TỔNG QUAN VỀ SẮC KÝ – SẮC KÝ TRONG NGÀNH CÔNG NGHIỆP DẦU KHÍ

Sắc Ký Là Gì?
Định nghĩa sắc ký
Sắc ký là quá trình tách liên tục từng vi phân hỗn hợp các chất do sự phân bố không đều của chúng giữa pha tĩnh và pha động khi cho pha động di chuyển qua pha tĩnh.

Sắc ký cũng là quá trình trao đổi chất như các phương pháp hóa lý khác – chưng cất, chiết, kết tinh… – nhưng khác với các phương pháp đó ở chỗ, sự phân chia sắc ký được thực hiện do quá trình hấp thụ – giải hấp thụ được lặp đi lặp lại trong suốt quá trình tách.

Hay có một cách giải thích khác giúp bạn dễ nhớ và dễ hiểu hơn đó là “sắc” có nghĩa là màu sắc và “ký” là “ghi”, sắc ký là phương pháp ghi màu sắc. Cách giải thích này bắt nguồn từ thí nghiệm đầu tiên chứng minh phương pháp này của nhà khoa học người Nga – Mikhail Tsvet với việc tách các sắc tố khi cho dịch chiết của lá cây và dung dịch ether/etanol chạy qua cột bọc calcium carbonate.

Nguyên lý hoạt động của sắc ký
Trong thí nghiệm sắc ký với dịch chiết lá cây ở trên dịch chiết lá gọi là mẫu hay chất cần phân tích sắc ký. Dung dịch ether/ethanol là pha động và calcium carbonate là pha tĩnh. Pha tĩnh được đặt trong cột để cho pha động chảy qua, cột này gọi là cột sắc ký. Và hình ảnh các chất màu tách ra riêng từng phần gọi là sắc ký đồ.

Trong mẫu dịch chiết lá có nhiều phân tử mang màu khác nhau. Các phân tử hòa tan nhiều hơn trong pha động sẽ đi theo pha động nhanh chóng di chuyển ra khỏi cột. Còn các phân tử ít hòa tan trong pha động hơn sẽ cần nhiều thời gian hơn để di chuyển ra khỏi cột. Do đó, sự phân tách này xảy ra là do sự phân bố mẫu khác nhau giữa pha động và pha tĩnh.

sắc ký

Ngày nay, với sự phát triển phong phú của sắc ký đã làm cho từ “sắc ký” không còn dùng đúng nghĩa ban đầu của nó. Tuy nhiên, các phương pháp sắc ký đều có nguyên lý chung: khi một chất tan trong pha động đi qua pha tĩnh, tương tác xảy ra giữa chất tan và pha tĩnh.

Các chất hòa tan có thuộc tính khác nhau được phân tách dựa trên sự khác biệt trong các tương tác này.

Pha tĩnh trong sắc ký là pha rắn hoặc pha lỏng được phủ lên bề mặt của pha rắn. Pha động chảy qua pha tĩnh là pha khí hoặc pha lỏng.

Những nhân tố ảnh hưởng đến quá trình tách sắc ký
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tách sắc ký bao gồm các đặc điểm phân tử liên quan đến sự hấp thụ (lỏng – rắn), sự phân bố (lỏng – rắn) và ái lực hoặc sự khác biệt trọng lượng phân tử của chúng.

Do những khác biệt này, một số thành phần của hỗn hợp chất tan lưu lại lâu hơn trong pha tĩnh, và chúng di chuyển chậm trong hệ thống sắc ký, trong khi những thành phần khác chuyển nhanh vào pha động và rời khỏi hệ thống nhanh hơn.

Dạng tương tác giữa pha tĩnh, pha động và các chất trong mẫu phân tích là thành phần cơ bản có tác dụng tách phân tử ra khỏi nhau. Như vậy, với một hỗn hợp mẫu xác định nào đó thì pha động, pha tĩnh chính là các yếu tố quan trọng nhất trong hệ thống sắc ký quyết định đến khả năng tách hỗn hợp mẫu đó.

Khả năng tách của pha tĩnh phụ thuộc nhiều vào mức độ tiếp xúc của pha tĩnh với mẫu phân tích và pha động. Điều này liên quan đến diện tích bề mặt riêng và mật độ pha tĩnh. Diện tích bề mặt riêng càng lớn thì khả năng phân tách của pha tĩnh càng lớn. Mật độ pha tĩnh cao, khả năng tạo cân bằng pha càng lớn, hệ thống sắc ký tách càng tốt.

Bản chất của pha động sẽ ảnh hưởng quan trọng nhất tới quá trình phân tách của hệ sắc ký. Pha động thường là một hệ dung môi gồm có hai (hoặc nhiều hơn) dung môi phối hợp với nhau theo những tỷ lệ thích hợp. Thành phần và tỷ lệ dung môi trong pha động có thể không đổi suốt quá trình phân tích sắc ký hoặc thay đổi theo hướng tăng dần độ mạnh của hệ dung môi.

Một yếu tố quan trọng khác là tốc độ của dòng pha động. Tốc độ dòng phải được tối ưu hóa để đạt được cân bằng pha với số đĩa lý thuyết của hệ thống là lớn nhất nhưng không làm tăng hiện tượng giãn rộng các băng các chất được tách ra khỏi hỗn hợp.

Phân Loại Sắc Ký
Dựa trên trạng thái của pha tĩnh, pha động; cơ chế của quá trình tách hay theo thiết bị hình thành sắc ký đồ mà người ta phân ra nhiều loại sắc ký khác nhau. Dưới đây là một số phương pháp sắc ký phổ biến.

Sắc ký lỏng – LC (Liquid Chromatography)
Sắc ký lỏng là phương pháp tách sắc ký trong đó pha động được sử dụng là chất lỏng và quá trình phân tách có thể diễn ra trong cột hoặc trên bề mặt phẳng. Sắc ký lỏng ngày nay thường sử dụng các hạt nhồi rất nhỏ và áp suất tương đối cao được gọi là sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC).

Quá trình sắc ký lỏng chủ yếu dựa trên cơ chế hấp phụ, phân bố khối lượng, trao đổi ion, loại trừ theo kích thước hoặc tương tác hóa học lập thể.

Sắc ký lỏng – rắn sử dụng pha tĩnh rắn và cơ chế lưu giữ chính là hấp phụ. Các chất hấp phụ phổ biến là silica và alumina, cả hai đều giữ lại các hợp chất phân cực. Do đó, pha động thường được ưu tiên là dung môi không phân cực hoặc hơi phân cực.

Sắc ký lỏng – lỏng sử dụng pha tĩnh và pha động đều là chất lỏng. Sắc ký lỏng hiệu năng cao sử dụng các hạt nhỏ với các phân tử liên kết với bề mặt của chúng để tạo ra một màng mỏng các đặc tính giống như chất lỏng.

Sắc ký khí – GC (Gas Chromatography)
Sắc ký khí (GC) đôi khi còn được gọi là sắc ký “khí-lỏng” (GLC) là kỹ thuật tách trong đó pha động là một chất khí. Sự phân tách sắc ký luôn được thực hiện trong một cột, cột này thường là cột nhồi hoặc cột mao quản. Pha tĩnh là chất lỏng được hấp phụ hoặc liên kết hóa học với thành cột của cột mao quản hoặc hấp phụ lên chất rắn trơ trong cột nhồi.

Cột nhồi thường được sử dụng, rẻ hơn, dễ sử dụng hơn và thường cho hiệu suất phù hợp. Các cột mao quản cho độ phân giải vượt trội hơn nhiều nên dù đắt tiền hơn nhưng vẫn được sử dụng rộng rãi, đặc biệt là đối với các hỗn hợp phức tạp.

Cả hai loại cột này đều được làm từ vật liệu không hấp phụ và trơ về mặt hóa học. Thép không gỉ và thủy tinh là những vật liệu thường dùng cho các cột nhồi và thạch anh hoặc silica nung chảy dùng cho các cột mao quản.

Pha động là khí trơ được dẫn qua cột dưới áp suất cao, thông thường là khí He hoặc N2. Mẫu cần phân tích được hóa hơi và chuyển vào pha động ở thể khí. Các thành phần chứa trong mẫu được phân tán giữa pha động và pha tĩnh bên trong cột. Các thành phần trong mẫu có ái lực với pha tĩnh càng cao thì thời gian lưu càng cao vì chúng mất nhiều thời gian ra khỏi cột.

Sắc ký khí được sử dụng rộng rãi trong hóa học phân tích. Phương pháp này thường được dùng để phân tích và định lượng các hợp chất bay hơi. Và đặc biệt rất phù hợp để sử dụng trong lĩnh vực hóa dầu, giám sát và xử lý môi trường, hóa chất công nghiệp. GC cũng được sử dụng nhiều trong nghiên cứu hóa học.

sắc ký

Sắc ký ion – IC (Ion Chromatography)
Sắc ký ion hay còn gọi là sắc ký trao đổi ion (ion exchange chromatography) sử dụng cơ chế trao đổi ion để tách các chất phân tích dựa trên các điện tích tương ứng của chúng. Nó thường được thực hiện trong các cột nhưng cũng có thể sử dụng trên mặt phẳng. Sắc ký trao đổi ion sử dụng pha tĩnh tích điện để tách các hợp chất tích điện bao gồm anion, cation, axit amin, peptit và protein.

Trong các phương pháp thông thường, pha tĩnh là một nhựa trao đổi ion mang các nhóm chức tích điện tương tác với các nhóm tích điện trái dấu của hợp chất để giữ lại.

Có hai loại sắc ký trao đổi ion: Cation exchange và Anion exchange. Trong sắc ký trao đổi cation, pha tĩnh có điện tích âm và ion có thể trao đổi là cation, trong khi đó sắc ký trao đổi anion, pha tĩnh có điện tích dương và ion có thể trao đổi là anion.

Sắc ký ion thường được sử dụng để tinh sạch protein. Các protein được phân tách theo sự khác biệt về điện tích của chúng. Mẫu được đưa vào cột được nhồi với nhựa trao đổi ion (resin). Việc rửa giải các protein trong các mẫu này từ cột phụ thuộc vào việc tăng dần nồng độ muối của pha động, điều này làm suy yếu các tương tác ion và tạo điều kiện cho sự di chuyển xuống của protein.

Do đó, các protein tương tác yếu với resin sẽ ra trước. Và thứ tự rửa giải của các protein được tách ra phụ thuộc vào điện tích của chúng.

Sắc ký khối phổ
Nguyên tắc cơ bản của phương pháp khối phổ là tạo ra các ion từ các hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ bằng phương pháp thích hợp, để tách các ion này theo tỷ lệ khối lượng trên điện tích (m/z) của chúng, và phát hiện chúng một cách định tính, định lượng bằng m/z tương ứng và sự phong phú tương ứng (relative abundance) của từng ion.

Chất phân tích có thể bị ion hóa bằng nhiệt, bằng điện trường hoặc bằng cách tác động vào các điện tử, ion hoặc photon có năng lượng. Các ion có thể là nguyên tử, cụm, phân tử được ion hóa đơn lẻ hoặc các mảnh hoặc liên kết của chúng.

Khối phổ là kỹ thuật phân tích mạnh mẽ được sử dụng để định lượng các vật liệu đã biết, xác định các hợp chất chưa biết trong mẫu, làm sáng tỏ cấu trúc và tính chất hóa học của các phân tử khác nhau.

Chính vì vậy, kỹ thuật này được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực phân tích và sử dụng cùng các hệ sắc ký như sắc ký khí ghép nối khối phổ GC/MS hay sắc ký lỏng ghép nối khối phổ LC/MS, và thậm chí ghép nối khối phổ 2 lần GC/MS/MS hoặc LC/MS/MS…giúp tăng độ nhạy, tính chính xác khi phân tích các hợp chất có hàm lượng thấp, cấu trúc phức tạp…

Sắc ký giấy
Sắc ký giấy là kỹ thuật tách mà quá trình phân tách được thực hiện trên một loại giấy chuyên dụng.

Sắc ký giấy gồm 2 loại dựa trên hai nguyên tắc khác nhau.

Loại thứ nhất là sắc ký hấp phụ giấy dựa trên độ tương tác khác nhau giữa các phân tử và pha tĩnh. Pha tĩnh ở đây là các thành phần thân nước từ hỗn hợp dung môi của pha động được hút chọn lọc vào giấy.

Các phân tử có ái lực cao hơn sẽ bị hấp phụ trong một thời gian dài hơn làm giảm tốc độ di chuyển của chúng. Các phân tử có ái lực thấp hơn di chuyển với tốc độ nhanh hơn, do đó cho phép các phân tử được tách ra thành các thành phần khác nhau.

Loại thứ hai là sắc ký giấy phân bố. Nước có sẵn trong sợi xenlulo của giấy đóng vai trò như một pha tĩnh. Sự phân tách của các phân tử dựa trên mức độ chúng hấp thụ mạnh mẽ vào pha tĩnh.

Khái niệm hệ số lưu giữ (hệ số di chuyển) được áp dụng trong quá trình phân tách các phân tử trong sắc ký giấy. Giá trị hệ số lưu giữ của một phân tử được xác định bằng tỉ số giữa quãng đường di chuyển của phân tử với quãng đường di chuyển của pha động. Giá trị này của các phân tử khác nhau có thể được sử dụng để phân biệt các phân tử đó.

Sắc ký giấy được áp dụng trong kiểm nghiệm chất lượng thuốc để định tính, thử tinh khiết, chẳng hạn phát hiện độ tinh khiết của sản phẩm dược phẩm hoặc phát hiện sự nhiễm bẩn trong các mẫu thực phẩm, đồ uống.

sắc ký

Sắc ký lớp mỏng
Sắc ký lớp mỏng (TLC) là một kỹ thuật tách được sử dụng rộng rãi để tách các chất sinh hóa khác nhau trên cơ sở các điểm hấp dẫn tương đối của chúng đối với pha tĩnh và pha động.

TLC tương tự như sắc ký giấy. Tuy nhiên, thay vì sử dụng pha tĩnh trên giấy, pha tĩnh trong phương pháp này là một lớp chất hấp phụ mỏng như silicagel, alumin hoặc xenluloza trên nền phẳng trơ. TLC rất linh hoạt. Nhiều mẫu có thể được tách ra đồng thời trên cùng một lớp, điều này rất hữu ích cho các ứng dụng sàng lọc như kiểm tra nồng độ thuốc và độ tinh khiết của nước.

Khả năng nhiễm chéo thấp vì mỗi lần tách được thực hiện trên một lớp mới. So với giấy, nó có ưu điểm là chạy nhanh hơn, phân tách tốt hơn, phân tích định lượng tốt hơn và lựa chọn giữa các chất hấp phụ khác nhau. Để có độ phân giải tốt hơn và tách nhanh hơn mà sử dụng ít dung môi hơn, có thể sử dụng TLC hiệu suất cao.

sắc ký

Sắc ký lọc gel
Sắc ký lọc gel hay còn gọi là sắc ký rây phân tử dùng để tách các phân tử dựa trên sự khác nhau về kích thước của các phân tử khi đi qua nền nhựa xốp. Những phân tử không bị giữ lại bằng liên kết hóa học nên thành phần của dung môi rửa giải không ảnh hưởng trực tiếp đến tiến độ rửa giải.

Khi hỗn hợp protein được nạp vào nền cột, các phân tử protein nhỏ sẽ khuếch tán vào các lỗ. Trong khi các protein có kích thước lớn sẽ không chui vào lỗ và tiếp tục đi dọc theo cột và sẽ ra khỏi cột sớm hơn những hạt nhỏ.

Sắc ký lọc gel thường được dùng để loại muối hoặc các phân tử có kích thước nhỏ; tinh sạch phân tử sinh chất ở trong mẫu nhỏ. Phương pháp này cũng được ứng dụng để xác định trọng lượng phân tử…

sắc ký

Mục Đích Sử Dụng Của Sắc Ký
Định tính
Một trong các ứng dụng quan trọng của phương pháp sắc ký là định tính thành phần các chất, ứng dụng trong lĩnh vực dược liệu giúp phát hiện các tạp chất, các chất giả mạo pha trộn trong dược liệu hay các thành phẩm dược liệu. Khi sử dụng các phổ kế làm detector, chúng cung cấp một phương tiện rất hiệu quả cho định tính các chất trong một hỗn hợp.

Một tham số cung cấp thông tin để xác định thành phần trong mẫu là thời gian lưu. Khi sử dụng các chất chuẩn sắc ký trong cùng điều kiện, người ta có thể nhận diện sự có mặt của chất nào đó trong mẫu mà không cần phân lập chất đó. Điều này giúp việc xác nhận các mẫu dược liệu, hóa chất, tránh nhầm lẫn vì mỗi loại có thành phần hóa học nhất định, đặc trưng cho nó.

Định lượng
Phương pháp sắc ký là một trong những phương pháp dùng để xác định hàm lượng các chất thông dụng nhất hiện nay. Khác với các phép định lượng hóa học, các phương pháp sắc ký cho phép định lượng riêng từng chất cụ thể trong một hỗn hợp, với điều kiện là phải có chất chuẩn tương ứng.

Người ta có thể định lượng một chất hay định lượng đồng thời nhiều chất trong một lần định lượng nếu chọn được điều kiện thích hợp. Sắc ký lỏng cao áp, sắc ký khí là những phương pháp thông dụng vì khả năng phân tách cao, độ nhạy và độ lặp cao. Sắc ký lớp mỏng kết hợp với mật độ quang kế hiện chỉ còn được coi là phương pháp bán định lượng.

Sắc ký trong ngành công nghiệp dầu khí
Khi nói đến ngành công nghiệp dầu khí, sắc ký khí là vua. Bởi lẽ sắc ký khí là hệ thống tốt nhất để phân tích các chất bay hơi. Và nhiều hợp chất trong ngành dầu khí rất dễ chuyển hóa thành khí. Sắc ký khí được sử dụng để phân tích cả thành phẩm và mẫu trong quá trình sản xuất.

Một hệ thống sắc ký khí bao gồm một hệ thống bơm để thêm mẫu, một cột sắc ký để cho phép các thành phần phân tách và một máy dò để nhận biết khi một thành phần đang ra khỏi hệ thống. Và hiện có sẵn các loại đầu dò cho ngành công nghiệp dầu khí làm cho sắc ký khí trở nên linh hoạt.

Để tối ưu hóa hệ thống, điều quan trọng là phải khớp bộ dò với ứng dụng. Sắc ký khí sử dụng một số loại đầu dò tương thích với ngành dầu khí:

Flame photometric detector để tìm lưu huỳnh trong cặn
Photoionization detectors được sử dụng cho BTX và các chất thơm khác
Thermal conductivity detector (TCD) sử dụng để đo các khí vô cơ trong không gian làm việc
Flame ionization detectors (FID) phân tích các dòng chảy của nhà máy lọc dầu
Đầu dò là yếu tố quan trọng quyết định đến kết quả cả hệ thống sắc ký khí. Sau khi được rửa giải khỏi cột các thành phần hợp chất tương tác với đầu dò. Tùy vào mỗi loại đầu dò sẽ có cách chuyển đổi tín hiệu kết quả khác nhau đến phần mềm phân tích dữ liệu.

sắc ký

Hình ảnh mô tả sự phát triển công nghệ đầu dò qua các giai đoạn

Tuy nhiên, hiện nay chúng ta đang gặp nhiều khó khăn với công nghệ đầu dò truyền thống.

Sử dụng đầu dò GC theo truyền thống sẽ phức tạp về vấn đề thời gian phân tách và nhận diện đúng tên của hợp chất. Vì đầu dò GC truyền thống chỉ nhận diện kết quả dựa trên cảm tính về thời gian lưu.

Nhưng khi gặp mẫu khó và phức tạp, điều này sẽ không thể thực hiện được.

Data từ FID hay TCD từ các đầu dò truyền thống khó chính xác, chỉ đưa ra 2 thứ nguyên: thời gian và độ hấp thu.

Ngoài ra, với đầu dò GC truyền thống, khó xác định các hợp chất đồng rửa giải không được phân tách trong cột. Hiện nay mặc dù đầu dò MS xác định được các hợp chất đồng rửa giải, nhưng nó hầu như không xác định các đồng phân cấu tạo isomer.

Mọi thứ phải phụ thuộc vào người vận hành, dẫn đến tốn kém cả về thời gian lẫn chi phí vận hành như: mẫu, hóa chất, năng lượng, thời gian…

Một công nghệ đầu dò mới đã ra đời. Đầu dò VUV với nhiều ứng dụng sẵn có cho ngành dầu khí.

sắc ký

Các chuyên gia VUV Analytics – nhóm sáng tạo nên thiết bị đầu dò VUV khẳng định rằng: Nếu chúng ta kết hợp giữa tiềm năng công nghệ VUV và MS thì 100% tất cả các hợp chất đều được nhận diện rõ ràng

Với phổ VUV – hay đầu dò VUV sẽ giải quyết hết tất cả những vấn đề trên.

Hầu hết các phân tử pha khí hấp thụ rất mạnh trong vùng VUV. Kết quả phân tích ở vùng VUV rất đầy đủ và bao gồm nhiều đồng phân.

Phổ đo được có thể được so với thư viện phổ có sẵn để xác định nhanh chóng và chính xác thành phần của hợp chất. Chính điều này cũng cung cấp khả năng giải mã thành phần các hợp chất một cách chính xác và nhanh chóng.

Đầu dò VUV kết hợp với GC trở thành một công cụ mạnh mẽ và độc đáo cách mạng phân tích sắc ký khí GC-VUV với các ưu điểm:

Thời gian phân tích gấp 3 – 20 lần so với đầu dò khác.
Giải quyết được việc trùng Peak (đòi hỏi kinh nghiệm người vận hành và kèm sai số).
Vận hành đơn giản, chỉ cần bỏ mẫu và chạy, không cần phải chuẩn nội.
Giới hạn phát hiện thấp nhất.
Giải mã tất cả chất đồng rửa giải & đồng phân.