Tiểu luận Tìm hiểu về phương pháp sắc ký trao đổi ion

Tuỳ theo pha tĩnh sử dụng, sắc ký lớp mỏng có thể là sắc ký trao đổi ion, hấp phụ, phân bố, rây phân tử. Ngược lại sắc ký hấp phụ xét về mặt tương tác pha có thể thuộc loại sắc ký - rắn hay lỏng - rắn. Sắc ký rửa giải có ứng dụng nhiều trong lĩnh vực phân tích do hiệu quả tách cao. 1.3. CÁC LỰC LIÊN KẾT TRONG SẮC KÝ. Trong hệ sắc ký có ba thành phân chủ yếu tác quyết định sự tồn tại của hệ, chất phân tích, pha tĩnh, pha động tạo nên sự phân bố cần thiết, giúp cho sự di chuyển các chất phân tích dọc theo chiều dài cột với tốc độ khác nhau. Chúng ta thường nói chất phân tích phân bố giữa hai pha, tuy nhiên đây la cân bằng động chất phân tích luôn thay đổi pha liên kết (trừ một số trường hợp đặc biệt nó chỉ ở một pha trong suôt quá trình phân tích) vấn đề là tại sao chất phân tích được giữ trong pha tĩnh? Hơn nữa ba thành phần này tương tác như thế nào với nhau, bằng các lực liên kết nào mà kết quả các chất phân tích lại phân bố vào pha tĩnh ở mức độ khác nhau? Câu trả là do bản chất các của các thành phân trong hệ sắc ký. Chất phân tích có thể là ion, phân tử trung hoá hay chất phân cực, đối tượng liên kết của nó cũng có thể là ion, phân tử, chất phân cực. Như vậy tuy thuộc vào độ lớn của điện tích kich thước phân tử, độ phân cực mà chúng tương tác với nhau theo các lực liên kết khác nhau. Người ta chia các lực liên kết thành bốn loại: 1.3.1. Lực liên kết ion. trên bề mặt pha tĩnh có các trung tâm hoạt động là ion. Đó là các phần tử có khả năng phân ly tạo thành các ion, tạo nên trung tâm hoạt động ion chung tham gia liên kết với các ion chất phân tích trong dung dịch theo lực tương tác tĩnh điện gọi là liên kết ion. Để giữ các anion chất phân tích trong dung dịch pha tĩnh cần có các trung tâm cation trên bề mặt, và ngược lại để giữ các cation chất phân tích trong dung dịch pha tĩnh cần có các ctrung tâm anion cũng tương tự, pha động cũng có các trung tâm hoạt động là các ion, chúng tham gia tương tác với chất phân tích và pha tỉnh. Chúng có khả năng phân li trong dung dịch tạo thành các cation và anion. Thí dụ khi rửa giải các ion kim loại trên cột cationit, ta có thể dùng pha động là dung dịch HCl loãng. Các phương pháp sắc ký thường gặp có sự tham gia của các liên kết ion gọi là sắc ký ion, sắc ký cặp ion. 1.3.2. Lực phân cực . Trong phân tử chất phân tích, chất rửa giải trong pha động cũng như các phân tử trên bề mặt pha tĩnh có các trung tâm phân cực, chúng có thể là các lưỡng cực điện cố định, cũng có thể là các lưỡng cực điện do cảm ứng. Các trung tâm phân cực của chất này liên kết với trung tâm phân cực của chất khác bằng lực liên kết phân cực. Sự phân cực trong các phân tử đôi khi rất nhỏ và sự chênh lệch về độ phân cực cũng rất nhỏ. Tuy nhiên, sự chênh lệch này là yếu tố quan trọng để có độ bền liên kết khác nhau, đó là điều cần thiết để phân chia chúng trong các phép tách sắc ký. Thí dụ: các Cresol (o-, m-,p- cresol) chỉ khác nhau về vị trí nhóm CH3- trong phân tử. Chính sự khác nhau về vị trí này làm cho mật độ electron trong phân tử cresol khác nhau tạo nên một sự khác biệt nhỏ về độ phân cực, từ đó lực liên kết với pha tĩnh khác nhau. Là nguyên nhân chênh lệch thời gian lưu trong quá trình sắc ký. 1.3.3. Lực Van - de - Van (lực phân tán). Lực này có bản chất điện, tuy nhiên không hề có cực điện trong mạng lưới phân tử, cũng không liên quan tới phân tử lưỡng cực hay cố định. Tương tác phân tán điển hình là mạch hidrocacbon nó là tương tác phân tử . Thí dụ n-heptan là chất lỏng chứ không phải là chất khí sự tương tác giữa các phân tử n-heptan là lực phân tán đủ lớn để giữ chất này ở trạng thái lỏng. Để tách các hidrocacbon người ta dùng hidrocacbon khác làm pha tĩnh. 1.3.4. Lực tương tác đặc biệt. Lực tương tác đặc biệt là lực tương tác tạo thành do các liên kết hydro, liên kết cho nhận mà có.Sự hình thành liên kết giữ nguyên tử hidro và các nguyên tử có độ âm điện cao như O, N, F... gọi là liên kết hidro. Khi tham gia liên kết, các electron còn gọi là đám mây electron chuyển dịch sang nguyên tử có độ âm điện lớn hơn. Như vậy các nguyên tử có độ âm điện cao hơn, liên kết hidro càng bền chặt. 1.4. SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA BA THÀNH PHẦN TRONG HỆ SÁC KÝ. Khi nạp chất phân tích vào hệ sắc ký, nó được phân bố giữa hai pha, pha tĩnh và pha động, tuỳ theo lực liên kết giữ từng pha với chất phân tích mà chúng có thời gian ở pha nào nhiều hơn. Như vậy thực chất là ba thành phần trong hệ sắc ký tương tác với nhau, pha tĩnh, pha động, và chất phân tích. Ta xét từng thành phần và quan hệ của chúng. Pha tĩnh phài lưu giữ được chất phân tích, tuy nhiên để tách được các chất, nó không được giữ quá chặt chất phân tích để có điều kiện phân bố vào pha động và sau đó, ở một thời điểm khác, nó lại bị hấp thụ vào pha tĩnh. Các chất phân tích có tính chất càng giồng nhau sự phân bố càng phải lặp đi lặp lại nhiều lần, ở đây ta muốn nói đến số lần phân bố đạt cân bằng hay số đĩa lí thuyết phải đủ lớn để tách có hiệu quả, do đó các vấn đề vật liệu làm pha tĩnh, chiều dài cột tách và cách nạp cột cũng cần được quan tâm. Ngày nay ta có thể sử dụng những cột có sẵn trên thị trường nhưng đôi khi, cùng một loại pha tĩnh, các hãng khác nhau có thể tạo được các sản phẩm với tính chất khác nhau. Vấn đề tiếp theo là pha động và cách vận hành tức là tóc độ pha động, nhiệt độ, lượng mẫu đưa vào cột, tái sinh cột...Pha động phải hoà tan dược chất phân tích, tuy nhiên thành phần pha động phải phù hợp sao cho chất phân tích không bị giữ quá lâu ở pha động để nó có thể liên kết trở lại với pha tĩnh. Sự tương tác giữa pha động và pha tĩnh cũng là vấn đề cần bàn. Pha động không được làm ảnh hưởng tới pha tĩnh, không làm thay đổi tính chất hoá lý của pha tĩnh. Pha động không được liên kết với pha tĩnh một cách quá bền vững để tạo điều kiện cho các chất phân tích có thể phân bố vào pha tĩnh được. Ngoài ra tốc độ pha động, nhiệt độ hệ trong đó có nhiệt độ của từng bộ phận riêng, đặc biệt là trong sắc ký khí phải được quan tâm khống chế một cách chặt chẽ. Để làm sáng tỏ vấn đề trên ta lấy một ví dụ tách các ion kim loại M+ bằng phương pháp sắc ký trao đổi ion. Pha tĩnh là cationit axit mạnh, nhóm trao đổi là R-SO3H: Pha động là dung dịch đệm có chất rửa giải là H+. Sự tương tác của ba đại lượng trên được miêu tả bằng hình sau: chất phân tích M+ Pha động H+ Pha tĩnh R-SO3- Sự tương tác của 3 đại lượng chủ yếu trong hệ sắc ký Pha tĩnh (RSO3) có khả năng hấp thụ chất phân tích theo phản ứng sau: R-SO-3 +M+ R-SO3M * Mặt khác chất rửa giải trong pha động cũng tương tác với pha tĩnh theo phản ứng R-SO3- + H+ R-SO3H ** Ion kim loại M+ cần liên kết với pha tĩnh ở một mức độ không quá bền vững, phản ứng hấp thụ ở đây là phản ứng thuận nghịch. Cân bằng phân bố là cân bằng động và hợp chất R-SO3M có liên kết bền vững sao cho M+ dễ dàng đi vào pha động. Đến lượt H+, không được liên kết bền vững với R-SO3-, nói một cách khác là nồng độ H+ không quá cao sao cho phản ứng ** xảy ra thuận nghịch. Mặt khác tương tác giữa M+ và H+ là tương tác phủ định nhau, cạnh ranh nhau. Chính H+ là yếu tố cạnh tranh để cho phản ứng ** xảy ra. Như vậy vai trò của nồng độ chất rửa giải,(H+) ở đây rất quan trọng nó có giá trị phù hợp sao cho hiệu quả tách tốt nhất. Phương pháp đưa thêm chất tạo phức vào pha động cũng thường được áp dụng trong sắc ký trao đổi ion. 1.5. MỘT SỐ ĐẠI LƯỢNG DÙNG TRONG SẮC KÝ. 1.5.1. Hệ số phân bố KD và cách xác định. Cấu tử A phân bố giửa pha động và tĩnh khi cân bằng được thiết lập As Am (1) Hệ số phân bố được định nghĩa là tỉ số của nồng chất phân tích giữa hai pha (2) Trong đó : [Am ] là nồng độ chất phân tích trong pha động [As ] là nồng độ chất phân tích trong pha tĩnh Cân bằng phân bố trong pha khí gọi là cân bằng động đó là cân bằng giữa lỏng - lỏng, khí-lỏng, rắn-lỏng. Giả sử chất phân tích được phân bố ở phần nào đó của cột, đĩa thứ n. Nhưng do pha động di chuyển, chất phân tích lại đi xuống đĩa thứ (n+1) và ở đây lại thiết lập cân bằng mới của cả đĩa thứ n và n+1. Để cân bằng thiết lập nhanh một yêu cầu rất cần thiết là lớp pha tĩnh phải mỏng, hệ số khuếch tán của chất phân tích trong pha tĩnh lớn hơn hệ số khuếch tán trong pha động. Hệ số phân bố KD có thể được xác định theo phương pháp tính bằng cách đo nồng độ chất phân tích trong pha động và nồng độ chất phân tích trong pha tĩnh sau khi đã đạt cân bằng. Một cách gần đúng KD được xác định theo công thức sau: (3) Trong đó: M là lượng chất ban đầu tính bằng mg M1 là lượng chất phân tích còn lại sau khi tiếp xúc mg V là thể tích pha động ml M là lượng chât hấp thụ, gam 1.5.2. Sự liên hệ giữa tốc độ di chuyển của chất phân tích và KD . Chất phân tích A muốn di chuyển được phải ở pha động. Gọi fA là phần thời gian A ở pha động: (4) chia cả tử và mẩu cho [A]m . Vm ta có: (5) Hay (6) Trong đó kA là hệ số dung tích.Tốc độ tuyến tính của cấu tử A trong pha động là: uA = u.fA = u / (1+fA) (7) U là tốc độ tuyến tính của pha động (cm/s). Từ biểu thức (6) và (7) ta có nhận xét: Khi DK hoặc fA càng lớn ; thời gian chất phân tích trong pha động càng ít, nói cách khác là chất phân tích di chuyển càng chậm, ngược lại khi fA càng nhỏ, chất phân tích di chuyển càng nhanh. 1.5.3. Thời gian lưu tR, thời gian lưu hiệu chỉnh tR’ . Thời gian lưu tR là thời gian lúc bắt đầu bơm mẫu vào đầu cột tới khi pic đạt giá trị cực đại. (8) L/u là thời gian mà cấu tử không lưu giữ trên cột còn gọi là thời gian chết (9) thời gian lưu hiệu chỉnh tR’ là thời gian lưu không tính thời gian chết (10) 1.5.4. Thể tích lưu Vm, thể tích lưu hiệu chỉnh. Thể tích lưu VR là thể tích của dung dịch rửa giải từ khi bắt đầu bơm mẫu vào cột cho đến khi pic đạt cực đại. Gọi F là tốc độ chảy của pha động ml/phút,thể tích lưu VR được tính theo công thức:VRA = tRAF; Vm = tmF VRA = Vm(1 + k’) (11) Thể tích lưu hiệu chỉnh VR’ là thể tích lưu đã loại đi thể tích trống của cột VR’ = VR – Vm = VmkA’ = KDAVS Thể tích lưu riêng Vg là thể tích riêng cho cấu tử, là thể tích dung dịch rửa giải để rửa chất phân tích trong một đơn vị trọng lượng hay thể tích của pha tĩnh (12) 1.5.5. Hệ số tách α (còn gọi là hệ số lưu giữ tương đối) Hệ số tách α là đại lượng đánh giá khả năng tách hai chất bằng phương pháp sắc ký. Nó phụ thuộc vào hệ số phân bố của chúng và tỷ số của hệ số phân bố của hai chất: một chất phân tích A và một chất khác B hoặc một chất chuẩn. Điều kiện để hai chất tách khỏi nhau là α ≠ 1 ≠ 1 (13) Nói một cách khác hệ số phân bố của hai chất A và B giữa pha tĩnh và pha động phải khác nhau. Mặt khác tỷ số thể tích lưu của hai chất, t’RA/ t’RB cũng chính là tỷ số của hệ số phân bố. Vậy có thể tóm tắt là: (14) 1.5.6. Sắc đồ. Sắc đồ là sự biểu diễn sự phụ thuộc diện tích (S) hoặc chiều cao (h) tín hiệu đo được có thể là độ hấp thụ quang,cũng có thể là độ dẫn điện hoặc là tần số xung điện ...liên quan chặt chẽ tới nồng độ chất phân tích có trong mẫu và thời gian. Các tín hiệu này được gọi là “ pic” sắc ký.Để tính toán hàm lượng chất phân tích, tính diện tích pic sắc ký là chính xác nhất.Ngày nay hầu hết các máy hiện đại đều được trang bị các thiết bị tÍnh diện tích của pic sắc ký một cách tự động. Sắc đồ hai cấu tử A&B 1.5.7. Đĩa lý thuyết 1.5.7.1. Khái niệm đĩa lý thuyết: Đĩa lý thuyết là phần nào đó của cột mà ở đó cân bằng được thiết lập. Theo quan niệm của Martin và Synge, cân bằng được thiết lập nhanh chóng, tức thời. Tuy nhiên điều này gặp khó khăn khi giải thích hiện tượng giãn rộng vùng mẫu, hiện tương pic sắc ký không cân đối. Amundson và Lapidus và sau đó là Van Deemter cho rằng đĩa được cân bằng khi đạt cân bằng chuyển khối lượng chất tan từ pha động vào pha tĩnh và ngược lại và tác giả đã đưa ra thuyết tốc độ. Xác định số đĩa lý thuyết thực nghiệm Như vậy có thể nói rằng phần nhỏ của cột gọi là đĩa lý thuyết khi đạt được cân bằng phân bố chất phân tích. Gọi n là số đĩa lý thuyết, là độ lệch chuẩn; ~ . Đối với cột sắc ký n càng lớn pic càng hẹp, thời gian lưu tỷ lệ với số đĩa lý thuyết n, tR ~ n, nên ta có thể vết: hay mặt khác w = 4 hay số đĩa lý thuyết có thể viết lại là: (14) 1.5.7.2. Đĩa lý thuyết có tính thời gian không lưu giữ, nef . (15) Vì từ (8) ta có tm= tR/(1+k’). Chiều cao đĩa lý thuyết hiệu lực được tính: (16) từ (15) và (16) ta có: (17) 1.5.8. Độ phân giải và cách làm tăng độ phân giải. 1.5.8.1. Độ phân giải. Độ phân giải nói lên mức độ tách cấu tủ khỏi nhau trong một phép tách sắc ký. Hai cấu tử A và B được tách khỏi nhau càng triệt để, độ phân giải càng cao. Độ phân giải được đánh giá qua các đại lượng đặc trưng là: thời gian lưu, tRA, tRB và rộng peak WA, WB. Độ phân giải R được tính theo công thức: (18) Trong đó: tRB – tRA= ΔtR là sự chênh lệch thời gian lưu(cũng có thể dùng thể tích lưu VRA- VRB)của hai cấu tử A và B. Đại lượng này được so sánh với tổng bán chiều rộng pic, đo bằng giây hoặc mililít, nói lên khả năng tách của cột. Khi tăng chiều dài cột, số đĩa lý thuyết tăng: tR ~ n, chiều rộng pic tỷ lệ với Vì vậy R~ hay R~ 1.5.8.2. Cách làm tăng độ phân giải Cách thứ nhất: Dựa trên sự thay đổi cấu trúc cột. Trong phương pháp này có các biện pháp: Tăng chiều dài cột, sử dụng chất nhồi có kých thước hạt nhỏ hơn, đồng đều hơn, thay đổi pha tĩnh và cuối cùng là giảm đường kinh cột Cách thứ hai: Dưa trên cách vận hành cột: đó là tôi ưu hoá tôc độ pha động, giảm lượng mẫu, giảm nhiệt độ cột (GC) và cuối cùng là thay đổi thành phần pha động (LC) Thuyết tốc độ, phương trình Van Deemter: thuyết được các tác giả Lapidus và Amundsion đưa ra năm 1952, sau này được Van Deemter phát triển. Theo thuyết này các yếu tố: đường kýnh hạt nhồi, kỷ thuật nạp cột và các yếu tố tốc độ của pha động, hệ số khuếch tán của chất phân tích trong pha động và pha tĩnh ảnh hưởng rất nhiều tới sự giản rộng vùng chất phân tích hay độ rộng của pic trong sắc đồ. Đại lượng đặc trưng cho độ giản rộng của vùng chất phân tích là chiều cao đĩa lý thuyết H, được hình thành do ba thành phần H1,H2, H3. H = H1+H2+H3 (19) H1 là đại lượng khuếch tán xoáy, đặc trưng cho sự đồng đều của cột nhồi, đường kýnh của hạt nhồi, khả năng nạp cột. H1 = 2λdp (20) Trong đó λ là hệ số nạp cột, nếu nạp cột tốt thì λ= 1,5; dp là kýnh hạt nhồi. H2 là đại lượng khuếch tán theo chiều dọc. Nó được hình thành do sự khuếch tán của chất phân tích về hai đầu của cột, phụ thuộc vào tốc độ của pha động, hệ số khuếch tán của chất phất phân tích trong pha động, đường đi của chất phân tích, được biểu diển bằng phương trình: H2 = B/u trong đó B= 2γDm Là đại lượng đặc trưng cho hệ số khuếch tán của chất phân tích trong pha động và hệ số đường đi của nó. Trong điều kiện nạp cột tốt, đường đi của chất phân tích không quá khúc khuỷu, γ = 1; Dm là hệ số khuếch tán của chất phân tích trong pha động, như vậy H2 có thể viết lại là: H2 = 2γDm/u (21) H3 là đại lượng đặc trưng cho quá trình chuyển khối lượng là yếu tố phụ thuộc vào tốc độ hấp thụ và giải hấp. Quá trình này phụ thuộc vào cả pha động và pha tĩnh, vì vậy H3 có thể viết: H3= (CS - Cm)u (22) Trong đó Cs là hệ số dặc trưng cho quá trình chuyển khối lượng của chất phân tích trong pha tĩnh, phụ thuộc vào pha tĩnh, nó có giá trị nhỏ khi tốc độ dòng F≥1ml/phút, Cs ≈0 Cs= K.df2/Ds (23) Trong đó: K- hệ số Ds- hệ số khuếch tán chất phân tích trong pha tĩnh df2- chiều dày pha tĩnh Đường cong Van Deemter Cm là hằng số chuyển khối của chất phân tích trong pha động, phụ thuộc vào pha động, được xác định theo biểu thức: Cm = βdp2/Dm (24) β là hệ số thực nghiệm có giá trị từ 0,5- 1 Dm là hệ số khuếch tán của chất phân tích trong pha động. Tổng hợp lại H có biểu thức tổng quát là: H = 2λdp + 2γDm/u + (Kdf2/Ds + βdf2/Dm)/u (25) Phương trình trên được viết tắt là: H = A+B/u +Cu (26) Trong thực tế có thể tính gần đúng H= 3-4dp Để xét cực tiểu chiều cao của đĩa lý thuyết lấy đạo hàm của phương trình Van Deemter ta có: H’= -B/u2 +C, tại cực tiểu H’=0 => 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 anio