Hệ thống sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC - High Performance Liquid Chromatography ) docx

Phần I : Cơ sở lý thuyết1 - Khái niệm : Sắc ký lỏng hiệu năng cao là một phương pháp chia tách trong đó pha động là chât lỏng và pha tĩnh chứa trong cột là chất rắn đã được phân chia dư

Phần I : Cơ sở lý thuyết

• HPLC là chữ viết tắt của 04 chữ cái đầu bằng tiếng Anh của phương

pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao ( High Performance Liquid

Chromatography) ,trước kia gọi là phương pháp sắc ký lỏng cao áp (High Pressure Liquid Chromatography)

• Phương pháp này ra đời từ năm 1967-1968 trên cơ sở phát triển và cải tiến từ phương pháp sắc ký cột cổ điển Hiện nay phương pháp HPLC ngày càng phát triển và hiện đại hoá cao nhờ sự phát triển nhanh chóng của ngành chế tạo máy phân tích Hiện nay nó áp dụng rất lớn trong nhiều nghành kiểm nghiệm đặc biệt là ứng dụng cho nghành kiểm nghiệm

Thuốc Và nó hiện là công cụ đắc lực trong phân tích các thuốc đa thành phần cho phép định tính và định lượng

Phần I : Cơ sở lý thuyết

1 - Khái niệm : Sắc ký lỏng hiệu năng cao là một phương pháp chia tách trong

đó pha động là chât lỏng và pha tĩnh chứa trong cột là chất rắn đã được phân chia dưới dạng tiểu phân hoặc một chất lỏng phủ lên một chất mang rắn ,hay một chất mang đã được biến đổi bằng liên kết hoá học với các

nhóm chức hữu cơ Quá trình sắc ký lỏng dựa trên cơ chế hấp phụ,phân

bố ,trao đổi Ion hay phân loại theo kích cỡ ( Rây phân tử )

2- Nguyên tắc của quá trình sắc ký trong cột :

Pha tĩnh là một yếu tố quan trọng quyết định bản chất của quá trình sắc ký

và lọai sắc ký

Nếu pha tĩnh là chất hấp phụ thì ta có Sắc ký hấp phụ pha thuận hoặc pha đảo

Nếu pha tĩnh là chất trao đổi Ion thì ta có Sắc ký trao đổi ion

Nếu pha tĩnh là chất Lỏng thì ta có Sắc ký phân bố hay sắc ký chiết

Phần I : Cơ sở lý thuyết Nếu pha tĩnh là Gel thì ta có Sắc ký Gel hay Rây phân tử

• Cùng với pha tĩnh để rửa rải chất phân tích ra khỏi cột ,chúng ta cần có một pha động

• Như vậy nếu chúng ta nạp mẫu phân tích gồm hỗn hợp chất phân tích A,B,C Vào cột phân tích ,kết quả các chất A,B,C Sẽ được tách ra khỏi nhau sau khi đi qua cột Quyết định hiệu quả của sự tách sắc ký ở đây là tổng hợp các tương tác

F1

Phần I : Cơ sở lý thuyết

• Tổng của 03 tương tác này sẽ quyết định chất nào được rửa rải

ra khỏi cột trước tiên khi lực lưu giữ trên cột là nhỏ nhất

( F1) và ngược lại

• Đối với mỗi chất ,sự lưu giữ được qui định bởi 03 lực F1,F2,F3 Trong đó F1 và F2 giữ vai trò quyết định còn F3 là yếu tố ảnh hưởng không lớn

• Ở đây F1 là lực giữ chất phân tích trên cột F2 là lực kéo của pha động đối với chất phân tích ra khỏi cột

• Như vậy với các chất khác nhau thì F1 và F2 là khác nhau ,Kết quả là các chất khác nhau sẽ di chuyển trong cột với tốc độ khác nhau và tách ra khỏi nhau khi ra khỏi cột ( như hình dưới đây )

Phần I : Cơ sở lý thuyết Phần minh hoạ quá trình tách các chất A và B trong

cột tách sắc ký

Pha động

+ Sắc ký hấp phụ pha thuận ( NP - HPLC) : Pha tĩnh phân cực ,pha động không phân cực

+ Sắc ký hấp phụ pha đảo (RP - HPLC) : Pha tĩnh không phân cực ,pha động phân cực

Loại sắc ký này được áp dụng rất thành công để tách các hỗn hợp các chất có tính chất gần tương tự nhau và thuộc loại không phân cực,phân cực yếu hay trung bình như các Vitamin,thuốc hạ nhiệt giảm đau

Hiện nay chúng ta đang sử dụng chỉ có loại sắc ký này mà thôi.

Phần I : Cơ sở lý thuyết

4 - Các đại lượng đặc trưng của sắc ký đồ

Kết quả của quá trình tách các chất được Detector phát hiện ghi thành sắc ký đồ như hình trên

Phần I : Cơ sở lý thuyết

r2

t’ r1

tr1

t’r1 : Thời gian lưu thực chất At’r2 : Thời gian lưu thực chất Btr1 : Thời gian lưu chất A

tr2 : Thời gian lưu chất B

4.1 Thời gian lưu thực t’r : Retention time

Thời gian lưu của một chất là thời gian tính từ khi bơm mẫu vào cột cho đến khi chất đó ra khỏi cột đạt giá trị cực đại

Thời gian lưu của mỗi chất là hằng định và các chất khác nhau thì thời gian lưu sẽ khác nhau trên cùng một điều kiện sắc ký đã chọn Vì vậy thời gian lưu là đại lượng để phát hiện định tính các chất.

Thời gian lưu phụ thuộc vào các yếu tố :

+ Bản chất sắc ký của pha tĩnh.

+ Bản chất ,thành phần,tốc độ của pha động

+ Cấu tạo và bản chất phân tử của chất tan

+ Trong một số trường hợp thời gian lưu còn phụ thuộc vào pH của pha động

Trong một phép phân tích nếu tr nhỏ quá thì sự tách kém ,còn nếu tr quá lớn thì peak bị doãng và độ lặp lại của Peak rất kém ,thời gian phân tích rất dài đồng thời kéo theo nhiều vấn đề khác như hao tốn dung môi,hoá chất, độ chính xác của phép phân tích kém.

Để thay đổi thời gian lưu chúng ta dựa vào các yếu tố trên đã trình bày

4.2 Hệ số dung lượng K’ : Capacity Factor

Hệ số dung lượng của một chất cho biết khả năng phân bố của chất đó trong hai pha cộng với sức chứa cột tức là tỷ số giữa lượng chất tan trong pha tĩnh và lượng chất tan trong pha động ở trong thời điểm cân bằng

K’ = ( tR - t0)/ t0 Nếu K’ nhỏ thì t R cũng nhỏ và sự tách kém Nếu K’ lớn thì Peak bị doãng Trong thực tế K’ từ 1- 5 là tối ưu

Phần I : Cơ sở lý thuyết

4.3 - Độ chọn lọc :

Độ chọn lọc cho biết hiệu quả tách của hệ thống sắc ký ,khi 02 chất

A ,B có K’ A va K’ B khác nhau thì mới có khả năng tách ,mức độ tách biểu thị ở Độ chọn lọc .

= K’ B / K’ A Với điều kiện K’ B > K’ A

với  càng khác 1 thì khả năng tách càng rõ ràng

= 1.02 = 1.16 = 1.20

Phần I : Cơ sở lý thuyết

4.2 Số đĩa lý thuyết N:

Số đĩa lý thuyết là đại lượng biểu thị hiệu năng của cột trong một điều

kiện sắc ký nhất định Mỗi đĩa lý thuyết trong cột săc ký giống như là một lớp pha tĩnh có chiều cao là H ,Tất nhiên lớp này có tính chất động tức là một khu vực của hệ phân tách mà trong đó một cân bằng nhiệt động học được thiết lập giữa nồng độ trung bình của chất tan trong pha tĩnh và pha động

Bề dày H phụ thuộc vào nhiều yếu tố :

+ Đường kính và độ hấp phụ của hạt pha tĩnh

+ Tốc độ và độ nhớt ( độ phân cực )của pha động

+ Hệ số khuyếch tán của các chất trong cột

Vì vậy với một điều kiên sắc ký xác định thì chiều cao H cũng hằng định đối với một chất phân tích và số đĩa lý thuyết của cột cũng được xác định.

Phần I : Cơ sở lý thuyết

4.2 Số đĩa lý thuyết N:

Số đĩa lý thuyết N được tính theo công thức sau :

N = 5,54 ( tR / W0,5)2

Trong đó : tR : Thời gian lưu của chất phân tích

W 0,5 : Độ rộng tại điểm 1/2 của Peak Trong thực tế N nằm trong khoảng 2500 đến 5500 là vừa đủ

Phần I : Cơ sở lý thuyết

4.3 Độ phân giải R : ( Resolution )

Độ phân giải là đại lượng biểu thị độ tách của các chất ra khỏi nhau trên một điều kiện sắc ký đã cho Độ phân giải của 02 Peak cạnh nhau phải được tính theo công thức sau :

* Làm thay đổi K’ bằng cách thay đổi lực rửa giải của pha động ( Thay đổi

độ phân cực nếu là RP - HPLC ,thay đôi cường độ ion nếu là IE - HPLC )

* Làm tăng số đĩa lý thuyết của cột bằng cách dùng cột dài hơn hoặc cột có kích thước nhỏ hơn

Phần I : Cơ sở lý thuyết

4.3 Độ phân giải R : ( Resolution )

* Làm tăng độ chọn lọc  băng cach dung cột khac phu hợp hơn với qua trình tach hoặc thay đổi thanh phần pha động

+ Nếu R lớn quá thì thời gian phân tích sẽ lâu,tốn nhiều pha động ,độ nhạy sẽ kém Để khắc phục ta có thể thay đổi hệ pha động hay dùng chương trình Gradient dung môi Tuy nhiên trong quá trình chạy sắc ký dùng chương trình dung môi thì một số pha động có tỷ lệ thay đổi sẽ kéo theo sự thay đổi đường nền làm ảnh hưởng rất lớn đến thời gian lưu và diện tích của các Peak ta phân tích

Trong thực tế nên hạn chế sử dụng chương trình Gradient dung môi mà chủ yếu là chúng ta phải tìm được hệ pha động rửa giải phù hợp, đáp ứng các yêu cầu trong quá trình phân tích

Phần I : Cơ sở lý thuyết

4.4 Hệ số không đối xứng T : ( Tailing factor)

Hệ số không đối xứng T cho biết mức độ không đối xứng của Peak trên sắc ký đồ thu được

T được tính bằng tỷ số độ rộng của 02 nửa Peak tại điểm 1/10 chiều cao Peak :

Peak dạng đôi xứng hình Gauss trên thực tế khó đạt được vì vậy phải quan tâm đến hệ số không đối xứng T,

b a

T = a/b

Phần I : Cơ sở lý thuyết

4.4Hệ số không đối xứng T : ( Tailing factor)

* Khi T  2.5 thì phép định lượng được chấp nhận

* Khi T > 2.5 thì điểm cuối của Peak rất khó xác định ,vì

vậy phép định lượng cần phải thay đổi các điều kiện sắc ký để lầm cho Peack cân đối hơn theo các cách sau :

+ Làm giảm thể tích chết tức là đoạn nối từ cột đến Detector

+ Thay đổi thành phần pha động sao cho khả năng rửa giải tăng lên

+ Giảm bớt lượng mẫu đưa vào cột bằng cách pha loãng mẫu hay giảm thể tích tiêm mẫu

Phần I : Cơ sở lý thuyết

5 Phân loại sắc ký và ứng dụng :

+ Theo cơ chế chia tách của sắc ký ,người ta phân ra các loại sau đây :

Sắc ký hấp phụ ( NP - HPLC va RP - HPLC); sắc ký phân bố - sắc ký chiết ( LLC); sắc ký trao đổi ion ( IE - HPLC) ; sắc ký rây phân tử - sắc ký gel ( IG - HPLC) Nhưng thực tế hiện nay chúng ta hiện chỉ đang ứng dụng sắc ký hấp phụ vào phân tích mẫu

5.1 Sắc ký hấp phu :

* Quá trình sắc ký dựa trên sự hấp phụ mạnh yếu khác nhau của pha tĩnh đối với các chất tan và sự rửa giải (phản hấp phụ) cuả pha động để kéo chất tan ra khỏi cột Sự tách một hỗn hợp phụ thuộc vào tính chất động học của chất hấp

phụ Trong loại này có 02 kiểu hấp phụ:

Phần I : Cơ sở lý thuyết

+ Sắc ký hấp phụ pha thuận (NP-HPLC): Pha tĩnh phân cực ,pha động không phân cực

+ Sắc ký hấp phụ pha đảo ( RP - HPLC): Pha tĩnh không phân cực pha động phân cực

Loại sắc ký này được áp dụng rất rộng rãi ,thành công để tách các hỗn hợp các chất có tính chất gần tương tự nhau và thuộc loại không phân cực ,phân cực yếu hay trung bình như các Vitamin, các thuốc hạ hiệt giảm đau

Phần I : Cơ sở lý thuyết

I- Máy HP:C gồm các bộ phận cơ bản được tóm tắt trên sơ đồ sau :

Tiêm mẫu

Column

Detector

Phần II : Hệ thống HPLC

Trong đó :

1- Bình chứa dung môi pha động

2- Bộ phận khử khí

3- Bơm cao áp

4-Bộ phận tiêm mẫu ( bằng tay hay Autosample)

5-Cột sắc ký ( Pha tĩnh ) ( để ngòai môi trường hay trong bộ điều nhiệt )

II.1 - Bình đựng dung môi

- Hiện tại máy HPLC thường có 04 đường dung môi vào đầu bơm cao áp Cho phép chúng ta sử dụng 04 bình chứa dung môi cùng 1 lần để rưa giải theo tỷ lệ mong muốn và tổng tỷ lệ dung môi của 04 đường là 100 %

Tuy nhiên theo kinh nghiệm thì chúng ta ít khi sử dụng 04 đường dung môi cùng một lúc mà chúng ta chi sử dụng tối đa là 03và 02 đường để cho hệ pha động luôn được pha trộn đồng nhất hơn,hệ pha động đơn giản hơn để quá trình rửa giải ổn định

Hiện 04 đường dung môi phục vụ chủ yếu cho việc rửa giải Gradial dung môi theo thời gian và công tác xây dựng tiêu chuẩn

Phần II: Hệ thống HPLC

Lưu ý : - Tất cả các dung môi dùng cho HPLC đều phải là dung môi tinh khiết và có ghi rõ trên nhãn là dùng cho

HPLC Hay dung môi tinh khiết phân tích

- Tất cả các hóa chất dùng để pha mẫu và pha hệ đệm phải

được sử dụng là hóa chất tinh khiết phân tích

Nhằm mục đích tránh hỏng cột sắc ký hay nhiễu đường

nền,tạo ra các Peak tạp trong quá trình phân tích

Phần II: Hệ thống HPLC

Trong bất cứ trường hợp nào nêu trên cũng cho kết quả phân tích sai

Phần II: Hệ thống HPLC

II.3- Pump Cao áp :

- Mục đích để bơm pha động vào cột thực hiện quá trình chia tách sắc ký Pump phải tạo được áp suất cao khoảng 3000-6000 PSI hoặc 250 at đến - 500 at ( 1at =0.98 Bar) và pump phải tạo dòng liên tục Lưu lượng bơm từ 0.1 đến 9.999 ml/phút (hiện nay đã có nhiều loại Pump có áp suất rất cao lên đến 1200 bar)

- Máy sắc ký lỏng của chúng ta hiện nay thường có áp suất tôi

đa 412 Bar Tốc độ dòng 0.1-9.999 ml/phút

- Tốc độ bơm là hằng định theo thông số đã được cài đặt Hiện tại bơm có 2 Pistone để thay phiên nhau đẩy dung môi liên tục

Phần II: Hệ thống HPLC

II.4 Bộ phận tiêm mẫu ( injection):

Để đưa mẫu vào cột phân tích theo phương pháp không ngừng

dòng chảy Với dung tích của loop là 5 - 100l

Có 02 cach lấy mẫu vao trong cột : Băng tiêm mẫu thu công( tiêm băng tay ) va tiêm mẫu tự động( Autosample)

II.5 Cột sắc ký :

Cột chứa pha tĩnh được coi la trái tim của hệ thống sắc ký long

hiêu năng cao

- Cột pha tĩnh thông thường làm bằng thép không rỉ ,chiều dài cột khoảng 10 -30cm ,đường kính trong 1-10mm ,hạt chất nhồi cỡ  = 5-10 m.(ngoài ra còn có một số trường hợp đặc biệt vê kích thước

và kích cỡ hạt )

Phần II: Hệ thống HPLC

- Thông thường chất nhồi cột là Silicagel (pha thuận)

hoặc là Silicagel đã được Silan hóa hoặc được bao một lớp mỏng hữu

cơ ( pha đảo ) ,ngoài ra người ta còn dùng các loại hạt khac

như :Nhôm Oxit,Polyme xốp ,chất trao đổi ion.

* Đối với một số phương pháp phân tích đòi hỏi phải có nhiệt độ cao hoặc thấp hơn nhiệt độ phòng thì cột được đặt trong bộ phận điêu

nhiêt (Oven column)

Phần II: Hệ thống HPLC

II.6 - Detector :

- Là bộ phận Phát hiện các chất khi chúng ra khỏi cột và cho các tín hiệu ghi trên săc ký đồ để có thể định tính và định

lượng Tùy theo tính chất của các chất cần phân tích mà người ta

sử dụng loai Detector thích hợp và phải thoả mãn điều kiện trong một vùng nồng độ nhất định của chất phân tích

A=k.CTrong : A là tín hiệu đo được

Trên cơ sở đó người ta chế tạo các lọai Detector sau : + Detector quang phổ tử ngoại 200 - 380 nm để phát hiện UV+ Detector quang phổ tử ngoại khả kiến ( UV - VIS): 190 -

900 nm để phát hiện các chất hấp thụ quang đây là loại thông dụng nhất

+Detector huỳnh quang để phát hiện các chất hữu cơ phát huỳnh quang tự nhiên cũng như các dẫn chất có huỳnh quang Là loại Detector có độ chọn lọc cao nhất

+Loại hiện đại đại hơn có Detector Diod Array ,ELSD

(Detector tán xạ bay hơi ) các Detector này có khả năng quét chồng phổ để định tính các chất theo độ hấp thu cực đại của các chất

Phần II: Hệ thống HPLC

- Ngoài ra còn có một số loại Detector khác là :

+ Detector điện hóa : Đo dòng ,cực phổ ,độ dẫn ,điện lượng )

+ DetectorChiết suất vi sai : Detector khúc xạ ( thông thường

dùng cho đo các chất đường )

+ Detector đo độ dẫn nhiệt ,hiệu ứng nhiệt

II.6 - Bộ phận ghi tín hiệu

- Để ghi tín hiệu phát hiện do Detector truyền sang

+ Trong các máy thế hệ cũ thì sử dụng máy ghi đơn giản có thể vẽ sắc ký đồ,thời gian lưu,diện tích của Peak ,chiều cao

Phần II: Hệ thống HPLC

+ Các máy thế hệ mới đều dùng phần mềm chạy trên máy tính

nó có thể lưu tất cả các thông số,phổ đồ và các thông số của Peak như tính đối xứng,hệ số phân giải trong quá trình phân tích

đồng thời sử lý ,tính toán các thông số theo yêu cầu của người sử dụng như : Nồng độ,RSD,

II.7 In kết quả :

+ Sau khi đã phân tích xong các mẫu ta sẽ in kết quả do phần mềm tính toán ra giấy để hoàn thiện hồ sơ

Phần II: Hệ thống HPLC

Phần III : CHỌN ĐIỀU KIỆN SẮC KÝ

Muốn có một kết quả tách tốt nhất ta phải tìm được các điều kiện sắc ký tốt nhất cho một hỗn hợp mẫu ; Các điều kiện đó bao gồm :

Pha tĩnh : - Loại pha tĩnh

- Kích thước cột Pha động : Thành phần và tỷ lệ ,pH , tốc độ dòng, nhiệt độ Nếu là chương trình rửa giải Isocratic

Thành phần và tỷ lệ ,pH , tốc độ dòng, nhiệt độ

và chương trình dung môi Nếu là chương trình rửa giải

Gradient.

III.1 : Lựa chọn pha tĩnh

- Dựa vào các tài liệu ,Dược điển ,thành phần và tính chất của các chất có trong mẫu phân tích ta lựa chọn cột sắc ký phù hợp có thể là cột pha thuận, cột pha đảo hay các loại cột khác