Bài giảng : Kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa part 1 docx

Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa 1/46 XỬ LÝ MẪU TRONG PHÂN TÍCH HÓA THỰC PHẨM 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 3 45% để được dung dịch xác 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. Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa 2/46 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. Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa 3/46 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 2 SO 4 ), hay axit mạnh, đặc và nóng có tính ôxy hoá mạnh (HNO 3 , HClO 4 ), hoặc hỗn hợp 2 axit ( HNO 3 + H 2 SO 4 ), hay 3 axit (HNO 3 + H 2 SO 4 + HClO 4 ), hoặc là 1 axit đặc và một chất ôxy hoá mạnh (H 2 SO 4 + KMnO 4 ), v.v. để phân huỷ mẫu trong điều kiện đun 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 Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa 4/46 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 3 PO 4 , H 2 SO 4 , + Dùng 1 axit có tính oxy hoá: HNO 3 , H 2 SO 4 , HClO 4 , + Hỗn hợp 2 axit: Cường thuỷ, (HCl+HNO 3 ),(HNO 3 +H 2 SO 4 ),(HF+H 2 SO 4 ), + Hỗn hợp 3 axit: (HCl + HNO 3 + H 2 SO 4 ), ( HNO 3 + H 2 SO 4 + HClO 4 ), + Hỗn hợp 1 axit và chất ôxy hoá: (H 2 SO 4 + KMnO 4 ), (HNO 3 +H 2 O 2 ), + Hỗn hợp 2 axit và 1 chất oxy hoá mạnh (HNO 3 + H 2 SO 4 + KMnO 4 ), + Dung dịch muối có pH nhất định (KCl 1M, pH=5, NH 4 Ac 1M pH-6, ). 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 3 H 2 SO 4 H 3 PO 4 HClO 4 HF Ng đ ộ(%) 36 65 98 78 72 40 T(sôi) o C 110 121 280 213 203 120 V ới h ỗn hợp axit: Lo ại hỗn hợp của Th à nh ph ần (V/V) Nhiệt độ sôi o C C ư ờng thuỷ (HCl/HNO 3 ): 3/1 116 - 118 Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa 5/46 (HNO 3 + H 2 SO 4 ): 4/1 130 - 135 (HNO 3 + H 2 SO 4 ): 3/2 150 - 155 (HNO 3 + H 2 SO 4 + HclO 4 ): 4/2/2 137 - 140 (HF+ H 2 SO 4 ): 2/1 130 - 150 (HNO 3 + H 2 SO 4 + HF ) 2/1/1 120 - 130 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), Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa 6/46 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. Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa 7/46 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 2 và nước, để giải phóng các kim loại 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 3 + H 2 O 2 ), trong 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 Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa 8/46 HNO 3 65%, 5 mL H 2 O 2 30%, cắm phễu nhỏ vào bình kendan, lắc đều và đun 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 3 + H 2 O 2 → Me n (NO 3 ) m + H 2 O + CO 2 + NO 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 - , AsO 4 3- , SO 4 2- , PO 4 3- , SiO 3 2 , trong các mẫu sinh học, mẫu hữu cơ, mẫu vô cơ, mẫu môi trường, mẫu đất, mẫu nước, mẫu bụi không khí, mẫu kim loại, hợp kim, rau quả và thực phẩm, v.v. Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa 9/46 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 3 ), hay một kiềm mạnh và peroxit (KOH + Na 2 O 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 vùng 150 -200 o 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 2 O 2 ), Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa 10/46 • Hỗn hợp kiềm đặc nóng có chất khử (KOH+NaHSO 3 ), • Hỗn hợp kiềm mạnh và một muối (NaOH + NaHCO 3 ), (KOH+Na 2 CO 3 ), • Hỗn hợp kiềm, một muối và peroxit (KOH+ NaHCO 3 + H 2 O 2 ), • Hỗn hợp kiềm, một muối và peroxit kiềm (KOH+ NaHCO 3 + Na 2 O 2 ), v.v. 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 chung trong vùng từ 115 – 230 o 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 2 và khí hydro theo phản ứng: Al 2 O 3 + NaOH → H 2 + NaAlO 2 + H 2 O 2.2.4. Các ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng . 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. Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa 1/ 46 XỬ LÝ MẪU TRONG PHÂN TÍCH HÓA THỰC PHẨM Xử lý mẫu trong phân tích thực phẩm là khâu hết sức quan. liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa 5/46 (HNO 3 + H 2 SO 4 ): 4 /1 13 0 - 13 5 (HNO 3 + H 2 SO 4 ): 3/2 15 0 - 15 5 (HNO 3 + H 2 SO 4 + HclO 4 ): 4/2/2 13 7 - 14 0