Kỹ thuật chiết pha rắn

GIỚI THIỆU VỀ CHIẾT PHA RẮN  Pha rắn còn được gọi là pha tĩnh thường là các vâât liêâu silicagel dạng xốp trung tính, oxit nhôm đã được ankyl hoá nhóm –OH bằng các gốc hydrocarbon mạc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT

KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LỚP: D13HPT02

GVHD: ThS LÊ THỊ HUỲNH NHƯ

NHÓM 1 Trần Quốc Huy

Trương Thị Hạnh Bùi Thị Phương

Khổng Đức Trung Phan Thị Tuyết Trinh

Nguyễn Bảo Trang Lương Trần Yến Duyên

Trương Đình Thuận Nguyễn Thị Thanh Thuý

1

2

I GIỚI THIỆU VỀ CHIẾT PHA RẮN

 KHÁI NIỆM:

- “Chiết pha rắn” ứng dụng đặc biệt trong phân tích

lượng siêu vết các kim loại độc

- Chiết pha rắn (hay chiết rắn-lỏng) là quá trình phân

bố các chất tan giữa hai pha lỏng và rắn

Trong đó:

+ Pha lỏng thường là nước hoặc dung môi hữu cơ

chứa chất tan

+ Pha rắn thường ở dạng hạt, nhỏ và xốp là vâât liêâu để

hấp phụ chất tan khi cho pha lỏng chảy qua

4

I GIỚI THIỆU VỀ CHIẾT PHA RẮN

 Pha rắn (còn được gọi là pha tĩnh) thường là các vâât

liêâu silicagel dạng xốp trung tính, oxit nhôm đã được ankyl hoá nhóm –OH bằng các gốc hydrocarbon mạch thẳng -C8, -C18, nhân phenyl, các polyme hữu cơ; hoăâc than hoạt tính gắn các nhóm chức; hoăâc các loại vâât liêâu hấp phụ tổng hợp hoặc tự nhiên…

 Các vâât liêâu này được nhồi vào cột chiết nhỏ hoặc

nén ở dạng đĩa dày (đĩa chiết) với đường kính khác

I GIỚI THIỆU VỀ CHIẾT PHA RẮN

I GIỚI THIỆU VỀ CHIẾT PHA RẮN

- Pha lỏng là pha chứa chất cần phân tích, có thể là

dung môi hữu cơ hay dung dịch đệm…

Khi cho pha lỏng đi qua cột chiết hoặc đĩa chiết, pha

rắn tương tác với chất phân tích và giữ lại một hoặc một nhóm chất phân tích trên pha rắn

Các chất còn lại đi ra khỏi cột cùng với dung môi hòa

tan mẫu

7

- Nhưng trong môât số trường hợp chất cản trở được giữ lại trên pha rắn còn chất phân tích nằm trong pha lỏng đi ra khỏi côât.

- Quá trình rửa giải (giải hấp) chất phân tích được thực hiện bằng một dung môi thích hợp

Chẳng hạn như: các hợp chất hữu cơ thường được rửa giải ra khỏi pha rắn trên côât bằng các dung môi như: axeton, axetonnitrile hoăâc metanol Đối với các kim loại thì được rửa bằng các axit với nồng đôâ

và thể tích thích hợp

I GIỚI THIỆU VỀ CHIẾT PHA RẮN

8

I GIỚI THIỆU VỀ CHIẾT PHA RẮN

 Hệ số làm giàu cao, thao tác nhanh, đơn giản và

chi phí thấp Dung dịch (mẫu, rửa giải…) chảy qua cột với tốc độ có thể điều khiển bằng máy hút chân không hoặc bơm nhu động Các quá trình này có thể tự động hóa một cách dễ dàng Mặc dù LLE cũng có vài khâu có thể tự động hóa

nhưng các thao tác phức tạp hơn

Hình 1.6 mô tả sơ đồ tự động hóa khi ghép nối kỹ

thuật chiết pha rắn với phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử để xác định lượng vết kim loại

Ưu điểm của chiết pha rắn:

9

I GIỚI THIẾU VỀ CHIẾT PHA RẮN

Ưu điểm của chiết pha rắn:

I GIỚI THIỆU VỀ CHIẾT PHA RẮN

Ưu điểm của chiết pha rắn:

A) Quá trình mẫu qua cột ; B) Quá trình rửa giải và đi vào thiết bị đo 10

I GIỚI THIỆU VỀ CHIẾT PHA RẮN

Máy chiết pha rắn hoàn chỉnh hiện nay

I GIỚI THIỆU VỀ CHIẾT PHA RẮN

Ưu điểm của chiết pha rắn:

- Sử dụng ít dung môi Mẫu sau khi được xử lý sơ bộ

và điều chỉnh môi trường thích hợp được cho trực tiếp qua cột và chỉ cần một lượng rất nhỏ dung môi rửa giải là có thể rửa giải chất cần phân tích ra khỏi cột

- Ngược lại, trong kỹ thuật LLE đòi hỏi phải sử dụng một lượng lớn dung môi (chủ yếu là dung môi hữu cơ).

12

I GIỚI THIỆU VỀ CHIẾT PHA RẮN

Ưu điểm của chiết pha rắn:

- Điều kiện tách đơn giản Do cân bằng phân bố chất tan giữa hai pha xảy ra nhiều lần, nên chỉ cần có sự khác nhau hợp lý về khả năng chiết là có thể tách hoàn toàn hai chất tan ra khỏi nhau Việc lựa chọn dung môi đối với kỹ thuật SPE đơn giản hơn kỹ thuật LLE Do kỹ thuật LLE cần phải sử dụng dung môi không trộn lẫn nên việc lựa chọn dung môi sẽ

II CƠ CHẾ CHIẾT PHA RẮN

Về cơ bản, cơ chế chiết SPE giống với cơ chế tách trong phương pháp sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC) bao gồm 3 cơ chế chính, đó là: cơ chế hấp phụ pha thường, cơ chế hấp phụ pha đảo và cơ chế trao đổi ion Tuy nhiên SPE khác với HPLC là: trong HPLC sự tách chất phân tích ra khỏi nhau trong hệ dòng chảy liên tục của pha động, còn SPE giữ chất phân tích lại trên pha rắn sau đó rửa giải chất phân tích

ra khỏi pha rắn với dung môi phù hợp Các chất phân tích sẽ được tách khỏi dung dịch ban đầu với nồng độ đậm đặc hơn

và tinh khiết hơn.

14

II CƠ CHẾ CHIẾT PHA RẮN

1 Cơ chế hấp thụ pha thường

Là sự hấp thu các chất phân tích từ dung môi không phân cực lên bề mặt phân cực của pha rắn Cơ chế của quá trình tách dựa trên lực tương tác phân cực như: các liên kết hydro, các tương tác phân cực pi-pi, tương tác lưỡng cực hay tương tác lưỡng cực-lưỡng cực cảm ứng

Cơ chế này liên quan đến sự hấp thu các nhóm chức của chất tan lên các vị trí phân cực của pha tĩnh để chống lại độ tan của các chất tan trong pha động

15

II CƠ CHẾ CHIẾT PHA RẮN

1 Cơ chế hấp thụ pha thường (normal phase)

Trong SPE pha thường, thường sử dụng các loại pha tĩnh không liên kết như: silica, alumina, và magie silica, nhưng phổ biến nhất vẫn là silica Ngoài ra còn có một số vật liệu pha liên kết cũng được sử dụng trong SPE pha thường như nhóm aminopropyl, cyanopropyl, propyldiol.

Để rửa giải chất phân tích ra khỏi chất hấp thu, thường

sử dụng dung môi phân cực có khả năng phá vỡ liên kết giữa chất phân tích và bề mặt hấp thu.

16

II CƠ CHẾ CHIẾT PHA RẮN

2 Cơ chế hấp thụ pha đảo (reserved phase)

Ngược với hấp thụ pha thường, pha tĩnh ở đây là chất không phân cực như C18 còn pha động là pha không phân cực Cơ chế là tương tác không phân cực còn gọi là tương tác Van Der Vaals, hiệu ứng phân tán hay sự phân tách.

Chất hấp thu trong SPE pha đảo thường là hợp chất Hidrocacbon C-8,C-18 và một số loại khác như: C-2, C-4, cyclohexyl, nhóm phenyl… các chất phân tích có tính kị nước

sẽ có khuynh hướng hấp thụ mạnh.

17

II CƠ CHẾ CHIẾT PHA RẮN

3 Cơ chế trao đổi ion

Dựa vào sự trao đổi ion của chất tan (mang điện tích) trong các dung môi phân cực hay không phân cực với chất hấp thu trao đổi ion Cơ chế tương tác ion này có năng lượng cao (80Kcal/mol) Vì vậy, các chất tan phân cực hấp thu hiệu quả từ dm phân cực cũng như dm không phân cực Trong quá trình hấp thu sẽ xuất hiện quá trình cạnh tranh để trao đổi ion Quá trình này phụ thuộc vào độ chọn lọc của ion hay số lượng ion cạnh tranh ở vị trí này Do vậy chất PT được làm giàu sẽ phải cạnh tranh với các ion khác trong dd mẫu. 18

II CƠ CHẾ CHIẾT PHA RẮN

3 Cơ chế trao đổi ion.

19

II CƠ CHẾ CHIẾT PHA RẮN

3) Cơ chế trao đổi ion.

Các chất hấp thụ trao đổi ion thường có chứa nhóm chức anion hoặc cation liên kết với silaca Các chất trao đổi cation mạnh có chứa nhóm chất axit sunfonic và các nhóm chất trao đổi cation yếu thường

là nhóm chất axit cacboxylic

Đối nhóm chất trao đổi anion mạnh là các nhóm chất amin bậc 4, còn các nhóm chất trao đổi anion yếu thường là bậc 3, bậc 2 và 1

20

II CƠ CHẾ CHIẾT PHA RẮN

3 Cơ chế trao đổi ion

Pha tĩnh thường là silica liên kết với nhóm chức anion hay cation Nếu là các chất trao đổi cation mạnh thì dùng silica liên kết với nhóm sunfuanic axit, còn là chất trao đổi yếu thường là liên kết với nhóm COOH

Việc rửa giải chất phân tích hấp thu trên pha tĩnh có thể tiến hành theo nhiều cách: nếu là trao đổi cation có thể dùng ion H+ của axit mạnh hoặc dùng các cation mạnh hơn ( ví dụ rửa giải Na+ dùng dung dịch K+), nếu là anion có thể dùng OH

 Trong chiết pha rắn viêâc lưu giữ chất phân tích có thể thực

hiêân qua hai kỹ thuâât trong điều kiêân tĩnh và điều kiêân đôâng.

 Trong kỹ thuật SPE ở điều kiện động, các vật liệu pha rắn

được nạp trước vào cột (cột chiết) và được cố định ở giữa

2 tấm ngăn bằng polyetylen xốp Ngoài ra, vật liệu SPE có thể được cố định trong các mạng lưới polytetrafluoroethylene (PTFE) và ép thành khối dạng đĩa (đĩa chiết) Kỹ thuật SPE trong điều kiện động gồm 4 bước chính được mô tả trên hình 1.5.

III KỸ THUẬT TRONG CHIẾT PHA RẮN

22

III KỸ THUẬT TRONG CHIẾT PHA RẮN

23

III KỸ THUẬT TRONG CHIẾT PHA RẮN

Bước 1 - Nhồi và chuyển dạng chất hấp phụ pha rắn

Đầu tiên, vật liệu hấp phụ (chất hấp phụ) có kích thước xác định được nhồi lên cột chiết  hoạt hóa vâât liêâu hấp phụ

Mục đích của quá trình hoạt hóa là hình thành các nhóm chức hoạt động khác nhau trên vật liệu hấp phụ.

24

Trong bước 1 có thể tiến hành theo 2 cách như sau:

Hoạt hóa các nhóm chức hoạt động trước  nhồi lên cột chiết Thường áp dụng đối với cơ chế pha thường và pha đảo

Nhồi vật liệu lên cột chiết  tiến hành chuyển dạng nhóm chức ban đầu sang dạng thích hợp cho quá trình hấp phụ Chẳng hạn: chuyển dạng H+ thành dạng NH4+ Cách này áp dụng đối với cơ chế trao đổi ion

III KỸ THUẬT TRONG CHIẾT PHA RẮN

25

Trong bước 1 cần lưu ý các vấn đề sau:

+ Phải đuổi hết không khí trong phần thể tích của vật liệu hấp phụ, tức là dung môi phải lấp đầy các khoảng trống.

+ Khi chưa sử dụng cột chiết, thì vật liệu phải được ngâm trong dung môi thích hợp, có thể là dung dịch đệm hoặc nước cất.

+ Sau quá trình chuyển dạng (hoạt hóa), nếu cần thiết nên có thêm bước làm sạch cột để loại bỏ các tạp chất.

III KỸ THUẬT TRONG CHIẾT PHA RẮN

26

Bước 2 - Quá trình hấp phụ chất phân tích

Dung dịch mẫu chứa chất phân tích được cho qua cột với một thể tích và tốc độ thích hợp Chất phân tích được giữ lại trên cột còn các chất khác cùng dung môi đi ra khỏi cột Cũng có trường hợp, chất gây cản trở bị giữ lại trên cột, còn chất phân tích đi ra khỏi cột cùng với dung môi.

Sau đó chất phân tích được thu hồi và xác định bằng một phương pháp pt công cụ thích hợp đã chọn

III KỸ THUẬT TRONG CHIẾT PHA RẮN

27

Bước 3 - Rửa cột (tiền rửa giải)

- Đây là bước loại bỏ các chất cản trở và môi trường mẫu ra khỏi cột Tức là, sau bước này chỉ giữ lại chất phân tích Nếu môi trường của mẫu là dung dịch nước, thì phải sử dụng dung dịch đệm hoặc dung môi hữu cơ Nếu mẫu được hòa tan trong dung môi hữu cơ thì rửa cột bằng chính dung môi đó

III KỸ THUẬT TRONG CHIẾT PHA RẮN

28

Bước 4 - Rửa giải

-Bước này là bước cuối cùng để thu hồi chất phân tích Dung môi được chọn phải phá vỡ dễ dàng tương tác giữa chất phân tích và vật liệu hấp phụ Thể tích dung môi sử dụng rửa giải càng ít càng tốt, nhưng phải đảm bảo rửa hoàn toàn chất phân tích ra khỏi vật liệu hấp phụ, đây chính là ưu điểm của kỹ thuật SPE so với kỹ thuật chiết lỏng – lỏng (LLE)

III KỸ THUẬT TRONG CHIẾT PHA RẮN

29

IV ỨNG DỤNG CHIẾT PHA RẮN

30

4.1 Ứng dụng của kỹ thuật chiết pha rắn trong

phân tích hợp chất hữu cơ

Trước những năm 2000, kỹ thuật SPE được ứng dụng chủ yếu cho lĩnh vực phân tích các hợp chất hữu cơ (Bảng 1) Trong đó, kỹ thuật SPE được

sử dụng để tách và làm giàu dư lượng thuốc trừ sâu, các chất hoạt động bề mặt, các hydrocarbon thơm mạch vòng khó phân huỷ (Polycyclic aromatic hydrocarbons – PAHs),… trong các loại mẫu nước

4.2 Ứng dụng kỹ thuật chiết pha rắn trong

phân tích chất vô cơ

IV ỨNG DỤNG CHIẾT PHA RẮN

- Ngày nay, kỹ thuật SPE đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi để làm giàu và tách các ion kim loại trong môi trường (bảng 2) Phương pháp tách và làm giàu các ion kim loại thường được sử dụng khi sử dụng kỹ thuật SPE

Cụ thể là :

+ Phương pháp trao đổi ion

+ Chiết các hợp chất phức kim loại với thuốc thử

hữu cơ

33