5.5. PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ RÂY PHÂN TỬ

 

Sắc ký rây phân tử là phương pháp chia tách các phân tử trong dung dịch dựa trên kích thước của chúng. Trong trường hợp pha động là một dung môi hữu cơ, kỹ thuật được gọi là sắc ký thấm qua gel, còn trường hợp pha động là nước thì kỹ thuật được gọi là sắc ký lọc trên gel. Mẫu được đưa vào cột chứa đầy gel hoặc một loại vật liệu xốp, và được pha động dẫn chạy qua cột. Sự chia tách theo kích thước được thực hiện nhờ sự trao đổi lặp đi lặp lại các phân tử chất tan giữa dung môi pha động và cùng dung môi đó được pha tĩnh giữ ở trong các lỗ xốp của gel. Khoảng kích thước lỗ của vật liệu nhồi trong cột sẽ xác định khoảng kích thước phân tử được chia tách qua quá trình sắc ký.

Những phân tử có kích thước đủ nhỏ để có thể đi vào trong tất cả khoảng không gian của lỗ xốp và được rửa giải trong tổng thể tích thấm V_t. Các phân tử có kích thước lớn hơn kích thước lỗ xốp lớn nhất chỉ di chuyển được dọc theo cột qua các khoảng trống giữa các hạt vật liệu nhồi mà không bị giữ lại, được rửa giải trong thể tích loại trừ Vo (thể tích trống). Sự chia tách theo kích thước phân tử xảy ra giữa thể tích trống và tổng thể tích thấm, chia tách hiệu quả thường được thực hiện ở hai phần ba đầu tiên của khoảng này.

 

Thiết bị

Thiết bị bao gồm một cột sắc ký có kích thước phù hợp, nếu cần thiết phải khống chế nhiệt độ, được nhồi đầy vật liệu chia tách có thể phân loại theo các khoảng kích thước phân tử phù hợp. Kích thước của cột (chiều cao x đường kính trong) được quy định ở chuyên luận riêng. Pha động chạy qua cột ở tốc độ không đổi dưới tác dụng của trọng lực hoặc nhờ một bơm. Một đầu của cột được nối với một thiết bị phù hợp để cấp mẫu theo kiểu bộ phận điều chỉnh lưu lượng dòng, một bơm tiêm đi qua vách hoặc một van tiêm có thể được nối với một bơm điều khiển lưu lượng dòng dung dịch rửa giải. Một cách khác là mẫu có thể được tiêm vào trực tiếp trên bề mặt lớp gel hoặc dưới dung dịch rửa giải nếu như mẫu có tỷ trọng lớn hơn dung dịch rửa giải.

Đường ra của cột được nối với một detector có gắn với một máy ghi tự động để theo dõi nồng độ tương đối của các thành phần trong mẫu. Detector thường được thiết kế dựa trên các tính chất hấp thụ quang, khúc xạ ánh sáng hay phát quang. Bộ phận thu hứng phân đoạn tự động có thể được lắp trong trường hợp cần thiết. Vật liệu trong cột có thể là một chất mang mềm như gel nở hay một chất mang cứng cấu tạo từ thuỷ tinh, silic hoặc một hợp chất cao phân tử liên kết chéo tương thích dung môi. Chất mang cứng thường đòi hỏi hệ thống điều áp để tăng tốc độ phân tách. Pha động thường được chọn theo loại mẫu, môi trường phân tách và phương pháp phát hiện.

Vật liệu nhồi cần được xử lý và cột nhồi được mô tả trong chuyên luận hoặc theo hướng dẫn của nhà sản xuất.

 

Hiệu năng

Hệ thống sắc ký phải thoả mãn qui định về sự phù hợp được mô tả trong một Phụ lục 5.8. Các kỹ thuật tách của sắc ký. Việc điều chỉnh các thông số của hệ sắc ký để có thể được thực hiện nhằm đáp ứng các yêu cầu về sự phù hợp của hệ thống cũng được trình bày trong phụ lục này.

Xác định tỷ lệ thành phần tương đối

Tiến hành phương pháp theo các điều kiện ghi trong chuyên luận riêng. Nếu có thể, theo dõi quá trình rửa giải một cách liên tục và ghi lại diện tích của các píc tương ứng. Nếu mẫu được xác định dựa vào tính chất hóa lý mà tất cả các thành phần của mẫu đều cho một đáp ứng tương đương (ví dụ có cùng có một hệ số hấp thụ riêng), thì lượng tương đối  của mỗi thành phần có thể được xác định bằng cách tính tỷ lệ diện tích mỗi píc thu được trên tổng diện tích píc của những thành phần quan tâm. Nếu sự đáp ứng khác nhau, tính tỷ lệ thành phần tương đối bằng cách dựa vào đường chuẩn của các dung dịch chuẩn được ghi trong chuyên luận riêng hoặc bằng phương pháp khác được ghi trong chuyên luận riêng.

 

Xác định khối lượng phân tử

Thực hiện phương pháp với dung dịch thử và các dung dịch chuẩn theo quy trình ghi trong chuyên luận riêng. Xây dựng một đồ thị biểu thị sự phụ thuộc giữa thể tích lưu của các chất chuẩn dùng cho hiệu chuẩn và hàm logarit của khối lượng phân tử của chúng. Đường chuẩn thường xấp xỉ với một đường thẳng nằm giữa giới hạn loại trừ và giới hạn thấm tổng thể. Khối lượng phân tử của thành phần quan tâm có thể được ước lượng từ đường chuẩn. Việc xây dựng đường chuẩn chỉ có giá trị đối với một hệ cụ thể trong những điều kiện thí nghiệm xác định.

 

Sự phân bố polymer theo kích thước phân tử

Sắc ký rây phân tử có thể được sử dụng để xác định sự phân bố các polymer theo kích thước phân tử. Tuy nhiên, việc so sánh mẫu sẽ chỉ có ý nghĩa nếu kết quả thu được là cùng một điều kiện thí nghiệm. Nguyên liệu sử dụng để xây dựng đường chuẩn và phương pháp xác định sự phân bố dựa theo kích thước phân tử của các polymer được ghi trong chuyên luận riêng.

 

Phân bố khối lượng phân tử trong dextran

Kiểm tra bằng phương pháp sắc ký rây phân tử

 

Dung dịch (1): Hoà tan 0,200 g mẫu thử vào pha động và pha loãng tới 10 ml bằng pha động.

Dung dịch đánh dấu: Hoà tan 5 mg dextrose chuẩn và 2 mg chất đối chiếu hóa học dextran Vo trong 1ml pha động.

Dung dịch hiệu chuẩn: Hoà tan riêng rẽ 15 mg các chất đối chiếu hóa học dextran 4, dextran 10 dùng cho hiệu chuẩn và 20 mg các chất đối chiếu hóa học dextran 40, dextran 70, dextran 250 dùng cho hiệu chuẩn trong 1 ml pha động.

Dung dịch kiểm tra sự phù hợp của hệ  thống

Hoà tan 20 mg chất đối chiếu dextran 40 dùng cho chuẩn hiệu năng (đối với dextran 40) hoặc 20 mg dextran 60/70 dùng cho chuẩn hiệu năng (đối với dextran 60 và dextran 70) vào 1 ml pha động.

Điều kiện sắc ký:

(a)    Cột (0,3 m x 10 mm) nhồi agarose loại liên kết chéo dùng trong sắc ký hoặc một dãy các cột (0,3 m x 10 mm) nhồi gel polyether hydroxyl hóa dùng trong sắc ký

(b)   Dung dịch chứa 7g natri sulfat khan và 1g clorobutanol trong 1lít nước để làm pha động, tốc độ dòng 0,5 - 1 ml/phút, giữ ổn định với sai số ±1%/giờ

(c)    Detector khúc xạ ánh sáng vi sai

(d)   Buồng tiêm mẫu dung tích 100 - 200 µl

duy trì hệ thống hoạt động ở nhiệt độ ổn định (± 0,1°C)

 

Chuẩn hóa hệ thống sắc ký

Tiến hành tiêm lặp lại vài lần một thể tích nhất định dung dịch đánh dấu. Trên sắc ký đồ sẽ xuất hiện 2 píc, píc đầu tương ứng chất đối chiếu dextran V_o và píc thứ 2 là của dextrose. Từ thể tích rửa giải của píc tương ứng với dextran V_o, tính thể tích trống Vo và từ píc tương ứng với dextrose, tính được thể tích thấm tổng V_t.

 

Tiêm một thể tích nhất định các dung dịch chuẩn. Vẽ cẩn thận đường  nền của mỗi sắc ký đồ. Phân chia mỗi sắc ký đồ thành p phần (ít nhất là 60) bằng những đường gạch thẳng dọc bằng nhau (tương ứng với những thể tích rửa giải).

 

Trong mỗi phần, i tương ứng với một thể tích rửa giải V_i, đo chiều cao (y_i) của đường sắc ký đồ phía trên đường  nền và tính hệ số phân bố K_i theo công thức:

 

 

Trong đó:

V_o = thể tích trống của cột, được xác định bởi píc tương ứng với chất đối chiếu hóa học  

       dextran V_o trong sắc ký đồ thu được từ dung dịch đánh dấu,

V_t = thể tích thấm tổng của cột, được xác định bởi píc tương ứng với dextrose trong sắc ký

        đồ thu được từ dung dịch đánh dấu,

V_i = thể tích rửa giải của phần i trong sắc ký đồ thu được với mỗi dung dịch chuẩn..

 

Tiến hành hiệu chuẩn sử dụng một trong những phương pháp dưới đây:

 

Vẽ đường cong chuẩn:

Với mỗi chất đối chiếu hóa học dextran dùng cho hiệu chuẩn, tính hệ số phân bố K_max tương ứng với chiều cao cực đại của đường sắc ký, sử dụng công thức (1). Trên giấy kẻ ô bán logarit đặt các giá trị của K_max (trục x) tương ứng với khối lượng phân tử ghi trên nhãn của mỗi chất dextran hiệu chuẩn và của dextrose; những giá trị này được lấy tại điểm cao nhất của đường sắc ký (M_max). Vẽ đường cong chuẩn đầu tiên qua những điểm thu được, ngoại suy từ điểm K_max thu được với chất đối chiếu hóa học dextran 250 dùng cho hiệu chuẩn tới giá trị K thấp nhất thu được từ chất đối chiếu hóa học này (xem hình 5.5.1). Sử dụng đường cong chuẩn đầu tiên này, chuyển tất cả các giá trị K_i ở mỗi sắc ký đồ sang khối lượng phân tử tương ứng M_i để thu được sự phân bố khối lượng phân tử. Tính toán khối lượng phân tử trung bình M_w cho mỗi loại dextran đối chiếu hóa học sử dụng phương trình (3) dưới đây. Nếu giá trị tính toán thu được đối với M_w không khác hơn 5% so với giá trị công bố của mỗi dextran và mức khác biệt trung bình là ±3%, đường cong chuẩn được chấp nhận. Nếu không đạt yêu cầu đó, chuyển dịch đường cong chuẩn dọc theo trục y và lặp lại tiến trình này cho tới khi các giá trị M_w thu được và giá trị công bố không khác nhau lớn hơn 5%.

 

Hình 5.5.1. Ví dụ về đường cong chuẩn. Đường chấm chấm tương ứng với phần đường cong ngoại suy. Đường nằm ngang ở dưới cùng của đồ thị thể hiện độ rộng và vị trí của đường sắc ký thu được tương ứng với mỗi dextran chuẩn .

 

Tính toán qua đường cong chuẩn:

Tính toán từ phương trình (2) và (3) dưới đây, sử dụng phương pháp thích hợp, các giá trị b₁, b₂, b₃, b₄ và b₅ cho phép thu được giá trị M_w nằm trong khoảng 5% của tất cả những giá trị công bố  từ mỗi dextran chuẩn và khối lượng phân tử của dextrose nằm trong khoảng 180±2.

 

Trong đó:

 p = số phân đoạn chia trong sắc ký đồ,

y = chiều cao của đường sắc ký phía trên đường nền trong phân đoạn i,

M_i = khối lượng phân tử trong phân đoạn i.

 

Độ phù hợp của hệ thống

Tiêm một thể tích nhất định dung dịch thử độ phù hợp hệ thống thích hợp .

 

Khối lượng phân tử trung bình của chất đối chiếu hóa học dextran dùng cho thử hiệu năng

Tính khối lượng phân tử trung bình M_w như đã trình bày trong phần hiệu chuẩn hệ sắc ký, sử dụng đường cong chuẩn hoặc các giá trị thu được ở trên  đối với b₁, b₂, b₃, b₄, b₅. Phép thử chỉ có giá trị khi M_w nằm trong khoảng 41.000 - 47.000 (chất đối chiếu hóa học dextran 40 dùng cho chuẩn hiệu năng) và 67.000 - 75.000 (chất đối chiếu hóa học dextran 60/70 dùng cho chuẩn hiệu năng).

Khối lượng phân tử trung bình của dextran phân đoạn cao 10%

Tính M_w đối với dextran phân đoạn cao 10% được rửa giải qua phần thứ n sử dụng công thức:

 

Với n được xác định như sau:

Trong đó:

p = số phần chia trong sắc ký đồ,

y_i = chiều cao đường sắc ký phía trên đường nền trong phần i,

M_i = khối lượng phân tử của phần i.

 

Phép thử chỉ có giá trị khi M_w của dextran phân đoạn cao nằm trong khoảng: 110.000 -130.000 (chất đối chiếu hóa học dextran 40 dùng cho hiệu chuẩn) và 190.000 - 230.000 (chất đối chiếu hóa học dextran 60/70 dùng cho hiệu chuẩn).

 

Khối lượng phân tử trung bình của dextran phân đoạn thấp 10 %

 

Tính M_w đối với dextran phân đoạn thấp 10 % rửa giải trong và sau phần m theo công thức sau:

Trong đó:

m được xác định như sau:

 

                               

p = số phần chia trong sắc ký đồ,

y_i = chiều cao đường sắc ký phía trên đường nền trong phần i,

M_i = khối lượng phân tử của phần i.

 

Phép thử chỉ có giá trị khi M_w của dextran phân đoạn thấp 10% là: 6.000 - 8.500 (chất đối chiếu hóa học dextran 40 dùng cho chuẩn hiệu năng) và 7.000 - 11.000 (chất đối chiếu hóa học dextran 60/70 dùng cho chuẩn hiệu năng).

 

Sự phân bố khối lượng phân tử của dextran được phân tích

 

Tiêm một thể tích nhất định dung dịch (1) và tính M_w của tổng khối lượng phân tử phân bố, M_w của dextran phân đoạn cao 10% và M_w của dextran phân đoạn thấp 10% như chỉ dẫn trong phần thử sự phù hợp của hệ thống.

 

Phương pháp lặp như phương pháp Gauss – Newton cải tiến bởi Hartley là phù hợp (Xem O Hartley, Tecnometrics, 3 (1961) and G Nilsson and K Nilsson, J.Chromat. 101, 137 (1974)). Một chương trình đường cong thích hợp xử lý tương quan hồi quy không tuyến tính chạy trên máy tính điện tử có thể được sử dụng.