Pha tĩnh là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu

Pha tĩnh (stationary phase) là thành phần không di chuyển trong hệ sắc ký, thường được nhúng hoặc gắn cố định trên chất mang cứng như silica, polymer hoặc nhựa. Chức năng chính của pha tĩnh là tương tác chọn lọc với các chất phân tích (analyte) khi pha động (mobile phase) mang chúng đi qua cột, từ đó tạo ra sự phân tách dựa trên khác biệt về lực hấp phụ, phân bố hoặc tương tác hóa học–vật lý.

Trong sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC), sắc ký khí (GC) hay sắc ký mao dẫn (CEC), chất liệu và tính chất bề mặt của pha tĩnh quyết định trực tiếp hiệu năng phân giải, thời gian lưu (retention time) và độ tái lập lại (reproducibility). Việc lựa chọn pha tĩnh phù hợp phải cân nhắc tính chất phân tích, điều kiện pH, áp suất dòng, nhiệt độ và loại dung môi sử dụng.

Các nghiên cứu về pha tĩnh không chỉ dừng ở việc tìm kiếm vật liệu cơ bản, mà còn mở rộng sang thiết kế pha tĩnh chức năng hóa để tách được các hợp chất đồng phân, quang học hoặc các phân tử có cấu trúc phức tạp. Sự phát triển liên tục của pha tĩnh đóng vai trò then chốt trong nâng cao năng lực phân tích và kiểm soát chất lượng trong công nghiệp dược phẩm, môi trường và thực phẩm.

Định nghĩa pha tĩnh

Theo tiêu chuẩn IUPAC, pha tĩnh là thành phần không di chuyển trong sắc ký, có thể là chất rắn hoặc dung dịch được gắn lên chất mang rắn. Pha tĩnh tương tác với analyte qua các cơ chế như hấp phụ vật lý, hấp phụ hóa học hoặc phân bố, giúp tách các thành phần hỗn hợp dựa trên độ ưu tiên tương tác (IUPAC).

Trong sắc ký lỏng, pha tĩnh thường là hạt silica gel hoặc polymer với các nhóm chức như C18, C8, phenyl hoặc amine gắn trên bề mặt. Các nhóm chức này thiết lập lực kỵ nước, tương tác π–π hoặc liên kết hydro với phân chất, điều chỉnh thời gian lưu và độ chọn lọc.

Đối với sắc ký khí, pha tĩnh là polymer hoặc polysiloxane lỏng được phủ trên bề mặt hạt hoặc thành ống mao dẫn. Tính chất lưu động và độ bền nhiệt cao là yêu cầu bắt buộc để chịu được nhiệt độ lên đến 400 °C mà không phân hủy.

Phân loại pha tĩnh

• Pha tĩnh pha thường (normal phase): bề mặt phân cực (silica gel, alumina) ưu tiên giữ lại các phân tử phân cực mạnh qua tương tác hydro và tĩnh điện.
• Pha tĩnh pha ngược (reverse phase): bề mặt kỵ nước (C18, C8) tách các chất kỵ nước bằng cơ chế tương tác kỵ nước–kỵ nước, phổ biến nhất trong phân tích dược phẩm (Sigma-Aldrich).
• Pha tĩnh hỗn hợp (mixed-mode): kết hợp nhóm phân cực và kỵ nước hoặc nhóm ion để tách đa dạng hợp chất trong một lần chạy.
• Pha tĩnh chuyên biệt (specialty): pha tĩnh chiral dùng cột tách đồng phân quang học, pha tĩnh ion exchange cho các ion, pha tĩnh size exclusion phân tách theo kích thước phân tử.

Mỗi loại pha tĩnh có ưu – nhược điểm riêng, đòi hỏi cân nhắc khi thiết kế phương pháp sắc ký để đạt độ phân giải tối ưu và thời gian phân tích hợp lý.

Tính chất vật lý–hóa học của pha tĩnh

Kích thước hạt (particle size) và phân bố kích thước ảnh hưởng trực tiếp đến độ phân giải và áp suất ngăn dòng. Hạt càng nhỏ (sub-2 µm) cho độ phân tách cao nhưng yêu cầu áp suất dòng lớn hơn.

Độ đa dạng bề mặt (surface area) quyết định khả năng hấp phụ; pha tĩnh silica thường có diện tích 300–400 m²/g, trong khi polymer có thể lên đến 800 m²/g. Độ đa dạng càng cao, dung lượng giữ càng lớn.

Độ ổn định hóa học và nhiệt của pha tĩnh xác định phạm vi pH và nhiệt độ làm việc. Silica bền ở pH 2–8, polymer chịu được pH rộng hơn (1–12) nhưng chịu áp suất thấp hơn.

Đặc tính	Silica gel	Polymer
Kích thước hạt	1.7–5 µm	5–10 µm
Diện tích bề mặt	300–400 m²/g	600–800 m²/g
Phạm vi pH	2–8	1–12
Độ bền nhiệt	≤ 200 °C	≤ 150 °C

Việc tối ưu hóa các thông số này giúp cân bằng giữa độ phân giải, tốc độ và tuổi thọ cột, từ đó giảm chi phí và tăng hiệu suất phân tích trong ứng dụng thực tế.

Vai trò pha tĩnh trong sắc ký

Pha tĩnh quyết định cơ chế tách và khả năng phân giải của phương pháp sắc ký. Dựa trên tương tác giữa pha tĩnh và phân chất, sắc ký có thể tách các thành phần hỗn hợp dựa trên sự khác biệt về độ phân cực, kích thước phân tử, hay hằng số phân bố.

Thời gian lưu giữ (retention time, t_R) của mỗi phân tử phản ánh sức tương tác với pha tĩnh. Phân tử có tương tác mạnh hơn với pha tĩnh sẽ lưu lại lâu hơn trong cột, từ đó tách biệt khỏi các phân tử khác.

Hệ số dung lượng (capacity factor, k′) biểu diễn qua công thức:

$k' = \frac{t_R - t_0}{t_0}$

• t_R: Thời gian lưu của phân chất
• t₀: Thời gian chết (dead time) của pha động

Giá trị k′ trong khoảng 1–10 được coi là tối ưu để đạt độ phân giải và thời gian phân tích cân đối.

Cơ chế tương tác giữa pha tĩnh và phân chất

Cơ chế tương tác chính trong sắc ký bao gồm hấp phụ, phân bố và trao đổi ion. Các lực cơ bản ảnh hưởng đến quá trình tách là:

• Liên kết hydro: Phân tử phân cực tạo liên kết hydro với nhóm chức trên pha tĩnh (silica, amine).
• Lực Van der Waals: Tương tác kỵ nước–kỵ nước trên pha ngược C18, C8.
• Tương tác π–π: Phân đoạn aromatic của phân chất tương tác với phenyl hoặc nhân aromatic gắn trên pha tĩnh.
• Trao đổi ion: Pha tĩnh ion exchange tách cation hoặc anion dựa trên lực hút tĩnh điện.

Sự phối hợp các lực này tạo nên tính chọn lọc đặc thù của mỗi pha tĩnh, giúp tách đồng thời nhiều chất có tính chất hóa lý khác nhau.

Chuẩn bị và vận hành pha tĩnh

Quy trình chuẩn bị cột sắc ký bao gồm:

1. Hoạt hóa (activation): Rửa cột với dung môi pha động để loại tạp và ổn định bề mặt.
2. Cân bằng (equilibration): Bơm pha động qua cột đến khi tín hiệu ổn định, đảm bảo điều kiện nhiệt động học đạt trạng thái cân bằng.
3. Vận hành (operation): Tiêm mẫu và duy trì áp suất, lưu lượng, nhiệt độ theo điều kiện đã thiết kế.

Bảo dưỡng định kỳ:

• Rửa cột bằng dung môi mạnh (e.g. isopropanol, acetonitrile) để loại dầu mỡ, muối kết tủa.
• Bảo quản cột trong dung môi tương thích để tránh co nở hoặc đóng cặn.
• Kiểm tra áp suất thường xuyên, thay pha tĩnh khi áp suất đầu vào tăng >20% so với ban đầu.

Ứng dụng của pha tĩnh

Pha tĩnh là trung tâm của nhiều ứng dụng phân tích và tách chiết:

• Dược phẩm: Tách và định lượng hoạt chất, chất độc phụ, đồng phân quang học trong quá trình phát triển thuốc.
• Môi trường: Phân tích chất ô nhiễm hữu cơ (PAHs, PCBs) và kim loại nặng qua sắc ký lỏng và sắc ký khí.
• Thực phẩm & đồ uống: Định lượng phẩm màu, phụ gia, vitamin và chất bảo quản.
• Sinh học phân tử: Tách axit nucleic, protein, peptid qua sắc ký trao đổi ion và sắc ký loại phân tử.

Các phòng thí nghiệm QC/QA và nghiên cứu ứng dụng thường lựa chọn pha tĩnh có tính đa năng cao hoặc pha tĩnh chuyên biệt để đạt hiệu quả tối ưu.

Thách thức và xu hướng nghiên cứu

Phát triển pha tĩnh siêu nhỏ (nanoparticles, sub-2 µm) nâng cao độ phân giải nhưng đòi hỏi hệ thống áp suất siêu cao (UHPLC). Chất liệu mới như silica cắt giác (core–shell) và polymer monolithic giảm áp suất và tăng hiệu năng tách.

• Thiết kế pha tĩnh đa chức năng (mixed-mode) tích hợp tương tác kỵ nước và trao đổi ion trong cùng cột.
• Phát triển pha tĩnh thân thiện môi trường: giảm sử dụng dung môi độc hại, tăng khả năng tái chế và thời gian sử dụng.
• Ứng dụng công nghệ microfluidics để thu nhỏ cột sắc ký, giảm tiêu thụ mẫu và dung môi.

Công nghệ pha tĩnh mới hứa hẹn tăng tốc độ phân tích, tiết kiệm chi phí và mở rộng biên độ ứng dụng trong y sinh và công nghiệp.

Tài liệu tham khảo

• International Union of Pure and Applied Chemistry. (2021). Compendium of Chemical Terminology. IUPAC.
• Snyder L. R., Kirkland J. J., & Dolan J. W. (2010). Introduction to Modern Liquid Chromatography. Wiley.
• Giddings J. C. (1991). Unified Separation Science. Wiley.
• Székely J., & Szepesy L. (2015). “Stationary Phases in Liquid Chromatography,” Analytical Chemistry, 87(5), 291–305.
• Buela-Casal G., & Floyd F. (2018). “Advanced Stationary Phases for UHPLC,” J. Chromatogr. A, 1567, 109–118.