TÌM HIỂU NGUYÊN TẮC ỨNG DỤNG CỦA SẮC KÝ LỎNG & SẮC KÝ TRAO ĐỔI ION

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM Khoa Công Nghệ Hóa học TIỂU LUẬN MÔN

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SẮC KÍ - Nhóm 1 –

ĐỀ TÀI: Tìm hiểu nguyên tắc và ứng dụng của

sắc kí lỏng GVHD: Trần Nguyễn An Sa SVTH: 1. Hoàng Thị Kiều Trang - 10075381 2. Phạm Thanh Trúc

- 10043261

3. Trần Hồng Lam Vi

- 10049711

Mã HP: 210416401

NỘI DUNG 1. Cơ sở lý thuyết chung của sắc ký lỏng 1.1. Khái quát về sắc ký lỏng 1.2. Nguyên lý của phương pháp 1.3. Ưu – nhược điểm 2. Phân loại và ứng dụng 2.1 Cơ sở và phân loại 2.2. Một số hệ thống sắc ký lỏng và ứng dụng

1. Cơ sở lý thuyết chung của sắc ký lỏng 1.1 Khái quát về sắc kí lỏng

Là phương pháp tách dựa trên sự phân bố khác nhau của chất cần phân tích trên pha động và pha tĩnh. Sắc ký lỏng dùng để phân tích các chất có khối lượng phân tử lớn, ít bay hơi và kém bền nhiệt •

Pha động (lỏng) : hòa tan và di chuyển chất phân tích

•

Pha tĩnh (rắn, lỏng) : giữ chất phân tích

1. Cơ sở lý thuyết chung của sắc ký lỏng 1.2. Nguyên lý của phương pháp 1.2.1. Nguyên lý Dựa vào ái lực khác nhau giữa các chất cần xác định với pha tĩnh và pha động mà chúng được tách nhau ra nhờ thay đổi độ phân cực của dung môi pha động cùng với cột tách thích hợp.

Việc định lượng được thực hiện bằng phương pháp ngoại chuẩn ( so sánh mẫu với mẫu thêm chuẩn đã biết hàm lượng trong cùng điểu kiện phân tích ).

Sự vận chuyển và phân bố liên tục của chất phân tích đối với 2 pha từ đầu đến cuối cột theo 1 vận tốc nhất định hay gradient .

Hiệu quả của quá trình này phụ thuộc rất nhiều vào tương tác của chất cần phân tích đối với pha động và pha tĩnh.

1.2.2.Các thông số cơ bản của phương pháp sắc ký

1.2.2.Các thông số cơ bản của phương pháp sắc ký

1.2.2.Các thông số cơ bản của phương pháp sắc ký

1.2.2.Các thông số cơ bản của phương pháp sắc ký

1.2.2.Các thông số cơ bản của phương pháp sắc ký

1.2.3.Các bộ phận cơ bản của một máy sắc ký lỏng Hình :Các bộ phận cơ bản của một máy sắc ký lỏng

1.2.3.Các bộ phận cơ bản của một máy sắc ký lỏng •

Solvent reaervoir : bình chứa pha động

•

Pump (bơm): bơm pha động vào cột tách, điều khiển tốc độ dòng, áp suất của pha động.

•

Syringe : ống tiêm

•

Sample injector: bộ phận tiêm mẫu

•

Column (cột tách) : cột chứa pha tĩnh (quyết định quá trình tách sắc ký)

•

Director (đầu dò): phát hiện chất phân tích (định tính, định lượng).

•

Data recording syterm (hệ thống ghi nhận và xử lý): thu thập và xử lý kết quả.

1.3. Ưu – Nhược điểm Ưu điểm Có khả năng và định lượng đồng thời các chất có độ phân cực gần nhau

Đầu dò hiệu năng cao, độ nhạy cao

Hữu hiệu trong định lượng các hợp chất hữu cơ có nhiệt thủy phân thấp

1.3. Ưu – Nhược điểm Nhược điểm Thời gian làm sạch và ổn định cột sau các lần chạy lâu

Thiết bị đắt tiền

Tốn nhiều dung môi hữu cơ

2. Phân loại và ứng dụng 2.1. Cơ sở và phân loại Dựa vào bản chất của quá trình sắc kí:

Sắc ký phân bố

Sắc ký pha thường

Sắc ký pha đảo

Sắc ký trao đổi ion

Sắc ký ghép cặp ion

Dựa vào cơ chế tách thành phần của mẫu

Tách hóa học

Tách vật lý

2. Phân loại và ứng dụng 2.1. Cơ sở và phân loại Dựa vào trạng thái pha tĩnh

Pha động: lỏng

Sắc ký lỏng – lỏng

Pha tĩnh: lỏng

(LLC)

Pha động: lỏng

Sắc ký lỏng – rắn

Pha tĩnh: rắn

(LSC)

2. Phân loại và ứng dụng 2.2. Một số hệ thống sắc ký lỏng và ứng dụng Hệ thống sác ký lỏng hiệu năng cao (HPLC –High Performance Liquid Chromatography ) Hệ thống sắc ký lỏng ghép phổ đầu dò bẫy ion

Hệ thống sắc ký lỏng ghép khối phổ AB QTRAP 40000

Hệ thống sắc ký lỏng ghép khối phổ đầu dò 3 tứ cực

2.2.1.Hệ thống sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC – High Performance Liquid Chromatography ) Sơ lược về hệ thống Hình: Sơ đồ hệ thống HPLC

Hình: Hệ thống HPLC 10A

Hình: Hệ thống HPLC 20A

Ứng dụng

Phân tích đa lượng vitamin, kháng sinh, kháng khuẩn, chất bảo quản phụ gia thực phẩm, các loại đường,… trong thực phẩm, dược liệu, hóa chất, phân bón, thức ăn gia súc,…

Phân tích vi lượng các vitamin trong trái cây, sữa, bánh kẹo, nước, thủy hải sản.

Phân tích các hoạt chất, tạp chất trong dược phẩm theo các dược điển BP, USP, EP, JP,…

Phân tích các acid hữu cơ.

Đặc biệt, hệ thống HPLC với đầu dò huỳnh quang có độ nhạy và tính chọn lọc cao có thể phân tích các độc tố Mycotoxin trong thực phẩm, nguyên liệu chế biến và thức ăn gia súc như Aflatoxin, Orchatoxin, Zearalenone,…

2.2.2.Hệ thống sắc ký lỏng ghép khối phổ đầu dò bẫy ion Sơ lược về hệ thống

Hệ thống HPLC-MS Thermo Finnigan LCQ MS bao gồm bộ bơm mẫu tự động (spectra system AS3000), bơm P4000 gradient pump (spectra system P4000), bộ loại khí chân không và đầu dò bẫy ion LCQ MSg:

Sơ đồ quá trình phân tích LCQ MS

Sơ đồ đầu dò Thermo Finnigan LCQ MS

Hình: Hệ thống sắc ký lỏng ghép khối phổ đầu dò bẫy ion (Ion trap) Thermo Finnigan LCQ MS

Ứng dụng

Phân tích dư lượng kháng sinh trong thủy hải sản phục vụ công tác vệ sinh an toàn thực phẩm đối với sản phẩm xuất khẩu.

Phân tích kháng sinh trong thực phẩm, thức ăn gia súc, mẫu môi trường,…

Dư lượng thuốc trừ sâu trong nông sản, thực phẩm, rau củ, đất, nước,…

Phân tích các hoomone tăng trưởng trong thức ăn gia súc, thực phẩm chế biến, và các sản phẩm khác có nguồn gốc nội địa và xuất khẩu.

Phân tích các độc tố gây ngộ độc cấp tính và mãn tính trong một số loại thực phẩm.

2.2.3.Hệ thống sắc ký lỏng ghép khối phổ AB QTRAP 4000 Sơ lược về hệ thống Thiết bị QTRAP 4000 là một đầu dò khối phổ. Đây là đầu dò khối phổ lai ghép giữa ba tứ cực (triple quadrupole) và bẫy ion dạng thẳng (linear ion trap) nhằm kết hợp các ưu điểm của hai loại đầu dò trong kỹ thuật khối phổ.

Ứng dụng

Phân tích định lượng các hợp chất hữu cơ có khối lượng phân tử nhỏ.

Phân tích định tính các hợp chất hữu cơ có khối lượng phân tử nhỏ.

Phân tích định lượng proteins và peptides.

2.2.4.Hệ thống sắc ký lỏng ghép khối phổ đầu dò 3 tứ cực Sơ lược về hệ thống Hệ thống sắc ký lỏng ghép khối phổ đầu dò 3 tứ cực (Agilent 6410 Triple quad LC/MS/MS) bao gồm hệ thống sắc ký lỏng hiệu năng cao LC1200 (thiết bị bơm mẫu tự động - HiP-ALS kèm bộ phận điều chỉnh nhiệt độ - FC/ALS, bơm áp suất cao Binary SL, bộ phận loại khí - degasser, cột phân tích) và đầu dò khối phổ.

Hình: Cấu tạo đầu dò khổi phổ Triple Quad Agilent

Hình: Hệ thống Agilent 6410 Triple quad LC/MS/MS

Ứng dụng

Phân tích được các chỉ tiêu ở hàm lượng siêu vết (ppb/ppt)

Phân tích dư lượng các loại kháng sinh thuộc nhóm A trong thủy hải sản, thức ăn thủy sản, thực phẩm, môi trường…

Các loại vitamin trong thực phẩm, đặc biệt trong các nền mẫu phức tạp, có hàm lượng thấp như sữa, mì gói,…

Dư lượng thuốc trừ sâu nhóm Carbamate, diệt cỏ, diệt nấm trong nông, thủy hải sản, thức ăn gia súc,…

Hóc

môn

tăng

trưởng

(họ

β-Agonist,

Salbutamol…) trong thịt gia súc, thủy hải sản,…

Clenbuterol,

Tài liệu tham khảo

David Havy , Modern Analytical Chemistry , The McGrow-Hill companies, 2000, 546-547

http://www.case.vn/vi-VN/87/88/117/details.case

http://www.case.vn/vi-VN/87/88/66/details.case

http://www.case.vn/vi-VN/87/88/120/details.case

http://www.case.vn/vi-VN/87/88/129/details.case

http://tailieu.vn/view-document/sac-kylong.216527.html?lang=en

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Tiểu luận môn

PHÂN TÍCH SẮC KÝ Chủ đề 7A:

Tìm hiểu nguyên tắc, ứng dụng sắc ký trao đổi ion GVGD: TS. Trần Nguyễn An Sa Lớp:

DHPT6

Nhóm thực hiện: Phạm Băng Thủy 10244211 Trần Nguyên Thái 10048021 Nguyễn Văn Trí

1 10075391

Nội dung tiểu luận 1.Định nghĩa sắc ký trao đổi ion 2.Nhựa trao đổi ion 3.Nguyên tắc sắc ký trao đổi ion 4.Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình trao đổi ion 5.Kỹ thuật tách sắc ký trao đổi ion 6.Các ứng dụng sắc ký trao đổi ion 6.1.Ứng dụng tách các ion Ví dụ ứng dụng trong xử lý làm mềm nước 6.2.Ứng dụng chế tạo màng trao đổi ion.

Ví dụ công nghệ sản xuất muối ăn bằng phương pháp điện thẩm 6.3. Ứng dụng tách protein

2

SẮC KÝ 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, do các ion được phân tách trong dung dịch có ái lực khác nhau với các trung tâm trao đổi ion trên chất rắn là pha cố định. Các chất đó gọi là các chất trao đổi ion mà thông thường nhất là các nhựa trao đổi ion.

Dựa vào pha tĩnh là chất lỏng thì sắc ký trao đổi ion là một phần của sắc ký lỏng. Nhưng dựa vào bản chất thì không phải là một phần của sắc ký lỏng

3

Hình ảnh minh họa sắc ký trao đổi ion

4

Nhựa trao đổi ion

Nhựa trao đổi ion được cấu tạo từ polymer (nền, đóng vai trò chất mang) gắn với nhóm chất trao đổi ion.

Tùy thuộc dấu các nhóm chức mà có các ionit khác nhau: Cationit là những ionit có khả năng trao đổi cation như Na+ ,Ca 2+ Anionit là những ionit có khả năng trao đổi anion như Cl- ,SO4-

5

ĐẶC TÍNH NHỰA TRAO ĐỔI ION Dung lượng trao đổi

Nhựa trao đổi ion Tính trương của nhựa

Tính chọn lọc

6

DUNG LƯỢNG TRAO ĐỔI ION

Dung lượng trao đổi ion có thể sắp xỉ bằng số nhóm chứa của bộ khung và mức độ ion hóa của nhóm chức PH xác định

Thường được biểu diễn bằng số milimol đương lượng cho một gam nhựa khô dạng H+ hoặc Cl-,OH-

7

TÍNH TRƯƠNG CỦA NHỰA

Khi cho các ionit

Độ trương của nhựa

tiếp xúc với nước

phụ thuộc vào bản

chúng sẽ trương

chức các nhóm chứa

lên do ngậm các

trong bộ khung

phân tử nước vào lỗ xốp nhựa

8

TÍNH CHỌN LỌC

Tính chọn lọc của nhựa trao đổi ion biểu hiện ở ái lực của nhựa với các ion nhựa có thể trao đổi với ion này dễ hơn ion kia.

9

Đặc tính của một số loại nhựa trao đổi ion Loại nhựa

Nhóm chức

Đặc tính

Loại nhựa trao đổi cation axit mạnh

-SO3-

Có khả năng trao đổi cation trong khoảng pH rộng. Phục hồi dạng H+ bằng axit mạnh nồng độ cao

Loại nhựa trao đổi cation axit yếu

-COO-

Phản ứng trao đổi cation không xảy ra trong môi trường axit. Dễ phục hồi lượng H+ bằng lượng axit tương đương.

Nhựa trao đổi anion bazo mạnh Nhựa trao đổi anion bazo yếu

Nhựa trao đổi ion chelate

-H2C-NH+-CH3 CH3 -H2C-NH3+

Có khả năng trao đổi anion trong khoảng pH rộng. Phục hồi dạng OH-bằng xút nồng độ cao Phản ứng trao đổi anion không xảy ra trong môi trường kiềm. Có thể dùng dung dịch bazo yếu như Na2CO3, NH3 để rửa giải các ion âm đã hấp phụ.

-H2C-N(CH2COOH)2 Độ chọn lọc các ion kim loại cao hơn nhiều -H2C-NH(C2H4NH)nH so với nhựa trao đổi cation thường.được dùng để phân tách ion kim loại kiềm thổ và kim loại chuyển tiếp 10

Cơ chế trao đổi ion Giai đoạn đầu: cân bằng. Các nhóm trao đổi được kết hợp tại thời điểm này với trung tâm trao đổi ion(thường là anion hay cation đơn giản).

Giai đoạn thứ hai:các phân tử chất tan mang điện tích tương thích thay trung tâm trao đổi ion và liên kết thuận nghịch.Chất chưa liên kết có thể được rửa ra.

Giai đoạn thứ ba, các chất được loại bỏ từ cột bằng cách thay đổi để rửa giải điều kiện bất lợi cho liên kết ion của các phân tử chất tan.Điều này thường liên quan đến việc tăng cường độ ion của bộ đệm tách rửa hoặc thay đổi pH của nó Giai đoạn thứ tư và thứ năm :việc loại bỏ từ cột các chất không tách rửa theo các điều kiện thí nghiệm trước đó và tái cân bằng điều kiện để bắt đầu thanh lọc tiếp theo.

11

Nguyên tắc Là hiện tượng hấp thụ dựa trên tương tác tĩnh điện ion-ion.

Cơ sở của IEC là sự cạnh tranh các nhóm tích điện trái dấu trên chất trao đổi giữa các ion của chất cần tách với các ion khác.

Tương tác giữa các phân tử nhỏ và các chất trao đổi phụ thuộc vào điện tích thực và lực ion của môi trường Khi nồng độ ion cạnh tranh thấp, các ion cần tách sẽ liên kết với chất trao đổi,khi nồng độ ion cạnh tranh cao, các ion cần tách sẽ rời ra.

12

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

Dựa trên một phản ứng hóa học stoichiometric giữa các ion trong một mạng lưới và một chất rắn thông thường mang theo các nhóm chức năng mà có thể sửa chữa các ion như là một kết quả của điện cực.

13

Các yếu tố ảnh hưởng đến sắc ký trao đổi ion

Sự phân bố điện tích trên bề mặt

Các chất được thêm như dung môi hữu cơ

Bản chất các ion trong dung dịch

PH của pha động

Đặc tính của chất trao đổi ion 14

Kỹ thuật tách sắc ký trao đổi ion Phương pháp tiền lưu

Quá trình tách các Phương

ion

Phương

Để tách triệt để

pháp rửa

pháp rưả

các ion thường

giải

đẩy

dùng phương pháp rửa giải

15

Kỹ thuật tách sắc ký trao đổi ion Trong phòng thí nghiệm: Cột sắc ký trao đổi ion thường là các cột thủy tinh hình trụ có đường kính trong và chiều dài thích hợp. Thường tỷ lệ chiều dài và đường kính phải lớn hơn 10. Ở đáy ống thường có lóp bông thủy tinh hay bi thủy tinh để ngăn không cho các hạt lọt vào làm tắt khóa.

Trong cột thường nhồi các ionit ở dạng xác định. Các cationit thường là R-H hay R-Na, các anionit thường chuẩn bị ở dạng R-OH hay R-Cl

16

Các ứng dụng của sắc ký trao đổi ion

Tách các ion

ứng dụng Chế tạo màng

Tách axit amin

trao đổi ion

và protein

17

Ứng dụng để tách các ion Phương pháp đơn giản nhất để tách các ion là hấp thụ các cấu tử của hỗn hợp bằng axit sau đó tiến hành rửa giải các cấu tử bằng các dung dịch thích hợp.

Ví dụ: Tách các kim loại kiềm trong hỗn hợp Tách các lantanit bằng cột cationit dạng R-H

ứng dụng trong

công nghiệp chế biến các nguyên tố đất hiếm.

Tách các đồng vị như tách 14N và 15N trên nhựa cationit dạng sunfonic dưới dạng cation NH4+ Làm sạch các ion vô cơ trong nước thiên nhiên hay trong dung dịch muối để thu được nước tinh khiết Xử lý làm mềm nước cứng.

18

Ứng dụng trong xử lý làm mềm nước cứng Sử dụng một loại nhựa có chứa ion Na+ liên kết với một cation (ion âm) khác, cation đó có khả năng liên kết với Ca2+ và Mg2+ mạnh hơn Na+. Khi cho nhựa vào cột trao đổi ion và cho nước cần xử lý chảy qua cột, cation có trong nhựa sẽ liên kết với các ion Ca2+ và Mg2+ và giữ chúng lại trong cột, đồng thời sẽ giải phóng Na+ vào nước, nhằm loại bỏ ion Ca2+ và Mg2+ có trong nước uống, giúp nước “mềm” hơn.

Tiếp tục xử lý bằng cách cho nước chảy qua cột trao đổi ion với nhựa chứa H+ (sẽ loại bỏ được cation) và sau đó qua cột có nhựa chứa ion OH- (loại bỏ các anion). H+ và OH- sau đó sẽ kết hợp với nhau tạo thành nước (H2O).

19

Ứng dụng trong xử lý làm mềm nước

Hình ảnh minh họa quá trình làm mềm nước

20

Ứng dụng chế tạo màng trao đổi ion Ứng dụng quan trọng khác là việc chế tạo màng mỏng có tính chất trao đổi ion vừa là một màng bán thấm.

Màng trao đổi ion có tính chọn lọc: Màng cationit chỉ để cho thấm cation Màng anionit chỉ để thấm anion Các màng trao đổi ion có chiều dày từ 0.1mm và 0.2mm và có lỗ phút (với đường kính từ 1 đến 2 phần triệu của một milimet). Những màng này có đặc tính hữu dụng cho phép sự di chuyển của các ion như Na +, Cl-, Ca2 + và Mg2 +.

Màng trao đổi ion được rộng rãi được sử dụng trong sản xuất dược phẩm và thực phẩm.

21

Công nghệ sản xuất muối ăn bằng phương pháp điện thẩm Nguyên tắc : dựa trên việc tách điện ion tích cực như các ion natri, magiê, canxi và điện ion tiêu cực như các ion clorua

Ưu điểm: làm giàu hàm lượng muối trong nước biển, giá thành sản xuất thấp.

22

Quy trình sản xuất muối nhờ phương pháp điện thẩm Bể muối có các màng trao đổi anion và cation lắp xen kẽ.

Khi áp điện thế lên vào bể, natri tích cực, magiê và các ion canxi di chuyển đến các điện cực âm; ngược lại, các ion âm, như các ion clorua, di chuyển đến điện cực dương .

Chuyển ion dương như các ion natri bị ngăn chặn bởi các màng trao đổi cation và ion âm như ion clorua được đẩy lùi bởi các màng trao đổi anion. Kết quả được nước muối mặn cao (C%=15% đến 20%) và nước muối mặn thấp (với C%=2%) đang bị mắc kẹt giữa các cặp xen kẽ của màng.

Muối được chuyển giao cho một hệ thống bốc hơi,nước muối mặn thấp được trả về với biển.

23

Ứng dụng tách protein Các phân tử protein được phân lập dựa trên điện tích ion hóa bề mặt của chúng bằng việc sử dụng pha tĩnh là các hạt mang các nhóm chức tích điện âm hoặc dương. Các phân tử protein tương tác với các hạt sẽ được hồi lưu khi sử dụng một dung dịch mẫu loãng chảy qua cột sau đó.

Các phân tử tương tác với pha động càng mạnh, càng cần dung dịch muối cao để hồi lưu mẫu (muối làm trung hòa các điện tích), vì vậy cho phép các protein được giải phóng ra khỏi cột.

24

Tài liệu tham khảo [1]. Amersham,10 [2].Makoto Takagi, Các phương pháp phân tích trong hóa học,6569,2010.

[3]. GS.TSKH.Từ Văn Mạc, Phân Tích Hóa Lý Phương Pháp Phổ Nghiệm Nghiên Cứu Cấu Trúc Phân Tử, NXB Khoa Học Và Kỹ Thuật, 150-159

25