1
Định nghĩa
Sắc ký trao đổi ion là phương pháp tách chiết
các chất khác nhau dựa vào hiện tượng trao đổi
thuận nghịch giữa các ion linh động trong pha tĩnh
(chứa chất trao đổi ion hay còn gọi là ionit ) với ion
trong pha động (dung dịch cần phân tích) khi cho
dung dịch cần phân tích đi qua cột chứa đầy chất
trao đổi ion (ionit).
2
Dạng sắc ký trao đổi ion
Sắc ký trao đổi ion âm (anion)
X- + R+Cl-  X-R+ + Cl- (dd)
(dd )
Sắc ký trao đổi ion dương (cation)
X+ + R−K+  X+R− + K+ (dd)
(dd)
3
Nguyên tắc của sắc ký trao đổi ion
4
Các dạng thiết bị
5
Cơ chế tách trong IEC
6
Chất trao đổi ion (ionit)
Ionit là các hợp chất polymer vô cơ và hữu cơ không tan trong
nước, dung môi có chứa các nhóm chức hoạt động, gồm:
 Ionit vô cơ tự nhiên (zeolite, đất sét, glauconit…)
 Ionit vô cơ tổng hợp (alumosilicate như permutit, zeolite)
 Ionit hữu cơ tự nhiên (xenlulose, lông thú, than bùn, than nâu…)
 Ionit hữu cơ tổng hợp (nhựa trao đổi ion)
7
Nhựa trao đổi ion
Là hợp chất polymer hữu cơ gồm một
sườn hydrocarbon (polystyrene) mang
các nhóm chức hoạt động, nối với các
ion linh động bằng lực hút tĩnh điện
Gồm cationit, anionit, ionit lưỡng tính
(trao đổi anion lẫn cation); ionit có
chứa nhóm tạo phức; ionit chứa nhóm
oxy hóa khử; ionit lỏng và màng trao
đổi ion
Hiện nay, các loại nhựa trao đổi ion
được sản xuất chủ yếu bằng PP
ngưng tụ hoặc trùng hợp monome
8
Nhựa trao đổi ion
 Không tan trong nước
 Có độ bền cơ học cao
Cellulose
Polymethacrylate
Agarose
Polyacrylamide
Polystyrene
silicagel
9
Nhựa trao đổi ion: cationit
Chứa nhóm hoạt động R– , ion linh động là M+. Anion R– có thể là
sulphonate (nhựa S), carboxylate (nhựa CM), nhóm phosphate
10
Nhựa trao đổi ion: anionit
Có dạng R+X – với R+ thường là nhóm amine nên anionit mang tính base
Anionit phổ biến: nhựa Q (amine bậc 4); nhựa DEAE
11
Nhựa trao đổi ion: ionit lưỡng tính
Có khả năng trao đổi cả cation lẫn anion, cũng được tổng hợp bằng hai phương pháp
ngưng tụ và trùng hợp
Ví dụ để tổng hợp ionit lưỡng tính bằng phương pháp trùng hợp, đầu tiên
trùng hợp styrene hoặc chlorua vinyl với divinylbenzene (DVB) rồi sau đó
tiếp tục amin hóa và sulpho hóa sản phẩm thu được.
12
Nhựa trao đổi ion: đặc điểm
Cationit sulphonate (- SO3H) là cationit acid mạnh, anionit amine bậc 4 là anionit kiềm mạnh
(hoạt động tốt trong mọi môi trường acid, base, trung tính)
Cationit carboxylate (-COOH ) là cationit acid yếu (hoạt động tốt trong môi trường kiềm)
Anionit amine bậc 1, 2, 3 là các anionit kiềm yếu (hoạt động tốt trong môi trường acid)
13
Cơ chế trao đổi ion
 Mạng lưới của ionit là mạng không gian cao phân tử
không đồng đều của các liên kết hydrocarbon. Khi
ngâm nhựa vào nước, nhựa trương nở, các nhóm
chứa ion trở nên linh động hơn và có thể bị phân ly một
phần.
 Các phản ứng trao đổi xảy ra giữa các ion của pha tĩnh
và các ion trong dung dịch rất giống với các phản ứng
trao đổi thông thường.
 Tính ưa nước của ionit được quyết định bởi cấu trúc
của ionit.
14
Cơ chế trao đổi ion
Dung dịch chứa 1 cấu tử
Cơ chế trao đổi ion của cationit
S-X-C+ + M+  S-X-M+ + C+
Cơ chế trao đổi ion của anionit
S-X+A- + B-  S-X+B- + A-
15
Cơ chế trao đổi ion
Dung dịch chứa nhiều cấu tử
Để ước lượng khả năng tách hai ion M1 ,M2 ra khỏi nhau dùng hệ số tách với
α=
𝐷𝑀1
𝐷𝑀2
Nếu DM(1) >> DM(2) tức >> 1 thì có thể tách M1 , M2 ra khỏi nhau trên loại nhựa đang xét
16
Cơ chế trao đổi ion
Dung dịch chứa nhiều cấu tử
Ái lực của nhựa đối với ion
Nhựa sulphonate: Ái lực của nhựa tăng theo điện tích của cation
Na+ < Ca2+ < Al3+ < Th4+
Đối với các cation có cùng điện tích: ái lực trao đổi tăng theo đường kính
(đã hydrate hóa) của cation khi dung dịch loãng:
Li+<H+<Na+<NH4+=K+<Rb+<Cs+<Ag+ <Mg2+ <Ca2+<Sr2+ < Ba2+; Al3+< Fe3+
Nếu dd đậm đặc: ái lực trao đổi cation giảm dần và thứ tự có thể bị thay đổi
17
Cơ chế trao đổi ion
Dung dịch chứa nhiều cấu tử
Ái lực của nhựa đối với ion
Nhựa phosphate:
Ba2+<Sr2+<Mg2+<Ca2+<Ni2+<Co2+<Cd2+< Zn2+ <Cu2+ <Pb2+ < Be2+
Nhựa ammonium bậc 4:
F–<OH–<Cl–<CN–<Br–<NO3–<I–<SCN–<ClO4–
18
Kỹ thuật tách
Tách tĩnh: Cho nhựa vào dung dịch khảo sát, khuấy đều. Sau khi cân bằng, trao đổi xảy ra,
dùng biện pháp thích hợp để tách rời hai pha. Chỉ áp dụng được cho trường
hợp dung dịch khảo sát chứa các ion kim loại có hệ số phân bố giữa hai pha
khác nhau rõ rệt.
Tách động: Dùng cột sắc ký, tách các cấu tử theo một trong 2 cách: rửa đẩy và rửa giải
19
Kỹ thuật tách
 Rửa đẩy là phương pháp giải ly bằng cách tăng dần nồng độ giải ly: hỗn hợp đang
gắn vào nhựa trao đổi ion trong dung dịch đệm có nồng độ thấp. Để có thể tách mẫu
chất ra khỏi nhựa cần thêm NaCl hay các loại muối khác vào dung dịch đệm. Khi đó
ion của dung dịch đệm sẽ cạnh tranh với hỗn hợp mẫu chất để giành lấy các nhóm
chức của nhựa rồi đẩy hợp chất ra khỏi nhựa và chúng đi theo dòng chảy ra khỏi cột.
 Rửa giải (thay đổi pH) điện tích toàn phần của các phân tử lưỡng tính thay đổi theo
pH. Khi pH môi trường thay đổi về bằng pI của hợp chất thì tổng điện tích toàn phần
bằng 0, nó không gắn vào nhựa nũa mà ly giải ra khỏi cột. Vì vậy, khi tăng pH của
dung dịch ly giải lên sẽ lần lượt làm các chất khác nhau, có pI khác nhau trở về trung
tính và ly giải ra khỏi cột
20
21
Ứng dụng
 Làm mềm nước cứng
 Để tách hỗn hợp protein
 Tách hữu cơ: phụ gia trong thực phẩm và thuốc mẫu
 Khử khoáng / khử ion nước
 Làm sạch dung dịch để không có ion tạp chất
 Tách các ion vô cơ.
 Tách các amoino acid
22
Hạn chế
 Hiệu suất cột thấp.
 Khó đạt được sự kiểm soát đối với tính chọn lọc và độ phân giải.
 Tính ổn định và khả năng tái tạo của các cột trở thành câu hỏi sau khi
sử dụng nhiều lần.
 Bản chất của các ion trao đổi chưa được biết.
 Có một số chất như chất hữu cơ liên kết với Fe3+ xuất hiện trong nước
có thể làm hư hạt nhựa.
23