Vật liệu silica gel biến tính là gì và cách sử dụng?
Silica gel biến tính là silica đã được xử lý hóa học nhằm thêm vào các đặc tính và thay đổi khả năng hấp phụ trên bề mặt của chúng.
Biến tính silica là một kỹ thuật được dùng trong hóa học, công nghệ nano, khoa học vật liệu, kĩ thuật y sinh và các ngành khác. Tuỳ theo các ứng dụng cụ thể bề mặt vật liệu sẽ được biến tính thông qua việc gắn các phân tử hoặc hạt nano bằng phương pháp hóa học hay hấp phụ.
Bất kì loại silica nào cũng có khả năng biến tính. Nhưng hiệu suất quá trình trên còn phụ thuộc vào tính chất và diện tích bề mặt của vật liệu . Dựa vào các yêu cầu cụ thể, thì silica sẽ được biến tính khác nhau bằng các cách khác nhau. Lấy ví dụ như trong phương pháp phân tích sắc kí lỏng hiệu năng cao – HPLC. Hạt nhồi silica hình cầu được sử dụng với kích thước hạt sẽ được điều chỉnh tùy thuộc vào quy trình phân tích hay quy trình xử lý mẫu. Đối với quy trình phân tách hoặc vai trò là thuốc thử bổ trợ. Thường sẽ sử dụng hạt nhồi silica đường kính 40 – 60 µm với lỗ xốp 60 Å.
Làm sao để biến tính vật liệu silica?
Trên bề mặt silica là các nhóm silanol hoạt động. (Si-OH, nhóm OH tự do của silica). Biến tính bề mặt silica được thực hiện bằng cách đính đa dạng các loại silane khác nhau để hình thành pha liên kết monomeric hoặc polymeric (xem thêm). Có thể kiểm soát độ phân cực của silica trong quá trình trên. Nhằm tăng khả năng chiết tách tuỳ thuộc vào kĩ thuật phân tích khác nhau.
Cấu trúc bề mặt của silica gel biến tính
Quá trình endcapping trong biến tính silica
Khi biến tính silica, không phải tất cả các nhóm silanol (nhóm OH tự do) có trên bề mặt slica đều phản ứng với thuốc thử silane. Do đó, cần phải sử dụng một thuốc thử khác để làm bất hoạt các tâm hoạt tính trên. Ví dụ như trimethylsilyl chloride nhằm tạo thành Si-O-Si(CH3)3. Quá trình này được thêm vào để hạn chế những tương tác phụ không mong muốn với các nhóm chức OH trên bề mặt.
Qúa trình endcapping cũng khiến tính chất silica thay đổi. Silica biến tính sẽ ít acid hơn và ít phân cực hơn.
- Silica gel còn đầy đủ nhóm silanol tự do dùng trong phương pháp sắc ký sẽ hơi có tính acid (pH ~ 5) và phân cực. Trong sắc ký pha thuận, tương tác phân cực này là cơ sở để phân tách các chất phân tích.
- Còn đối với vật liệu silica đã biến tính. Dù mục đích sử dụng làm chất thu hồi, thuốc thử hoặc trong sắc ký của cả pha thuận và pha đảo, thì tương tác duy nhất xảy ra là tương tác giữa nhóm chức được ghép lên bề mặt vật liệu và chất phân tích (không phải liên kết đặc hiệu với OH của nền silica).
Hầu hết các vật liệu silica biến tính đều cần được endcapping. Nhưng đối với các chất oxy hóa như Si-KMnO4, Si-PCC và Si-PDC thì không. Vì nhóm chức silanol là cần thiết để duy trì khả năng làm việc của vật liệu.
Bât kì hình dạng hạt silica nào cũng đều có thể được biến tính. Kích thước hạt silica thường từ 1 µm – 1000 µm và kích thước lỗ xốp là 30 Å – 1000 Å. Sau khi đã biến tính và endcapping, silica sẽ không hòa tan trong bất kỳ dung môi hữu cơ tiêu chuẩn nào.
Silica gel biến tính được dùng với mục đích gì?
1. Làm pha tĩnh trong sắc ký:
Silica gel là loại vật liệu được sử dụng nhiều nhất làm pha tĩnh trong cột nhồi sắc ký. Việc lực chọn loại pha tĩnh tốt nhất cho các quy trình phân tích là một thách thức cho các phòng phân tích. Do hằng năm thị trường đều tung ra số lượng lớn với nhiều loại pha tĩnh.
2. Tổng hợp hữu cơ:
Silica gel biến tính cũng được dùng trong tổng hợp hữu cơ và tinh chế. Các quá trình tinh chế sử dụng trong các phương pháp như sắc ký. Ví dụ như chiết lỏng – lỏng và kết tinh lại
3. Thuốc thử
Thuốc thử dạng rắn không tan là tên gọi một loại silica không hoàn tan có đính nhóm chức. Không giống chất thu hồi được thêm vào sau khi phản ứng đã xảy ra hoàn toàn. Thuốc thử dạng rắn không tan được thêm vào ở giai đoạn đầu của phản ứng. Chúng sẽ thay thế thuốc thử đồng thể. Và được cho vào lượng dư nhằm thúc đẩy phản ứng xảy ra hoàn toàn.
Ngoài ra, thuốc thử dạng rắn không tan có khả năng tạo điều kiện cho các bước phản ứng khác nhau xảy ra trong cùng 1 hệ phản ứng. Thuốc thử đã sử dụng cũng có thể dễ dàng loại bỏ bằng phương pháp lọc thông thường. Mặt khác, nếu lượng thuốc thử sử dụng quá dư hoặc chúng có khả năng tạo liên kết bền ví dụ như triphenylphosphine, thuốc thử liên kết sẽ là một giải pháp hữu ích cho mục đích thay thế. Quá trình tinh sạch còn lại chỉ cần sử dụng phương pháp lọc và bay hơi thông thường.
Quy trình tinh chế sử dụng thuốc thử dạng rắn không tan
4. Chất thu hồi
Chất thu hồi Silica biến tính là các silica gel được biến tính nhằm xảy ra phản ứng hoặc kết dính với lượng dư thuốc thử, các phức kim loại hoặc các sản phẩm phụ. Chất thu hồi đóng vai trò như các ligand chelate kim loại hoặc hữu cơ, cải thiện hiệu suất tổng hợp bằng cách làm sạch hỗn hợp chứa thuốc thử đồng thể dư hoặc cặn kim loại.
Quá trình liên kết và phản ứng của chất thu hồi kim loại
Sự khác nhau giữa vật liệu silica gel và polymer sử dụng trong cột nhồi HPLC
Cả 2 hợp chất đều được cấu thành từ các đơn vị lặp. Trong đó, polymer được tạo thành từ các đơn vị monomer (styrene, ethylene, glycol,…) và SiO4 là đơn vị thành phần tạo nên silica. Liên kết trong polymer là liên kết hữu cơ còn trong silica đây là liên kết vô cơ. Polymer dễ bị rửa trôi khi quá trình ngưng tụ xảy ra không hoàn toàn và nó có khả năng bị hòa tan trong các dung môi hữu cơ.
Tâm hoạt tính của silica và polymer:
- Các tâm hoạt tính của polymer nằm bên trong chất nền nên tốc độ hấp phụ phụ thuộc phần lớn vào tốc độ khuếch tán vào phân tử polymer. Cột nhồi vật liệu polymer chỉ dùng dung môi pha động giúp hạt có thể trương nở (DCM, THF, CHCl3). Điều này đồng nghĩa với chất phân tích có thể bị kẹt lại bên trong polymer gây ảnh hưởng lớn đến hiệu suất phân tách.
- Các tâm hoạt tính của silica nằm trên bề mặt vật liệu, do đó các quá trình động học sẽ xảy ra tức thời với hiệu suất cao. Nhờ vào cấu trúc lỗ xốp cứng và bền vững, silica gel ổn định về mặt cơ học và nhiệt học trong các dung môi hữu cơ.
Nên bảo quản silica gel biến tính như thế nào?
Quy trình bảo quản silica gel biến tính tương đối đơn giản. Không giống với polymer, silica gel không tích điện, nhờ đó việc cân và phân chia chúng cũng dễ dàng hơn. Chúng có thể được đóng gói khô hoặc ướt. Đối với các loại silica gel biến tính nhạy với độ ẩm trong không khí, cần phải xử lý trước trong môi trường khí trơ nhằm duy trì hoạt tính của chúng.
Có thể trộn lẫn các loại silica gel biến tính khác nhau không?
Câu trả lời là có nếu bạn không cần chúng tương tác với nhau. Một trong những lợi ích ưu việt khi sử dụng thuốc thử bổ trợ và chất phân tích là khi trộn lẫn các nhóm chức không tương thích với nhau, ví dụ như acid hoặc base thì chúng cũng không xảy ra phản ứng.
Có 2 lý do giải thích cho điều này: (i) kích thước tương đối của nhóm chức là rất nhỏ khi so sánh với kích thước hạt mà nó được gắn vào (chênh lệch khoảng 100 000 đơn vị độ lớn); (ii) ít nhất 95% các nhóm chức được đính vào các lỗ xốp bên trong vật liệu.
Đối với một số phản ứng, ví dụ như phản ứng ghép cặp amide giữa Carbodiimide và HOBt, ta cần sự tương tác của thuốc thử do đó chỉ có nhóm chức này được hỗ trợ.
Hoạt động trong lĩnh vực biến tính silica ứng dụng trong linh vực phân tích kiểm nghiệm cần phải kể tới Silicycle, nhà sản xuất vật liệu sicica biến tính với lịch sử ra đời và hoạt động hơn 25 năm. Silicycle với đội ngũ chuyên gia đã phát triển rất nhiều dòng silica biến tính như:
SiliaMetS® Metal Scavengers,
SiliaBond® gel
SiliaFlash® Gel
SiliaSphere ™,
Cột SiliaChrom® HPLC,
Bộ chiết pha rắn SPE (manifoid) siliaPrep ™
Và nhiều vật tư tiêu hao trong phòng thí nghiệm khác trên nền Silica.
Thái dương - solution chuyên phân phối các vật liệu làm sạch từ silica biến tính của hãng Silicycle với giá thành tốt nhất.
Vui lòng liên hệ chúng tôi để được tư vấn và báo giá.