Detector điện hóa trong HPLC (sửa)

Detector đi n hóa trong HPLCệ

Tiểu luận môn sắc kí

GVHD: Trần Nguyễn An Sa

SVTH: Lương Trần Vân Nhi

LỚP: DHPT3

MSSV: 0772571

Nội dung

Đại cương và nguyên tắc


Detector điện hóa thực chất là các máy phân tích điện hóa

được dùng như là các detector có đô nhạy và độ chọn lọc cao để

phát hiện và định lượng các chất cần phân tích theo một tính chất

điện hóa nào đó của chúng, hoặc là trực tiếp, hoặc là gián tiếp qua

một phản ứng trung gian với một chất khác. Các tính chất đó có thể

là sự thay đổi cường độ dòng điện, sự thay đổi điện thế, sự thay đổi

độ dẫn, sự thay đổi điện lượng, v.v…


Về nguyên tắc đại lương đo được (tín hiệu đo) theo một tính chất

điện hóa của chất phân tích trong những điều kiện thực nghiệm đã

chọn, và nồng độ C cùa chất phân tích phải tuân theo mối quan hệ

sau đây:

A = k.C

Trong đó:

‗ A là tín hiệu đo được theo detector điện hóa

‗ k là hằng số thực nghiệm của phép đo, nó phụ thuộc vào các điều

kiện thực nghiệm đã chọn và cấu tạo của flowcell của detector


Bất kì detector điện hóa nào đều phải thỏa mãn một số điều kiên

của kĩ thuật phân tích , trong một loại detector cụ thể, nó thể hiện ở

các đặc trưng sau đây:

‗ Độ nhiễu tự nhiên của detector

‗ Giới hạn phát hiện

‗ Sư dãn pic của tín hiệu đo do detector gây ra

‗ Hằng số thời gian

‗ Về độ lặp tín hiệu đo


Loại

detector

Vùng tuyến tính

Nhiễu nền Giới hạn phát hiện

Thể tích flowcell

(µL)

Đô chọn lọc

ảnh hưởng

nhiệt độ

ảnh hưởng tốc độ dòng

Cực phổ (đo Igh)

Đo dòng (đo A)

Điện lượng

Độ dẫn

Đo thế điện cực

chọn lọc

103 - 104

104 - 105

104 - 105

105

105

10-9

10-9

10-9

10-8

10-5

10-8 – 10-9

10-9 – 10-10

10-8 – 10-9

10-7 – 10-8

10-7 – 10-8

3

3

50

1 – 5

1 – 5

Có

Có

Có

Ít

Có

Ít

Ít

Ít

Ít

Ít

Ít

Có

Ít

Ít

Ít

Hấp thụ UV – VIS

RI (chiết suất)

Huỳnh quang

102 – 103

103 - 104

105 - 106

10-5

10-7

10-7

10-6 – 10-7

10-7 – 10-9

10-9 – 10-10

5 – 10

3 – 10

2 - 10

Ít

Có

Có

Ít

Lớn

Ít

Ít

Ít

Ít

Bảng 2 So sánh các loại detector


Cấu tạo của detector điện hóa dùng trong HPLC bao gồm 2 bộ

phận chính:

Phần 1 flowcell (buồng đo) và hệ điện cực

Phần 2 hệ điện tử (hệ đo) để nhận, khuếch đại và chỉ thị kết quả đo

cũng như điều khiển quá trình đo.

Buồng đo (flowcell)

Cấu tạo của Cross Flow Cell

Cấu tạo của flow cell

Hệ điện cực

Hệ điện cực

Điện cực so sánhReference electrode

(RE)

Điện cực chỉ thịWorking electrode

(WE)

Điện cực phụ trợAuxiliary electrode

(AE)

Điện cực bạc clorua

Điện cực calomen (SCE)

Hệ điện cực của các detector điện hóa thường gồm 3 loại điện cực

tùy thuộc vào detector

Thường là điện cực Pt

Điện cực so sánh

Điện cực so sánhĐược phát triển nhằm mục đích loại trừ ảnh hưởng của ion Cl- từ phép đo. Gồm thủy ngân, thủy ngân sunfat và dung dịch kali sunfat bão hòa. Hg2SO4 + 2e = 2Hg + SO4

2- E0 = 650 mV vs NHE (250C)

Điện cực so sánh

RE-2B điện cực calomelHg2Cl2 + 2e = 2Hg +2Cl-

E0 = 241 mV vs NHE ( 250C)

RE-1C điện cực bac – bạc cloruaAgCl + e = Ag+ + Cl-

E0 = 199 mV vs NHE (250C)

Điện cực chỉ thị


Điện cực đĩa với đường kính ngoài 10mm và đường kính của đĩa điện cực là 3mm. Thường là Au, Ag, Pt và cacbon thủy tinh (glassy carbon).

Điện cực phụ trợ

Điện cực phụ trợ dây platinĐiện cực phụ trợ dây platin(đường kính 0.5 mm )với nhiều loại có độ dài khác nhau. Sự lựa chọn điện cực phụ thuộc vào loại detector ( và kinh nghiệm). Dây platin gắn với đầu nối bằng đồng thau tráng vàng.

Điện cực phụ trợ có độ dài tiêu chuẩn (11.5 cm)

vị trí của detector điện hóa trong máy sắc kí lỏng

1

2 3

1 - AutomationManagerComponents

2 - ElectrochemicalDetector and Cell

3 - Conductivity Detector vàSuppressor

4

4 - columns andInjection Valves

ElectrochemicalDetector and Cell

Một số detector điện hóa dùng trong HPLC

Detector AmoR

Nguyên tắc làm việc: đo sự biến thiên của cường độ dòng

điện giữa hai điện cực đặt trong flowcell của detector khi chỉ có pha

động đi qua và khi pha động có chứa chất cần phân tích đi qua, trong

điều kiên thế giữa hai điện cực là không đổi.

Cấu tạo:

Buồng đo (flowcell) của detector loại này là rất nhỏ

RE: điện cực calomen, điện cực bạc clorua

Hệ điện cực WE: đĩa glassy cacbon, điện thanh

AE

Một số cách sắp xếp các điện cực trong flow cell

Different Electrode Configurations

Mạch điện cơ bản của các detector điện hóa

Detector AmoR

Trong các hệ HPLC, khi có dòng pha động chứa chất mẫu đi qua

flowcell của detector, thì dòng điện sinh ra giữa hai điện cực được

xác định theo công thức:

I = kC

Trong đó

‗ C là nồng độ chất phân tích trong pha động chảy qua flowcell.

‗ k là hằng số thực nghiệm của các điều kiện đo của detector.

Dòng I chỉ phụ thuộc tuyến tính váo nồng đô C trong giới hạn nhất

định ứng với C là nhỏ.

Detector cực phổ

Nguyên tắc hoạt động:

Thế đặt vào hai điện cực là cố định và phù hợp cho quá trình

điện hóa ở điện cực chỉ thị. Quá trình điện hóa đó sẽ sinh ra sóng

cực phổ đặc trưng cho chất phân tích và độ cao của sóng cực phổ

này là phụ thuộc vào nồng độ chất phân tích hòa tan tong pha động

khi qua flowcell của detector và tuân theo định luật:

Im = a.C


Cấu tạo:

Flowcell có dung tích rất nhỏ, thường là từ 5 - 8µL.

RE: SCE hoặc điện cực bạc clorua

Hệ điện cực điện cực rắn glassy cacbon

WE

điện cực giọt thùy ngân

Trong kĩ thuật HPLC người ta hay dùng detector cực phổ với điện cực

chỉ thị là điện cực rắn; Vì nó dễ thao hơn điện cực giọt thủy ngân.


Bề mặt làm việc của điện cực chỉ thị là một yếu tố ảnh

hưởng trực tiếp đến kết quả đo và nó cần được kiểm tra nghiêm

ngặt trước mỗi lần đo.

Một vấn đề khác là trong quá trình ghi cực phổ luôn luôn

phải có chất điện li trơ làm dung dịch nền, trong nhiều trường hợp

của kĩ thuật HPLC chất điện li trơ này lại không thể cho vào pha

động được ngay từ đầu để bơm qua cột tách.phải có thêm một bộ

phân phụ để hòa chất điện li nền vào pha động ở sau cột tách để

thực hiện phép đo cực phổ, đó là bộ phận cột phụ ( post column )

hay vòng phản ứng phụ


Detector loại này thực chất là một máy cực phổ, chỉ khác là bình

điện phân được thay bằng một flowcell có dung tích rất nhỏ, tùy

thuộc vào cấu tạo của từng loại máy cực phổ và flowcell của nó,

cũng như các quá trình điện cực phổ mà người ta có:

1. Cực phổ dòng một chiều.

2. Cực phổ xung thường , xung sóng vuông.

3. Cực phổ xung vi phân.

4. Cực phổ hỗn hống…

Detector đo thế với điện cực chọn lọc ion

Nguyên tắc hoạt động: đo sự thay đổi thế cân bằng giữa hai điện

cực đặt trong flowcell của detector trong điều kiện dòng bằng không

amper, khi có pha động hòa tan chất phân tích chảy qua flowcell, sự

thay đổi thế này tuân theo phương trình Nerst và chính quá trình

điện hóa của chất phân tích ở điện cực gây ra sự thay đổi thế đó.

Cấu tạo

Flowcell có dung tích tương đối nhỏ, thường từ 5 - 8µL

RE: SCE hay điện cực bạc clorua

Hệ điện cực màng rắn (thường dùng)

WE: ISE

màng lỏng

Detector đo thế với điện cực chọn lọc ion

Các detector loại này có hệ đo tương đối đơn giản và dễ sử

dụng. Nó thường là các máy đo pH/mV được ghép thêm flowcell.

Nhưng hệ flowcell là tương đối đắt và muốn phân tích nguyên

tố nào thì phải có điện cực chọn lọc ion với chính nguyên tố đó.Tuổi

thọ của mỗi điện cực chọn lọc ion rất khác nhau, có khi lại rất ngắn.

Ngoài ra thành phần chất nền, chất hoạt động bề mặt, bề mặt

cũng là những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả đo.Điện cực

chỉ thị là điện cực màng rắn thì bề mặt của điện cực cần được kiểm

tra và làm sạch trước khi đo.


Điện cực chọn lọc ion – ion selective electrode (ISE)

Detector đo độ dẫn

Như chúng ta đã biết, khả năng dẫn điện của một dung dịch là đặc

trưng bởi đại lượng độ dẫn L và ta có:

Với

‗ l là bề dày của lớp dung dịch giữa hai điện cực

‗ s là bề mặt hoạt động của điện cực chỉ thị, ρ là diện trở riêng

‗ ci là nồng độ cùa ion (iong/L) và ci = αc0 với c0 là nồng đô chất phân

tích, α là mức độ phân li của nó.

‗ λ là đô dẫn điện đương lượng của ion (cm-1.cm2.Dg-1)

lR

s

1

1000ics

LR l


Nguyên tắc đo độ dẫn : dựa trên cơ sở việc đo độ dẫn của chất phân

tích tan trong pha động khi được bơm qua flowcell của detector và việc đo độ

dẫn này được thực hiện bằng một cặp điện cực đặt trong flowcell. Phép đo là

dựa theo nguyên lí của định luật Ohm.

Cấu tạo: Buồng đo (flowcell) có chứa cặp điên cực và hệ điên tử để

điều khiển và thực hiện phép đo.

‗ Cặp điện cực bằng một kim loại trơ như Pt.

‗ Flowcell của detector loại này có dung tích hoạt động thường là 5 -10µL tùy

thuộc vào từng hãng chế tạo.


Như vậy với một pha động có thành phần nhất định thì độ dẫn

đo được là biến thiên theo nồng đô của chất phân tích tan trong pha

động.

Hiện nay có rất nhiều loại máy đo độ dẫn, nhưng hầu hết là

theo nguyên tắc cầu đo uynston và tính theo công thức

Ở đây R1, R2, R3, là các đại lượng đã biết, còn R4 cần phải đo;

nó chính là điện trở lớp dung dịch giữa hai điên cực trong flowcell,

nghĩa là điên trở của pha động có hòa tan chất phân tích..

14 3

2

RR R

R

Cầu Uynston

Một dạng cầu Uyston được dùng trong detector đo độ dẫn

Detector đo điện dung

Nguyên tắc hoạt động: là sự phát hiện chất phân tích dựa trên sự thay đổi độ điện môi của pha động khi có chất phân tích hoà tan vào nó được bơm qua flowcell của detector.

Nồng đô chất tan trong pha động thay đổi, thì độ điện môi giữa hai bản điện cực cũng thay đổi theo và điện dung giữa hai bản lúc đó được xác định theo công thức

Cn = ε0.εT.G

Trong đó

ε0 là điện môi trong điều kiện tiêu chuẩn

εT là hẳng số lưỡng cực của pha động

G là một hằng số phụ thuộc vào cấu tạo của flowcell và dạng của điện cực


Nếu hai điện cực là bản phẳng thì điện dung của lớp dung dịch giữa hai bản điện cực sẽ là

ε.s là điện môi giữa hai bản điện cực đặt trong flowcell và d là khoảng cách giữa hai bản điện cực đó.

0. .x

sC

d


Cấu tạo:

‗ Flowcell của detector loại này thường có dung tích làm việc

từ 8 - 15µL và có cấu tạo hình hộp,

‗ Hai điên cực có thể là hai thành đối diện nhau của flowcell

hay hai bản đặt song song nhau.

‗ Còn hệ đo thường dùng ngay một máy đo độ dẫn được ghép

nối phù hợp cho phép đo này.


Tín hiệu đo của detector loại này phụ thuộc rất mạnh vào

nhiệt độ củ pha động chảy qua flowcell. Yếu tố này phải được kiểm

tra và khống chế nghiêm ngặt, nếu không sẽ mắc sai số rất lớn.

Loại detector này mới bắt đầu được ứng dụng trong kĩ thuật

HPLC.song chỉ để phát hiên một số chất khi nó tan trong pha động

tạo ra sư thay đổi rõ rệt về điện dung.

Detector đo điện lượng

Nguyên tắc hoạt động: dựa trên cơ sở đo điện lượng tiêu tốn trong quá trình điện phân chất phân tích trong flowcell của detector, Dòng điên sinh ra trong quá trình này được tính theo công thức:

Id = n.P.C.ū

Và theo định luật Faraday, điện lương Q được xác định theo công thức

Q = n.F.m

‗ ū là tốc độ thể tích trung bình của pha động chảy qua flowcell‗ m là số phân tử gam chất tan được điên phân‗ n là số điên tử nhận vào của ion kim loại trong quá trình điện phân đó‗ C là nồng độ chất phân tích tan trong pha động (mol/L)


Cấu tao :

Flowcell chứa các điện cực để điện phân

Hệ đo gồm bô nguồn cung cấp năng lượng và chỉ huy quá

trình quá trình điện phân.

Các điện cực điện phân là một bản đặt sát thành flowcell hay

một lưới hình ống. Điện cực làm bằng kim loại trơ như Pt, điện

cực kia đặt đối diện hay lồng vào trong điện cực lưới ống


.

Dòng điện sinh ra trong quá trình điện phân bị ảnh hưởng bởi

_ Nồng đô chất phân tích

_ Hình dáng và kích thước điện cực công tác,

_ Cấu tạo không gian của flowcell

_ Cách bố trí các điện cực.

Detector loại này có độ nhạy không cao như detector đo dòng AmoR, nó

được dùng chủ yếu để phân tích các ion kim loại. Đối với các hợp chất

hữu cơ thì loại này không thích hợp.

Ứng dụng của detector điện hóa trong HPLC

Ứng dụng của detector điện hóa trong HPLC

Trong kĩ thuật phân tích HPLC các detector điện hóa là một

công cụ quan trọng để phát hiện và định lượng các chất vô cơ (các

kim loại và anion) cũng như các chất hữu cơ có tinh chất điên hóa

trực tiếp hay gián tiếp thông qua phản ứng hóa học trung gian với một

thuốc thử khác. Nhưng phản ứng trung gian phải có tính chất định

lượng hoàn toàn.

Trong lĩnh vực phân tích hữu cơ, hầu hết các ứng dụng của

detecter điện hóa trong phân tích HPLC và FIA là để phát hiện các

hợp chất trong các loại mẫu y học, sinh học, thực phẩm, dược phẩm,

môi trường…

Nhóm Chất phân tich Thế áp lên điện cực

detector Độ nhạy

ng/mL

Catecholamine và họ tyrosin – metabolit (mẩu y học và sinh học)

epinephrine (E), norepinephrin (NE), dopamine (DA), adrenalin (AD),norarenaline(NAD)

0,7 – 0,8 V AmoR 1 – 5

họ phanolic clorobiphenol (CB),hyroxybiphenol(HB),aminophenol (AP),…

0,7 – 1.1V Điện hóaPhổ hấp thụ phân tử UV-VIS

3 - 15 30 - 80

nitro benzydin, anilin. Cloro – aniline, nitrophenol

1 – 1,2V Điện hóa 5 – 10

hợp chất vitamin vitamin B1, B2, B12, vitamin E, vitamin K

-- Điện hóa 10 - 30

Bảng 3 Các nhóm có thể phát hiện bằng detector điện hóa

Bảng 4 Vài ứng dụng detector điện hóa trong phân tích các chất vô cơ.

Chất phân tích Độ nhạy (ng/mL) Loại kĩ thuật

Cd, Cu, Pb, Zn

Fe (II), Fe (III)

As (III)

Cd, Cu, Pb, Zn, K, Na

F, NO3, CN

K, Na, NO2-, NO3

-, Ca, Mg

5 – 10

10 – 15

20 – 50

5 – 20

10 – 40

Cực phổ hỗn hống

Đo dòng

Đo dòng

Điện cực chọn lọc ion

Đo độ dẫn

Tài liệu tham khảo

1. Raymond P.W. Scott, Chromatography Detectors, part of the Chrom Ed series

2. Trần Chương Huyến, Từ Vọng Nghi, Phạm Luận, Phương pháp phân tích điện hóa, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Hà Nội, 2001

3. www.als-japan.com/1043.html

4. www.basinc.com/products/ec/flowcells.html

5. www.bio-logic.info/potentiostat/electrodes.html

6. www.gamry.com/Products/RefElec_SCE.htm

7. www.nico2000.net/datasheets/electrodes.htm

8. www.scielo.br/scielo.php?pid=S0103-5053200800...

http://www.als-japan.com/1043.html

http://www.basinc.com/products/ec/flowcells.html

http://www.bio-logic.info/potentiostat/electrodes.html

http://www.gamry.com/Products/RefElec_SCE.htm

http://www.nico2000.net/datasheets/electrodes.htm

http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0103-50532008000100019&script=sci_arttext

END

Documents

Detector điện hóa trong HPLC (sửa)