Silica gel nhồi cột

Nguồn: Introduction to HPLC, Shimadzu, LC World Talk Special Issue Volume 1

Silica gel nhồi cột (Silica gel based packing)

Hiện nay, các loại silica gel hình cầu, xốp, dạng bột, sau khi được octadecylsilyl hóa (ODS) hay liên kết hóa học với nhóm chức khác, được dùng rộng rãi để làm pha tĩnh trong các cột HPLC. Nhiều người khi chạy phân tích bằng HPLC có lẽ gặp nhiều vấn đề đầy kinh nghiệm với những khác biệt giữa các lô sản xuất của cột hoặc thắc mắc về những điểm khác nhau giữa các cột đã octadecylsilyl hóa của những nhà sản xuất khác nhau. Bài viết này nhằm làm rõ một vài vướng mắc về các loại vật liệu nhời trên nền silica gel.

Silica gel ODS loại thường được sản xuất bằng cách đem bột silica gel hình cầu có kích cỡ hạt trung bình khoảng 5µm, kích cỡ lỗ xốp¹ của các hạt từ 6 đến 10 nm, phản ứng với chất ghép nối nhóm chức silanol, ví dụ như hợp chất dimethyloctadecylchlorosilane. Xấp xỉ 8µmol/m² nhóm chức silanol còn sót lại trên bề mặt silica gel sau phản ứng gắn các nhóm octadecyl (chất ghép nối silanol) lên bề mặt silica gel thông qua tạo nối siloxane (-Si-O-Si-). Tuy nhiên, khi sử dụng nhóm thế cồng kềnh như nhóm chức dimethyl-octadecylsilyl thì các nhóm silanol không phản ứng luôn luôn còn sót lại vì chướng ngại lập thể.

Phản ứng silyl hóa trên bề mặt silica gel
(i) Octadecylsilyl hóa
(ii) Phản ứng silyl hóa thứ cấp

 

Do đó, cần thêm “phản ứng silyl hóa thứ cấp” [phản ứng silyl hóa bổ sung] mà trong đó sử dụng tác chất trimethylchlorosilane (TMS-Cl) hay những hợp chất khác. Silica gel ODS thương mại ngày nay được xử lý bằng TMS theo cách đó. Những nhóm chức silanol còn sót gây ảnh hưởng đến sự hấp phụ của các mẫu có tính kiềm [base] và lượng nhóm silanol khác nhau tùy thuộc từng nhà sản xuất. Vì thế cần phải có những lưu ý đặc biệt trong quá trình phân tích các mẫu tính kiềm. Giờ ta hãy tìm hiểu sâu hơn về silica gel ODS. Khi quan sát silica gel dưới kính hiển vi thì nhận thấy những hạt silica gel bị vỡ thường lẫn kèm trong đó. Vì thế, mặc dù  trên danh nghĩa kích thước các hạt là 5µm, nhưng thực tế rất nhiều hạt có kích cỡ dưới 2µm và cũng có các hạt kích thước lớn vào khoảng 10µm. Sự chênh lệch kích thước này thay đổi tùy theo từng nhà sản xuất [nghĩa là mỗi nhà sản xuất sẽ cho các hạt có kích thước không đồng đều và khác nhau, chứ không phải là tùy mỗi nhà sản xuất mà tất cả các hạt đều có kích cỡ 2µm hay 10µm], và điều này gây tác động xấu đối với trạng thái của cột nhồi [làm hỏng cột]. Phần lớn khách hàng thường mua những loại cột nhồi. Nếu xuất hiện một khoảng trống nằm ở phần đầu cột sau một thời gian sử dụng thì có thể những vấn đề với cột nhồi ở đây bắt nguồn từ kích thước không đồng đều của các hạt silica gel.      

Kích thước lỗ xốp của hạt silica gel theo lý thuyết là 10µm, tùy thuộc vào từng nhà sản xuất mà sự phân bố các lỗ và cả kích thước của các lỗ xốp sẽ khác nhau. Một tác nhân ghép nối silanol cồng kềnh như ODS, không phân tán được trên bề mặt của silica gel có lỗ nhỏ mịn, lượng nối ODS giảm dần và trong một vài trường hợp thì trả về lại các nhóm silanol như chưa từng qua quá trình “sylil hóa thứ cấp”. Chính vì vậy, việc kiểm soát sự phân bố kích thước lỗ xốp là điều cần thiết để loại trừ những khác biệt giữa các lô hàng sản xuất. Nói chung, khi kích thước lỗ xốp tăng lên, diện tích bề mặt riêng của silica gel giảm, dẫn đến số lượng nhóm ODS hiện diện [biểu kiến, bề ngoài] suy giảm và sự lưu giữ các hợp chất khối lượng phân tử thấp suy yếu đi. Silica gel “lỗ rộng” với kích thước lỗ xốp 30 nm hoặc lớn hơn hiện giờ đã được áp dụng vào việc phân tích những đại phân tử, đặc biệt là các protein và nucleic acid. Là bởi vì vật liệu nhồi có kích thước lỗ lớn hơn đưa đến sự phân tán các mẫu đại phân tử vào trong và xung quanh các lỗ xốp nhanh hơn.

Hình chụp SEM của pha tĩnh polystyrene, từ trái sang phải kích thước lỗ xốp tăng dần
Nguồn: http://www.nanomicrotech.com

Việc sử dụng những tác nhân silyl hóa khác nhau cho phép sự sản xuất của các loại silica gel nhồi cột khác nhau được liên kết với các nhóm octyl, phenyl, cyanopropyl (CN), aminopropyl (NH₂); kể cả ODS. Sự lựa chọn vật liệu nhồi tùy theo mục đích phân tích. Những vật liệu này có thể được dùng trong khoảng pH từ 2 đến 8; silica gel bị hòa tan trong môi trường kiềm và pha tĩnh với nhóm chức silyl hóa bị tách khỏi nhau ở môi trường có giá trị pH thấp hơn 2 vì các nối Si-C bị cắt rời. Các cột với pha tĩnh silica gel được phủ [tráng] bởi lớp polymer và cột với pha tĩnh là polymer tổng hợp mà trên bề mặt được nối với các nhóm octadecyl được sử dụng để cải thiện sức bền trong môi trường kiềm. Tuy nhiên, ngày nay các silica gel nhồi cột biến tính hóa học [gắn với các nhóm chức như trên] được dùng rộng rãi như là một loại vật liệu nhồi rẻ, bền, hiệu năng cao.

 Chú thích

¹ Kích thước hạt (particle size) và kích thước lỗ xốp (pore size) là hai thuật ngữ khác nhau.  Sẽ có một bài viết khác chi tiết hơn về sự khác biệt này. Ngoài ra, vật liệu nhồi trong HPLC có hai dạng xốp là xốp bề mặt (gồm nhân trơ phủ ngoài là bề mặt mang nhiều lỗ xốp) và xốp thể tích (cấu trúc không đặc, trống, cấu tạo mạng không gian chiếm ưu thế).

 

Thuật ngữ

Dispersion: sự phân tán

 

 

Xem thêm các bài viết khác theo mục lục tại đây: https://trinhhaithang.wordpress.com/2016/09/07/tai-lieu-co-ban-huu-ich-ve-hplc-dich-thuat/