Hệ thống chiết pha rắn - Nguyên lý và Ứng dụng
Thế nào là chiết pha rắn SPE?
- Chiết pha rắn (SPE) là một kỹ thuật chiết xuất trong đó các hợp chất bị hòa tan hoặc lơ lửng trong một hỗn hợp lỏng được tách ra khỏi các hợp chất khác trong hỗn hợp theo các tính chất vật lý và hóa học của chúng. Các phòng thí nghiệm phân tích sử dụng phương pháp chiết pha rắn để cô đặc và làm sạch mẫu để phân tích. Chiết pha rắn có thể được sử dụng để tách các chất phân tích quan tâm từ nhiều loại chất nền, bao gồm nước tiểu, máu, nước, đồ uống, đất và mô động vật
- SPE sử dụng ái lực của các chất hòa tan hoặc lơ lửng trong chất lỏng (được gọi là pha động) đối với chất rắn mà qua đó mẫu được đi qua (được gọi là pha tĩnh) để tách hỗn hợp thành các thành phần mong muốn và không mong muốn. Kết quả là các chất phân tích mong muốn được quan tâm hoặc các tạp chất không mong muốn trong mẫu được giữ lại trên pha tĩnh. Phần đi qua pha tĩnh được thu lại hoặc loại bỏ, tùy thuộc vào việc nó có chứa chất phân tích mong muốn hay tạp chất không mong muốn. Nếu phần được giữ lại trên pha tĩnh bao gồm các chất phân tích mong muốn, thì chúng có thể được loại bỏ khỏi pha tĩnh để thu gom trong một bước bổ sung, trong đó pha tĩnh được rửa bằng chất rửa giải thích hợp.
- Có thể có sự thu hồi không hoàn toàn các chất phân tích do SPE gây ra do chiết hoặc rửa giải không hoàn toàn. Trong trường hợp chiết không hoàn toàn, các chất phân tích không có đủ ái lực với pha tĩnh và một phần của chúng sẽ ở lại trong dịch thấm. Trong quá trình rửa giải không hoàn toàn, một phần chất phân tích vẫn còn trong chất hấp thụ vì chất rửa giải được sử dụng không có ái lực đủ mạnh.
- Nhiều chất hấp phụ / vật liệu giống như trong các phương pháp sắc ký, nhưng SPE là đặc biệt, có mục đích tách biệt với sắc ký, và do đó có một vị trí thích hợp duy nhất trong khoa học hóa học hiện đại.
Nguyên tắc và phân loại SPE
1. Nguyên tắc chung
• Chiết pha rắn cũng là quá trình phân bố của các chất giữa 2 pha, trong đó lúc đầu chất mẫu ở dạng lỏng (pha nước, hay hữu cơ), còn chất chiết ở dạng rắn, dạng hạt nhỏ và xốp đường kính 25 - 70 μm. Vì thế nên có tên là chiết pha rắn (Solid Phase Extraction ), hay chiết rắn-lỏng.
• Chất chiết được gọi là pha tĩnh, và được nhồi vào một cột chiết nhỏ, cột chiết kích thước: 6 x 1 cm, hay dung lượng chiết 100-600 mg, hoặc dạng đĩa chiết có kích thước dầy 1-2 mm và đường kính 3-4 cm. Chất chiết là các hạt Silica trung tính, các hạt ôxit nhôm, hay các Silicagen trung tính đã bị alkyl hoá nhóm -OH bằng nhóm mạch carbon thẳng -C2, -C4, -C8, -C18,.. , hay nhân phenyl. Nó được chế tạo trong điều kiện giống như pha tĩnh của sắc ký HPLC, và các hạt này có độ xốp lớn, với diện tích bề mặt xốp thường từ 50 - 300 m2/gam.
• Khi xử lý mẫu, dung dịch chất mẫu được dội lên cột chiết. Lúc này pha tĩnh sẽ tương tác với các chất và giữ một nhóm chất phân tích lại trên cột (trên pha tĩnh), còn các nhóm chất khác sẽ đi ra khỏi cột cùng với dung môi hoà tan mẫu. Như thế là chúng ta thu được nhóm chất cần phân tích ở trên pha tĩnh (chất chiết rắn).
• Sau đó dùng một dung môi thích hợp hoà tan tốt các chất phân tích để rửa giải chúng ra khỏi pha tĩnh (cột chiết), và chúng ta thu được dung dịch có chất phân tích để xác định chúng theo một cách đã chọn.
2 Các loại chất chiết pha rắn
Theo đặc điểm và bản chất của sự chiết, các chất chiết pha rắn được chế tạo và phân chia theo các loại chất:
• Loại hấp phụ pha thường. Đó là các Silica trung tính và ôxit nhôm
• Hấp phụ pha ngược. Đó là các Silica thường được alkyl hoá nhóm-OH
• Loại chất trao đổi iôn (để tách Cation và Anion)
• Chất rây hay sàng lọc phân tử theo độ lớn, kích thước của phân tử chất
• Loại chất hấp phụ khí (purge and trap Extraction), để hấp thụ chất khí.
3.Các kiểu và cơ chế chiết pha rắn
- Chính vì có nhiều loại chất chiết pha rắn, cho nên kỹ thuật chiết pha rắn cũng có nhiều cơ chế và quá trình động học khác nhau, theo bản chất của mỗi loại chất chiết (pha chiết). Nói chung, các chất chiết pha rắn này cũng tương tự như các pha tĩnh trong sắc lý lỏng hiệu năng cao (HPLC). Nó có thể là dạng cột chiết (1x6 cm có thể tích 4-6 mL) hay dạng đĩa chiết (dầy 1-2 mm và đường kính 3-4 cm). Do đó chiết pha rắn cũng có 3 loại cơ chế chính là:
1. Hấp phụ pha thường (loại NP), và Hấp phụ pha ngược (loại RP)
2. Trao đổi ion và cặp ion đối với các chất dạng ion (loại IEx)
3. Rây phân tử theo độ lớn của chất phân tích (Gel).
Các điều kiện của chiết pha rắn
• Quá trình chiết ở đây thực chất cũng là sự phân bố của chất phân tích giữa 2 pha, pha rắn (chất chiết) và pha lỏng (dung dịch chứa chất phân tích) không trộn lẫn vào nhau trong những điều kiện nhất định, như pH, dung môi, nhiệt độ, tốc độ chảy của mẫu qua cột chiết. Trong đó hệ số phân bố nhiệt động Kb của chất phân tích giữa hai pha (rắn và lỏng chứa mẫu) cũng là một yếu tố quyết định hiệu quả của sự chiết. Nó cũng tương tự như trong hệ sắc ký cột lỏng-rắn (của các hệ HPLC).Vì thế muốn thực hiện chiết pha rắn tốt phải có các điều kiện sau đây:
• Pha rắn hay chất chiết (dạng cột chiết hay đĩa chiết) phải có tính chất hấp thụ hay trao đổi chọn lọc với một chất, hay một nhóm chất phân tích nhất định, tức là tính chọn lọc của pha tĩnh chiết.
• Các chất chiết và dung môi rửa giải phải có độ sạch cao theo yêu cầu của cấp hàm lượng phân tích.
• Hệ số phân bố nhiệt động Kfb của cân bằng chiết phải lớn, để có được hiệu suất chiết cao.
• Quá trình chiết phải xẩy ra nhanh và nhanh đạt cân bằng, nhưng không có tương tác phản ứng hoá học làm mất hay hỏng pha rắn và chất phân tích.
• Quá trình chiết phải có tính thuận nghịch, để còn có thể rửa giải được tốt chất phân tích ra khỏi pha chiết bằng một pha động phù hợp.
• Không làm nhiễm bẩn thêm chất phân tích trong quá trình chiết bởi bất kỳ từ nguồn nào.
• Sự chiết phải được thực hiện trong điều kiện nhất định phù hợp, phải lặp lại được tốt và tất nhiên là càng đơn giản dễ thực hiện thì càng tốt.
Các ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng
- Chiết pha rắn là một kĩ thuật chiết mới ra đời, đang phát triển và được ứng dụng trong khoảng chục năm trở lại đây, nhất là ở các nước tiên tiến và nó mới vào Việt nam ta từ năm 1997. Hiện nay đã có một số hãng sản xuất và cung cấp ra thị trường nhiều loại chất chiết và dụng cụ chiết khác nhau cho nhiều đối tượng rất tiện dụng. Chất chiết thường là các chất Silica được hoạt hoá để chúng có khả năng hấp thụ cao và chọn lọc các chất theo từng nhóm.
- Kỹ thuật chiết này có các ưu và nhược chính điểm sau đây:
• Có tính chọn lọc đối với một nhóm hợp chất phân tích
• Cân bằng chiết nhanh đạt được và có tính thuận nghịch
• Thích hợp cho mẫu lượng nhỏ và phân tích lượng vết các chất
• Thao tác đơn giản và nhanh hơn các kỹ thuật chiết khác
• Trong quá trình chiết luôn luôn có cả sự làm giầu chất phân tích
• Chất chiết pha rắn không đắt (khoảng 50.000 đ.VN/1cột chiết).
Chính vì thế mà nó đang được sử dụng rất phổ biến trong phân tích, đặc biệt là phân tích đối tượng môi trường các chất vi lượng độc hại
