Phương pháp SPME và Ứng dụng (Solid-phase microextraction)

Bài trình bày về phương pháp vi chiết pha rắn và ứng dụng "Phương pháp SPME và Ứng dụng (Solid-phase microextraction)"

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

-oOo -

Tp.HCM, ngày 19 tháng 12 năm 2013

MỤC LỤC

1 GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP SPME 3

2 THIẾT BỊ SPME 3

3 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN KỸ THUẬT SPME 5

4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TRONG SPME 8

a Pha tĩnh 8

b Phương pháp tách chiết 8

c Sự khuấy trộn (chỉ dành cho mẫu lỏng) 9

d Thể tích mẫu và thể tích vùng headspace 9

e Nhiệt độ 9

f Điều kiện giải hấp phụ 9

5 ƯU - NHƯỢC ĐIỂM CỦA PHƯƠNG PHÁP SPME 10

a Ưu điểm 10

b Nhược điểm 10

6 ỨNG DỤNG CỦA PHƯƠNG PHÁP SPME 11

TÀI LIỆU THAM KHẢO 18

1 GIỚI THIỆU PHƯƠN G PHÁP SPME

SPME có tên đầy đủ là Solid-Phase Microextration, còn gọi là phương pháp vi chiết pha rắn, là một kỹ thuật tách chiết, làm giàu, làm tăng nồng độ các chất phân tích mà không cần dùng bất cứ một dung môi trích ly nào Nguyên lý tách của kỹ thuật này là do sự phân

bố của các cấu tử phân tích giữa pha lỏng (hay pha khí) với một pha là lớp hấp phụ mỏng bằng polymer được phủ bên ngoài sợi silica của thiết bị SPME Các cấu tử phân tích bám trên sợi silica thường sẽ được giải hấp trực tiếp vào buồng hóa hơi của thiết bị sắc ký khí

GC hoặc được rửa giải bằng dung môi thích hợp trong thiết bị sắc lý lỏng LC/HPLC

Kỹ thuật SPME được phát minh bởi nhà khoa học Janusz Pawliszyn và đồng nghiệp vào năm 1990 khi tiến hành phân tích các hợp chất hóa học trong môi trường Kỹ thuật này

có thể sử dụng để phân tích các cấu tử rất đa dạng trong cả thể rắn, lỏng và khí Đây là kỹ thuật dựa trên nguyên lý cân bằng giữa hai pha, và để phân tích định lượng chính xác thì quá trình tách cấu tử phân tích từ pha này sang pha khác phải được điều khiển vô cùng nghiêm ngặt Mỗi cấu tử cần phân tích đểu có sự khác nhau về độ phân cực, độ bay hơi, hệ

số phân bố trong pha nước và pha dầu, thể tích trong mẫu và trong không gian hơi trên mẫu, tốc độ dịch chuyển khi khuấy trộn…

Quá trình thực hiện kỹ thuật SPME khá đơn giản, không cần sự hỗ trợ của các dung môi hữu cơ và cũng không cần gia nhiệt mẫu nên sự hình thành các cấu tử thứ cấp không mong muốn cũng giảm đáng kể

2 THIẾT BỊ SPME

Hình 1.1 dưới đây mô tả thiết bị SPME được sản xuất bởi công ty Supelco Ngày nay, người ta đã sản xuất các thiết bị có nguyên lý tương tự nhưng có thể tiến hành bơm mẫu tự động

Hình 1.1: Cấu tạo thiết bị SPME

Thiết bị có dạng một ống tiêm, có piston gắn lò xo và một bộ phận chứa gọi là ống Barrel cho phép piston dịch chuyển, thay đổi vị trí trong quá trình tách cấu tử hay khi giải hấp phụ Trong ống Barrel có chứa một kim tiêm bằng thép không gỉ và bên trong kim tiêm

là một ống cũng làm bằng thép không gỉ được gắn chặt với sợi chiết silica biến tính ngắn và mỏng (dài khoảng 1cm, đường kính ngoài khoảng 0.1mm) và có thể chịu được nhiệt độ cao Chức năng của kim tiêm là đâm xuyên qua vách ngăn giữa bộ phận chứa mẫu và bộ phận tiêm mẫu vào thiết bị sắc ký, đồng thời nó còn dùng để bảo vệ sợi silica không bị vỡ trong khi lưu giữ và sử dụng

Sợi chiết được phủ bên ngoài bằng một lớp pha tĩnh Pha tĩnh này chính là tác nhân hấp phụ để tách các cấu tử ra khỏi mẫu phân tích Và thường là lớp polymer có bề dày xác

định, có thể là loại không phân cực như Polydimethyl Siloxane (PDMS) hay phân cực hơn như Carbowax, Polyacrylate (PA)… Người ta cũng có thể kết hợp các loại polymer với nhau như Carboxen, PDMS, Carbowax, polymer của divinylbenzene… để tạo ra các pha tĩnh có những đặc tính riêng dùng để tách các loại hợp chất khác nhau

thiết phải đạt trạng thái cân bằng hấp phụ sớm hơn thì người ta có thể dùng pha tĩnh PDMS

có nhiệt độ bay hơi cao hoặc khi cần phải giải hấp phụ ở nhiệt độ cao trước khi đưa vào sắc

ký khí GC Pha tĩnh có bề dày lớn hơn thích hợp với những hệ cần đạt cân bằng hấp phụ trong thời gian dài nhưng những sợi này sẽ nhạy hơn và hấp phụ được cả những cấu tử có khối lượng phân tử lớn

3 CÁC BƯ Ớ C THỰ C HIỆN KỸ THUẬ T

SPME

Kỹ thuật chiết SPME gồm hai bước:

- Phân bố cấu tử phân tích giữa mẫu và sợ chiết

- Cấu tử phân tích đã làm giàu được giải hấp phụ từ pha tĩnh của sợ chiết và chuyển và thiết bị phân tích sắc ký (GC, LC, HPLC…)

Hình 1.2: Các bước tiến hành kỹ thuật SPME

Để thực hiện quá trình chiết, mẫu khí hay lỏng hoặc mẫu rắn chứa cấu tử cần phân tích (với mẫu rắn, các cấu tử cần phải dễ bay hơi) được đặt trong lọ đóng kín bằng nút có vách ngăn Trước khi tiến hành phân tích, sợi chiết phải được làm sạch bởi vì pha tĩnh có thể hấp phụ các chất trong không phí trước đó và sẽ tạo ra các peak lạ khi sắc ký

Khi lấy mẫu, có hai cách là lấy trực tiếp (DI – direct immersion) và lấy gián tiếp qua không gian hơi phía trên mẫu (HS – headspace)

- Nếu lấy mẫu trực tiếp, kim tiêm sẽ đâm xuyên qua vách ngăn Sau đó, piston sẽ di chuyển đẩy sợi chiết lộ ra ngoài và tiếp xúc với mẫu khí hoặc được nhúng vào dung dịch mẫu lỏng Các cấu tử cần phân tích sẽ hấp phụ lên bề mặt pha tĩnh sợi chiết

- Nếu lấy mẫu gián tiếp bằng nguyên lý headspace, sợi chiết được đẩy ra ngoài nhưng chỉ nẳm trong phần không gian phía trên mẫu lỏng hoặc rắn Các cấu tử dễ bay hơi cần phân tích trong không gian headspace sẽ hấp phụ lên bề mặt pha tĩnh

Hình 1.3: Các kiểu lấy mẫu của SPME

Với riêng mẫu lỏng, cả hai cách lấy mẫu sẽ hiệu quả hơn nếu bổ sung thêm một lượng muối ăn vào dung dịch trước khi lấy mẫu, lượng muối này sẽ điều chỉnh lực ion trong dung

dịch và do đó sẽ cải thiện trạng thái cân bằng hấp phụ Có thể sử dụng thêm cánh khuấy để rút ngắn thời gian đạt cân bằng

Sau thời gian lấy mẫu thích hợp (từ 2 –30 phút), sợi chiết sẽ được rút vào trong kim tiêm và kim tiêm sẽ được tháo tách rời khỏi vách ngăn và rút ra khỏi lọ đựng mẫu Sau đó, kim tiêm chứa sợi chiết được đưa và bộ phận bơm mẫu của thiết bị sắc ký GC Lúc này, các cấu tử hấp phụ trên pha tĩnh của sợ chiết sẽ được giải hấp phụ bằng nhiệt nhờ nhiệt cung cấp từ bộ phận tiêm mẫu của GC và các cấu tử sẽ được di chuyển vào cột sắc ký khí Hoặc các cấu tử phân tích sẽ được giải hấp bằng thành phần pha động thích hợp của hệ thống sắc

ký lỏng LC hay HPLC

Mỗi loại sợi chiết silica đều có mức độ phù hợp khác nhau đối với các cấu tử khác nhau Nhưng nhìn chung, sợi chiết mang pha tĩnh là chất không phân cực như PMDS…thì

sẽ thu hồi tốt các cấu tử không phân cực Còn sợi chiết mang chất chất phân cực mạnh hơn như PA… thì sẽ nhạy khi phân tích cồn, phenol, aldehyde hơn là các ester và hydrocarbon

Bảng 1.1: So sánh hiệu quả tách cấu tử dễ bay hơi có trong 10pm rượu nho bằng phương pháp HS-SPME của sợi chiết phủ PDMS 100m và sợi phủ PA 85m

Từ bảng trên, ta thấy sợi phủ PA tách tốt các cấu tử có nhóm chức rượu (butanol, cis- 3-hexenol), benzaldehyde, các hợp chất phenol như eugenol; trong khi đó với các cấu tử

thuộc nhóm ester như ethyl acetate, hay nhóm hydrocacbon và pyridine thì khả năng tách kém hơn

4 CÁC YẾU TỐ Ả NH HƯ ỞNG TRONG SPME

a Pha tĩnh

Chất mang sử dụng làm chất hập phụ trong sợi chiết silica bao gồm một hoặc hai loại polymer như Polydimethyl Siloxane (PDMS), Polyacrylate (PA), Carboxen-PDMS, PDMS- polydivinylbenzene(PDVB), Carbowax-Divinylbenzene(DVB)… Nguyên tắc làm giàu cấu

tử như đã trình bày ở trên là nguyên tắc hấp phụ

Bề dày lớp chất mang PDMS thường là 7m, 30m, 100m; với PA là 85m,

Yêu cầu của pha tĩnh:

- Độ phân cực của pha tĩnh phải gần với độ phân cực của cấu tử cần tách

- Pha tĩnh phải chịu được các điều kiện nhiệt độ cao, pH, muối…

PDMS là một trong các pha tĩnh không phân cực chịu được các điều kiện khắc nghiệt nhất và có khả năng hấp phụ-giải hấp phụ nhiều lần Khi cần phân tích các cấu tử có độ phân cực thấp thì có thể sử dụng pha tĩnh PA

Với bề dày pha tĩnh của PDMS được nêu ra ở trên là do tính toán thực nghiệm dựa trên yêu cầu về độ nhạy và tốc độ hấp phụ:

hợp nồng độ cấu tử cần phân tích đủ cao)

hấp phụ ở nhiệt độ cao trước khi vào sắc ký khí GC

b Phương pháp tách chiết

Phương pháp HS thường được khuyến cáo sử dụng khi có thể vì khi đó là giảm tải trọng của sợi chiết do không phải hấp phụ những chất cao phân tử như protein… Vì vậy, tuổi thọ của sợi chiết cũng cao hơn Mặt khác, phương pháp HS cũng tránh được tính thuận nghịch trong hấp phụ nên tính chính xác cũng cao hơn Các cấu tử có phân tử khối dưới 200

hay cấu trúc không có những nhóm tạo liên kết hydro (-OH, -NH2…) rất phù hợp cho phương pháp HS vì chúng thường có áp suất hơi cao

Phương pháp SPME trực tiếp vào trong pha lỏng (direct SPME) thường sử dụng khi phương pháp HS cho các peak quá nhỏ

c Sự khuấy trộn (chỉ dành cho mẫu lỏng)

Thời gian để đạt trạng thái cân bằng hấp phụ sẽ rút ngắn nếu tiến hành khấy mẫu Các phương pháp khuấy thường sử dụng là khuấy từ, khuấy cơ học, khuấy nhờ vào sự chuyển động của sợi SPME, hoặc khuấy nhờ siêu âm

d Thể tích mẫu và thể tích vùng headspace

Với phương pháp HS, lượng cấu tử tách được sẽ càng nhiều khi thể tích mẫu càng lớn

ở mức giới hạn cho phép, đồng thời thể tích phần headspace nên nhỏ nếu những cấu tử bay hơi tốt

Với phương pháp Direct SMPE, thể tích mẫu không ảnh hưởng đế tốc độ tách cấu tử Tuy nhiên, đến nay, sự ảnh hưởng của thể tích mẫu và thể tích phần headspace đển thời gian tách cấu tử vẫn còn đang trong giai đoạn nghiên cứu

e Nhiệt độ

Theo nhiệt động học thì hằng số cân bằng của quá trình hấp phụ (bằng tỷ số nồng độ cân bằng của cấu tử trong sợi chiết và nồng độ cân bằng của cấu tử trong mẫu) giảm khi nhiệt độ giảm

Nhiệt độ ảnh hưởng nhiều nhất đến phương pháp DI-SPME do hệ số khuếch tán càng tăng khi nhiệt độ giảm nhưng khi đó thì độ nhạy sẽ giảm

Việc tăng nhiệt độ sẽ làm giảm độ nhạy của phương pháp SPME, tuy nhiên tốc độ tách cấu tử sẽ tăng

Nhưng nhìn chung, với mỗi loại mẫu, loại sợi chiết và loại cấu tử cần tách mà nhiệt độ thích hợp thường được xác định bằng thực nghiệm

f Điều kiện giải hấp phụ

Thời gian giải hấp phụ càng ngắn càng tốt Riêng với hệ thống GC, vì việc giải hấp dực trên nhiệt độ nên nhiệt độ cao nhất mà không làm phá hủy sợi chiết và các cấu tử phân tích thường được lựa chọn là nhiệt độ giải hấp phụ

Với sợi PDMS, nhiệt độ giải hấp phụ là 340oC (7m), 280oC (30 và 100m); sợi phủ

từ thực nghiệm

5 ƯU - NHƯ ỢC ĐI ỂM CỦ A PHƯƠNG PHÁ P SPME

a Ưu điểm

Các ưu điểm chính của phương pháp SPME là không cần dùng dung môi trích ly, thân thiên với môi trường, dễ thực hiện, ít tốn thiết bị và chi phí hơn so với phương pháp chiết khác, thời gian tiếp hành ngắn, dễ tự động hóa, độ nhạy cao

Bảng 1.2: So sánh SPME với các phương pháp khác

Phương pháp SPME có thể sử dụng để phân tích nhiều loại khác nhau như rắn, lỏng, khí, bao gồm cả hữu cơ, vô cơ, các cấu tử bay hơi hay không bay hơi…

b Nhược điểm

Do lượng cấu tử tách được là nhỏ làm cho độ nhạy của một số cấu tử có hàm lượng thấp là không đạt yêu cầu nên phương pháp SPME thường dùng để tách các cấu tử có hàm lượng tương đối cao (>0.1mg/L)

Làm bẩn dung dịch cần phân tích nếu dùng phương pháp DI-SPME

Thời gian giải hấp phụ lâu hơn các phương pháp chiết khác, thường 12-20 phút, do đó thời gian sắc ký cũng dài hơn

Sợi chiết sau mỗi lần sử dụng phải tốn thời gian vệ sinh

Sợi chiết dễ bị vỡ, hư hỏng, và chi phí thay sợi chiết mới là khá đắt…

6 Ứ NG DỤ NG CỦ A PHƯƠN G PHÁP SPME

Phương pháp SPME thường được sử dụng trong nhiều lĩnh vực cần sự chính xác và độ nhạy cao như phân tích thực – dược phẩm, môi trường, xét nghiệm pháp y – lâm sàng…

Bảng 1.3: Ứng dụng trong thực-dược –y học của SPME

Bảng 1.4: Ứng dụng SPME trong pháp y

13

Bảng 1.5: Ứng dụng SPME trong môi trường (khí, lỏng, rắn)

15

17

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 http://sigma-aldrich.com/spme

2 Arthur, C.L., Killam, L., Buchholz, K.D., Potter, D., Chai, M., Zhang, Z., Pawliszyn,

J., Solid-Phase Microextraction: An Attractive Alternative, Environmental Lab.11

(1992) 10-15

3 Pawliszyn, J Solid Phase Microextraction : Theory and Practice (1997) Publisher:

(VCH, New York, N Y.), 275

4 Ulrich, Solid-phase microextraction in biomedical analysis, Journal of

Chromatography A, 902 (2000) 167-194

5 L.J.Krutz, S.A.Senseman, A.S.Sciumbato, Solid-phase microextraction for herbicide

determination in environmental samples, Journal of Chromatography A, 999 (2003)

103-121

6 Kataoka,H.Recent, Advances in Solid-Phase Microextraction and Related

Techniques for Pharmaceutical and Biomedical Analysis, Current Pharmaceutical

Analysis, 1 (2005) 65-84

7 Florin Marcel Musteata, Janusz Pawliszyn, In vivo sampling with solid phase

microextraction, Journal of Biochemical and Biophysical Methods, 70 (2007) 181-

193

8 Pragst, Application of solid-phase microextraction in analytical toxicology Anal

Bioanal Chem., 388 (2007) 1393-1414

9 Vuckovic, D., E Cudjoe, D Hein, and J Pawliszyn Automation of Solid-Phase

Microextraction in High-Throughput Format and Application to Drug Analysis

Anal Chem 80 (2008) 6870-6880