ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
    
TRƯƠNG LÂM SƠN HẢI
KHẢO SÁT KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG KỸ THUẬT PYROLYSIS
GHÉP NỐI SẮC KÝ KHÍ TRONG PHÂN TÍCH DƯỢC LIỆU
Chuyên ngành: Hóa Phân Tích
Mã số chuyên ngành: 60 44 29
LUẬN VĂN THẠC SĨ: HÓA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN ÁNH MAI
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2012
LỜI CẢM ƠN
Trải qua hơn một năm làm luận văn tốt nghiệp, tôi đã học, đã rút ra được nhiều
kinh nghiệm cùng những kiến thức quý báu, được những thành quả đó là nhờ có sự
giúp đỡ nhiệt tình của tất cả thầy cô, anh, chị em trong bộ môn nói riêng cùng các thầy
cô trong Khoa Hóa nói chung.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới Cô Nguyễn Ánh Mai, người đã tận
tình hướng dẫn và chỉ dạy cho tôi mọi thứ, truyền đạt rất nhiều kinh nghiệm không chỉ
trong khoa học mà còn cả những điều trong cuộc sống, cho công việc sau này, nhất là
Cô luôn giúp đỡ khi tôi gặp rắc rối và những trường hợp gần như không còn cách giải
quyết cho các vấn đề thực nghiệm. Tôi đã học hỏi được rất nhiều ở Cô về cách làm
việc khoa học và cách suy nghĩ thấu đáo.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn đến Đại Học Umea - Thụy Điển đặc biệt là
Larks - Lundmark, Marcus và Elin đã hỗ trợ thiết bị Pyrola 85 cũng như các kiến thức
về lĩnh vực pyrolysis để tôi có thể hoàn thành luận văn này.
Xin cảm ơn đến anh Trần Thanh Tú đã giúp tôi rất nhiều khi bắt đầu làm quen
trong lĩnh vực chemometrics, tận tình chỉ bảo tôi về phần mềm SIMCA - P và đặc biệt
luôn đưa những lời khuyên hữu ích cho tôi.
Tôi cũng xin cảm ơn đến tất cả các anh, chị và các em trong phòng thí nghiệm,
luôn quan tâm chia sẻ, động viên, cho tôi thật nhiều kỷ niệm đẹp, vui có, buồn có,

nhưng đó điều là những điều đáng nhớ trong suốt cuộc đời tôi.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến những người bạn SACUS, luôn
chia sẻ, động viên, luôn mang đến những nụ cười cho tôi, giúp đỡ trong những lúc khó
khăn nhất. Một lần nữa, cảm ơn “ những người bạn bên tôi - SACUS”
Cuối cùng tôi gửi lời cảm ơn đến gia đình. Có thể gia đình tôi chẳng bao giờ
đọc được lời cảm ơn này. Ba tôi chỉ nâng niu quyển luận văn, vuốt ve cái bìa xanh
nhung, tấm tắc khen dòng chữ mạ vàng, nhưng ba sẽ không lật vào trong để đọc lời
cảm ơn của tôi. Nhìn tôi khôn lớn, nhìn tôi mặc áo chùng xanh nhận bằng tốt nghiệp,
nhìn tôi ôm quyển luận văn rạng rỡ,… thì vài dòng cảm ơn nhỏ nhoi ấy có đáng là gì!
Cũng như nhiều người xuất hiện trong lời cảm ơn của tôi, chắc chẳng bao giờ họ đọc,
chắc họ cũng quên mất rằng họ từng góp phần giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luận văn này.
Nhưng với tôi thì tôi vẫn phải viết lời cảm ơn một cách trân trọng nhất, vẹn tròn
nhất! Không chỉ là một “thủ tục luận văn”, không chỉ là một hành động tri ân, mà còn
để sau này khi vuốt ve trang đầu tiên ấy tôi sẽ nhớ: ờ, ngày đó, tháng đó, những khó
khăn lúc đó, đã có những lòng tốt, những người tốt như thế đó ở bên cạnh tôi,…
Thành Phố Hồ Chí Minh, Tháng 9 năm 2012
DANH MỤC VIẾT TẮT
EI: (Electron Impact) va chạm electron
GC-FID: (Gas chromatography - Flame Ionization Detector) Sắc ký khí đầu dò ion hoá
ngọn lửa
MS: (Mass Spectrometry) khối phổ
PVC: Polyvinyl Chloride
RSD: (Relative Standard Deviation) độ lệch chuẩn tương đối
MVDA: (Multivariate Data Analysis) phân tích dữ liệu đa biến
PCA: (Principle Component Analysis) phân tích thành phần (cấu tử) chính
PC: (Principle Component) thành phần (cấu tử) chính
PLS - DA: (Partial Least Square - Discrimination Analysis) bình phương cực tiểu từng
phần dùng để phân loại
SPSS: (Statistical Package for the Social Sciences) phần mềm thống kê phục vụ ngành
khoa học xã hội

STATISTICA: phần mềm xử lý số liệu thống kê
SIMCA: Soft independent modeling of class analogy
QSAR: (Quantitative Structure - Activity Relationship) Quan hệ tuyến tính giữa cấu
trúc và hoạt tính
HQ: Hàn Quốc
NIR: (Near - infrared spectroscopy) Cận hồng ngoại
FT - IR: (Fourier transform infrared spectroscopy) Quang phổ hồng ngoại biến đổi
Fourier
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1: Sơ đồ thiết bị của Furnace Pyrolyzer ghép nối máy sắc ký khí 2
Hình 1-2: Sơ đồ pyrolyzer sử dụng kỹ thuật Curie - point 3
Hình 1-3: Sơ đồ pyrolyzer kỹ thuật gia nhiệt điện trở filament 5
Hình 1-4: Sơ đồ các bộ phận của máy Pyrolysis ghép trực tiếp MS 1
Hình 1-5: Sơ đồ mặt cắt ngang của hệ thống inlet 1
Hình 1-6: Sắc ký đồ nhiệt phân của polyvinyl chloride ở nhiệt độ 600
o
C 1
Hình 1-7: Cấu trúc Polyurethane 8
Hình 1-8: Hệ thống GC - FID 9
Hình 1-9: Cấu tạo buồng tiêm chia dòng 1
Hình 1-10: Cấu tạo của cột mao quản 1
Hình 1-11: Các loại cột mao quản dùng trong sắc ký 1
Hình 1-12: Cấu tạo đầu dò FID 14
Hình 1-13: Sơ đồ hệ thống buồng nhiệt phân 15
Hình 1-14: (a) Bộ điều khiển (Control unit); (b) Buồng nhiệt phân được gắn trực tiếp
trên GC (c) Lá platin được đặt bên trong cuvet thủy tinh; (d) Vị trí kim tiêm vào GC
của hệ Pyrola 85 16
Hình 1-15: Bộ dữ liệu đa biến và khó khăn trong việc phân tích các bộ dữ liệu này 1
Hình 1-16: Ba ứng dụng cơ bản của MVDA từ trái sang phải (1) Khái quát bộ dữ liệu,
(2) Phân loại và (3) Mô hình hoá quan hệ giữa khối dữ liệu X và khối dữ liệu Y 18

Hình 1-17: Điểm i trong không gian 3 chiều 19
Hình 1-18: Đồ thị biễu diễn cách hiệu chuẩn điểm trung bình về 0 (mean - centering) 1
Hình 1-19: Thể hiện sự thay đổi của các biến sau khi xử lý sơ bộ dữ liệu (hiệu chỉnh
phương sai bằng 1 và giá trị trung bình bằng 0) 1
Hình 1-20: (a) PC1 và PC2 trong không gian; (b) Mặt phẳng tạo bởi PC1 và PC 2 22
Hình 1-21: Biểu đồ score biễu diễn phân bố tập quán ăn uống của 16 nước châu Âu.
Trong đó Thụy Điển (Swe), Đan Mạch (Den), Phần Lan (Fin), Na Uy (Nor), Bỉ (Bel),
Đức (Ger), Anh (Eng), Áo (Aus), Ý (Ita), Tây Ban Nha (Spa), Bồ Đào Nha (Por), Pháp
(Fra), Hà Lan (Hol) 1
Hình 1-22: Điểm lệch mạnh của tập hợp mẫu nghiên cứu 23
Hình 1-23: Biểu đồ loading của 20 loại thực phẩm thường sử dụng của người châu Âu.
Trong đó Tỏi (Garlic), Dầu olive (Olive_oil), Chất tạo ngọt (Sweetner), Bánh mì dòn
(Crisp_Brea), Cá đông lạnh (Fro_Fish) 1
Hình 1-24: Sự phụ thuộc Q
2
và R
2
theo số cấu tử PC 25
Hình 1-25: Chức năng xây dựng quan hệ định lượng giữa hai bộ dữ liệu X (biến dự
đoán) và Y (biến đáp ứng) 25
Hình 1-26: Khái quát về PLS 27
Hình 1-27: Mức độ chặt chẽ trong mối tương quan giữa X và Y giải thích bởi thành
phần PLS thứ nhất (trái) và PLS thứ hai (phải) 27
Hình 1-28: Thí dụ về biểu đồ trọng số trong PLS 1
Hình 1-29: Bài toán phân loại mẫu khi sử dụng PLS - DA 29
Hình 1-30: Biểu đồ score theo PC1 và PC2 của nhân sâm vùng Ganghwa và Punggi.29
Hình 2-1: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc giữa điện trở Ro và nhiệt độ T
C
35
Hình 2-2: Đường chuẩn (1) biểu diễn sự phụ thuộc giữa điện trở Ro và nhiệt độ lá

Platin 35
Hình 2-3: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc giữa E
diod
và nhiệt độ nhiệt phân Tp 36
Hình 2-4: Đường chuẩn (2) biểu diễn sự phụ thuộc của E
diod
tuyến tính nhiệt độ nhiệt
phân T
R
37
Hình 2-5: Sắc ký đồ khảo sát nhiệt độ oven của hệ Pyrolysis 38
Hình 2-6: Ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân trên sản phẩm nhiệt phân của mẫu nhân
sâm HQ khi phân tích bằng GC - FID 39
Hình 2-7: Sắc ký đồ tương ứng với các loại khí mang He, Ar, N
2
cho hệ Pyrolyzer 40
Hình 2-8: Sơ đồ hệ thống khí mang kết nối với Pyrola 85 thông qua bộ điều chỉnh lưu
lượng 41
Hình 2-9: Sắc ký đồ tương ứng với các tốc độ dòng khí mang cung cấp cho hệ Pyrola
85 42
Hình 2-10: Biểu đồ biểu diễn thời gian và cường độ dòng tạo xung khi thực hiện quá
trình pyrolysis 43
Hình 2-11: Sắc ký đồ khảo sát các tỷ lệ tiêm chia dòng 44
Hình 2-12: Sắc ký đồ khảo sát tiêm không chia dòng 44
Hình 2-13: Sắc ký đồ khảo sát chương trình nhiệt trên mẫu nhân Sâm Hàn Quốc 6
tuổi. Trong đó (a) Chương trình nhiệt (1) và (2), (b) Chương trình nhiệt (3) 46
Hình 2-14: Hình dạng của các đối tượng dược liệu, (a): Cát cánh, (b): Đảng sâm, (c):
Hồng sâm; (d): Sâm Ngọc Linh, (e): Tam thất, (f): Huyền sâm 51
Hình 2-15: Sắc ký đồ của sâm HQ 6, 5, 4 tuổi và sâm HQ 6 tuổi chiết 1 lần 51
Hình 2-16: (a) Biểu đồ score của 2 thành phần chính PC1 và PC2 của các mẫu sâm HQ

và các loại giả sâm; (b) Giá trị R
2
và Q
2
cuả mô hình ứng với 1PC, 2PC và 3PC 32
Hình 2-17: Biểu đồ score (a), R
2
và Q
2
(b) và loading (c) của 2 thành phần chính PC1
và PC2 của các mẫu sâm và giả sâm HQ. Trong đó, nhóm (2), (3) và (5) là sâm HQ 6,
5 và 4 tuổi; nhóm (4), (6) và (7) là sâm HQ 6, 5, và 4 tuổi bị chiết 1 lần, nhóm (8) là
sâm HQ bị chiết 2 lần, nhóm (1) là các mẫu giả sâm 32
Hình 2-18: Biểu đồ score (a), R
2
và Q
2
(b) và loading (c) của 2 thành phần chính PC1
và PC2 của các mẫu sâm HQ. Trong đó, nhóm (1), (3) và (4) là sâm HQ 6, 5 và 4 tuổi;
nhóm (2), (5) và (6) là sâm HQ 6, 5 và 4 tuổi bị chiết 1 lần, nhóm (7) là sâm HQ bị
chiết 2 lần 32
Hình 2-19: a) Biểu đồ score của 2 thành phần chính PC1 và PC2 của các loại mẫu Sâm
Hàn Quốc với nhóm (1), (2), (3) nhân sâm 6, 5 và 4 tuổi và nhóm (4) nhân sâm 6 tuổi
đã chiết 1 lần b) Biểu đồ sự thay đổi của R
2
và Q
2
theo số lượng thành phần chính của
mô hình 32
DANH MỤC BẢNG

Bảng 2-1: Ảnh hưởng của nhiệt độ buồng nhiệt phân trên điện trở R
o
của lá Pt 34
Bảng 2-2: Ba chương trình nhiệt khảo sát trên mẫu nhân sâm 6 tuổi 46
Bảng 2-3: Khảo sát độ lặp lại của thời gian lưu và diện tích peak 48
Bảng 2-4: Tên, phân loại và công dụng của các loại dược liệu 50
Bảng 2-5: Thành phần các hợp chất trong nhân Sâm Hàn Quốc 56
Bảng 2-6: Phần trăm dự đoán một số mẫu sâm HQ thuộc nhóm 4, 5 và 6 tuổi và 6 tuổi
chiết 1 lần 57
Bảng 2-7: Phần trăm dự đoán một số mẫu sâm HQ 4, 5 tuổi chiết 1 lần và các mẫu giả
sâm 59
LỜI MỞ ĐẦU
Khi đời sống con người không ngừng đựơc nâng cao thì sức khỏe chính là mối
quan tâm hàng đầu. Bên cạnh các loại tân dược thì các loại thảo dược thiên nhiên ngày
càng được sử dụng nhiều do có khả năng điều trị bệnh tốt mà lại ít gây tác dụng phụ.
Hơn thế nữa, thị trường thảo dược ngày càng phức tạp với hiện tựơng cung không đủ
cầu đã gây nên tình trạng các thảo dược này bị trà trộn với các loại thuốc giả, cây thuốc
không rõ nguồn gốc, pha trộn với các loại thuốc khác, nguồn nguyên liệu bị nhiễm bẩn,
cũng như dược liệu đã bị chiết xuất hết các hợp chất có hoạt tính và được tái sử dụng.
Ngoài ra, những cơ sở sản xuất dược liệu ở nước ta lại không đảm bảo vệ sinh, phơi
trực tiếp dược liệu trên mặt đất hoặc mọi chỗ trống nên dược liệu có tốt cũng nhanh
mất chất lượng. Song, năng lực kiểm tra và giám sát chất lượng thuốc của các cơ quan
chức năng còn nhiều bất cập. Chính vì thế, sự an toàn và chất lượng của các loại thảo
dược đã ngày càng trở thành những mối quan ngại lớn cho cộng đồng vì gây ảnh hưởng
trực tiếp đến sức khỏe người tiêu dùng.
Trước nhu cầu cần thiết về việc quản lý chất lượng dược liệu cần xây dựng các
phương pháp phân tích có khả năng xác định nhanh nguồn gốc, phẩm chất thành phần
dược liệu, tránh loại bỏ các bước xử lý mẫu phức tạp, tiêu tốn nhiều loại dung môi độc
hại gây ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường. Với mục đích trên trong luận văn cao học
này chúng tôi tập trung vào việc phát triển một phương pháp phân tích nhanh kết hợp

pyrolysis và sắc ký khí nhằm góp phần phát triển và bảo vệ ngành công nghiệp dược
của nước ta.
Kỹ thuật pyrolysis, đơn giản là sự nhiệt phân trong môi trường khí trơ để
chuyển hóa các hợp chất khó bay hơi trong mẫu rắn thành các chất có phân tử lượng
nhỏ hơn, dễ bay hơi hơn. Mỗi loại vật liệu khi phân hủy ở một nhiệt độ nhất định sẽ
tạo thành một hỗn hợp các sản phẩm đặc trưng có thể sử dụng như dấu vân tay để định
danh vật liệu ấy. Kết hợp giữa kỹ thuật pyrolysis và sắc ký khí với khả năng phân tách
rất cao và các đầu dò nhạy như đầu dò ion hóa ngọn lửa hoặc chọn lọc như đầu dò
khối phổ cho phép việc định danh các vật liệu được chắc chắn hơn.
Phương pháp pyrolysis ghép nối sắc ký đã được phát triển và đưa vào ứng dụng
trong các lĩnh vực polymer, công nghệ dệt, vật liệu, dược liệu,… ở các nước phát
triển như Trung Quốc, Thụy Điển, Pháp, Mỹ, Anh, Đức,… Tại Trung Quốc, kỹ thuật
này được ứng dụng rất mạnh trong việc xác định thành phần, chất lượng, nguồn gốc
dược liệu đặc biệt là các sản phẩm đông dược. Pyrolysis ghép nối sắc ký khí tuy
không phải là vấn đề mới đối với thế giới nhưng ở Việt Nam chưa có nhiều nghiên
cứu sâu về kỹ thuật này, đặc biệt là kết hợp với phương pháp thống kê (như phân tích
dữ liệu đa biến) để xử lý số liệu phân tích giúp việc phân biệt độ tuổi và giống cây
của các loại dược liệu quý được dễ dàng hơn (nhân sâm, trầm hương,…). Mặt khác,
phương pháp này sẽ giúp các cơ quan chức năng quản lý được chất lượng cũng như
phân biệt dược liệu giả trên những đối tượng dược liệu đặc thù cho Việt Nam.
PHẦN 1
TỔNG QUAN
1
1.1. Giới thiệu về pyrolysis
[1]
Pyrolysis được định nghĩa là kỹ thuật chỉ sử dụng nhiệt năng để cắt đứt các liên
kết hóa học của các hợp chất trong mẫu (thường ở dạng rắn) tạo thành các phân tử nhỏ
hơn chất ban đầu. Quá trình này diễn ra tương tự như trong giao diện
EI (Electron Impact) của khối phổ khi chất phân tích bị bắn phá bởi các electron có
năng lượng cao và bị cắt ra thành nhiều mảnh ion con. Pyrolysis được xem như một

loại phản ứng rất đặc biệt vì tại nhiệt độ diễn ra phản ứng, vận tốc phản ứng đạt được
rất cao và rất nhiều sản phẩm hình thành thông qua phản ứng này. Hầu hết các sản
phẩm này không có mặt ở môi trường bình thường hoặc khi nhiệt độ tăng nhẹ.
Pyrolysis xảy ra ở khoảng nhiệt độ trên 300
o
C, thường ở giữa 500 - 800
o
C.
Thông thường pyrolysis sử dụng trong phân tích là pyrolysis nhanh (flash pyrolysis),
tức là diễn ra với vận tốc gia nhiệt nhanh 10000
o
K/s và khi đạt đến nhiệt độ cuối thì
được giữ cố định trong một khoảng thời gian nhất định
[2]
. Bên cạnh pyrolysis flash còn
có các kỹ thuật khác như: pyrolyis từng phần, pyrolysis từng bước, pyrolysis chương
trình nhiệt.
Pyrolysis thường được tiến hành trong môi trường khí trơ. Trong điều kiện lý
tưởng sự nhiệt phân xảy ra trong môi trường hoàn toàn trơ không chứa oxy, tuy nhiên
trên thực tế khó đạt được điều này. Như vậy bên cạnh sự giải hấp của các chất dễ bay
hơi trong mẫu, còn có sự phân hủy nhiệt của các sản phẩm khó bay hơi và các sản
phẩm oxy hóa do tạp chất oxy trong dòng khí mang. Chính vì thế, trong pyrolysis còn
có kỹ thuật nhiệt phân oxi hóa (xảy ra khi có mặt chất oxi hóa) và nhiệt phân khử (diễn
ra trong môi trường có chất khử).
Pyrolysis chỉ là một quá trình chuyển hoá mẫu rắn thành các hợp chất có phân tử
lượng nhỏ hơn. Quá trình này có thể bao gồm sự cắt đứt liên kết, hình thành liên kết
mới, có hoặc không có tác động của chất xúc tác. Vấn đề là làm sao quá trình ấy xảy ra
một cách lập lại thì đều có ý nghĩa đối với mục tiêu phân tích. Do đó, quá trình nhiệt
phân trong pyrolysis cần được kiểm soát chặt chẽ các thông số về nhiệt độ, thời gian
nhiệt phân và lưu lượng khí mang,…

Bản thân pyrolysis là một phản ứng hóa học, không cung cấp bất kỳ dữ liệu nào
nếu không kết hợp với một phép ghi đo khác như sắc ký hay quang phổ. Vì vậy, để
định tính và định lượng hỗn hợp các sản phẩm nhiệt phân này hệ nhiệt phân
2
(pyrolyzer) cần phải kết hợp với các thiết bị phân tích khác như khối phổ, phổ hồng
ngoại (FT - IR), sắc ký khí để những thông tin về mẫu được chính xác và rõ ràng hơn.
1.2. Phân loại các kỹ thuật nhiệt phân
[1,2]
Ba kỹ thuật pyrolysis sử dụng phổ biến là: Curie - point (gia nhiệt filament cảm
ứng), lò đẳng nhiệt (isothermal furnace), gia nhiệt điện trở filament (resistively heated
filaments). Mỗi kỹ thuật đều có ưu và nhược điểm khác nhau.
1.2.1. Nhiệt phân bằng lò (Furnace Pyrolyzer)
Nguyên tắc hoạt động: Mẫu được gia nhiệt với nhiệt độ không thay đổi trong
suốt quá trình nhiệt phân, sản phẩm sinh ra sẽ được dòng khí mang thổi đến hệ thống
của sắc ký khí. Tại đây quá trình phân tích mẫu sẽ diễn ra trong cột sắc ký.
Lò đốt đẳng nhiệt của bộ nhiệt phân được lắp đặt trực tiếp trên inlet của máy sắc
ký và ổn định nhiệt độ, thông thường được giữ trong phạm vi ± 1
o
C. Lò đốt gồm một
ống kim loại hay thạch anh bao phủ xung quanh một lá kim loại bằng platin
(Pt - filament) được đốt nóng (Hình 1-1), dòng khí mang đi vào trong lò đốt, dẫn hơi
mẫu trực tiếp vào cổng tiêm mẫu (injection port) của máy sắc ký. Bộ cảm biến nhiệt
được cài đặt giữa lò đốt và ống đốt để đo nhiệt độ của thành ống. Cảm biến này đóng
vai trò rất quan trọng để giúp thiết bị ổn định. Nhiệt độ của các vị trí trong lò sẽ khác
nhau vì phụ thuộc vào đường kính, độ dày, vật liệu và khối lượng của ống trung tâm
trong lò đốt.
Hình 1-1: Sơ đồ thiết bị của Furnace Pyrolyzer ghép nối máy sắc ký khí
Ưu điểm: Hoạt động đơn giản. Có thể thiết lập được nhiệt độ mong muốn.
Cột mao quản
Van chia dòng

3
Nhược điểm: Để đảm bảo ổn định nhiệt, khoảng không gian giữa ống trung
tâm và chốt đẩy chứa mẫu được thiết kế tương đối lớn. Vì thế, để có sự tương thích
giữa pyrolyzer và hệ thống GC, cần sử dụng lưu lượng lớn (100 mL/phút). Điều này
làm giảm độ nhạy một số hợp chất hữu cơ trong mẫu khi ở nồng độ thấp. Mặt khác
ống đốt có cấu tạo bằng kim loại. Do đó khi tiến hành ở nhiệt độ cao thì các sản phẩm
hữu cơ bị các thanh kim loại làm xúc tác phản ứng và sinh ra các sản phẩm phụ không
mong muốn.
1.2.1.1. Đốt nóng filament bằng cuộn cảm (kỹ thuật Curie - point)
Nguyên tắc hoạt động: Kỹ thuật này hoạt động dựa trên nguyên lý khi dòng
điện đi qua cuộn cảm ứng cao tần (lõi xoay) và sinh từ trường. Khi từ trường được cấp
liên tục, dây đốt nóng làm bằng kim loại đặt trong lõi từ sẽ nóng dần lên và đạt đến
nhiệt độ nhất định. Dây kim loại đốt nóng thường làm bằng hợp kim có từ tính, nhiệt
độ của quá trình nhiệt phân sẽ khác nhau phụ thuộc vào hợp kim làm dây đốt nóng.
Mỗi loại dây khi đốt nóng bằng từ trường sẽ đạt một nhiệt độ nhất định như 770
o
C đối
với dây sắt và 900
o
C với hợp kim gồm 40 % nickel và 60 % cobalt (Hình 1-2).
Hình 1-2: Sơ đồ pyrolyzer sử dụng kỹ thuật Curie - point
Ưu điểm: Curie - point là phương pháp nhiệt phân có độ lặp lại tốt. Nhiệt độ
không tăng thêm khi đã đạt tới điểm Curie của kim loại.
4
Nhược điểm: Dây đốt nóng làm bằng các hợp kim khác nhau, chỉ có hiệu quả
tốt trong một khoảng nhiệt độ nhất định, vì thế các mẫu khác nhau đòi hỏi các dây đốt
nóng khác nhau, khó để tự động hóa. Mặt khác, dây đốt nóng làm bằng các hợp kim
nên dễ gây xúc tác cho các phản ứng hữu cơ ở nhiệt độ cao.
1.2.1.2. Gia nhiệt điện trở filament
Nguyên tắc hoạt động: Mẫu phân tích được đặt trực tiếp lên lá kim loại

(filament) và được gia nhiệt trong buồng nhiệt phân, sau đó các sản phẩm phân hủy
bởi nhiệt được chuyển qua buồng tiêm mẫu của sắc ký khí, vào cột theo dòng khí trơ.
Quá trình tách sẽ diễn ra trong cột. Filament thường được làm bằng sắt, platin hoặc
hợp kim nickel và chromium (Hình 1-3).
Ưu điểm: Sử dụng được ở nhiều nhiệt độ khác nhau (500 - 2000
o
C), điều
chỉnh được tốc độ gia nhiệt, dễ dàng thay filament. Độ lặp lại của phương pháp này rất
tốt với điều kiện phải đảm bảo sự đồng bộ kích thước của mẫu và vị trí mà mẫu được
đặt trên lá filament. Phương pháp filament tạo ra sản phẩm nhiệt phân thứ cấp ít hơn
hai phương pháp trên, vì vậy kết quả phổ đồ dễ dàng giải thích hơn. Thời gian đốt
nóng của phương pháp điện trở filament thường từ 0,2 tới 0,4 giây, nhanh hơn hai kỹ
thuật trên khoảng 10 lần.
Nhược điểm: Với mỗi lá filament có một điện trở riêng biệt bất kì sự thay đổi
về điện trở cũng gây ra sự thay đổi về cường độ dòng, dẫn tới nhiệt độ cũng thay đổi,
độ lặp lại của phương pháp sẽ bị ảnh hưởng.
5
Hình 1-3: Sơ đồ pyrolyzer kỹ thuật gia nhiệt điện trở filament
Nhược điểm lớn còn tồn tại với cả ba phương pháp nhiệt phân này là các
pyrolyzer đều gắn phía ngoài của hệ thống sắc ký khí, dễ xảy ra sự phân hủy các sản
phẩm nhiệt phân có điểm sôi cao hoặc sự ngưng tụ các sản phẩm của phản ứng nhiệt
phân trong quá trình chuyển tải từ buồng nhiệt phân đến buồng tiêm của sắc ký khí. Vì
thế các chất có khối lượng phân tử lớn, khó bay hơi, thường bị mất mát nhiều hơn các
chất dễ bay hơi.
Để có thể định danh chính xác các sản phẩm nhiệt phân, bất kì kỹ thuật pyrolysis
nào cũng cần phải ghép nối với các phương pháp phân tích khác hoặc kết hợp nhiều
phương pháp. Thông thường người ta hay sử dụng các hệ pyrolysis ghép nối với GC
và các đầu dò ion hoá ngọn lửa (FID) hay khối phổ (MS) hoặc ghép trực tiếp với khối
phổ (MS).
6

1.2.2. Thiết bị Pyrolysis ghép nối với khối phổ
[3]
Cấu tạo của thiết bị Pyrolysis ghép nối với MS gồm các bộ phận chính được trình bày
trong Hình 1-4.
Vòng “O” được lắp phía bên ngoài giữ cho hệ thống hoàn toàn kín, pittong sẽ di
chuyển từ vị trí A sang vị trí B (Hình 1-5), đường dẫn các chùm tia phân tử tới nguồn
ion hóa sẽ đóng lại, phần không khí ở vùng C được đẩy hết qua đường vòng. Khi
pittong di chuyển từ vị trí B sang vị trí C, đường vòng đóng lại, đường dẫn các chùm
tia phân tử tới nguồn ion hóa mở ra đồng thời lôi kéo hơi sản phẩm nhiệt phân vào
vùng A để tạo cân bằng áp suất với buồng nhiệt phân. Hơi này sẽ đi qua chùm phân tử
được gia nhiệt tới nguồn ion. Tại đây, hơi sản phẩm nhiệt phân bị bắn phá bằng các
electron ở 70 eV của đầu dò EI/MS. Các phân tử mang điện tích được phân tích bằng
bộ tứ cực và khối phổ của các sản phẩm nhiệt phân được ghi nhận bằng bộ nhân điện
tử sử dụng phương pháp cộng xung.
Ngày nay, hướng nghiên cứu đã phát triển kỹ thuật pyrolysis ghép nối trực tiếp
vào hệ thống sắc ký khí để tách chất và dùng các loại đầu dò để định danh các hợp
phần đã tách. Vì vậy, các kết quả có độ chọn lọc cao hơn, chính xác hơn và mở rộng
đến nhiều đối tượng phân tích khác nhau.
Hình 1-4: Sơ đồ các bộ phận của máy Pyrolysis ghép trực tiếp MSHình 1-4: Sơ đồ các bộ phận của máy Pyrolysis ghép trực tiếp MS
7
Việc chuyển các sản phẩm từ vùng nhiệt phân tới cột sắc ký khí phải nhanh và
hiệu quả để có độ phân giải các peak tốt nhất. Điều này phụ thuộc vào giao diện giữa
pyrolysis và injector, phải đảm bảo giao diện tiếp xúc nhỏ, không gian tiếp xúc cần
được giữ nóng liên tục và cách nhiệt để loại bỏ các hơi lạnh từ bên ngoài và ngăn cản
sự ngưng tụ các sản phẩm nhiệt phân.
1.2.3. Ứng dụng pyrolysis trong hoá học
[4]
1.2.3.1. Ứng dụng pyrolysis để kiểm tra nhựa polvinyl chloride
Nhựa polyvinyl chloride (PVC) được ứng dụng rất nhiều trong đời sống hằng
ngày như các loại màn plastic, ống nước, đồ chơi trẻ em,…vì thế trong nghiên cứu này

tác giả đã tiến hành nhiệt phân với kỹ thuật Curie - point. Quá trình nhiệt phân
polyvinyl chloride tạo ra rất ít monomer vinyl chloride (1,0 %) nhưng lại tạo lượng lớn
HCl bằng phản ứng loại bỏ một mắt xích Polyvinyl chloride có cơ chế phân hủy nhiệt
phụ thuộc vào chiều dài và độ bền nối C - C. Kết quả của quá trình phân tách polymer
liên quan tới cơ chế phản ứng và độ bền của các mảnh cũng như của chuỗi polymer.
Hình 1-6 là sắc ký đồ của các sản phẩm nhiệt phân của polyvinyl chloride và được
xem là dấu vân tay (fingerprint) đặc trưng cho polymer này và được sử dụng để phân
biệt với các loại nhựa khác, quá trình nhiệt phân thực hiện ở 600
o
C, tách trên cột
Carbowax.
Hình 1-5: Sơ đồ mặt cắt ngang của hệ thống inlet
8
1.2.3.2. Xác định thành phần monomer của polyurethane
[4]
Polyurethane là một loại polymer tạo thành từ một diisocyanate và một diol. Có
nhiều loại diol đã được sử dụng, nhưng phổ biến nhất là ethyleneglycol hoặc
propyleneglycol oligomer và acid adipic. Cấu trúc của loại polyurethane trong
Hình 1-7.
Hình 1-7: Cấu trúc Polyurethane
Tùy thuộc vào tỉ lệ của diisocyanate và diol cũng như độ dài phân tử oligomer
diol và các sản phẩm nhiệt phân đa dạng được sinh ra như: alkenes mạch ngắn,
Hình 1-6: Sắc ký đồ nhiệt phân của polyvinyl chloride ở nhiệt độ 600
o
C
9
acetaldehyde, ether, keto ether (1- methylethoxy - 2 - propanone). Các sản phẩm nhiệt
phân này dùng để xác định thành phần polymer. Từ các sản phẩm nhiệt phân này sẽ
xác định được thành phần của các monomer.
1.2.3.3. Ứng dụng pyrolysis trong kiểm nghiệm dược liệu

[5]
Nhóm tác giả chuyên ngành Kỹ thuật Hoá học và Khoa Học Vật liệu - trường
Đại học Công nghệ Zhejiang - Trung Quốc đã nghiên cứu ứng dụng trên kỹ thuật
pyrolysis trong việc kiểm nghiệm dược liệu. Cụ thể nhóm tác giả sử dụng kỹ thuật
pyrolysis nhiệt phân bằng lò ghép nối với thiết bị GC - FID để xác định nguồn gốc và
chất lượng của các loài Địa Lan (tên khoa học Dendrobium candium Wall. Ex Lindl)
trồng ở 3 vùng khác nhau và phân biệt với các mẫu thuộc các loài khác.
Khoảng 0,4 mg bột mẫu của hoa Địa Lan được nhiệt phân ở buồng nhiệt phân
tại nhiệt độ 450
o
C và sản phẩm được chuyển trực tiếp vào hệ sắc kí khí, đầu dò FID.
Sắc ký đồ của 16 mẫu từ các vùng và loài khác nhau cho thấy độ lặp lại khá tốt về thời
gian lưu RSD ≤ 0,12 % (n = 5) và RSD diện tích peak ≤ 3,77 % (n = 5). Bên cạnh đó
mỗi mẫu lựa chọn 40 peak đặc trưng trong sắc ký đồ và nhóm tác giả sử dụng thuật
toán chemometrics để giải quyết bài toán phân loại giữa loài địa lan với các loài dược
liệu khác một cách hiệu quả với độ tin cậy  85 %. Đây là phương pháp đơn giản,
nhanh và chọn lọc, thích hợp cho việc quản lí chất lượng nguyên liệu dược đầu vào.
1.3. Hệ thống sắc ký khí đầu dò ion hóa ngọn lửa (GC - FID)
[6]
Trong hệ thống GC - FID bao gồm các bộ phận chính như: bình khí mang, buồng
tiêm mẫu, cột, buồng điều nhiệt, đầu dò, và bộ phận ghi nhận tín hiệu (Hình 1-8).
Hình 1-8: Hệ thống GC - FID
10
1.3.1. Khí mang
Hiệu năng của cột và đầu dò phụ thuộc vào khí mang. Khí mang thường là khí
trơ như hydro (H
2
), heli (He) hoặc nitơ (N
2
) và phải có độ tinh khiết cao (> 99,999 %)

vì chỉ cần một lượng vết của oxy và các hợp chất hữu cơ có thể phá hủy pha tĩnh, làm
nhiễu tín hiệu đặc biệt đối với đầu dò FID. Do đó, mặc dù sử dụng khí rất tinh khiết,
khí mang trước khi vào máy GC vẫn cần được lọc tạp chất bằng cách ghép vối các bẫy
để loại oxy, nước và hydrocarbon. Tùy thuộc vào loại đầu dò, loại cột, độ an toàn mà
có sự lựa chọn khí mang cho phù hợp. Và khí mang vào cột phải đảm bảo được các
yêu cầu như trơ về mặt hóa học, độ tinh khiết cao, an toàn, hiệu năng và tốc độ tách
phải phù hợp với đầu dò. Hai loại khí mang thông dụng nhất là N
2
và He.
1.3.2. Buồng tiêm mẫu
Buồng tiêm mẫu dùng để hóa hơi mẫu trước khi đưa vào cột sắc ký. Mẫu lỏng
được tiêm vào buồng hóa hơi qua một septum. Nhiệt độ của buồng tiêm phải cao hơn
nhiệt độ của cấu tử có nhiệt độ bay hơi thấp nhất trong mẫu. Trong sắc ký khí có nhiều
kỹ thuật tiêm mẫu khác nhau, trong đó kỹ thuật tiêm chia dòng và không chia dòng là
phổ biến nhất, được ứng dụng rộng rãi với nhiều loại mẫu. Sơ đồ một hệ tiêm mẫu chia
dòng và không chia dòng được trình bày trong Hình 1-9
Hình 1-9: Cấu tạo buồng tiêm chia dòng
11
Với tiêm không chia dòng thì van khí tại ngã chia dòng sẽ đóng lại khi đưa mẫu
vào cột còn trong tiêm chia dòng van khí được mở ra liên tục.
 Tiêm chia dòng là kỹ thuật cơ bản và đơn giản nhất được sử dụng. Mẫu sẽ được
đưa vào buồng tiêm, sau đó hóa hơi nhanh chóng và chỉ một phần nhỏ mẫu hơi
được chuyển vào cột, phần lớn còn lại sẽ theo dòng khí mang ra ngoài theo
đường khí thải chia dòng và dòng khí làm sạch septum. Tiêm chia dòng có
nhiều ưu điểm như đơn giản do chỉ cần điều chỉnh sự đóng mở của van chia
dòng là có thể điều chỉnh tỉ lệ chia dòng; do mẫu được đưa vào cột rất nhanh
nên các mũi sắc ký sẽ hẹp và vì thế độ phân giải của phương pháp sẽ cao. Ngoài
ra có thể sử dụng kỹ thuật này để hạn chế pha loãng với các mẫu có nồng độ
khá cao; các mẫu có thành phần phức tạp cũng có thể được tiêm vào vì trong
buồng tiêm có lớp bông thủy tinh có thể giữ lại những chất kém bay hơi, bảo vệ

cột tránh bị dơ. Tuy nhiên, do hầu hết lượng mẫu bị thổi ra ngoài nên không
thích hợp để phân tích các mẫu hàm lượng vết. Đồng thời có sự “phân biệt đối
xử” đối với các chất có độ bay hơi khác nhau trong mẫu, mẫu càng có phân tử
lượng cao thì càng bị thổi ra ngoài nhiều.
 Tiêm không chia dòng tương tự tiêm chia dòng, nhưng cổng chia dòng sẽ bị
đóng lại trong quá trình mẫu hóa hơi và thổi từ từ vào cột. Đầu cột sẽ được đặt
nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dung môi khoảng 20 - 30
o
C, do đó toàn bộ
dung môi và chất phân tích sẽ bị bẫy lại ở đầu cột. Sau khoảng 45 - 60 giây,
cổng chia dòng sẽ mở ra và tất cả những chất chưa vào cột sẽ bị thổi sạch ra
ngoài. Sau đó, chương trình nhiệt sẽ bắt đầu để phân tích tương tự kỹ thuật chia
dòng.
Ưu điểm lớn nhất của tiêm không chia dòng là nâng cao độ nhạy của phép đo.
Lượng mẫu vào cột nhiều hơn từ 20 đến 100 lần so với tiêm chia dòng, vì vậy
phù hợp để phân tích hàm lượng vết chất phân tích trong mẫu môi trường, thực
phẩm, dược liệu hoặc mẫu sinh học. Tuy nhiên, do nhiệt độ cột ban đầu thường
phải khá thấp nên tốn thời gian hạ nhiệt độ cột dẫn đến thời gian phân tích bị
kéo dài. Trong sắc ký khí, chất rửa giải đầu tiên nên có nhiệt độ sôi lớn hơn
dung môi khoảng 30
o
C để có thể dễ dàng tách ra khỏi mũi sắc ký của dung
môi.
12
1.3.3. Cột sắc ký
Gồm cột nhồi và cột mao quản. Chủ yếu hiện nay dùng cột mao quản. Cột sắc
ký mao quản bao gồm ống mao quản bằng silica tinh khiết (fused silica) bọc ngoài
bằng một lớp polyimide chịu nhiệt đến 370 - 400
o
C hoặc bằng một lớp nhôm chịu

nhiệt đến 480
o
C. Pha tĩnh được tráng thành trong của ống, thường thông qua phản ứng
hóa học (Hình 1-10). Tùy từng cấu tạo và chức năng của cột sắc ký mà chia thành
nhiều loại cột như WCOT, SCOT, PLOT (Hình 1-11). Trong cột mao quản, bề dày của
pha tĩnh có ảnh hưởng đến thời gian lưu và dung lượng cột, khi tăng bề dày pha tĩnh sẽ
tăng theo thời gian lưu và dung lượng cột. Dung lượng cột được xác định là lượng mẫu
lớn nhất có thể tiêm vào cột không làm cột quá tải và vì thế mũi sắc ký không bị biến
dạng. Chất càng dễ tan vào pha tĩnh có dung lượng cột càng lớn.
Lớp film pha tĩnh dày 1 - 5 µm thích hợp cho những chất có nhiệt độ sôi thấp
như hidrocarbon dễ bay hơi hay ở các chất khí. Pha tĩnh mỏng (0,1 - 0,5 µm) thích hợp
cho những chất có nhiệt độ sôi cao, bay hơi kém. Bán kính cột có ảnh hưởng trực tiếp
lên hiệu năng cột, thời gian lưu, lượng mẫu trên cột. Cột có bán kính nhỏ có hiệu năng
cao, nhưng dung lượng nhỏ hơn so với cột có bán kính lớn hơn. Đường kính trong của
cột mao quản khoảng 0,10 - 0,53 mm. Thời gian lưu thăng theo chiều dài cột và tỉ lệ
pha. Cột càng dài, càng nhiều đĩa lý thuyết độ phân giải càng cao nhưng thời gian lưu
càng tăng làm các peak bị bè rộng ảnh hưởng đến độ nhạy của phương pháp. Chiều dài
Hình 1-11: Cấu tạo của cột mao quản
Hình 1-10: Các loại cột mao quản dùng trong sắc ký
13
cột cũng ảnh hưởng đến việc tách, khi giảm nhiệt độ sẽ làm tăng thời gian lưu và làm
giảm tốc độ dòng khí. Để có thể tách được hỗn hợp các chất có nhiệt độ sôi khác biệt
đáng kể cần phải sử dụng chương trình nhiệt độ. Ban đầu với nhiệt độ thấp, sẽ tách tốt
những chất có nhiệt độ sôi thấp, sau đó tăng dần nhiệt độ để tách tiếp những chất có
nhiệt độ sôi cao hơn, bằng cách này ta rút ngắn được thời gian lưu và thu hẹp được bề
rộng của mũi sắc ký.
Người ta còn phân loại cột theo độ phân cực của pha tĩnh, pha tĩnh không phân
cực tách tốt những chất không phân cực, pha tĩnh phân cực tách tốt những chất phân
cực. Độ phân cực của pha tĩnh được xác định bởi cấu trúc của polymer tạo thành pha
tĩnh. Độ phân cực của pha tĩnh thuộc nhóm polysiloxane tăng lên khi thay nhóm

methyl bằng nhóm phenyl hay cyanopropyl hay tăng tỉ lệ nhóm phân cực.
Polyethylenglycol có độ phân cực rất cao và được dùng để tách các hợp chất phân cực.
Trước khi sử dụng cột ta nên tìm hiểu khoảng nhiệt độ cho phép của cột và tránh nung
quá cao sẽ giảm thời gian sử dụng cột.
1.3.4. Đầu dò ion hóa ngọn lửa
Đầu dò ion hóa ngọn lửa (Flame Ionization Detector, FID) nhạy với hầu hết các
hợp chất hữu cơ. Tín hiệu không bị ảnh hưởng bởi những biến đổi vừa phải về nhiệt
độ, áp suất và lưu lượng khí. Mặt khác, đầu dò FID không bị gây nhiễu bởi những tạp
chất thường gặp như CO
2
và hơi nước với khoảng tuyến tính của đầu dò có thể lên đến
10
7
. FID bao gồm một bộ phận có thể tạo ra ngọn lửa được đốt bằng hỗn hợp
H
2
- không khí. Khi mẫu chứa các hợp chất hữu cơ tới được ngọn lửa trong môi trường
giàu hydro sẽ chuyển thành các gốc tự do chứa một nguyên tử carbon. Với sự hiện
diện của oxy trong dòng khí, phản ứng giữa CHO
+
và H
2
O được tạo thành trong ngọn
lửa tạo thành ion hydronium.
Chính ion này và những dạng (H
2
O)
n
H
+

khác đến được điện cực, cho tín hiệu tỉ lệ
thuận với lượng ion. Như vậy FID sẽ cho tín hiệu không chỉ tỷ lệ thuận với số mol chất
phân tích đến đầu dò mà còn tỷ lệ với số lượng carbon có trong hợp chất (Hình 1-12).
Tùy thuộc vào loại carbon mà tín hiệu sẽ khác nhau, carbon trong hydrocarbon nhạy
hơn nhiều so với carbon liên kết với các nguyên tử khác như O, N, halogen (carbonyl,
carboxyl, alcol, amin)
14
Hình 1-12: Cấu tạo đầu dò FID
Thuận lợi của đầu dò FID là khoảng tuyến tính rất rộng, đến 10
7
, có khả năng
phát hiện đến 10
-11
g Carbon/s. Ở điều kiện hoạt động bình thường, những dòng cỡ
10
-12
ampe đều được ghi lại. Nhưng khuyết điểm của đầu dò này là phá hủy mẫu, do
vậy trong sắc ký khí đa chiều, FID luôn được sử dụng sau cùng.
1.4. Giới thiệu về hệ thống nhiệt phân Pyrola 85
Đề tài sử dụng hệ thống nhiệt phân Pyrola 85, được cung cấp từ trường Đại Học
Umea-Thụy Điển, thiết bị này sẽ được kết nối trực tiếp với hệ thống sắc ký khí
GC-FID 2010 của hãng Shimadzu.
Pyrola 85 là kỹ thuật gia nhiệt điện trở filament (với filament làm từ Platin),
được phát triển từ hệ nhiệt phân của Tyden - Ericsson
[7,8]
, gồm hai phần chính là buồng
nhiệt phân và bộ điều khiển.
 Buồng nhiệt phân (Hình 1-13): bao gồm một lá Platin đặt trong một cuvet bằng
thủy tinh. Lá Platin sẽ được gia nhiệt bằng hai xung, xung đầu tiên là xung rất
ngắn (0 - 100 ms) với cường độ dòng I

1
cao để đốt nóng nhanh lá Platin và
xung thứ hai dài hơn (0 - 60 s) với cường độ I
2
thấp để duy trì nhiệt độ nhiệt
phân. Cuvet thủy tinh để cho ánh sáng phát ra từ lá Pt có thể đi đến photodiode
qua cáp quang và để ổn định nhiệt độ cho những sản phẩm nhiệt phân không bị
ngưng tụ cũng như giúp giữ lại các chất không bay hơi vào hệ sắc ký khí. Ánh
sáng phát ra từ lá Pt phụ thuộc nhiệt độ của nó, hiện tượng này được ứng dụng