Biến tính hạt bằng siêu âm cho cột HPLC
Những thách thức trong HPLC là phân tách nhanh và hiệu quả nhiều loại mẫu. Xử lý siêu âm cho phép biến tính và chức năng hóa các hạt nano, ví dụ như các vi cầu silica hoặc zirconia. Siêu âm là một kỹ thuật rất thành công để tổng hợp các hạt silica lõi–vỏ, đặc biệt cho cột HPLC.
Biến tính hạt silica bằng siêu âm
Cấu trúc hạt và kích thước hạt cũng như kích thước lỗ xốp và áp suất bơm là những thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến phép phân tích HPLC.
Hầu hết các hệ thống HPLC hoạt động với pha tĩnh có hoạt tính được gắn lên bề mặt ngoài của các hạt silica hình cầu nhỏ. Đây là những hạt cầu rất nhỏ, có kích thước trong phạm vi micro và nano. Kích thước của các hạt cầu khác nhau, nhưng kích thước hạt khoảng 5µm là phổ biến nhất. Các hạt nhỏ hơn cung cấp diện tích bề mặt lớn hơn và khả năng phân tách tốt hơn, nhưng áp suất cần thiết để đạt vận tốc tuyến tính tối ưu tăng theo nghịch đảo bình phương đường kính hạt. Điều này có nghĩa là khi sử dụng các hạt có kích thước bằng một nửa và giữ nguyên kích thước cột, hiệu năng tăng gấp đôi, nhưng đồng thời áp suất cần thiết tăng gấp bốn lần.
Siêu âm công suất là một công cụ được biết đến rộng rãi và đã được kiểm chứng để biến tính / chức năng hóa và phân tán các hạt micro và nano như silica. Nhờ mang lại kết quả đồng nhất và có độ tin cậy cao trong xử lý hạt, xử lý siêu âm là phương pháp được ưu tiên để sản xuất các hạt đã được chức năng hóa (ví dụ như hạt lõi–vỏ). Siêu âm công suất tạo ra dao động, hiện tượng xâm thực và cung cấp năng lượng cho các phản ứng hóa siêu âm. Nhờ đó, các thiết bị siêu âm công suất cao được sử dụng thành công trong các quy trình xử lý hạt bao gồm chức năng hóa / biến tính, giảm kích thước & phân tán cũng như để tổng hợp hạt nano (ví dụ như các phương pháp sol-gel).
Ưu điểm của biến tính / chức năng hóa hạt bằng siêu âm
- dễ dàng kiểm soát kích thước hạt và quá trình biến tính
- kiểm soát hoàn toàn các thông số quy trình
- khả năng mở rộng quy mô tuyến tính
- áp dụng được cho các thể tích từ rất nhỏ đến rất lớn
- an toàn, thân thiện với người dùng & môi trường
Thiết bị siêu âm dạng đầu dò UP400ST đang phân tán và chức năng hóa các hạt nano silica
Điều chế hạt silica lõi–vỏ bằng siêu âm
Các hạt silica lõi–vỏ (có lõi đặc với vỏ xốp hoặc có lớp bề mặt xốp) ngày càng được sử dụng nhiều để phân tách với hiệu suất cao, lưu lượng nhanh và áp suất ngược tương đối thấp. Ưu điểm nằm ở lõi đặc và lớp vỏ xốp: Toàn bộ hạt lõi–vỏ tạo thành một hạt lớn hơn và cho phép vận hành HPLC ở áp suất ngược thấp hơn, trong khi lớp vỏ xốp và bản thân lõi đặc nhỏ cung cấp diện tích bề mặt lớn hơn cho quá trình phân tách. Lợi ích của việc sử dụng các hạt lõi–vỏ làm vật liệu nhồi cho cột HPLC là thể tích lỗ xốp nhỏ hơn làm giảm thể tích có thể xảy ra sự giãn rộng dải do khuếch tán dọc. Kích thước hạt và độ dày của lớp vỏ xốp ảnh hưởng trực tiếp đến các thông số phân tách. (xem Hayes và cộng sự 2014)
Vật liệu nhồi được sử dụng thường xuyên nhất cho các cột HPLC nhồi là các vi cầu silica thông thường. Các hạt lõi–vỏ dùng cho sắc ký thường cũng được làm từ silica, nhưng có lõi đặc và vỏ xốp. Các hạt silica lõi–vỏ dùng trong các ứng dụng sắc ký còn được gọi là hạt lõi hợp nhất, hạt lõi đặc hoặc hạt có lớp bề mặt xốp.
Gel silica có thể được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel hóa siêu âm. Gel silica là lớp mỏng được sử dụng thường xuyên nhất để phân tách các hoạt chất bằng sắc ký lớp mỏng (TLC).
Nhấp vào đây để tìm hiểu thêm về phương pháp hóa siêu âm cho các quy trình sol-gel!
Tổng hợp bằng siêu âm có thể dễ dàng được áp dụng để tổng hợp các kim loại hoặc oxit kim loại khác trên chất mang silica, chẳng hạn như TiO2/SiO2, CuO/SiO2, Pt/SiO2>, Au/SiO2 và nhiều loại khác, và không chỉ được sử dụng để biến tính silica cho các cartridge sắc ký mà còn cho nhiều phản ứng xúc tác công nghiệp khác nhau.
Đọc thêm về các thiết bị siêu âm dùng để chức năng hóa hạt nano cho cột HPLC
Phân tán hạt nano bằng siêu âm
Việc phân tán các hạt đến kích thước nhỏ và phá kết tụ đặc biệt quan trọng để khai thác tối đa tính năng của vật liệu. Vì vậy, để phân tách hiệu năng cao, các hạt silica đơn phân tán có đường kính nhỏ hơn được sử dụng làm hạt nhồi. Xử lý bằng siêu âm đã được chứng minh là hiệu quả hơn các phương pháp trộn có lực cắt cao khác trong việc phân tán silica.
Đồ thị bên dưới cho thấy kết quả phân tán silica khói trong nước bằng siêu âm. Các phép đo được thực hiện bằng thiết bị Malvern Mastersizer 2000.
Trước và sau khi xử lý bằng siêu âm: Đường cong màu xanh lá biểu thị kích thước hạt trước khi xử lý bằng siêu âm, đường cong màu đỏ là phân bố kích thước hạt của silica được phân tán bằng siêu âm.
Nhấp vào đây để đọc thêm về phân tán silica (SiO2) bằng siêu âm!
Nén chặt bột bằng siêu âm
Mật độ bột trong cột HPLC là yếu tố thiết yếu để đạt được hiệu suất phân tách cao, hiệu năng cột ổn định, đặc tính dòng chảy nhất quán, thời gian lưu chính xác, độ phân giải được cải thiện và tuổi thọ cột kéo dài. Việc bảo đảm mật độ nhồi phù hợp và đồng đều là nền tảng cho hoạt động đáng tin cậy và hiệu quả của hệ thống HPLC. Nén chặt bột bằng siêu âm có thể giúp nhồi cột và ống sắc ký dạng cartridge HPLC một cách hiệu quả với mật độ bột tối ưu.
Tìm hiểu thêm về nén chặt bột bằng siêu âm!
Thiết bị siêu âm công nghiệp dùng để phân tán hạt nano với năng suất cao
Những thông tin hữu ích
Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) là gì?
Sắc ký có thể được mô tả là một quá trình truyền khối có sự tham gia của hiện tượng hấp phụ. Sắc ký lỏng hiệu năng cao (trước đây còn được gọi là sắc ký lỏng áp suất cao) là một kỹ thuật phân tích cho phép phân tách, định tính và định lượng từng thành phần của hỗn hợp. Ngoài ra, sắc ký ở quy mô điều chế được sử dụng để tinh sạch các lô vật liệu lớn ở quy mô sản xuất. Các chất phân tích điển hình là phân tử hữu cơ, phân tử sinh học, ion và polyme.
Nguyên lý phân tách HPLC dựa trên việc cho pha động (nước, dung môi hữu cơ, v.v.) đi qua pha tĩnh (vật liệu nhồi dạng hạt silica, vật liệu nguyên khối, v.v.) trong cột. Điều này có nghĩa là một dung môi lỏng có áp suất, chứa các hợp chất đã hòa tan (dung dịch mẫu), được bơm qua cột chứa đầy vật liệu hấp phụ rắn (ví dụ: các hạt silica đã biến tính). Do mỗi thành phần trong mẫu tương tác hơi khác nhau với vật liệu hấp phụ, tốc độ dòng của các thành phần khác nhau cũng khác nhau, nhờ đó các thành phần được phân tách khi chảy ra khỏi cột. Thành phần và nhiệt độ của pha động là những thông số rất quan trọng đối với quá trình phân tách, ảnh hưởng đến các tương tác xảy ra giữa các thành phần mẫu và chất hấp phụ. Sự phân tách dựa trên sự phân bố của các hợp chất giữa pha tĩnh và pha động.
Kết quả phân tích HPLC được biểu diễn dưới dạng sắc ký đồ. Sắc ký đồ là một đồ thị hai chiều với trục tung (trục y) biểu thị nồng độ thông qua tín hiệu đáp ứng của đầu dò và trục hoành (trục x) biểu thị thời gian.
Hạt silica dùng cho ống sắc ký nhồi hạt
Các hạt silica dùng trong ứng dụng sắc ký có cơ sở là các polyme silica tổng hợp. Phần lớn, chúng được chế tạo từ tetraethoxysilane, chất này được thủy phân một phần thành polyethoxysiloxane để tạo thành chất lỏng nhớt có thể được nhũ hóa trong hỗn hợp etanol và nước dưới tác động siêu âm liên tục. Sự khuấy trộn bằng siêu âm tạo ra các hạt hình cầu, sau đó được chuyển thành hydrogel silica thông qua phản ứng ngưng tụ thủy phân được xúc tác (được gọi là phương pháp ‘Unger’). Phản ứng ngưng tụ thủy phân tạo ra mạng liên kết ngang rộng khắp thông qua các nhóm silanol trên bề mặt. Sau đó, các hạt cầu hydrogel được nung để tạo ra xerogel. Kích thước hạt và kích thước lỗ xốp của xerogel silica có độ xốp cao (sol-gel) chịu ảnh hưởng của giá trị pH, nhiệt độ, chất xúc tác và dung môi được sử dụng cũng như nồng độ sol silica.
Hạt không xốp so với hạt xốp
Cả vi cầu silica không xốp và vi cầu silica xốp đều được sử dụng làm pha tĩnh trong cột HPLC. Đối với các hạt nhỏ không xốp, quá trình phân tách diễn ra trên bề mặt hạt và hiện tượng giãn rộng dải được giảm bớt nhờ đường khuếch tán ngắn, qua đó giúp quá trình truyền khối diễn ra nhanh hơn. Tuy nhiên, diện tích bề mặt thấp dẫn đến kết quả kém chính xác hơn, vì khả năng lưu giữ, thời gian lưu, độ chọn lọc và do đó cả độ phân giải đều bị hạn chế. Khả năng nạp mẫu cũng là một yếu tố then chốt. Ngoài bề mặt hạt, vi cầu silica xốp còn cung cấp bề mặt lỗ xốp, tạo thêm diện tích tiếp xúc để tương tác với các chất phân tích. Để bảo đảm sự truyền khối đủ trong quá trình phân tách pha lỏng, kích thước lỗ xốp phải lớn hơn ∼7nm. Để phân tách các phân tử sinh học lớn một cách hiệu quả, cần có kích thước lỗ xốp lên đến 100nm.
Tài liệu/Tài liệu tham khảo
- Czaplicki, Sylwester (2013): Sắc ký trong phân tích hoạt tính sinh học của các hợp chất. Trong: Sắc ký cột, TS. Dean Martin (chủ biên), InTech, DOI: 10.5772/55620.
- Hayes, Richard; Ahmeda, Adham; Edge, Tony; Zhang, Haifei (2014): Hạt lõi–vỏ: Điều chế, cơ sở lý thuyết và ứng dụng trong sắc ký lỏng hiệu năng cao. J. Chromatogr. A 1357, 2014. 36–52.
- Sharma, S.D.; Singh, Shailandra (2013): Tổng hợp và đặc trưng hóa zirconia sulfat hóa kích thước nano có hiệu quả cao trên silica: Chất xúc tác lõi–vỏ bằng chiếu xạ siêu âm. American Journal of Chemistry 3(4), 2013. 96–104