Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa

Xử lý mẫu là gì - Xử lý mẫu là quá trình hoà tan dissolution và phân huỷ digestion, pháhuỷ cấu trúc mẫu ban đầu lấy từ đối tượng cần phân tích, để giải phóng vàchuyển các chất cần xác đ

XỬ LÝ MẪU TRONG PHÂN TÍCH HÓA THỰC PHẨM

Xử lý mẫu trong phân tích thực phẩm là khâu hết sức quan trọng, mộttrong 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 lýkhác 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), pháhuỷ cấu trúc mẫu ban đầu lấy từ đối tượng cần phân tích, để giải phóng vàchuyển các chất cần xác định về một dạng đồng thể phù hợp (ví dụ dạngdung dịch) cho một phép đo đã chọn để xác định hàm lượng của chất màchúng ta mong muốn

Ví dụ hòa tan mẫu hợp kim Al trong axit HNO3 45% để được dung dịch xácđịnh 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, theophương 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 nhấtphù hợp với kỹ thuật phân tích

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 chấttan được trong dung dịch nước, sau đó míi xác định được chúng trong dungdịch 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 nhaunhư rắn từng cục, từng mảnh, hay lỏng, khí, và huyền phù Không thể chonguyên mẫu như thế vào các máy để đo và xác định được phải xử lý để đưacác chất cần phân tích (cần xác định) về trạng thái phù hợp nhất cho mộtphương 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 hàmlượng của nó trong một tổ hợp phức tạp, bền vững và bị các nguyên tố, cácchất 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 địnhlượng tốt và đúng theo phương pháp đã chọn

Vậy muốn phân tích một đối tượng nào, chúng ta phải lấy mẫu, xử lýphù hợp để có được một trạng thái hay một dung dịch mẫu phân tích xácđịnh 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

Trên cơ sở các yếu tố đó chúng ta chọn cách xử lý phù hợp cho chất phântích

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 bộngay 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

• 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, ốngnghiệm, cốc, thường từ vài giờ đến hàng chục giờ, cũng tuỳ loại mẫu, bảnchất 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

Trong cách xử lý ướt người ta thường dùng các loại dung dịch axit đặc và cótính oxy hoá mạnh, song tất nhiên chọn loại axit nào là tuỳ thuộc vào bảnchất của chất nền (matrix) của mẫu và chất phân tích tồn tại trong mẫu đó,

ví dụ:

+ Dùng 1 axit đặc: HCl, HF, H3PO4, H2SO4,

+ Dùng 1 axit có tính oxy hoá: HNO3, H2SO4, HClO4,

+ Hỗn hợp 2 axit: Cường thuỷ, (HCl+HNO3),(HNO3+H2SO4),(HF+H2SO4), + Hỗn hợp 3 axit: (HCl + HNO3 + H2SO4), ( HNO3 + H2SO4 + HClO4),

+ Hỗn hợp 1 axit và chất ôxy hoá: (H2SO4+ KMnO4), (HNO3+H2O2),

+ Hỗn hợp 2 axit và 1 chất oxy hoá mạnh (HNO3+ H2SO4+ KMnO4),

+ Dung dịch muối có pH nhất định (KCl 1M, pH=5, NH4Ac 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 sôicủa dung dịch axit dùng để phân huỷ mẫu Khi cần nhiệt độ sôi cao thì phảidùng 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

Với hỗn hợp axit:

Tất nhiên khi dùng hỗn hợp, thì nhiệt độ sôi của dung dịch axit hỗn hợp làtuỳ thuộc vào thành phần của 2 hay 3 axit ta dùng trộn vào nhau và nhiệt độsôi của dung dịch phân huỷ sẽ nằm giữa nhiệt độ của hai axit được trộn vớinhau Vì thế với các chất mẫu khó phân huỷ (khó xử lý) chúng ta phải dùngcác 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),

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 cótính oxy hoá mạnh trong bình kendan và trong lò vi sóng hệ kín đang đượcdùng 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 phântích

2.1.3 Cơ chế và các tác nhân phân huỷ mẫu

2.1.3.1 Cơ chế của sự phân huỷ mẫu

+ 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 mẫuvới nhau làm chúng bị bào mòn dần

Các tác nhân này tấn công và bào mòn dần các hạt mẫu từ ngoài vào, làmcho các hạt mẫu bị mòn dần dần, bé dần rồi tan mất hết, khi chúng ta đunmẫu trong bình Kendan hay trong cốc trong một thời gian nhất định

Ngoài các tác nhân phân huỷ như trên, trong lò vi sóng còn có sự phá vỡ từtrong lòng hạt mẫu ra ngoài, do các phân tử nước hấp thụ (>90%) nănglượng vi sóng và nó có động năng rất lín, nên chúng có chuyển động nhiệtrất 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 phânhuỷ 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 gianngắn (30-70 phút) mà lại triệt để

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 phântích, 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 vỡcác 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 cáchợp chất hữu cơ và mùn tạo ra khí CO2 và nước, để giải phóng các kim loạitrong 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 vànhờ 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 ứnghoá học xẩy ra, như phản ứng oxy hoá khử, phản ứng thuỷ phân, phản ứngtạo phức, phản ứng hoà tan, phản ứng kết tủa, v.v của các phần tử chất mẫuvới 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 tanmẫu

25 mL Trong quá trình xử lý này các nguyên tố kim loại ở dạng các hợpchất 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 họcchính:

(Mẫu) +HNO3 + H2O2 → Men(NO3)m + H2O + CO2+ NO2

(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-,AsO43-, SO42-, PO43-, SiO32, 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

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 đặcnóng (NaOH, KOH 15-20%), hay hỗn hợp của kiềm mạnh và muối kim loạikiềm (NaOH +NaHCO3), hay một kiềm mạnh và peroxit (KOH + Na2O2),nồng độ lín (10 -20%), để phân huỷ mẫu phân tích trong điều kiện đun nóngtrong 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 kínchỉ cần thời gian 1-2 giờ

Nhiệt dộ phân huỷ: Là nhiệt độ sôi của dung dịch kiềm Nó thường trongvùng 150 -200 oC

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 cácquá 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 khỏimẫu 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 + Na2O2),

• Hỗn hợp kiềm đặc nóng có chất khử (KOH+NaHSO3),

• Hỗn hợp kiềm mạnh và một muối (NaOH + NaHCO3), (KOH+Na2CO3),

• Hỗn hợp kiềm, một muối và peroxit (KOH+ NaHCO3+ H2O2),

• Hỗn hợp kiềm, một muối và peroxit kiềm (KOH+ NaHCO3+ Na2O2), v.v

Quá trình phân huỷ

• Quá trình phân huỷ được thực hiện khi đun sôi dung dịch mẫu, trong mộtthời 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 chỉmất khoảng 40 - 70 phút, tuỳ loại mẫu

• Cơ chế phá vỡ (phân huỷ) mẫu theo cách này cũng tương tự như trongtrường hợp dùng các axit ở trên, trong hệ hở hay hệ kín, nhưng ở đây tácnhân 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 Nóichung trong vùng từ 115 – 230 oC, tuỳ thuộc nồng độ của kiềm và muối cótrong dung dịch phân huỷ mẫu và đây là một yếu tố thúc đẩy sự phân huỷxẩy 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 trạngthái tinh thể rắn ôxit sang ion tan trong dung dịch là muối NaAlO2 và khíhydro theo phản ứng:

Al2O3 + NaOH → H2 + NaAlO2 + H2O

2.2.4 Các ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng

Kỹ thuật xử lý ướt trong dung dịch kiềm đặc nóng cũng có ưu điểm là hầunhư không làm mất các chất phân tích, nhất là các nguyên tố có hợp chất dễbay 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 rấtkhó, chỉ bằng cách trung hoà bằng axit, song lại làm loãng mẫu và dễ dàngnhiễm 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 mộtnhược điểm lín của kỹ thuật này

Vì thế cách này chỉ được dùng cho một số trường hợp, mà cách xử lý axitcho kết quả không tốt Ví dụ phân huỷ mẫu xác định một số anion vô cơ, phikim hay á kim, như các chất: Cl1-, Br1-, NO31-, SO42-, PO43-,v.v trong các đốitượng mẫu sinh học và một số mẫu thực phẩm không xử lý được bằngphương 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

xử lý mẫu trong lò nung ở một nhiệt độ thích hợp (450-750 oC), song thựcchất 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 dịchaxit phù hợp, thì mới chuyển được các chất cần phân tích trong tro mẫu vàodạng dung dịch, để sau đó xác định nó theo một phương pháp đã chọn Khinung các chất hữu cơ của mẫu sẽ bị đốt cháy thành CO2 và nước

3.1.2 Nhiệt độ nung: Nhiệt độ nung xử lý mẫu thường trong vùng 450 -750

oC, tuỳ thuộc vào mỗi loại mẫu (chất nền và cấu trúc của nó) và các chất cầnphân tích và đó là yếu tố quyết định Nhưng phải đảm bảo đốt cháy được hếtcác chất hữu cơ và không làm mất chất phân tích Ví dụ khi nung xử lý cácmẫu rau quả và thực phẩm ở nhiệt độ từ 500 –550oC, để xác định các kimloại 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%, màchúng 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,

+ Các axit: HNO3, H2SO4, H3PO4, với nồng độ phù hợp,

+ Một số muối: KNO3, Ca(NO3)2, Mg(NO3)2, LiBO2, Na2B4O7,

+ Hỗn hợp axit và muối: (Mg(NO3)2+ HNO3), (HNO3 + H2SO4),

+ Hỗn hợp kiềm và muối: (KOH + NaHCO3), (KOH+ Na2SO4),

+ Hỗn hợp muối và peroxit: (KHCO3 + Na2O2), (NaHCO3 + Na2O2),

+ Hỗn hợp kiềm mạnh và peroxit: (NaOH + Na2O2), (KOH + Na2O2)

+ Hỗn hợp kiềm, muối và chất oxyhóa (KOH+NaHCO3+Na2O2)

+ Hỗn hợp kiềm và muối pyrosnphat (KOH + Na2S4O7), v.v

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 củamỗi 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, CO2, SO2,

+ Có một số tương tác hoá học của các chất với nhau, tương tác với chất phụgia 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 hạtmẫu 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 điềukiện 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,

• Các điều kiện nung, trong đó nhiệt độ là yếu tố chính, sau đó là môi trườngnung là không khí, hay trong khí trơ (Ar, N2, He, )

Kết quả của sự nung có thể xẩy ra các quá trình tạo ra các sản phẩm có thànhphần đơn giản hơn, ví dụ trong bảng 2.2, nên chúng dễ hoà tan được trongaxit 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 đóđược 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

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 lýmẫu sơ bộ nhờ tác dụng chỉ của năng lượng nhiệt (nhiệt độ) thích hợp trongmột thời gian nhất định, để phá vỡ cấu trúc tinh thể dạng ban đầu của mẫuphân tích, đốt cháy chất hữu cơ, để chuyển nó sang một dạng các hợp chấtkhác 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 chúngtheo 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, rồiđem nung 3 giờ đầu ở nhiệt độ 450 oC, sau đó nâng lên 550 oC, cho đến khimẫu hết than đen, sẽ được tro mẫu trắng Sau đó hoà tan tro thu được trong12-15 mL dung dịch HCl 18% (1/1), và có 0,5 mL HNO3 65%, đun nhẹ chotan hết, đuổi hết axit dư đến còn muối ẩm và định mức thành 25 mL bằngdung 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, kiềmthổ và Fe, Mn, Ni

+ Theo cách này, thông thường một số nguyên tố trong mẫu sẽ có thể bị mấtkhi 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 trìnhnung Sự mất này càng nhiều khi nung mẫu ở nhiệt độ càng cao, hay thờigian nung càng lâu Như ví dụ 1 ở trên, nếu nung mẫu ở nhiệt độ 550 oC, Cd,

và Pb sẽ mất từ 12-10%, khi ở 600 oC, 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

bộ nhờ tác dụng của nhiệt độ thích hợp (500-600oC ), có thêm tương tác hỗtrợ của chất phụ gia để hạn chế sự mất một số nguyên tố như cách nungkhông 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, đểchuyển 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 mấtchất phân tích Nhất là các mẫu có cấu trúc bền, chịu nhiệt, hay mẫu matrixhữu 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 H2SO4 45% và 2g KNO3 (hay 2 g LiBO3 )), trộnđều, sấy khô cẩn thận cho mẫu khô (mẫu dễ sùi bọt và bắn, cẩn thận và đunnhẹ ) và thành than đen, sau đó đem nung 3 giờ đầu ở nhiệt độ 400-450 oC,rồi sau đó ở 550 oC, đến khi hết than đen, được tro mẫu trắng Sau đó hoà tantro thu được trong 15 mL dung dịch HCl 18% và 1 mL HNO3 65%, đun nhẹcho 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

90 - 94 97-100 93-95 71-83 97-99 95-97 90-96 97-99 97-99 70-84 98-99 92-95 91-96 97-98 95-98 92-94

HNO 3 +H 2 SO 4

Khô:

93-97 97-100 98-99

Mẫu thí nghiệm ở bảng trên: Là các loại:

+ Khoai lang và khoai tây

+ Rau muống, rau cải, bắp cải và xu hào

và tạo điều kiện giữ một số nguyên tố có thể bay hơi khi nung Sau đó míinung ở nhiệt độ thích hợp Vì thế lượng axit dùng để xử lý thường chỉ bằng1/4 hay 1/5 lượng cần dùng cho xử lý ướt Sau đó nung sẽ nhanh hơn và quátrình xử lý sẽ triệt để hơn xử lý ướt, đồng thời lại hạn chế được sự mất củamột số kim loại khi nung Do đó đã tận dụng được ưu điểm của cả hai kỹthuật xử lý ướt và xử lý khô, nhất là giảm bít được các hoá chất (axit haykiềm tinh khiết cao) khi xử lý ướt, sau đó hoà tan tro mẫu sẽ thu được dungdịch mẫu trong, vì không còn chất hữu cơ và sạch hơn tro hoá ướt bìnhthường

♦ Các quá trình vật lý và hoá học xẩy ra khi xử lí là tương tự như trong xử líướt 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 theokhông 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 phikim Những phòng thí nghiệm không có thiết bị lò vi sóng, thì đây là mộtcách tốt cho việc xử lý mẫu xác định các kim loại nặng trong các đối tượngmẫu sinh học, mẫu môi trường và quặng đất đá

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 đómíi nung, nên tính chất và sự diễn biến của nó cũng tương tự như trong haikiểu đã nói trên Chỉ có khác là sau khi xử lý mẫu không phải đuổi lượngaxit 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 HNO3 45% và 5 mL Mg(NO3)2 5%, trộn đều, rồi sấy, hayđun nhẹ trên bếp điện cho mẫu sôi và đến khi khô thành than đen dòn Sau

đó đem nung lúc đầu ở 400-450 oC trong 3 giờ, rồi nâng lên 550oC, đến hếtthan đen Hoà tan tro thu được trong 20 mL dung dịch HCl 1/1 và có thêm 1

mL HNO3 65%, đun nóng cho tan, làm bay hơi hết axit dư đến còn muối ẩm,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 HNO3 45%, 2 mL H2SO4 98% và 5 mL Mg(NO3)2 5% ( hay KNO3), trộnđều, để xử lý ướt sơ bộ sấy mẫu trên bếp điện hay trong tủ sấy cho đến khikhô và thành than đen dòn Sau đó nung ở 400-450 oC trong 3 giờ, tiếp đó ở

550 oC cho mẫu tro hoá đến khi thấy bã không còn đen Hoà tan tro thu đượctrong 18 mL HCl 1/1và có thêm 1,0 mL HNO3 65%, đun nóng cho mẫu tanhoàn toàn, đuổi hết axit dư đến còn muối ẩm, và định mức thành 25 mLbằng axit HCl 2% Đây là dung dịch mẫu để xác định các kim loại bằng cácphương pháp UV-VIS, hay AAS, hay ICP-OES, hoặc ICP-MS

♦ 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 H2SO4 75% và 3 mL Mg(NO3)2 5% , trộn đều, để xử lý