Sắc ký siêu tới hạn (Supercritical fluid chromatography (SFC))

Sắc ký siêu tới hạn (SFC) là một kỹ thuật sắc ký sử dụng chất lỏng siêu tới hạn làm pha động để tách và phân tích hỗn hợp các chất. Nó kết hợp các ưu điểm của cả sắc ký khí (GC) và sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC), cho phép phân tích một loạt các hợp chất mà các kỹ thuật khác khó hoặc không thể thực hiện được. SFC đặc biệt hữu ích cho việc phân tích các hợp chất kém bay hơi, dễ bị phân hủy nhiệt hoặc có khối lượng phân tử lớn, những chất khó phân tích bằng GC. Việc sử dụng pha động siêu tới hạn cho phép khả năng tách tốt hơn và thời gian phân tích nhanh hơn so với HPLC truyền thống.

Chất lỏng siêu tới hạn

Chất lỏng siêu tới hạn là một chất tồn tại ở nhiệt độ và áp suất trên điểm tới hạn của nó. Ở trạng thái này, chất lỏng có các đặc tính trung gian giữa chất khí và chất lỏng. Nó có khả năng khuếch tán gần bằng chất khí và khả năng hòa tan gần bằng chất lỏng. Chính sự kết hợp độc đáo này làm cho chất lỏng siêu tới hạn trở thành pha động lý tưởng trong sắc ký. $CO_2$ là chất lỏng siêu tới hạn được sử dụng phổ biến nhất trong SFC do điểm tới hạn tương đối thấp (31.1°C và 73.8 bar), không độc, không cháy và dễ dàng loại bỏ sau khi phân tích. Ngoài ra, việc thay đổi áp suất và nhiệt độ cho phép điều chỉnh mật độ và do đó khả năng hòa tan của $CO_2$ siêu tới hạn, cung cấp một công cụ mạnh mẽ để tối ưu hóa việc tách các hợp chất khác nhau. Đôi khi, các chất phụ gia hữu cơ như methanol hoặc ethanol được thêm vào $CO_2$ để tăng khả năng hòa tan của một số chất phân tích nhất định.

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của SFC tương tự như HPLC. Mẫu được tiêm vào dòng chất lỏng siêu tới hạn, sau đó đi qua cột sắc ký chứa pha tĩnh. Các thành phần trong mẫu tương tác khác nhau với pha tĩnh, dẫn đến sự tách biệt các chất. Sự khác biệt này về ái lực với pha tĩnh dựa trên các đặc tính hóa học và vật lý của từng chất phân tích. Cường độ tương tác này ảnh hưởng đến tốc độ di chuyển của các chất phân tích qua cột. Các chất được tách ra sau đó được phát hiện bằng detector và tín hiệu được ghi lại để tạo ra sắc ký đồ. Thời gian lưu, tức là thời gian một chất phân tích di chuyển qua cột, được sử dụng để định tính các chất, trong khi diện tích hoặc chiều cao của peak sắc ký đồ tương ứng với lượng chất có mặt.

Ưu điểm của SFC

SFC mang lại nhiều ưu điểm so với các kỹ thuật sắc ký khác:

Khả năng phân tích các hợp chất không bay hơi và dễ bị phân hủy nhiệt: SFC có thể phân tích các hợp chất mà GC không thể do nhiệt độ thấp hơn, tránh sự phân hủy nhiệt của các hợp chất nhạy cảm với nhiệt.
Độ phân giải cao: SFC cung cấp độ phân giải cao tương tự như HPLC, cho phép tách các hợp chất có cấu trúc tương tự nhau.
Tốc độ phân tích nhanh: Do độ nhớt thấp của chất lỏng siêu tới hạn, tốc độ dòng chảy cao hơn có thể đạt được, dẫn đến thời gian phân tích nhanh hơn so với HPLC, tăng hiệu suất phân tích.
Thân thiện với môi trường: $CO_2$ là chất lỏng siêu tới hạn phổ biến và là một lựa chọn xanh hơn so với các dung môi hữu cơ được sử dụng trong HPLC, giảm thiểu tác động đến môi trường.
Linh hoạt: SFC có thể được sử dụng với nhiều loại detector (ví dụ: UV-Vis, MS, FID) và pha tĩnh khác nhau, cho phép tối ưu hóa việc phân tích cho các loại mẫu khác nhau và tăng tính linh hoạt của kỹ thuật.

Ứng dụng của SFC

SFC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:

Dược phẩm: Phân tích thuốc, tạp chất và chất chuyển hóa trong quá trình phát triển và kiểm soát chất lượng thuốc.
Thực phẩm: Phân tích thành phần thực phẩm, phụ gia và chất gây ô nhiễm để đảm bảo an toàn thực phẩm.
Môi trường: Phân tích thuốc trừ sâu, chất ô nhiễm hữu cơ bền vững (POPs) trong các mẫu môi trường.
Hóa dầu: Phân tích dầu mỏ và các sản phẩm dầu mỏ.
Khoa học vật liệu: Phân tích polymer, oligomer và các vật liệu khác. SFC đặc biệt hữu ích trong việc phân tích các polymer có khối lượng phân tử lớn.

So sánh SFC với GC và HPLC

SFC kết hợp các ưu điểm của cả GC và HPLC. Bảng sau đây so sánh ba kỹ thuật này:

Đặc điểm	GC	HPLC	SFC
Pha động	Khí	Lỏng	Chất lỏng siêu tới hạn
Loại mẫu	Bay hơi, bền nhiệt	Không bay hơi, có thể phân hủy nhiệt	Cả hai
Độ phân giải	Cao	Cao	Cao
Tốc độ phân tích	Nhanh	Trung bình	Nhanh
Áp suất	Thấp	Cao	Trung bình
Nhiệt độ	Cao	Thấp/trung bình	Thấp/trung bình

SFC là một kỹ thuật sắc ký mạnh mẽ và linh hoạt, cung cấp nhiều ưu điểm so với các kỹ thuật sắc ký truyền thống. Nó đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau do khả năng phân tích đa dạng các hợp chất, tốc độ phân tích nhanh và tính thân thiện với môi trường.

Thiết bị và cấu hình hệ thống SFC

Một hệ thống SFC điển hình bao gồm các thành phần sau:

Bình chứa $CO_2$: Chứa $CO_2$ lỏng ở dạng tinh khiết.
Bơm: Đẩy $CO_2$ lỏng đến áp suất siêu tới hạn. Bơm thường là loại bơm piston kép để đảm bảo dòng chảy ổn định.
Lò cột: Điều khiển nhiệt độ của cột sắc ký để tối ưu hóa việc tách.
Cột sắc ký: Cột chứa pha tĩnh, nơi diễn ra quá trình tách các thành phần trong mẫu. Cột SFC thường tương tự cột HPLC, nhưng có thể chịu được áp suất cao hơn. Pha tĩnh thường là silica gel hoặc các vật liệu tương tự. Cột được lựa chọn dựa trên tính chất của chất phân tích và mục tiêu tách.
Bộ điều chỉnh áp suất (Back Pressure Regulator – BPR): Duy trì áp suất ổn định trong hệ thống bằng cách điều chỉnh dòng chảy của pha động. BPR rất quan trọng để duy trì $CO_2$ ở trạng thái siêu tới hạn.
Bộ phận tiêm mẫu: Dùng để đưa mẫu vào dòng pha động.
Detector: Phát hiện các chất phân tích khi chúng thoát ra khỏi cột. Các loại detector thường dùng trong SFC bao gồm: Detector tán xạ ánh sáng bay hơi (ELSD), detector khối phổ (MS), detector UV-Vis. Việc lựa chọn detector phụ thuộc vào tính chất của chất phân tích.
Bộ phận thu thập dữ liệu: Ghi lại tín hiệu từ detector và tạo ra sắc ký đồ.

Lựa chọn Pha Động và Pha Tĩnh

Pha động: $CO_2$ là pha động phổ biến nhất trong SFC. Tuy nhiên, đôi khi $CO_2$ được sử dụng kết hợp với một lượng nhỏ dung môi hữu cơ (“chất điều chỉnh”) như methanol hoặc acetonitrile để tăng khả năng hòa tan của một số chất phân tích. Việc lựa chọn chất điều chỉnh và tỷ lệ pha động/chất điều chỉnh được tối ưu hóa dựa trên tính chất của chất phân tích.
Pha tĩnh: Việc lựa chọn pha tĩnh phụ thuộc vào tính chất của chất phân tích. Các pha tĩnh phổ biến bao gồm silica gel, pha liên kết đảo pha (C18, C8), và các pha tĩnh chiral cho việc tách các enantiomer.

Các kỹ thuật liên quan

SFC có thể được kết hợp với các kỹ thuật khác như khối phổ (SFC-MS) để tăng cường khả năng nhận dạng và định lượng các chất phân tích. Sự kết hợp này mang lại thông tin cấu trúc và độ nhạy cao.

Hạn chế của SFC

SFC không phù hợp cho việc phân tích các hợp chất rất phân cực hoặc ion. Những hợp chất này thường yêu cầu việc sử dụng HPLC.
Thiết bị SFC phức tạp hơn và đắt tiền hơn so với GC. Tuy nhiên, SFC vẫn có thể tiết kiệm chi phí hơn HPLC do sử dụng ít dung môi hữu cơ.

Tóm tắt về Sắc ký siêu tới hạn)

Sắc ký siêu tới hạn (SFC) là một kỹ thuật phân tích mạnh mẽ, sử dụng chất lỏng siêu tới hạn, thường là $CO_2$, làm pha động. Điểm tới hạn là điểm mà tại đó ranh giới giữa pha lỏng và pha khí biến mất, cho phép chất lỏng siêu tới hạn sở hữu các đặc tính của cả hai pha. Ưu điểm chính của việc sử dụng chất lỏng siêu tới hạn nằm ở khả năng khuếch tán cao hơn chất lỏng và khả năng hoà tan tốt hơn chất khí, dẫn đến hiệu quả tách chất cao và thời gian phân tích nhanh.

SFC kết hợp các ưu điểm của cả sắc ký khí (GC) và sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC). Nó có thể phân tích các hợp chất không bay hơi và dễ bị phân hủy nhiệt, điều mà GC không thể thực hiện. Đồng thời, SFC cung cấp độ phân giải cao tương tự như HPLC nhưng với tốc độ phân tích nhanh hơn nhờ độ nhớt thấp của pha động. Việc sử dụng $CO_2$ làm pha động chủ yếu cũng mang lại lợi ích về mặt môi trường, vì nó là một chất thay thế xanh hơn so với các dung môi hữu cơ truyền thống.

Một hệ thống SFC điển hình bao gồm bình chứa $CO_2$, bơm, lò cột, cột sắc ký, bộ điều chỉnh áp suất (BPR), bộ phận tiêm mẫu, detector và bộ phận thu thập dữ liệu. Việc lựa chọn pha tĩnh phụ thuộc vào tính chất của chất phân tích, trong khi $CO_2$ thường được sử dụng làm pha động, đôi khi kết hợp với một “chất điều chỉnh” để tăng cường khả năng hòa tan. SFC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ dược phẩm và thực phẩm đến môi trường và khoa học vật liệu. Mặc dù SFC có nhiều ưu điểm, nhưng nó cũng có một số hạn chế, chẳng hạn như không phù hợp để phân tích các hợp chất rất phân cực hoặc ion. Ngoài ra, thiết bị SFC có thể phức tạp và đắt tiền hơn so với GC.

Tài liệu tham khảo:

Chester, T. L. (2000). Supercritical fluid chromatography and extraction. John Wiley & Sons.
Taylor, L. T. (2008). Supercritical fluid chromatography. CRC press.
Smith, R. M. (Ed.). (2014). Supercritical fluid chromatography. Royal Society of Chemistry.
Berger, T. A. (1995). Packed column SFC. Royal Society of Chemistry.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao $CO_2$ lại là chất lỏng siêu tới hạn được ưa chuộng trong SFC?

Trả lời: $CO_2$ được ưa chuộng vì nhiều lý do: điểm tới hạn tương đối thấp (31.1°C và 73.8 bar), dễ đạt được điều kiện siêu tới hạn, không độc, không cháy, tương đối rẻ, và dễ dàng loại bỏ sau khi phân tích, giảm thiểu tác động đến môi trường. Tính trơ của nó cũng giúp giảm thiểu phản ứng với các chất phân tích.

Làm thế nào để “chất điều chỉnh” ảnh hưởng đến khả năng tách của SFC?

Trả lời: Chất điều chỉnh, thường là các dung môi hữu cơ phân cực như methanol hoặc acetonitrile, được thêm vào $CO_2$ để tăng khả năng hòa tan của các chất phân tích phân cực. Việc thêm chất điều chỉnh thay đổi sức mạnh rửa giải của pha động, ảnh hưởng đến sự tương tác giữa chất phân tích và pha tĩnh, từ đó ảnh hưởng đến khả năng tách và thời gian lưu của các chất phân tích.

So sánh và đối chiếu việc sử dụng detector ELSD và MS trong SFC.

Trả lời: Cả ELSD và MS đều là detector phổ biến trong SFC. ELSD là detector vạn năng, phản ứng với hầu hết các chất phân tích, nhưng không cung cấp thông tin cấu trúc. MS, mặt khác, cung cấp thông tin cấu trúc chi tiết về chất phân tích, giúp xác định và định lượng chúng, nhưng có độ nhạy kém hơn với một số loại hợp chất so với ELSD.

BPR đóng vai trò gì trong hệ thống SFC?

Trả lời: BPR (Back Pressure Regulator – Bộ điều chỉnh áp suất) duy trì áp suất không đổi trong hệ thống SFC. Điều này rất quan trọng để giữ cho $CO_2$ ở trạng thái siêu tới hạn trong suốt quá trình phân tích, đảm bảo tính ổn định và khả năng tái lập của quá trình tách.

SFC có những lợi thế gì so với HPLC trong việc phân tích các hợp chất chiral?

Trả lời: SFC thường cho hiệu quả tách chiral tốt hơn HPLC do độ nhớt thấp của pha động siêu tới hạn. Điều này cho phép sử dụng cột sắc ký dài hơn với kích thước hạt nhỏ hơn, dẫn đến độ phân giải cao hơn và thời gian phân tích nhanh hơn. Ngoài ra, SFC sử dụng ít dung môi hữu cơ hơn, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường hơn.

Một số điều thú vị về Sắc ký siêu tới hạn)

Caffeine từ cà phê đã được chiết xuất bằng SFC: Một trong những ứng dụng ban đầu của SFC là chiết xuất caffeine từ hạt cà phê. Quá trình này hiệu quả và thân thiện với môi trường hơn so với các phương pháp truyền thống sử dụng dung môi hữu cơ.
SFC có thể phân tách các chất đồng phân quang học: SFC được sử dụng rộng rãi trong ngành dược phẩm để phân tách các enantiomer (đồng phân quang học) của thuốc. Điều này rất quan trọng vì các enantiomer khác nhau có thể có hoạt tính sinh học khác nhau.
SFC có thể được sử dụng để phân tích các hợp chất trong cần sa: SFC ngày càng được sử dụng để phân tích cannabinoid trong cây cần sa, giúp kiểm soát chất lượng và nghiên cứu.
SFC có thể được sử dụng để phân tích các chất nổ: SFC có thể được sử dụng để phát hiện và xác định các chất nổ trong các mẫu môi trường và pháp y.
SFC đã được sử dụng trên trạm vũ trụ quốc tế (ISS): Một hệ thống SFC mini đã được phát triển và sử dụng trên ISS để phân tích các mẫu sinh học và môi trường. Điều này cho thấy tính linh hoạt và khả năng ứng dụng của SFC trong các môi trường khác nhau.
SFC đang được nghiên cứu để sử dụng trong sản xuất dược phẩm liên tục: SFC có tiềm năng được sử dụng trong tổng hợp và tinh chế thuốc theo cách liên tục, giúp tăng hiệu suất và giảm chi phí.
SFC ban đầu được gọi là sắc ký chất lỏng mật độ cao: Thuật ngữ “siêu tới hạn” chỉ được sử dụng sau này khi các nhà khoa học hiểu rõ hơn về tính chất của pha động.