Từ khóa
Sắc ký ion; nguyên lý sắc ký ion; dung dịch rửa giải; cột phân tách; bộ triệt nền.
Mở đầu:
Kỹ thuật sắc ký là một kỹ thuật khó, sắc ký ion lại là một kỹ thuật sắc ký khó hơn. Nhiều người dùng thấy kỹ thuật khó hiểu và đôi khi làm theo hướng dẫn mà chưa hiểu sâu công việc mình đang làm chính vì thế nếu có những kết quả hoặc tình huống không như mong đợi thì không giải thích được và không biết cách khắc phục nó. Hướng dẫn này sẽ cho bạn thấy một số vấn đề thực tế nhất xảy ra trong quá trình phân tích chất bằng sắc ký ion. Tôi hy vọng rằng bài báo sẽ có thể giải thích một số điều kiện tiên quyết cơ bản nhất để phân tích sắc ký ion.
Phần 1: SẮC KÝ TRAO ĐỔI ION
1. Định nghĩa
- Sắc ký ion là kỹ thuật tách các cấu tử anion hay cation từ hỗn hợp qua cột sắc ký dựa trên ái lực khác nhau của mỗi ion đối với pha tĩnh và pha động. + Ion càng bị giữ mạnh bởi pha tĩnh thì càng ra muộn hơn. + Gradient: tăng nồng độ/điện tích của dung môi rửa giải.
2. Nguyên lý
- Sắc ký ion tách các ion và phân tử phân cực dựa trên điện tích của chúng. + IC-CD: Phát hiên ion chủ yếu dựa trên độ dẫn điện + Dung dịch ion có tính dẫn điện nên khi sử dụng CD cần khử nền.
3. Thành phần cơ bản của sắc kí ion:
Dung môi rửa giải (pha động)
Bơm
Hệ thống bơm mẫu
Cột phân tích
Bộ triệt nhiễu nền
Đầu dò (detector)
Bộ ghi tín hiệu
Máy tính (case, màn hình), máy in
3.1. Dung môi rửa giải (pha động):
- Chất rửa giải vận chuyển mẫu thông qua hệ thống và góp phần vào tính chọn lọc của sự phân tách. Dung dịch rửa giải là dung dịch của muối trong nước, hoặc là dung dịch của một số muối, cũng hoạt động như một dung dịch đệm, tạo độ pH ổn định. Phần dưới đây mô tả ảnh hưởng của các thông số rửa giải khác nhau đến lưu giữ trong sắc ký anion.
Cường độ ion:
- Khả năng giải hấp tăng nếu cường độ ion của dung dịch rửa giải tăng.
- Độ chọn lọc giữa các ion có điện tích bằng nhau chỉ có ảnh hưởng nhỏ.
- Độ chọn lọc giữa các ion có điện tích khác nhau (đơn trị hoặc đa trị) nhạy hơn nhiều so với những thay đổi về cường độ ion khác.
pH
- Thời gian lưu giữ đối với các anion của các axit yếu tăng lên khi pH của dung dịch rửa giải tăng lên trong vùng lân cận của pKa của axit đó. Điều này là do điện tích của ion mẫu được kiểm soát bởi độ pH của dung môi rửa giải - chất rửa giải kiềm hơn, điện tích âm mạnh hơn. Trong hệ thống triệt nền, pH rửa giải cao hơn đáng kể so với pKa của hầu hết các chất phân tích, có một số ngoại lệ là các ion axetat hoặc photphat.
Nhiệt độ
- Tần suất trao đổi ion giữa pha tĩnh và pha động tăng khi nhiệt độ tăng. Độ nhớt của dung dịch rửa giải và áp suất ngược của cột giảm có thể cho hiệu quả phân tách tốt hơn. Nhiệt độ cũng có thể ảnh hưởng đến tính chọn lọc của cột.
Tốc độ dòng chảy:
- Các ion được rửa giải nhanh hơn khi tốc độ dòng chảy dung dịch rửa giải cao, nhưng tốc độ rửa giải nhanh hơn sẽ làm giảm hiệu quả phân tách. Tốc độ dòng chảy cũng bị giới hạn bởi độ bền áp suất của cột.
Muối đệm:
- Khả năng tách rửa của dung môi rửa giải, và một phần của độ chọn lọc của dung môi, bị ảnh hưởng bởi anion của dung môi rửa giải (thông qua giá trị pKa của nó).
- Thay đổi muối đệm thông thường cũng sẽ dẫn đến sự thay đổi độ pH rửa giải.
Loại rửa giải:
- Phổ biến nhất là đẳng dòng, dung dịch rửa giải có nồng độ và thành phần không đổi trong suốt quá trình chạy.
- Ngoài ra có rửa giải gradient, nghĩa là nồng độ chất rửa giải được thay đổi theo cách có thể lặp lại trong mỗi lần chạy. Lý do sử dụng gradient rửa giải là để các ion có sự lưu giữ rất khác biệt có thể được tách ra trong cùng một lần chạy với hiệu suất tách tốt và thời gian lưu giữ hợp lý.
- Dung dịch rửa giải Hydroxide thường được sử dụng cho chương trình gradient trong sắc ký anion. Bằng cách tăng nồng độ các ion hydroxit, sức mạnh giải hấp của dung dịch rửa giải tăng lên. Kết quả là, các ion có lưu giữ cao ở lại phía trên cùng của cột hầu như không được rửa giải cho đến khi nồng độ rửa giải đủ cao. Sau đó chúng được rửa giải theo trình tự thể hiện ở những phần đỉnh peak. Sử dụng máy bơm có khả năng trộn gradient, sức mạnh rửa giải ion tăng trong khi chạy, hệ thống triệt nhiễu nền phải hoạt động rất hiệu quả để giảm thiểu độ lệch cơ bản của hệ thống. Sau mỗi gradient chạy cột phải được cân bằng với nồng độ bắt đầu của dung môi rửa giải trước khi có thể tiêm mẫu tiếp theo.
- Chọn dung môi rửa giải căn cứ vào:
+ Loại ion có trong mẫu cần phân tích
+ Loại cột sử dụng
3.2. Hệ thống bơm pha động:
- Tốt nhất là sử dụng loại bơm trơ có đầu bơm, đầu vào và ra của van nơi tiếp xúc với dung dịch pha động được làm từ PEEK (Popy ether ether ketone) hoặc titanium.
- Nếu bơm không được sử dụng trong một thời gian, rửa bằng nước khử ion trước khi được sử dụng lại (nếu không, tinh thể muối có thể kết tủa trên piston và dẫn đến trầy xước trên pit-tông trong lần bơm tiếp theo).
- Lưu ý rằng bộ triệt nền không chịu được các dung môi hữu cơ. Do đó, nó phải được ngắt kết nối khỏi máy bơm trước khi ethanol hoặc (dung môi hữu cơ khác) được thải ra từ máy bơm. Điều này cũng thường áp dụng cho cột tách.
- Bơm nên được bảo dưỡng ít nhất một năm một lần.
3.3. Cột phân tách:
- Có nhiều loại cột khác nhau, tất cả đều có điểm chung là được gắn các nhóm có khả năng trao đổi ion và giữ vai trò phân tách thực sự. Trong sắc ký trao đổi anion, các nhóm trao đổi ion này được tích điện dương như các hợp chất amoni bậc bốn (R4 -N +), trong đó một trong những chất thay thế R là một chuỗi cacbon liên kết cộng hóa trị với vật liệu đóng gói (packaging material).
- Các nhóm thay thế R có thể có các loại khác nhau, ví dụ: methyl hoặc 2-hydroxy ethyl. Các ion mẫu sẽ có các hằng số gắn khác nhau trong tương tác động với các nhóm trao đổi ion, và do đó được tách ra khi chúng đi qua cột. Các bộ trao đổi ion amoni bậc bốn với các nhóm thế ưa nước cho thấy sự tương tác mạnh mẽ với các ion hydroxit, các cột có sự biến đổi hydroxyalkyl được sử dụng chủ yếu cho các dung môi rửa giải hydroxit.
3.3.1.Các loại cột sắc ký ion:
- Có hai loại cột trao đổi ion chính cho phép sử dụng trong sắc ký ion, được đặc trưng bởi vật liệu hỗ trợ là silic vô cơ hoặc polymer hữu cơ.
a/ Cột sử dụng chất nhồi Silica (Silica-Based Columns)
- Các cột có chất nhồi silica không thể được sử dụng trong sắc ký anion có bộ triệt nền vì độ pH của các dung dịch rửa giải này cao. Dung dịch rửa giải cacbonat thông thường có độ pH khoảng 10, trong khi dung dịch rửa giải hydroxit có độ pH gần 12.
- Các cột có chất nhồi silica không thể chịu được độ pH trên ~ 7,5 trong thời gian dài và sẽ hòa tan dễ dàng trong các dung dịch rửa giải kiềm. Các cột có chất nhồi silica chỉ dành cho sắc ký anion không có bộ triệt nền.
b/ Cột có chất nhồi Polymer (hợp chất cao phân tử)
- Có nhiều loại cột có chất nhồi polymer. Chúng có thể chịu đựng được các điều kiện cơ bản hơn nhiều so với các cột có chất nhồi silica và hầu hết chúng cũng có thể được sử dụng với các dung môi rửa giải hydroxide. Tuy nhiên, nhóm trao đổi ion phải ưa nước để tăng tính chọn lọc của cột cho các ion hydroxit và cho phép sử dụng các nồng độ chất rửa giải phù hợp. Phải luôn kiểm tra các thông số kỹ thuật của cột trước khi sử dụng dung môi rửa giải hydroxide. Cột nơi các nhóm trao đổi ion được gắn vào một polymer hỗ trợ dựa trên styrene / divinylbenzene (S-DVB) các copolymer thường có hiệu quả thấp hơn so với các loại dựa trên các cột polymer khác. Bằng cách xử lý bề mặt S-DVB theo nhiều cách khác nhau để có một chức năng bề mặt thấm nước hơn, có thể tạo ra được các cột rất hiệu quả, và các loại cột này rất phổ biến, cũng như các cột dựa trên các polymer methacrylate.
- Các cột phân tách có chất nhồi là các polymer chỉ được khuyến cáo sử dụng cho sắc kí anion có sử dụng bộ triệt nhiễu nền.
3.3.2. Cách sử dụng cột tốt nhất:
- Cột tách có thể bị tấn công bởi vi sinh vật, đặc biệt nếu nó được lưu trữ với các dung dịch rửa giải thông thường trong một thời gian dài. Nếu cột không được sử dụng trong một thời gian dài, nó phải được rửa sạch với dung môi rửa giải mạnh hơn bình thường, sau đó là nước. Cắm cột và lưu trữ trong tủ lạnh, nhưng không dưới 0 độ C. Một số cột có thể có khuyến cáo riêng. Luôn kiểm tra thông số kỹ thuật của cột và thực hiện theo các thông tin được cung cấp ở đó trước không sử dụng nó trong một khoảng thời gian dài hơn, ví dụ: trong các kỳ nghỉ.
- Một cột bắt đầu có dấu hiệu xấu, biểu hiện bởi hiệu suất thấp hơn (đỉnh rộng hơn), thời gian lưu giữ ngắn hơn và có độ lệch trong đường cong chuẩn, có thể mất năng lực do liên kết mạnh các ion đa trị với các nhóm trao đổi ion. Năng lực thường có thể được phục hồi, ít nhất một phần, bằng cách bơm 100 mM natri hydroxit ở tốc độ dòng chảy thấp (<0,5 mL/phút) theo hướng dòng chảy ngược. Điều quan trọng là phải ngắt kết nối bộ dò và bộ triệt nền trong quy trình này, nếu không chúng sẽ bị phá hủy bởi áp suất cao quá hoặc các mảnh vụn phát ra từ cột.
3.4.Tiền cột
- Tiền cột thường được đặt ở phía trên cột riêng. Vật liệu đóng gói (nhồi) thường có cùng loại với cột tách, và mục đích của một tiền cột dùng một lần là để bẫy chất bẩn và các ion đa trị mà nếu không sẽ được tích lũy trên cột tách đắt tiền. Nếu các mẫu chứa một lượng lớn các ion kim loại đa hóa trị, một tiền cột kim loại có thể được lắp đặt để bẫy chúng trước khi vào hệ thống.
-Sử dụng tiền cột mục đích để bảo vệ cột phân tách không bị pha hủy bởi những mẫu bẩn và mẫu chứa nhiều ion đa hoa trị.
3.5.Bộ triệt nền:
- Bộ triệt nền có vai trò trung tâm trong hệ thống IC, nơi nó thực hiện các chức năng kép làm giả nhiễu nền và tăng tín hiệu mẫu.
- Tại sao phải sử dụng bộ triệt nền?
+ Sự phát hiện trong sắc ký ion hầu như luôn được thực hiện bởi độ dẫn điện, vì thuộc tính này được chia sẻ bởi tất cả các ion. Dung dịch rửa giải chứa một lượng muối tương đối cao và do đó nó cũng có độ dẫn điện rất cao.
+ Để có thể phát hiện những khác biệt về tính dẫn điện của dung dịch rửa giải, phát sinh từ các ion mẫu mà có mặt ở nồng độ thấp hơn nhiều so với chất rửa giải, số lượng của các ion hòa tan trong chất rửa giải phải được giảm đáng kể sau khi qua cột. Nói cách khác, độ dẫn điện của dung dịch rửa giải phải bị triệt tiêu và đó là mục đích của bộ triệt nền. Một "tác dụng" có lợi của sự triệt nền là nó cũng làm tăng các tín hiệu ion phân tích.
+ Độ nhiễu điện từ detector chỉ gây ra một phần nhỏ của tổng nhiễu trong hệ thống IC. Hầu hết các nhiễu là do các nguyên nhân thủy lực hoặc hóa học như dao động tốc độ dòng chảy và biến đổi nhiệt độ.
Bộ triệt nền có tác dụng làm giảm độ dẫn diện nền của chất rửa giải đồng thời là tăng độ nhạy với các ion mẫu.
+ Độ nhiễu điện tử từ detector không đổi, dù bộ có sử dụng bộ triệt nền hay không. Tuy nhiên, độ nhiễu phát sinh từ các biến đổi nhiệt độ cao hơn nhiều nếu không sử dụng bộ triệt nền, vì độ dẫn điện của dịch rửa giải cao mà không có bộ triệt nền và biên độ nhiễu phụ thuộc vào sự phụ thuộc của nhiệt độ của độ dẫn ion (~ 2) % /oC). Do đó, giới hạn phát hiện kém hơn đáng kể trong sắc ký ion không có bộ triệt nền.
+ Sự thay đổi của dòng rửa giải cũng gây ra độ nhiễu cao trong sắc ký ion không có bộ triệt nền.
- Trong IC không có bộ triệt nền thì các peak hệ thống khác nhau sẽ xuất hiện do sự khác biệt về độ dẫn phân tử của ion mẫu và ion rửa giải. Ví dụ, điều này có thể dẫn đến các peak âm nếu sử dụng dung môi rửa giải hydroxit, trong khi các dung dịch rửa giải mạnh có thể dẫn đến các peak dương được ra sau trong sắc ký và phải đợi, trước khi có thể tiêm mẫu tiếp theo.
- Một cách để giảm nền của một hệ thống không có bộ triệt nền, là giảm sức mạnh của dung dịch rửa giải và do đó giảm độ dẫn điện của nó.
- Có 3 loại bộ triệt nhiễu nền: Bộ triệt nền màng, bộ triệt đóng gói và bộ triệt điện phân: bộ triệt đóng gói kém hơn so với hai loại còn lại do chúng đòi hỏi phải tái tạo ngoại tuyến theo những khoảng thời gian đều đặn. Thời gian lưu có thể bị trôi trong quá trình tiêu thụ proton. Hệ thống IC với bộ triệt đóng gói sẽ cho peak có xu hướng choãi rộng và hiệu quả phân tích kém hơn với các hệ thống triệt nền màng.
3.6.Detector:
- Sau khi các ion mẫu đã được tách ra và triệt nền, chúng phải được xác định và định lượng. Do đó, detector được kết nối với máy ghi hoặc một loại hệ thống lượng giá khác.
- Detector phát hiện độ dẫn điện là loại detector phổ biến nhất được sử dụng trong sắc ký anion, vì độ dẫn điện phân là một đặc tính phổ quát được chia sẻ bởi tất cả các ion. Trong một số trường hợp, detector UV-VIS được sử dụng, nhưng điều này chủ yếu được tìm thấy trong các hệ thống không có bộ triệt. Điểm bất lợi của phát hiện UV-VIS là chỉ có một vài ion vô cơ hấp thụ ánh sáng. Azide, clorit và nitrit là những ví dụ của các ion như vậy. Các ion khác phải được phát hiện gián tiếp.
- Detector phát hiện độ dẫn điện:Trong Detector phát hiện độ dẫn điện, dịch rửa giải từ bộ triệt đi qua một tế bào dòng chảy với hai (trong một vài thiết kế bốn) điện cực, giữa là một điện áp AC. Khi các ion mẫu đi vào tế bào quang điện, khả năng của dung dịch dẫn electron tăng lên. Sự gia tăng dòng điện là tỉ lệ thuận với sự gia tăng độ dẫn điện, đó là một hàm tuyến tính của nồng độ ion.
3.7. Xử lý mẫu:
- Nhu cầu sử dụng quy trình tiền xử lý mẫu phần lớn được xác định bởi nền mẫu, tức là các thành phần của mẫu ngoài các ion phân tích ra. Lọc thường phù hợp, nhưng việc lựa chọn bộ lọc là quan trọng, cần xem xét nguy cơ nhiễm bẩn.
- Chọn một bộ lọc ưa nước với kích thước lỗ 0,45 µm, được làm từ poly (tetrafluoroethene) [PTFE], poly (vinylidene difluoride) [PVDF]. Các bộ lọc dựa trên cellulose nói chung là không phù hợp. Giảm nguy cơ ô nhiễm bằng cách rửa sạch từng bộ lọc bằng nước khử ion hoặc mẫu trước khi sử dụng. Các lô bộ lọc mới phải được thẩm định trước khi sử dụng.
Một số hỗ trợ đặc biệt cho các mẫu có chất nền phức tạp.
- Có thể loại bỏ các anion đa hóa bằng cách sử dụng quy trình chiết pha rắn. Mẫu được rửa giải với dung dịch rửa giải tương đối yếu thông qua cột chiết, nơi các ion đa hóa trị bị bẫy lại.
- Một lượng lớn các ion kim loại chuyển tiếp có thể được loại bỏ khỏi mẫu bằng một pha rắn với một bộ trao đổi cation. Một giải pháp thay thế khác là sử dụng cột bẫy ion kim loại trong hệ thống sắc ký. Điều này sẽ bảo vệ liên tục cột tách và bộ triệt nền khỏi các ion kim loại.
- Vật liệu polyme có tính chất anion có thể được loại bỏ bằng cách lọc gel hoặc hấp phụ trên một bộ trao đổi anion.
- Các mẫu chứa các bazơ mạnh ở nồng độ cao, ví dụ, từ các hợp chất kiềm hoặc trong công nghiệp kiềm, phải được điều hòa để giảm cường độ ion. Cách tốt nhất và dễ nhất để thực hiện điều này là sử dụng một thiết bị dựa trên màng.
Phần II. KẾT LUẬN
- Bài báo đã cung cấp cơ chế hoạt động của các thành phần sắc ký ion và một số kinh nghiệm thực tiễn nhất trong thực hành phân tích sắc ký ion.
- Khi tiến hành một phép phân tích sắc ký ion phải xem xét kỹ mọi điều kiện: dung môi rửa giải (cường độ ion; pH; nhiệt độ, tốc độ dòng chảy; muối đệm; loại rửa giải, tốc độ rửa giải), chọn dung môi rửa giải phải dựa vào loại ion có trong mẫu và loại cột được sử dụng; Về bơm và bộ phận bơm mẫu; cột phân tích (cấu trúc của cột: Cột sử dụng chất nhồi Silica (Silica-Based Columns); Cột có chất nhồi Polymer (hợp chất cao phân tử); tiền cột; bộ triệt nền (bộ triệt nền màng, bộ triệt đóng gói và bộ triệt điện phân); detector sao cho phù hợp nhất và cách xử lý mẫu trước khi tiến hành sắc ký ion.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.ThS. Phan Bích Hà, Cn. Nguyễn Thị Hà Linh; 2014: Đại cương sắc ký ion giới thiệu hệ thống IC Dionex ứng dụng trên máy IC.
2. PGS.TS Nguyễn Ngọc Hải, Cn. Đinh Cát Điểm; 10/2009; Các kỹ thuật sắc ký
3. Website: https://www.nestgrp.com/pdf/Zp1/Sp1/ION_Manual.pdf
4. Website: http://iph.org.vn/attachments/article/269/Sac%20ky%20ion.pdf
CN. Đàm Thị Liễu, Khoa Kiểm định Hóa lý