Có nhiều phương pháp khác nhau để phân tích thành phần và nghiên cứu tính chất của các hợp chất và hỗn hợp các chất khác nhau. Một trong những phương pháp đó là sắc ký. Quyền tác giả trong việc phát minh và ứng dụng phương pháp này thuộc về nhà thực vật học người Nga M. S. Tsvet, người vào đầu thế kỷ 20 đã tiến hành tách các sắc tố thực vật.
Định nghĩa và nguyên tắc cơ bản của phương pháp
Sắc ký là một phương pháp hóa lý để tách hỗn hợp và xác định thành phần của chúng, dựa trên sự phân bố giữa pha động và pha tĩnh của các chất tạo nên hỗn hợp (mẫu). Pha tĩnh là một chất rắn xốp - chất hấp thụ. Nó cũng có thể là một màng lỏng lắng đọng trên một bề mặt rắn. Pha động - chất rửa giải - phải di chuyển dọc theo pha tĩnh hoặc chảy qua nó, được lọc bởi chất hấp thụ.
Bản chất của sắc ký là các thành phần khác nhau của một hỗn hợp nhất thiết phải được đặc trưng bởi các tính chất khác nhau, chẳng hạn như trọng lượng phân tử, độ hòa tan, khả năng hấp phụ, v.v. Do đó, tốc độ tương tác của các thành phần của pha động - sorbates - với chất tĩnhkhông giống nhau. Điều này dẫn đến sự khác biệt về vận tốc của các phân tử của hỗn hợp so với pha tĩnh, do đó các thành phần được tách ra và tập trung trong các vùng khác nhau của chất hấp thụ. Một số trong số chúng để lại chất hấp thụ cùng với pha động - đây là những thành phần được gọi là không bị trộn lẫn.
Ưu điểm đặc biệt của sắc ký là nó cho phép bạn nhanh chóng tách các hỗn hợp phức tạp của các chất, kể cả những chất có tính chất tương tự.
Phương pháp phân loại các loại sắc ký
Các phương pháp được sử dụng trong phân tích có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau. Bộ tiêu chí chính như sau:
- trạng thái tổng hợp của pha tĩnh và pha động;
- bản chất vật lý và hóa học của sự tương tác của chất hấp thụ và chất hấp thụ;
- cách giới thiệu chất rửa giải và di chuyển nó;
- phương pháp đặt pha tĩnh, tức là kỹ thuật sắc ký;
- chỉ tiêu sắc ký.
Ngoài ra, các phương pháp có thể dựa trên bản chất khác nhau của quá trình hấp phụ, vào các điều kiện kỹ thuật của quá trình tách sắc ký (ví dụ, áp suất thấp hoặc cao).
Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn các tiêu chí chính ở trên và các loại sắc ký được sử dụng rộng rãi nhất liên quan đến chúng.
Trạng thái hấp thụ và chất rửa giải của sự kết hợp
Trên cơ sở này, sắc ký được chia thành chất lỏng và chất khí. Tên phương thức phản ánh trạng thái của pha động.
Sắc ký lỏng là một kỹ thuật được sử dụngtrong quá trình tách hỗn hợp của các hợp chất cao phân tử, bao gồm cả những hợp chất quan trọng về mặt sinh học. Tùy thuộc vào trạng thái tập hợp của chất hấp thụ, nó được chia thành pha lỏng-lỏng và lỏng-rắn.
Sắc ký khí gồm các loại sau:
- Hấp phụ khí (pha khí-rắn), sử dụng chất hấp thụ rắn, chẳng hạn như than, silica gel, zeolit hoặc polyme xốp. Khí trơ (argon, heli), nitơ, carbon dioxide đóng vai trò là chất rửa giải - chất mang của hỗn hợp được tách ra. Việc tách các thành phần dễ bay hơi của hỗn hợp được thực hiện do mức độ hấp phụ khác nhau của chúng.
- Khí-lỏng. Pha tĩnh trong trường hợp này bao gồm một màng chất lỏng lắng đọng trên một nền trơ rắn. Các thành phần mẫu được phân tách tùy theo khả năng hấp phụ hoặc độ hòa tan của chúng.
Sắc ký khí được sử dụng rộng rãi để phân tích hỗn hợp các hợp chất hữu cơ (sử dụng các sản phẩm phân hủy hoặc dẫn xuất của chúng ở thể khí).
Tương tác giữa chất hấp thụ và chất hấp thụ
Theo tiêu chí này, các loại như vậy được phân biệt như:
- Sắc ký hấp phụ, qua đó các hỗn hợp được tách ra do sự khác nhau về mức độ hấp phụ của các chất bởi một chất hấp phụ bất động.
- Phân phối. Với sự trợ giúp của nó, sự phân tách được thực hiện trên cơ sở độ hòa tan khác nhau của các thành phần của hỗn hợp. Sự hòa tan xảy ra cả trong pha động và pha tĩnh (trong sắc ký lỏng), hoặc chỉ trong pha tĩnh (trong khí-lỏngsắc ký).
- Lắng. Phương pháp sắc ký này dựa trên sự hòa tan khác nhau của các chất kết tủa được tạo thành của các chất cần tách.
- Loại trừ, hoặc sắc ký gel. Nó dựa trên sự khác biệt về kích thước của các phân tử, do đó khả năng thâm nhập vào các lỗ chân lông của chất hấp thụ, cái gọi là ma trận gel, khác nhau.
- Affine. Phương pháp cụ thể này, dựa trên một kiểu tương tác sinh hóa đặc biệt của các tạp chất tách rời với phối tử tạo thành một hợp chất phức tạp với chất mang trơ trong pha tĩnh. Phương pháp này có hiệu quả trong việc tách hỗn hợp protein-enzym và phổ biến trong hóa sinh.
- Trao đổi ion. Như một hệ số tách mẫu, phương pháp này sử dụng sự khác biệt về khả năng trao đổi ion của các thành phần trong hỗn hợp với pha tĩnh (chất trao đổi ion). Trong quá trình này, các ion của pha tĩnh được thay thế bằng các ion của các chất trong thành phần của chất rửa giải, trong khi do ái lực khác nhau của chất sau với chất trao đổi ion, sự khác biệt phát sinh trong tốc độ chuyển động của chúng, và do đó hỗn hợp được tách ra. Đối với pha tĩnh, nhựa trao đổi ion thường được sử dụng nhiều nhất - polyme tổng hợp đặc biệt.
Sắc ký trao đổi ion có hai lựa chọn - anion (giữ lại các ion âm) và cation (giữ lại các ion dương tương ứng). Phương pháp này được sử dụng rất rộng rãi: trong việc tách các chất điện giải, đất hiếm và nguyên tố transuranium, trong lọc nước, trong phân tích thuốc.
Sự khác biệt trong các phương pháp của kỹ thuật
Có hai cách chính trong đó mẫu di chuyển so với pha tĩnh:
- Sắc ký cột thực hiện quá trình tách trong một thiết bị đặc biệt - cột sắc ký - một ống, trong khoang bên trong có đặt chất hấp thụ bất động. Theo phương pháp làm đầy, cột được chia thành hai loại: đóng gói (gọi là "đóng gói") và cột mao quản, trong đó một lớp chất hấp thụ rắn hoặc màng lỏng của pha tĩnh được áp dụng trên bề mặt của bức tường bên trong. Các cột được đóng gói có thể có các hình dạng khác nhau: thẳng, hình chữ U, hình xoắn ốc. Các cột mao dẫn có dạng xoắn.
- phẳng (phẳng). Trong trường hợp này, giấy hoặc tấm đặc biệt (kim loại, thủy tinh hoặc nhựa) có thể được sử dụng làm chất mang cho pha tĩnh, trên đó lắng đọng một lớp mỏng chất hấp thụ. Trong trường hợp này, phương pháp sắc ký tương ứng được gọi là sắc ký giấy hoặc lớp mỏng.
Sắc ký
Không giống như phương pháp cột, trong đó các cột sắc ký được sử dụng nhiều lần, trong sắc ký phẳng, bất kỳ chất mang nào có lớp hấp thụ chỉ có thể được sử dụng một lần. Quá trình tách xảy ra khi một đĩa hoặc tờ giấy được nhúng vào hộp đựng có chất rửa giải.
Giới thiệu và chuyển chất rửa giải
Yếu tố này xác định bản chất của sự chuyển động của các vùng sắc ký dọc theo lớp hấp thụ, được hình thành trong quá trình tách hỗn hợp. Có các phương pháp phân phối chất rửa giải sau:
- Mặt trước. Phương pháp này là đơn giản nhấtkỹ thuật thực hiện. Pha động trực tiếp là chính mẫu, được đưa liên tục vào cột chứa đầy chất hấp thụ. Trong trường hợp này, thành phần ít được giữ lại nhất, bị hấp phụ kém hơn các thành phần khác, di chuyển dọc theo chất hấp thụ nhanh hơn các thành phần khác. Kết quả là, chỉ thành phần đầu tiên này có thể được phân lập ở dạng tinh khiết, tiếp theo là các vùng chứa hỗn hợp các thành phần. Phân phối mẫu có dạng như sau: A; A + B; A + B + C và như vậy. Do đó, sắc ký phía trước không hữu ích để tách hỗn hợp, nhưng nó có hiệu quả trong các quá trình tinh chế khác nhau, với điều kiện là chất được phân lập có độ lưu giữ thấp.
- Phương pháp dịch chuyển khác nhau ở chỗ sau khi nhập hỗn hợp cần tách, chất rửa giải với chất dịch chuyển đặc biệt được đưa vào cột - một chất được đặc trưng bởi khả năng hấp thụ lớn hơn bất kỳ thành phần nào của hỗn hợp. Nó thay thế thành phần được giữ lại nhiều nhất, thành phần này thay thế thành phần tiếp theo, v.v. Mẫu di chuyển dọc theo cột với tốc độ của chất dịch chuyển và tạo thành các vùng nồng độ lân cận. Với loại sắc ký này, từng thành phần có thể thu được riêng lẻ ở dạng lỏng ở đầu ra của cột.
- Phương pháp rửa giải (đang phát triển) là phổ biến nhất. Ngược lại với phương pháp dịch chuyển, chất rửa giải (chất mang) trong trường hợp này có khả năng hấp thụ thấp hơn các thành phần mẫu. Nó liên tục được đi qua lớp hấp thụ, rửa sạch nó. Định kỳ, theo từng phần (xung), hỗn hợp cần tách được đưa vào dòng chất rửa giải, sau đó chất rửa giải tinh khiết được nạp lại. Khi rửa sạch (rửa giải), các thành phần được tách ra,hơn nữa, các vùng tập trung của chúng được ngăn cách bởi các vùng rửa giải.
Sắc ký rửa giải giúp tách gần như hoàn toàn hỗn hợp chất được phân tích và hỗn hợp có thể là thành phần đa lượng. Ngoài ra, ưu điểm của phương pháp này là sự cô lập của các thành phần với nhau và sự đơn giản của phân tích định lượng hỗn hợp. Các nhược điểm bao gồm tiêu thụ nhiều dung dịch rửa giải và nồng độ thấp của các thành phần mẫu trong đó sau khi tách ở đầu ra cột. Phương pháp rửa giải được sử dụng rộng rãi trong cả sắc ký khí và sắc ký lỏng.
Quy trình sắc ký tùy theo mục đích
Sự khác biệt trong các mục tiêu sắc ký giúp bạn có thể phân biệt các phương pháp như phân tích, điều chế và công nghiệp.
Bằng phương pháp sắc ký phân tích, việc phân tích định tính và định lượng hỗn hợp được thực hiện. Khi phân tích các thành phần mẫu, khi ra khỏi cột của máy sắc ký, chúng đi đến detector - thiết bị nhạy cảm với sự thay đổi nồng độ của một chất trong dung dịch rửa giải. Thời gian trôi qua kể từ khi đưa mẫu vào cột cho đến khi nồng độ đỉnh lớn nhất của chất trên detector được gọi là thời gian lưu. Với điều kiện nhiệt độ cột và tốc độ rửa giải không đổi, giá trị này là không đổi đối với từng chất và là cơ sở để phân tích định tính hỗn hợp. Phân tích định lượng được thực hiện bằng cách đo diện tích của các pic riêng biệt trên sắc ký đồ. Theo quy định, phương pháp rửa giải được sử dụng trong sắc ký phân tích.
Sắc ký điều chế nhằm mục đích tách các chất tinh khiết ra khỏi hỗn hợp. Các cột chuẩn bị có kích thước lớn hơn nhiềuđường kính hơn là phân tích.
Sắc ký công nghiệp trước hết được sử dụng để thu được số lượng lớn các chất tinh khiết cần thiết trong một quá trình sản xuất cụ thể. Thứ hai, nó là một phần quan trọng của hệ thống kiểm soát và điều tiết hiện đại cho các quy trình công nghệ.
Máy sắc ký công nghiệp có thang đo nồng độ của một hoặc thành phần khác và được trang bị cảm biến, cũng như hệ thống kiểm soát và đăng ký. Các mẫu được chuyển đến các máy sắc ký như vậy một cách tự động với tần suất nhất định.
Thiết bị Sắc ký Đa chức năng
Máy sắc ký hiện đại là những thiết bị công nghệ cao phức tạp có khả năng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực và cho các mục đích khác nhau. Các thiết bị này giúp phân tích các hỗn hợp đa thành phần phức tạp. Chúng được trang bị nhiều loại máy dò: đo độ dẫn nhiệt, quang học, ion hóa, khối phổ, v.v.
Ngoài ra, máy sắc ký hiện đại sử dụng hệ thống điều khiển tự động để phân tích và xử lý sắc ký đồ. Điều khiển có thể được thực hiện từ máy tính hoặc trực tiếp từ thiết bị.
Một ví dụ về thiết bị như vậy là máy sắc ký khí đa chức năng "Crystal 5000". Nó có một bộ bốn máy dò có thể thay thế, một bộ điều nhiệt cột, hệ thống điều khiển lưu lượng và áp suất điện tử, và điều khiển van khí. Để giải quyết các vấn đề khác nhau, thiết bị cókhả năng cài đặt cả cột đóng gói và cột mao dẫn.
Máy sắc ký được điều khiển bằng bàn phím đầy đủ tính năng và màn hình điều khiển hoặc (trong một sửa đổi khác) từ máy tính cá nhân. Thiết bị thế hệ mới này có thể được sử dụng hiệu quả trong sản xuất và trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu khác nhau: y tế, pháp y, môi trường.
Sắc ký cao áp
Tiến hành sắc ký cột lỏng có đặc điểm là thời gian thực hiện quá trình khá dài. Để tăng tốc độ chuyển động của dung dịch rửa giải lỏng, việc cung cấp pha động cho cột dưới áp suất được sử dụng. Phương pháp hiện đại và rất hứa hẹn này được gọi là phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC).
Hệ thống bơm của máy sắc ký lỏng HPLC cung cấp chất rửa giải với tốc độ không đổi. Áp suất đầu vào được phát triển có thể đạt tới 40 MPa. Điều khiển bằng máy tính giúp thay đổi thành phần của pha động theo một chương trình nhất định (phương pháp rửa giải này được gọi là gradient).
HPLC có thể được sử dụng các phương pháp khác nhau dựa trên bản chất của sự tương tác của chất hấp phụ và sorbate: phân bố, hấp phụ, loại trừ kích thước, sắc ký trao đổi ion. Loại HPLC phổ biến nhất là phương pháp pha đảo ngược, dựa trên tương tác kỵ nước của pha động (dung dịch nước) phân cực và chất hấp thụ không phân cực, chẳng hạn như silica gel.
Phương pháp này được sử dụng rộng rãi để tách, phân tích,kiểm tra chất lượng các chất không bay hơi, không bền nhiệt không thể chuyển sang trạng thái khí. Đây là hóa chất nông nghiệp, thuốc, thành phần thực phẩm và các chất phức tạp khác.
Tầm quan trọng của nghiên cứu sắc ký
Các loại sắc ký khác nhau được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau:
- hóa học vô cơ;
- hóa dầu và khai thác mỏ;
- hóa sinh;
- thuốc và dược phẩm;
- ngành thực phẩm;
- sinh thái;
- tội phạm học.
Danh sách này không đầy đủ, nhưng phản ánh mức độ bao phủ của các ngành công nghiệp không thể làm mà không có phương pháp sắc ký phân tích, tách và tinh chế các chất. Trong tất cả các lĩnh vực ứng dụng của sắc ký, từ các phòng thí nghiệm khoa học đến sản xuất công nghiệp, vai trò của các phương pháp này càng gia tăng khi các công nghệ hiện đại để xử lý thông tin, quản lý và kiểm soát các quá trình phức tạp.
