Giáo trình chiết và cô lập các hợp chất tự nhiên, chương 5 sắc ký trao đổi ion

NGUYÊN TẮC Sắc ký trao đổi ion là quá trình trong đó dung dịch của một chất điện ly được cho tiếp xúc với nhựa resin trao đổi ion và những ion hoạt động trên bề mặt của nhựa được thế chỗ

CHƯƠNG 5:

SẮC KÝ TRAO ĐỔI ION

I NGUYÊN TẮC

Sắc ký trao đổi ion là quá trình trong đó dung dịch của một chất điện ly được cho tiếp xúc với nhựa (resin) trao đổi ion và những ion hoạt động trên bề mặt của nhựa được thế chỗ bằng những ion có cùng điện tích của dung dịch chất điện ly Nhựa trao đổi ion là những chất không tan trong nước, mang những nhóm chức có điện tích, các nhóm chức này sẽ liên kết với các đối-ion (contre-ions) có trong dung dịch cần phân tích Nếu nhựa mang nhóm chức có điện tích dươn,g thì đối-ion sẽ có điện tích âm và sẽ trao đổi với các

ion âm, nhựa loại này được gọi là nhựa trao đổi anion Ngược lại, nhựa mang các nhóm

chức có điện tích âm, đối-ion có điện tích dương, nhựa thực hiện trao đổi với các ion

dương, nên gọi là nhựa trao đổi cation

II PHÂN LOẠI

Nhựa trao đổi anion mang những nhóm chức phân cực amonium tam hoặc tứ cấp

(-CH2NR2 hoặc –CH2-N+R3) Nhựa trao đổi anion thường được sản xuất ở dạng Clorur (Cl-) hơn là dạng hydroxid (OH-) vì dạng Clorur bền hơn

Nhựa trao đổi cation mang những nhóm chức phân cực có tính acid, thường là SO3H; COOH; OH; H3PO4 Các nhóm này được gắn vào những phân tử polimer (nhựa) theo những khoảng cách đều đặn

III CÁC LOẠI NHỰA TRAO ĐỔI ION

Các loại nguyên liệu để làm nhựa trao đổi ion bao gồm những hạt không tan trong nước, trên bề mặt của những hạt có mang những nhóm chức có điện tích dương hoặc điện tích âm Các đối-ion tự do sẽ liên kết với những nhóm chức này

Các nguyên liệu làm nhựa trao đổi ion có thể là polysaccharid hoặc resin tổng hợp

Có 3 nguyên liệu chính: nhựa polystyren, các polymer carbonhydrat và silica gel

- Nhựa polystyren là nguyên liệu thông dụng nhất, đó là polystyren hoặc metacrylat mang nhiều nhóm thế mang điện tích Mạng nhựa rắn chắc và bền về mặt hóa học Mạng polystyren chịu được khoảng pH từ 1-14, còn mạng metacrylat chịu được khoảng pH từ 2-10.Nhựa thông dụng nhất là Dowex, được tổng hợp từ styren với divyninbenzen (DVB) để nối mạng ngang

- Polymer carbohydrat: Hạt nhựa là các polysaccharid có tính ái nước (hydrophilic) nên thường được sử dụng để tách các protein

- Một loại nhựa thông dụng là Sephadex Sephadex là dextran được nối mạng ngang tạo mạng 3 chiều, trong đó các nhóm chức hoạt động được gắn lên dextran ngang qua những cầu nối ether Nhựa ở dạng hình cầu nên cho dòng chảy qua giải ly khá

dễ Nhựa trương nở trong nước nên dễ nạp vào cột

Có 2 loại nhựa Sephadex:

- Sephadex 25 có độ nối mạng ngang chặt chẽ, hạt gel trương nở ít, phù hợp để tách các hợp chất tự nhiên

- Sephadex 50 có độ rỗng lớn hơn, thường được dùng để tách các đại phân tử hữu cơ

có trọng lượng lớn hơn 30.000 dalton như các phân tử protein hay những phân tử

dễ bị hư hại Ngoài ra còn có loại nhựa Sepharose (là agarose nối mạng ngang) và cellulose

Gần đây trên thị trường có loại hạt nhựa tạo bởi silica Ngược lại với những hạt nhựa trên, hạt nhựa silica không trương nở theo thành phần dung môi sử dụng Hạt nhựa có nhược điểm là cần có sự ổn định về pH, nhựa bền trong khoảng pH=2-7,5

II ĐẶC ĐIỂM CỦA NHỰA TRAO ĐỔI ION

Trong sắc ký trao đổi ion, yếu tố quan trọng nhất là những nhóm chức (thực hiện sự trao đổi) gắn trên nhựa Việc trao đổi sẽ xảy ra một phần trên bề mặt dung môi tiếp xúc với bề mặt hạt nhựa và một phần bên trong hạt nhựa Người ta thấy rằng với những ion nhỏ (ion kim loại, anion vô cơ có kích cỡ nhỏ, ion hữu cơ kích cỡ nhỏ) dễ dàng bị hấp thu hết bởi những nhóm hoạt động của nhựa trao đổi ion Nhựa có độ nối mạng ngang (cross-linkage) lớn thì kích thuớc lỗ rỗng nhỏ, có tính lựa chọn cao đối với những ion nhỏ, còn những ion lớn sẽ bị đuổi ra khỏi cột nhựa

Nhựa được dùng làm sắc ký trao đổi ion cần có những đặc điểm sau:

- Độ nối mạng ngang 4-8%

- Kích cỡ hạt càng nhỏ càng tốt

- Các hạt phải đồng đều

Trong quá trình trao đổi ion, việc gắn hoặc tách rời các hợp chất ra khỏi nhựa trao đổi ion là một quá trình hấp phụ thuận nghịch, xảy ra chủ yếu theo lực Vander Walls, và có tương tác lưỡng cực Mỗi nhựa được xác định bởi khả năng trao đổi ion của nó Khả năng này được xác định bằng số các nhóm chức mang điện tích trên 1g resin khô Thí dụ, nhựa

có khả năng trao đổi được ghi là 3 meq/g nghĩa là 1g nhựa khô có khả năng trao đổi ion với 3 milimol loại phân tử đơn diện tích hoặc 1 milimol loại phân tử 3 điện tích

Nhựa mạnh (acid mạnh, baz mạnh) được sử dụng nhiều hơn loại yếu nhờ thực hiện việc trao đổi trong khoảng pH mạnh Các loại nhựa acid yếu và baz yếu chỉ hiện diện ở dạng ion khi nó ở dạng muối nên hoạt động trong khoảng pH giới hạn

Nhựa loại baz yếu sẽ hấp phụ các chất có tính acid mạnh và ngược lại

Những loại nhựa trao đổi ion cổ điển thường không thể tách được những phân tử sinh học (có tính phân cực mạnh và có điện tích) ra khỏi hỗn hợp của chúng, bởi vì những phân tử này không chui được vào trong hạt nhựa Hiện nay, một số loại nhựa thương mại dextran rất hiệu quả trong việc tách các hợp chất đại phân tử

Bảng 11: Các đặc tính tổng quát của các loại nhựa trao đổi ion

Nhựa trao đổi ion cation acid mạnh -SO3H 1-14

Nhựa trao đổi ion cation acid yếu -COOH 5-14

Nhựa trao đổi ion anion baz mạnh -CH2-N+R3 1-15

Nhựa trao đổi ion anion baz yếu -CH2NR2 1-9

III NHỰA SEPHADEX

ĐẶC ĐIỂM: Nhựa Sephadex không tan trong dung môi, bền trong nước, các dung

dịch nước muối, dung dịch có tính acid hoặc baz yếu Trong dung dịch có tính acid mạnh,

có thể gây ra sự thủy giải chuỗi dây glucose Cho nên khi sử dụng cần tránh môi trường

có pH<2, tránh nhiệt độ cao và tránh những chất có tính oxi hóa mạnh

Độ rỗng của hạt nhựa không ảnh hưởng đến cơ chế của hạt nhựa gắn vào hợp chất mà chỉ ảnh hưởng đến các nhóm chức hoạt động ở vị trí bên trong hạt nhựa Thí dụ các loại hạt nhựa trao đổi A-25, C-25 thích hợp để sắc ký các hợp chất peptid, protein và nhất là những chất tan có khả năng chui vào bên trong hạt nhựa

Việc chọn lựa một loại nhựa thích hợp tùy thuộc vào điện tích toàn phần của hợp chất cần khảo sát Các hợp chất sẽ gắn vào nhựa trao đổi ion (bằng một lực tĩnh điện) nếu chúng có mang điện tích trái dấu với điện tích của nhựa Nếu hợp chất khảo sát chỉ mang một loại điện tích (điện tích dương hoặc điện tích âm) thì việc chọn nhựa trao đổi ion đơn giản Nếu hợp chất khảo sát mang cả 2 loại điện tích thì điện tích toàn phần của hợp chất

sẽ phụ thuộc vào pH Ở pH nhỏ, hợp chất có điện tích toàn phần là điện tích dương; ở pH lớn, hợp chất có điện tích toàn phần âm, ở pH=pI (pI là điểm đẳng điện của hợp chất) thì hợp chất sẽ có điện tích toàn phần là zero, hợp chất sẽ không gắn vào nhựa

Các protein là hợp chất luỡng cực nên tùy thuộc vào pH mà protein có khả năng gắn vào nhựa trao đổi anion hay nhựa trao đổi cation

- Tại pH>pI: phân tử protein ở dạng anion (H2N-CR2-COO-) và chúng sẽ được tách bởi nhựa trao đổi anion

- Tại pH<pI: phân tử protein ở dạng canion (H3N+-CR2-COOH) và chúng sẽ được tách bởi nhựa trao đổi canion

Tuy nhiên do mỗi loại protein chỉ bền trong một khoảng pH nhất định, vì thế khi chọn loại nhựa trao đổi ion nào phải xem xét đến khoảng pH ổn định của protein đó

- Nếu protein không bị hư ở khoảng pH>pI, có thể dùng nhựa trao đổi anion như DEAE hoặc QAE

- Nếu protein không bị hư ở khoảng pH<pI, có thể dùng nhựa trao đổi cation như

CM hoặc SP

(Bảng 12 nêu một số loại nhựa trao đổi ion dextran hiện đang được sử dụng phổ biến)

Bảng 12: Một số loại nhựa trao đổi ion thương mại

đổi M mol H +

(OH - ) /g nhựa

QAE-Sephadex Baz mạnh Diethyl-(2-hydroxipropyl)aminoethyl 3,0

Việc chọn lựa nhựa sẽ dựa trên vùng bền của protein Tuy nhiên ta rất khó biết điểm đẳng điện của protein nên cũng sẽ không biết vùng bền của protein đó

Thí dụ trong hình dưới đây, nếu vùng bền của protein có pH trong khoảng từ 4-7 thì

có thể chọn loại nhựa trao đổi anion hay cation đều được

Điện tích toàn phần của protein thay đổi theo pH

Nếu chất cần phân tích là một hỗn hợp nhưng biết được điện tích toàn phần của chất cần quan tâm thì có thể chọn được loại nhựa trao đổi ion thích hợp

Trong trường hợp chất cần khảo sát gồm 2 loại: bền và không bền thì nên chọn loại nhựa có thể gắn vào hợp chất có tính bền hơn, hợp chất không bền sẽ bị đuổi ra khỏi cột trước

Việc lựa chọn loại nhựa mạnh hay yếu tùy thuộc vào ảnh hưởng của pH lên điện tích của hợp chất và độ bền của hợp chất đó

Nhựa trao đổi anion mạnh QAE thường được dùng khi sắc ký với hợp chất có tính acid yếu, cần phải ở pH nhỏ mới có thể biến hợp chất đó thành dạng ion Nhựa SP được

sử dụng khi thực hiện ở pH có tính baz cao Những hợp chất dễ bị hư hỏng nên thực hiện với chất trao đổi ion yếu như DEAE và CM

IV DUNG DỊCH ĐỆM VÀ pH

Dung dịch đệm được lụa chọn theo nguyên tắc: dung dịch đệm cation sử dụng cho nhựa trao đổi anion và ngược lại

Lựa chọn pH và nồng độ của dung dịch đệm sao cho hợp chất cần khảo sát phải gắn vào nhựa trao đổi Các điều kiện về pH và nồng độ của dung dịch không khác biệt nhiều khi gắn hợp chất vào nhựa cũng như trong quá trình giải ly ra khỏi cột

pH của dung dịch đệm được chọn sao cho khi ở trong dung dịch đệm đó, hợp chất khảo sát sẽ có điện tích toàn phần trái dấu với điện tích của nhựa trao đổi

Dung dịch đệm phải có pH lớn hơn một đơn vị so với điểm đẳng điện của nhựa trao đổi anion và nhỏ hơn một đơn vị pH so với điểm đẳng điện của nhựa trao đổi cation

Bảng 13: Các dung dịch đệm thông dụng

Acid citric - Citrat natri 2,0-6,0

Acid acetic - Acetat natri 4,2-5,4

Amoniac - clorur amonium 8,2-10,2

Bicarbonat natri - hydroxid natri 9,0-12,0

V SẮC KÝ CỘT TRAO ĐỔI ION

V.1 Chuẩn bị nhựa

Muốn cho kết quả tốt cần phải chuẩn bị tốt việc cân bằng nhựa Nhựa cần phải trương

nở hòan toàn ở pH sẽ sử dụng trong quá trình sắc ký cột

Nhựa được làm trương nở bằng cách ngâm trong dung dịch đệm thích hợp trong khoảng 48 tiếng, ở nhiệt độ phòng Không được khuấy trộn nhựa quá mạnh vì có thể làm

hư hạt nhựa

Nhựa được cung cấp dưới dạng muối, với đối-ion là Cl- hoặc Na+ Dung dịch đệm ban đầu phải có đối-ion giống với đối-ion trong nhựa trao đổi Thường phải thay đổi dung dịch đệm nhiều lần trong quá trình làm trương nở nhựa Thí dụ như khi sử dụng SP Sephadex (-O-CH2-CH2-CH2-SO3- +Na) trong dung dịch đệm acetat thì nên cho nhựa

trương nở trong dung dịch đệm “acetat natri - acid acetil” để giữ nguyên phần đối-ion của nhựa

Khi muốn thay dung dịch đệm mà phần đối-ion khác Cl- hoặc Na+ thì trước hết phải khuấy nhẹ nhựa trao đổi ion trong lượng thừa dung dịch đệm muối đối-ion mới với nồng

độ của dung dịch đệm mới đậm đặc Sau khi nhựa đã trương nở hòan toàn trong dung dịch muối này, lắng gạn thu lấy nhựa rồi cho nhựa lơ lững vào dung dịch đệm mới với nồng độ thấp hơn để cân bằng nhựa

Thí dụ cần cân bằng nhựa DEAE (-O-C2H4+NH(C2H5)2-Cl ) với dung dịch đệm acetat amonium Đầu tiên nhựa được cho trương nở trong dung dịch acetat amonium hoặc acetat natri Các ion Cl– của nhựa DEAE sẽ được thay thế bằng ion acetat Lọc thu lấy nhựa Tiếp theo, nhựa DEAE sẽ được cho cân bằng nhiều lần trong dung dịch acetat amonium có nồng độ bằng nồng độ khi áp dụng cho sắc ký cột

Nếu biết số lượng hợp chất cần được khảo sát, dựa vào lực của nhựa do nhà sản xuất cung cấp, có thể biết được số nhựa cần dùng Thông thường, tỷ lệ giữa thể tích nhựa và thể tích hợp chất cần sắc ký vào khoảng 10:1 đến 20:1

V.2 Nhồi cột và nạp mẫu

Thường thì kích thước của cột sắc ký trao đổi ion không quan trọng như quá trình sắc

ký cột hấp phụ Có thể dùng cột ngắn và có đường kính lớn hơn cột sắc ký hấp phụ Trên thị trường có bán sẵn loại cột dùng cho sắc ký cột trao đổi ion, thường dài từ 20-30 cm Khi nhồi cột, giữ cột thẳng đứng trên giá Khóa vòi ở bên dưới cột Nhựa trao đổi ion được pha loãng trong dung dịch đệm (pha loãng sao cho có thể rót nhựa vào cột một cách nhẹ nhàng; nếu quá đậm đặc, giữa các hạt nhựa có nhiều bọt khí) Để yên từ 5-10 phút cho hạt nhựa lắng xuống, sau đó rót thêm dung dịch đệm vào cột, mở vòi cho dung dịch đệm chảy ra giúp cho hạt nhựa đều và ổn định

Trước khi bắt đầu sắc ký, cần phải cân bằng cột với dung dịch đệm bằng cách cho dung dịch đệm chảy qua cột (với thể tích dung dịch đệm bằng 2 lần thể tích cột) Cuối cùng, kiểm tra pH của dung dịch giải ly ra khỏi cột trước khi nạp mẫu vào cột

Lượng mẫu phải tùy vào khả năng và lượng nhựa trao đổi ion nạp vào cột Điều kiện quan trọng nhất là làm sao để tất cả các cấu tử quan trọng trong hỗn hợp mẫu chất đều được hấp thu trên đầu cột, nghĩa là số lượng mẫu quan trọng hơn thể tích của mẫu

Thí dụ, muốn tách một hỗn hợp hemoglobin trên cột SP-Sephadex C-50 Theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất thì 1g nhựa SP C-50 khô có thể gắn 7,0 g hợp chất hemoglobin, thường thì người ta thực hiện 10-20% khả năng của nhựa Vậy tỉ lệ cần là 0,7g hemoglobin/1g SP C-50 khô Như vậy nếu muốn sắc ký 0,7g hemoglobin thì có thể hòa tan lượng hemoglobin này vào 1ml hay 10ml cũng không quan trọng Trong thực nghiệm,

một lượng lớn thể tích cửa hỗn hợp mẫu có thể được nạp trực tiếp vào cột mà không cần phải cô cho đậm đặc

V.3 Giải ly cột

Hỗn hợp mẫu chất cần khảo sát chứa nhiều loại hợp chất khác nhau nên những hợp chất này gắn vào nhựa trao đổi ion với những ái lực khác nhau Nếu muốn tách riêng từng loại chất phải thay đổi pH hoặc nồng độ dung dịch đệm giải ly để từng loại chất này được tách ra khỏi nhựa và giải ly ra khỏi cột

- Thay đổi pH: như trên đã nói, điện tích toàn phần của phân tử luỡng cực thay đổi

theo pH, khi pH của môi trường thay đổi cho đến khi pH=pI của hợp chất, hợp chất

đó sẽ trở nên trung tính, không còn gắn vào nhựa nữa và sẽ giải ly ra khỏi cột Vì vậy muốn thay đổi theo pH thì chỉnh pH sao cho chất tan không còn mang điện tích để không bám vào nhựa nữa Thí dụ, các acid carboxylic tại pH=6 sẽ hiện diện dưới dạng anion carboxylat R-COO- nên bị hấp phụ vào nhựa, khi pH=4 các anion carboxylat biến thành phân tử trung tính, không bám vào nhựa và bị giải ly ra khỏi cột

Sự tăng dần pH một cách tuyến tính rất khó thực hiện trong thực nghiệm vì sẽ đồng thời có sự gia tăng nồng độ

- Thay đổi nồng độ dung dịch đệm:

Nồng độ của dung dịch đệm ban đầu thấp, hỗn hợp mẫu chất gắn vào nhựa trao đổi ion Khi tăng nồng độ dung dịch đệm (thường người ta gia tăng lực ion của dung dịch đệm bằng cách dùng NaCl cho cả loại nhựa anion và nhựa cation), thì ion của dung dịch đệm sẽ cạnh tranh với hỗn hợp mẫu, để lấy những nhóm chức hoạt động mang điện tích của nhựa trao đổi ion Như thế chất cần sắc ký sẽ tách rời khỏi nhựa và được giải ly ra khỏi cột

Nồng độ dung dịch đệm có thể được tăng dần theo 2 cách:

• Nồng độ tăng dần theo tuyến tính: thực hiện bằng cách trộn lẫn 2 dung dịch đệm có nồng độ khác nhau (cho dung dịch đệm có nồng độ lớn từ từ vào dung dịch đệm có nồng độ nhỏ)

• Nồng độ tăng bậc thang: dung dịch đệm được pha với những nồng độ khác nhau Kỹ thuật này đơn giản, dễ thực hiện Trong kỹ thuật này, người ta thường dùng những dung môi hữu cơ để giảm bớt những tương tác với chất nền, là tương tác xảy ra giữa phần có tính ái nước của phân tử cần sắc ký với phần ái nước của nhựa trao đổi ion Hiện tượng này thường gặp khi phân tử cần sắc ký là hợp chất thơm và nhựa trao đổi ion là polystyren Sử dụng hỗn hợp dung môi-muối là để loại bỏ tương tác này Ngoài ra, dung môi hỗn hợp cũng tránh được trường hợp phân tử sắc ký trở nên trung tính

(do điều chỉnh pH) tính ái nước sẽ giảm, không bám vào nhựa nữa mà sẽ kết tủa Lúc này dung môi hữu cơ là methanol, acetonitryl là dung môi có thể hòa tan trong nước, giúp hòa tan chất

- Vận tốc giải ly được tính theo thể tích dung dịch giải ly ml/giờ Vận tốc trung bình khoảng 5-10 ml/phút Vận tốc này tùy thuộc vào :

• Chiều cao và đường kính cột: cột càng cao thì vận tốc càng giảm Khi giải

ly bằng cách tăng nồng độ NaCl trong dung dịch đệm: càng tăng nồng độ NaCl thì chiều cao cột nhựa càng giảm, gây nên việc gia tăng vận tốc Muốn tránh điều này thì nên sử dụng một bơm đẩy để bơm dung dịch đệm vào đầu cột thay vì để dung môi giải ly ra khỏi cột bằng trọng lực

• Độ nhớt của dung dịch mẫu: độ nhớt của dung dịch mẫu chất giảm thì vận

tốc giải ly sẽ tăng

• Loại nhựa: các nhựa trao đổi A-25 và C-25 là những hạt rắn chắc, nên

không ảnh hưởng khi cho bơm đẩy ở áp lực cao Các nhựa trao đổi A-50 và C-50 có một chỉ số chịu lực, khi cho bơm đẩy hoạt động ở áp lực cao hơn chỉ số chịu lực thì các hạt nhựa bị ép chặt vào nhau làm vận tốc giải ly giảm

V.4 Tái sinh nhựa

Nhựa trao đổi ion thường đắt tiền, nên sau khi sử dụng người ta thường tái sinh để sử dụng lại bằng cách rửa nhựa với dung dịch nước muối đậm đặc và có nồng độ tăng dần đến 2M/lít để loại bỏ những hợp chất đã gắn vào nhựa và các chất bẩn Các muối này phải

có đối-ion giống với đối-ion của nhựa trao đổi nguyên thủy, để giúp cho việc cân bằng được dễ dàng nhanh chóng

Các hơp chất bẩn như lipid, protein … có thể loại khỏi nhựa bằng dung dịch NaOH 0,1 M; sau đó rửa nhựa với nước cất và các dung dịch muối cho đến khi nước qua lọc không còn tính kiềm

Khi tồn trữ nhựa trong dung dịch đệm, phải cho vào dung dịch đệm những chất chống mốc với nồng độ thấp như azid natri (NaN3) nồng độ 0,02 % hay chlorethon nồng độ 0,05%

Bảng 14, 15, 16, 17: Một vài loại nhựa trao đổi ion thương mại

Bảng 14: Nhựa trao đổi anion yếu

Tên thương mại Hãng sản

xuất Nhóm chức Đối-ion Chất mang Khả năng trao đổi

(meq/100 ml)

Khoảng

pH Hạt (mesh) và gel

kích cở (µm)

40-120

500-1000

500-1000

350-550

350-550

lỗ rỗng

10

5