Sắc ký trao đổi ion và ứng dụng

8/11/2019 Sắc ký trao đổi ion và ứng dụng

http://slidepdf.com/reader/full/sac-ky-trao-doi-ion-va-ung-dung 1/27

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Tiểu luận

Các phương pháp phân tích Hóa lý hiện đại

Đề tài

GVHD : TS. H u ỳnh Khánh Duy

HVTH : H ồ Th ủy Tr úc

Mã HV : 13050200

TPH CM , tháng 11 năm 2013



SẮC KÝ TRAO ĐỔI ION

1

MỤC LỤC

Trang

I. TỔNG QUAN VỀ SẮC KÝ ..................................................................... 2

I.1 Lịch sử sắc kí ................................................................................... 2

I.2 Định nghĩa....................................................................................... 2

I.3 Phân loại các phương pháp sắc ký .................................................... 2

II. SẮC KÝ TRAO ĐỔI ION ....................................................................... 4II.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. K Ỹ THUẬT THỰ C NGHIỆM .............................................................. 13

III.1 K ỹ 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 hấ p thu trên ionit ........................................................ 18

III.5 ái sinh ionit ................................................................................... 19

IV. Ứ NG DỤNG CỦA SẮC KÝ TRAO ĐỔI ION .................................... 20

IV.1Ứ ng dụng của sắc ký trao đổi ion ........................................................... 20

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

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 27






3

- Phương pháp sắc kí phân bố lỏng lỏng pha ngượ c 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 đượ c giữ trong một cột ngắn và pha động đuợ c chochuyển động qua cột bở i áp suất hoặc do tr ọng lực. Trong sắc kí bản mỏng, pha tĩnh đượ c

phủ trên một mặt phẳng thủy tinh hoặc kim loại.

Thường để đơn giản hóa, tuy không chính xác nguờ i ta gọi tắt các phươ ng pháp sắc

kí: sắc kí khí, sắc kí lỏng, sắc kí lỏng cao áp, sắc kí lớ p mỏng, sắc kí gel…Trong số các phươ ng pháp sắc kí đượ c biết, quan tr ọng nhất là sắc kí hấ p phụ, sắc kí

phân bố và sắc kí trao đổi.

Hình 1. Phân lo ại các phương pháp sắ c ký




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: B ản chấ t của sắc ký trao đổ i ion

Sắc ký trao đổi ion dựa trên hiện tượng trao đổi thuận nghịch giữa các ion linh động

của pha tĩnh rắn vớ i các ion trong dung dịch phân tích khi cho dung dịch này đi qua cột

đượ c nạp đầy pha tĩnh. Các pha tĩnh trong trườ ng hợ p 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 đốivớ i vớ i trung tâm trao đổi ion ( nhóm chứa ion) của ionit.

II.2. Chất trao đổi ion (ionit)Ionit là các hợ p chất polymer vô cơ và hữu cơ khôngtan có chứa nhóm hoạt động,

bao gồm ionit vô cơ tự nhiên (nhóm zeolite, nhóm đất sét, nhóm glauconit,…) ionit vô cơtổng 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, đượ c gọi là nhựa

trao đổi ion.




5

Các ionit vô cơ và hữu cơ tự nhiên ít đượ c sử dụng trong thực tế vì có độ bền cơ vàđộ bền hóa và khả năng trao đổi ion thấ p đượ c sử dụng nhiều nhất là các ionit hữu cơtổng hợ p chứa nhựa trao đổi ion.

II.2.1.Nh ựa trao đổ i ion

Nhựa trao đổi ion đượ c cấu tạo hợ p chất polymer hữu cơ gồm các sườ n 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 đượ c chế tạo bở i sự đồng trùng hợ p giữa styrene vớ i divinyl

benzene có hàm lượ ng thay đổi từ 1 dến 16 % để tăng mức liên k ết ngang của polymer,

dẫn dến chỉ trương nở nhưng không hòa tan trong nướ c.Các nhân benzene sauđó đượ c gắn vào các nhóm – SO3H để tạo nhựa cationit hoặc

các nhóm amin – NR 3+ tạo nhựa anionit. Nếu axit metaacrylic duợ c dùng thay thế cho

styrene thì nhựa cationit axit yếu –COOH đượ c 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.

Hình 3. Sơ đồ t ổ ng hợ p nhự a ionit




6

Tính chất của nhựa trao đổi ion a) Độ bề n: Trong công nghiệp thườ ng sản xuất ionitở dạng hạt đườ ng kính 0,3-0,8

mm. Trong phân tích định lượ ng phải dùng ionit có hạt r ất đồng nhất có đườ ng kính hạt

không lớ n quá 0,2 mm. Nói chung các ionit bền đối vớ i các tác dụng của kiềm mạnh, axitmạnh không bị oxi hóa bở i các chất oxi hóa thông thườ ng. 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 vớ i các chất oxi hóa hơn nhựa polystyrene. Peroxyt

hydro tác dụng chậm vớ i các ionit.

b) H ấ p thụ nướ c: Sự trương phồng khi có tác dụng nướ c 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 dungmôi: mức độ phồng phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

- Bản chất của nền và liên k ết ngang: khi tăng số liên k ết ngang thì nhựa ít bị trương phồng. Ví dụ một nhựa polystyron dạng H+ có số liên k ết ngang tương ứng vớ i 5%

divinylbenzen hấ p thụ 1,5g nướ c/1g nhựa, còn loại 10% divinylbenzen thì hấ p thụ 0,9g

nướ c.

- 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 nướ c hoặc trong các dung dịch loãng. Trong cácdung 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 vớ i các ion một điện tích. Khi tăng điện tích ion đối

thì trương phồng của ionit giảm xuống.

c) T rao đổ i ion: Các ionit có khả năng trao đổi vớ i mọi ion có mặt trong dung dịch.

Phản ứng trao đổi ion có thể biểu diễn dướ i dạng:

RH + K + + Cl- -> RR + H+ + Cl- (cationit) (2)

2RH +Ca2+ + 2Cl- -> CaR 2 + 2H+ + 2Cl- (dạng H+) (3)

ROH + H+ + NO3 -> RNO3 + H2O (anionit dạng OH-)




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 r ất phức tạ p, cần có nghiên cứu đặc biệt.- Sự có mặt của khí hoà tan trong nướ c với lượ ng lớ n 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 đượ c trao tổng hợ p bằng phương pháp ngưng tụ đều là sản

phẩm phản ứng ngưng tự của phenol hoặc dẫn xuất phenol vớ i fomalin. Do phenol chứa

OH- nên sản phẩm thu đượ c có tính acid r ất yếu và chỉ thích hợ p làm việc trong môitrườ ng kiềm. Để khắc phục nhược điểm này, người ta đưa vào mạng lướ i không gian của

cation các nhóm chức khác nhauđể thu đượ c cation acid mạnh hơn. Các nhóm chức đócó thể là nhóm sulphonate, nhóm photphate, nhóm carboxylate hoặc nhóm amino

diacetate như đã nói ở trên. Cationit chứa nhóm chức nối vớ i nhân benzene có tính acidmạnh hơn so vớ i cationit có nhóm chức ở mạch nhánh. Cationit đượ c tổng hợ p bằng

phương pháp ngưng tụ bền đối vớ i các tianhưng không bền trong môi trườ ng có chất oxy

hóa. Sản phẩm thu đượ c ở dạng khối to, đa chức, khó điều chỉnh mức liên k ết ngang.




8

Các cationit tổng hợ p bằng phương pháp trùng hợ p monomerđược ưa chuộng hơncác cationit ngưng tụ vì có độ bền hóa học, cơ học và bền nhiệt cao, lại chỉ chứa một loại

nhóm chức nên r ất dễ điều chỉnh mức liên k ết ngang. Sản phẩm thu đượ c là các hạt tròn

nhỏ nên r ất thuận tiện khi sử dụng. Phản ứng trùng hợ p phổ biến nhất là trùng hợ pstyrene vớ i divinylbenzene (DVB). Ngoài styrene, còn có thể trùng hợ p acid metacrylic

hay acid acrylic vớ i divinylbenzene để sản xuất các cationit acid yếu. Muốn thu đượ c các

sản phẩm cationit acid mạnh hơn, tiế p 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- vớ i nhóm hoạt động R + thườ ng là nhóm amin. Do có nhómamin gắn trên mạng lướ i cao phân tử nên anionit mang tính base. Độ base phụ thuộc vào

độ base của nhóm amin (amin thẳng > ammoniac > amin thơ m; amin bậc 4 > amin bậc 3

> amin bậc 2 > amin bậc 1). Anionit phổ biến thườ ng chứa amin bậc 4.




9

Anionit có thể đượ c tổng hợ p bằng phương pháp ngưng tụ hoặc phương pháp trùnghợp. Để tổng hợ p anionit bằng phương pháp thứ nhất, người ta ngưng tụ amin mạch

thẳng hoặc amin thơm vớ i formalin hoặc vớ i halogenepoxy.Anionit ngưng tụ có tính

base yếu, độ bền hóa học kém, không bền trong môi trườ ng chứa các chất oxy hóa.Anionit đượ c tổng hợ p bằng phương pháp trùng hợ p có tính base mạnh, bền hóa và

bền nhiệt tốt lại đơn chức nên đượ c sử dụng r ộng rãi hơn anionit ngưng tụ. Quá trình sản

xuất anionit bằng phương pháp trùng hợp đượ c tiến hành bằng cách trùng hợ p styrene

hoặc dẫn xuất cảu styrene với divinylbenzene DVB (đã đượ c chlometyl hóa) và tiế p tục

amin hóa vớ i trimetylamin hoặc dimetyletanolamin để thu đượ c anionit base mạnh.

Hình 7: Các nhóm ch ức đượ c sử d ụng cho các ionit

II.2.4. Ionit lưỡ ng tính

Trên mạng lướ i không gian của ionit lưỡ ng 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 đượ c

tổng hợ p bằng hai phương pháp trùng hợp và ngưng tụ. Ví dụ để tổng hợp ionit lưỡ ng

tính bằng phương pháp trùng hợp, đầu tiên trùng hợ p styren hoặc clorua vinyl vớ i DVB

r ồi sau đó tiế p tục amin hóa và sulpho hóa sản phẩm thu đượ c.

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

tứ là anionit kiềm mạnh (hoạt động tốt trong mọi môi trườ ng acid, base, trung tính);cationit carboxylate (- COOH) là cationit acid yếu (hoạt động tốt trong môi trườ ng kiềm);

anionit amin tam, nhị, nhất là các anionit kiềm yếu (hoạt động tốt trong môi trườ ng acid).




10

II.3. Cơ chế trao đổi ionMạng lướ i của ionit là mạng không gian cao phân tử không đồng đều của các liên

k ết hydrocacbon. Khả năng trao đổi ionit phụ thuộc r ất lớ n vào cấu trúc mạng lướ i ionit,

cụ thể là các mức lien k ết ngang, số lượ ng bản chất các nhóm chức. Nói khả năng traođổi ion của ionit phụ thuộc vào cấu trúc bởi vì tính ưa nướ c này cho các ionit có khả năngtrương trong nướ c, cho phép các ion từ dung dịch khuyếch tán nhiều hay ít vào bên trong

mạng lướ i.

Khi ngâm nhựa vào nướ c, nhựa trương nở , các nhóm chứa ion tr ở nên linh động hơnvà có thể phân ly một phần, các phản úng trao đổi xảy ra giữa các ion của pha tĩnh và cácion trong dung dịch r ất tương đồng vớ i các phản ứng trao đổi giữa các cấu tử tiế p xúc vớ i

nhau tr ực tiế p trong dung dịch theo phản ứng hóa học thông thườ ng. Tuy nhiên, khi dungdịch chứa nhiều ion cùng có khả năng trao đổi ion vớ i nhựa thì sẽ có sự cạnh tranh giữa

các ion trong dung dịch và quá trình tr ở nên r ất phức tạ p.

Ion trong lớp điện tích kép theo mức độ hoạt động lớ n nhỏ có thể phân ra: lớ p hấ p

phụ và lớ p khuếch tán. Lớ p ion có tính hoạt động tương đối kém bị hấ p phụ bám chặt vào

bề mặt cao phân tử gọi là lớ p hấ p phụ hay lớ p cố định, nó bao gồm lớ p ion bên trong và

một bộ phận ion ngượ c dấu. Cạnh ngoài lớ p hấ p phụ, các ion có tính hoạt động tương đối

lớ n, có khả năng khuếch tán vào trong dung dịch nên gọi là lớ p khuếch tán.Khi nhựa trao đổi ion gặ p dung dịch nướ c có chất điện giải, các tác dụng sau đây sẽ

diễn ra:

+ Tác d ụng trao đổ i

Các ion ngượ c dấu trong lớ p khuếch tán và ionngượ c dấu khác trong dung dịch trao

đổi vị trí lẫn nhau. Nhưng do quá trình trao đổi ion không giớ i hạn ở lớ p khuếch tán, do

quan hệ cân bằng động, trong dung dịch cũng có một số ion ngượ c dấu trước tiên trao đổi

đến lớ p khuếch tán, sau đó sẽ trao đổi với các ion ngượ c dấu trong lớ p hấ p phụ.

+ Tác d ụng nén ép

Khi nồng độ muối trong các dung dịch tăng lớ n, có thể làm cho lớ p khuếch tán bị

nén ép lại. Từ đó, một số ion ngượ c dấu trong lớ p khuếch tán biến thành ion ngượ c dấu

trong lớ p khuếch tán biến thành ion ngượ c dấu trong lớ p hấ p phụ …




11

Phạm vi hoạt động của lớ p 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 lớ n, không những không thể

nâng cao mà còn giảm thấ p hiệu quả hoàn nguyên.

+ T ốc độ quá trình trao đổ i ion Như trong quá trình hấ p 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 r ắn.

- Khuếch tán của các ion qua chất r ắn đến bề mặt trao đổi.- Trao đổi các ion (tốc độ phảnứng)

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

- Khuếch tán của các ion đượ c thay thế từ bề mặt hạt r ắn vào trong dung dịch.Về mặt định lượ ng, khả năng trao đổi ion của ionit là trao đổi theo đương lượ ng các

chất.

II.3.1. Cơ chế trao đổ i ion c ủa cationit

Hình 8. Cơ chế trao đổ i ion c ủa cationit




12

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

hóa. Lớp nướ c 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 tiế p xúc vớ i dung dịch chứa ion Mn+

sẽ xảy ra phản ứng trao đổi như sau: nR’SO3-H+

(R) + Mn+(dd) ↔ (R’SO3-)nH+

(R) + nH+(dd)

Hay đượ c 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+

đượ c phân bố giữa hai pha vớ i hệ số phân bố DM:[ ][ ]

Từ đó ta có

[ ][ ]

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

CE là nồng độ của nhóm chức hoạt động tính bằng mđlg/g nhựa. CE đượ c định nghĩalà dung lượng trao đổi ion của nhựa.

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

[H+dd] = n[Mn+

R ] = n[Mn+dd]o = nCo

Và nCE = [H+R ] [H+

R ]o

Suy ra ( )

Trong thực nghiệm, người ta thường đánh giá khả năng trao đổi ion của nhựa qua

giá tr ị k được định nghĩa là tỷ số giữa lượ ng Mn+ trong dung dịch (tính bằng g) và thể tích

dung dịch chứa Mn+ (tính bằng mL)

[ ][ ]

G: Khối lượ ng nhựa sử dụng (g)




13

V: thể tích dung dịch Mn+ (mL)

Quá trình trao đổi đượ c xem là hoàn toàn khi k 103 và Mn+ vẫn nằm trong dung

dịch k 10-3.

II.3.2. Cơ chế trao đổ i ion c ủa anionit Nhóm amin của anionit tác dụng tương tự như các amin trong dung dịch nướ c:

RNH2 + H2O RNH3OH-

Ion OH- trên anionit được trao đổi vớ i 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 đượ c

xem xét tương tụ như cationit

II.3.3.Dung d ịch chứ a nhi ề u cấ u t ử :Khảo sát dung dịch chứa hai cấu tử M1, M2 cùng có khả năng trao đổi vớ i ion H+

của cationit. Quá trình này xảy ra trong thực tế r ất phức tạ p vì có sự cạnh tranh của M1 và

M2 vớ i nhau. Nếu DM1>DM2, ái lực của nhựa vớ i M1sẽ lớn hơn so vớ i M2 và như vậy M1

sẽ trao đổi vớ i ion H+ trướ c r ồi mớ i tớ i M2. Tuy nhiên ngoài khả năng trao đổi ion vớ icatioit, M2 còn có khả năng đẩy M1 ra khỏi nhựa để chiếm chỗ của M1 và ngượ c lại. Vì lý

do trên, việc xem xét khả năng trao đổi ion giàu cationit vớ i M1, M2 không chỉ đơn thuần

dựa trên hai cân bằng trao đổi chính (M1vớ i nhựa, M2vớ i nhựa) mà phải xét trên cân bằngtrao đổi giữa M1vớ i M2 , giữa hai pha rán và dung dịch.

Một cách gần đúng để ước lượ ng khả năng tách hai ion M1, M2 ra khỏi nhau, ta xét

hệ số tách vớ i:

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

III. K ỹ thuật thự c nghiệm [3]III.1 K ỹ 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 vàảnh hưở ng khác nhau đối với tương tác điện tích sẽ có sụ






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 ngườ i ta thêm vào dung

dịch đệm một số hợ p 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 lậ p protein).

Lựa chọn pH và nồng độ dung dịch đệm sao cho khiở trong dung dịch đệm đó, hợ pchất cần khảo sát có điện tích toàn phần ngượ c 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 bắtđầu quá trình giải ly không đượ c quá khác biệt với điều kiện lúc gắn hợ p chất vào nhựa.

Các hợ p chất bắt đầu tách r ờ i 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 3,0-4,5Acid acetic-acetat natri 4,2-5,4Tris-acid phosphoric 5,0-10,0

Hydrogen phosphat natri 5,0-7,4

Trietanolamin 6,7-8,7Acid boric-borax 6,8-10,0




16

b) pK a và pI [4]

Khi bắt đầu tiến hành sắc ký , pha di động thườ ng là một dung dich đệm để nó có

thể r ửa và hỗ tr ợ 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 k ể nó là trao đổi anionhay cation.

Ví dụ như đối vớ i 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 vớ i bộ đệm có pH thấp ròi tăng dần lên để các phân tử ion tương tác mạnh hơnvà cũng để giải r ửa sau đó.

c) Gradient muối và step gradient : Ngoài việc sử dụng pH như là pha động, thì các gradient muối cũng cung cấ p 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 r ửacác mẫu

khắc nhau tùy thuộc vào nồng độ muối được xác địnhở gradient tuyến tính.

III.3 Cột sắc ký trao đổi ion

Nếu biết đượ c số lượ ng mẫu cần khảo sát, thử nghiệm biết đượ c loại nhựa trao đổiion nào phù hợ p, xem thông tin về nhựa do nhà sản xuất cung cấ p sẽ tính toán đượ c số

lượ ng nhựa cần sử dụng, số lượ ng nhựa đượ c qui ra thể tích sau khi trương nở trong dung

dịch phù hợ p. Thườ ng thì tỉ lệ giữa thể tích nhựa và thể tích hợ p chất cần sắc ký vào

khoảng 1:10 đến 1:20.

Để đạt đượ c k ết quả tốt trong sắc ký trao đổi ion, sử dụng cột ngắn có đườ ng kính

lớ n.

Trong quá trình sử dụng dung môi để giải ly hợ p chất ra khỏi cột, một khi đạt đếnđúng điều kiện, hợ p 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 k ể lúc nó bám vào nhựa, nóở vị trí nào trong




17

cột, ở vị trí gần đầu cột hayở xa đầu cột. Vì lý do đó, phần cột (chứa nhựa trao đổi ion)

quá dài sẽ không phù hợ p 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 thườ ng, làm các hợ p chất khuếch tán theo chiều ngang, làm dải băng rộng thêmra làmảnh hưởng đến khả năng tách riêng từng loại hợ p chất khác nhau của sắc ký.

Trong phòng thí nghiệm, người ta thườ ng sử dụng cột cóống hình tr ụ 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, đườ ng 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 trongống sắc ký.Ở đầu ống, lót bên trong hai nút vặn là một tấm tròn bằng nhựa polyetylen có lỗ r ỗng 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 dướ i cột. Nhựa trao đổi ion đã đượ c cân

bằng trong dung dịch đệm; lượ ng 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 quacột, cuối cùng kiểm tra pH của dung dịch chảy ra khỏi cột.

- Nạ p mẫu chất lên đầu cột

Dung dịch mẫu phải đượ c lọc trong suốt trướ c khi nạ p vào cột; lọc bằng tờ giấy lọc

hoặc cho đi ngang qua một lớ p celite.

Lượ ng mẫu tùy vào lượ ng nhựa cũng như khả năng trao đổi của nhựa. Điều quan

tr ọng nhất là làm sao để tất cả các cấu tử quan tr ọng của mẫu chất đượ c hấ p thu hết vào

nhựa, như thế nghĩa là chúý đến số lượ ng của mẫu hơn là thể tích của mẫu.

Trong thực nghiệm, một lượ ng lớ n thể tích hỗn hợ p có thể đượ c rót lên đầu cột sắc

ký mà không cần phải cô đậm đặc dung dịch này.

Để nạ p 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 lớ p nhựa ở trên đầu cột. Để yên 10-20 phút để cho mẫu chất

tiế p xúc cân bằng vớ i nhựa.

Khi tất cả lượ ng mẫu đã đượ c gắn lên đầu cột nhựa, cho vài mL dung dịch đệm ban

đầu chảy qua cột, nối cột vớ i bình cung cấ p dung dịch giải ly.

III.3 Giải ion bị hấp thu trên ionit

a) Giải ly bằng cách tăng dần pH dung d ịch giải ly

Điện tích toàn phần của những phân tử lưỡ ng cực thay đổi theo pH. Khi pH của môitrường thay đổi sao cho pH đó có giá trị bằng pI của hợ p chất, hợ p chất sẽ có điện tích

toàn phần bằng zero (hợ p chất tr ở 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 lượ t làm cho các chất khác nhau,

có pI khác nhau, tr ở thành trung tính và lần lượ t ra khỏi cột.

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

Hỗn hợ p mẫu chất đang gắn vào nhựa trao đổi ion trong dung dịch đệm có nồng độ thấp. Để tách mẫu chất ra khỏi nhựa thườ ng, 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 vớ ihỗn hợ p mẫu chất, để dành lấy nhóm chức hoạt động của nhựa, đẩy hợ p chất ra khỏi

nhựa, r ồi theo dòng chảy đi ra khỏi cột. Người ta cũng thườ ng cho thêm dung môi hữu cơ vào dung dịch đệm để giảm bớ t

tương tác vớ i chất nền. Đây là hấ p lực xảy ra giữa bộ phận ái nướ c của hợ p chất sắc ký

vớ i bộ phận ái nướ c của nhựa trao đổi ion. Muốn loại bỏ tương tác này, sử dụng hỗn hợ p

dung môi muối. Phân tử của mẫu chất tr ở thành tính trung hòa, không bám vào nhựa mà

hòa vào dung dịch giải ly, nhưng tính ái nướ c của phân tử sẽ giảm, nó không hòa tan tốt

trong dung dịch giải ly, sẽ k ết tủa nằm lại trongống sắc ký, làm sai lệch k ết quả sắc ký.

Ngoài ra, các muối hữu cơ thí dụ nhưhỗn hợ p 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 đượ c xử lý để có thể

tái sử dụng. Qui trình xử lý như sau:

- Loại bỏ hết những hợ p chất đã gắn vào nhựa và các chất tạ p bẩn khác. Nhựa đượ c

đặt trên phễu buchner, r ửa nhựa nhiều lần vớ i dung dịch nướ c muối đậm đặc và nồng độ tăng dần đến 2M/Lít nhằm để tách hết các hợ p chất đã gắn vào nhựa. Các muối này phải

có đối ion giống với đối ion của nhựa trao đổi lúc nguyên thủy.

- Các hợ p chất tạ p bẩn khác thí dụ như lipid, protein,... có thể loại khỏi bằng dung

dịch NaOH 0,1M và sau đó phải r ửa nhựa với nướ c cất và vớ i dung dịch nướ c muối chođến 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 lượ ng một hỗn hợ p nhiều cấu tử.

- Thiết bị sắc kýthườ ng bao gồm các bộ phận chính như: bộ phận nạ p 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 phụlỏng

Sắc ký trao đổi ion Sắc ký giấy Sắc ký khí

+ Là quá trình khác

nhau của cấu tử lỏngvà chất hấp phụ rắn.

+ Lực hấp phụ baogồm lực Vander –

Waats là lực tươngtác giữa các phần tử:

+ Dựa trên hiện tượng trao đổi thuậnnghịch giữa các ion

linh động của phatĩnh rắn với các iontrong dung dịch phân tích.

+ Sắc ký giấy thuộcdạng sắc ký phân bốlỏng, mà chất mang pha lỏng là giấy sắcký.+ Nhờ có cấu tạođặc biệt giấy sắc ký

+ Sắc ký khí là sắckhí mà pha động làdạng khí hoặc ởdạng hơi. + Khi pha tĩnh làchất hấp phụ rắn thìta có sắc ký khí hấp




20

Lực cảm ứng: hìnhthành khi trong phân

tử có sẵn điện

trường. Lực liên kết hóahọc: giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ

+ Bản chất của quátrình tách là do ái

lực khác nhau của

các ion trong dungdịch với các trungtâm trao đổi ion(nhóm chứa ion) củaionit

có khả năng giữtrong lỗ xốp mộtlượng chất lỏng nhất

định. Trong quátrình sắc ký các cấutử được tách dọctheo lớp mỏng củalỗ giấy.

phụ. Khi pha tĩnh làmàng mỏng chấtlỏng trên bề mặt

chất hấp phụ rắn tacó sắc phân bố haycòn gọi là sắc ký khílỏng.

IV. Ứ NG DỤNG CỦA SẮC KÝ TRAO ĐỔI ION

IV.1Ứ ng dụng của sắc ký trao đổiPhương pháp sắc ký trao đổi ion đượ c sử dụng r ất hiệu quả trong việc tách và phân

tích các chất phức tạ p ở dạng khí hoặc lỏng, thậm chí cả ở chất r ắn. Phương pháp trao đổiion thường đượ c dử dụng để khử độ cứng của nướ c do các muối hòa tan dướ i dạng ion

của Ca2+, Mg2+; khử độ khoáng của nướ c loại hoàn toàn các cation anion có trong nướ c;

tinh chế các chất thử hóa học như tinh chế HCl k ỹ thuật, tinh chế chất không điện ly ra

khỏi hợ p chất điện ly; tách chiết protein; điều chế hợ p chất hóa học như điều chế phân

bón hóa học dạng lỏng từ nướ c thải; tách lượ ng nhỏ của một số nguyên tố.Sắc ký trao đổi ion là k ỹ thuật tách protein phổ biến nhất, đượ c sử dụng nhiều nhất

trong các quy trình tinh chế và tinh sạch protein hiện nay.

Nguyên tắc Trướ c tiên protein sẽ gắn thuận nghịch vớ i các chất trao đổi bằng tương tác ion

giữa các nhóm mang điện tích trái dấu. Sau đó protein đượ c chiết rút riêng biệt nhờ việc tăng dần lực ion làm cho

tương tác ion bị bẻ gãy thông thườ ng dùng gradient muối NaCl hay gradient pH.






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, %.

- Giớ i hạn phát hiện: < 1ppb

- Thiết k ế gọn nhẹ, hiệu suất làm việc cao.

- Đáp ứng tất cả các yêu cầu GLP và FDA




23

- Hệ thống thông minh vớ i các thành phần: iPump, iDetector, iColumnứng 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 trườ ng vớ i các anion & cationở hàm lượ ng vết như NH4

+; Cr 6+ ; Cr 3+ ; Fe2+ ; Fe3+; PO43- ; NO2

- ; NO3- ; SO4

2-; Cl- …Phân tích hàm lượ ng

Phosphate: monophosphate, pyrophosphate, metaphosphate, trypolyphosphate &

polyphosphate… trong mẫu thực phẩm, thủy hải sản, chất phụ gia.

c) Máy sắc ký tự độngAutomated Ion Chromatography System

Model: ICS – 900. Hãng sản xuất: Dionex - Mỹ Xuất xứ: Mỹ. Tiêu chuẩn đáp ứng:

ISO 9001, CE Thiết bị đượ c thiết k ế tự động hoàn toàn, chuyên dụng cho mục đích phântích các ion trong mẫu hoá học, môi trườ ng, thực phẩn,... vớ i thao tác sử dụng đơn giản,

tiện dụng và đạt k ết quả nhanh, chính xác. Điều khiển qua phần mềm máy tính Có thể

K ết nối đượ c vớ i bộ đưa mẫu tự động AS-DV hay AS Dionex.




24

d) Máy sắc ký ionModel: Water 1525 Binary HPLC Pump

Hãng sản xuất: Waters-Mỹ

Bao gồm: Bơm dung môi đa kênh gradient, Bơm gradient:2 dòng dung môi (thiếtk ế kiểu bánh răng cam40 mL/bước răng, piston kép, toàn bộ đượ c ngâm trong dầu, bảođảm bơm chạy ổn định, sai số nhỏ, bền, không gâyồn, khác vớ i các hãng khác sử dụng

curoa kéo bánh cam tỳ (độ ồn lớn, độ chính xác dòng RSD lớn, đỉnh pic khôngổn

định…..). (Thiết k ế độc quyền của hãng tạo độ chuẩn xác của lưu lượ ng dòng từ

(0,075% tớ i 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 dướ i 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 giớ i)- Giải đo độ dẫn : 0 ~ 10 000 mS/cm

-

Đượ c ứng dụng để phân tích các cation và anion : Na+

; K +

; Mg2+

; Ca2+

; NH4

+

;Cl - ; F - ; NO2

- ; NO3- ; CN - ; SO4

2- ; HCO3- ; Br - ; acide hữu cơ bậc I ...




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 lượ ng Nhà xuất bản Đại học Quốc giaThành phố Hồ Chí Minh[3] Nguyễn Kim Phi Phụng, Phương pháp cô lập h ợ p ch ấ t h ữu cơ , Nhà xuấtbản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2007[4]http://www.separations.us.tosohbioscience.com/ServiceSupport/TechSuppo

rt/ResourceCenter/PrinciplesofChromatography/IonExchange

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


http://www.separations.us.tosohbioscience.com/ServiceSupport/TechSupport/ResourceCenter/PrinciplesofChromatography/IonExchange







Documents

Sắc ký trao đổi ion và ứng dụng