Kỹ thuật trong sắc ký Bài 1. Sắc ký pha thuận và pha đảo ( thuộc sắc ký phân bố) a, Chọn pha tĩnh và pha động: Trong sắc ký có 3 thành phần tương tác với nhau: Pha tĩnh, pha động và chất phân tích. Để phân tích được chất cần lực chọn điều kiện để cân bằng tương tác giữa 3 thành phần này. Người ta dực chủ yếu vào lực tương tác -
Với pha tĩnh: Dựa vào nhóm thế R của dẫn chất siloxan
-
Với pha động: Dựa vào độ phân cực, độ nhớt, giới hạn đo,…
-
Với chất phân tích; Dựa vào nhóm chức
Hydrocacbon mạch thẳng < olefin < hydrocacbon thơm < dẫn chất halogen < sunfid < ete < dẫn chất nitro < este ≈ andehyd ≈ xeton < ancol ≈ amin < sunfo < sunfoxid < axit cacboxylic < nước Nguyên tắc lựa chọn: 1. Độ phân cực của chất phân tích hợp với độ phân cực của pha tĩnh và khác xa độ phân cực của pha động 2. Độ phân cực của chất phân tích hợp với độ phân cực của pha động và khác nhiều với độ phân cực của pha tĩnh Tính chất của 1 số dung môi dùng trong sắc ký lỏng Giới hạn dưới
Chỉ số
Điểm sôi
Độ nhớt
Độ phân cực
đo UV (nm)
khúc xạ
(oC)
CP, 25oC
(Theo Snyder)
n-hexan
190
1,372
69
0,3
0,1
Benzen
280
1,498
80
0,6
2,7
Metylen clorit
233
1,421
40
0,4
3,1
n-propanol
240
1,385
97
1,9
4,0
Tetrahydrofuran
212
1,405
66
0,46
4,0
Etyl axetat
256
1,370
77
0,43
4,4
Clorofom
245
1,443
61
0,53
4,1
Tên dung môi
1
Axeton
330
1,456
56
0,30
5,1
Etanol
210
1,359
78
1,08
4,3
Axit axetic
-
1,370
188
1,1
6,0
Axetonitril
190
1,341
82
0,34
5,8
Metanol
205
1,326
65
0,54
5,1
Nước
190
1,333
100
0,89
10,2
b, Tính cân đối của píc sắc ký Cần chọn cột và pha động thích hợp để tránh pic bị kéo đuôi hoặc đổ đầu
→ Sắc ký hấp phụ pha đảo RP-HPLC( sử dụng phổ biến trong hóa Dược)
2
• Pha tĩnh trong hệ RP-HPLC Cũng như sắc ký cột ở áp suất thường, pha tĩnh (stationary phase) trong HPLC chính là chất nhồi cột để làm nhiệm vụ tách sắc ký một hỗn hợp chất phân tích. Nó là những chất rắn, xốp và kích thước hạt rất nhỏ, đường kính cỡ hạt 3-7µm, diện tích bề mặt riêng thường từ 80-500m2 /g. Pha tĩnh trong HPLC là một yếu tố rất quan trọng quyết định sự tách sắc ký của một hỗn hợp chất mẫu phân tích. Trong RP-HPLC thì pha tĩnh là vật liệu kém phân cực, thông thường chất mang trong pha tĩnh là các loại silica trung tính đã được thế hoá bề mặt bằng các loại hợp chất kém phân cực như C18 , C8, ..Pha tĩnh này thường dùng để tách các hợp chất hữu cơ có độ phân cực khác nhau. Khi tiến hành chạy sắc ký trên bề mặt pha tĩnh xảy ra các cân bằng động như sau: Sr Sr X i
+
Xi +
M
↔ ↔
Sr X i MXi + Sr
( Quá trình hấp phụ ) ( Quá trình giải hấp )
Trong đó: Sr là pha tĩnh Xi là chất phân tích SrXi chất phân tích hấp phụ trên pha tĩnh M là pha động MXi chất phân tích trong pha động. Sắc ký hấp phụ pha đảo (RP-HPLC) là phương pháp được dùng phổ biến nhất trong quá trình tách phân tích và điều chế các hợp chất đang được quan tâm trong các đối tượng sinh học, hoá học, dược học và y học. Hệ RP-HPLC có các ưu điểm nổi trội sau: 1. Có độ linh động và độ chọn lọc cao 2. Có khả năng cân bằng nhanh, cột có hiệu lực cao, các pic cân đối. 3. Pha động là nước hay hỗn hợp nước và dung môi hữu cơ thân thiện với môi trường. • Pha động trong RP- HPLC Pha động thường là các dung môi phân cực như H2O, MeOH, ACN,…hay hỗn hợp của 2 hay 3 dung môi này theo những tỷ lệ nhất định. Các dung môi hữu cơ trên có thể hoà tan thêm một lượng nhỏ axit hay bazơ hữu cơ. 3
Pha động có độ phân cực gần giống với độ phân cực của chất phân tích thì thời gian lưu của chất càng ngắn. Các yếu tố cần được quan tâm và lựa chọn cho mỗi hệ pha đó là: 1. Bản chất pha động: Thành phần của chất tạo ra pha động, loại dung môi sử dụng, pH của pha động 2. Tốc độ pha động → Sắc ký hấp phụ pha thuận NP-HPLC: Thành phần pha tĩnh và pha động ngược lại với RP-HPLC ● Pha tĩnh: Là các chất phân cực như triethylen, glycol, nước.. ● Pha động: Dung môi ít phân cực như hexan, iso propyl ether Như vậy trong sắc ký pha thuận, chất ít phân cực nhất được rửa giải đầu tiên, khi tăng độ phân cực của pha động, thời gian lưu giảm dần. Trong sắc ký pha đảo thì ngược lại, các chất phân cực nhất được rửa giải đầu tiên, khi tăng độ phân cực của pha động, thời gian lưu tăng lên. Ứng dụng: Phân tích dược phẩm, y học, môi trường,…. + Dược: Kháng sinh, các chất hiamr đau, an thần, steroid + Hóa sinh: Aminoaxit, protein, lipit, cacbohydrat, .. + Thực phẩm : Chất làm ngọt, chất phụ gia, chất chống oxy hóa, aflatoxin + Hóa công nghiệp : Hợp chất thơm, chất màu, hoạt động bề mặt + Môi trường : Các chất trừ sâu, thuốc diệt cỏ, dẫn chất phenol, PCB, PAH + Hóa pháp lý : Các chất độc, thuốc ngủ, rượu trong máu,.. + Y học lâm sàng : Các chất chuyển hóa trong cơ thể, dịch sinh học..
4
Bài 2. Sắc ký lớp mỏng (TLC) 1. Nguyên tắc TLC là phương pháp sắc kí tách hỗn hợp chất bằng cách cho pha động di chuyển qua pha tĩnh.Chất hấp phụ (pha tĩnh) được rải đều thành lớp mỏng trên tấm kính hoặc tấm kim loại. Trong quá trình chuyển động qua lớp chất hấp phụ, nhờ các quá trình hấp phụ và giải hấp được lặp đi lặp lại nhiều lần, do hệ số phân bố khác nhau các cấu tử di chuyển trên lớp mỏng theo hướng pha động với những tốc độ khác nhau. Từ đó thu được một sắc đồ trên lớp mỏng. 2. Pha tĩnh: Pha tĩnh của TLC là các hạt có kích thước 10-30µm được rải đều và kết dính thành lớp mỏng đồng nhất dày khoảng 250µm trên giá đỡ. Bản mỏng có kích thước khác nhau 5-20cm, có đưa thêm các chất phát huỳnh quang không tan vào pha tĩnh để phát hiện chất phân tích. 3. Pha động Pha động cho TLC thay đổi tùy thuộc vào cơ chế sắc ký. Để tăng cường sức rửa giải thường kết hợp 2 dung môi, nguyên lý chia tách dựa vào hệ số phân bố giữa 2 pha Yêu cầu: - Dung môi cần có độ tinh khiết cao -
Điều chỉnh sức rửa giải pha động dể Rf trong khoảng 0,2-0,8 đạt độ phân giải cực trị
-
Chất phân tích dạng ion hay phân cực được rửa giải tốt bằng dung môi phân cực
-
Khi dùng silicagel hoặc các chất hấp phụ khác, độ phân cực của pha động sẽ quyết định tốc độ di chuyển của chất phân tíchvà trị số Rf của chúng, nếu them 1ít dung môi ít phân cực vào dung môi không phân cực sẽ làm tăng trị số Rf
-
Sức rửa giải của dung môi trong sắc ký lỏng hấp phụ có thể sử dụng cho TLC với pha tĩnh là silica hoặc alumina
4. Kỹ thuật TLC - Chuẩn bị bản sắc kí - Đưa mẫu phân tích lên bản mỏng - Khai triển sắc ký với pha động phù hợp 5
- Phát hiện các vết trên sắc đồ - Thu nhận và xử lý số liệu thực nghiệm a) Chuẩn bị bản sắc kí Bản sắc kí được làm bằng cách trộn chất hấp phụ, như silicagel, với một lượng nhỏ chất trơ để kết dính, như calcium sulfate (thạch cao), và nước. Hỗn hợp này được trải ra như một lớp vữa đặc trên một bề mặt chất trơ, như thủy tinh, nhôm, hoặc nhựa. Bản sắc kí này sẽ được để khô và kích hoạt bằng cách nung nóng trong lò trong 30 phút ở nhiệt độ 110°C. Độ dày của lớp hấp phụ thường là 0,1-0,25 mm cho hóa học phân tích, và khoảng 1-2 mm cho sắc kí lớp mỏng điều chế. Trong mọi kĩ thuật sắc kí đều bao gồm 1 pha động và 1 pha tĩnh. b) Kỹ thuật Một vệt nhỏ dung dịch chứa mẫu thử được thấm lên bản sắc kí bằng một ống mao quản, khoảng 1 cm từ dưới lên. Bản sắc kí sau đó được nhúng vào một dung môi thích hợp và được đặt vào trong một vật chứa có nắp. Dung môi di chuyển lên bản sắc kí bởi mao dẫn, gặp phải mẫu phân tích và dịch chuyển các cấu tử của mẫu lên bản sắc kí. Các hợp chất khác nhau trong hỗn hợp mẫu thử dịch chuyển với tốc độ khác nhau do chúng có ái lực khác nhau đối với pha tĩnh, và độ tan khác nhau trong dung môi. Các hợp chất được tách ra dựa trên sự cạnh tranh của chất tan và pha động để có được chỗ liên kết với pha tĩnh. Thí dụ, nếu silicagel được dùng như pha tĩnh, nó được xem là phân cực. Cho trước 2 hợp chất có tính phân cực khác nhau, chất nào có tính phân cực lớn hơn sẽ có sự liên kết với silicagel lớn hơn và vì thế sẽ có khả năng đẩy pha động ra khỏi các chỗ liên kết. Do đó, hợp chất có tính phân cực nhỏ hơn sẽ di chuyển lên cao hơn trên bản sắc kí (kết quả là hệ số lưu Rf sẽ lớn hơn). Nếu pha động được thay bằng một dung môi phân cực hơn hoặc là một hỗn hợp các dung môi, nó sẽ có khả năng để đẩy các chất tan ra khỏi chỗ liên kết với silicagel, và tất cả các hợp chất trên bản sắc kí sẽ dịch chuyển lên cao hơn. Thay đổi độ phân cực của pha động sẽ không làm các hợp chất có thứ tự di chuyển ngược lại trên bản sắc kí. Nếu muốn có một thứ tự ngược lại trên bản sắc kí, một pha tĩnh không phân cực sẽ được sử dụng, như là C18 – biến tính silica. 6
Dung môi thích hợp dùng trong sắc kí lớp mỏng sẽ là một dung môi có tính phân cực khác với pha tĩnh. Nếu một dung môi phân cực được dùng để hòa tan mẫu thử trên một pha tĩnh phân cực, vệt nhỏ mẫu thử sẽ lan tròn do mao dẫn, và các vệt khác nhau có thể trộn lẫn vào nhau. Do đó, để hạn chế sự lan tròn của các vệt mẫu, dung môi được sử dụng để hòa tan mẫu thử phải không phân cực, hoặc phân cực một phần, nếu pha tĩnh phân cực, và ngược lại. c, Khai triển sắc ký Thiết bị triển khai TLC thường là bình thủy tinh có nắp đậy kín, kích thước phù hợp với bản mỉng. Để tăng độ bão hòa của dung môi pha động trong bình, người ta đặt 1 tờ giấy lọc áp sát thành bình. Sau khi chấm mẫu sắc ký, bản đã khô được cho vào bình sắc ký đã bão hòa pha động. Mép dưới bản mỏng được nhúng vào pha động , vết chấm cách bề mặt pha động khoảng 1cm Có 3cách khai triển chủ yếu: - Sắc ký lên - Sắc ký ngang - Sắc ký 2 chiều c, Phát hiện chất phân tích - Nếu chất cần tách tạo với dung môi sắc kí phức chất có màu thì dễ dàng phát hiện vết của chất đó. - Nếu chất đó không màu thì ta phát hiện vệt sắc kí của chúng bằng cách phun dung dịch thuốc hiện thích hợp với từng chất lên bề mặt lớp mỏng. - Nếu các vết chất không tạo màu với chất phát huỳnh quang (đặc biệt với những chất trong phân tử của nó có chứa nguyên tử nitơ) thì ta có thể phát hiện màu của chúng bằng cách soi bản lên ánh sáng đèn tử ngoại để thu được sắc đồ. Soi dưới đèn UV, dùng thiết bị densitometer
5. Các đại lượng đặc trưng của TLC a, Thời gian lưu(t):
7
tM =
dR u
dM u
tR =
Trong đó: tM và tR là thời gian tương ứng để pha động và chất tan di chuyển được một quãng đường là dR u: tốc độ thẳng của pha động b, Hệ số dung lượng( k’): k'=
dM − dR dR
c, Hệ số di chuyển Rf Đa số các quá trình TLC theo cơ chế phân bố, giá trị Rf trong trường hợp lý tưởng được tính theo biểu thức sau:
1 = 1 + Kα Rf Trong đó, K là hệ số phân bố chất giữa hai pha, α là tử số thể tích của pha tĩnh và pha động.
Tuyến dung môi
II X
I
X2 X1
Tuyến xuất phát Hỗn hợp chất phân tích
Thực tế cho thấy, có thể phân chia được 2 chất I và II nếu RfI – RfII ≥ 0,1 (với RfI 8
= X1/X; RfII = X2/X). Vì việc ổn định giá trị Rf nhiều khi gặp khó khăn về mặt kỹ thuật nên có cách khác để xác định vị trí vệt trên sắc đồ: so sánh vị trí của chất cần định phân với vị trí của chất chuẩn (chất đối chứng) cũng được xác định trong cùng một điều kiện, nghĩa là trên cùng một bản mỏng. Rr =
Đoạn đường chất định phân đi được
Rf chất định phân
=
Rf chất chuẩn
Đoạn đường chất chuẩn đi được
Giá trị Rr có thể lớn hơn hoặc bé hơn đơn vị. Cần chọn chất chuẩn thế nào để giá trị Rr càng gần 1 càng tốt vì lúc đó các điều kiện sắc kí có thể coi hoàn toàn đồng nhất. d, Hệ số phân chia Đế đặc trưng cho khả năng phân chia có thể dùng hệ số phân chia
1
K1 S=
K2
RfI
=
- 1
1 RfII
= - 1
(1 - RfI) . RfII (1 – RfII) . RfI
Nếu S = 1 tức là K1 = K2 thì sự phân chia của hai chất này trên lớp mỏng là như nhau dẫn đến không tách chúng ra khỏi nhau được, khi đó phải thay đổi thành phần hệ dung môi hay thay hệ dung môi khác. Khi đó nếu hai chất vẫn chưa tách ra khỏi nhau thì thay bằng chất hấp phụ khác. Nếu S ≠ 1 tức K1 ≠ K2 thì có thể tách chất I ra khỏi chất II. e, Chiều cao đĩa H Số đĩa lý thuyết là: N d N = R W
2
W: đường kính của vết sắc ký H=
dR W 2 = N 16d R
6. Cơ chế của sắc kí lớp mỏng 9
Quá trình sắc kí lớp mỏng có thể thực hiện theo nhiều cơ chế khác nhau: - Cơ chế hấp phụ (chất rắn có ái lực lớn làm pha tĩnh). - Cơ chế phân bố (chiết: pha tĩnh là một chất rắn tẩm một dung môi nào đó thường là dung môi hữu cơ không trộn lẫn với nước và pha động với dung môi là nước). - Cơ chế trao đổi ion (lớp mỏng được điều chế từ ionit nghiền mịn) - Cơ chế rây phân tử (sự phân chia do các chất với phân tử lượng nhỏ, kích thước khác nhau chui qua các lỗ rây của một số chất cao phân tử có cấu trúc đặc biệt). Trong thực tế thường có sự phối hợp cả 4 phương pháp trên 7. Ưu - nhược điểm của phương pháp ● Ưu điểm TLC là một trong những phương pháp đơn giản nhất so với tất cả các phương pháp sắc kí khác. Phương pháp TLC có ưu điểm là giải quyết vấn đề rất nhanh, rất tốt và có độ nhạy cao, thiết bị đơn giản, do đó nó được sử dụng nhiều trong nghiên cứu. Phát hiện được tát cả các chất kể cả những chất không du chuyển theo pha dộng (nằm ở điểm xuất phát) Có thể thực hiện sắc ký đồng thời 10-20 mẫu hoặc hơn, so sánh trực tiếp mẫu thử với mẫu chuẩn. TLC không chỉ được dùng để tách các chất hữu cơ mà nó còn được ứng dụng để tách các chất vô cơ, các cation và các anion. ● Nhược điểm: Áp lượng kém cho phân tích vi lượng Độ lặp lại thấp do thành phần pha động thay đổi trong quá trình khai triển sắc kí Tăng giãn rộng píc do khuyếch tán vì tốc độ dòng pha động thấp Sắc ký đồ của Hg2+ và Ni2+
10
Bài 3. Sắc ký cột 1. Sắc ký hấp phụ lỏng 1.1.
Nguyên tắc:
+ Là quá trình tách do sự khả năng hấp phụ khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp cần tách ( mẫu phân tích) với chất hấp phụ + Khi pha tĩnh phân cực sẽ ưu tiên hấp phụ cấu tử phân cực hơn các cấu tử không phân cực + Khi pha tĩnh và cấu tử đều phân cực, cấu tử sẽ bị hấp phụ trong dung môi không phân cực mạnh hơn trong dung môi phân cực * Các loại lực hấp phụ: Lực Vanderwaals: Lực vật lý Hấp phụ hóa học: Hình thành lien kết hóa học Liên kết hidro: Hình thành liên kết hidro 1.2.
Các cách hình thành sắc đồ
+ Phương pháp tiền lưu ( ít dùng) + Phương pháp đẩy + Phương pháp rửa giải (thường dùng) 1.3.
Chọn hệ sắc ký hấp phụ
1.3.1. Chọn chất hấp phụ ( pha tĩnh) • Yêu cầu + Không tương tác hóa học với chất càn tách, không có hoạt tính xúc tác + Tính chọn lọc cao, tức là có ái lực hấp phụ với các cấu tử trong mẫu khác nhau nhiều càng tốt + Diện tích bề mặt riêng và kích thước hạt phải phù hợp. Ví dụ khi Rf lớn có thể dùng cỡ hạt thô và ngước lại + Độ ổn định cao nhằm thu được kết quả trùng lặp Các chất hấp phụ thường gặp: Silicagel ( SiO2.xH2O) , nhôm oxit (Al2O3 ), than hoạt tính, điatonit,… 1.3.2. Chọn dung môi ( pha động) – pp rửa giải • Yêu cầu 11
+ Hòa tan tương đối tốt tất cả các cấu tử trong mẫu + Bị hấp phụ tối thiểu trên pha tĩnh + Không phản ứng hóa học với cấu tử trong mẫu và chất hấp phụ + Độ tinh khiết của dung môi Thông thường rửa liên tiếp bằng các dung môi có khả năng giải hấp cấu tử phân tích tăng dần Có thể chọn dung môi theo dãy elutrop sau
1.4.
Cột sắc ký
12
+ Vật liệu làm cột: Thuỷ tinh, thép , nhôm, đồng, nhựa,… + Cột không quá ngắn, không quá dài, thông thường chiều dài gấp 40 – 100 lần + Dùng phương pháp đi lên hoặc đi xuống để tách, có hoặc không có tạo áp suất chân không, áp suất cao.
1.5.
Lấy mẫu và phân tích mẫu + Phân tích trực tiếp các lớp trên cột + Phân tích dung dịch chảy ra khỏi cột: Đo chỉ số khúc xạ, mật độ quang, độ dẫn điện, độ phóng xạ,…
2. Sắc ký rây phân tử ( gel) 2.1.
Nguyên tắc
+ Dựa vào khả năng thẩm thấu của các phân tử chất tan vòa trong khung gel hoặc chiu vào lỗ của các rây phân tử + Mức độ xâm nhập của các phân tử chất tan phụ thuộc vào kích thước và cấu hình của chúng 2.2.
Pha tĩnh
+ Rây vô cơ: Silicagen xốp, thủy tinh xốp, zeolite… + Rây hữu cơ: Polivinyl axetat, polistirol, dextran mạng, ankyl hóa…
13
Yêu cầu + Có khả năng tách được các chất có trọng lượng phân tử trong vùng cần phân tích. Có tính ổn định, độ bền cơ học tốt, bền nhiệt, độ trương nhỏ + Cần làm mất khả năng hấp phụ pha tĩnh bằng cách xử lý hóa học hoặc hấp phụ bằng dung môi phân cực 2.3.
Pha động
Việc chọn dung môi chủ yếu phụ thuộc vào tính tan của hỗn hợp tách và loại detecter sử dụng 2.4.
Cột sắc ký
3. Sắc ký trao đổi ion 3.1.
Nguyên tắc và phân loại ionit
3.1.1. Nguyên tắc: + Sắc ký trao đổi ion dựa vào lực hút của ion chất tan và vị trí mang điện tích trên pha tĩnh. Nhóm mang điện tích dương trên pha tĩnh hút anion chất tan, nhóm mang điện tích âm hút cation chất tan + Ionit: Chất trao đổi cation và chất trao đổi anion là polymer không tan trong nước mang các nhóm trao đổi ion được gọi là chất trao đổi ion hoặc nhựa trao đổi ion (ionit).
14
Ionit là các đại phân tử axit hoặc bazo không tan trong nước và các dung môi hữu cơ, chứa trên mạng lưới những ion linh động có khả năng trao đổi theo đương lượng và thuận nghịch với các ion cùng dấu trong dung dịch chất điện ly 3.1.2. Phân loại ionit: Nhựa trao đổi ion ( ionit) là vật liệu polymer có chứa các nhóm ion + Khi ion trao đổi mang điện tích dương gọi là cationit: HR, NaR, CaR2 , MgR2,.. Nhựa cationit : Loại axit mạnh mang nhóm acid sulfonic (RSO3-H+), loại yếu mang nhóm acid carboxylic (R-COOH) + Khi ion trao đổi mang điện tích âm gọi là anionit : ROH, RCl, R2CO3, R2SO4.. Nhựa anionit: Có nhóm bazơ amin liên kết với phân tử polymer. Chất trao đổi bazơ mạnh có nhóm amin bậc bốn RN(CH3)3+OH- , dạng bazơ yếu có nhóm amin bậc hai hoặc bậc 3 + Ionit lưỡng tính : Có khả năng trao đổi cả khả năng trao đổi cả ion dương và âm cùng một lúc + Ionit vô cơ thiên nhiên ( zeolit, đất sét, gluconit) , ionit vô cơ tổng hợp ( nhóm permutit, nhóm zeolit) + Ionit hữu cơ thiên nhiên (xelulo, than bùn, than nâu,..), ionit hữu cơ tổng hợp ( ở cationit: -SO3H, -SO3Na, ở anionit : - NH2, =NH, ≡N..) Cấu tạo : + Nguyên liệu chế tạo nhựa trao đổi ion: Copolymer styrene và divinylbenzen Divinylbenzen là cầu nối, lien kết ngang giữa các mạch thẳng polymer. Hàm lượng của nó thay đổi trong khoảng 1-16%. Vòng benzen có gắn các nhóm chức khác nhau sẽ biến copolymer thành chất trao đổi anion hoặc cation. (Bảng thống kê một số nhóm hoạt động của nhựa trao đổi ion ( SGT )) 3.1.3. Cơ chế trao đổi ion Mạng lưới của ionit là mạng không gian cao phân tử không đồng đều của các mạch liên kết hidrocacbon. Khả năng trao đổi ion của ionit phụ thuộc rất lớn vào mạng lưới cấu trúc của ionit : Mức liên kết ngang, số lượng và bản chất các nhóm chức.
15
Ví dụ : Tính ưa nước của của ionit được quyết định bởi cấu trúc của nó, khả năng trương trong nước cho phép các ion từ dung dịch khuếch tan nhiều hay ít bên trong mạng lưới Khi ngâm nhựa vào nước, nhựa trương nở, các nhóm chứa ion trở nên linh động hơn và có thể bị phân li 1 phần, các phản ứng trao đổi xảy ra giữa các ion pha tĩnh và các ion trong dung dịch, 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 phức tạp 3.2.
Độ lựa chọn và các yếu tố ảnh hưởng
+ Độ lựa chọn biểu thị ái lực của ion này so với ion khác đối với ionit AR + B+ ↔ BR + A+ 2AR + B2+ ↔ BR2 + 2A+ Độ lựa chọn được biểu thị qua hệ số lựa chọn K Dựa trên phản ứng trao đổi thuận nghịch giữa các ion trong dung dịch chất nghiên cứu với các ion gắn trên cột. Khảo sát nhựa R-Li+ trao đổi cation với Na+ R-Li+
+
Na+
↔
R-Na+
+
Li+
Áp dụng định luật tác dụng khối lượng:
K=
[R [R
−
][ ] ][ ]
Na + Li + − Li + Na +
K được gọi là hệ số lựa chọn , đánh giá tính chọn lọc tương đối của nhựa trao đổi cation với Li+. Thứ tự ưu tiên khi trao đổi Đối với nhựa cationit axit mạnh : Fe3+ > Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > H+ > Li+ Đối với nhựa cationit axit yếu:
16
H+ > Fe3+ > Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+ > Li+ Đối với nhựa anionit kiềm mạnh và nhựa anionit kiềm yếu Ở hàm lượng ion thấp nhiệt độ bình thường và những ion cùng hóa trị , khả năng trao đổi tăng khi số điện tử cỉu ion trao đổi lớn ( bán kính hydrat hóa lớn) Ở hàm lượng ion cao, khả năng trao đổi của các ion không khác nhau nhiều + Độ lựa chọn phụ thuộc : Cường độ axit, bazo của nhóm chức, lực ion, nồng độ dung dịch chất điện ly, tính chất của ion bị hấp phụ, nhiệt độ, áp suất,… 3.3.
Tốc độ trao đổi ion
Ví dụ : LiR + Na+ ↔ NaR + Li+ Quá trình diễn ra gồm các giai đoạn sau : Na+ khuêch tán từ dung dịch qua màng lỏng đến bề mặt hạt ionit Na+ khuếch tán vào bên trong mạng lưới ionit Phản ứng trao đổi giữa Na+ với Li+ Li+ được giải phóng khuếch tán tới bề mặt hạt ionit Li+ từ bề mặt ionit khuếch tán qua màng lỏng vào dung dịch Nồng độ dung dịch quyết định tốc độ khuếch tán của mỗi giai đoạn + Dung dịch 0,001N – 0,01N : Giai đoạn khuếch tán qua màng lỏng chậm nhất + Dung dịch 0,01N – 0,1N : Tốc độ khuếch tán qua màng lỏng và khuếch tán trong mạng lưới đều chậm + Dung dịch 0,1N khuếch tán trong mạng lưới chậm nhất d. Các bước của 1 quá trình sắc kí trao đổi ion
17
Các bước của quá trình của sắc ký trao đổi ion 1. Hoạt hoá cột sắc ký • Làm ướt vật liệu nhồi • Loại không khí trong các khoảng trống trong lớp chất của cột • Không được để chất trong cột bị khô 2. Mẫu ( chất phân tích) được chảy qua cột • Chất phân tích được đưa lên cột • Một vài thành phần ảnh hưởng khác cũng có thể bị giữ lại • Các thành phần không tương tác bị loại ra làm sạch chất phân tích 3. Loại bỏ các chất gây ảnh hưởng ra khỏi cột • Giữ lại chất phân tích • Nếu mẫu là dung dịch nước, sử dụng dung dịch đệm hoặc hỗn hợp nướcdung môi hữu cơ • Nếu mẫu hoà tan trong dung môi hữu cơ thì khi rửa cột có thể sử dụng chính dung môi đó 4. Giải hấp chất phân tích bằng dung môi thích hợp • Dung môi được chọn đặc trưng để phá vỡ tương tác giữa chất phân tích và chất hấp phụ với mục đích rửa giải được chất phân tích với hiệu quả cao
18
• Dung môi sử dụng rửa giải đồng thời càng ít chất gây ảnh hưởng tới phép phân tích càng tốt. d. Ứng dụng của nhựa trao đổi ion - Tinh chế nguyên liệu loại tạp chất - Tăng nồng độ các thành phần vi lượng trong dung dịch đủ để phân tích - Áp dụng cho sắc ký Quá trình trao đổi ion
Bí mật thực sự ẩn sau Gorilla Glass là một quy trình hóa học gọi là "trao đổi ion". Kính aluminosilicate ngay từ đầu đã chứa rất nhiều ion natri. Corning sẽ nhúng những tấm kính này vào bồn chứa ion Kali. Nếu nhìn vào bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, bạn sẽ thấy Natri đứng ngay trên Kali trong nhóm IA, nhóm những kim loại phản ứng rất mạnh với các chất hóa học. Natri đứng ở hàng cao hơn Kali trong bảng tuần hoàn, nghĩa là một nguyên tử Natri nhỏ hơn một nguyên tử Kali. Bạn có thể cho rằng kích thước nguyên tử không quan trọng, nhưng thực tế thì hoàn toàn ngược lại. Nếu có thể thay thế những ion natri trong kính aluminosilicate bằng ion kali, tấm kính sẽ được nén lại. Hãy tưởng tượng chúng ta có một tấm lưới. Mỗi một mắt lưới sẽ được gắn một quả bóng golf. Khi đó tấm lưới vẫn còn khá linh hoạt. Giờ hãy tưởng tượng chúng ta thay toàn bộ số bóng golf đó bằng bóng tennis. Bạn sẽ thấy tấm lưới giờ đã chắc chắn hơn rất nhiều. Đó là những gì xảy ra với tấm kính trong quá trình trao đổi ion. Vậy thì quá trình đó diễn ra như thế nào? Để thay thế Natri bằng Kali, đầu tiên ta phải bẻ gãy các liên kết của Natri với tấm kính. Đó là lý do tại sao bồn chứa Kali phải cực nóng, Corning cho biết nhiệt độ của bồn phải đạt tới 400oC. Ở nhiệt độ này, các liên kết giữa Natri với kính aluminosilicate sẽ bị bẻ gãy hoàn toàn. Nhưng vì Kali có khối lượng nguyên tử nặng hơn Natri, do đó nó vẫn có thể duy trì liên kết ion với tấm kính ở nhiệt độ cao. Sau khi trải qua quá trình "tắm nóng", tấm kính aluminosilicate giờ đã chứa đầy ion kali. Sức nén đã tạo ra một lớp bảo vệ trên bề mặt kính và cho nó sức mạnh mà những loại kính khác không có.
19
KẾ HOẠCH BÀI GIẢNG I/ HÀNH CHÍNH: 1. Tên môn học: Hóa học phân tích 2 2. Địa điểm: Giảng đường 3. Tên bài giảng: Kỹ thuật sắc ký 4. Đối tượng: SV hệ liên thông Dược - Trường Đại học Y Dược 5. Thời gian: 200 phút 6. Người soạn: II/ MỤC TIÊU BÀI GIẢNG: (10’) -
Giới thiệu được nguyên tắc động và phân loại các kỹ thuật sắc ký
- Trình bày được kỹ thuật sức ký trao đổi ion và sắc ký bản mỏng -
Trình bày ứng dụng của kỹ thuật sắc ký trong phân tích định tính và định lượng
III/ KẾ HOẠCH BÀI GIẢNG Nội dung
Thời gian
Phương pháp
Phương tiện,
Hoạt động
dụng cụ dạy học
của sinh viên
ĐẠI CƯƠNG VỀ SẮC KÝ 1. Sắc ký bản mỏng
50’
2. Sắc ký trao đổi ion
50’
4. Một số kỹ thuật khác ( hấp phụ, rây phân tử, phân
50’
bố ) 3. Sắc ký hấp phụ pha thuận – pha đảo 5. Ứng dụng
30’ 20’
Thuyết trình, phát
Bảng, phấn , tài
Nghe, ghi,
vấn
liệu, sách
chép, trả lời
Thuyết trình
câu hỏi
và phát vấn Thuyết trình và phát vấn Thuyết trình, phát vấn Thuyết trình, phát vấn, xem video
20
A. CÂU HỎI PHÁT VẤN Câu 1: Quá trinh hòa tan 2 chất vào nhau phải thỏa mãn điều kiện gì? Câu 2: 2 chất A và B được rửa giải trên cột, A hòa tan trong pha động tốt hơn B, A bị lưu giữ trên cột ngắn hơn. Chất nào sẽ đi ra trước? Câu 3: Trình bày đặc điểm của một số loại liên kết: Liên kết ion, liên kết phân cực, liên kết hidro, liên kết Vandervan Câu 4: Cách chọn dung môi trong chạy sắc ký? Câu 5: Thế nào là phương pháp đường chuẩn? Kỹ thuật đường chuẩn và thêm chuẩn? B. CÂU HỎI LƯỢNG GIÁ Câu 1: Nêu nguyên tắc hoạt động và phân loại các kỹ thuật sắc ký cột? Câu 2: Trình bày kỹ thuật triển khai sắc ký bản mỏng? Câu 3: Giải thích và viết phương trình tính toán các thông số đặc trưng của sắc ký bản mỏng : tR, to, tR’ . k’, α ? Câu 4: Trình bày các bước của sắc ký trao đổi ion? Câu 5: Ứng dụng của các loại sắc ký cột trong phân tíchy dược học? C. BÀI TẬP Bài 1: Hai chất A và B có thời gian lưu tương ứng là 15,50 phút và 19,15 phút. Chất không lưu giữ qua cột là 1,00 phút. Bề rộng chân pic cho A là 0,98. cho B là 1,20 phút, chiều dài của cột là 30,0cm. Tính a, Độ phân giải của cột b, Số đĩa lý thuyết trung bình của cột và chiều cao mỗi đĩa c, Xác định chiều dài của cột để đạt độ phân giải là 1,5 Bài 2: Cho thời gian lưu khi sắc ký hỗn hợp sau : Dung môi 15 giây, A là
2,00 phút ; B là
2,50 phút, C là 5,18 phút. Bề rộng 3 pic của chất lần lượt là : 0,20 ; 0,25 và 0,52 phút. Tính : a, Xác định hệ số dung lượng k’ của mỗi chất ; Hệ số tách α cho 2 cặp chất cạnh nhau 21
b, Số đĩa lý thuyết trung bình N và chiều cao trung bình của đĩa lý thuyết H c, Tính độ phân giải Rs cho mỗi cặp cạnh nhau D. TÀI LIỆU HỌC TẬP Hóa học phân tích – tập 2 – Sách đào tạo dược sĩ đại học E. TÀI LIỆU THAM KHẢO Hóa phân tích – Trường Đại học khoa học Tự Nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Hóa phân tích – Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Bài giảng hóa học phân tích bản dịch của Lê Nhất Tâm- Đại học Công nghiêp TP HCM Và một số hình ảnh, trang wed khác http://www.youtube.com/watch?v=EytuRMS1154 ( sắc ký cột) http://www.youtube.com/watch?v=rbp_Qc4jMAc (bản mỏng 4phút) http://www.youtube.com/watch?v=BAIAgJrDbZo ( ảnh hưởng của dung môi) http://www.youtube.com/watch?v=q3fMqgT1do8 Nguyên lý của sắc ký trao đổi ion http://www.youtube.com/watch?v=oV5VB5kO3tQ Nguyên lỹ của sắc ký gel http://www.youtube.com/watch?v=v6SPK6ZovgA hychophobic interaction http://www.youtube.com/watch?v=FUAQKjKT99Y still affinity http://www.youtube.com/watch?v=djIzXvwIz5U Phân biệt hấp phụ và hấp thụ Bài giảng nhựa trao đổi ion: ts Le minh Đức. Đại học công nghệ đà nẵng
22