cña n-butyl benzoat
Ion mảnh Sơ đồ phân mảnh của n-butyl benzoat O+
O
O O
m/e 135
CH3
CH2 O
+
m/e 105
H
m/e 178 (M+')
O CH3 CH2
H O
+
m/e 122
C¬ chÕ ph©n m¶nh ph©n tö 1- T¸ch ankyl: C C C
C C
+
C
+
2- T¸ch olefin: C C C+
C C
C
C
+C
+
+
C C
+
C + C
3- T¸ch allyl:
C
C
C
C
C
+
C
C
C
C
C
C
C
+
+
4- T¸ch ion tropylium (vßng th¬m): CH2 CH2
CH2 + +
+
+
C
C
C
C
5- T¸ch ®ång ly:
C
X
C
+
+
X
(X=halogen, OH, SH, NH2, OR)
X +
+
+
X
(X=halogen, NO2)
6- T¸ch dÞ ly: C
X
C (X=halogen)
+
X+
7- T¸ch ë vÞ trÝ ®èi víi YRC-O: nhãm C-Y vµ C
C
C
+
YR
C
C
+
C
[Y=O, N, S]
C
C
Z
C
O
+
C
Z
+O
[Z=ankyl , aryl , H, OR, NH2]
8- T¸ch Retro-Diels-Alder: hay
9- T¸ch ph©n tö trung hoµ b»ng chuyÓn vÞ liªn kÕt ®«i cis hay vßng th¬m thÕ ortho: B
+
X Y
A H
B
X Y
B +
A H B= CH2 hay CO X=O, S, NH Y=H hay ankyl A=O, S, NH, CH2
+
A
X Y H
10- ChuyÓn vÞ McLafferty a) Nhãm cacbonyl:
A Y
H
X
H
O
A
C
Y
+
X
O C
X=O, CH2, NH, S Y=O, CH2, v.v... A= C, CH, CH2
b) Vßng th¬m vµ anken A Y
H
X
C+ C
H
A +
Y
+
X
C C
11- ChuyÓn vÞ t¸ch gèc
+
+
YR
H
YR
C
+
YR
CH
+
CH
[Y=O, NH, S]
+
+
O
H
C
O
+
O
CH
+
CH
Phổ khối của hiđrocacbon Ankan là hiđrocacbon bão hòa CnH2n+2 Ion phân tử của hidrocacbon bão hoà luôn xuất hiện nhưng yếu với các hidrocacbon mạch dài Ion phân tử hiđrocacbon thơm bền hơn ankan,anken Đánh giá độ bền ion phân tử : WM-Cường độ ion phân tử ; I- Cường độ tín hiệu
WM
I
I
100%
Phổ khối của hiđrocacbon
Hiđrocacbon Hexan C6H14 Hexen-1 C6H12 Xiclohexan C6H12 Xiclohexađien-1,3 C6H8 Đivinylaxetilen C6H8 BenzenC6H6
Wn 2,8 4,6 15,5 16,5 23,2 33,2
Phổ khối của hiđrocacbon Phân mảnh : ankan m/e = 29, 43, 57… CH3CH2/CH2/CH2/CH2/CH2/CxHy 29 43 57 71 85 43 CH3 CH2 CH2
43 CH CH3 CH3
2-Metylpentan
29 CH3
CH2
43
57 CH
CH2 CH3
CH3 3-Metylpentan
CH3 CH
43 CH CH3
CH3 CH3 2,3-§imetylpentan
Phổ khối của octađexyliodua C18H37J
ở 70oC,70eV (h.trên ),70oC,19eV(h.dƣới)
Phổ khối của n-docosan C22H46
ở 70o , 70eV (h.trên), 170oC,70eV(h.dƣới)
100
%B
57
Phân mảnh Hexan
C C C C C C
43 29
41
50
27
+
86(M )
Ví dụ :
C
C
C
C
C
C
15
71
0
43
C
C
C
C
C C C C C
C
C 50
C
27 71 +
86(M )
15
57
C
C
C
C
C
56
C C C C C
29
C
C
41
50
43
C
C
C
+
71
C
86(M )
43 42
C
C C C C C 50
C C
71
55 20
40
m/e
60
+
86(M ) 80
Ankan vòng Xiclohexan +
C3H8
100
80
C2H4 %B
M +
C3H5
60
Xiclohexan
40
-
m/e 84
C2H4
CH3 m/e
69
84(M)
20
m/e 41 0 0
10
20
30
40
50 m/e 60
70
80
90
100
110
Ankan vòng Cholestan :
vị trí 1 2 3 4 5 6 7
m/e 56 96 124 150 178 218 99
m/e 316 276 248 222 194 154 273
M+. 372 ( 38%) 5 6
CH2
C7H15 7
4 3 1 2
Anken
m/e 27, 41,55… M+.
Mạnh
2-Hexen m/e = 27, 41, 55…
+
R CH CH CH2 + CH2 R 1
2
3
4
F3
R CH CH CH2 CH2 R
+
H3C
R CH CH CH2
.
+
H C C
H
CH2CH2CH3 M +. 84
H
H3C C C H
+
CH2CH2 m/e 69
H
H3C C C H
CH3 CH CH2
+
CH2 m/e 55
m/e 42
.
+
Ankin
Phân mảnh m/e 39,53,67
HCCCH2R +. → HCCCH2+ + R. → HCCCH2. + R+
B%
Phæ khèi của ankylbenzen Cắt mạch nhánh vị trí beta :
105
CH3 C 2H5
120 39
91
77 79
65
105
CH3
M
C 2 H5 51
CH3
105 M
CH3
CH3
51
H
CH2
R
CH2
CH3
91
m/e 92
M 39 40
50
78
65
51 60
70
105
80
90
m/e
100
110
120
Phæ khèi của ankylbenzen Ankylbenzen: Thêng xuÊt hiÖn c¸c sè khèi m/e= 39, 50, 51, 65, (76), 77, (78), 91... 100%
91
50
120
39 27
65
51
78
105
0 40
60
80
100
120
m/e
Phæ khèi lîng cña n-propylbenzen
C¬ chÕ ph©n m¶nh +
CH2
CH2 -C2H5
H H m/e 92
-CH2=CH2
H m/e 120 (M+) -C3H7 +
+
C3H3
+
-C3H2 m/e 91 (B) - CH CH
m/e 77 - CH CH +
m/e 65
m/e 51
m/e 39
Ancol Phân mảnh : m/e 31, 45, 59… Phá vỡ phân tử ancol bậc 1 và 2:cắt nhóm OH và ankyl m/e 31 F5
OH
H3
R
H2O
F1 (M-17)
R' R CH OH
H3
F5
H2O
F1 (M 17)
(M 18)
(M-18)
Ancol CH3CH2CH2CH2CH2OH → M+. = 88 CH3CH2CH2CH2• + CH2=OH+ (F5) m/e 31 → CH3CH2CH2CH2+ + •CH2OH (F1) m/e 57 → +CH2CH2CH=CH2 + •CH3 + H2O m/e 55
Ancol n-Pentanol %B
100
M-(H2O vµ CH2=CH2)
90
C H 3 (C H 2 ) 3
C H 2O H 31
80
+ CH2OH
70
M-(H2O vµ CH3)
60 50 40
M-H2O
30 20 10
M-1 0 20
30
40
50 m/e
60
70
80
90
Phổ khối của ancol Pentan-2-ol %B
100
45
90
+ CH3-CH=OH
80
CH3CH2CH2
70
CH
CH3
OH 45
60
a) 50 40
M-(H2O vµ CH2=CH2)
30
M-(H2O vµ CH3)
20
M-H2O
M- CH3
10
M-1 M
0 20
30
40
50 m/e
60
70
80
90
Ancol vòng Xiclohexanol 100
57
%B
80
OH
60
82
B) -CH3
40
44
67
20
M-1 0 40
60
80 m/e
+
100(M )
100
Ancol vòng OH
Cơ chế phân mảnh
1
3
OH
OH H C CH2 H
OH C
2
H CH3 OH
M m/e 100
CH CH H2O m/e 82
CH2 m/e 57
C3H7
Anđehit M+. Yếu ; m/e (M-18), (M-28), (M-44) và 44, 58, 72.
theo hai hướng: R
O
OH
, R
m/e ( 43 R) R
F
5
R m/e ( 27 R)
Anđehit Phân mảnh: m/e 31, 45, 59… Cơ chế phá vỡ anđehit R
OH
, R
O
m/e ( 43 R
F
5
R m/e ( 27
C2H5
H HC H2C
O CH CH2
R)
g·y
R)
C2H5
+
HC H2C
OH
+
CH CH2 m/e 44
Anđehit
Pentanđehit
44
100
CH3CH2CH2CH2 CH2CHO 56 (M-44)
%B
80
57 (M-43) 60
29
40
72 (M-28) 82 (M-18)
20
+
100 (M ) 0 20
40 m/e
60
80
100
Xeton Phân mảnh: m/e 58,72,86… Cắt liên kết
C
O
C
OH
OH H1
O F5
R' F5
R
F5
R' m/e 58 R' hay R'
O +
+
R
O
R
Xeton Butylpropylxeton 43
100
85
57
O
%B
80
57
CH3CH2CH2
71
43
60
C CH2CH2CH2CH3 71
85 58
40
+
128 (M )
86
20
100 0 20
40
60 m/e
80
100
120
140
Xeton vòng VÝ dô phæ khèi cña menthon: 100%
O
112
CH 3
H 3C 69
50 139 56 57
70
154 83
97
0 60
80
100
120
140
160
m/e
C¬ chÕ ph©n m¶nh H O CH2
O
O
H
m/e 154 (M)
- CH3
-C3H6
- CH2
CH2
-C4H9 -C5H11
O OH m/e 112 (B)
-CH3
m/e 139 CH2
-C3H6 CH2 CH2
OH m/e 70
O+ m/e 69
O+
CH2 CH2 m/e 97
+
OH
m/e 83
Xeton đa vòng 100 41
55
%B
81(M-71)
O
H
108(M-44) 80
67
H +
152(M )
60
40
20
137(M-15) 0 40
60
80 m/e
100
120
140
160
Xeton đa vòng Cơ chế phân mảnh:
+
H2C
+
O
C O+
H3C -CH3
H
+
O
m/e 137 -CHO + +
O
O
+
H
+
O
H
-CH3
H2C
H
m/e 108 m/e 137
+
+
+
O
O
O H
H
H3C
H2C
H3C
+
+
O
O
H3C +
CH3 CH CH m/e 41
H3C
+
O
O C m/e 55
+
CH CH CH m/e 67
+
O m/e 81
Phenol 100%
94 (M+)
H O
O
H
H
H
H 50
-H
-CO m/e 94
66 65
0 40
60
80
100
m/e
m/e 66
m/e 65
Axit cacboxylic Phân mảnh : m/e 45,60,73,87… OH +
F1 H R
H1
H1
O OH
R'
F1
R
OH R' m/e (59 + R')
R' + COOH R m/e (M - 45)+
Axit cacboxylic 99
CH3(CH2)4CO
Cơ chế phân mảnh: Axit hexanoic
C5H11 71 C4H9 C3H7 CH3CH2
CH3
CH2
57
43 O
29 CH2
CH2
CH2
C
OH
45 COOH 59 CH2COOH 73 CH2CH2COOH 87
(CH2)3COOH
Axit cacboxylic Thêng gÆp t¸ch OH (m/e 17) vµ t¸ch COOH (m/e 45).
Phæ khèi lîng cña axit m-metoxibenzoic.
Sơ đồ phân mảnh Cơ chế phân mảnh của axit m-metoxibenzoic O
O CH3O
OH
+
CH3O
CH3O
m/e 135
CH2 O
m/e 107
H CO 2H
+
CO 2H
m/e 122
Este cña axit cacboxylic Sè khèi thêng gÆp lµ m/e 61, 75, 89, 103, ... 100%
120
50 121
138
92 93
41 66
194
0 40
60
80
100
120
140
160
180
200
m/e
Phæ khèi lîng cña n-butyl salixylat
C¬ chÕ ph©n m¶nh O+
O
C2H5
O
O
O.C4H9 O
H
H
OH
OH O
-C4H8
m/e 194(M)
m/e 138 -C4H9OH
-C4H7
-H2O C4H2O
+
OH C
m/e 66
-CH CH
O+
OH OH m/e 139
H
O m/e 120(B)
C O
-CO m/e 92
Hợp chất nitro Trên phổ khối của hợp chất nitro ion phân tử đôi khi vắng mặt, các số khối thường gặp là m/e 30, 46 cũng như (M-16)+, (M-30)+, (M46)+. Ion m/e 30 và (M+30)+ do cắt nhóm NO, còn ion m/e 46 và (M-46)+ do cắt nhóm NO2, ngoài ra cũng xuất hiện ion (M-16)+ do cắt một nguyên tử Oxi của nhóm NO2, như sơ đồ dưới đây:
Nitro
(M - 16)
-NO2
[ Ar NO2 ]
-O
(M - 16)
-NO NO2 m/e 46
NO m/e 30
(M - 30)
Nitrobenzen O -CO
O N O -NO m/e 93
m/e 65
-NO2 m/e 123
-C2H2 m/e 77
C4H3 m/e 51
Nitrin CN
C2H2
CN
C4H3 m/e 51
m/e 77 HCN C6H4 m/e 76
H C6H3 m/e 75
Hợp chất azo
Hợp chất azo Phổ khối của azo cho ion phân tử với cƣờng độ mạnh. Phân tử bị phá vỡ theo cơ chế tách F1,cắt liên kết CN nhƣ sơ đồ sau: N
N N
NH
H O C
OCH2
H
H M 212 N
NH CH H
O N
N O
CH
NH2
CH
O m/e 93
m/e 119
NH2
Hợp chất oxim
-OH
N C6H5
OH
-C6H5CN
C C6H5
M 197(48)
-C6H6
-C6H5 C6H5CN (C6H5)2C N m/e 180(100) m/e 103(16) C6H5OH m/e 94(9) C6H5 C N O m/e 119(8)
Hợp chất halogen Ion phân tử M+. Mạnh Br,Cl- kèm ion đồng vị Cắt liên kết như sau: 43
85
CH3
Cl m/e
91/93
Br 135/137
CH CH3
CH2
149/151 Vị trí cắt
CH2
107/109
CH2
93/95
Br
+
Hợp chất halogen H (CH3)2C
Br
H2C
(CH3)2C
CH2
HBr
H2C
(CH3)2C
CH2
CH2
H2C
CH2
100
CH2 CH2 m/e 84
43
%B
Phổ
43
CH3
80
85
CH CH2 CH2 CH2 Br CH3 85(M-Br)
60
107/109
93/95
84(M-HBr) 40
69 +
[CH2Br]
20
+
[CH2CH2Br] 107 109
+ (M. )
164 166
93 95 0 40
60
80 m/e 100
120
140
160
180
Hợp chất halogen CH3CH2 CH3
CH3CH2
C Cl
M 106
CH3
-Cl
-CH4
CH3CH2
+ 3 m/e 71 CH
C CH2
m/e 55
CH3 C Cl CH3
m/e 77
H CH 3 C 2
100 +
77(M-C2H5)
55(C4H7 )
%B
+
C CH3
71 CH3
80
CH3CH2
71(M-Cl) 60
C
Cl
CH3
41
77
43 40
(M-HCl) 70
+
36(HCl ) 20
+
106(M ) 0 20
40
m/e
60
80
100
120
Amin th¼ng Sè khèi thêng gÆp lµ m/e 30, 44, 58, 72, ...
100%
58
CH3 100
CH3
50
CH3 CH3 N CH3 m/e 115 (M)
CH3 CH3 N CH3 CH2 H m/e 100
CH3 CH NH + C3H6 CH3
+
m/e 58 (B)
115
72
43
30
86
0 40
60
80
100
120
m/e
Phæ khèi lîng cña N,N-®i-isopropylmetylamin
Amin th¬m Ion ph©n tö xuÊt hiÖn m¹nh. 100%
106
107
50
77 79 39
51 65
30
91
0 40
60
80
100
120
m/e Phæ khèi lîng cña N,N-®i-isopropylmetylamin
C¬ chÕ ph©n m¶nh +
NH2
NH2 CH2
+
-H2CN m/e 106 (B)
m/e 77
-H NH2
H H
CH2 H
H
NH
H
CH3
CH3 -HCN
m/e 80
m/e 107 (M) -H - NH2 CH3
C7H7+ m/e 91
m/e 79
Hợp chất dị vòng Phổ khối của furan (hình 2.43) cho ion phân tử M68 (70%) và m/e 39, 29 do sự phá vỡ phân tử nhƣ sau:
-CHO O
O
O
M+ 68 CHO m/e 29
m/e 39
Dẫn xuất furan Các dẫn xuất 5-nitrophenyl-2-furanđehit đều cho ion m/e 217 (M) nhƣng cƣờng độ của chúng khác nhau O NO2
M 217 (500)
CHO2
O NO2 m/e 188 (10000)
+
NO2
+
CHO
m/e 172 (500)
Thiophen Tƣơng tự ankylbenzen, 2- và 3metylthiophen dễ dàng mất đi một nguyên tử H cho ion m/e 97 (100%), cho ion phân tử M 98 (50%) và m/e 45 (20%): CH3
CH S m/e 45
S m/e 98 ( 2 ), 3-Metylthiophen
S m/e 97
Pirol Quá trình ion hoá phá vỡ phân tử của pirol cho ion phân tử M+=67 với cƣờng độ mạnh 100%, các ion hình thành do phá vỡ vòng m/e 41, 40, 39, 28 cũng đều có cƣờng độ mạnh (hình 2.51)
N
N
N
H M 67
H
H
NH CH
-CH NH m/e 28
-CH CH
-CH=NH
H N m/e 41
m/e 39
Pirol Phổ khối của pirol 100
+
%B
67(M )
80
N 40(M-HCN)
H
39 41
60
28 40
20
0 0
20
m/e
40
60
Indol Metylinđol cho ion phân tử M và ion (M-1)+ có cƣờng độ mạnh và các ion m/e 103, 71, 51 (hình 2.53) do sự mất một nguyên tử H của CH3 -H N
CH2
H
M 131 H
N M-1
-CH CH m/e 51
H
H
N
-HCN -CH CH
m/e 77
m/e 103
Ankylpiridin Piriđin là một dị vòng bền vững khó bị phá vỡ vòng trong quá trình ion hoá trừ trƣờng hợp các dẫn xuất ankyl, oxi, nitơ… của nó . Ví dụ metylpiridin : CH3 N. M+ = 93
CH2 C3H3+ m/e 39
C4H4N + N
N m/e 92
N m/e 66
Quinolin Cũng nhƣ piriđin,vòng quinolin khá bền vững, khó bị phá vỡ trong quá trình ion hoá, phổ khối của quinolin cho ion phân tử M 129 (100%) và các ion mảnh m/e 102, 76, 51 (hình 2.57) do sự phá vỡ phân tử theo sơ đồ dƣới đây:
N M 129 (100%)
m/e 102 (20%)
m/e 76 (10%)
m/e 51 (15%)
Quinolin Ankylquinolin ion hoá cắt gốc ankyl cho ion (M-R)+ và đồng phân oxiquinolin dễ bị vỡ vòng cho các ion (M-O)+, (M-HO)+, (M-CO)+, (M-HCN)+ nhƣ sau:
-R
R CH2 N
CH2 N
-CH CH N m/e 141
R
-R
m/e 115 -HCN
N m/e 141
m/e 114
N
Quinolin Ion phân tử 2-hiđroxi và 8-hiđroxiquinolin đều có khuynh hƣớng cắt nhóm CO :
-CO N
N
OH
m/e 117 H
2-Hi®roxiquinolin -CO N OH 8-Hi®roxiquinolin
N m/e 117 H
Mét sè vÝ dô vÒ ph¬ng ph¸p gi¶i phæ khèi lîng VÝ dô 1: X¸c ®Þnh c«ng thøc cÊu t¹o cña mét sè hîp chÊt cã c«ng thøc céng C7H8O: 100%
79 108 +
(M ) 107
(M-1)
77
50
91 105
(M-3) 0 60
80
100
120
m/e
Giải phổ: Lập bảng trừ số khối m/e
Ta nhËn thÊy r»ng trªn phæ xuÊt hiÖn c¸c sè khèi m/e=91, 79, 77, 65, ®iÒu nµy chøng tá cã vßng benzen g¾n víi nhãm CH2 trong ph©n tö: +
CH2
Giải phổ Tõ M+=108 chuyÓn vÒ m/e=91 c¾t ®i 17 tøc nhãm – OH do ®ã ph©n tö cã cÊu t¹o lµ: CH OH 2
H C O
m/e 106
CH2
+
OH
CH
m/e 108 (M+)
m/e 107 -OH
-H
+
-CH2OH C O+
CH2 +
m/e 91 m/e 105
m/e 77 -C2H2
m/e 65
OH
VÝ dô 2 X¸c ®Þnh c«ng thøc cÊu t¹o cña chÊt cã c«ng thøc céng C6H15N vµ phæ khèi lîng ë h×nh díi: 100%
44
M-CH3 86
50
M+101 0 40
60
80
100
m/e
Giải phổ
C6H15N
LËp b¶ng hiÖu sè m/e:
* Tõ m/e=101 vÒ 86 c¾t 15 lµ nhãm -CH3 * Tõ m/e=101 vÒ 58 c¾t 43 lµ nhãm -C3H7 * C«ng thøc tæng C6H15N = 101, c¾t C3H7 cßn C3H8N = 58 tøc nhãm C3H7-NH-, do ®ã c«ng thøc cña nã lµ C3H7-NH-C3H7.
Giải phổ Gi¶ thiÕt cã c¸c c«ng thøc cÊu t¹o sau: CH3 CH2 CH2 NH CH2 CH2 CH3 CH3 CH2 CH2 NH CH CH3 CH3
CH NH CH
CH3
(1) (2)
CH3 CH3 CH3
(3)
Tõ c¸c sè liÖu phæ khèi ph©n biÖt ba c«ng thøc nµy rÊt khã, v× c¬ chÕ ph©n c¾t cña chóng ®Òu cã thÓ gi¶i thÝch ®îc tõ c¸c gi¸ trÞ m/e trªn phæ khèi lîng.
Giải phổ VÝ dô:
+
CH3 CH2 CH2 NH CH2 CH2 CH3
-15
+
CH3 CH2 CH2 NH CH2 CH2
m/e 101 (M+) +
-43
CH3 CH2 CH2 N +
m/e 86
H
CH3 CH2 CH NH2 m/e 58 CH2 H2N CH2 m/e 44
CH2 CH2
Giải phổ HoÆc cã thÓ:
H CH3 CH3
+
CH NH CH m/e 101 (M+)
CH3 CH3
-15
+
CH3
CH NH CH
CH2 CH3
m/e 86 -42
-43
+ +
H2N
C
m/e 58
CH3
CH3 CH NH2
CH3
m/e 44
V× vËy ®Ó kh¼ng ®Þnh c«ng thøc nµo lµ ®óng th× cÇn ph¶i kÕt hîp víi ph¬ng ph¸p phæ kh¸c (phæ hång ngo¹i hay phæ céng hëng tõ nh©n).
Phổ khối của nicotin
Cơ chế phá vỡ phân tử
- NCH 3
N N M
N m/e
CH3
-
133
H
162
N N m/e N CH3
m/e
84
CH3 161
Ví dụ: phổ khối của 4-piron M= 96 100
96
O +
%B
O 69
O O 50
42
O
29 0 20
30
53
40
50
60
70
80
90
100
Giải phổ Cơ chế phá vỡ phân tử 4-piron O
O -
O M
C2H3
O m /e
C3HO2 69
-
+
-
O
O
CO
m/e
C3HO
53
96
O m/e
C 2H 2O 42
Phổ khối của ancol amylic , M+•=88 %B
100
M-(H2O vµ CH2=CH2)
90
C H 3 (C H 2 ) 3
C H 2O H 31
80
+ CH2OH
70
M-(H2O vµ CH3)
60 50 40
M-H2O
30 20 10
M-1 0 20
30
40
50 m/e
60
70
80
90
Giải thích cơ chế M CH3(CH2)n M
CH2OH
M
(H2O
CH3 )
H 2O
88 M CH2OH
( H 2O
C 2H 4 )
Cơ chế phá vỡ phân tử
CH3CH2CH2CH2CH2OH+. → M 88
CH3CH2CH2CH2• +
→
CH3CH2CH2CH2+ m/e 57
→
+CH2CH2CH=CH2
CH3CH2CH2CH2CH2OH+. → M 88 CH3CH2CH2CH=CH2+. M 70
CH2=OH+ m/e 31
+
•CH2OH
+
•CH3
(F5) (F1)
+ H2O
m/e 55 CH3CH2CH2CH=CH2+ m/e 70 →
+
H2O
CH3CH=CH2+ + CH2=CH2 m/e 42
Phổ khối của hợp chất chứa C,H và halogen 75
100
%B
80
60
155
201
40
28
171
30 38
20
50
143 63 92
0 20
40
60
80
185
105 117 129
100
120
m/e
140
160
180
200
220
Phổ khối của hợp chất chứa C,H và N Giải thích cấu tạo 72
100 90 80
30
%B
70 60 50
86
40
44
30
58
20 10
100
115
0 10
20
30
40
50
60m/e 70
80
90
100
110
120
Phổ khối của hợp chất chứa C,H và O Giải thích cấu tạo 50
105 77
%B
40
30
51
20
10
28 39
65
126 139
0 20
40
60
80
100 m/e120
140
152
210 165 178
160
180
200
220
Phổ khối của hợp chất chứa C,H,O và S Giải thích cấu tạo 20
91
15
%B
65
10
5
28
39
77 105 121124
51
152 140149 165
230
180
0 20
40
60
80
100
120
140
m/e
160
180
200
220
240
Phổ khối của hợp chất chứa C,H,O và halogen . Giải thích cấu tạo 78
100 90 80
%B
70
88
60 50 40 30
39
104
52
20
166
10
131
63
139
0 50
m/e 100
150
Hợp chất dị vòng Phổ khối của 7-etyl-2-propylbenzothiophen 100
%B
175(M-29)
80
S CH2CH3
CH2CH2CH3
60
+
204(M )
40
160
20
45
(M-15) 189
0 20
40
60
80 m/e 100
120
140
160
180
200
Giải thích cơ chế
CH 2
CH 2
m/e
189
m/e
175
CH 3
S CH 2
CH 3
M 204
m/e
160
Cơ chế phá vỡ phân tử CH 2
CH 2
CH 3
S CH 2
C 2H 5 S
CH 3
CH 2
M 204
CH 3 CH 3
CH 2 CH3
S
CH 2
S CH 2
CH 2
CH2 m/e
189
m/e
160
m/e
CH 3 175
SẮC KÝ LỎNG HIỆU NĂNG CAO (HPLC)
MỤC TIÊU 1. Trình bày được nguyên tắc hoạt động và cấu tạo của máy sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC). 2. Trình bày được nguyên tắc và ứng dụng của các kỹ thuật của HPLC: sắc ký phân bố, sắc ký hấp phụ, sắc ký trao đổi ion, sắc ký loại cỡ. 3. Mô tả và trình bày nguyên tắc, cấu tạo và ứng dụng của một số detector thường dùng trong máy HPLC.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
TÀI LIỆU THAM KHẢO
SẮC KÝ LỎNG Pha động Lỏng
Pha tĩnh - Rắn - Lỏng
High Performance Liquid Chromatography
Các bộ phận của máy HPLC
Bình chứa dung môi giải ly cột • Có 4 bình dung môi (đường dung môi) → rửa giải theo tỷ lệ
mong muốn • Bình được làm bằng chất liệu trơ, thường là bằng thủy tinh, có cái nắp bảo vệ, nắp có lỗ hở thông với khí trời.
• Ống dẫn dung môi từ bình vào ống sắc ký, có gắn một nút lọc bằng kim loại với mục đích lọc dung môi và giữ ống luôn ở dưới mặt thoáng của chất lỏng.
• Trước khi sử dụng, cần lọc (màng lọc 0,45µm) và đuổi khí hoà tan trong pha động, gọi là khử bọt khí (degassing: chạy siêu âm, sục khí trơ như heli...)
Dung môi dùng cho HPLC
• Tỉ lệ của mỗi dung môi trong hỗn hợp được điều khiển bằng hệ thống điều khiển. • Có hai kiểu chương trình dung môi
Dung môi dùng cho HPLC Có hai kiểu sử dụng pha động trong việc giải ly: • Giải ly đơn nồng độ (đẳng dòng - isocratic elution) • Giải ly nồng độ tăng dần tuyến tính (gradient elution):
Dung môi dùng cho HPLC có thể là nước, các loại dung dịch đệm (pha trong nước), methanol, acetonitril hoặc hỗn hợp của các loại trên.
Dung môi dùng cho HPLC Lưu ý: • Tất cả dung môi phải có độ tinh khiết cao, đạt tiêu chuẩn HPLC (HPLC grade solvent), không có lẫn bụi bẩn và phải được khử không khí. • Trước khi sử dụng, cần lọc (màng lọc 0,45µm) và khử khí (sục mạnh khí helium vào bình hoặc đặt bình đã được mở nắp vào một bồn siêu âm) • Nếu máy sử dụng đầu dò UV, dung môi sử dụng phải trong suốt đối với bước sóng mà đầu dò UV đang hoạt động để phát hiện mẫu chất.
Bơm cao áp • Áp suất cao lên đến 7000 psi (48,3 MPa) để bơm một dung môi (pha động) để xuyên ngang qua một pha tĩnh (được nhồi thật chặt bởi những hạt thật mịn) với một vận tốc không đổi, thường vào khoảng 0,5-4,0 ml/phút. • Bơm được cấu tạo bằng chất liệu để chịu đựng được dung môi hữu cơ và các dung dịch đệm.
Cột sắc ký, cột bảo vệ • Thép không gỉ, thủy tinh hoặc chất dẻo • Cột nhồi thường: dài 10-30 cm, đường
kính trong 4-10 mm, cỡ hạt 5 hoặc 10 um. Số đĩa lý thuyết dao động 40000 đến 60000/m.
• Microcolumn: dài 3-7,5 cm, đường kính trong 1-2 mm, cỡ hạt 3 hoặc 5 pm. Có trị số N đến 100000 đĩa/m. Ưu điểm nổi
bật của chúng là chạy sắc ký tốn ít dung môi và ít thời gian.
Cột sắc ký, cột bảo vệ • Chất nhồi: chế tạo từ silica (silic dioxyd) • Ngoài ra, còn có các chất nhồi khác như nhôm oxyd, polyme xốp, nhựa trao đổi ion... tuỳ thuộc vào loại hình sắc ký. • Trước khi pha động đi vào cột phân tích, nó phải được cho
đi ngang qua một cột bảo vệ (guard column), sử dụng để lọc bỏ những tạp chất còn sót lại. • Cột bảo vệ ngắn hơn cột sắc ký, được nhồi hạt cùng loại nhưng kích thước hạt lớn hơn. Cột bảo vệ không đắt tiền nên cần được thay mới thường xuyên.
Cột sắc ký, cột bảo vệ • Trong sắc ký lỏng, vận hành thiết bị thường ở nhiệt độ phòng không cần điều nhiệt cột. • Tuy vậy chất lượng của sắc ký đồ sẽ tốt hơn nếu duy trì nhiệt độ của cột không thay đổi (sai số < 0,05°C)
• Thiết bị HPLC hiện đại được trang bị thêm lò gia nhiệt cho cột (Column heater) ổn định nhiệt độ ở gần 150°C với sai số < 0,05°C • Trang bị hệ thống phun nước làm lạnh (water jackets fed) từ bể ổn nhiệt để khống chế chính xác nhiệt độ
Bộ phận tiêm mẫu • Ống chứa mẫu (sample loop), là van có hai cổng, giúp định
hướng dòng chảy của pha động chỉ có thể đi trên một trong hai con đường khác nhau.
Bộ phận tiêm mẫu • Mẫu khảo sát (ở áp suất thường) được tiêm vào máy nhờ một kim tiêm. Gạt van theo chiều quy định, ống chứa mẫu
được nối thông vào bên trong máy, pha động lỏng thổi ngang qua đoạn ống chứa mẫu, cuốn hết các chất mẫu nằm trong ống đi vào trong máy.
• Khi máy đang hoạt động đều, pha động lỏng đi xuyên ngang qua cột sắc ký nhờ một máy bơm tạo áp suất cao. • Khi con đường này hoạt động thì đường kia thông ra không
khí bên ngoài máy, được khí thổi sạch để sẵn sàng chứa một mẫu mới cho lần phân tích sau.
Đầu dò (Detector) • Đầu dò theo dõi dòng chảy của dung môi giải ly cột để biết khi nào thì các hợp chất đi ra khỏi cột. • Mỗi loại đầu dò có một nguyên tắc hoạt động khác nhau,
đều nhằm đạt đến mục đích cuối cùng bằng một tín hiệu điện tử và tín hiệu này phải tỉ lệ với một số tính chất của chất phân tích, thí dụ mức hấp thu UV, chỉ số khúc xạ... • Mức độ đáp ứng của đầu dò phải tỉ lệ với số lượng của mỗi chất phân tích hiện diện trong hỗn hợp mẫu phân tích. • Lựa chọn loại đầu dò tùy loại hợp chất muốn phân tích và các hợp chất đó có các đặc trưng hoá học nào.
Đầu dò (Detector)
Một đầu dò HPLC lý tưởng đạt một số tiêu chuẩn: • Độ bền cao. Không làm hư hại mẫu phân tích • Có độ nhạy cao và cho kết quả có tính lặp lại • Cho đáp ứng tương đồng đối với những chất phân tích có cấu trúc hoá học tương đồng • Không thay đổi khi có sự thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất • Có thời gian đáp ứng ngắn, độc lập với vận tốc của dòng chảy của dung môi giải ly. • Dễ sử dụng. Không có một loại đầu dò nào thoả mản hết các yêu cầu Đầu dò khối phổ và đầu dò điện hoá
Đầu dò (Detector)
Các loại đầu dò HPLC: • Đầu dò theo dõi một tính chất hóa học đặc trưng của các chất phân tích mà dung môi giải ly không có. Các tính chất đó là: sự hấp thu UV (ultraviolet absorbance), hiện tượng huỳnh quang (fluorescence). • Đầu dò theo dõi sự hiện diện một khối vật chất trong dung môi giải ly, khối vật chất đó chính là hợp chất phân tích: chỉ số khúc xạ (refractive index), hằng số điện môi (dielectric constant). • Đầu dò kết hợp: tại thời điểm phát hiện, một lượng dung môi có chứa mẫu được loại bỏ bớt: phương pháp ion hóa ngọn lửa (FID) hoặc bằng khối phổ (Masse spectroscopy).
PHÂN LOẠI DỰA VÀO BẢN CHẤT TƯƠNG TÁC •
Sắc ký phân bố (partition chromatography)
•
Sắc ký hấp phụ hoặc lỏng-rắn (adsorption or liquid-solid
chromatography) •
Sắc ký trao đổi ion (ion exchange chromatography)
•
Sắc ký loại trừ kích thước (size exclusion chromatography) VD: nguyên lý sắc ký trao đổi ion (acide amine) pH2
SO3
-
+
Na
H3N
+
COOH
Ion-exchange Resin
SO3
-
H3 N Na
+
+ -
COO
pH4.5
Sắc ký loại trừ kích thước
PHÂN LOẠI DỰA VÀO BẢN CHẤT TƯƠNG TÁC Loại cột
Tính chất của hợp chất có thể phân tích
Cột pha thường, pha đảo, pha tạo nối
- Có trọng lượng phân tử nhỏ (<2000). - Không có mang điện tích. - Có thể có tính phân cực hoặc không. - Có thể hòa tan trong dung môi hữu cơ hoặc nước. - Có trọng lượng phân tử nhỏ (<2000). - Phân tử có mang điện tích. - Loại hợp chất hòa tan trong nước. - Có trọng lượng phân tử nhỏ hoặc lớn. - Không có mang điện tích. - Có thể hòa tan trong dung môi hữu cơ hoặc nước.
Cột trao đổi ion
Cột sắc ký gel
Sắc ký phân bố hiệu năng cao Có thể phân thành hai dạng tuỳ thuộc vào pha tĩnh: • Sắc ký lỏng – lỏng: Pha tĩnh là lớp chất lỏng bao quanh các hạt chất mang rắn, đó là chất nhồi cột. Quá trình lưu giữ
chất phân tích liên quan đến sự phân bố giữa 2 pha lỏng. • Sắc ký pha liên kết (Bonded-phase chromatography - BPC): Ở đây, pha tĩnh có liên kết hóa học với bề mặt chất mang rắn (silica, alumina...). • Sắc ký pha liên kết chiếm ưu thế dần thay thế cho sắc ký lỏng - lỏng.
Sắc ký phân bố hiệu năng cao Pha tĩnh • Loại pha tĩnh phổ biến nhất được chế tạo từ silic dioxyd (silica). Nhóm OH trên bề mặt hạt silica phản ứng với dẫn
chất clorosilan tạo ra dẫn chất siloxan. • Ở đây R có thể là mạch thẳng có 18 hoặc 8 carbon hoặc các nhóm chức hữu cơ khác như amin mạch thẳng, nitril, hydrocarbon thơm. Tính chất phân cực của pha tĩnh thay đổi tuỳ thuộc vào gốc R. Dựa vào gốc R này người ta phân ra hai nhóm: Pha tĩnh phân cực và pha tĩnh không phân cực
Pha tĩnh-Pha đảo
Pha tĩnh bình thường của LC
(Stationary Phases for Reversed-Phase LC)
(Stationary Phases for Normal LC)
Gốc R là C8 (n-octyl), C12 (n-octyl) hoặc C18 (n-octyldecyl). Pha động là H2O + dung môi hòa tan (acetonitrile, methanol, ethanol, isopropanol) Các cấu tử phân cực sẽ bị rửa ra nhanh nhất, tăng độ phân cực của pha động sẽ làm tăng thời gian chạy mẫu
Pha động tương đối không phân cực: Hexane, Isopropyl eter, toluene… Các cấu tử không phân cực sẽ bị rửa ra nhanh nhất, tăng độ phân cực của pha động sẽ giảm thời gian chạy mẫu
Sắc ký phân bố hiệu năng cao Chon pha tĩnh và pha động Ba thành phần tương tác với nhau: pha tĩnh, pha động và chất phân tích.
Cần chọn điều kiện để cân bằng lực tương tác giữa ba thành phần này. Độ phân cực của các thành phần là chỉ tiêu mô tả định tính lực tương tác. • Với pha tĩnh: Dựa vào nhóm thế R của dẫn chất siloxan. • Với pha động: Dựa vào trị số P’ • Với chất phân tích: Dựa vào nhóm chức.
Sắc ký phân bố hiệu năng cao Chọn pha tĩnh và pha động Để tách sắc ký ngưòi ta có thể lựa chọn theo một trong 2 nguyên tăc sau:
• Độ phân cực của chất phân tích hợp (matching) với độ phân cực của pha tĩnh và khác xa độ phân cực của pha động. • Độ phân cực của chất phân tích hợp với độ phân cực của pha động và khác nhiều với độ phân cực của pha tĩnh. Chọn theo nguyên tắc 1 có xác suất thành công nhiều hơn. Còn theo nguyên tắc 2 thì pha tĩnh khó cạnh tranh các chất phân tích với pha động nên thời gian lưu quá ngắn.
Sắc ký hấp phụ hiệu năng cao Nguyên tắc • Sắc ký hấp phụ là quá trình hấp phụ của chất phân tích trên bề mặt chất rắn.
• Pha tĩnh là chất rắn phân cực. • Chất phân tích tranh chấp với pha động ở các vị trí hấp phụ trên bề mặt pha tĩnh. • Lưu giữ chất phân tích là do lực hấp phụ.
Sắc ký hấp phụ hiệu năng cao Pha tĩnh: • Silica: Trên bề mặt có nhóm silanol ở dạng tự do (có ái lực hấp
phụ mạnh nhất). Ngoài ra còn ở dạng liên kết giữa các nhóm hoặc với phân tử nước. Ưu điểm: hấp phụ mạnh, dùng được cho nhiều trường hợp, nhược điểm: ổn định chỉ trong khoảng pH hẹp (2 - 8).
• Alumina: có độ ổn định pH rộng hơn (2 - 12). Sau khi xử lý kiềm có thể dùng alumina tách các base hữu cơ (anilin, pyridín và dẫn chất của chúng). • Titan oxyd và zirconi oxyd ở dạng oxyd base không tan trong môi trường kiềm. Ổn định trong môi trường acid đến pH=1. Chất phân tích có tính base được lưu giữ trên pha tĩnh titan oxyd hoặc zirconi oxyd có thể rửa giải với hỗn hợp nước bão hòa dicloromethan.
Sắc ký hấp phụ hiệu năng cao Pha động: • Ảnh hưỏng rõ rệt đến hệ số phân bố của chất phân tích. • Để rửa giải các chất đã bị hấp phụ, ngươi ta dùng pha động
có sức rửa giải (eluent strength) khác nhau. • Trị số εo càng lớn, sức rửa giải càng mạnh. • Nếu pha động gồm nhiều dung môi, dựa vào phân số mol của từng dung môi để tính tri so εo của hệ.
Sắc ký hấp phụ hiệu năng cao Ứng dụng: Các chất phân tích có khối lượng phân tử dưới 5 000, ít tan trong nước hoặc trong hỗn hợp nước - dung môi hữu cơ không
thích hợp với sắc ký pha đảo. Người ta cần dùng sắc ký pha thuận, đặc biệt là sắc ký hấp phụ để tách hỗn hợp các chất này. • Sắc ký hấp phụ có thế mạnh trong việc tách các đồng phân vị trí các hợp chất hữu cơ. • Ngoài ra sắc ký hấp phụ còn được ứng dụng nhiều trong phân tích các chế phẩm dầu mỏ, thực phẩm, dược phẩm
Sắc ký trao đổi ion hiệu năng cao Nguyên tắc: • Dựa vào lực hút của ion chất tan và vị trí mang điện tích trên pha tĩnh.
• Chất trao đổi anion có nhóm mang điện tích dương trên pha tĩnh hút anion chất tan. • Chất trao đổi cation có nhóm mang điện tích âm sẽ hút cation chất tan. • Chất trao đổi anion và chất trao đổi cation là polymer không tan trong nước mang các nhóm trao đổi ion được gọi là chất trao đổi ion (ion exchangers) hoặc nhựa trao đổi ion (ion exchange resins).
Sắc ký trao đổi ion hiệu năng cao Ứng dụng: • Chất phân tích ion được đưa vào đầu cột đã nhồi nhựa trao đổi ion thích hợp. Rửa giải được thực hiện bằng một dung
dịch có ion đủ sức đẩy ion phân tích đang bị lưu giữ ra khỏi bể mặt nhựa. • Kỹ thuật sắc ký này có thể áp dụng tách các ion vô cơ và hữu cơ
Sắc ký lỏng hiệu năng cao trên gel Nguyên tắc: • Dựa vào kích thước phân tử. Vì vậy còn có tên gọi chung là sắc ký loại cỡ (SEC: size exclusion chromatography) hoặc
sắc
ký
loại
phân
tử
(MEC:
molecular
exclusion
chromatography). Pha tĩnh là gel polysaccharid, polyacrylamid thường được dùng phổ biến để xác định sự phân bố khối lượng phân tử của polymer.
Sắc ký lỏng hiệu năng cao trên gel Ứng dụng: Lọc gel được dùng chủ yếu để tách các chất có khối lượng phân tử M rất khác nhau.
Với mỗi pha tĩnh có sự phụ thuộc tuyến tính giữa lgM và thể tích lưu VR trong một khoảng nhất định. Có thể đánh giá M của chất phân tích bằng cách so sánh thể tích lưu của nó với thể tích lưu của chất chuẩn.
• Hiện nay phương pháp HPLC được áp dụng rất
lớn trong nhiều nghành kiểm nghiệm đặc biệt là ứng dụng cho nghành kiểm nghiệm Thuốc • Là công cụ đắc lực trong phân tích các thuốc đa
thành phần cho phép định tính và định lượng
So sánh HPLC và GC (Comparison of HPLC and GLC) Các đặc điểm chung: Hiệu quả, độ chọn lọc cao, ứng dụng rộng rãi Thể tích mẫu nhỏ Có thể không phá hủy mẫu (nondestructive of sample) Định lượng dễ dàng Ưu điểm của HPLC • Áp dụng được với các mẫu
Ưu điểm của GC • Thiết bị đơn giản và rẻ
không bay hơi và không
•
Nhanh chóng
bền nhiệt
•
Dễ dàng kết nối với phổ
• Áp dụng được cho các ion
vô cơ
khối
GC - HPLC
Pha động
GC
HPLC
Khí
Lỏng
Tính chất mẫu Mẫu cần phải có tính bay hơi, Không giới hạn bền nhiệt Cơ chế tách
Áp suất hơi của các cấu tử Tương tác của các cấu tử trong hỗn hợp
Lực duy trì dòng chảy pha động
Bơm áp lực
Máy nén tạo hơi áp suất cao
Bộ phân đưa mẫu vào máy
Áp suất hơi của các cấu tử trong hỗn hợp
Áp suất hơi của các cấu tử trong hỡn hợp
Đầu dò
Được thiết kế riêng vì pha động thể khí
Nhiệt độ hoạt Bộ phân tiêm mẫu, cột, đầu dò Nhiệt độ phòng động của máy phải được nung nóng
Thanks for your listening