Sắc ký trao đổi ion và ứng dụng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Tiểu luận

Các phương pháp phân tích Hóa lý hiện đại

Đề tài

GVHD: TS. Huỳnh Khánh Duy

HVTH: Hồ Thủy Trúc

Mã HV: 13050200

1

MỤC LỤC

II. SẮC KÝ TRAO ĐỔI ION ... 4

II.1 Bản chất của sắc ký trao đổi ion ... 4

II.2 Chất trao đổi ion (ionit) ... 4

II.3 Cơ chế trao đổi ion ... 10

III. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM ... 13

III.1 Kỹ thuật tách ... 13

III.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sắc ký trao đổi ion ... 15

III.3 Cột sắc ký trao đổi ion ... 16

III.4 Giải ion bị hấp thu trên ionit ... 18

III.5 ái sinh ionit ... 19

IV. ỨNG DỤNG CỦA SẮC KÝ TRAO ĐỔI ION ... 20

IV.1 Ứng dụng của sắc ký trao đổi ion ... 20

IV.2 Các thiết bị sắc ký trao đổi ion ... 22

2

I. TỔNG QUAN VỀ SẮC KÝ I.1. Lịch sử sắc ký [1]

Nhà thực vật học người Nga Mikhail Tsvet (Mikhail Semyonovich Tsvet) phát minh ra kĩ thuật sắc kí vào năm 1903 khi ông đang nghiên cứu về chlorophyll. Chữ sắc trong sắc kí có nghĩa là màu; nó vừa là tên của Tsvet trong nghĩa tiếng Nga, và vừa là màu của các sắc tố thực vật ông phân tích vào lúc bấy giờ. Tên này vẫn tiếp tục được dùng dù các phương pháp hiện đại không còn liên quan đến màu sắc.

Năm 1952 Archer John Porter Martin và Richard Laurence Millington Synge được trao giải Nobel Hoá học cho phát minh của họ về sắc kí phân bố.

Kĩ thuật sắc kí phát triển nhanh chóng trong suốt thế kỉ 20. Các nhà nghiên cứu nhận thấy nguyên tắc nền tảng của sắc kí Tsvet có thể được áp dụng theo nhiều cách khác nhau, từ đó xuất hiện nhiều loại sắc kí khác nhau. Đồng thời, kĩ thuật thực hiện sắc kí cũng tiến bộ liên tục, cho phép phân tích các phân tử tương tự nhau.

I.2. Định nghĩa

Sắc ký là tên gọi chung của phương pháp tách các chất.

Sắc ký là quá trình tách dựa trên sự phân bố liên tục các cấu tử chất phân tích trên hai pha: một pha thường đứng yên có khả năng hấp thụ chất phân tích gọi là pha tĩnh, một pha di chuyển qua pha tĩnh gọi là pha động.Các thành phần của hỗn hợp có thể tương tác với pha tĩnh dựa trên điện tích, độ tan tương đối và tính hấp phụ do đó chúng di chuyển với tốc độ khác nhau và tách ra khỏi nhau.

I.3. Phân loại các phương pháp sắc ký

Người ta phân loại các phương pháp sắc kí dựa vào cơ chế hoạt động sắc kí: hấp phụ, phân bố, trao đổi ion… và vào tính chất của pha tĩnh cũng như phương pháp thể hiện sắc kí. Ví dụ:

- Phương pháp sắc kí lỏng rắn trên cột, phương pháp sắc kí phân bố khí lỏng trên cột.

3

- Phương pháp sắc kí phân bố lỏng lỏng pha ngược áp suất cao trên cột…

Cơ chế sắc kí có nhiều nhưng để thực hiện quá trình sắc kí thì chỉ có hai dạng: dạng cột và dạng bản phẳng (bản kính, polime, kim loại, giấy).

Trong sắc kí cột, pha tinh được giữ trong một cột ngắn và pha động đuợc cho chuyển động qua cột bởi áp suất hoặc do trọng lực. Trong sắc kí bản mỏng, pha tĩnh được phủ trên một mặt phẳng thủy tinh hoặc kim loại.

Thường để đơn giản hóa, tuy không chính xác nguời ta gọi tắt các phương pháp sắc kí: sắc kí khí, sắc kí lỏng, sắc kí lỏng cao áp, sắc kí lớp mỏng, sắc kí gel…

Trong số các phương pháp sắc kí được biết, quan trọng nhất là sắc kí hấp phụ, sắc kí phân bố và sắc kí trao đổi.

4

II. SẮC KÝ TRAO ĐỔI ION [2]

Sắc kí trao đổi Ion là một quá trình cho phép phân tách các ion hay các phân tử phân cực dựa trên tính chất của chúng.

II.1. Bản chất của sắc ký trao đổi ion:

Hình 2: Bản chất của sắc ký trao đổi ion

Sắc ký trao đổi ion dựa trên hiện tượng trao đổi thuận nghịch giữa các ion linh động của pha tĩnh rắn với các ion trong dung dịch phân tích khi cho dung dịch này đi qua cột được nạp đầy pha tĩnh. Các pha tĩnh trong trường hợp này gọi là các chất trao đổi ion (ionit). Bản chất của quá trình tách là do ái lực khác nhau của các ion trong dung dịch đối với với trung tâm trao đổi ion ( nhóm chứa ion) của ionit.

II.2. Chất trao đổi ion (ionit)

Ionit là các hợp chất polymer vô cơ và hữu cơ không tan có chứa nhóm hoạt động,

bao gồm ionit vô cơ tự nhiên (nhóm zeolite, nhóm đất sét, nhóm glauconit,…) ionit vô cơ tổng hợp (các alumosilicate như permunit, zeolite) và các ionit hữu cơ tự nhiên (cellulose, lông thú, than bùn, than nâu...) và các ionit hữu cơ tổng hợp, được gọi là nhựa trao đổi ion.

5

Các ionit vô cơ và hữu cơ tự nhiên ít được sử dụng trong thực tế vì có độ bền cơ và độ bền hóa và khả năng trao đổi ion thấp được sử dụng nhiều nhất là các ionit hữu cơ tổng hợp chứa nhựa trao đổi ion.

II.2.1.Nhựa trao đổi ion

Nhựa trao đổi ion được cấu tạo hợp chất polymer hữu cơ gồm các sườn hydrocarbon (polystyrene) có mang các nhóm chức chứa ion có khả năng trao đổi, các nhóm chức này nối với các ion linh động bằng lực hút tĩnh điện.

Các nhựa trao đổi ion được chế tạo bởi sự đồng trùng hợp giữa styrene với divinyl benzene có hàm lượng thay đổi từ 1 dến 16 % để tăng mức liên kết ngang của polymer, dẫn dến chỉ trương nở nhưng không hòa tan trong nước.

Các nhân benzene sau đó được gắn vào các nhóm –SO₃H để tạo nhựa cationit hoặc các nhóm amin –NR₃+ tạo nhựa anionit. Nếu axit metaacrylic duợc dùng thay thế cho styrene thì nhựa cationit axit yếu –COOH được tạo thành.

Có hai loại nhựa chính: cation (nhựa trao đổi cation), anion (nhựa trao đổi anion). Ngoài ra còn có các loại ionit đặc biệt như ionit lưỡng tính (trao đổi cả anion và cation) ionit có chứa nhóm tạo phức, Ionit chứa nhóm oxy hóa khử, ionit lỏng và cả màng trao đổi ion.

6  Tính chất của nhựa trao đổi ion

a) Độ bền: Trong công nghiệp thường sản xuất ionit ở dạng hạt đường kính 0,3-0,8

mm. Trong phân tích định lượng phải dùng ionit có hạt rất đồng nhất có đường kính hạt không lớn quá 0,2 mm. Nói chung các ionit bền đối với các tác dụng của kiềm mạnh, axit mạnh không bị oxi hóa bởi các chất oxi hóa thông thường. Tuy vậy các chất oxi hóa mạnh như dicromat, pecmanganat, axit niric đặc, nóng ( 2,5M) sẽ phá hủy các ionit. Các nhựa phenolfomandehit ít bền đối với các chất oxi hóa hơn nhựa polystyrene. Peroxyt hydro tác dụng chậm với các ionit.

b) Hấp thụ nước: Sự trương phồng khi có tác dụng nước hoặc các dung môi khác thì

các ionit bị tăng thể tích lên. Đó là hiện tượng trương phồng. Nguyên nhân là do sự xuất hiện áp suất thẩm thấu cao do sự chênh lệch về nồng độ các ion trong nhựa và trong dung môi: mức độ phồng phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

- Bản chất của nền và liên kết ngang: khi tăng số liên kết ngang thì nhựa ít bị trương phồng. Ví dụ một nhựa polystyron dạng H+ có số liên kết ngang tương ứng với 5% divinylbenzen hấp thụ 1,5g nước/1g nhựa, còn loại 10% divinylbenzen thì hấp thụ 0,9g nước.

- Bản chất và nồng độ dung dịch ngoài: trong các dung dịch chất điện ly nồng độ cao thì sự trương phồng ít hơn trong nước hoặc trong các dung dịch loãng. Trong các dung môi phân cực mạnh ( H2O) thì sự trương phồng xảy ra mạnh hơn khi sử dụng các

dung môi ít phân cực (dung môi hữu cơ).

- Mật độ điện tích: Sự trương phồng cũng tăng lên khi tăng dung lượng trao đổi (tăng mật độ điện tích). Các ionit chứa các nhóm hoạt động với các ion hai hay ba điện tích bị trương phồng mạnh hơn ionit với các ion một điện tích. Khi tăng điện tích ion đối thì trương phồng của ionit giảm xuống.

c) Trao đổi ion: Các ionit có khả năng trao đổi với mọi ion có mặt trong dung dịch.

Phản ứng trao đổi ion có thể biểu diễn dưới dạng:

RH + K+ + Cl- -> RR + H+ + Cl- (cationit) (2) 2RH +Ca2+ + 2Cl- -> CaR2 + 2H+ + 2Cl- (dạng H+) (3)

7  Điều kiện sử dụng của nhựa trao đổi ion

- Nhựa chỉ sử dụng để trao đổi ion chứ không dùng để lọc huyền phù, chất keo và nhũ màu. Sự có mặt các chất này có thể rút ngắn tuổi thọ của nhựa.

- Loại bỏ các chất hữu cơ bằng nhựa rất phức tạp, cần có nghiên cứu đặc biệt.

- Sự có mặt của khí hoà tan trong nước với lượng lớn có thể gây nhiễu loạn hoạt động của nhựa.

- Các chất oxy hoá mạnh Cl₂, O₃,….có thể tác dụng xấu lên nhựa.

II.2.2.Cationit

Cationit chứa nhóm hoạt động là các anion R-, ion linh động là M+ anion R- có thể là nhóm sulphonate, nhóm phosphoate, carboxylate hoặc amino diacetate.

Hình 4: Cationit

Nhựa trao đổi cation được trao tổng hợp bằng phương pháp ngưng tụ đều là sản phẩm phản ứng ngưng tự của phenol hoặc dẫn xuất phenol với fomalin. Do phenol chứa OH- nên sản phẩm thu được có tính acid rất yếu và chỉ thích hợp làm việc trong môi trường kiềm. Để khắc phục nhược điểm này, người ta đưa vào mạng lưới không gian của cation các nhóm chức khác nhau để thu được cation acid mạnh hơn. Các nhóm chức đó có thể là nhóm sulphonate, nhóm photphate, nhóm carboxylate hoặc nhóm amino diacetate như đã nói ở trên. Cationit chứa nhóm chức nối với nhân benzene có tính acid mạnh hơn so với cationit có nhóm chức ở mạch nhánh. Cationit được tổng hợp bằng phương pháp ngưng tụ bền đối với các tia nhưng không bền trong môi trường có chất oxy hóa. Sản phẩm thu được ở dạng khối to, đa chức, khó điều chỉnh mức liên kết ngang.

8

Các cationit tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp monomer được ưa chuộng hơn các cationit ngưng tụ vì có độ bền hóa học, cơ học và bền nhiệt cao, lại chỉ chứa một loại nhóm chức nên rất dễ điều chỉnh mức liên kết ngang. Sản phẩm thu được là các hạt tròn nhỏ nên rất thuận tiện khi sử dụng. Phản ứng trùng hợp phổ biến nhất là trùng hợp styrene với divinylbenzene (DVB). Ngoài styrene, còn có thể trùng hợp acid metacrylic hay acid acrylic với divinylbenzene để sản xuất các cationit acid yếu. Muốn thu được các sản phẩm cationit acid mạnh hơn, tiếp tục sulpho hóa (hoặc photphate hóa...) các sản phẩm cationit acid yếu nói trên.

II.2.3.Anionit

Hình 6: anionit

Anionit có dạng R+X- với nhóm hoạt động R+ thường là nhóm amin. Do có nhóm amin gắn trên mạng lưới cao phân tử nên anionit mang tính base. Độ base phụ thuộc vào độ base của nhóm amin (amin thẳng > ammoniac > amin thơm; amin bậc 4 > amin bậc 3 > amin bậc 2 > amin bậc 1). Anionit phổ biến thường chứa amin bậc 4.

9

Anionit có thể được tổng hợp bằng phương pháp ngưng tụ hoặc phương pháp trùng hợp. Để tổng hợp anionit bằng phương pháp thứ nhất, người ta ngưng tụ amin mạch thẳng hoặc amin thơm với formalin hoặc với halogenepoxy. Anionit ngưng tụ có tính base yếu, độ bền hóa học kém, không bền trong môi trường chứa các chất oxy hóa.

Anionit được tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp có tính base mạnh, bền hóa và bền nhiệt tốt lại đơn chức nên được sử dụng rộng rãi hơn anionit ngưng tụ. Quá trình sản xuất anionit bằng phương pháp trùng hợp được tiến hành bằng cách trùng hợp styrene hoặc dẫn xuất cảu styrene với divinylbenzene DVB (đã được chlometyl hóa) và tiếp tục amin hóa với trimetylamin hoặc dimetyletanolamin để thu được anionit base mạnh.

Hình 7: Các nhóm chức được sử dụng cho các ionit

II.2.4. Ionit lưỡng tính

Trên mạng lưới không gian của ionit lưỡng tính vừa chứa nhóm chức acid vừa chứa nhóm chức base nên có khả năng trao đổi cả cation lẫn anion. Ionit lưỡng tính cũng được tổng hợp bằng hai phương pháp trùng hợp và ngưng tụ. Ví dụ để tổng hợp ionit lưỡng tính bằng phương pháp trùng hợp, đầu tiên trùng hợp styren hoặc clorua vinyl với DVB rồi sau đó tiếp tục amin hóa và sulpho hóa sản phẩm thu được.

Trong các loại ionit, cationit sulphonate (- SO3H) là cationit acid mạnh, anionit amin

tứ là anionit kiềm mạnh (hoạt động tốt trong mọi môi trường acid, base, trung tính); cationit carboxylate (- COOH) là cationit acid yếu (hoạt động tốt trong môi trường kiềm); anionit amin tam, nhị, nhất là các anionit kiềm yếu (hoạt động tốt trong môi trường acid).

10

II.3. Cơ chế trao đổi ion

Mạng lưới của ionit là mạng không gian cao phân tử không đồng đều của các liên kết hydrocacbon. Khả năng trao đổi ionit phụ thuộc rất lớn vào cấu trúc mạng lưới ionit, cụ thể là các mức lien kết ngang, số lượng bản chất các nhóm chức. Nói khả năng trao đổi ion của ionit phụ thuộc vào cấu trúc bởi vì tính ưa nước này cho các ionit có khả năng trương trong nước, cho phép các ion từ dung dịch khuyếch tán nhiều hay ít vào bên trong mạng lưới.

Khi ngâm nhựa vào nước, nhựa trương nở, các nhóm chứa ion trở nên linh động hơn và có thể phân ly một phần, các phản úng trao đổi xảy ra giữa các ion của pha tĩnh và các ion trong dung dịch rất tương đồng với các phản ứng trao đổi giữa các cấu tử tiếp xúc với nhau trực tiếp trong dung dịch theo phản ứng hóa học thông thường. Tuy nhiên, khi dung dịch chứa nhiều ion cùng có khả năng trao đổi ion với nhựa thì sẽ có sự cạnh tranh giữa các ion trong dung dịch và quá trình trở nên rất phức tạp.

Ion trong lớp điện tích kép theo mức độ hoạt động lớn nhỏ có thể phân ra: lớp hấp phụ và lớp khuếch tán. Lớp ion có tính hoạt động tương đối kém bị hấp phụ bám chặt vào bề mặt cao phân tử gọi là lớp hấp phụ hay lớp cố định, nó bao gồm lớp ion bên trong và một bộ phận ion ngược dấu. Cạnh ngoài lớp hấp phụ, các ion có tính hoạt động tương đối lớn, có khả năng khuếch tán vào trong dung dịch nên gọi là lớp khuếch tán.

Khi nhựa trao đổi ion gặp dung dịch nước có chất điện giải, các tác dụng sau đây sẽ diễn ra:

+ Tác dụng trao đổi

Các ion ngược dấu trong lớp khuếch tán và ion ngược dấu khác trong dung dịch trao đổi vị trí lẫn nhau. Nhưng do quá trình trao đổi ion không giới hạn ở lớp khuếch tán, do quan hệ cân bằng động, trong dung dịch cũng có một số ion ngược dấu trước tiên trao đổi đến lớp khuếch tán, sau đó sẽ trao đổi với các ion ngược dấu trong lớp hấp phụ.

+ Tác dụng nén ép

Khi nồng độ muối trong các dung dịch tăng lớn, có thể làm cho lớp khuếch tán bị nén ép lại. Từ đó, một số ion ngược dấu trong lớp khuếch tán biến thành ion ngược dấu trong lớp khuếch tán biến thành ion ngược dấu trong lớp hấp phụ …

11

Phạm vi hoạt động của lớp khuếch tán nhỏ lại làm bất lợi cho quá trình trao đổi ion. Do đó cần chú ý nếu nồng độ dung dịch hoàn nguyên quá lớn, không những không thể nâng cao mà còn giảm thấp hiệu quả hoàn nguyên.

+ Tốc độ quá trình trao đổi ion

Như trong quá trình hấp phụ, tốc độ trao đổi ion tuỳ thuộc trên tốc độ của các quá trình thành phần sau:

- Khuếch tán của các ion từ trong pha lỏng đến bề mặt của hạt rắn. - Khuếch tán của các ion qua chất rắn đến bề mặt trao đổi.

- Trao đổi các ion (tốc độ phản ứng)

- Khuếch tán của ion thay thế ra ngoài bề mặt hạt rắn

- Khuếch tán của các ion được thay thế từ bề mặt hạt rắn vào trong dung dịch. Về mặt định lượng, khả năng trao đổi ion của ionit là trao đổi theo đương lượng các chất.

II.3.1.Cơ chế trao đổi ion của cationit

12

Pha tĩnh trao đ i cation có các nhóm SO3H+. Pha động có nước làm pha tĩnh bị hidrat

hóa. Lớp nước hidrat hóa tạo màng đăc biệt gọi là màng Donnan, mang điện tích âm chỉ cho qua các phân tử trung hòa về măt điện tích.

Khi nhựa tiếp xúc với dung dịch chứa ion Mn+sẽ xảy ra phản ứng trao đổi như sau: nR’SO

3-H+ (R) + Mn+(dd) ↔ (R’SO3-)nH+ (R) + nH+(dd)

Hay được viết ngắn gọn như sau:

nH+ + Mn+_(dd) ↔ Mn+_(R) + nH+_(dd) Hằng số trao đổi của nhựa được định nghĩa như sau:

[ ][ ] [ ][ ]

Trong quá trình trao đổi, ion Mn+ _{được phân bố giữa hai pha với hệ số phân bố DM:}

[ ] [ ] Từ đó ta có

[ ] [ ]

Gọi C_o: là nồng độ Mn+ trong dung dịch ban đầu, đơn vị mmol/ml

C_E là nồng độ của nhóm chức hoạt động tính bằng mđlg/g nhựa. C_E được định nghĩa là dung lượng trao đổi ion của nhựa.

Nếu Co bé, phản ứng trao đổi xem như xảy ra hoàn toàn

[H+_dd] = n[Mn+_R] = n[Mn+_dd]_o = nC_o Và nC_E = [H+_R] [H+_R]_o

Suy ra ( )

Trong thực nghiệm, người ta thường đánh giá khả năng trao đổi ion của nhựa qua giá trị k được định nghĩa là tỷ số giữa lượng Mn+ trong dung dịch (tính bằng g) và thể tích dung dịch chứa Mn+ (tính bằng mL)

[ ] [ ] G: Khối lượng nhựa sử dụng (g)

13 V: thể tích dung dịch Mn+ (mL)

Quá trình trao đổi được xem là hoàn toàn khi k 103 _{và M}n+ _{vẫn nằm trong dung}

dịch k 10-3

.

II.3.2.Cơ chế trao đổi ion của anionit

Nhóm amin của anionit tác dụng tương tự như các amin trong dung dịch nước: RNH₂ + H₂O RNH₃OH

-Ion OH- trên anionit được trao đổi với các anion trong dung dịch: RNH₃OH- + HCl RNH₃Cl- + H₂O

Hằng số trao đổi của anionit, hệ số phân bố của các anion đối với hai pha cũng được xem xét tương tụ như cationit

II.3.3.Dung dịch chứa nhiều cấu tử:

Khảo sát dung dịch chứa hai cấu tử M₁, M₂ cùng có khả năng trao đổi với ion H+ của cationit. Quá trình này xảy ra trong thực tế rất phức tạp vì có sự cạnh tranh của M1 và

M₂ với nhau. Nếu DM₁>DM₂, ái lực của nhựa với M₁sẽ lớn hơn so với M₂ và như vậy M₁ sẽ trao đổi với ion H+ trước rồi mới tới M₂. Tuy nhiên ngoài khả năng trao đổi ion với catioit, M2 còn có khả năng đẩy M1 ra khỏi nhựa để chiếm chỗ của M1 và ngược lại. Vì lý

do trên, việc xem xét khả năng trao đổi ion giàu cationit với M₁, M₂ không chỉ đơn thuần dựa trên hai cân bằng trao đổi chính (M1với nhựa, M2với nhựa) mà phải xét trên cân bằng

trao đổi giữa M1với M2 , giữa hai pha rán và dung dịch.

Một cách gần đúng để ước lượng khả năng tách hai ion M₁, M₂ ra khỏi nhau, ta xét hệ số tách với:

Nếu D_M(1) D_M(2) tức thì có thể tách M₁, M₂ ra khỏi nhau.

III. Kỹ thuật thực nghiệm [3] III.1 Kỹ thuật tách

Sắc ký trao đổi ion phân tách các cấu tử dựa trên bề mặt tích điện. Các phân tử khác nhau sẽ có những điện tích và ảnh hưởng khác nhau đối với tương tác điện tích sẽ có sụ

14

khác biệt về mật độ điện tích và phân bố điện tích bề mặt. Các phân tử điện tử có các nhóm điện tích khác nhau sẽ có một giá trị pKa khác nhau phụ thuộc vào cấu trúc và môi trường hóa học của nó

Không chỉ là sự lựa chọn của các kỹ thuật quan trọng. Thứ tự mà chúng được làm việc cũng sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định tốc độ, tiện lợi và năng suất tổng thể cho thích hợp.

Với hỗn hợp chất ban đầu có chứa nhiều loại hợp chất khác nhau, nếu trong số đó có loại hợp chất có mang điện tích, sử dụng kỹ thuật sắc ký trao đổi ion để tách hợp chất đó ra khỏi hỗn hợp.

Hình 9. Các giai đoạn trong quá trình trao đổi ion

Giai đoạn 1: Nhựa trao đổi ion cần cân bằng với các đối ion của nó. Các hợp chất cần phân tích sẵn sàng đi ngang qua nhựa.

Giai đoạn 2: Nhựa trao đổi ion đang trao đổi với các hợp chất cần phân tích, các đối ion của nhựa bị loại ra khỏi nhựa. Sau giai đoạn cân bằng này việc giải ly sẽ được thực hiện.

Giai đoạn 3: Ion của dung dịch giải ly đang tranh giành trao đổi với nhựa để đẩy tách hợp chất ( ) ra khỏi nhựa.

Giai đoạn 4: Gia tăng nồng độ của dung dịch giải ly, để ion của dung dịch giải ly đủ mạnh để tranh giành trao đổi với nhựa để đẩy tách hợp chất ( ) ra khỏi nhựa.

15

III.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sắc ký trao đổi ion:

a) Dung dịch đệm pH:

Chọn theo nguyên tắc dung dịch đệm cation sử dụng cho nhựa trao đổi cation, dung dịch đệm anion sử dụng nhựa trao đổi anion.

Ví dụ: dung dịch đệm anion CH3COO-NH4 sử dụng cho nhựa trao đổi cation -COO-

Nên sử dụng dung dịch đệm ở nồng độ 0,1 mol/lít. Đôi khi người ta thêm vào dung dịch đệm một số hợp chất như alcol ( có khi đến 20% thể tích), dimetylformamid, 7M ure, triton X-100....để giúp cho dung dịch đệm hoà tan tốt những chất cần khảo sát, các protein( nếu để cô lập protein).

Lựa chọn pH và nồng độ dung dịch đệm sao cho khi ở trong dung dịch đệm đó, hợp chất cần khảo sát có điện tích toàn phần ngược dấu với điện tích của nhựa trao đổi nên gắn tốt vào nhựa. Dung dịch đệm phải có pH lớn hơn một đơn vị so với điểm đẳng điện của nhựa trao đổi cation. Các điều kiện về pH và nồng độ dung dịch đệm ở thời điểm bắt đầu quá trình giải ly không được quá khác biệt với điều kiện lúc gắn hợp chất vào nhựa. Các hợp chất bắt đầu tách rời khỏi nhựa ở khoảng 0,5 đơn vị pH so với điểm đẳng điện của nhựa trao đổi.

Khoảng pH của một số dung dịch đệm thông dụng :

Dung dịch đệm Giá trị pH

Acid citric- citrat natri 2,0-6,0

Acid formic-format natri _3,0-4,5

Acid acetic-acetat natri _4,2-5,4

Tris-acid phosphoric _5,0-10,0

Hydrogen phosphat natri _5,0-7,4

Trietanolamin _6,7-8,7

16 b) pK a và pI [4]

Khi bắt đầu tiến hành sắc ký , pha di động thường là một dung dich đệm để nó có thể rửa và hỗ trợ các ionit đạt trang thái cân bằng, Có một qui tắc chọn pH của dung dịch đệm là nó phải nằm giữa hằng số pKa và điểm đẳng điện pI bất kể nó là trao đổi anion hay cation.

Ví dụ như đối với sắc ký trao đổi cation, sử dụng cột trao đổi có nhóm chức có pHa là 1.2 và mẫu có pI là 8.2 thì pH của dung dịch đệm phải nằm giữa 2 và 8 như là pH 6.0. Ta bắt đầu với bộ đệm có pH thấp ròi tăng dần lên để các phân tử ion tương tác mạnh hơn và cũng để giải rửa sau đó.

c) Gradient muối và step gradient :

Ngoài việc sử dụng pH như là pha động, thì các gradient muối cũng cung cấp nồng độ muối tuyến tính tăng đần để phân tách các thành phần. Step gradient là một phương pháp cải tiến mà ta có thể sử dụng phương đơn giản nhưng hiệu quả để giải rửacác mẫu khắc nhau tùy thuộc vào nồng độ muối được xác định ở gradient tuyến tính.

III.3 Cột sắc ký trao đổi ion

Nếu biết được số lượng mẫu cần khảo sát, thử nghiệm biết được loại nhựa trao đổi ion nào phù hợp, xem thông tin về nhựa do nhà sản xuất cung cấp sẽ tính toán được số lượng nhựa cần sử dụng, số lượng nhựa được qui ra thể tích sau khi trương nở trong dung dịch phù hợp. Thường thì tỉ lệ giữa thể tích nhựa và thể tích hợp chất cần sắc ký vào khoảng 1:10 đến 1:20.

Để đạt được kết quả tốt trong sắc ký trao đổi ion, sử dụng cột ngắn có đường kính lớn.

Trong quá trình sử dụng dung môi để giải ly hợp chất ra khỏi cột, một khi đạt đến đúng điều kiện, hợp chất (gọi là chất tan, solute) sẽ không còn bám vào nhựa nữa; mà nếu không còn bám dính vào nhựa, phân tử chất tan đó sẽ hoàn toàn tự do, hòa theo dòng chảy của dung môi để đi ra khỏi cột, không kể lúc nó bám vào nhựa, nó ở vị trí nào trong

17

cột, ở vị trí gần đầu cột hay ở xa đầu cột. Vì lý do đó, phần cột (chứa nhựa trao đổi ion) quá dài sẽ không phù hợp cho sắc ký trao đổi ion.

Các nghiên cứu cho thấy cột dài có thể làm cho áp suất bên trong của cột bị sụt giảm thất thường, làm các hợp chất khuếch tán theo chiều ngang, làm dải băng rộng thêm ra làm ảnh hưởng đến khả năng tách riêng từng loại hợp chất khác nhau của sắc ký.

Trong phòng thí nghiệm, người ta thường sử dụng cột có ống hình trụ dài, làm bằng nhựa PTFE, plastic, thủy tinh,…hai đầu ống có ven răng cưa. Đậy hai đầu ống bằng hai nút nhựa plastic cũng có ven răng cưa sao cho có thể vặn vừa khít vào đầu ống. Chính giữa mỗi nút có gắn một ống inox, đường kính 1-2mm, lóở mỗi đầu nút một đoạn khoảng 0.5 cm. Ống nhỏ này dùng để nối dẫn dung dịch giải ly từ bình chứa dung dịch giải ly đi vào trong ống sắc ký. Ở đầu ống, lót bên trong hai nút vặn là một tấm tròn bằng nhựa polyetylen có lỗ rỗng nhỏ để chặn không cho hạt nhựa chảy vào làm bítống inox.

- Nhồi nhựa trao đổi vào cột

Giữ cột thẳng đứng trên giá, khóa vòi bên dưới cột. Nhựa trao đổi ion đã được cân bằng trong dung dịch đệm; lượng nhựa và thể tích dung môi sao cho có thể rót nhựa dễ dàng vào cột, không tạo ra những bọt khí nằm giữa các hạt nhựa. Để yên 5-10 phút cho các hạt nhựa lắng xuống, rót đầy cột bằng dung dịch đệm, mở khóa để cho nhựa lắng xuống. Khi nhồi cột hoàn tất, cần cân bằng cột bằng cách cho dung dịch đệm chảy qua cột, cuối cùng kiểm tra pH của dung dịch chảy ra khỏi cột.

- Nạp mẫu chất lên đầu cột

Dung dịch mẫu phải được lọc trong suốt trước khi nạp vào cột; lọc bằng tờ giấy lọc hoặc cho đi ngang qua một lớp celite.

Lượng mẫu tùy vào lượng nhựa cũng như khả năng trao đổi của nhựa. Điều quan trọng nhất là làm sao để tất cả các cấu tử quan trọng của mẫu chất được hấp thu hết vào nhựa, như thế nghĩa là chúý đến số lượng của mẫu hơn là thể tích của mẫu.

Trong thực nghiệm, một lượng lớn thể tích hỗn hợp có thể được rót lên đầu cột sắc ký mà không cần phải cô đậm đặc dung dịch này.

Để nạp mẫu lên đầu cột: mở khóa để hạ mức dung dịch đệm xuống vừa sát mức nhựa ở trên đầu cột, khóa lại. Dùng pipet hút và đặt dung dịch mẫu lên đầu cột, mở khóa

18

cho dung dịch mẫu hút vào lớp nhựa ở trên đầu cột. Để yên 10-20 phút để cho mẫu chất tiếp xúc cân bằng với nhựa.

Khi tất cả lượng mẫu đã được gắn lên đầu cột nhựa, cho vài mL dung dịch đệm ban đầu chảy qua cột, nối cột với bình cung cấp dung dịch giải ly.

III.3 Giải ion bị hấp thu trên ionit

a) Giải ly bằng cách tăng dần pH dung dịch giải ly

Điện tích toàn phần của những phân tử lưỡng cực thay đổi theo pH. Khi pH của môi trường thay đổi sao cho pH đó có giá trị bằng pI của hợp chất, hợp chất sẽ có điện tích toàn phần bằng zero (hợp chất trở thành trung tính), nó không gắn vào nhựa nữa mà giải ly ra khỏi cột.

Vì vậy sự tăng dần pH của dung dịch giải ly sẽ lần lượt làm cho các chất khác nhau, có pI khác nhau, trở thành trung tính và lần lượt ra khỏi cột.

b) Giải ly bằng cách tăng dần nồng độ dung dịch giải ly:

Hỗn hợp mẫu chất đang gắn vào nhựa trao đổi ion trong dung dịch đệm có nồng độ thấp. Để tách mẫu chất ra khỏi nhựa thường, cần phải gia tăng lực ion của dung dịch đệm bằng cách cho thêm NaCl vào (sử dụng NaCl cho cả hai loại nhựa trao đổi anion và cation). Khi có thêm NaCl trong dung dịch đệm, ion của dung dịch đệm sẽ cạnh tranh với hỗn hợp mẫu chất, để dành lấy nhóm chức hoạt động của nhựa, đẩy hợp chất ra khỏi nhựa, rồi theo dòng chảy đi ra khỏi cột.

Người ta cũng thường cho thêm dung môi hữu cơ vào dung dịch đệm để giảm bớt tương tác với chất nền. Đây là hấp lực xảy ra giữa bộ phận ái nước của hợp chất sắc ký với bộ phận ái nước của nhựa trao đổi ion. Muốn loại bỏ tương tác này, sử dụng hỗn hợp dung môi muối. Phân tử của mẫu chất trở thành tính trung hòa, không bám vào nhựa mà hòa vào dung dịch giải ly, nhưng tính ái nước của phân tử sẽ giảm, nó không hòa tan tốt trong dung dịch giải ly, sẽ kết tủa nằm lại trong ống sắc ký, làm sai lệch kết quả sắc ký.

Ngoài ra, các muối hữu cơ thí dụ như hỗn hợp pyridin/acid acetic có thể tạo những dung dịch có pH khác nhau. Hơn thế nữa dung dịch này có tính bay hơi rất cao có thể loại bỏ bằng cô quay chân không.

19

III.4 Tái sinh ionit

Nhựa trao đổi ion khá đắt tiền, vì thế sau khi sử dụng xong cần được xử lý để có thể tái sử dụng. Qui trình xử lý như sau:

- Loại bỏ hết những hợp chất đã gắn vào nhựa và các chất tạp bẩn khác. Nhựa được đặt trên phễu buchner, rửa nhựa nhiều lần với dung dịch nước muối đậm đặc và nồng độ tăng dần đến 2M/Lít nhằm để tách hết các hợp chất đã gắn vào nhựa. Các muối này phải có đối ion giống với đối ion của nhựa trao đổi lúc nguyên thủy.

- Các hợp chất tạp bẩn khác thí dụ như lipid, protein,... có thể loại khỏi bằng dung dịch NaOH 0,1M và sau đó phải rửa nhựa với nước cất và với dung dịch nước muối cho đến khi dung dịch qua lọc hết tính base.

a. So sánh với các phương pháp khác a) Điểm giống nhau.

- Sử dung để định tính và định lượng một hỗn hợp nhiều cấu tử.

- Thiết bị sắc kýthường bao gồm các bộ phận chính như: bộ phận nạp mẫu, cột sắc ký và đầu dò.

- Gồm hai quá trình là quá trình tĩnh và quá trình động.

b) Điểm khác nhau. Sắc ký hấp phụ

lỏng Sắc ký trao đổi ion Sắc ký giấy Sắc ký khí

+ Là quá trình khác nhau của cấu tử lỏng và chất hấp phụ rắn. + Lực hấp phụ bao gồm lực Vander – Waats là lực tương tác giữa các phần tử: + Dựa trên hiện tượng trao đổi thuận nghịch giữa các ion linh động của pha tĩnh rắn với các ion trong dung dịch phân tích. + Sắc ký giấy thuộc dạng sắc ký phân bố lỏng, mà chất mang pha lỏng là giấy sắc ký. + Nhờ có cấu tạo đặc biệt giấy sắc ký + Sắc ký khí là sắc khí mà pha động là dạng khí hoặc ở dạng hơi. + Khi pha tĩnh là chất hấp phụ rắn thì ta có sắc ký khí hấp

20 Lực cảm ứng: hình thành khi trong phân tử có sẵn điện trường. Lực liên kết hóa học: giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ + Bản chất của quá trình tách là do ái lực khác nhau của các ion trong dung dịch với các trung tâm trao đổi ion (nhóm chứa ion) của ionit có khả năng giữ trong lỗ xốp một lượng chất lỏng nhất định. Trong quá trình sắc ký các cấu tử được tách dọc theo lớp mỏng của lỗ giấy. phụ. Khi pha tĩnh là màng mỏng chất lỏng trên bề mặt chất hấp phụ rắn ta có sắc phân bố hay còn gọi là sắc ký khí lỏng.

IV. ỨNG DỤNG CỦA SẮC KÝ TRAO ĐỔI ION IV.1 Ứng dụng của sắc ký trao đổi

Phương pháp sắc ký trao đổi ion được sử dụng rất hiệu quả trong việc tách và phân tích các chất phức tạp ở dạng khí hoặc lỏng, thậm chí cả ở chất rắn. Phương pháp trao đổi ion thường được dử dụng để khử độ cứng của nước do các muối hòa tan dưới dạng ion của Ca2+, Mg2+; khử độ khoáng của nước loại hoàn toàn các cation anion có trong nước; tinh chế các chất thử hóa học như tinh chế HCl kỹ thuật, tinh chế chất không điện ly ra khỏi hợp chất điện ly; tách chiết protein; điều chế hợp chất hóa học như điều chế phân bón hóa học dạng lỏng từ nước thải; tách lượng nhỏ của một số nguyên tố.

Sắc ký trao đổi ion là kỹ thuật tách protein phổ biến nhất, được sử dụng nhiều nhất trong các quy trình tinh chế và tinh sạch protein hiện nay.

Nguyên tắc

 Trước tiên protein sẽ gắn thuận nghịch với các chất trao đổi bằng tương tác ion giữa các nhóm mang điện tích trái dấu.

 Sau đó protein được chiết rút riêng biệt nhờ việc tăng dần lực ion làm cho tương tác ion bị bẻ gãy thông thường dùng gradient muối NaCl hay gradient pH.

21

Hình 10: Sắc ký trao đổi ion dùng phân tách các protein

Bởi vì các nhóm có chứa điện tích của các phân tử đều có thể điều chỉnh được, do đó điện tích bề mặt phụ thuộc nhiều vào pH của dung dịch. Trong trường hợp các protein được cấu tạo từ nhiều acid amin khác nhau, nên điện tích bề mặt của nó sẽ thay đổi nếu ta thay đổi pH bề mặt của môi trường.

Một protein không chứa điện tích khi pH tại điểm pI, tuy nhiên, nếu pH thấp hơn pI, protein sẽ mang điện tích dương và ngược lại, pH cao hơn pI, protein sẽ mang điện tích âm. Dựa vào tính chất đó mà ta có thể tiến hành phân tách hay tinh sạch protein theo phương pháp sắc ký trao đổi ion.

22

IV.2 Các thiết bị sắc ký trao đổi ion

Hình 11: Sơ đồ chung của một hệ thống sắc ký trao đổi ion

a) Máy sắc kí ion (MetroHM – nguồn gốc Thụy Sỹ)

- HÃNG CUNG CẤP: METROHM – THUỴ SỸ - MODEL: 883 COMPACT IC PLUS

- Là hệ thống phân tích sắc ký thông minh, với độ chính xác cao, đơn vị đo ppm, ppb, %.

- Giới hạn phát hiện: < 1ppb

- Thiết kế gọn nhẹ, hiệu suất làm việc cao. - Đáp ứng tất cả các yêu cầu GLP và FDA

23

- Hệ thống thông minh với các thành phần: iPump, iDetector, iColumn ứng dụng anion chuẩn : F, Cl, Br, NO₂, NO ₃, SO₄, PO ₄,.. ClO₂, ClO ₃, ClO ₄, BrO₄, BrO₃

- Phân tích các cation chuẩn : Li, Na, K, Mg ,Ca , NH4 , Cs, Sr, Ba, Rb,…

b) Máy phân tích sắc ký ion

Phân tích các loại mẫu về môi trường với các anion & cation ở hàm lượng vết như NH4+; Cr6+ ; Cr3+ ; Fe2+ ; Fe3+; PO43- ; NO2- ; NO3- ; SO42-; Cl- …Phân tích hàm lượng

Phosphate: monophosphate, pyrophosphate, metaphosphate, trypolyphosphate & polyphosphate… trong mẫu thực phẩm, thủy hải sản, chất phụ gia.

c) Máy sắc ký tự động

Automated Ion Chromatography System

Model: ICS – 900. Hãng sản xuất: Dionex - Mỹ Xuất xứ: Mỹ. Tiêu chuẩn đáp ứng: ISO 9001, CE Thiết bị được thiết kế tự động hoàn toàn, chuyên dụng cho mục đích phân tích các ion trong mẫu hoá học, môi trường, thực phẩn,... với thao tác sử dụng đơn giản, tiện dụng và đạt kết quả nhanh, chính xác. Điều khiển qua phần mềm máy tính Có thể Kết nối được với bộ đưa mẫu tự động AS-DV hay AS Dionex.

24

d) Máy sắc ký ion

Model: Water 1525 Binary HPLC Pump Hãng sản xuất: Waters-Mỹ

Bao gồm: Bơm dung môi đa kênh gradient, Bơm gradient: 2 dòng dung môi (thiết kế kiểu bánh răng cam 40 mL/bước răng, piston kép, toàn bộ được ngâm trong dầu, bảo đảm bơm chạy ổn định, sai số nhỏ, bền, không gây ồn, khác với các hãng khác sử dụng curoa kéo bánh cam tỳ (độ ồn lớn, độ chính xác dòng RSD lớn, đỉnh pic không ổn định…..). (Thiết kế độc quyền của hãng tạo độ chuẩn xác của lưu lượng dòng từ (0,075% tới 0,1% RSD : Flow precision of < 0,075 RSD or better) , và mức phân giải 0,001 ml/phút).

- Độ ổn định áp suất: £ ±1% cho toàn bộ thang cho một chu trình bơm ở 1 ml/ph - Độ ồn dưới mức tiêu chuẩn cho phép tại vị trí thao tác < 70 dB(A), áp suất bơm : 0

- 6000 psi,

- Độ chính xác dòng : ± 1.0% - Tự động bổ chính áp suất

25 - Độ ẩm thao tác trong khoảng: 20 - 80%

- Cấu tạo buồng đo: loại 5 điện cực (Duy nhất trên Thế giới) - Giải đo độ dẫn : 0 ~ 10 000 mS/cm

- Được ứng dụng để phân tích các cation và anion : Na+ ; K+ ; Mg 2+ ; Ca 2+ ; NH₄ + ; Cl - ; F - ; NO2- ; NO3- ; CN - ; SO42- ; HCO3- ; Br - ; acide hữu cơ bậc I ...

26

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] http://vi.wikipedia.org/wiki/S%E1%BA%AFc_k%C3%AD

[2] Nguyễn Thị Thu Vân Phân tích định lượng Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh

[3] Nguyễn Kim Phi Phụng, Phương pháp cô lập hợp chất hữu cơ, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2007

[4]http://www.separations.us.tosohbioscience.com/ServiceSupport/TechSuppo rt/ResourceCenter/PrinciplesofChromatography/IonExchange