การแยกสารโดยใช้เทคนิค Ion Exchange Chromatography
บทนำ
การแยกและวิเคราะห์สารเคมีมีความสำคัญสูงในงานวิจัยและอุตสาหกรรมที่ต้องการสร้างผลิตภัณฑ์ที่มีคุณภาพสูงและปลอดภัยต่อผู้บริโภค วิธีการแยกสารทางเคมีมีหลายวิธี เช่น Chromatography, Electrophoresis, Spectroscopy ซึ่งในบทความนี้เราจะเน้นการแสดงความรู้เกี่ยวกับเทคนิค Chromatography แบบ Ion Exchange Chromatography ซึ่งเป็นเทคนิคที่ใช้ในการแยกสารตามพิกัดประจุไอออนในตัวอย่าง
ประวัติความเป็นมา
เทคนิค Chromatography เริ่มต้นขึ้นในปี ค.ศ. 1900 โดยที่มีการศึกษาและพัฒนาเทคนิคนี้จากการทำการทดลองทางเคมีเบื้องต้นโดย Mikhail Tsvet นักเคมีชาวรัสเซีย ซึ่งเป็นผู้ได้รับเกียรติจากการสร้างเทคนิค Chromatography และถูกเรียกว่า “บิวเรจแอโรของ Chromatography” ในปี ค.ศ. 1906 ในงานประชุมสามัญครั้งแรกของสภาเคมีชนิดแห่งยุโรป ที่อาธิสเตน-ฮางโกยีนา รัสเซีย ก่อนหน้านี้ Chromatography ใช้สำหรับเลือกแยกสีของธงประจำชาติแต่ละประเทศ แต่ในปี ค.ศ. 1931 ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อใช้ในงานวิจัยและการพัฒนาทางเคมี เช่น การแยกสารสำหรับงานวิจัยทางเคมี ยา และอุตสาหกรรม ในช่วงปี ค.ศ. 1940-1950 นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาเทคนิค Chromatography ให้กลายเป็นวิธีการวิเคราะห์ที่แม่นยำและมีประสิทธิภาพมากขึ้น ทำให้เทคนิคนี้ได้รับความนิยมในงานวิจัยและอุตสาหกรรม และในปัจจุบัน ประเภทของ Chromatography ได้รับการพัฒนามากมาย โดยเฉพาะ HPLC (High Performance Liquid Chromatography) ซึ่งเป็นเทคนิค Chromatography ที่มีความนิยมในงานวิจัยและอุตสาหกรรมมากที่สุด ทำให้สามารถวิเคราะห์สารในสภาพของความเข้มข้นมากขึ้นและมีความแม่นยำสูงยิ่งขึ้น
หลักการทำงานของ Ion Exchange Chromatography
Ion Exchange Chromatography เป็นเทคนิคการแยกสารที่พื้นฐานมาจากการแลกเปลี่ยนไอออนในตัวอย่างกับเมทริกซ์ (matrix) ที่มีกลุ่มอนุภาคที่สามารถแลกเปลี่ยนไอออนได้ ในกระบวนการนี้ ตัวอย่างที่จะถูกแยกจะถูกส่งผ่านเมทริกซ์ที่มีส่วนที่มีประจุตรงกัน โดยตัวอย่างที่มีประจุเต็มบวกจะถูกดึงติดกับเมทริกซ์ที่มีประจุลบและตัวอย่างที่มีประจุเต็มลบจะถูกดึงติดกับเมทริกซ์ที่มีประจุบวก กระบวนการนี้จะทำให้สารตัวอย่างถูกแยกออกจากกันตามพิกัดประจุ
ขั้นตอนการดำเนินงาน
1. เตรียมตัวอย่าง: ตัวอย่างจะถูกเตรียมและละลายในสารละลายที่เหมาะสม
2. เตรียมเมทริกซ์: เมทริกซ์ที่มีกลุ่มอนุภาคแลกเปลี่ยนไอออนจะถูกเตรียมและบรรจุในหลอดหรือแผ่นใส่ตัวอย่าง
3. กระบวนการแยก: ตัวอย่างที่เตรียมไว้จะถูกส่งผ่านเมทริกซ์ การแยกจะเกิดขึ้นเมื่อไอออนในตัวอย่างและเมทริกซ์ทำการแลกเปลี่ยนกัน
4. การเอกสารผลิตภัณฑ์: สารตัวอย่างที่ถูกแยกแล้วจะถูกเก็บไว้ในละหอดหรือแผ่นสะสมเพื่อใช้ในการวิเคราะห์หรือประยุกต์ต่อไป
Stationary Phase (Resin) เฟสนิ่งประกอบด้วยวัสดุรองรับที่เป็นของแข็ง โดยทั่วไปจะอยู่ในรูปของเม็ดบีดหรืออนุภาค ทำหน้าที่ร่วมกับกลุ่มที่มีประจุ กลุ่มประจุเหล่านี้สามารถเป็นได้ทั้งประจุบวก (ประจุบวก) หรือประจุลบ (ประจุลบ) ขึ้นอยู่กับประเภทของไอออนที่คุณต้องการแยกและวิเคราะห์
Mobile Phase (Eluent) เฟสเคลื่อนที่เป็นสารละลายของเหลวที่มีส่วนผสมของไอออนของตัวอย่างที่จะแยกและวิเคราะห์ องค์ประกอบของสารชะ รวมถึง pH และความแรงของไอออนิก มีบทบาทสำคัญในกระบวนการแยกสาร
กระบวนการแลกเปลี่ยนไอออน (Ion Exchange Process) เมื่อนำตัวอย่างเข้าสู่คอลัมน์แลกเปลี่ยนไอออน ไอออนในตัวอย่างจะทำปฏิกิริยากับกลุ่มที่มีประจุไฟฟ้าในเฟสที่อยู่นิ่ง ไอออนที่มีประจุบวก (ไอออนบวก) ทำปฏิกิริยากับหมู่ฟังก์ชันที่มีประจุลบ (เรซินประจุลบ) ในขณะที่ไอออนที่มีประจุลบ (แอนไอออน) ทำปฏิกิริยากับหมู่ฟังก์ชันที่มีประจุบวก (เรซินประจุบวก) การโต้ตอบเหล่านี้ทำให้ไอออนจับกับเฟสที่อยู่นิ่ง
การแยก (Separation) เมื่อตัวอย่างถูกส่งผ่านคอลัมน์ ไอออนที่มีอันตรกิริยาที่แรงกว่ากับเฟสที่อยู่นิ่งจะจับตัวกันแน่นกว่าและชะล้างในภายหลัง ในขณะที่ไอออนที่มีอันตรกิริยาที่อ่อนกว่าจะชะออกก่อนหน้านี้ การยึดเกาะที่แตกต่างกันและการชะล้างทำให้เกิดการแยกตัวของไอออนตามคุณสมบัติของประจุ
การชะ (Elution) หลังจากการแยกตัว ไอออนสามารถถูกชะออก (ปลดปล่อย) จากเฟสที่อยู่นิ่งโดยการเปลี่ยนเงื่อนไขของตัวชะ สิ่งนี้อาจเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนค่า pH ความแรงของไอออนิก หรือการใช้การไล่ระดับสีขององค์ประกอบตัวชะ ไอออนที่ถูกชะออกมาจะถูกรวบรวมและสามารถวิเคราะห์เพิ่มเติมหรือนำไปใช้กับแอปพลิเคชันขั้นปลายน้ำได้
การตรวจจับและวิเคราะห์ (Detection and Analysis) สามารถตรวจจับและวัดปริมาณไอออนที่ชะออกได้โดยใช้เทคนิคต่างๆ เช่น การนำไฟฟ้า สเปกโทรสโกปีที่มองเห็นด้วยรังสียูวี การเรืองแสง หรือแมสสเปกโทรเมตรี เวลาที่ไอออนแต่ละตัวชะออกจากคอลัมน์จะให้ข้อมูลเกี่ยวกับการโต้ตอบกับเฟสที่อยู่นิ่ง และสามารถใช้สำหรับการระบุและการหาปริมาณได้
การทำงานของ Ion Exchange Chromatography ในลักษณะต่าง ๆ
1. Cation Exchange Chromatography โครมาโตกราฟีแลกเปลี่ยนไอออนบวก ในโหมดนี้ เรซินประจุบวกจะใช้เพื่อแยกและวิเคราะห์ไอออนบวกตามปฏิสัมพันธ์ของประจุ
2. Anion Exchange Chromatography โครมาโตกราฟีแบบแลกเปลี่ยนประจุลบ ในโหมดนี้ เรซินประจุลบจะใช้ในการแยกและวิเคราะห์ประจุลบตามปฏิสัมพันธ์ของประจุ
3. Ion Exchange Chromatography Applications การประยุกต์ใช้โครมาโตกราฟีแบบแลกเปลี่ยนไอออน: IEC ถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในการทำให้สารชีวโมเลกุลบริสุทธิ์ เช่น โปรตีน กรดนิวคลีอิก และเปปไทด์ นอกจากนี้ยังใช้ในการบำบัดน้ำเพื่อกำจัดไอออน เช่น โลหะหนัก ในอุตสาหกรรมยาสามารถใช้สำหรับการวิเคราะห์ยาและการควบคุมคุณภาพ นอกจากนี้ IEC ยังเป็นเครื่องมือที่มีคุณค่าในการติดตามและวิจัยด้านสิ่งแวดล้อม
สรุป
ผลิตภัณฑ์บทความวิชาการที่ใช้เทคนิค Ion Exchange Chromatography สามารถประยุกต์ใช้ในการแยกสารทางเคมีในหลากหลายงานวิจัยและอุตสาหกรรม เช่น การวิเคราะห์สารประกอบเคมีในอาหาร, การควบคุมคุณภาพน้ำประปา, การติดตามสารอันตรายในสิ่งแวดล้อม เป็นต้น การใช้เทคนิคนี้จะช่วยให้ผู้วิจัยและวิศวกรสามารถวิเคราะห์และแยกสารที่ต้องการอย่างมีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้.
เอกสารอ้างอิง
Smith, R. M., & Martell, A. E. (2004). Critical Stability Constants: Volume 3: Other Organic
Ligands. Springer Science & Business Media.
Helfferich, F. (1995). Ion Exchange. New York: Dover Publications,INC.
Skoog, D. A., West, D. M., Holler, F. J., & Crouch, S. R. (2017). Fundamentals of Analytical
Chemistry. Cengage Learning.
Chuang, S. T., & Chen, J. M. (2013). Ion-exchange chromatography. In High-Performance
Liquid Chromatography (pp. 19-46). InTech.
Freitag, R. (Ed.). (2013). Handbook of ion chromatography. John Wiley & Sons.
