1.2. Phƣơng pháp điện di mao quản
1.2.2. Cơ sở của phƣơng pháp điện di mao quản
1.2.2.1. Tốc độ điện di, thời gian điện di và độ linh động điện di [53]
Tốc độ của một ion dƣới tác dụng của điện trƣờng đƣợc tính theo cơng thức sau :
Trong đó:
v: tốc độ của ion (cm.s-1) E: cƣờng độ điện trƣờng (V.cm-1) µe: độ linh động điện di (cm2
.V-1.s-1) V: điện thế (V) L: chiều dài mao quản (cm)
Cƣờng độ dòng điện E là hàm số của thế áp vào mao quản và độ dài mao quản. Thời gian điện di (tm) của các chất tan trong dung dịch là thời gian mà các chất này di chuyển từ điểm đầu của mao quản đến đetectơ, độ dài này đƣợc kí hiệu là l
Độ linh động điện di tỉ lệ thuận với điện tích ion và tỉ lệ nghịch với lực ma sát xuất hiện trong dung dịch đệm. Do đó với các ion có điện tích hay lực ma sát khác nhau thì trong quá trình di chuyển trong dung dịch đệm chúng sẽ tách ra khỏi
nhau. Lực ma sát của ion chất phân tích đƣợc xác định dựa vào hình dạng, kích thƣớc của ion, và độ nhớt của dung dịch:
Fms= -6..r.v
Trong đó:
Fms: lực ma sát của ion chất phân tích
r: bán kính ion : độ nhớt của dung dịch
Trong quá trình điện di, khi lực ma sát cân bằng với lực tĩnh điện ta có:
Fe = Fms q.E = 6..r.v
Khi đó, độ linh động điện di đƣợc xác định nhƣ sau:
Độ linh động điện di là một thông số phụ thuộc vào điện tích và kích thƣớc ion phân tích, thành phần, nồng độ và pH của dung dịch đệm, hằng số điện li của các chất tan.
1.2.2.2. Dòng điện di thẩm thấu ( dòng EOF)
Ở pH đủ lớn (pH>3), Khi áp một điện thế cao vào một mao quản silic chứa đầy dung dịch đệm sẽ xuất hiện một dòng đƣợc gọi là dòng điện di thẩm thấu (EOF). Đây là dòng chất lỏng chuyển dời từ cực dƣơng về phía cực âm. Nguyên nhân gây xuất hiện dịng EOF là do sự hình thành lớp điện kép trên bề mặt của mao quản.
Trên bề mặt của mao quản silic luôn tồn tại các nhóm silanol Si-OH. Các nhóm silanol là những nhóm axit yếu với pK=6,8 0,5, do đó khi tiếp xúc với các dung dịch có pH > 3 thì sẽ xảy ra quá trình đề proton theo phƣơng trình sau:
Si-OH Si-O- + H+ pK= 6,8 0,5 (q là điện tích ion)
Sau khi xảy ra q trình đề proton thì lúc này trên bề mặt mao quản sẽ mang một lớp ion cửa có điện tích âm. Theo lực hút tĩnh điện, các cation trong dung dịch sẽ tập trung tại bề mặt mang điện tích âm trên thành mao quản và do đó sẽ hình thành lớp điện kép.
Lớp cation đầu tiên liên kết rất chặt chẽ với các nhóm silanoat (Si-O-) nên đƣợc gọi là lớp tĩnh (hay lớp cố định). Lớp cation ở phía ngồi cách xa bề mặt silanoat đƣợc gọi là lớp khuếch tán. Dƣới tác dụng của lực điện trƣờng, các cation trong lớp khuếch tán sẽ di chuyển về phía cực âm. Tuy nhiên, do các cation này bị solvat hóa nên khi chúng di chuyển cùng với lớp vỏ solvat hóa này sẽ kéo theo dòng dung dịch ở trong mao quản. Dòng này đƣợc gọi là dòng điện di thẩm thấu (dòng EOF). Nhƣ vậy, khi dùng mao quản silic thì dịng EOF sẽ có hƣớng từ cực dƣơng sang cực âm, nhƣng nếu thay đổi điện tích của ion ở lớp cửa thành lớp điện tích dƣơng thì dịng EOF sẽ đổi chiều. Ở pH<3, dòng EOF rất bé và khi pH7 các nhóm silanol gần nhƣ bị đề proton hồn tồn nên dịng EOF sẽ rất lớn.
Hình 1.4. Lớp điện kép trên thành mao quản Silic [33].
Thơng thƣờng tốc độ của dịng EOF sẽ lớn hơn tốc độ điện di của các ion và nó đƣợc coi là pha động trong CE. Mặc dù tốc độ di chuyển của chất phân tích phụ thuộc vào điện tích và kích thƣớc của chúng nhƣng sự di chuyển của dòng EOF
cũng kéo theo các ion dƣơng, ngun tử trung hịa và thậm chí là các ion âm về phía cực âm. Hiện tƣợng đó có thể đƣợc mơ tả nhƣ sau:
Hình 1.5. Vận tốc của các ion dƣới tác dụng của dòng EOF [44].
Khi đó tốc độ của các ion phải đƣợc xác định lại nhƣ sau:
vtotal= v + vEOF = (µe+ µEOF).E
Cƣờng độ dòng EOF đƣợc xác định nhƣ sau:
Trong đó:
: hằng số điện mơi : là thế phụ thuộc vào điện tích trên thành mao quản.
Nhƣ vậy, dòng EOF phụ thuộc vào các yếu tố sau:cƣờng độ điện trƣờng, bản chất của pha động điện di ( thành phần, pH, độ nhớt,…)
Ý nghĩa của dòng điện di thẩm thấu
Nhƣ đã phân tích ở phần 1.2.2.2, sự di chuyển của các ion trong mao quản chịu tác dụng của lực điện trƣờng và dòng EOF. Dƣới tác dụng của lực tĩnh điện, các cation di chuyển cùng chiều với dòng EOF nên vận tốc của chúng tăng lên, còn đối với các anion do chúng có hƣớng di chuyển ngƣợc chiều với dòng EOF nên xuất hiện sự cạnh tranh giữa lực điện trƣờng và lực đẩy của dòng EOF. Nếu điều chỉnh đƣợc cƣờng độ dịng EOF thích hợp sẽ điều khiển đƣợc q trình, thứ tự tách
chất, thậm chí có thể tăng đƣợc độ chọn lọc của phƣơng pháp (có thể loại bỏ anion hoặc cation trong q trình phân tích).
Để có hiệu quả tách chất tốt thì cần phải tối ƣu hóa cƣờng độ dịng EOF trong q trình phân tích. Khi dịng EOF q lớn thì q trình tách chất xảy ra quá nhanh và độ phân giải của các pic sẽ rất kém, trong khi, nếu dòng EOF quá nhỏ sẽ khơng đủ lực để đẩy các chất tan về phía đetectơ tạo điều kiện cho quá trình phân tách xảy ra.
Ngồi ra, do khi dịng EOF di chuyển sẽ kéo theo cả khối dung dịch trong mao quản di chuyển đồng thời nên mặt cắt của dịng chảy có dạng phẳng. Trong khi đó, khi dùng áp suất cao để bơm mẫu trong sắc kí sẽ gây ra dịng chảy hình p.a.rabol. Vì vậy, hình dạng pic khi dùng phƣơng pháp điện di thƣờng sắc nét, cân đối và có chân pic hẹp hơn so với các phƣơng pháp dùng áp suất cao.
Hình 1.6. Các kiểu dịng chảy trong mao quản và tín hiệu tƣơng ứng
a: Kiểu dịng chảy trong phƣơng pháp điện di mao quản b: Kiểu dòng chảy trong các phƣơng pháp sử dụng áp suất cao