›
›

Giá trình Xử lý mẫu trong phân tích hóa thực phẩm

pdf 47 trang hapham 430
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giá trình Xử lý mẫu trong phân tích hóa thực phẩm", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgia_trinh_xu_ly_mau_trong_phan_tich_hoa_thuc_pham.pdf

Nội dung text: Giá trình Xử lý mẫu trong phân tích hóa thực phẩm

  1. XỬ LÝ MẪU TRONG PHÂN TÍCH HÓA THỰC PHẨM 1/47
  2. Xử lý mẫu trong phân tích thực phẩm là khâu hết sức quan trọng, một trong những yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả phân tích. Tuỳ từng đối tượng mẫu, tuỳ từng chỉ tiêu phân tích mà phải có cách xử lý khác nhau. 1. Yêu cầu chung của các kỹ thuật xử lý mẫu phân tích 1.1. Xử lý mẫu là gì - Xử lý mẫu là quá trình hoà tan (dissolution) và phân huỷ (digestion), phá huỷ cấu trúc mẫu ban đầu lấy từ đối tượng cần phân tích, để giải phóng và chuyển các chất cần xác định về một dạng đồng thể phù hợp (ví dụ dạng dung dịch) cho một phép đo đã chọn để xác định hàm lượng của chất mà chúng ta mong muốn. Ví dụ hòa tan mẫu hợp kim Al trong axit HNO 45% để được dung dịch xác 3 định Al và các tạp kim loại trong hợp kim Al. - Xử lý mẫu có hai quá trình xẩy ra đồng thời là: • Phá huỷ cấu trúc ban đầu của chất mẫu (digestion of Sample Matrix), • Hòa tan giải phóng chất cần xác định về dạng dung dịch đồng thể. 1.2. Tại sao phải xử lý mẫu phân tích. - Để đưa các chất cần xác định về một trạng thái thích hợp cho phép đo, theo phương pháp phân tích đã chọn. - Các kết quả phân tích phải phản ánh và đại diện đúng cho đối tượng cần nghiên cứu, theo dõi. - Với bất kỳ một phương pháp xác định, mỗi chất phân tích chỉ có thể được xác định chính xác khi nó tồn tại ở một trạng thái nhất định và đồng nhất phù hợp với kỹ thuật phân tích. 2/47
  3. Ví dụ: Để xác định các kim loại (ví dụ: Fe, Cu, Mn, ) trong mẫu thịt, chúng ta không thể bỏ ngay mẫu thịt vào máy quang phổ hấp thụ nguyên tử để đo, cần phải đưa các kim loại tồn tại trong mẫu về trạng thái ion hay hợp chất tan được trong dung dịch nước, sau đó míi xác định được chúng trong dung dịch này. - Mẫu phân tích có nhiều chủng loại, đa dạng, có thành phần đơn giản đến loại có thành phần phức tạp. Chúng có thể tồn tại ở các trạng thái khác nhau như rắn từng cục, từng mảnh, hay lỏng, khí, và huyền phù. Không thể cho nguyên mẫu như thế vào các máy để đo và xác định được. phải xử lý để đưa các chất cần phân tích (cần xác định) về trạng thái phù hợp nhất cho một phương pháp đã được chọn để xác định nó. - Các chất cần xác định tồn tại ở trạng thái liên kết hoá học khác nhau, trong các hợp chất vô cơ, hữu cơ khác nhau, có khi rất bền vững, lượng chất ở mỗi vị trí trong mẫu cũng không đồng đều, nên không thể xác định đúng hàm lượng của nó trong một tổ hợp phức tạp, bền vững và bị các nguyên tố, các chất liên kết khác cản trở, do đó cần phải xử lý mẫu để phá vỡ các hợp chất mà chất phân tích đang tồn tại, đưa chúng sang một dạng phù hợp để định lượng tốt và đúng theo phương pháp đã chọn. Vậy muốn phân tích một đối tượng nào, chúng ta phải lấy mẫu, xử lý phù hợp để có được một trạng thái hay một dung dịch mẫu phân tích xác định các chất mong muốn. - Việc xử lý mẫu theo cách nào, là tuỳ thuộc vào: + Đối tượng mẫu, matrix của mẫu. + Bản chất, tính chất của các chất cần phân tích. + Trạng thái tồn tại, cấu trúc vật lý hoá học của các chất trong mẫu. + Phương pháp phân tích được lựa chọn để xác định chúng. + Hàm lượng của chất cần xác định ở mức nào trong mẫu. 3/47
  4. Trên cơ sở các yếu tố đó chúng ta chọn cách xử lý phù hợp cho chất phân tích. Ngày nay các kỹ thuật xử lý mẫu phân tích đã và đang được dùng đó là: • Kỹ thuật vô cơ hoá khô (xử lý khô), • Kỹ thuật vô cơ hoá ướt (xử lý ướt). • Kỹ thuật vô cơ hoá khô- ướt kết hợp, • Các kỹ thuật chiết (lỏng-lỏng, chiết rắn-lỏng, chiết rắn-khí, ), • Các kỹ thuật sắc ký, v.v. Tuy nhiên trong quá trình lấy mẫu một số đối tượng cần phải xử lý sơ bộ ngay trước khi mang mẫu về phòng thí nghiệm. 2. Kỹ thuật vô cơ hóa ướt (xử lý ướt) 2.1. Vô cơ hóa ướt bằng axit mạnh đặc nóng 2.1.1. Nguyên tắc và bản chất Nguyên tắc chung • Dùng axit mạnh đặc và nóng (ví dụ HCl, H SO ), hay axit mạnh, đặc và 2 4 nóng có tính ôxy hoá mạnh (HNO , HClO ), hoặc hỗn hợp 2 axit ( HNO + 3 4 3 H SO ), hay 3 axit (HNO + H SO + HClO ), hoặc là 1 axit đặc và một chất 2 4 3 2 4 4 ôxy hoá mạnh (H SO + KMnO ), v.v. để phân huỷ mẫu trong điều kiện đun 2 4 4 nóng trong bình Kendan, trong ống nghiệm, trong cốc hay trong lò vi sóng. • Lượng axit cần dùng để phân huỷ mẫu thường gấp 10 - 15 lần lượng mẫu, tuỳ thuộc mỗi loại mẫu và cấu trúc vật lý hoá học của nó. • Thời gian phân huỷ mẫu (xử lý) trong các hệ hở, bình Kendan, ống nghiệm, cốc, thường từ vài giờ đến hàng chục giờ, cũng tuỳ loại mẫu, bản chất của các chất. Còn nếu trong lò vi sóng hệ kín thì chỉ cần 50 - 90 phút. Các dung dịch axit dùng để hoà tan và xử lý mẫu 4/47
  5. Trong cách xử lý ướt người ta thường dùng các loại dung dịch axit đặc và có tính oxy hoá mạnh, song tất nhiên chọn loại axit nào là tuỳ thuộc vào bản chất của chất nền (matrix) của mẫu và chất phân tích tồn tại trong mẫu đó, ví dụ: + Dùng 1 axit đặc: HCl, HF, H PO , H SO , 3 4 2 4 + Dùng 1 axit có tính oxy hoá: HNO , H SO , HClO , 3 2 4 4 + Hỗn hợp 2 axit: Cường thuỷ, (HCl+HNO ),(HNO +H SO ),(HF+H SO ), 3 3 2 4 2 4 + Hỗn hợp 3 axit: (HCl + HNO + H SO ), ( HNO + H SO + HClO ), 3 2 4 3 2 4 4 + Hỗn hợp 1 axit và chất ôxy hoá: (H SO + KMnO ), (HNO +H O ), 2 4 4 3 2 2 + Hỗn hợp 2 axit và 1 chất oxy hoá mạnh (HNO + H SO + KMnO ), 3 2 4 4 + Dung dịch muối có pH nhất định (KCl 1M, pH=5, NH Ac 1M pH-6, ). 4 Nhiệt độ dung dịch phân huỷ mẫu Nhiệt độ sôi của hỗn hợp mẫu khi xử lý mẫu là phụ thuộc vào nhiệt độ sôi của dung dịch axit dùng để phân huỷ mẫu. Khi cần nhiệt độ sôi cao thì phải dùng axit có nhiệt độ sôi cao (bảng 2.1). Trong các hệ kín áp suất cao sẽ tạo ra nhiệt độ sôi cao, tuỳ thuộc vào loại axit dùng để phân huỷ mẫu. Bảng 2.1. Nhiệt độ sôi của các dung dịch axit đặc Với axit đơn: Axit HCl HNO H SO H PO HClO HF 3 2 4 3 4 4 Ng độ(%) 36 65 98 78 72 40 o T(sôi) C 110 121 280 213 203 120 Với hỗn hợp axit: o Loại hỗn hợp của Thành phần (V/V) Nhiệt độ sôi C Cường thuỷ (HCl/HNO ): 3/1 116-118 3 5/47
  6. (HNO + H SO ): 4/1 130-135 3 2 4 (HNO + H SO ): 3/2 150-155 3 2 4 (HNO + H SO + HclO ): 4/2/2 137-140 3 2 4 4 (HF+ H SO ): 2/1 130-150 2 4 (HNO + H SO + HF ) 2/1/1 120-130 3 2 4 Tất nhiên khi dùng hỗn hợp, thì nhiệt độ sôi của dung dịch axit hỗn hợp là tuỳ thuộc vào thành phần của 2 hay 3 axit ta dùng trộn vào nhau và nhiệt độ sôi của dung dịch phân huỷ sẽ nằm giữa nhiệt độ của hai axit được trộn với nhau. Vì thế với các chất mẫu khó phân huỷ (khó xử lý) chúng ta phải dùng các axit và hỗn hợp axit có nhiệt độ sôi cao và tính oxy hoá mạnh. 2.1.2. Các kiểu vô cơ hóa ướt Việc xử lý mẫu theo phương pháp ướt, có thể được thực hiện trong các trang bị và dụng cụ khác nhau, tuỳ thuộc phòng thí nghiệm có loại nào, ví dụ: Trong điều kiện thường: + Xử lý trong cốc thuỷ tinh, khi đun nóng trên bếp điện hay nồi cách thuỷ. + Xử lý trong bình Kendan thường khi đun nóng + Xử lý trong bình Kendan có ống sinh hàn hồi lưu dung môi, v.v. Trong hộp kín. Mẫu để trong hộp kín, thêm dung dịch axit để phân huỷ mẫu, đậy kín, sau đó thực hiện phân huỷ bằng cách: + Sấy trong tủ sấy, trên bếp cát, hoặc trong lò nung ở nhiệt độ thích hợp. + Ngâm hay luộc hộp mẫu trong nồi nước sôi, hay trong dầu sôi, v.v. Xử lý mẫu trong lò vi sóng (trong hệ kín và hở), như: a/ Trong các hệ lò vi sóng đơn giản và điều khiển bằng tay: + Hệ bình mẫu hở, + Hệ bình mẫu đóng kín (có áp suất cao), 6/47
  7. b/ Trong các hệ nhiều bình và hoạt động theo chương trình: + Hệ bình mẫu hở có khống chế nhiệt độ. + Hệ bình mẫu đóng kín (áp suất cao), có khống chế nhiệt độ, áp suất, v.v. Trong các kiểu xử lý ướt này, hiện nay kỹ thuật xử lý ướt với axit đặc có tính oxy hoá mạnh trong bình kendan và trong lò vi sóng hệ kín đang được dùng nhiều nhất. Với các nước phát triển, phổ biến hiện nay là cách xử lý trong lò vi sóng, vì nó triệt để, nhanh và lại không lo ngại mất chất phân tích. 2.1.3. Cơ chế và các tác nhân phân huỷ mẫu 2.1.3.1. Cơ chế của sự phân huỷ mẫu Trong điều kiện thường của hệ hở, thì tác nhân phân huỷ mẫu là: + Tác dụng phá huỷ và hoà tan các hạt (phần tử) mẫu của axit, + Tác nhân năng lượng nhiệt, làm tan rã các hạt mẫu cùng với axit, + Sự khuyếch tán đối lưu, chuyển động nhiệt và va chạm của các hạt mẫu với nhau làm chúng bị bào mòn dần. Các tác nhân này tấn công và bào mòn dần các hạt mẫu từ ngoài vào, làm cho các hạt mẫu bị mòn dần dần, bé dần rồi tan mất hết, khi chúng ta đun mẫu trong bình Kendan hay trong cốc trong một thời gian nhất định. Trong lò vi sóng: Ngoài các tác nhân phân huỷ như trên, trong lò vi sóng còn có sự phá vỡ từ trong lòng hạt mẫu ra ngoài, do các phân tử nước hấp thụ (>90%) năng lượng vi sóng và nó có động năng rất lín, nên chúng có chuyển động nhiệt rất mạnh, làm căng và xé các hạt mẫu từ trong ra. Thêm vào đó lại là hệ kín, nên có áp suất cao và sẽ làm nhiệt độ sôi lại cao hơn và đây là tác nhân phân huỷ mạnh nhất, do đó thúc đẩy quá trình phân huỷ mẫu rất nhanh từ trong ra và từ ngoài vào. Vì thế nên việc xử lý mẫu trong lò vi sóng chỉ cần thời gian ngắn (30-70 phút) mà lại triệt để. 7/47
  8. 2.1.3.2. Các quá trình xẩy ra khi phân huỷ mẫu: Dưới tác dụng của axit đặc và năng lượng nhiệt (nhiệt độ), cả năng lượng vi sóng, các quá trình vật lý và hoá học sau đây sẽ xẩy ra: • Sự phá vỡ mạng lưới cấu trúc của hạt chất mẫu, giải phóng các chất phân tích, để đưa chúng vào dung dịch dưới dạng các muối tan. • Quá trình ôxy hoá khử làm thay đổi hoá trị, chuyển đổi dạng, làm tan vỡ các hạt vật chất mẫu, để giải phóng chất phân tích về dạng muối tan. • Nếu xử lý mẫu hữu cơ phân tích kim loại, thì có sự đốt cháy, phá huỷ các hợp chất hữu cơ và mùn tạo ra khí CO và nước, để giải phóng các kim loại 2 trong chất mẫu hữu cơ về dạng muối vô cơ tan trong dung dịch. • Tạo ra hợp chất dễ bay hơi, làm mất đi các anion trong phân tử chất mẫu, làm mẫu bị phân huỷ tạo ra các hợp chất tan trong dung dịch. • Sự tạo thành các hợp chất hay muối phức tan trong dung dịch. • Có thể tách chất phân tích ra khỏi mẫu ban đầu ở dạng kết tủa không tan và nhờ đó người ta tách được các chất phân tích và làm giầu chúng. Như vậy trong trong quá trình xử lý mẫu ở đây cũng có thể có các phản ứng hoá học xẩy ra, như phản ứng oxy hoá khử, phản ứng thuỷ phân, phản ứng tạo phức, phản ứng hoà tan, phản ứng kết tủa, v.v. của các phần tử chất mẫu với các axit dùng để phân huỷ mẫu và các chất có trong mẫu với nhau. Trong đó quá trình nào là chính hay phụ là được quyết định bởi thành phần, chất nền, bản chất của chất mẫu và các loại axit dùng để phân huỷ và hoà tan mẫu. 2.1.4. Ví dụ theo cách xử lý ướt ♦ Ví dụ 1: Xử lý mẫu rau quả bằng hỗn hợp 2 axit (HNO + H O ), trong 3 2 2 bình Kendan, để xác định các kim loại nặng (Cd, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn). Lấy 5,00 g. mẫu đã nghiền mịn và trộn đều vào bình Kendan, thêm 60 mL 8/47
  9. HNO 65%, 5 mL H O 30%, cắm phễu nhỏ vào bình kendan, lắc đều và đun 3 2 2 sôi nhẹ cho mẫu phân huỷ, đến khi được dung dịch trong không mầu (6-8 giờ tuỳ loại mẫu). Chuyển mẫu sang cốc 250 mL, làm bay hơi hết axit bằng đèn IR đến còn muối ẩm, để nguội, định mức bằng dung dịch HCl 2% thành 25 mL. Trong quá trình xử lý này các nguyên tố kim loại ở dạng các hợp chất cơ kim của mẫu rau quả, sẽ bị axit đặc oxy hoá các chất hữu cơ, đưa các kim loại về các muối vô cơ tan trong dung dịch nước. Quá trình hoá học chính: (Mẫu) +HNO + H O → Me (NO ) + H O + CO + NO 3 2 2 n 3 m 2 2 2 (muối tan của kim loại ) Tất cả các ví dụ từ 1 đến 3 có thể xử lý trong lò vi sóng hệ kín, và lượng axit sẽ bít đi đến 1/3. Thời gian xử lý chỉ trong 40 - 50 phút. Còn xử lý như trên trong hệ hở bình thường, thì phải mất từ 4-8 giờ, mà lại không triệt để bằng xử lý trong lò vi sóng. 2.1.5. Các ưu nhược điểm và ứng dụng Các ưu và nhược điểm chính của kỹ thuật này là: + Hầu như không bị mất các chất phân tích, nhất là trong lò vi sóng, + Nhưng thời gian phân huỷ mẫu rất dài, trong điều kiện thường, + Tốn nhiều axit đặc tinh khiết cao, nhất là trong các hệ hở, + Dễ bị nhiễm bẩn khi xử lý trong hệ hở, do môi trường hay axit dùng, + Phải đuổi axit dư lâu, nên dễ bị nhiễm bẩn, bụi vào mẫu, v.v. Ứng dụng chủ yếu của kỹ thuật xử lý ướt này là để xử lý mẫu: - - - ♦ Xác định các kim loại và một số phi kim, hay anion vô cơ, như Cl . Br , I , 3- 2- 3- 2 AsO , SO , PO , SiO , trong các mẫu sinh học, mẫu hữu cơ, mẫu vô 4 4 4 3 cơ, mẫu môi trường, mẫu đất, mẫu nước, mẫu bụi không khí, mẫu kim loại, hợp kim, rau quả và thực phẩm, v.v. 9/47
  10. 2.2. Xử lý ướt bằng dung dịch kiềm mạnh đặc nóng 2.2.1. Nguyên tắc chung Trong phương pháp này người ta thường dùng các dung dịch kiềm mạnh đặc nóng (NaOH, KOH 15-20%), hay hỗn hợp của kiềm mạnh và muối kim loại kiềm (NaOH +NaHCO ), hay một kiềm mạnh và peroxit (KOH + Na O ), 3 2 2 nồng độ lín (10 -20%), để phân huỷ mẫu phân tích trong điều kiện đun nóng trong bình Kendan hay trong hộp kín, hoặc trong lò vi sóng. Lượng dung dịch phân huỷ: cần lượng lín từ 8-15 lần lượng mẫu. Thời gian phân huỷ: từ 4 - 10 giờ trong hệ hở. Còn trong hệ lò vi sóng kín chỉ cần thời gian 1-2 giờ. Nhiệt dộ phân huỷ: Là nhiệt độ sôi của dung dịch kiềm. Nó thường trong o vùng 150 -200 C. Các quá trình xẩy ra khi phân huỷ mẫu Dưíi tác dụng của kiềm và nhiệt độ, cả năng lượng vi sóng, có thể xẩy ra các quá trình sau: + Phá vỡ cấu trúc của chất mẫu, chuyển các chất của mẫu vào dung dịch, + Các chất của mẫu tương tác với kiềm tạo ra các sản phẩm tan được, + Có thể sinh ra các khí bay ra, giúp sự tan của mẫu tốt hơn, + Có thể tạo ra các hợp chất bền ít phân li và tan trong dung dịch, + Tạo ra các sản phẩm kết tủa míi khác của chất phân tích để tách nó ra khỏi mẫu ban đầu. 2.2.2. Các cách hoà tan và dung dịch hoà tan Chất phân huỷ: Theo kỹ thuật xử lý ướt này chúng ta có thể dùng các dung dịch của các chất sau đây để xử lý mẫu: • Dung dịch kiềm đặc (20-25 % NaOH, hay KOH), • Dung dịch kiềm đặc nóng có chất ôxy hoá mạnh (NaOH + Na O ), 2 2 10/47
  11. • Hỗn hợp kiềm đặc nóng có chất khử (KOH+NaHSO ), 3 • Hỗn hợp kiềm mạnh và một muối (NaOH + NaHCO ), (KOH+Na CO ), 3 2 3 • Hỗn hợp kiềm, một muối và peroxit (KOH+ NaHCO + H O ), 3 2 2 • Hỗn hợp kiềm, một muối và peroxit kiềm (KOH+ NaHCO + Na O ), v.v. 3 2 2 Quá trình phân huỷ • Quá trình phân huỷ được thực hiện khi đun sôi dung dịch mẫu, trong một thời gian nhất định trong bình Kendan hay trong ống nghiệm, thường là từ 6 -10 giờ trong bình kenđan hở, trong lò vi sóng hệ kín (có áp suất cao) thì chỉ mất khoảng 40 - 70 phút, tuỳ loại mẫu. • Cơ chế phá vỡ (phân huỷ) mẫu theo cách này cũng tương tự như trong trường hợp dùng các axit ở trên, trong hệ hở hay hệ kín, nhưng ở đây tác nhân phân huỷ là dung dịch kiềm mạnh nóng. Nhiệt độ phân huỷ: Nhiệt độ sôi của các dung dịch kiềm là tuỳ thuộc vào thành phần và nồng độ của dung dịch kiềm ta sử dụng để xử lý mẫu. Nói o chung trong vùng từ 115 – 230 C, tuỳ thuộc nồng độ của kiềm và muối có trong dung dịch phân huỷ mẫu và đây là một yếu tố thúc đẩy sự phân huỷ xẩy ra nhanh hơn. Nghĩa là tác nhân phân huỷ mẫu ở đây là kiềm và nhiệt độ (năng lượng nhiệ ) và năng lượng vi sóng, nếu dùng lò vi sóng. 2.2.3. Ví dụ ứng dụng kỹ thuật này ♦ Ví dụ 1: Hoà tan oxit nhôm bằng dung dịch NaOH 10% nóng. Lấy 0,5g. mẫu dạng bột vào bình kendan, tẩm ướt bằng vài giọt nước cất, thêm 10 mL NaOH 10%, đun sôi để hoà tan mẫu. Cơ chế ở đây là: Chuyển trạng thái tinh thể rắn ôxit sang ion tan trong dung dịch là muối NaAlO và khí 2 hydro theo phản ứng: Al O + NaOH → H + NaAlO + H O 2 3 2 2 2 2.2.4. Các ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng 11/47
  12. Kỹ thuật xử lý ướt trong dung dịch kiềm đặc nóng cũng có ưu điểm là hầu như không làm mất các chất phân tích, nhất là các nguyên tố có hợp chất dễ bay hơi và các nguyên tố và các matrix của mẫu dễ tan trong kiềm. Nhưng cách này có một nhược điểm lon là tốn rất nhiều kiềm tinh khiết cao, thường phải dùng gấp từ 10 – 15 lượng mẫu, khả năng gây nhiễm bẩn dễ xẩy ra. Lượng kiềm dư nhiều, sau khi xử lý xong thường phải loại hết, nhưng rất khó, chỉ bằng cách trung hoà bằng axit, song lại làm loãng mẫu và dễ dàng nhiễm bẩn, mất thời gian cô đặc mẫu. Đây là một công việc rất khó khăn và mất nhiều thì giờ và cũng lại hay làm nhiễm bẩn mẫu. Đây chính là một nhược điểm lín của kỹ thuật này. Vì thế cách này chỉ được dùng cho một số trường hợp, mà cách xử lý axit cho kết quả không tốt. Ví dụ phân huỷ mẫu xác định một số anion vô cơ, phi 1- 1- 1- 2- 3- kim hay á kim, như các chất: Cl , Br , NO , SO , PO ,v.v. trong các đối 3 4 4 tượng mẫu sinh học và một số mẫu thực phẩm không xử lý được bằng phương pháp axit. Cách này thích hợp cho: + Các hợp chất hay các mẫu tan tốt trong kiềm. + Phân huỷ các chất hữu cơ để lấy các phi kim. Các ví dụ khác có thể xem thêm ở chương 3 và 4 ở phần II. 3. Kỹ vô cơ hóa khô 3.1. Nguyên tắc và các quá trình xẩy ra khi vô cơ hóa mẫu 3.1.1. Nguyên tắc: Kỹ thuật xử lý khô (vô cơ hóa khô) là kỹ thuật nung để o xử lý mẫu trong lò nung ở một nhiệt độ thích hợp (450-750 C), song thực chất đây chỉ là bưíc đầu tiên của quá trình xử lý mẫu. Vì sau khi nung, mẫu bã còn lại phải được hoà tan (xử lý tiếp) bằng dung dịch muối hay dung dịch axit phù hợp, thì mới chuyển được các chất cần phân tích trong tro mẫu vào 12/47
  13. dạng dung dịch, để sau đó xác định nó theo một phương pháp đã chọn. Khi nung các chất hữu cơ của mẫu sẽ bị đốt cháy thành CO và nước. 2 3.1.2. Nhiệt độ nung: Nhiệt độ nung xử lý mẫu thường trong vùng 450 -750 o C, tuỳ thuộc vào mỗi loại mẫu (chất nền và cấu trúc của nó) và các chất cần phân tích và đó là yếu tố quyết định. Nhưng phải đảm bảo đốt cháy được hết các chất hữu cơ và không làm mất chất phân tích. Ví dụ khi nung xử lý các o mẫu rau quả và thực phẩm ở nhiệt độ từ 500 –550 C, để xác định các kim loại nặng, các kim loại kiềm và kiềm thổ. Song nếu không có chất phụ gia bảo vệ thì thường các nguyên tố Cd, Pb, Zn, có thể bị mất từ 10 - 15%, mà chúng ta không khống chế được. Nhiệt độ nung thường phụ thuộc vào: + Bản chất của chất mẫu và chất phân tích, + Cấu trúc, dạng liên kết, loại hợp của các chất trong mẫu, 3.1.3. Thời gian nung: Có thể từ 5 – 12 giờ, hoacj tuỳ thuộc vào: + Môĩ loại chất mẫu, + Mỗi chất phân tích, + Cấu trúc, dạng liên kết, loại hợp của các chất trong mẫu, 3.1.4. Các loại chất phụ trợ (phụ gia) + Kỹ thuật tro hoá khô thường được dùng cho các mẫu hữu cơ, xử lý để xác định các kim loại, và các mẫu quặng vô cơ có cấu trúc bền vững rất khó tan trong các axit mạnh. Việc tro hoá cũng có thể được thực hiện khi có thêm chất phụ gia, chất bảo vệ hay chất chảy. Các chất bảo vệ và chất chảy thường hay được dùng là: + Các axit: HNO , H SO , H PO , với nồng độ phù hợp, 3 2 4 3 4 + Một số muối: KNO , Ca(NO ) , Mg(NO ) , LiBO , Na B O , 3 3 2 3 2 2 2 4 7 + Hỗn hợp axit và muối: (Mg(NO ) + HNO ), (HNO + H SO ), 3 2 3 3 2 4 + Hỗn hợp kiềm và muối: (KOH + NaHCO ), (KOH+ Na SO ), 3 2 4 13/47
  14. + Hỗn hợp muối và peroxit: (KHCO + Na O ), (NaHCO + Na O ), 3 2 2 3 2 2 + Hỗn hợp kiềm mạnh và peroxit: (NaOH + Na O ), (KOH + Na O ). 2 2 2 2 + Hỗn hợp kiềm, muối và chất oxyhóa (KOH+NaHCO +Na O ). 3 2 2 + Hỗn hợp kiềm và muối pyrosnphat (KOH + Na S O ), v.v. 2 4 7 Các chất phụ gia này có hai tác dụng: + Bảo vệ các chất phân tích không bị mất, + Góp phần làm cho mẫu được phân huỷ nhanh và triệt để hơn, 3.1.5. Các quá trình xẩy ra: Trong quá trình nung xử lý mẫu có thể có nhiều quá trình vật lý và hoá học xẩy ra, tuỳ theo bản chất, thành phần của mỗi loại mẫu và chất phụ gia được thêm vào, đó là các quá trình: + Trước tiên làm bay hơi mất nước hấp thụ và nước kết tính trong chất mẫu, + Sự tro hoá, đốt cháy các chất mùn và các chất hữu cơ của mẫu, + Phá vỡ cấu trúc ban đầu của chất mẫu, + Chuyển dạng các hợp chất phức tạp của chất mẫu về dạng đơn giản hơn, + Quá trình oxy hoá khử thay đổi hoá trị của nguyên tố trong các chất mẫu, + Giải phóng ra một số khí, như CO, CO , SO , 2 2 + Có một số tương tác hoá học của các chất với nhau, tương tác với chất phụ gia thêm vào, tạo ra các chất lúc đầu không có. Tất cả các quá trình đó đều góp phần làm tan vỡ cấu trúc ban đầu của các hạt mẫu tạo ra tro bã mẫu, để sau đó hoà tan chất phân tích vào dung dịch axit. Bảng 2.2 sau đây là vài ví dụ về sự nung một số mẫu phân tích trong điều kiện có phụ gia và không có phụ gia. Đó là những quá trình có thể xẩy ra, tất nhiên là đa dạng và phức tạp, nó xẩy ra như thế nào là tuỳ thuộc vào các yếu tố sau đây: • Thành phần, chất nền và trạng thái liên kết của chất mẫu và chất phân tích, • Các chất phụ gia, chất chẩy và chất bảo vệ thêm vào mẫu, 14/47
  15. • Các điều kiện nung, trong đó nhiệt độ là yếu tố chính, sau đó là môi trường nung là không khí, hay trong khí trơ (Ar, N , He, ). 2 Kết quả của sự nung có thể xẩy ra các quá trình tạo ra các sản phẩm có thành phần đơn giản hơn, ví dụ trong bảng 2.2, nên chúng dễ hoà tan được trong axit hay kiềm loãng. 3.2. Các loại trang bị và dụng cụ để xử lý khô Các trang bị để xử lý mẫu theo phương pháp khô thường không có nhiều. Thông thường mẫu được cho vào chén hay bát nung (thạch anh, sứ, Ni, Fe, hay Pt, hoặc Au, hay W, ) có dung tích khác nhau (từ 30 - 200 mL). Sau đó được nung tại nhiệt độ phù hợp trong lò nung. Dụng cụ chứa đựng mẫu để nung: + Các loại chén nung thạch anh, sứ, graphit, platin, vàng, zirconi, v.v. + Các loại bát nung thạch anh, sứ, kim loại (platin, vàng, zirconi), v.v. + Các loại chén và bát Teflon chịu nhiệt. Thiết bị để nung mẫu có hai loại chính: 1. Trang bị thông thường: Tủ sấy và lò nung các loại. 2. Trang bị hiện đại: Các loại lò vi sóng và lò cao tần, v.v. Bảng 2.2. Ví dụ về các quá trình trong xử lý khô trong lò nung Loại mẫu Phụ gia Nhiệt độ Sản phẩm sau khi nung Đất sét KOH+Na O 550-650 Na SiO +K SiO +H O 2 2 2 3 2 3 2 Quặng Silicat KOH+Na O 500-600 Na SiO +K SiO +H O+MeX 2 2 2 3 2 3 2 Quặng Ferrit 550-600 FeO+Fe O +SO +H O 2 3 2 2 Quặng CuS 550-600 CuO+SO +H O + Me X 2 2 n m Dolomit 550-650 CaO+MgO+H O+CO + Me X 2 2 n m LnCO FxH O 550-650 Ln O +CO +HF+H O +Me X 3 2 2 3 2 2 n m 15/47
  16. Nhựa đường 550-650 Me O +CO +SO +H O+Me X x y 2 2 2 n m Thực phẩm KNO +HNO 500-550 Me O +CO +H O+ K X +NO 3 3 x y 2 2 x y Rau quả KNO +HNO 500-550 Me O +CO +H O+ K X +NO 3 3 x y 2 2 x y Rau quả 500-550 Me O +CO +H O+Me X x y 2 2 n m Chất hữu cơ 500-600 Me O + CO + H O + (NO ) x y 2 2 x 3.3. Tro hoá khô không có phụ gia và chất bảo vệ Nung để xử lý mẫu không có phụ gia và chất bảo vệ là quá trình xử lý mẫu sơ bộ nhờ tác dụng chỉ của năng lượng nhiệt (nhiệt độ) thích hợp trong một thời gian nhất định, để phá vỡ cấu trúc tinh thể dạng ban đầu của mẫu phân tích, đốt cháy chất hữu cơ, để chuyển nó sang một dạng các hợp chất khác đơn giản, dễ hoà tan tiếp bằng dung dịch axit hay bằng dung dịch kiềm, để lấy các chất phân tích vào dung dịch, sau đó có thể xác định được chúng theo một phương pháp nhất định. Sau đây là một số ví dụ. ♦ Ví dụ 1: Tro hoá khô mẫu rau quả để xác định các kim loại (Na, K, Ca, Mg, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn). Cân lấy 5 g. mẫu đã nghiền mịn vào trong chén thạch anh, đem sấy từ từ cho đến khi mẫu khô đen, rồi o o đem nung 3 giờ đầu ở nhiệt độ 450 C, sau đó nâng lên 550 C, cho đến khi mẫu hết than đen, sẽ được tro mẫu trắng. Sau đó hoà tan tro thu được trong 12-15 mL dung dịch HCl 18% (1/1), và có 0,5 mL HNO 65%, đun nhẹ cho 3 tan hết, đuổi hết axit dư đến còn muối ẩm và định mức thành 25 mL bằng dung dịch HCl 2%. Các nguyên tố Cd, Cu, Pb, Zn sẽ bị mất một ít (10 - 15%) khi nung. Cách này thích hợp cho xác định các kim loại kiềm, kiềm thổ và Fe, Mn, Ni. 16/47
  17. + Theo cách này, thông thường một số nguyên tố trong mẫu sẽ có thể bị mất khi nung, như Cd (10-15%), Cu (7-12%), Pb (15-20%), Và hàm lượng mất bị mất đi này lại không kiểm soát và không khống chế được trong quá trình nung. Sự mất này càng nhiều khi nung mẫu ở nhiệt độ càng cao, hay thời o gian nung càng lâu. Như ví dụ 1 ở trên, nếu nung mẫu ở nhiệt độ 550 C, Cd, o và Pb sẽ mất từ 12-10%, khi ở 600 C, thì Cd và Pb sẽ mất đến 18-20%, v.v. Đó là vấn đề cần phải chú ý. 3.4. Tro hoá khô có phụ gia và chất bảo vệ Tro hoá khô có phụ gia và chất bảo vệ cũng là quá trình xử lý mẫu sơ o bộ nhờ tác dụng của nhiệt độ thích hợp (500-600 C ), có thêm tương tác hỗ trợ của chất phụ gia để hạn chế sự mất một số nguyên tố như cách nung không phụ gia ở trên. Các chất phụ gia thường là các chất chảy, muối kiềm, axit đặc để phá vỡ cấu trúc tinh thể dạng ban đầu của mẫu phân tích, để chuyển nó sang một dạng khác dễ hoà tan tiếp bằng axit. Khi có chất chảy và chất phụ gia nhiệt độ nung thường thấp hơn khi không có chất chảy, thời gian ngắn hơn, song lại triệt để hơn, mà lại không mất chất phân tích. Nhất là các mẫu có cấu trúc bền, chịu nhiệt, hay mẫu matrix hữu cơ, thì tác dụng của chất bảo vệ là rất quan trọng. Như hai ví dụ trên, nhưng khi xử lý có chất bảo vệ, thì không bị mất một số nguyên tố phân tích đã nêu. ♦ Ví dụ 2: Tro hoá mẫu sữa để xác định các kim loại (Na, K, Ca, Mg, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn). Lấy 5 gam mẫu vào chén thạch anh, thêm chất phụ gia ( 8 mL H SO 45% và 2g. KNO (hay 2 g. LiBO )), trộn 2 4 3 3 đều, sấy khô cẩn thận cho mẫu khô (mẫu dễ sùi bọt và bắn, cẩn thận và đun o nhẹ ) và thành than đen, sau đó đem nung 3 giờ đầu ở nhiệt độ 400-450 C, o rồi sau đó ở 550 C, đến khi hết than đen, được tro mẫu trắng. Sau đó hoà 17/47
  18. tan tro thu được trong 15 mL dung dịch HCl 18% và 1 mL HNO 65%, đun 3 nhẹ cho mẫu tan hết, đun nhẹ làm bay hơi axit đến còn muối ẩm, định mức thành 25 mL bằng dung dịch axit HCl 2%. Đó là dung dịch để xác định các nguyên tố kim loại nói trên. 3.5. Các ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng ♦ Các ưu và nhược điểm chính của kỹ thuật xử lý mẫu này là: + Thao tác và cách làm đơn giản, + Không phải dùng nhiều axit đặc tinh khiết cao đắt tiền, + Xử lý được triệt để, nhất là các mẫu nền hữu cơ. + Đốt cháy hết các chất hữu cơ, vì thế làm dung dịch mẫu thu được sạch, + Nhưng có nhược điểm là có thể mất một số chất dễ bay hơi, ví dụ như Cd, Pb, Zn, Sn, Sb, v.v. nếu không có chất phụ gia và chất bảo vệ. Bảng 2.3. So sánh kết quả tro hoá ướt và khô 18/47
  19. Ng C Cách tro hoá Phụ gia Nh.độ % tìm X o tố ppm Bảo vệ C được Pb 10 Ướt: Không 450 97-100 HNO +HClO H SO 550 93- 98 3 4 2 4 HNO +HClO +H SO HNO 650 90 - 94 3 4 2 4 3 450 97-100 HNO H SO Mg(NO ) 3 2 4 3 2 550 93-95 Khô: Mg(Ac) 2 650 71-83 450 97-99 550 95-97 650 90-96 450 97-99 550 97-99 650 70-84 450 98-99 550 92-95 650 91-96 97-98 95-98 92-94 Hg 10 Ướt: Không 450 78-80 HNO +HClO 550 90-94 3 4 HNO +HClO +H SO 92-94 3 4 2 4 0 HNO +H SO +K Cr O 3 2 4 2 2 7 0 Khô: 19/47
  20. Zn 10 Ướt: Không 550 97-100 HNO +HClO HNO 550 94-102 3 4 3 HNO +HClO +H SO H SO 550 96-100 3 4 2 4 2 4 550 87-96 HNO +H SO Mg(NO ) 3 2 4 3 2 93-97 Khô: 97-100 98-99 As 10 Ướt: Không 550 96-98 HNO +HClO HNO 550 97-99 3 4 3 HNO +HClO +H SO H SO 550 91-98 3 4 2 4 2 4 550 80-88 HNO +H SO Mg(NO ) 3 2 4 3 2 80-84 Khô: 90-96 92-99 Cu 10 Ướt: Không 550 99-100 HNO +HClO HNO 550 99-101 3 4 3 HNO +HClO +H SO H SO 550 99-100 3 4 2 4 2 4 550 86-92 HNO +H SO Mg(NO ) 3 2 4 3 2 94-96 Khô: 95-97 97-99 Cd 10 Ướt: Không 550 98-100 HNO +HClO HNO 550 98-100 3 4 3 HNO +HClO +H SO H SO 550 97-100 3 4 2 4 2 4 550 86-94 HNO +H SO Mg(NO ) 3 2 4 3 2 82-91 Khô: 93-97 94-97 20/47
  21. Sb 10 Ướt: Không 550 94-98 HNO +HClO HNO 550 95-98 3 4 3 HNO +HClO +H SO H SO 550 97-99 3 4 2 4 2 4 550 90-94 HNO +H SO Mg(NO ) 3 2 4 3 2 92-96 Khô: 94-98 96-97 Cr 10 Ướt: Không 550 97-100 HNO +HClO HNO 550 98-100 3 4 3 HNO +HClO +H SO H SO 550 98-100 3 4 2 4 2 4 550 94-98 HNO +H SO Mg(NO ) 3 2 4 3 2 95-98 Khô 97-99 95-98 Fe 10 Ướt: Không 550 96-100 HNO +HClO HNO 550 98-100 3 4 3 HNO +HClO +H SO H SO 550 97-100 3 4 2 4 2 4 550 94-98 HNO +H SO Mg(NO ) 3 2 4 3 2 96-99 Khô: 97-100 98-100 Ag 10 Ướt: Không 550 95-98 HNO +HClO HNO 550 97-99 3 4 3 HNO +HClO +H SO H SO 550 97-99 3 4 2 4 2 4 550 93-99 HNO +H SO Mg(NO ) 3 2 4 3 2 87-98 Khô: 97-99 97-100 21/47
  22. Mẫu thí nghiệm ở bảng trên: Là các loại: + Khoai lang và khoai tây. + Rau muống, rau cải, bắp cải và xu hào. + Bột gạo và bột ngô. + Thịt các loại và cá. 4. Kỹ thuật vô cơ hoá khô-ướt kết hợp 4.1. Nguyên tắc chung ♦ Nguyên tắc của kỹ thuật này là mẫu được phân huỷ trong chén hay cốc nung. Trước tiên người ta thực hiện xử lý ướt sơ bộ bằng một lượng nhỏ axit, và chất phụ gia, để phá vỡ sơ bộ cấu trúc ban đầu của các hợp chất mẫu và tạo điều kiện giữ một số nguyên tố có thể bay hơi khi nung. Sau đó míi nung ở nhiệt độ thích hợp. Vì thế lượng axit dùng để xử lý thường chỉ bằng 1/4 hay 1/5 lượng cần dùng cho xử lý ướt. Sau đó nung sẽ nhanh hơn và quá trình xử lý sẽ triệt để hơn xử lý ướt, đồng thời lại hạn chế được sự mất của một số kim loại khi nung. Do đó đã tận dụng được ưu điểm của cả hai kỹ thuật xử lý ướt và xử lý khô, nhất là giảm bít được các hoá chất (axit hay kiềm tinh khiết cao) khi xử lý ướt, sau đó hoà tan tro mẫu sẽ thu được dung dịch mẫu trong, vì không còn chất hữu cơ và sạch hơn tro hoá ướt bình thường. ♦ Các quá trình vật lý và hoá học xẩy ra khi xử lí là tương tự như trong xử lí ướt và khô đã nêu ở trên, song ở đây là sự kết hợp cả hai kế tiếp nhau. Trong đó xử lý ướt ban đầu là để bảo vệ một số nguyên tố cho xử lí khô tiếp theo không bị mất. Cách này thích hợp cho các mẫu có nền (matrix) là chất hữu cơ, như rau quả, thực phẩm, , xử lí để xác định các kim loại và một số phi kim. Những phòng thí nghiệm không có thiết bị lò vi sóng, thì đây là một cách tốt cho việc xử lý mẫu xác định các kim loại nặng trong các đối tượng mẫu sinh học, mẫu môi trường và quặng đất đá. 22/47
  23. 4.2. Cách thực hiện và một số ví dụ Vì là xử lý khô ướt kết hợp là kế tiếp nhau, trưíc tiên xử lý ướt sơ bộ, sau đó míi nung, nên tính chất và sự diễn biến của nó cũng tương tự như trong hai kiểu đã nói trên. Chỉ có khác là sau khi xử lý mẫu không phải đuổi lượng axit dư quá nhiều như trong xử lý ướt. Sau đây là vài ví dụ. ♦ Ví dụ 1: Xử lý mẫu rau quả để xác định các kim loại (Na, K, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn). Lấy 5,000 g. mẫu đã nghiền mịn vào chén nung, thêm 5 mL HNO 45% và 5 mL Mg(NO ) 5%, trộn đều, rồi sấy, hay 3 3 2 đun nhẹ trên bếp điện cho mẫu sôi và đến khi khô thành than đen dòn. Sau o o đó đem nung lúc đầu ở 400-450 C trong 3 giờ, rồi nâng lên 550 C, đến hết than đen. Hoà tan tro thu được trong 20 mL dung dịch HCl 1/1 và có thêm 1 mL HNO 65%, đun nóng cho tan, làm bay hơi hết axit dư đến còn muối ẩm, 3 định mức bằng dung dịch HCl 2% thành 25 mL. Đây là dung dịch để xác định các nguyên tố đã nói trên (Na, K, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn). ♦ Ví dụ 2: Xử lý mẫu sữa để xác định các kim loại (Na, K, Ca, Mg, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn). Lấy 5,000 g mẫu vào chén nung, thêm 5 mL HNO 45%, 2 mL H SO 98% và 5 mL Mg(NO ) 5% ( hay KNO ), trộn 3 2 4 3 2 3 đều, để xử lý ướt sơ bộ sấy mẫu trên bếp điện hay trong tủ sấy cho đến khi o khô và thành than đen dòn. Sau đó nung ở 400-450 C trong 3 giờ, tiếp đó ở o 550 C cho mẫu tro hoá đến khi thấy bã không còn đen. Hoà tan tro thu được trong 18 mL HCl 1/1và có thêm 1,0 mL HNO 65%, đun nóng cho mẫu tan 3 hoàn toàn, đuổi hết axit dư đến còn muối ẩm, và định mức thành 25 mL bằng axit HCl 2%. Đây là dung dịch mẫu để xác định các kim loại bằng các phương pháp UV-VIS, hay AAS, hay ICP-OES, hoặc ICP-MS. 23/47
  24. ♦ Ví dụ 3: Xử lý mẫu tôm, cua, cá, để xác định các kim loại (Na, K, Ca, Mg, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn). Lấy 5,00 gam mẫu vào chén thạch anh, thêm 8 mL H SO 75% và 3 mL Mg(NO ) 5% , trộn đều, để xử 2 4 3 2 lý ướt sơ bộ, ta sấy hay đun trên bếp điện cho mẫu sôi nhẹ và đun từ từ cho o đến khô và thành than đen. Sau đó đem nung 3 giờ đầu ở 400-450 C, và o nung tiếp ở 550 C cho mẫu tro hoá đến được bã không còn đen. Hoà tan tro thu được trong 18 mL HCl 1/1 và có thêm 1,0 mL HNO 65%, đun nóng cho 3 mẫu tan hết, làm bay hơi hết axit dư đến còn muối ẩm, định mức thành 25 mL bằng HCl 2%. Đây là dung dịch mẫu để xác định các kim loại nói trên bằng các phương pháp phổ UV-VIS, hay phổ AES, AAS hoặc ICP-OES. Các ví dụ khác áp dụng phương pháp xử lí này có thể xem thêm ở trong chương 3 và 4 ở phần II. 4.3. Các ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng ♦ Các ưu và nhược điểm của kỹ thuật này là tận dụng được các ưu điểm của kỹ thuật xử lý ướt và cả xử lý khô, cụ thể là: + Hạn chế được sự mất của một số chất phân tích dễ bay hơi, + Sự tro hoá triệt để, sau khi hoà tan tro còn lại có dung dịch mẫu trong, + Không phải dùng nhiều axit tinh khiết cao tốn kém, + Thời gian xử lý nhanh hơn tro hoá ướt, + Không phải đuổi axit dư lâu, nên hạn chế được sự nhiễm bẩn, + Phù hợp cho nhiều loại mẫu khác nhau để xác định kim loại, v.v. ♦ Cách này được ứng dụng chủ yếu để xử lý mẫu cho phân tích các nguyên 1- 1- 2- 3- tố kim loại và một số aniôn vô cơ, như Cl . Br , SO , PO , trong các loại 4 4 mẫu sinh học, mẫu môi trường, mẫu hữu cơ và vô cơ. Không dùng được cho xử lý mẫu để xác định các chất hữu cơ. Trong các phòng thí nghiệm bình 24/47
  25. thường, không có trang bị lò vi sóng, thì cách xử lý này vẫn là một phương pháp thích hợp, đơn giản, mà vẫn đảm bảo có được kết quả tốt. 5. Các kỹ thuật chiết trong xử lý mẫu 5.1. Cơ sở, nguyên tắc và điều kiện chiết 5.1.1. Hệ số phân bố của chất Hệ số phân bố của chất tan (chất phân tích) trong 2 pha không tan vào nhau là một hằng số hoá lý (hằng số nhiệt động) và nó đặc trưng cho sự phân bố của mỗi chất. Nó cho ta biết sự phân bố ( hay sự hoà tan ) của chất phân tích vào trong hai pha (2 dung môi) không trộn lẫn vào nhau theo tỷ lệ, hay ở mức độ nào. Nếu giá trị hằng số này càng lín, thì sự phân bố đó càng khác nhau nhiều và càng thuận lợi cho sự chiết tách các chất từ pha này sang pha kia. Ví dụ có chất tan X được phân bố vào hệ pha gồm 2 dung môi A và B (ví dụ Benzen và nước) không trộn vào nhau, thì hệ số phân bố được xác định theo biểu thức sau. K = C (A)/ C (B) fb x x Trong đó: + C (A) là nồng độ chất X trong pha A (dung môi A, pha Benzen); x + Còn C (B) là nồng độ của chất X trong pha B (dung môi B, pha nước). x ♦ Như vậy nếu như hệ số phân bố K > 99/1, thì coi như chất X đã chuyển fb gần hết vào pha A. Đó là một điều kiện của quá trình chiết để lấy chất phân tích và tách chúng ra khỏi chất nền (matrix) của mẫu ban đầu, chuyển chất cần phân tích vào dung môi chiết. Sau đó xác định chúng trong dung môi này. Thông thường người ta chiết chất phân tích từ pha nước vào pha hữu cơ không tan vào nước. Hai pha này tạo thành hệ chiết (hệ pha), ví dụ hệ pha: (Benzen/ H O), (CCl / H O), (CHCl / H O), (MIBK/ H O), v.v. 2 4 2 3 2 2 25/47
  26. 5.1.2. Nguyên tắc và cơ sở của sự chiết Chiết là dựa trên cơ sở sự phân bố (hay hoà tan) khác nhau của chất phân tích vào trong hai pha (2 dung môi) không trộn lẫn vào nhau. Tức là các chất phân tích tan tốt trong dung môi này, nhưng lại không tan tốt trong dung môi kia. Nghĩa là sự phân bố của một chất trong hai dung môi ( 2 pha) là rất khác nhau. Nhờ đó mà chúng ta lấy được chất cần phân tích ra khỏi pha mẫu ban đầu, chuyển nó vào pha thứ 2 (dung môi) mà chúng ta mong muốn. Sau đó xác định nó trong dung môi chiết. Như thế yếu tố quyết định sự tách và xử lý mẫu ở đây là hệ số phân bố của chất trong 2 pha ( dung môi), và các điều kiện thực hiện lắc chiết. Khi hệ số K lín sẽ có hiệu suất pb chiết cao. 5.1.3. Các điều kiện của sự chiết Để có được kết quả chiết tốt, quá trình chiết phải có các điều kiện và đảm bảo được các yêu cầu nhất định sau đây: Dung môi chiết phải tinh khiết cao, để không làm nhiễm bẩn thêm các chất phân tích vào mẫu. Dung môi chiết phải hoà tan tốt các chất phân tích, nhưng lại không hoà tan tốt với các chất khác có trong mẫu. Hệ số phân bố của hệ chiết phải lín, để cho sự chiết được triệt để. Cân bằng chiết nhanh đạt được và thuận nghịch, để giải chiết được tốt. Sự phân líp khi chiết phải rõ ràng, nhanh và dễ tách ra riêng biệt các pha. Phải chọn môi trường axit, pH, loại axit thích hợp, Phải thực hiện trong nhiệt độ phù hợp và giữ không đổi trong cả quá trình. Phải lắc hay trộn đều mạnh để quá trình chiết xẩy ra được tốt. 5.2. Các kiểu chiết dùng trong xử lý mẫu phân tích 5.2.1. Kỹ thuật chiết lỏng-lỏng 26/47
  27. 5.2.1.1. Nguyên tắc và điều kiện ♦ Nguyên tắc: Nguyên tắc của kỹ thuật chiết này là dựa trên cơ sở sự phân bố của chất phân tích vào hai pha lỏng (2 dung môi) không trộn lẫn được vào nhau (trong hai dung môi này, có thể một dung môi có chứa chất phân tích) được để trong một dụng cụ chiết, như phễu chiết, bình chiết. Vì thế hệ số phân bố nhiệt động K của cân bằng chiết là một yếu tố quyết định b hiệu quả của sự chiết và tiếp đến là sự ảnh hưởng của nhiệt độ, môi trường axit. Vì K là hằng số nhiệt động. Chiết theo kiểu này có hai cách là chiết pb tĩnh và chiết theo dòng chảy liên tục. Trong phân tích, kiểu tĩnh được ứng dụng nhiều hơn, vì sự đơn giản của nó. ♦ Điều kiện chiết: Để quá trình chiết đạt hiệu quả tốt, phải có các điều kiện chiết như đã được mô tả trong mục 5.4.1C ở trên. 5.2.1.2. Các cách chiết và ví dụ * Phương pháp chiết tĩnh Phương pháp chiết này đơn giản, không cần máy móc phức tạp, mà chỉ cần một số phễu chiết (dung tích 100, 250, 500 mL), là có thể tiến hành được ở mọi phòng thí nghiệm. Việc lắc chiết có thể thực hiện bằng tay, hay bằng máy lắc nhỏ. Tất nhiên khi phải làm hàng loạt mẫu thì mất nhiều thời gian. Hiện nay người ta đã cung cấp các hệ chiết đơn giản có 6, 9 hay 12 phễu với máy lắc nhỏ, nên việc thực hiện chiết cũng dễ dàng và dễ đồng nhất điều kiện. ♦ Ví dụ: Chiết lấy các Retinoit (các Vitamin A) từ mẫu thực phẩm. Loại mẫu thực phẩm có thể ở các dạng sau: a). Thực phẩm lỏng: Ví dụ sữa tươi. • Cách 1: Lấy 10 mL mẫu vào bình chiết, thêm 20 mL rượu etylic tuyệt đối, 5-8 gam Na SO khan, trộn đều, thêm 10 mL dung môi n-Hexan, lắc mạnh 2 4 27/47
  28. trong 5 phút, để trong tủ lạnh 2 phút cho phân líp, tách lấy líp n-Hexan có chứa các Retinoit, làm khô pha chiết bằng Na SO khan và phân tích các 2 4 Retinoit (họ Vitamin A) trong n-Hexan bằng HPLC hay MEKC. • Cách 2: Lấy 10 mL mẫu vào bình chiết, thêm 15 mL nước cất, 10 mL rượu etylic tuyệt đối, trộn đều, thêm 10 mL dung môi n-Hexan, lắc mạnh trong 5 phút, để trong tủ lạnh 2 phút cho phân líp, tách lấy líp n-Hexan có chứa các Retinoit, làm khô dịch chiết n-Hexan bằng Na SO khan và phân 2 4 tích các Retinoit trong n-Hexan bằng HPLC hay MEKC. Cách này áp dụng cho các loại sữa hộp đặc sánh. b). Các loại rắn, bột, rau quả, trứng thịt: o • Trước tiên phải nghiền hay xay mẫu thành bột và bảo quản ở -15 C. • Để xử lý: Lấy 5,00 gam mẫu đã xay mịn vào bình xử lý, thêm 15-20 gam Na SO khan, trộn đều, thêm 20 mL cồn tuyệt đối, lắc mạnh 5 phút, thêm 2 4 tiếp 10 mL dung môi n-Hexan, lắc mạnh 5 phút, đặt vào tủ lạnh 4 phút cho phân líp, tách lấy líp n-Hexan có chứa các Retinoit, làm khô bằng Na SO 2 4 khan, lấy dịch chiết để phân tích chúng bằng HPLC hay MEKC. ♦ Ví dụ: Chiết alpha-và beta-Caroten từ các loại mẫu rau quả. o + Trước hết mẫu được chọn và xay thành bột, bảo quản ở -15 C. + Lấy 5,00 gam mẫu đã xay mịn vào bình chiết, thêm 15-20 gam Na SO 2 4 khan, 1 gam MgCO khan, trộn đều, thêm 20 mL dung môi THF, khuấy đều 3 trong 5 phút, lọc hút chân không lấy pha hữu cơ THF có chứa các Caroten vào bình cất quay chân không, cất quay cho đến còn khoảng 1 mL, để yên tiếp 1 phút cho khô, hoà tan bã và định mức mẫu thành 5 mL bằng THF, và ly tâm bỏ cặn. Đây là dung dịch để xác định các ỏ- và õ-Caroten bằng phương pháp HPLC hay phương pháp HPCEC. 28/47
  29. * Phương pháp chiết dòng chảy liên tục ♦ Trong phương pháp chiết này, khi thực hiện chiết, hai pha lỏng không trộn được vào nhau (hai dung môi, có một dung môi có chứa chất phân tích) được bơm liên tục và đi ngược chiều nhau với tốc độ nhất định trong hệ chiết, như phễu chiết, hay bình chiết liên hoàn đóng kín để chúng tiếp xúc với nhau. Hoặc cũng có thể chỉ một dung môi chuyển động, còn một pha đứng yên trong bình. Khi đó, chất phân tích sẽ được phân bố vào hai dung môi theo tính chất của chúng, để đạt đến trạng thái cân bằng. Chiết theo cách này hiệu suất cao. Đây là phương pháp chiết được ứng dụng trong chiết sản xuất công nghệ. ♦ Để thực hiện cách chiết này, phải có hệ thống máy chiết, cột chiết hay bình chiết, có bơm để bơm các chất theo dòng chảy ngược chiều nhau với tốc độ nhất định thích hợp, hoặc chỉ một chất, hay cả 2 chất chuyển động ngược chiều nhau, và phải có bộ tách pha, để tách các chất ngay trong quá trình chiết, để lấy chất được chiết ra liên tục, hay theo từng thời điểm (chu kỳ) nhất định, mà cân bằng chiết đạt được (dụng cụ chiết ở cuối chương). 5.2.2. Các ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng Phương pháp chiết tĩnh đơn giản, dễ thực hiện, đã và đang được ứng dụng phổ biến và rất có hiệu quả trong lĩnh vực tách chiết phân tích và làm giầu các chất phân tích phục vụ cho việc xác định hàm lượng vết. Nhất là tách và làm giầu các kim loại, các chất hữu cơ, HCBVTV độc hại trong các mẫu nước, nước thải, nước biển, v.v. Các ưu và nhược điểm chung của kỹ thuật chiết là: + Dùng được cho cả chiết phân tích và sản xuất tách chiết lượng lín, + Lấy riệng chất PT, loại được các chất ảnh hưởng, nhất là chất nền của mẫu, + Thích hợp cho làm giầu lượng nhỏ chất phân tích (có thể 10-50 lần), 29/47
  30. + Phục vụ cho chiết được cả các chất vô cơ và các chất hữu cơ, + Sản phẩm chiết phù hợp được cho nhiều phương pháp phân tích. 5.3. Kỹ thuật chiết pha rắn (SPE) 5.3.1. Nguyên tắc và điều kiện 5.3.1.1. Nguyên tắc chung • Chiết pha rắn cũng là quá trình phân bố của các chất giữa 2 pha, trong đó lúc đầu chất mẫu ở dạng lỏng (pha nước, hay hữu cơ), còn chất chiết ở dạng rắn, dạng hạt nhỏ và xốp đường kính 25 - 70 àm. Vì thế nên có tên là chiết pha rắn (Solid Phase Extraction ), hay chiết rắn-lỏng. • Chất chiết được gọi là pha tĩnh, và được nhồi vào một cột chiết nhỏ, cột chiết kích thưíc: 6 x 1 cm, hay dung lượng chiết 100-600 mg, hoặc dạng đĩa chiết có kích thưíc dầy 1-2 mm và đường kính 3-4 cm. Chất chiết là các hạt Silica trung tính, các hạt ôxit nhôm, hay các Silicagen trung tính đã bị alkyl hoá nhóm -OH bằng nhóm mạch carbon thẳng -C2, -C4, -C8, -C18, , hay nhân phenyl. Nó được chế tạo trong điều kiện giống như pha tĩnh của sắc ký HPLC, và các hạt này có độ xốp lín, với diện tích bề mặt xốp thường từ 50 - 2 300 m /gam. • Khi xử lý mẫu, dung dịch chất mẫu được dội lên cột chiết. Lúc này pha tĩnh sẽ tương tác với các chất và giữ một nhóm chất phân tích lại trên cột (trên pha tĩnh), còn các nhóm chất khác sẽ đi ra khỏi cột cùng với dung môi hoà tan mẫu. Như thế là chúng ta thu được nhóm chất cần phân tích ở trên pha tĩnh (chất chiết rắn). • Sau đó dùng một dung môi thích hợp hoà tan tốt các chất phân tích để rửa giải chúng ra khỏi pha tĩnh (cột chiết), và chúng ta thu được dung dịch có chất phân tích để xác định chúng theo một cách đã chọn. 5.3.1.2. Các loại chất chiết pha rắn 30/47
  31. Theo đặc điểm và bản chất của sự chiết, các chất chiết pha rắn được chế tạo và phân chia theo các loại chất: • Loại hấp phụ pha thường. Đó là các Silica trung tính và ôxit nhôm, • Hấp phụ pha ngược. Đó là các Silica thường được alkyl hoá nhóm-OH, • Loại chất trao đổi iôn (để tách Cation và Anion), • Chất rây hay sàng lọc phân tử theo độ lín, kích thưíc của phân tử chất, • Loại chất hấp phụ khí (purge and trap Extraction), để hấp thụ chất khí. 5.3.1.3. Các kiểu và cơ chế chiết pha rắn Chính vì có nhiều loại chất chiết pha rắn, cho nên kỹ thuật chiết pha rắn cũng có nhiều cơ chế và quá trình động học khác nhau, theo bản chất của mỗi loại chất chiết (pha chiết). Nói chung, các chất chiết pha rắn này cũng tương tự như các pha tĩnh trong sắc lý lỏng hiệu năng cao (HPLC). Nó có thể là dạng cột chiết (1x6 cm có thể tích 4-6 mL) hay dạng đĩa chiết (dầy 1-2 mm và đường kính 3-4 cm). Do đó chiết pha rắn cũng có 3 loại cơ chế chính là: 1. Hấp phụ pha thường (loại NP), và Hấp phụ pha ngược (loại RP), 2. Trao đổi ion và cặp ion đối với các chất dạng ion (loại IEx), 3. Rây phân tử theo độ lín của chất phân tích (Gel). 5.3.2. Các điều kiện của chiết pha rắn Quá trình chiết ở đây thực chất cũng là sự phân bố của chất phân tích giữa 2 pha, pha rắn (chất chiết) và pha lỏng (dung dịch chứa chất phân tích) không trộn lẫn vào nhau trong những điều kiện nhất định, như pH, dung môi, nhiệt độ, tốc độ chảy của mẫu qua cột chiết. Trong đó hệ số phân bố nhiệt động K của chất phân tích giữa hai pha (rắn và lỏng chứa mẫu) cũng b là một yếu tố quyết định hiệu quả của sự chiết. Nó cũng tương tự như trong hệ sắc ký cột lỏng-rắn (của các hệ HPLC). Vì thế muốn thực hiện chiết pha rắn tốt phải có các điều kiện sau đây 31/47
  32. • Pha rắn hay chất chiết (dạng cột chiết hay đĩa chiết) phải có tính chất hấp thụ hay trao đổi chọn lọc với một chất, hay một nhóm chất phân tích nhất định, tức là tính chọn lọc của pha tĩnh chiết. • Các chất chiết và dung môi rửa giải phải có độ sạch cao theo yêu cầu của cấp hàm lượng phân tích. • Hệ số phân bố nhiệt động K của cân bằng chiết phải lín, để có được hiệu fb suất chiết cao. • Quá trình chiết phải xẩy ra nhanh và nhanh đạt cân bằng, nhưng không có tương tác phản ứng hoá học làm mất hay hỏng pha rắn và chất phân tích. • Quá trình chiết phải có tính thuận nghịch, để còn có thể rửa giải được tốt chất phân tích ra khỏi pha chiết bằng một pha động phù hợp. • Không làm nhiễm bẩn thêm chất phân tích trong quá trình chiết bởi bất kỳ từ nguồn nào. • Sự chiết phải được thực hiện trong điều kiện nhất định phù hợp, phải lặp lại được tốt và tất nhiên là càng đơn giản dễ thực hiện thì càng tốt. 5.3.3. Các kiểu chiết và cơ chế chiết pha rắn 5.3.3.1. Chiết theo cơ chế hấp phụ pha thường Trong kiểu này, chất chiết (pha tĩnh) là các Silica trung tính, có bề mặt xốp phân cực. Nó tác dụng tốt với các chất mẫu không phân cực và ít phân cực. Đó là sự tương tác hấp phụ. Tuỳ theo bản chất và cấu trúc phân tử của mỗi nhóm chất phân tích, bản chất hấp phụ của Silica trung tính và các điều kiện thực hiện chiết, mà nhóm chất phân tích nào bị pha tĩnh hấp phụ và giữ lại trên cột chiết và hoàn toàn tương tự như sự tương tác hấp phụ trong cột sắc ký NP-HPLC. Dung môi để giải chiết chất phân tích trong loại này thường là các dung môi hữu cơ không phân cực hay ít phân cực và kị nước (không tan vào nước ), hay hỗn hợp của chúng với nhau theo tỷ lệ thích hợp. Ví dụ n-Hexane, n- 32/47
  33. Heptane, CCl , CHCl , Benzen, Diclo-Etan, Ethyaxetat, v.v. Các dung môi 4 3 này được gọi là pha động (MP) và nó phải hoà tan tốt chất phân tích, để lấy được các chất phân tích ra khỏi pha tĩnh (chất chiết rắn). ♦ Ví dụ 1: Chiết để xử lý mẫu xác định nhóm hợp chất Clo-phenol trong nước. Lấy 250 mL mẫu vào phễu chiết, axit hoá đến pH=2 bằng H SO 2%, 2 4 lọc bỏ cặn (nếu có) sau đó dội dung dịch mẫu này qua cột chiết ( loại LASi- 5) với tốc độ 2-4 mL/phút cho đến khi mẫu chảy hết qua cột chiết. Dội qua cột chiết 5 ml nước cất, để yêu 5 phút. Sau đó giải chiết lấy chất phân tích bằng 10 mL dung môi acetonitril (hay dichlomethane) và xác định chất phân tích trong pha hữu cơ này bằng HPLC hay GC. 5.3.3.2. Chiết theo cơ chế hấp phụ pha ngược Trong kiểu chiết này, chất chiết (pha tĩnh) là các Silica pha ngược, có bề mặt hầu như không phân cực. Nó tác dụng tốt với các chất mẫu không phân cực và phân cực. Đó là sự tương tác hấp phụ của pha tĩnh (chất chiết ). Tuỳ theo bản chất và cấu trúc phân tử mỗi nhóm chất phân tích và các điều kiện thực hiện chiết, mà nhóm chất phân tích nào bị pha tĩnh hấp phụ và giữ lại trên cột tách chiết. Cơ chế chiết ở đây là sự tương tác hoàn toàn tương tự như sự tương tác hấp phụ trong cột sắc ký lỏng hiệu năng cao hấp thụ pha ngược (RP-HPLC ). Kiểu chiết này dễ thực hiện, đơn giản và được ứng dụng nhiều. Vì do tính tiện lợi của hệ dung môi rửa giải tan trong nước, dung môi chứa chất phân tích. Chúng ta có minh hoạ sự tương tác này như mô hình sau. ♦ Ví dụ: Chiết để xử lý mẫu xác định một số hoá chất BVTV trong nước. Lấy 250 mL mẫu nước, chỉnh pH=5, lọc bỏ cặn. Lấy dung dịch dội qua cột chiết (loại LR-C18 ) với tốc độ 2-4 mL/phút. Sau đó rửa cột bằng 5 mL nước cất, hút chân không cho cột 3 phút. Rửa giải chất BVTV trong cột 33/47
  34. bằng 20 mL dung môi Etyl-axetat. Lấy dung dịch rửa giải này dội qua cột hấp phụ thứ hai ( cột có: Na SO + Al O + than hoạt tính) để làm sạch và 2 4 2 3 làm khô mẫu. Sau đó lại rửa giải chất BVTV trong cột này bằng 10 mL Etyl- Axtat. Thu dung dịch, làm bay hơi bằng dòng khí nitơ sạch ( tốc độ 0,8 mL/phút) đến còn dung dịch sánh, định mức thành 2 mL bằng Etyl-Axetat, làm khô bằng Na SO khan. Lấy dung dịch mẫu này để xác định các hoá 2 4 chất BVTV (Metyl-parathion, Diazinon & Sumithion) bằng phương pháp GC/ECD, hay GC-MS. 5.3.3.3. Chiết theo cơ chế trao đổi iôn và cặp ion Chiết theo cơ chế trao đổi ion ♦ Nguyên tắc: Dựa trên cơ sở của quá trình trao đổi ion của chất phân tích với ion đối (ion trao đổi) của chất chiết (pha tĩnh trao đổi iôn) để hấp thu (giữ) chất phân tích lại trên pha tĩnh (cột chiết). Sau đó dùng một pha động (dung dịch) phù hợp để rửa giải chất phân tích vào dung môi đó và sau đó tiến hành xác định nó theo một phương pháp phân tích thích hợp đã chọn. Dung môi rửa giải ở đây là dung dịch nước của các muối tan của kim loại kiềm, amoni có pH phù hợp, hay dung dịch axit loãng và có thể có thêm chất tạo phức. ♦ Chất trao đổi iôn của kiểu chiết này có thể là hai loại sau đã và đang được sử dụng hiện nay, đó là: + Trao đổi Cation axit mạnh (R-SO Na) và axit yếu (R-COONa). 3 + + Trao đổi Anion Bazơ mạnh (R-N (-OH)), bazơ yếu (R-NH OH), v.v. 2 ♦ Cơ chế của sự trao đổi iôn a) Loại trao đổi Cation Tổng quát quá trình trao đổi Cation: n+ + nMat-SO Na + Me → (Mat-SO ) -Me + nNa 3 3 n 34/47
  35. ( Chất chiết ) ( chất PT ) n+ Trong đó: Mat: Mạng rắn của chất trao đổi ion; Me : Cation của chất phân + tích. Na : Cation trao đổi của chất chiết. -SO Na: Nhóm chức trao đổi ion. 3 b). Loại trao đổi Anion Tổng quát quá trình trao đổi Anion: n- - nMat-OH + X → (Mat) -X + nOH n n- - hay nMat-Cl + X → (Mat) -X + nCl n ( chất chiết ) ( Chất PT ) n- Trong đó: Mat: Là mạng rắn của chất trao đổi ion; X : Anion của chất phân - - tích. OH và Cl là anion trao đổi. Trong quá trình trao đổi ion, tuỳ thuộc vào mỗi loại chất phân tích và chất pha tĩnh (chủ yếu là nhóm chức trao đổi ion thuộc loại axit yếu hay mạnh, hoặc bazơ mạnh hay yếu) , mà quá trình có thể được thực hiện tốt trong một vùng pH (môi trường axit) nhất định. Vì thế sự chiết theo cơ chế này cần phải được thực hiện trong môi trường pH (hay axit) phù hợp. Chiết theo cơ chế trao đổi cặp ion Cùng với sự trao đổi cation và anion, trong sự chiết pha rắn còn có cơ chế chiết theo kiểu cặp ion. Đây cũng là bản chất trao đổi của ion của chất phân tích thông qua chất trung gian- chất tạo cặp ion, nó cho ion trao đổi với chất phân tích. Nó cũng hoàn toàn tương tự như sắc ký cặp iôn của hệ pha ngược hấp phụ (hệ RP-HPLC). Chất chiết ở đây thường là chất hấp phụ pha ngược.Ví dụ Silica LiChrosorb RP-8, RP- 18 hay là Hypersil ODS. Và ở đây cũng có hai kiểu trao đổi cặp ion. 5.3.3.4. Các ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng Chiết pha rắn là một kĩ thuật chiết mới ra đời, đang phát triển và được ứng dụng trong khoảng chục năm trở lại đây, nhất là ở các nước tiên tiến và nó 35/47
  36. míi vào Việt nam ta từ năm 1997. Hiện nay đã có một số hãng sản xuất và cung cấp ra thị trường nhiều loại chất chiết và dụng cụ chiết khác nhau cho nhiều đối tượng rất tiện dụng. Chất chiết thường là các chất Silica được hoạt hoá để chúng có khả năng hấp thụ cao và chọn lọc các chất theo từng nhóm. Kỹ thuật chiết này có các ưu và nhược chính điểm sau đây: • Có tính chọn lọc đối với một nhóm hợp chất phân tích, • Cân bằng chiết nhanh đạt được và có tính thuận nghịch, • Thích hợp cho mẫu lượng nhỏ và phân tích lượng vết các chất, • Thao tác đơn giản và nhanh hơn các kỹ thuật chiết khác, • Trong quá trình chiết luôn luôn có cả sự làm giầu chất phân tích, • Chất chiết pha rắn không đắt (khoảng 50.000 đ.VN/1cột chiết). Chính vì thế mà nó đang được sử dụng rất phổ biến trong phân tích, đặc biệt là phân tích đối tượng môi trường các chất vi lượng độc hại. 5.4. Kỹ thuật chiết hấp phụ pha khí (rắn-khí) 5.4.1. Nguyên tắc chung Kỹ thuật này dựa trên cơ sở là ở một nhiệt độ nhất định thích hợp, khi thổi một dòng khí trơ nóng (argon hay hêli) dẫn mẫu ở dạng khí vào cột chiết, thì một nhóm các chất phân tích bị pha tĩnh rắn trong cột hấp phụ giữ lại, còn các chất khác thì đi qua. Vì thế về bản chất nó cũng là sự chiết giữa hai pha khí và rắn (pha chiết là rắn, chất phân tích được chiết ở dạng khí) không tan vào nhau. Sự chiết ở đây là theo cơ chế hấp phụ. Sau đó có thể: • Người ta lại làm nóng cột hấp phụ và cũng dùng dòng khí trơ nóng để giải hấp các chất phân tích đưa trực tiếp chúng vào hệ cột của máy GC hay cho chúng tan vào một dung môi hữu cơ phù hợp để xác định bằng cách khác, như HPLC hay phổ UV-VIS. • Hay cũng có thể giải chiết chất phân tích ra khỏi cột chiết bằng một dung môi hữu cơ thích hợp hoà tan tốt chất và xác định chúng bằng HPLC hay IR. 36/47
  37. Phương pháp chiết này được ứng dụng cho cả mẫu rắn và lỏng, hay bùn, hay bã thải, nhưng chỉ cho các chất phân tích là các hợp chất hữu cơ có nhiệt độ o bay híi thấp (dưíi 150 C) và dễ bay hơi. Cách này rất thích hợp cho việc chiết các chất hữu cơ trong môi trường khí, hay các mẫu rắn, mẫu bột, hay mẫu bùn và mẫu nhão. Tất nhiên, việc trưíc tiên là phải nhũ hoá các mẫu này bằng một dung môi thích hợp, như nước hay dung môi hữu cơ có nhiệt độ sôi cao. Còn chất hấp phụ ở đây là các hạt silica rắn xốp được nhồi vào cột chiết đóng kín. Nó cũng thường là các silica trung tính xốp hay silica đã được thế hoá (alkyl hoá), tương tự như trong hệ chiết NP-HPLC và RP- HPLC. Kỹ thuật chiết này rất thích hợp cho việc xử lý các loại mẫu để xác định các o chất hữu cơ có nhiệt độ sôi thấp (dưíi 150 C) và dễ bay hơi trong các loại mẫu rắn, mẫu bùn, các mẫu bã thải và các mẫu khí. Nó có ưu điểm là chọn lọc cao, thích hợp cho các phương pháp phân tích HPLC, GC, hay GC-MS, để xác định lượng nhỏ các chất hữu cơ, một số hợp chất cơ kim và một số chất vô cơ, như H S, HCN, v.v. 2 5.4.2. Các kiểu trang thiết bị và một số ví dụ Theo kỹ thuật này trang thiết bị cũng có hai loại là các hệ đơn giản và hệ hoàn chỉnh tự động theo chương trình. Khí mang trơ ở đây là khí argon, hêli hay nitơ tính khiết (> 99,9%). Cụ thể trang bị là gồm các bộ phận: + Hệ cột chiết kín và buồng cột chiết có gia nhiệt được, + Khí trơ mang mẫu, cũng như để rửa giải chất phân tích (Ar, N , hay He). 2 + Hệ máy bơm khí và nén khí mẫu vào cột chiết. Các loại trang bị này hiện nay đều đã có cung cấp trên thị trường do các hãng sản xuất các dụng cụ phân tích. 37/47
  38. ♦ Ví dụ 2: Chiết lấy một số hợp chất pesticide dễ bay hơi trong các loại nước hay mẫu rắn, bùn (Method 502.2b. EPA). Cột hấp phụ là chất chiết o pha rắn loại LC2-25x1 cm. Mẫu được giữ ở 150 C và dòng khí trơ Argon thổi qua bình mẫu với tốc độ 0,8-1,0 mL/phút để đưa chất phân tích vào cột hấp phụ. Các chất phân tích sẽ được hấp phụ vào cột này. Sau đó cũng giải o hấp các chất trong cột hấp phụ bằng dòng khí trơ đó nhưng ở 200 C, để dẫn vào máy GC/MS để tách và xác định các chất. 5.5. Kỹ thuật vi chiết pha rắn (SPME) Kỹ thuật này cũng vẫn dựa trên cơ sở sự phân bố của chất phân tích X giữa hai pha không hoà tan vào nhau, trong đó pha mẫu chứa chất X là lỏng, còn pha chiết là chất rắn. Song ở đây pha chiết (que chiết) là các hạt chất rắn xốp cỡ hạt vài micromet (àm) được tẩm lên thanh que nhỏ kim loại hay PE (1x4 mm) tạo thành líp màng chất chiết dầy khoảng 0,3-0,5 mm bao xung quanh tạo ra que chiết. Que chiết được để trong hệ xy lanh và kim tiêm, để có thể cắm qua chiết vào qua nút cao su của bình chứa mẫu cần chiết. Quá trình chiết xẩy ra khi ta nhúng que chiết vào trong bình mẫu theo một trong hai kiểu: + Không gian mẫu (chất ở dạng lỏng). Với cách này pha mẫu phải được lắc đều (hay khuấy) liên tục khi chiết và qua chiết chìm trong pha mẫu. + Không gian hơi (chất dễ hoá hơi). Với cách này, pha mẫu là hơi, que chiết nằm trong không gian hơi của bình mẫu, và mẫu phải được gia nhiệt phù hợp, để cho các chất bay hơi đạt đến trạng thái cân bằng giữa pha mẫu ban đầu (lỏng hay huyền phù) và pha hơi của mẫu. Thời gian chiết: 20- 30 phút. Trang bị của kỹ thuật chiết này: Bao gồm (hình ): 38/47
  39. + Bình chưa mẫu để chiết (dung tích 50 mL, nút cao su), + Bộ Xylanh, kim tiêm và que chiết, + Máy khuấy và gia nhiệt cho bình mẫu. Cơ chế của sự chiết: Chỉ có hai kiểu là: + Hấp phụ pha thường (chất chiết pha thường), + Hấp phụ pha ngược (chất chiết pha ngược), Vấn đề này xem trong mục chiết pha rắn đã trình bày ở trên. Ưu nhược điểm và ứng dụng Kỹ thuật chiết này: + Đơn giản, dễ thực hiện, + Thích hợp cho xác định các chất vi lượng, + Làm giầu được chất, + Chủ yếu cho xác định các chất hữu cơ và một số kim loại nặng. Kỹ thuật này míi ra đời và còn đang phát triển. Song cũng đã được ứng dụng có hiệu quả, nhất là trong lĩnh vực phân tích các hoá chất bảo vệ thực vật và thuốc trừ sâu. 5.6. Kỹ thuật chiết Soxhlet 5.6.1. Nguyên tắc chung Chiết Soxhlet là một kiểu chiết liên tục đặc biệt được thực hiện nhờ một loại trang bị chiết riêng. Kiểu chiết này cũng như kiểu chiết lỏng lỏng, nên về bản chất của sự chiết nó vẫn là dựa trên cơ sở quy luật phân bố chất trong hai pha không trộn vào nhau. Song ở đây pha mẫu là ở trạng thái lỏng, bột, hạt hay dạng mảnh, hay dạng lá đều được cả. Còn dung môi chiết (chất hữu cơ) là ở dạng lỏng. Ví dụ như chiết lấy dầu melton từ lá cây bạc hà bằng dung môi hữu cơ n-Hexan, hay benzen. Chiết các thuốc trừ sâu hay HCBVTV trong mẫu rau quả, mẫu đất bằng n-Hexan. 39/47
  40. Vì thế đây là kiểu chiết của hệ chiết có thể cả đồng thể và dị thể. Trong thực tế được dùng chủ yếu là hệ dị thể, mà chất phân tích ở trong mẫu rắn, bột, lá, sợi, v.v mà các kỹ thuật chiết đã nêu ở trên không làm được tốt, đặc biệt là chiết các chất hữu cơ trong các mẫu không ở dạng lỏng (hệ chiết dị thể). 5.6.2. Các trang thiết bị và ví dụ Trang thiết bị của kỹ thuật chiết này có hai loại là: 1. Các hệ chiết Soxhlet thường và đơn giản. 2. Các hệ chiết Soxhlet tự động (Auto-Soxhlet). Cách chiết theo hệ loại 1 là đơn giản, vận hành bằng tay, còn cách chiết theo hệ máy loại 2 là vận hành một cách tự động theo chương trình. Kỹ thuật chiết này chủ yếu được sử dụng để chiết tách các chất hữu cơ nằm trong mẫu ở dạng rắn, hay dạng bột, hay mảnh nhỏ, hay các vật liệu mẫu khô (như lá cây, dược liệu, ). Vì thế nó là các hệ chiết dị thể. ♦ Ví dụ 1: Chiết Soxhlet thường lấy một số hoá chất BVTV từ mẫu rau quả. Lấy 10 g. mẫu đã được nghiền nhỏ và trộn đều vào cốc đựng mẫu của hệ chiết, thêm 25-30 g. Na SO khan, trộn đều, 50 mL dung môi chiết n- 2 4 Hexan có 20 % Cl CH . Sau đó tiến hành chiết trong vòng 5-6 giờ liên tục, 2 2 để yên 10 phút, tách lấy pha hữu cơ n-Hexan có chứa chất phân tích và xác định chúng trong pha hữu cơ này bằng phương pháp phù hợp đã chọn. 5.6.3. Các ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng Kỹ thuật chiết này có ưu điểm là chiết triệt để, song các điều kiện chiết phải nghiêm ngặt và thời gian chiết cũng dài, thì mới có kết quả chiết tốt. Vì thế hệ thống vận hành tự động (auto-Soxlet) cho kết quả tốt hơn. Nó thích hợp cho việc chiết lượng vết các chất hữu cơ, nhất là các chất độc hại từ các đối tượng mẫu khác nhau, chất phân tích có trong mẫu ở trạng thái rắn, bột, vật 40/47
  41. mẫu xốp khô (lá cây), v.v. Kỹ thuật chiết này được ứng dụng chủ yếu để chiết các HCBVTB từ các mẫu cây, lá, rau quả, thực phẩm, mẫu đất. 5.7. Kỹ thuật chiết Siêu âm 5.7.1. Nguyên tắc chung Quá trình chiết siêu âm cũng vẫn dựa trên cơ sở chung của sự chiết là sự phân bố của chất vào hai pha không trộn lẫn vào nhau, chỉ có khác là được thực hiện trong môi trường có thêm tác dụng của năng lượng sóng siêu âm (năng lượng tia Vi sóng). Pha chứa mẫu phân tích cần chiết là pha nước và pha lỏng để chiết chất phân tích là dung môi hữu cơ (pha thứ hai) đều 41/47
  42. Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa - Viện KNATVSTP quốc gia được cho vào bình chiết, sau đó được đặt vào trong hộp chiết của hệ chiết vi sóng và tiến hành chiết dưíi tác dụng của sóng siêu âm thích hợp trong một thời gian nhất định (1,5- 2 giờ). Cách chiết này có thể được thực hiện ở hai trạng thái mẫu đồng thể và dị thể. a)Hệ chiết đồng thể (hệ lỏng-lỏng), ở đây chất mẫu phân tích tan trong dung môi lỏng, như nước và dung môi chiết cũng là chất lỏng, thường là các dung môi hữu cơ không tan trong nước. Ví dụ như chiết các ion kim loại nặng (Cd, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn, ) từ nước biển ở môi trường pH=4 bằng dung môi MIBK có chứa thuốc thử APDC 0,1%. Sau đó xác định các kim loại này bằng phép đo phổ F-AAS. b)Hệ chiết dị thể (hệ rắn-lỏng), trường hợp này, mẫu phân tích là ở trạng thái rắn, thường được nghiền thành bột, hay được băm nhỏ và bỏ vào trong bình chiết có dung môi chiết. Dung môi chiết là các dung môi hữu cơ. Ví dụ chiết lấy dầu Menton từ lá bạc hà bằng dung môi chiết Benzen. Khi chiết, dưới tác dụng của năng lượng sóng siêu âm có tần số cao, mạng cấu trúc của các phần tử chất mẫu bị phá vỡ, chất phân tích được giải phóng và phân bố (hay tan) vào trong dung môi chiết theo tính chất của nó ở dạng phân tử hay dạng hợp chất phức và ở đây hệ số phân bố K của chất giữa hai pb pha không trộn lẫn vào nhau cũng là yếu tố quyết định hiệu quả chiết. Còn năng lượng siêu âm có tác dụng chính là phá vỡ cấu trúc ban đầu của mẫu, xáo trộn hỗn hợp chiết, tạo điều kiện tốt cho cân bằng chiết xẩy ra dễ dàng, nhanh hơn và triệt để hơn. 5.7.2. Các kiểu chiết và trang thiết bị ♦ Để thực hiện chiết theo kỹ thuật này chúng ta phải có hệ thống bình chiết kín và hệ buồng chiết tạo siêu âm. Các thiết bị này, hiện nay đều có bán trên thị trường theo các quy mô to nhỏ và mức độ chiết khác nhau, chiết phân tích hay chiết bán sản xuất. Về nguyên tắc nó gồm hai bộ phận chính là: 42/47
  43. Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa - Viện KNATVSTP quốc gia 1. Buồng chiết siêu âm khống chế được năng lượng siêu âm. 2. Các rotor chứa bình đựng mẫu để chiết (loại 6 bình, 9 bình hay 12 bình) với dung tích mỗi bình là 200, 150, 100, và 50 mL. Ví dụ : Chiết tách lấy một số hoá chất BVTV từ mẫu đất hay mẫu rau quả. (như Metyl-parathion,Sumithion,Diazinon). Lấy 10 g. mẫu đất đã được nghiền nhỏ cho vào bình chiết, thêm 40 mL etyl-axetat, trộn đều, đặt bình mẫu vào hệ máy chiết, tiến hành chiết trong 90 phút, để nguội yên 10 phút, tách lấy pha hữu cơ etyl-axetat có chứa một số hoá chất BVTV. Dội pha hữu cơ này qua cột sắc ký hấp phụ (có chứa Al O +than hoạt tính+Na SO khan ) 2 3 2 4 để làm sạch chất và làm khô. Sau đó rửa giải cột này bằng 10 mL etyl- axetat, thu lấy dung dịch rửa giải này để xác định các hoá chất BVTV (như Metyl- parathion, Sumithion, Diazinon,v.v.) bằng GC/ECD, HPLC/MS, hay GC/MS. ♦ Kỹ thuật chiết này có ưu điểm là triệt để và hiệu suất cao, nhưng đòi hỏi phải có hệ trang bị chiết siêu âm, có các rotor chiết cho mỗi cách chiết khác nhau và mỗi loại mẫu khác nhau. Kỹ thuật chiết này chưa được ứng dụng phổ biến. Chỉ một số viện nghiên cứu míi có trang bị này. Nên hiện nay ở nước ta còn ít được dùng và chưa phổ biến, nên nhiều người chưa biết. 5.8. Kỹ thuật sắc ký trong xử lý mẫu Hiện nay, sắc ký là một loại phương pháp để tách và xác định đồng thời các chất trong một hỗn hợp, song nó cũng là một kỹ thuật xử lí mẫu phân tích tốt cho nhiều trường hợp để tách và làm giầu lấy các chất cần phân tích. Trong phân tích được ứng dụng để xử lí mẫu phân tích chủ yếu là 2 loại là: a). sắc ký cột và b). sắc ký phẳng (sắc ký líp mỏng và sắc ký giấy). 5.8.1. Kỹ thuật sắc ký cột 5.8.1.1. Nguyên tắc và điều kiện 43/47
  44. Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa - Viện KNATVSTP quốc gia Nguyên tắc chung + Kỹ thuật xử lí mẫu này dựa trên cơ sở tính chất hấp phụ hay trao đổi ion của các chất phân tích để hấp thu chất phân tích lên chất nhồi (pha tĩnh) ở trong cột sắc ký, để giữ và tách chúng ra khỏi các chất khác có trong mẫu ban đầu. Sau đó dùng một dung môi thích hợp (pha động) để rửa giải và để tách nó ra khỏi cột sắc ký, rồi xác định chúng trong pha động này bằng một phương pháp phù hợp. Ví dụ như AES, AAS, UV-VIS, HPLC, GC, EC, CEC, Vì thế trưíc hết phải đưa mẫu phân tích về dạng dung dịch, để có thể nạp chất mẫu vào cột sắc ký được. Sự tách ở đây là dựa trên sự phân bố của một nhóm chất phân tích giữa hai pha không trộn vào nhau, pha tĩnh (chất rắn sắc ký), pha động (chất lỏng, dung môi rửa giải). Vì thế nó cũng tương tự như kỹ thuật chiết pha rắn. Chủ yếu được sử dụng cho xử lý mẫu là: • Trưíc tiên là sắc ký cột hấp phụ (pha thường và pha ngược) dùng pha tĩnh là các Silica hay nhôm ôxit xốp, có cỡ hạt 25-70 àm. • Tiếp đến là sắc ký trao đổi ion trên cột của pha tĩnh trao đổi ion (trao đổi Cation và Anion). 5.8.2. Các điều kiện sắc ký Đối với sắc ký cột để có được sự tách tốt các chất phân tích, cần phải: • Chọn pha tĩnh có tính chất chọn lọc cho một nhóm chất phân tích, • Dung môi làm pha động sắc ký phải có độ tinh khiết đạt yêu cầu, • Chọn pha động phù hợp cho chất cần xử lý, để thu được sự tách tốt. • Cân bằng trong quá trình sắc ký xẩy ra nhanh và có tính thuận nghịch. • Chọn điều kiện sắc ký thích hợp (pH, T, ) để góp được chất phân tích vào một nhóm hay tách ra thành từng chất thì càng tốt, cũng như làm giầu chúng. 5.8.3. Trang bị và cách xử lý 44/47
  45. Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa - Viện KNATVSTP quốc gia Muốn thực hiện tách chất theo kiểu này chúng ta phải có các hệ trang bị sắc ký phù hợp. Có thể chỉ là các cột tách đơn giản và cũng có thể là các hệ thống tự động hoàn chỉnh. Tuỳ loại chất phân tích, mà chúng ta có thể chọn hệ pha sắc ký hấp phụ, hay hệ pha trao đổi ion để tách lấy các chất cần phân tích. Nó bao gồm các bộ phận: • Trưíc hết là hệ cột sắc ký chứa các chất để sắc ký, nó là các chất Silica, hay oxit Al xốp có khả năng sắc ký hấp phụ, hay chất trao đổi ion (cation hay anion) với một nhóm các chất phân tích nhất định có trong mẫu. Khi cần cột sắc ký còn phải đặt trong buồng điều nhiệt, để khống chế nhiệt độ thích hợp. • Các dụng cụ để nạp dung dịch mẫu lên cột sắc ký, khống chế tốc độ nạp và rửa giải chất phân tích ra khỏi cột. • Thứ ba là các dung môi để hoà tan mẫu phân tích thành dung dịch để có có thể nạp được mẫu lên cột sắc ký. • Thứ tư là các dung môi để pha chế pha động phục vụ cho việc rửa giải các chất phân tích ra khỏi cột sắc ký. 5.8.4. Ví dụ ứng dụng ♦ Ví dụ 3: Xử lý mẫu để xác định một số anion trong mẫu nước ví dụ: - - - - 2- Cl , Br ,I , NO , SO ,, v.v). Trước hết mẫu nước (250 mL) phải chính 3 4 pH=8, và lọc bỏ cặn. Sau đó nạp lên cột sắc ký pha tĩnh trao đổi iôn loại Dowex-50A12-OH (150 x 8 mm) với tốc độ chảy 1-2 mL/phút, để các anion được giữ lại trên cột sắc ký. Khi mẫu chảy hết, dội qua cột 5 mL nước cất hai lần. Sau đó dùng 20 mL dung dịch NaOH 0,5M để rửa giải chất phân tích ra khỏi cột sắc ký với tốc độ 1-1,5 mL/phút. Như vậy chất phân tích sẽ tan vào pha động rửa giải, và tiến hành xác định nó trong pha động rửa giải này bằng một trong các phương pháp AES, AAS, UV-VIS. Cách này có thể 45/47
  46. Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa - Viện KNATVSTP quốc gia dùng để xử lý mẫu cho xác định một số anion trong các loại nước thải, nước sông hồ, v.v. 5.8.5. Kỹ thuật sắc ký phẳng (sắc ký giấy và sắc ký bản mỏng) 5.8.5.1. Nguyên tắc chung Quá trình sắc ký ở đây là dựa trên cơ sở ở trong một hệ pha dung môi nhất định, thì sự di chuyển và phân bố của các chất phân tích trên màng phẳng (líp mỏng phẳng) silicagel xốp được tráng trên bản thuỷ tinh hay polyme cứng, hoặc là sự phân bố của chất trên bản giấy xốp sắc ký là khác nhau để tạo ra sự tách sắc ký của các chất. Trong quá trình sắc ký các chất sẽ di chuyển khác nhau tạo ra mỗi chất sẽ có một vùng riêng trên bản mỏng và tách khỏi nhau. Vì thế míi có tên là sắc ký phẳng (sắc ký bản mỏng và sắc ký giấy). Vì quá trình sắc ký xẩy ra trên một mặt phẳng nhỏ (ví dụ 4x20 cm) của nguyên liệu có tính chất sắc ký, đó là bản giấy sắc ký hay bản mỏng Silicagel. Đặc trưng cho quá trình sắc ký của các chất phân tích ở đây là hệ số chạy R f của chất trên mặt phẳng tách (tấm giấy hay bản mỏng Silicagen). Trong một hệ pha sắc ký và trong một điều kiện nhất định phù hợp, mỗi chất phân tích sẽ có hệ số R này khác nhau và tạo ra sự sắc ký của các chất trong một hỗn f hợp mẫu. Hệ số R này được xác định bởi: f + Bản chất của các chất sắc ký (giấy sắc ký hay Silica gel), + Bản chất của các chất phân tích trong mẫu, + Bản chất và tính chất của hệ pha động chạy (hay khai triển) sắc ký, + Điều kiện chạy sắc ký, chủ yếu là nhiệt độ và áp suất hơi pha động trong bình triển khai sắc ký. 5.8.5.2. Các trang bị, cách tiến hành và ví dụ 46/47
  47. Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa - Viện KNATVSTP quốc gia Muốn thực hiện tách chất theo kiểu này chúng ta phải có các hệ trang bị sắc ký phẳng, nó bao gồm: • Các loại bản mỏng sắc ký, có thể là: + Bản mỏng Silicagel hay oxit Al trên tấm thuỷ tinh hay PE + Bản giấy sắc ký xốp có khả năng hấp phụ các chất phân tích. • Các hệ dung môi để hoà tan mẫu phân tích, • Các bình hay hộp để chạy sắc ký (triển khái sác ký). • Pha động hay hệ dung môi chạy sắc ký (phát triển sắc ký). • Bộ trang bị để phát hiện các chất sau khi tách ở trên bản mỏng. Tuỳ loại chất phân tích, mà chúng ta có thể chọn hệ pha sắc ký giấy hay sắc ký líp mỏng Silicagel hoặc oxit nhôm. Bản mỏng hay giấy sắc ký sau khi chấm mẫu (nhỏ mẫu) lên được làm khô và ngâm vào dung môi (pha động) trong bình chạy sắc ký. Lúc này các chất phân tích sẽ chạy theo dung môi từ dưíi lên trên, và tạo thành từng vùng chất sau một thời gian nhất định. Sau khi chạy sắc ký, làm khô bản sắc ký, phun chất hiện mầu để nhận biết các vùng chất và tách các vùng mẫu để hoà tan vào dung môi phù hợp và xác định các chất bằng các phương pháp phổ phân tử (hấp thụ UV-VIS ), HPLC, hay GC. Cũng có thể đo trực tiếp cường độ mầu trên vùng mẫu bằng máy phổ phản xạ UV-VIS, hay các máy Densitometer. 47/47