Tìm hiểu về phương pháp sắc ký trao đổi ion

PAGE  PAGE 1 TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC & THỰC PHẨM BỘ MÔN: PHÂN TÍCH THỰC PHẨM  TIỂU LUẬN Giảng viên hướng dẫn: NGUYỄN ĐỨC VƯỢNG Lớp: ĐHTP 4 TLT Tp. HCM, tháng 11 năm 2011 VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ THỰC PHẨM GVHD: NGUYỄN ĐỨC VƯỢNG BỘ MÔN: PHÂN TÍCH ĐỊNH LƯỢNG ―  ― TIỂU LUẬN: DANH SÁCH NHÓMSTTTHÀNH VIÊNMSSVNHIỆM VỤ1Nguyễn Lê Thảo Hoàng10320561Tìm kiêm nội dung2Cáp Thị Thanh Huyền10378431Tìm kiêm nội dung3Phạm Thị Lang10347691Tìm kiêm nội dung4Mai Thị Cẩm Nhung10369471Tìm kiêm nội dung5Nguyễn Thị Hồng Nhung10318501Tìm kiêm nội dung6Nguyễn Phước Quang10321621Tìm kiêm nội dung7Đinh Quang Thành10347681Tổng hợp nội dung, chỉnh sửa nội dung8Đỗ Tấn Thạnh10323171Tìm kiêm nội dung9Hồ Huỳnh Phước Thắng10312591Tìm kiêm nội dung10Trần Quốc Thắng10353351Tìm kiêm nội dung11Bùi Thị Kim Thoa10345141Tìm kiêm nội dung12Hà Thanh Tú10323591Tìm kiêm nội dung13Nguyễn Thị Thùy Vân10319101Tìm kiêm nội dung Tp. HCM, tháng 11 năm 2011 LỜI CẢM ƠN Qua thời gian thực hiện bài tiểu luận với chủ đề “TÌM HIỂU VỀ PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ TRAO ĐỔI ION” đã giúp chúng em hiểu sâu hơn về phương pháp Sắc ký trao đổi ion trong Phân tích định lượng của ngành Hóa học cũng như trong ngành công nghệ thực phẩm, về phương pháp phân tích thực phẩm bằng sắc ký trao đổi ion; đồng thời giúp nâng cao các kỹ năng cần thiết khi làm bài tiểu luận. Để có được những điều đó là nhờ sự giúp đỡ của mọi người. Chúng em xin chân thành cám ơn: Trường ĐH Công Nghiệp HCM đã tạo điều kiện cho chúng em đã tốt nghiệp được tiếp tục học liên thông lên Đại học tại đây. Viện CN Sinh Học Và Thực Phẩm đã cung cấp các tài liệu học tập môn “Phân tích thực phẩm” đến chúng em để dùng làm cơ sở thực hiện bài tiểu luận này. Thầy: Nguyễn Đức Vượng đã tận tình hướng dẫn cho cả lớp nói chung và nhóm chúng em nói riêng để có thể hoàn thành trọn vẹn bài tiểu luận này. Gia đình, bạn bè đã động viên và giúp đỡ. Tp. HCM, tháng 11 năm 2011 Nhóm: Sắc ký trao đổi ion MỤC LỤC. LỜI CẢM ƠN 2 MỤC LỤC 3 PHẦN A. MỞ ĐẦU 6 1. ĐẶT VẤN ĐỀ 6 2. MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU 6 3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 6 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 7 5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU 7 6. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 7 PHẦN B. NỘI DUNG 8 Chương 1. GIỚI THIỆU VỀ SẮC KÝ 8 1.1. TỔNG QUAN VỀ SẮC KÝ 8 1.1.1. Vài nét lịch sử 8 1.1.2. Dịnh nghĩa. 9 1.2. PHÂN LOẠI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH SẮC KÝ. 9 1.2.1. Phân loại theo hệ pha. 9 1.2.2. phân loại theo cơ chế tách. 10 1.2.2.1. Sắc ký hấp thụ. 10 1.2.2.2. Sắc ký phân bố lỏng - lỏng. 10 1.2.2.3. Sắc ký ion ( trao đổi ion). 10 1.2.2.4. Sắc ký rây phân tử (sắc ký loại cở). 10 1.2.3. phân loại theo cách hình thành sắc đồ. 11 1.2.3.1. phân tích tiền lưu. 11 1.2.3.2. phân tích thế đẩy. 11 1.2.3.3. Phân tích rửa giải. 12 1.3. CÁC LỰC LIÊN KẾT TRONG SẮC KÝ. 13 1.3.1. Lực liên kết ion. 13 1.3.2. Lực phân cực 13 1.3.3. Lực Van - de - Van (lực phân tán). 14 1.3.4. Lực tương tác đặc biệt. 14 1.4. SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA BA THÀNH PHẦN TRONG HỆ SÁC KÝ 14 1.5. MỘT SỐ ĐẠI LƯỢNG DÙNG TRONG SẮC KÝ. 16 1.5.1. Hệ số phân bố KD và cách xác định. 16 1.5.2. Sự liên hệ giữa tốc độ di chuyển của chất phân tích và KD 17 1.5.3. Thời gian lưu tR, thời gian lưu hiệu chỉnh tR’ 17 1.5.4. Thể tích lưu Vm, thể tích lưu hiệu chỉnh. 18 1.5.5. Hệ số tách α (còn gọi là hệ số lưu giữ tương đối) 18 1.5.6. Sắc đồ. 18 1.5.7. Đĩa lý thuyết 19 1.5.7.1. Khái niệm đĩa lý thuyết 19 1.5.7.2. Đĩa lý thuyết có tính thời gian không lưu giữ, nef . 20 1.5.8. Độ phân giải và cách làm tăng độ phân giải. 20 1.5.8.1. Độ phân giải. 20 1.5.8.2. Cách làm tăng độ phân giải 21 Chương 2. SẮC KÝ TRAO ĐỔI ION 24 2.1. KHÁI QUÁT VỀ SẮC KÝ TRAO ĐỔI ION. 24 2.2. BẢN CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH SẮC KÝ TRAO ĐỔI ION. 25 2.2.1. Ionit. 26 2.2.1.1. Nhựa trao đổi ion. 26 2.2.1.2. Cationit. 27 2.2.1.3. Anionit. 28 2.2.1.4. Ionit lưỡng tính. 29 2.2.2. Cơ chế trao đổi ion. 29 2.3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG. 31 2.4. THIẾT BỊ ỨNG DỤNG 31 2.4.1. Một số thiết bị sắc ký trao dổi ion dùng trong phòng thí nghiệm. 31 2.4.2. Ứng dụng của sắc ký trao dổi ion trong phân tích định lượng. 33 2.5. SO SÁNH VỚI CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC VÀ TỐI ƯU HÓA SẮC KÝ TRAO ĐỎI ION. 34 2.5.1. Điểm giống nhau. 34 2.5.2. Điểm khác nhau. 34 2.5.3. Tối ưu hóa sắc ký trao đổi ion. 35 PHẦN C. TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 PHẦN A. MỞ ĐẦU 1. ĐẶT VẤN ĐỀ: Ngày nay với sự pháp triển nhanh của khoa học công nghệ thực phẩm, đã tạo ra nhiều đã tạo ra nhiều sản phẩm thực phẩm vời nhiều chủng loại khác nhau để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người. Có nhiều loại thực phẩm dễ bị hư hỏng hoặc để kéo dài thời gian bảo quản,… để đạt dược nguồn nguyên liệu hay sản phẩm như mong muốn cần sử dụng chất bảo quản hay thuốc bảo vệ thực vật, nhưng có nhiều khi người ta sử dụng vượt quá nồng độ cho phép gây ảnh hưởng xấu đến người tiêu dùng, thiệt hại lớn đến doanh nghiệp, tổn thất nền kinh tế Quốc gia. Sự ra đời và phát triển của ngành phân tích thực phẩm dã tạo ra nhiều thiết bị phân tich nhanh và chính xác cung đã giải quyết một phần nào đố về các vấn đề này. Vì thế, nhóm chúng em quyết định chọn mảng “phân tích thực phẩm bằng phương pháp sắc ký”, kết hợp với phương pháp trao đổi ion để thực hiện nghiên cứu một đề tài hoàn chỉnh, đó là: “Tìm hiểu về phương pháp sắc ký trao đổi ion” 2. MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU: Mục đích: - Để tìm hiểu chung về phân tích thực phẩm bằng phương pháp sắc ký. - Để tìm hiểu về bản chất, các yếu tố ảnh hưởng, thiết bị ứng dụng và so sánh với các phương pháp khác từ đó nhằm khắc phục những nhược điểm những hạn chế của phương pháp sắc ký trao đổi ion để nâng cao tính khả dụng của phương pháp này. Yêu cầu: - Vận dụng side bài giảng của thầy Nguyễn Đức Vượng, các cuốn sách và các tài liệu từ nhiều nguồn chuyên về phân tích thực phẩm bằng sắc ký trao đổi ion để nghiên cứu về phương pháp này. 3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU: - Bản chất của quá trình sắc ký trao đổi ion - Các yếu tố ảnh hưởng - Thiết bị và ứng dụng của phương pháp này - So sánh với các phương pháp phân tích thực phẩm khác 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: - Tìm kiếm nội dung từ nhiều nguồn - Tập hợp nội dung - Biên tập lại thành bài hoàn chỉnh - … 5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU: - Bài tiểu luận được nghiên cứu và thực hiện trong khoảng 2 tuần, được thực hiện tại trường ĐH Công Nghiệp HCM - Thông tin trong bài tiểu luận được sưu tầm từ nhiều nguồn. 6. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU: - Làm rõ được bản chất, cơ chế của quá trình - Tìm hiều sâu hơn về sắc khý trao đổi ion - Tìm ra được những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình - Nêu được những ứng dụng và thiết bị trong chuyên ngành phân tích thực phẩm. - So sánh ưu và nhược điểm với các phương pháp khác - Đề ra được những biện pháp cho sự tối ưu hóa của sắc ký trao đổi ion. PHẦN B. NỘI DUNG. Chương 1. GIỚI THIỆU VỀ SẮC KÝ. 1.1. TỔNG QUAN VỀ SẮC KÝ. 1.1.1. Vài nét lịch sử. Phương pháp sắc ký được phát triển vào năm 1903 do nhà thực vật hoc người Nga Michael C.Txvet.Ông thực sự là người đầu tiên có công tìm ra phương pháp, giải quyết vấn đề tách các chất có tính chất giống nhau theo một cơ chế độc đáo, hoàn toàn khác với phương pháp tách đã từng có trước đây, tuy nhiên phát hiện này đã bị lãng quên nhiều năm. Năm 1941, Martin và Synge đã phát triển sắc ký phân bố trên giấy và đưa ra lý thuyết đĩa để giải thích các quá trình sắc ký, các tác giả đã ứng dụng để tách các ancaloit từ các cây thuốc phục vụ cho chế tạo dược phẩm. Do có công trong việc phát triển lý thuyết của phương pháp cho nên năm 1952 hai ông được nhận giải thưởng Nobel về hoá học. Cũng từ năm 1952 những máy sắc ký mới ra đời tỏ ra có ưu thế do có hiệu quả tách rất cao. Cột mao quản và các detectơ sau này được cải tiến tăng độ phân giải và độ nhạy của phương pháp người ta có thể phân tích được các chất có hàm lượng nhỏ cở ppm và ppb. Từ đây phương pháp được phát triển nhanh, ứng dụng được nhiều trong thực tế. Về sắc ký lỏng một kỹ thuật mới được phát hiện từ năm 1970 làm tăng hiệu quả tách đó là sắc ký lỏng hiệu năng cao (high performance lipuid chromatography- HPLC): Chất nhồi cột được cải tiến, máy tính và thiết bị vào bổ trợ được đưa vào, tăng cường khả năng của phương pháp. Ngày nay kỹ thuật ghép nối giữa sắc ký và các phương pháp khác được áp dụng. Đó là kỹ thuật ghép nối giữa sắc ký và khối phổ ( GC-MS, GC-MS) sắc ký và cộng hưởng hạt nhân, sắc ký đa chiều, sắc ký điện mao quản (CEC)... Phương pháp có độ chính xác và độ nhạy rất cao, phân tích được nhiều đối tượng phức tạp hơn. 1.1.2. Dịnh nghĩa. 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 lạ pha động; do các cấu tử chất phân tích có ái lực khác nhau với pha tĩnh, chúng di chuyển với tốc độ khác nhau và tách ra khỏi nhau. 1.2. PHÂN LOẠI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH SẮC KÝ. 1.2.1. Phân loại theo hệ pha. Phương pháp đầu tiên được nhiều người quan tâm, đây là phương pháp phân loại đơn giản theo hệ pha tức là chất phân tích phân bố giữa hai pha là gì? Sơ đồ phân loại các phương pháp sắc ký: hệ pha Cơ chế 1.2.2. phân loại theo cơ chế tách. 1.2.2.1. Sắc ký hấp thụ. sắc khí hấp thụ là phương pháp dựa trên cơ sở phân bố chất phân tích giữa pha tĩnh và pha động nhờ tương tác phân tử thông qua các trung tâm hấp thụ. Pha tĩnh là các chất rắn hoặc lỏng có diện tích bề mặt lớn, bền vững về mặt hoá học. Chúng hấp thụ chất phân tích trên bề mặt của chúng ở các mức độ khác nhau khi cho pha động chứa chất phân tích tiếp xúa với chúng. Tuỳ thuộc lực liên kết giữa pha tĩnh và từng cấu tử chất phân tích có trong pha động, khi cho pha động đi qua pha tĩnh chúng sẽ di chuyển với tốc độ khác nhau. 1.2.2.2. Sắc ký phân bố lỏng - lỏng. sự phân biệt giữa sắc ký phân bố lỏng-lỏng và sự phân bố thông thường là ở chỗ sắc ký phân bố lỏng - lỏng còn được gọi là sắc ký chiết, pha tĩnh là chất lỏng pha động cũng là chất lỏng, sự phân bố chất phân tích giữa hai pha lỏng giống như quá trình chiết, còn sự phân bố nói chung là sự phân chia chất phân tích vào hai pha không cần xét tới lỏng hay rắn. Điểm khác nhau cơ bản giữa sắc ký phân bố lỏng - lỏng và sắc ký hấp phụ là ở chỗ: sắc ký phân bố lỏng- lỏng có đường đẳng nhiệt tuyến tính ở khoảng nhiệt độ lớn, phương pháp có độ nhạy cao nhưng có nhược điểm là pha tĩnh không được bền vững, hiện tương trôi mất pha tĩnh làm cho độ lặp lại bị giảm. 1.2.2.3. Sắc ký ion ( trao đổi ion). pha tĩnh thường là pha rắn có khả năng trao đổi ion của nó với các chất phân tích trong pha động.Chất có khả năng trao đổi cation gọi là cationit, còn chất có khả năng trao đổi anion gọi lá anionit. Lực liên kết chủ yếu giữa chất phân tích và pha tĩnh chủ yếu là liên kết tĩnh điện , phụ thuộc nhiều vào điện tích của ion chất phân tích, pH của dung dịch và bán kýnh hidrat hoá của các ion chất phân tích. Ví dụ: phản ứng trao đổi ion giữa cationit acid mạnh và Ca2+ có thể viết như sau: 2R-SO3H + Ca2+ = (R-SO3)Ca + 2H+ Phản ứng của anionit bazơ mạnh với Cl- : R-N(CH3)3OH + Cl- = R-N(CH3)3Cl + OH- 1.2.2.4. Sắc ký rây phân tử (sắc ký loại cở). Pha tĩnh là các chất rắn có diện tích bề mặt lớn, xốp, có những đường đi trong lòng chất rắn, còn gọi là mao quản có kých thước cở phân tử. Các phân tử chất phân tích có thể thấm vào chất đó ở mức độ khác nhau tuỳ theo kých thước của chúng. Các chất phân tích có kých thước lớn không thể đi vào sâu vào pha tĩnh được, sẽ bị rửa giải nhanh còn các phân tử chất phân tích có kých thước nhỏ phân bố sâu vào pha tĩnh sẽ bị rửa giải chậm. Thứ tự rửa giải là các chất có kich thước nhỏ đi ra sau và ngược lại. Thời gian lưu của các chất tỷ lệ nghịch với kých thước phân tử của chúng. Tuy nhiên chất phân tích có thể có tương tác khác với pha tĩnh. Như vậy một phép sắc ký có thể tách theo một hay nhiều cơ chế khác nhau mà chúng ta không xét ở đây. 1.2.3. phân loại theo cách hình thành sắc đồ. 1.2.3.1. phân tích tiền lưu. các cấu tử A, B, C có ái lực với pha tĩnh là A utư = Chương 2. SẮC KÝ TRAO ĐỔI ION 2.1. KHÁI QUÁT VỀ SẮC KÝ TRAO ĐỔI ION. Sắc ký trao đổi ion (IC) là một phần của sắc ký lỏng (LC). Theo Liên minh Quốc tế của Cơ bản và Ứng dụng Hóa học (IUPAC) sắc ký trao đổi ion được định nghĩa như sau: "Sắc ký trao đổi ion dựa trên sự khác biệt của các phân tử gần nhau tao đổi ion với nhau trong chất phân tích. Nếu các ion vô cơ được tách ra và có thể được phát hiện bởi các máy đo độ dẫn hoặc bằng các tia UV phát hiện gián tiếp sau đó cũng gọi là sắc ký ion". Vì một vài lý do mà định nghĩa này không được sử dụng. Kỹ thuật phát hiện cần được xem xét riêng biệt từ cơ chế phân tách hiện có. Ngoài ra, một hạn chế của sắc ký ion các ion vô cơ đó là khó hiểu trong thực tế khi sử dụng trong hệ thống cho cả hữu cơ và các ion vô cơ có thể được tách ra và xác định cùng một lúc. Một định nghĩa tổng quát hơn và phù hợp hơn để xác định ion sắc ký: “Ion sắc ký bao gồm tất cả các phân tách sắc ký lỏng nhanh chóng của các ion trong các cột cùng trực tuyến với phát hiện và định lượng trong dòng chảy thông qua một máy dò”. Định nghĩa này đặc trưng cho sắc ký ion không phân biệt của cơ chế tách và phát hiện phương pháp trong khi tại cùng một thời gian nhất định. Sau đây nguyên tắc của sự phân tách áp dụng trong sắc ký trao đổi ion: • trao đổi ion • hình thành cặp ion • ion loại trừ Phương pháp sắc ký được xác định bởi cơ chế tách tĩnh hoặc tách động được sử dụng. Ngày nay sắc ký trao đổi ion chỉ đơn giản là được gọi là sắc ký ion (IC), trong khi cặp sắc ký ion (IPC) và sắc ký ion loại trừ (IEC) được coi như là các ứng dụng chuyên sâu hơn. Sắc ký trao đổi Ion (IC) là một quá trình cho phép phân tách các ion hay các phân tử phân cực dựa trên tính chất của chúng. Hiện nay, tại Việt Nam có khá nhiều hệ thống sắc kí ion của nhiều hãng nổi tiếng khác nhau. Đối với hệ Metrohm, miền Bắc có rất nhiều Viện nghiên cứu, Trung Tâm,...sử dụng các máy như 881, 882, 861,...còn Thành phố Hồ Chí Minh, có Trung Tâm Dịch Vụ Phân Tích Thí Nghiệm đang sử dụng là 850 IC professional. Đây là hệ thống phân tích Ion có nhiều ưu điểm và tiện lợi cho phân tích viên: - Phân tích các Cation - Phân tích các Anion - Phân tích hợp chất: polyphosphate, tripolyphosphate, choline,... Khả năng phân tích ppb - ppm - % Độ chính xác cao. Đi kèm với phần mềm MagicNet dễ dàng sử dụng. 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 DD phân tích, khi cho DD này đi qua cột được nạp đầy pha tĩnh. Các pha tĩnh trong trường hợp này được gọi là chất trao đổi ion 2.2. BẢN CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH SẮC KÝ TRAO ĐỔI ION. Sắc ký trao đổ ion 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. Các pha tĩnh trong trường hợp này được gọi là chất trao đổi ion, 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. Sắc ký trao đổi ion (IC) được 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. Trong trường hợp đơn giản trong sắc ký cation đây là những nhóm axit sulfonic, anion sắc ký là amoni nhóm bậc bốn. Trong các ion lý thuyết với cùng bản chất có thể được trao đổi hoàn toàn thuận nghịch giữa hai giai đoạn. Quá trình trao đổi ion dẫn đến một điều kiện của cân bằng. Trao đổi Ion thông thường bao gồm các giai đoạn vững chắc trên bề mặt có các nhóm ion được cố định. Bởi vì các điều kiện của electroneutrality luôn luôn có một điện tích trái dấu khi nhận ion trong vùng lân cận của các nhóm chức năng. Ion nhận thường bắt nguồn từ giai đoạn di động và do đó còn được gọi là eluent ion. Nếu mẫu được bổ sung, trong đó có hai ion chất phân tích A- và B- sau đó một thời gian ngắn thay eluent ion E- và được giữ lại cố định trước khi chúng lần lượt trao đổi ion eluent. Đối với anion sắc ký kết quả này trong cân bằng thể hồi phục sau đây: (1) (2) 2.2.1. Ionit. Ionit là hộp chất polymer vô cơ và hữu cơ không tan có chứa nhóm hoạt động, bao gồm ionit vô cơ tụ nhiên (nhóm zeolite, nhóm đất sét, nhóm glauconit,…) ionit vô cơ tổng hợp (các xenlulose như permunit, zeolite) và các hữu cơ tự nhiên và các ionit hữu cơ tổng hợp, được gọi là nhựa trao đổi ion. Các ionit vô cơ và hữu cơ tự nhiên ít được sử dung 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 chức nhựa trao đổi ion. 2.2.1.1. Nhựa trao đổi ion. Nhựa trao đổi ion được cấu tạo hợp chất polymer hữu cơ gồm các sườn hydrocarbon có mang các nhóm chất hoạt động. các nhóm chức này nối với các ion linh động bằng lực hút tĩnh điện. Có hai loại nựa chính: cation (nhựa trao đổi cation), anion (nhựa trao đổi anion). Ngoài ra cón 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 khí: ionit lỏng và cả màng trao đổi ion. + Tính chất vật lý của nhựa. Màu sắc: vàng, nâu, đen, thẩm. Trong quá trình sử dụng nhựa, màu sắc của nhựa mất hiệu lực thường thâm hơn một chút. Hình thái: nhựa trao đổi ion thường ở dạng tròn. Độ nở: khi đem nhựa dạng keo ngâm vào trong nước, thể tích của nó biến đổi lớn. Độ ẩm: là % khối lượng nước trên khối lượng nhựa ở dạng khô (độ ẩm khô), hoặc ở dạng ướt (độ ẩm ướt). Tính chịu nhiệt: các loại nhựa bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ đều có giới hạn nhất định , vượt quá giới hạn này nhựa bị nhiệt phân giải không sử dụng được. Nhiệt độ hoạt động tốt từ 20-50o C. Tính dẩn điện: chất trao đổi ion ẩm dẩn điện tốt, tính dẫn điện của nó phụ thuộc vào dạng ion. Kích thước hạt: Resin có dạng hình cầu d = 0,04 - 1,00 mm. Tính chịu mài mòn: trong vận hành các chất trao đổi ion cọ sát lẫn nhau và nở ngót, có khả năng dể vỡ vụn. Đây là một chỉ tiêu ảnh hưởng đến tính năng thực dụng của nó. Tính chịu oxy hoá: chất oxy hoá mạnh có thể làm cho nhựa bị lão hoá (trơ) + Tính năng thuận nghịch của phản ứng trao đổi ion. Phản ứng trao đổi ion là phản ứng thuận nghịch. Dựa trên tính chất này người ta dùng dung dịch chất hoàn nguyên, thông qua chất trao đổi ion đã mất hiệu lực để khôi phục lại năng lực trao đổi của nó. CaR2 + 2H +( nhựaThí dụ: 2HR + Ca 2+ trao đổi) 2HR + Ca 2+(hoàn nguyên)CaR 2 + 2H+. Tính acid, kiềm: tính năng của chất Cationit RH và chất Anionit ROH, giống chất điện giải acid, kiềm. Tính trung hoà và thuỷ phân: tính năng trung hoà và thuỷ phân của chất trao đổi ion giống chất điện giải thông thường. Tính chọn lựa của chất trao đổi ion. Ở hàm lượng ion thấp trong dung dịch, nhiệt độ bình thường, khả năng trao đổi tăng khi hoá trị của ion trao đổi tăng. + Thứ tự ưu tiên khi trao đổi. Đối với nhựa Cationit acid mạnh (SAC), Fe 3+ > Al 3+ > Ca 2+ > Mg 2+ > K+ > H+ > Li+. Đối với nhựa Cationit acid yếu (WAC) H+ > Fe3+ > Al 3+ > Ca2+ > Mg 2+ > K+ > Na+ > Li+ Đối với nhựa Anionit kiềm mạnh (SBA), Đối với nhựa anionit kiềm yếu (WBA) Ở hàm lượng ion thấp nhiệt độ bình thường và những ion cùng hoá trị, khả năng trao đổi tăng khi số điện tử của ion trao đổi lớn (bán kính hydrat hoá lớn) Ở hàm lượng ion cao, khả năng trao đổi của các ion không khác nhau nhiều lắm. Hiện nay, các loại nhựa trao đổi ion được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp ngưng tụ hợp trùng hợp monomer. 2.2.1.2. 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. Nhựa trao đổi cation được trao tổng hợp bằng phương pháp ngưng tụ đếu 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. Các cationit tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp monome 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 duvinylbenzene 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. 2.2.1.3. 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 baz. Độ baz phụ thuộc vào độ baz 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. 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 baz 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 baz mạnh, bền hóa và bền nhiệt tốt lại đơn chức nên được sử dụng rộng rãi hơn anionit ngưng tụ. Qúa 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 clometyl hóa) và tiếp tục amin hóa với trimetylamin hoặc dimetyletanolamin để thu được anionit baz mạnh. 2.2.1.4. Ionit lưỡng tính. Trên mạng lưới không gian của ionit lưỡng tính vừa chứa nhóm chức acid vừa chứa nhóm chức baz 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, baz, trung tính);cationit carboxylate (- COOH) là cationit acid yếu (hoạt động tốt trong môi trường kiềm); anionit amin tam, nhi, nhất là các anionit kiềm yếu (hoạt động tốt trong môi trường acid). 2.2.2. Cơ chế trao đổi ion. Mạng lưới của ionit là mạng không gian cao phân tử không đồng đều của các mạch liên kết hydrocacbon. Khả năng trao đồi ion của ionit phụ thuộc rất lớn vào mạng lưới cấu trúc của ionit, cụ thể là các mức liên kết ngang,số lượng và bản chất cac nhóm chức. nói khả năng trao đổi ion của ionit phụ thuộc vào cấu trúc bởi vì tính ưa nước của ionit được quyết định bởi cấu trúc, mà chính tính ưa nước này làm cho ionit có khả năng trương trong nước, chó phép các ion tứ dung dịch khuyết tán nhiếu hay ít bên trong mạng lưới. Khi ngâm nhựa vào nước, nhựa truong nở, các nhóm chứa ion trở nên linh động hơn và có thể bị phân li một phần. các phản ứng trao đổi xảy ra giữa các ion pha tĩnh và các ion trong dung dịch rất tương đồng các phản ứng trao đổi giữa các cấu tử tiếp súc với nhau trực tiếp trong dung dịch theo phản ứng hoá 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 qua trình trở nên 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 đối 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 ngựơc 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 …, 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. + 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. Về mặt định lượng, khả năng trao đổi ionit là trao đổi theo dương lượng các chất. 2.3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG. Các yếu tố có thể ảnh hưởng đến khả năng áp dụng và hiệu quả của quá trình này bao gồm: * Dầu và mỡ trong nước ngầm có thể làm tắc nghẽn các nhựa trao đổi. Chất rắn lơ lửng lớn hơn 10 ppm có thể gây ra nhựa làm mù. * PH của nước chảy đến có thể ảnh hưởng đến việc lựa chọn nhựa trao đổi ion. * Oxy hóa trong nước ngầm có thể làm hỏng nhựa trao đổi ion. Xử lý nước thải được tạo ra trong các bước tái tạo và sẽ cần điều trị bổ sung và xử lý. Đối với sắc kí trao đồi ion cationit acid mạnh, khi các cation có bán kính càng nhỏ thì khả năng hidrat hóa trong dd nước càng lớn. Do đó những ion có bán kính càng nhỏ thì bán kính hidrat hóa càng lớn, do đó ái lực tương tác với pha tĩnh càng yếu nên ít bị giữ lại. Còn đối với cột cationit acid yếu thì khả năng lưu giữ chủ yếu trên tương tác của pha tĩnh với H có tính acid của các phân tử nước bị hidrat hóa nên thứ tự ngược lại (đính chính với lần trước là tưong tác giữa pha tĩnh với chất tan chứa không phải dung môi rữa giải với chất tan) Còn đối với cột anionit bazo thì thứ tự rữa giải phụ thuộc vào khả năng tương tác của pha tĩnh với chất tan. 2.4. THIẾT BỊ ỨNG DỤNG 2.4.1. Một số thiết bị sắc ký trao dổi ion dùng trong phòng thí nghiệm. + 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 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, + 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 Máy sắc lý 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. + Máy sắc lý 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). Số đường dung môi: 02 dòng Tốc độ dòng: 0.001 - 10.000 ml/min, Mức phân giải: 0, 001 ml/ph. Độ chính xác của lưu lượng dòng: < 0.1 % RSD (0,075% tới 0,1% RSD : Flow precision of < 0,075 RSD or better) 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 Khử khí dung môi cho hệ thống Có hệ thống kiểm tra sụ rò rỉ Chương trình giới hạn áp suất trên, giới hạn áp suất  dưới chọn lựa psi, kPa, bar. Khối lượng: 32 kg Điện áp: từ  88 V - 264 V AC Tần số: 47 - 63 Hz Nhiệt độ thao tác trong khoảng: 40C - 400C 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 ... 2.4.2. Ứng dụng của sắc ký trao dổi ion trong phân tích định lượng. - Trao đổi ion đã chứng tỏ là một trong những phương pháp chính của phân đoạn của bất ổn định sinh học chất,sắc ký trao đổi ion đã đóng một vai trò quan trọng trong việc tách và tinh chế phân tử sinh học và đóng góp đáng kể vào sự hiểu biết của chúng ta về quá trình sinh học,sắc ký ion trao đổi, phổ biến với các kỹ thuật tách khác trong khoa học đời sống, là giai đoạn lọc duy nhất trong tách hoặc phân tích các mẫu sinh học phức tạp. Ion trao đổi thường xuyên kết hợp với các kỹ thuật khác được phân chia theo các thông số khác như kích thước (Gel lọc), sợ nước (kỵ nước tương tác sắc ký hoặc sinh học hoạt động (mối quan hệ sắc ký). - 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. - 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 dể 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 … 2.5. SO SÁNH VỚI CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC VÀ TỐI ƯU HÓA SẮC KÝ TRAO ĐỎI ION. 2.5.1. Điểm giống nhau. - Sử dung để định tính và định lượng một hỗn hợp nhiều cấu tử. - Thiết bị sắc kỳ thường 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. 2.5.2. Điểm khác nhau. Sắc ký hấp phụ lỏngSắc ký trao đổi ionSắc ký giấySắc 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: Lực cảm ứng: hình thành khi trong phân tử có sẵn điện trường. Lực liên kết hóa học: giũa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ+ Dựa trên hiện tượng trao đổi thuận nghịch giũa các ion linh động của pha tĩnh rắn với các ion trong dung dịch phân tích. + 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+ Sắc ký giấy thuộc dạng sắc ký phân bố lỏng, mà chất mang pha lỏng là giấy sắc ký. + Nhờ có cáu tạo đặc biệt giấy sắc ký 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.+ Sắc ký khí là sắc khí mà pha dộng là dạng khí hoặc ở dạng hơi. + Khi pha tĩnh là chất hấp phụ rắn thì ta có sắc ký khí hấp 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. 2.5.3. Tối ưu hóa sắc ký trao đổi ion. Để đạt được hiệu suất cao và giảm chi phí điều chế các kỹ thuật và quy trình sắc ký cần được tối ưu hóa. Quá trình tối ưu hóa quy trình luôn là một vấn đề phức tạp, đòi hỏi một thời gian thử nghiệm lâu dài và có phương pháp phù hợp. Trong thực tế tối ưu háo có nghĩa là dung hòa các yếu tố sao cho đạt dược độ phân giải cao nhất có thể trong thời gian chất nhận được hoặc đạt dược trong thời gian ngắn nhất ứng với độ phân giải đạt yêu cầu (các peak tách hoàn toàn ra khỏi nhau). Khi đánh giá khả năng tách các cấu tử ra khỏi nhau, sẽ không đầy đủ nêu cho rằng khả năng này phụ thuộc hoàn toàn vào độ hiệu nghiệm của cột. Thực ra chiều cao đĩa lý thuyết chỉ thể hiện tốt độ rộng của peak sắc ký, còn muốn đánh giá khả năng tách của cột (hay lớp mỏng) một cách hoàn thiện phải xem xét đồng thời hiệu năng của cột, độ chọn lọc, độ tách và dung lượng cột thông qua chiều cao đĩa lý thuyết H, hệ thống chọn lọc , độ phân giải Rs và hệ số chứa K’. Nói một cách cụ thể hơn đệ thực hiện tối ưu hóa người ta thay đổi các điều khiện thí nghiệm nhằm mục đích làm giảm sự dãn rộng của peak và làm biến dổi vận tốc di chuyển tương đối của các cấu tử. Như chúng ta đã biết, sụ dãn rộng vùng chất sắc ký tăng lên là do các biến đỏi động học làm tăng chiều cao đĩa lý thuyết của cột, còn tấc độ di chuyển của các cấu tử còn phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố gây ảnh hưởng đến hệ số chứa và hệ số chọn lọc. PHẦN C. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. “Phân tích định lượng” Nhà xuất bản Đại học Quốc gia tp. Hồ Chí Minh. 2. “Slide bài giảng” Thấy Nguyễn Đức Vượng. 3. “Phân tích hóa học định lượng” NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1995. 4. “Các phương pháp Sắc ký” NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội. 5.  HYPERLINK ""  6.  HYPERLINK ""  7.  HYPERLINK ""  8.  HYPERLINK ""  9.  HYPERLINK ""  10.  HYPERLINK ""  11.  HYPERLINK ""  12. HYPERLINK " s%E1%BA%AFc-ki-trao-%C4%91%E1%BB%95i-ion"  s%E1%BA%AFc-ki-trao-%C4%91%E1%BB%95i-ion