SẮC KÝ ĐIỀU CHẾ - Trung Tâm Dịch Vụ Phân Tích Thí Nghiệm TP.HCM

Khi tiếp xúc với pha tĩnh, các cấu tử của hỗn hợp chất nghiên cứu sẽ phân bố giữa pha động và pha tĩnh tương ứng với tính chất của chúng (tính bị hấp phụ, độ tan…). Các chất khác nhau thì có ái lực khác nhau với pha động và pha tĩnh.

Sắc ký điều chế (preparative chromatography) là một kỹ thuật phân tách tiên tiến được ứng dụng để tách hoặc làm tinh khiết các cấu tử có giá trị cao, hoặc các cặp đồng phân quang học khó tách bằng các phương pháp khác.

Phân biệt sắc ký phân tích và sắc ký điều chế

Nếu như người ta dùng sắc ký phân tích (Analytical Chromatography) để định tính và định lượng các cấu tử có trong mẫu phân tích thì sắc ký điều chế giúp ta phân lập và tinh chế các cấu tử từ hỗn hợp ban đầu.

Đối với sắc ký phân tích các tiêu chí như độ nhạy, độ chính xác của phương pháp là các chỉ tiêu đánh giá hiệu năng của phương pháp thì độ tinh khiết của sản phẩm, tỷ lệ thu hồi dung môi cao, tiêu hao dung môi tối thiểu là các tiêu chí đánh giá hiệu quả của phương pháp sắc ký điều chế.

Có thể phân loại sắc ký điều chế thành 3 loại như sau:

1. Sắc ký lớp mỏng điều chế (Preparative Thin layer Chromatography);2. Sắc ký cột điều chế (Preparative Column Chromatography);3. HPLC điều chế (Preparative High Perfornace Liquid Chromatography).Xin giới thiệu sau đây những điểm khái quát nhất về từng loại sắc ký điều chế.

1. Sắc ký lớp mỏng điều chế (preparative thin layer chromatography)

Sắc ký lớp mỏng (thin layer chromatography - TLC) là một kỹ thuật thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm, vì nó cho phép xác định nhanh thành phần của các hợp chất phức tạp. TLC có thể phân lập các chất ở một hàm lượng rất nhỏ và thường dùng để phân tích các chất chiết ra từ thực vật.

Sắc ký lớp mỏng điều chế là phương pháp được sử dụng để tách một lượng nhỏ đơn chất (10 - 1000 mg) từ một hỗn hợp đơn giản (chỉ gồm một vài cấu tử).

1.1. Kỹ thuật sắc ký lớp mỏng điều chế

Trong kỹ thuật sắc ký lớp mỏng điều chế, một dung dịch mẫu thử được chấm trên một bản mỏng có tráng lớp chất hấp phụ (thường là silica gel, nhôm oxyt) có độ dày từ 0,5 – 2,0 mm trên nền phẳng (kính, nhôm) có vai trò là một pha tĩnh. Nhúng bản mỏng này vào bình sắc ký chứa dung môi đã được bão hòa (pha động) để chạy sắc ký. Trong bình sắc ký pha động, sẽ di chuyển dọc theo bản mỏng làm di chuyển các cấu tử của mẫu thử theo một vận tốc khác nhau tạo thành một sắc ký đồ gồm nhiều vết có thời gian lưu (Rf) khác nhau. Quá trình này còn gọi là khai triển sắc ký hoặc chạy sắc ký.

Sau khi khai triển trong bình sắc ký và làm khô dung môi, ta có thể xác định được vị trí và diện tích của vết bằng nhiều cách khác nhau như: soi dưới đèn tử ngoại (đèn UV), đặt bản mỏng trong buồng hơi iot bão hòa hoặc phun thuốc hiện màu đặc hiệu để đánh dấu vị trí các vết trên bản mỏng.

Để thu được chất nghiên cứu, tiến hành cạo vùng chất hấp phụ chứa vết ra khỏi bản mỏng và phản hấp phụ chúng bằng một dung môi thích hợp. Hợp chất thu được từ bản mỏng có thể được tiếp tục tinh chế bằng sắc ký lớp mỏng (TLC) hay bằng các phương pháp sắc ký điều chế khác. Khi hợp chất này đã đạt độ tinh khiết cao ở mức nhất định, người ta tiến hành định tính, xác định cấu trúc bằng các phương pháp phân tích khác nhau hoặc bằng phép đo quang phổ. Lúc này căn cứ vào mức độ tinh khiết đã đạt được, có thể sử dụng chúng như chất chuẩn hay chất đối chiếu.

Kỹ thuật tiến hành sắc ký lớp mỏng điều chế tương tự như kỹ thuật TLC. Nhưng để có hiệu suất cao hơn trong sắc ký lớp mỏng điều chế, người ta thường dùng các bản mỏng dày hơn so với kỹ thuật TLC. Các lớp mỏng đó thường có độ dày 0,5 - 2mm hoặc có thể dày đến 10 mm tùy mục đích nghiên cứu. Việc sử dụng các bản mỏng này làm cho hiệu suất điều chế tăng lên đáng kể.

1.2. Cách phát hiện vết trong kỹ thuật sắc ký lớp mỏng điều chế

Soi UV

Sau khi lấy bản mỏng đã triển khai ra khỏi bình sắc ký, để khô tự nhiên hoặc sấy nhẹ rồi đưa vào soi dưới ánh sáng đèn tử ngoại. Dưới tác động của tia tử ngoại, các vết sẽ phát sáng. Ưu điểm của phương pháp này là, nhanh, tiện lợi, không bị hao hụt mẫu.

Nhược điểm của phương pháp này là, mắt nhìn thấy vị trí biểu kiến khác vị trí thực của vết dẫn đến việc xác định vị trí sai. Để khắc phục, khi phản hấp phụ người ta thường cạo vết rộng ra để việc thu chất triệt để hơn.

Phun thuốc hiện màu đặc hiệu

Dùng tấm kính hoặc tấm nhựa mỏng che hầu hết bản mỏng, sau khi đã khai triển và làm khô dung môi. Phun thuốc hiện màu đặc hiệu lên phần không bị che. Thuốc hiện màu đặc hiệu này sẽ tác dụng với các chất và tạo màu các vết trên bản mỏng. Căn cứ vào vị trí các vết màu hiện trên bản mỏng, dùng dụng cụ thích hợp cạo phần lớp mỏng tương ứng ở phần bản mỏng bị che để thu chất nghiên cứu và tiến hành phản hấp phụ. Ưu điểm của phương pháp này là, xác định được vị trí chính xác của vết.

Sử dụng hơi iod

Đặt bản mỏng trong buồng hơi iod bão hòa cho đến khi vết xuất hiện. Lấy bản mỏng ra khỏi buồng iod. Đánh dấu vị trí vết sau đó phơi bản ngoài quạt gió để bay hơi iod. Cạo bản mỏng tại phần diện tích đánh dấu, phản hấp phụ để thu chất cần nghiên cứu.

Ưu nhược điểm

Ưu điểm của phương pháp sắc ký lớp mỏng điều chế là:

- Nhanh, rẻ, thiết bị đơn giản và dễ áp dụng hơn so với sắc ký cột cổ điển và HPLC điều chế.- Dễ tìm được dung môi thích hợp để tách hỗn hợp các chất.- Sử dụng một lượng nhỏ dung môi.- Có thể triển khai nhiều lần để thu được kết quả phân tách tốt hơn, có độ tinh khiết cao hơn.- Dễ dàng phản hấp phụ để lấy các chất cần điều chế ra khỏi bản mỏng.- Có thể triển khai đồng thời nhiều chất chuẩn trong cùng một điều kiện xác định giúp tạo thuận lợi cho việc xác định hợp chất mong muốn.Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là:- Các hợp chất kém bền chấm trên bề mặt bản mỏng có thể bị phân hủy khi tiếp xúc với không khí và ánh sáng.- Trong nhiều trường hợp có sự xuất hiện đồng thời của tạp chất trong khi phản hấp phụ để thu hồi chất cần điều chế.- Phải chạy trên nhiều hệ dung môi để phân biệt trong trường hợp các chất có Rf giống nhau trong một hệ dung môi.

2. Sắc ký cột điều chế (preparative column chro-matography)

2.1. Nguyên tắc

Phương pháp sắc ký cột điều chế dựa vào sự phân bố khác nhau của các chất giữa pha động và pha tĩnh, được thực hiện trong một ống thủy tinh thẳng (cột) với chất hấp phụ đóng vai trò pha tĩnh được nhồi vào cột. Dung môi rửa cột đóng vai trò pha động chảy qua chất hấp phụ.

Đối với các chất riêng biệt trong hỗn hợp tùy theo khả năng hấp phụ và khả năng hòa tan của nó đối với dung môi rửa cột, có thể lấy chúng ra trước hoặc sau.

Chất hấp phụ trong sắc ký cột thường là ôxýt nhôm, silicagel, CaCO3, than hoạt tính, polyamid. Các chất này đã được tiêu chuẩn hóa và có sẵn trên thị trường.

2.2. Kỹ thuật sắc ký cột điều chế

Có 3 phương pháp tiến hành sắc ký cột điều chế:

- Phương pháp tiền lưu- Phương pháp rửa giải- Phương pháp rửa đẩy

Kỹ thuật tiến hành các phương pháp này có khác nhau ít nhiều. Ở phương pháp tiền lưu, người ta xác định nồng độ các cấu tử trong dung dịch chảy ra khỏi cột và xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của nồng độ cấu tử vào thể tích dung môi chảy qua cột. Hay

phương pháp rửa giải, người ta cho một thể tích dung dịch chứa hỗn hợp hai cấu tử (có ái lực khác nhau đối với pha tĩnh trong cột) chảy qua cột. Còn trong phương pháp rửa đẩy, sau khi đưa mẫu vào cột, người ta cho chảy qua cột một dung dịch rửa chứa một chất có ái lực với pha tĩnh lớn hơn các cấu tử cần tách. Song nguyên tắc chung của sắc ký cột điều chế đều dựa vào sự phân bố khác nhau của các chất giữa hai pha động và pha tĩnh. Sự lặp đi lặp lại hiện tượng hấp phụ - phản hấp phụ của các chất khi dòng pha động chuyển động qua pha tĩnh nhồi trong cột là cơ chế chủ yếu của việc tách trong sắc ký cột.

Trong kỹ thuật sắc ký cột điều chế, các yếu tố như chiều dài cột, đường kính trong của cột, bản chất và cỡ hạt của pha tĩnh nhồi trong cột, tính chất và tốc độ chảy của dung môi, ái lực của chất nghiên cứu đối với pha tĩnh, kỹ thuật nhồi cột…. là những yếu tố quyết định đến hiệu năng của phương pháp.

2.3. Các bước tiến hành sắc ký cột điều chế

Nhồi cột.

- Chọn cột, làm khô cột;- Cân lượng pha tĩnh cần dùng tương ứng với dung tích của cột;- Pha dung môi chạy hệ;- Hòa tan pha tĩnh vào dung môi đó trong một cốc có mỏ;- Nhồi dưới đáy cột một lớp bông gòn để chặn pha tĩnh (không cần đối với những cột đã có sẵn miếng xốp hay lọc thủy tinh để chặn pha tĩnh);- Chuyển pha tĩnh vào cột bằng cách khuấy pha tĩnh trong dung môi (không phân cực) đã pha sẵn rồi rót nhẹ nhàng vào cột. Khi rót, nên mở khóa cột để pha tĩnh lắng đều, nhớ để bình hứng bên dưới để thu hồi dung môi, tiếp tục làm như vậy đến khi chuyển hết lượng pha tĩnh vào cột sau đó khóa cột lại.

Nạp mẫu vào cột.

- Nếu nạp mẫu ướt (hỗn hợp chất phân tích tan trong dung môi chạy cột) thì hòa tan mẫu trong dung môi và cho vào cột.- Cách nạp mẫu khô tiến hành như sau: Nếu mẫu không tan trong dung môi chạy cột thì phải hòa tan mẫu vào dung môi trung gian (dung môi này hòa tan được mẫu) trong một cốc có mỏ. Dùng một lượng pha tĩnh cho vào cốc có mỏ trên để hấp thu mẫu vào pha tĩnh. Sau khi chuyển vào bình cầu và cất dưới áp lực giảm để đuổi dung môi, sẽ thu được pha tĩnh khô có chứa mẫu. Lúc này nạp hết pha tĩnh đó vào cột và cho tiếp dung môi chạy cột vào.- Sau khi hoàn tất việc nạp mẫu, lót 1 miếng bông gòn ở bên trên cột để ổn định hệ rồi tiếp tục cho dung môi vào cột.- Mở khóa, lúc này trong cột bắt đầu tách chất, hứng lượng dung môi chảy ra có kèm theo chất đã tách được bằng ống nghiệm nhỏ, mỗi lần hứng khoảng 1/3 ống nghiệm. Sau đó, đem chấm trên bản mỏng. Những ống có vệt tương tự nhau sẽ được gom lại, đó là một chất. Tiếp tục làm như vậy và cuối cùng ta sẽ tách được các chất mong muốn.Dùng khóa cột để điều chỉnh tốc độ dòng chảy dung môi, vì tốc độ chảy của dung môi quyết định quá trình tách có tốt hay không. Nếu tốc độ chảy chậm thì phải chờ lâu, chảy nhanh thì pha tĩnh chưa kịp hấp phụ đã phải chảy ra, như vậy chất sẽ không tách ra được.

Pha động trong sắc ký cột điều chế

Khi khảo sát pha động trong sắc ký cột điều chế, điều quan trọng là chọn được một dung môi hoặc hỗn hợp dung môi phù hợp nhất để có thể tách các cấu tử chất cần tách trong thời gian ngắn nhất và sử dụng ít dung môi nhất.

Trong sắc ký cột điều chế, người ta thường sử dụng hỗn hợp dung môi. Vì vậy, việc pha trộn tỷ lệ dung môi thế nào để quá trình tách chiết tốt nhất cần được quan tâm.

Việc dùng các loại dung môi tinh khiết, dung môi có độ sôi thấp để dễ thu hồi, dung môi có độ nhớt thấp để tránh áp lực lên cột nhồi là các yếu tố cần lưu ý trong để tăng hiệu năng của kỹ thuật sắc ký cột điều chế.

2.4. Cách phát hiện trong sắc ký cột điều chế

UV detector: Trong sắc ký cột điều chế phương pháp ghi nhận sắc ký đồ bằng detector UV thường được sử dụng nhiều nhất. UV detector áp dụng được cho các hợp chất có nhân thơm, có nối đôi liên hợp, nhóm carbonyl, có chứa iod, brom, sulfur,…

Refractive detector: Cơ sở của phát hiện là căn cứ vào chỉ số khúc xạ. Phát hiện bằng refractive detector tuy có độ nhạy thấp hơn so với bộ phát hiện UV nhưng nó hay được ứng dụng trong sắc ký cột điều chế. Khi lựa chọn dung môi, dựa vào chỉ số khúc xạ để lựa chọn được loại dung môi nào có hiệu quả tách cao nhất.

3. HPLC điều chế (preparative high perfornace liquid chromatography)

3.1. Nguyên tắc

Phương pháp tách các chất bằng HPLC điều chế dựa trên trạng thái cân bằng giữa các thành phần chất hấp phụ trong cột (pha tĩnh) và dung môi chảy qua nó (pha động).

Khi một thành phần liên kết với pha tĩnh, đó là sự hấp phụ, khi thành phần này bị tách ra khỏi hỗn hợp nhờ pha động, đó là sự phản hấp phụ. Khả năng hấp phụ cao giữa các thành phần chất nghiên cứu với pha tĩnh chính là khả năng lưu giữ các thành phần này trên cột lâu hơn. Vì thế, thành phần đó sẽ được rửa giải ra khỏi cột chậm hơn các thành phần khác. Như vậy, việc tách riêng các chất từ một hỗn chất nghiên cứu chỉ có thể tiến hành đối với các chất có khả năng hấp phụ khác nhau đối với pha tĩnh và phần hấp phụ đối với pha động.

HPLC điều chế là một phương pháp hiệu quả và đang được sử dụng rất phổ biến để tách các chất cần nghiên cứu ra khỏi một hỗn hợp hoặc để tinh chế các chất.

Sơ đồ mô hình HPLC điều chế

3.2. Một số điểm cần chú ý đối với HPLC điều chế

- Cách chọn cột: Việc chọn cột tùy thuộc vào số lượng chất va các yêu cầu tách chiết các cấu tử khác nhau. Đơn giản, hiệu quả và kinh tế là những tiêu chí cần quan tâm khi chọn cột.

Trong kỹ thuật HPLC điều chế, nhiều khi cần sử dụng cột có kích thước lớn. Nếu bán kính cột tăng thì việc nhồi cột rất khó khăn và chất lượng cột nhồi cũng không ổn định (trừ khi sử dụng kỹ thuật nhồi đặc biệt). Ngoài ra, khi dùng cột kích thước lớn muốn duy trì tốc độ tối ưu cho pha động thì lưu lượng pha động cần phải tăng lên va do đó rất tốn dung môi.

Mặt khác, nêu tăng chiều dài cột thì kháng lực dòng chạy sẽ lớn hơn, dẫn đến áp suất trong cột sẽ cao. Khi kéo dài cột sắc ký thì bán kính hạt nhồi phải tăng lên để đáp ứng đủ tính thấm. Tăng đường kính hạt sẽ làm giảm hiệu quả của cột, do đó sẽ làm giảm độ phân giải của các chất cần tách chiết

Chọn chất hấp phụ: Xu hướng của HPLC điều chế là sử dụng chất hấp phụ dạng hạt mịn vì kích thước tiểu phân càng nhỏ thì hiệu quả quá trình tách chiết càng cao. Tuy nhiên, kích thước tiểu phân càng nhỏ thì áp suất phản hồi trong cột nhồi càng cao. Do vậy, giới hạn kích thước thực tế tiểu phân tùy thuộc vào khả năng chịu áp của thiết bị. Nói chung, đa số thiết bị chịu được áp suất phản hồi gây ra bởi các tiểu phân có kích thước 5µm ở tốc độ dòng tối ưu.

Vấn đề thu hồi dung môi, hoá chất: Trong HPLC điều chế, pha tĩnh thường có thể hồi phục và tái sử dụng để tinh chế với cùng loại hoạt chất. Vì số lượng dung môi dùng để chạy HPLC điều chế rất lớn nên việc thu hồi dung môi để tái sử dụng là việc làm rất cần thiết để tiết kiệm dung môi. Trong quá trình chạy HPLC điều chế, người ta phải dùng nhiều loại dung môi: dung môi để tiêm mẫu và dung môi khác để rửa giải. Vì vậy, việc thu gom riêng từng loại dung môi để tiện cho việc tái chế sau này là rất cần thiết. Trường hợp dùng hỗn hợp dung môi thì khả năng thu hồi dung môi khó hơn.

Do vậy, việc tính toán cho kỹ thuật HPLC điều chế là vấn đề rất phức tạp vì cùng một lúc phải kiểm soát nhiều yếu tố tương tác khác nhau. Các thông số tối ưu cần cho việc phân tách khó xác định. Để hiểu được các yếu tố cần thiết của HPLC điều chế cần phải xác định công suất tải của cột.

3.3. Lựa chọn dung môi

Pha thuận thường được chạy với dung môi hữu cơ thường là hexane, heptane, cyclohexane cloroform. Pha động rửa giải thường là các dung môi thân nước như nước, ester. Axit hữu cơ thường thêm vào để giảm thiểu hiệu ứng trao đổi ion do những nhóm silanol tạo ra.

Pha đảo được sử dụng trong môi trường đệm thân nước khi hấp phụ kị nước giữa chất cần tinh chế và pha tĩnh bị xáo trộn vì sự tăng dần nồng độ một dung môi hữu cơ có thể hòa lẫn. Ứng dụng phổ biến của HPLC điều chế pha đảo là trong tinh chế peptides và protein. Trong đó, chất cần tinh chế thường được giải hấp bởi sự rửa giải gradient. Đệm thân nước phổ biến nhất thường là nước chứa hàm lượng thấp của axit trifluoroacetic (thường là 0,1% v/v) và các pha động rửa giải thường là acetonitrile và chất điều chỉnh độ phân cực chứa axít trifluoroacetic.

Việc thêm axit trifluoroacetic vào đệm thân nước nhằm hai mục đích: Một là tạo một cặp ion mạnh với chất nghiên cứu, chống lại việc trao đổi cation với bất kỳ nhóm silanol tự do nào. Hai là với vai trò các cặp ion nó làm giảm sự thay đổi cấu trúc protein và peptide và do đó cải thiện hình dạng peak.

Ưu điểm của axit trifluoroacetic là, nó không hấp thu UV - kỹ thuật chính trong phát hiện peptide và nhiều phân tử khác.

Các đệm axit khác như phosphate, acetate and hydrochloride cũng thường được dùng. Các dung môi như ethanol, methanol, tetrahydrofuran và đặc biệt là acetonitrile thường được dùng với vai trò chất điều chỉnh độ phân cực. (Acetonitrile là loại dung môi dùng điều chỉnh độ phân cực tốt nhất).

3.4. Phương pháp phát hiện và thu nhận kết quả của HPLC điều chế

Có nhiều loại detector để phát hiện trong HPLC điều chế, phổ biến nhất là UV detectors và refractive index detector.

UV-VIS detectors được sử dụng rộng rãi để khảo sát các chất có hấp thụ bức xạ tử ngoại trong khoảng 200 đến 850 nm.

Refractive index detector sử dụng rất hiệu quả để tinh chế các chất do có tính năng rút một phần rất nhỏ của chất lỏng rửa giải từ cột sắc ký vào các mô-đun của đầu dò để thu hồi chất cần điều chế.

Các ứng dụng của sắc ký điều chế

Sắc ký điều chế là một kỹ thuật phân tách tiên tiến, được ứng dụng rất rộng rãi ở quy mô công nghiệp, trong dược phẩm, hóa học, sinh học và môi trường…dùng để tách các chất với hàm lượng nhỏ không thể tách bằng các phương pháp khác. Sắc ký điều chế có thể phân lập được các đơn chất tinh khiết với khối lượng nhỏ từ các polymer tổng hợp, các sản phẩm tự nhiên từ nuôi cấy mô hay từ thảo mộc, dược liệu, các sản phẩm chuyển hóa từ dịch sinh học, khảo sát cấu trúc các đơn chất để làm chất chuẩn.

Trong công nghiệp dược phẩm: Chiết tách, tổng hợp và bán tổng hợp các hợp chất có hoạt tính sinh học (kháng khuẩn, kháng virus, chống oxi hóa, hỗ trợ điều trị bệnh tiểu đường, ngăn chặn ung thư…) từ nguồn nguyên liệu thực vật.

HPLC điều chế là công cụ hữu hiệu dùng để phân tách, tinh chế và làm giàu các loại vitamin cần thiết cho cơ thể của con người (thiếu vitamin sẽ gây ra các rối loạn chuyển hóa ở cả người và động vật).

Ngày nay các chế phẩm enzyme được sản xuất càng nhiều và được sử dụng trong hầu hết trong các lĩnh vực như: chế biến thực phẩm, nông nghiệp, chăn nuôi, y tế. Sắc ký điều chế có ứng dụng nhiều trong việc nghiên cứu cải tiến phương pháp tách và tinh chế enzyme nhằm thu được chế phẩm có độ tinh khiết cao.

Enzyme là chất xúc tác sinh học có thành phần cơ bản là protein. Các enzyme được ứng dụng nhiều trong thực phẩm, dược phẩm và công nghệ sinh học. Để sử dụng các enzyme này đòi hỏi chúng phải có độ tinh khiết nhất định, nhất là đối với ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm. HPLC điều chế được sử dụng rộng rãi cho việc tách hoặc làm tinh khiết các enzyme.

BÙI HỮU ĐIỂNTạp chí Thử nghiệm Ngày nay số 13 tháng 11/2018