Nguyên lý và cấu tạo của thiết bị điện di mao quản

Điện di mao quản (Capillary Electrophoresis – CE) là một trong những kỹ thuật phân tích được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như dược phẩm, sinh học, thực phẩm và môi trường. Về bản chất, CE phân tách các chất dựa trên sự khác biệt về điện tích và kích thước phân tử. Quá trình phân tách diễn ra khi các phân tử di chuyển trong điện trường mạnh bên trong ống mao quản có kích thước rất nhỏ. So với các kỹ thuật sắc ký truyền thống, CE nổi bật nhờ hiệu năng phân tách cao, thời gian phân tích nhanh và lượng mẫu tiêu thụ cực thấp. Chính những ưu điểm này đã giúp CE trở thành công cụ quan trọng trong các phòng thí nghiệm hiện đại, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác và độ phân giải cao.

Nguyên lý hoạt động

Cơ chế phân tách cơ bản

Nguyên lý hoạt động của điện di mao quản dựa trên sự di chuyển của các ion trong điện trường. Khi đặt một điện áp cao, thường trong khoảng từ 10 đến 30 kV, vào hai đầu mao quản chứa dung dịch điện ly, các phân tử mang điện sẽ bắt đầu di chuyển về phía điện cực mang điện tích trái dấu. Tốc độ di chuyển của mỗi chất không giống nhau mà phụ thuộc vào điện tích, kích thước và hình dạng phân tử, cũng như độ nhớt của môi trường. Đây chính là cơ sở tạo nên sự phân tách giữa các cấu tử trong mẫu.

Độ linh động điện di (electrophoretic mobility)

Để mô tả khả năng di chuyển của một ion trong điện trường, người ta sử dụng khái niệm độ linh động điện di. Đại lượng này thể hiện mối quan hệ giữa vận tốc di chuyển của ion và cường độ điện trường, được biểu diễn như sau:

μe = v/E

Trong đó: 

μe: độ linh động điện di 

v: vận tốc di chuyển

E: cường độ điện trường

Vận tốc di chuyển của ion tỉ lệ thuận với điện tích và tỉ lệ nghịch với lực cản do môi trường. Điều này có nghĩa là các ion có điện tích lớn sẽ di chuyển nhanh hơn, trong khi các phân tử có kích thước lớn hoặc cấu trúc phức tạp sẽ bị cản trở nhiều hơn và di chuyển chậm hơn.

Dòng điện thẩm (electroosmotic flow- EOF)

Một yếu tố đặc trưng và đóng vai trò quan trọng trong CE là dòng điện thẩm, hay còn gọi là Electroosmotic Flow (EOF). Dòng điện thẩm hình thành do điện tích xuất hiện trên bề mặt thành mao quản trong hệ điện di. Điện tích này phát sinh từ quá trình ion hóa các nhóm chức của vật liệu hoặc do sự hấp phụ ion từ dung dịch điện ly. Khi dung dịch điện ly tiếp xúc với bề mặt mao quản, một lớp điện tích kép sẽ được hình thành tại vùng giao diện rắn – lỏng. Lớp dung dịch nằm sát bề mặt mang điện tích cân bằng nhưng trái dấu với điện tích thành mao quản. Khi áp điện trường cao, lớp dung dịch này bắt đầu chuyển động, kéo theo toàn bộ dung dịch điện ly di chuyển trong mao quản. Hiện tượng chuyển động đồng thời của dung dịch này được gọi là dòng điện thẩm.

Nhờ sự tồn tại của EOF, không chỉ các ion mà cả các phân tử trung tính cũng có thể được vận chuyển qua mao quản và phát hiện bởi detector. Trên thực tế, vận tốc tổng của một chất trong CE là sự kết hợp giữa vận tốc điện di riêng của nó và vận tốc của dòng EOF, điều này tạo nên tính linh hoạt rất cao của kỹ thuật.

Tuy nhiên, do sử dụng điện áp cao, CE cũng đối mặt với hiện tượng sinh nhiệt Joule. Nhiệt lượng này có thể làm giảm độ phân giải và ảnh hưởng đến hình dạng peak nếu không được kiểm soát tốt. Vì vậy, việc thiết kế mao quản có đường kính nhỏ và tích hợp hệ thống điều nhiệt là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu năng phân tích.

Cấu tạo của thiết bị điện di mao quản

Một hệ thống điện di mao quản tiêu chuẩn được cấu thành từ nhiều bộ phận phối hợp chặt chẽ với nhau để đảm bảo quá trình phân tách diễn ra ổn định và hiệu quả. 

– Nguồn điện cao thế: đóng vai trò trung tâm, cung cấp điện áp lớn để tạo ra điện trường trong mao quản. Mức điện áp này không chỉ ảnh hưởng đến tốc độ phân tích mà còn tác động trực tiếp đến độ phân giải của hệ thống.

– Ống mao quản: thường được làm từ silica nung chảy với đường kính trong rất nhỏ. Bề mặt bên trong của mao quản mang điện tích âm, là yếu tố quyết định sự hình thành dòng EOF. Trong nhiều trường hợp, bề mặt này còn được phủ thêm các lớp coating đặc biệt nhằm giảm tương tác không mong muốn giữa mẫu và thành mao quản, đồng thời cải thiện độ lặp lại của phép phân tích.

– Hệ thống tiêm mẫu: Hệ thống tiêm mẫu trong CE được thiết kế để đưa một lượng mẫu rất nhỏ, chỉ ở mức nanolit, vào trong mao quản. Việc tiêm mẫu có thể được thực hiện bằng phương pháp thủy động (Hydrodynamic injection) dựa trên áp suất hoặc chênh lệch chiều cao, hoặc bằng phương pháp điện động (Electrokinetic injection), dựa trên điện trường. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm riêng và được lựa chọn tùy theo mục đích phân tích.

– Dung dịch điện ly (buffer): Dung dịch điện ly là một thành phần không thể thiếu trong hệ CE. Buffer không chỉ đảm bảo khả năng dẫn điện mà còn duy trì pH ổn định và kiểm soát cường độ của dòng EOF. Việc lựa chọn loại buffer và điều kiện pH phù hợp có thể ảnh hưởng mạnh đến hiệu quả phân tách, do đó đây là một trong những yếu tố cần được tối ưu kỹ lưỡng trong quá trình phát triển phương pháp.

– Detector: có nhiệm vụ phát hiện các chất sau khi được tách. Detector phổ biến nhất trong CE là UV-Vis nhờ tính đơn giản và độ tin cậy cao, tuy nhiên trong các ứng dụng hiện đại, việc kết hợp CE với khối phổ (CE-MS) đang ngày càng trở nên phổ biến do mang lại độ nhạy và khả năng định danh vượt trội.

– Hệ thống điều nhiệt: hệ thống điều nhiệt giúp duy trì nhiệt độ ổn định trong suốt quá trình phân tích, từ đó hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng Joule heating. Cuối cùng, toàn bộ tín hiệu thu được sẽ được xử lý bởi hệ thống phần mềm, tạo ra biểu đồ điện di (electropherogram) để phục vụ cho việc định tính và định lượng.

Ứng dụng của điện di mao quản trong phân tích hiện đại

Điện di mao quản được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ khả năng phân tách hiệu quả các hợp chất phân cực, mang điện và có cấu trúc phức tạp. Trong lĩnh vực dược phẩm, CE đóng vai trò quan trọng trong kiểm nghiệm chất lượng thuốc, đặc biệt là phân tích tạp chất, xác định độ tinh khiết của hoạt chất và đánh giá các dạng đồng phân của protein sinh học. Nhờ độ phân giải cao, CE đặc biệt hữu ích trong phân tích sinh học phân tử, bao gồm tách và xác định DNA, RNA, peptide và protein, nơi các kỹ thuật truyền thống đôi khi gặp hạn chế.

Trong lĩnh vực thực phẩm và môi trường, CE được sử dụng để phân tích các ion vô cơ, acid hữu cơ, phụ gia thực phẩm cũng như các chất ô nhiễm ở nồng độ thấp. Đối với các hợp chất có độ phân cực cao, CE thường cho hiệu quả vượt trội hơn sắc ký nhờ cơ chế phân tách dựa trên điện tích thay vì tương tác pha tĩnh. Ngoài ra, khi kết hợp với khối phổ (CE-MS), kỹ thuật này còn mở rộng đáng kể khả năng ứng dụng trong các nghiên cứu metabolomics và proteomics, cho phép phát hiện và định danh các hợp chất ở mức vết với độ chính xác cao. Nhìn chung, CE không chỉ là một công cụ phân tích hiệu quả mà còn là giải pháp bổ sung quan trọng cho các kỹ thuật khác trong việc giải quyết những bài toán phân tích phức tạp hiện nay.

Hệ thống điện di mao quản hãng SCIEX mang đến các giải pháp tiên tiến nhất; cho phân tích tự động và định lượng về sinh học (biologics); nghiên cứu protein (proteomic), nghiên cứu chuyển hoá (metalolomic) hoặc nghiên cứu gen (genomic), hoặc các phân tích thực phẩm (food); các ứng dụng phân tích môi trường. 

Tham khảo thêm tại: https://vietnguyenco.vn/thuong-hieu/sciex-my/ 

Việt Nguyễn hiện là nhà phân phối chính thức dòng sản phẩm điện di mao quản hãng SCIEX tại Việt Nam với các model:

• Hệ thống điện di mao quản Biophase 8800
• Hệ thống điện di mao quản đầu dò khối phổ CESI 8000 Plus
• Hệ thống điện di mao quản PA 800 Plus
• Hệ thống điện di mao quản Intabio ZT

Quý khách có nhu cầu tư vấn, vui lòng liên hệ: