Sắc ký là gì ?

Sắc ký (chromatography) là một phương pháp phân tách các hợp chất trong hỗn hợp dựa trên sự khác biệt về tốc độ di chuyển của các chất qua một pha tĩnh (stationary phase) và pha động (mobile phase). Phương pháp này thường được sử dụng trong các lĩnh vực hóa học, sinh học, dược phẩm và môi trường để tách, nhận dạng và định lượng các thành phần trong hỗn hợp phức tạp.

Trong kĩ thuật sắc ký, hỗn hợp được chuyên chở trong chất lỏng hoặc khí và các thành phần của nó được tách ra do sự phân bố khác nhau của các chất tan khi chúng chảy qua pha tĩnh rắn hay lỏng. Nhiều kĩ thuật khác nhau đã được dùng để phân tích hợp chất phức tạp dựa trên ái tính khác nhau của các chất trong môi trường động khí hoặc lỏng và đối với môi trường hấp phụ tĩnh mà chúng di chuyển qua, như giấy, gelatin hay gel magie silicate.

Sắc ký phân tích được dùng để xác định danh tính và nồng độ các phân tử trong hỗn hợp. Sắc ký tinh chế được dùng để tinh chế các chất có trong hỗn hợp.

Nhà thực vật học người Nga Mikhail Tsvet (Mikhail Semyonovich Tsvet) phát minh ra kĩ thuật sắc ký vào năm 1903 khi ông đang nghiên cứu về chlorophyll ^[2]. Chữ sắc trong sắc ký có nghĩa là màu; nó vừa là tên của Tsvet trong nghĩa tiếng Nga, và vừa là màu của các sắc tố thực vật ông phân tích vào lúc bấy giờ. Tên này vẫn tiếp tục được dùng dù các phương pháp hiện đại không còn liên quan đến màu sắc.

Năm 1952 Archer John Porter Martin và Richard Laurence Millington Synge được trao giải Nobel Hoá học cho phát minh của họ về sắc ký phân bố.^[3]

Kĩ thuật sắc ký phát triển nhanh chóng trong suốt thế kỉ 20. Các nhà nghiên cứu nhận thấy nguyên tắc nền tảng của sắc ký Tsvet có thể được áp dụng theo nhiều cách khác nhau, từ đó xuất hiện nhiều loại sắc ký khác nhau. Đồng thời, kĩ thuật thực hiện sắc ký cũng tiến bộ liên tục, cho phép phân tích các phân tử tương tự nhau.

Nguyên lý hoạt động:

Sắc ký hoạt động dựa trên sự tương tác khác nhau của các thành phần trong hỗn hợp với pha tĩnh và pha động. Mỗi chất có một tốc độ di chuyển khác nhau qua pha tĩnh, tùy thuộc vào mức độ tương tác của nó với hai pha. Kết quả là các chất trong hỗn hợp sẽ bị phân tách ra và có thể được phân tích riêng lẻ.

1. Pha tĩnh (Stationary phase): Là vật liệu rắn hoặc chất lỏng không di chuyển, nơi các chất trong hỗn hợp sẽ tương tác và bị giữ lại ở các mức độ khác nhau.

2. Pha động (Mobile phase): Là dung môi hoặc khí di chuyển qua pha tĩnh, mang theo các thành phần của hỗn hợp. Pha động có thể là chất lỏng hoặc khí.

Khi pha động di chuyển qua pha tĩnh, các thành phần trong hỗn hợp sẽ di chuyển với tốc độ khác nhau tùy thuộc vào sự tương tác của chúng với pha tĩnh, từ đó tạo ra sự phân tách.

Các thuật ngữ trong kỹ thuật sắc ký

Chất phân tích (Analyte) là chất được tách ra trong quá trình sắc ký. Nó là chất cần thiết được tách ra từ các hỗn hợp.

Sắc ký phân tích (Analytical chromatography) là việc sử dụng sắc ký để xác định sự tồn tại và cả nồng độ của các chất phân tích trong một mẫu.

Pha liên kết (Bonded phase) là pha tĩnh được liên kết cộng hóa trị với các hạt đỡ hoặc với thành bên trong của ống cột.

Sắc ký đồ (Chromatogram) là đầu ra trực quan của máy sắc ký. Trong trường hợp phân tách tối ưu, các pic hoặc dạng khác nhau trên sắc ký đồ tương ứng với các thành phần khác nhau của hỗn hợp được tách.

Sắc đồ với các đỉnh chưa được giải quyết Sắc đồ với hai đỉnh đã phân giải

Trong đó: Biểu đồ trên trục x là thời gian lưu và vẽ trên trục y một tín hiệu (ví dụ thu được bằng máy quang phổ, máy khối phổ, khối phổ kế hoặc nhiều loại máy dò khác) tương ứng với phản ứng tạo ra bởi chất phân tích ra khỏi hệ thống. Trong trường hợp của một hệ thống tối ưu, tín hiệu tỷ lệ với nồng độ của chất phân tích cụ thể được tách ra.

Máy sắc ký (Chromatograph) là một thiết bị cho phép phân tách một cách rất tinh vi, ví dụ như tách sắc ký khí hoặc sắc ký lỏng.

Sắc ký (Chromatography) là một phương pháp phân tách vật lý phân bố các thành phần để phân tách giữa hai pha, một pha tĩnh và pha động chuyển động theo một hướng xác định.

Chất rửa giải (Eluent) là dung môi hoặc chất cố định dung môi được sử dụng trong sắc ký rửa giải và tương ứng với pha động.

Rửa giải (Eluate) là hỗn hợp của chất tan (solute) và dung môi (solvent) thoát ra khỏi cột.

Nước thải (Effluent) là dòng chảy ra khỏi cột sắc ký. Trong thực tế, nó được sử dụng tương tự như rửa giải, nhưng thuật ngữ này chính xác hơn đề cập đến dòng chảy độc lập với sự phân tách diễn ra.

Eluite là một thuật ngữ để chỉ chất tan hoặc chất phân tích. Nó là thành phần mẫu rời khỏi cột sắc ký.

Dòng Eluotropic (Eluotropic series) là danh sách các dung môi được xếp hạng theo khả năng rửa giải của chúng.

Pha cố định (Immobilized phase) là pha tĩnh cố định trên các hạt đỡ hoặc trên thành trong của ống cột.

Pha động (mobile phase) là pha di chuyển theo một hướng xác định. Nó có thể là chất lỏng (LC và sắc ký điện mao quản - capillary electrochromatography - CEC), chất khí (GC), hoặc chất lỏng siêu tới hạn (sắc ký chất lỏng siêu tới hạn - supercritical-fluid chromatography - SFC). Pha động bao gồm mẫu được tách/phân tích và dung môi di chuyển mẫu qua cột. Trong trường hợp HPLC, pha động bao gồm các dung môi không phân cực như hexan trong pha thường hoặc dung môi phân cực như methanol trong sắc ký pha đảo và mẫu được tách. Pha động di chuyển qua cột sắc ký (pha tĩnh) tại đây mẫu tương tác với pha tĩnh và được tách ra.

Sắc ký điều chế (Preparative chromatography) là việc sử dụng sắc ký để tinh chế đủ lượng chất để sử dụng tiếp thay vì chỉ dùng để phân tích.

Thời gian lưu (Retention time) là thời gian đặc trưng cần thiết để một chất phân tích cụ thể đi qua hệ thống (từ đầu vào cột đến đầu dò) trong các điều kiện đã đặt.

Mẫu (Sample) là chất được phân tích trong sắc ký. Nó có thể bao gồm một thành phần đơn lẻ hoặc có thể là một hỗn hợp của các thành phần. Khi mẫu được xử lý trong quá trình phân tích, pha hoặc các pha chứa chất phân tích được quan tâm gọi là mẫu, trong khi những thứ không được quan tâm được tách ra khỏi mẫu trước hoặc trong quá trình phân tích gọi là như chất thải.

Chất tan (Solute) là các thành phần mẫu trong sắc ký phân vùng.

Dung môi (Solvent) là bất kỳ chất nào có khả năng hòa tan một chất khác và đặc biệt là pha động lỏng trong sắc ký lỏng.

Pha tĩnh (Stationary phase) là chất được cố định tại chỗ cho quy trình sắc ký. Ví dụ như lớp silica trong sắc ký lớp mỏng.

Máy dò (Detector) là dụng cụ được sử dụng để phát hiện định tính và định lượng các chất phân tích sau khi tách.

Sắc ký dựa trên khái niệm hệ số phân vùng. Bất kỳ chất tan nào phân vùng giữa hai dung môi không hòa tan. Khi chúng ta làm cho một dung môi này bất động (bằng cách hấp phụ trên nền hỗ trợ rắn) và một dung môi khác di động, nó dẫn đến hầu hết các ứng dụng phổ biến của sắc ký. Nếu chất nền hoặc pha tĩnh là phân cực (ví dụ: giấy, silica, v.v.) thì đó là sắc ký pha thuận và nếu không phân cực (C-18) thì đó là pha đảo ngược.

Các loại sắc ký:

1. Sắc ký lớp mỏng (Thin-layer chromatography - TLC): Sử dụng một tấm thủy tinh hoặc nhựa phủ một lớp vật liệu mỏng (thường là silica gel) làm pha tĩnh. Hỗn hợp cần phân tích được đặt trên tấm và được tách bằng cách cho dung môi (pha động) di chuyển qua tấm.

2. Sắc ký giấy (Paper chromatography): Sử dụng giấy lọc làm pha tĩnh và dung môi làm pha động. Phương pháp này được sử dụng để phân tích các hợp chất đơn giản như sắc tố thực vật hoặc axit amin.

3. Sắc ký cột (Column chromatography): Sử dụng một cột chứa vật liệu rắn làm pha tĩnh (thường là silica hoặc alumina) và một chất lỏng làm pha động. Các chất được phân tách khi pha động di chuyển qua cột.

4. Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC - High-performance liquid chromatography): Là một phiên bản hiện đại và hiệu quả hơn của sắc ký cột. HPLC sử dụng áp lực cao để đẩy pha động qua cột, giúp phân tách các hợp chất nhanh hơn và chính xác hơn.

5. Sắc ký khí (Gas chromatography - GC): Sử dụng pha động là khí và pha tĩnh là một lớp chất lỏng hoặc rắn phủ lên một cột mỏng. GC thường được sử dụng để phân tích các hợp chất bay hơi, chẳng hạn như khí đốt, hóa chất hữu cơ và dung môi.

6. Sắc ký trao đổi ion (Ion-exchange chromatography): Dùng để phân tách các ion và phân tử phân cực dựa trên sự khác biệt về khả năng trao đổi ion của chúng với pha tĩnh.

Ứng dụng của sắc ký:

• Trong hóa học: Sắc ký được sử dụng để tách và xác định các chất trong hỗn hợp, bao gồm phân tích hợp chất hữu cơ và vô cơ.
• Trong dược phẩm: Dùng để phân tích các thành phần hoạt tính trong thuốc và kiểm tra chất lượng sản phẩm.
• Trong sinh học: Sắc ký giúp tách các protein, enzyme, axit nucleic, và các hợp chất sinh học khác để nghiên cứu cấu trúc và chức năng của chúng.
• Trong môi trường: Phân tích các chất gây ô nhiễm trong không khí, nước và đất.

Ưu điểm:

• Chính xác và hiệu quả cao: Có thể phân tách và nhận dạng các thành phần với độ chính xác rất cao, ngay cả khi nồng độ của chúng rất nhỏ.
• Đa dạng ứng dụng: Có thể được sử dụng cho cả các hợp chất hữu cơ và vô cơ, cũng như các mẫu có cấu trúc phức tạp.

Sắc ký là một phương pháp phân tích linh hoạt và quan trọng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và công nghiệp.