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

Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa XỬ LÝ MẪU TRONG PHÂN TÍCH HĨA THỰC PHẨM Xử lý mẫu phân tích thực phẩm khâu quan trọng, yếu tố ảnh hưởng đến độ xác kết phân tích Tuỳ đối tượng mẫu, tuỳ tiêu phân tích mà phải có cách xử lý khác Yêu cầu chung kỹ thuật xử lý mẫu phân tích 1.1 Xử lý mẫu - Xử lý mẫu q trình hồ tan (dissolution) phân huỷ (digestion), phá huỷ cấu trúc mẫu ban đầu lấy từ đối tượng cần phân tích, để giải phóng chuyển chất cần xác định dạng đồng thể phù hợp (ví dụ dạng dung dịch) cho phép đo chọn để xác định hàm lượng chất mà mong muốn Ví dụ hịa tan mẫu hợp kim Al axit HNO 45% để dung dịch xác định Al tạp kim loại hợp kim Al - Xử lý mẫu có hai q trình xẩy đồng thời là: • Phá huỷ cấu trúc ban đầu chất mẫu (digestion of Sample Matrix), • Hịa tan giải phóng chất cần xác định dạng dung dịch đồng thể 1.2 Tại phải xử lý mẫu phân tích - Để đưa chất cần xác định trạng thái thích hợp cho phép đo, theo phương pháp phân tích chọn - Các kết phân tích phải phản ánh đại diện cho đối tượng cần nghiên cứu, theo dõi - Với phương pháp xác định, chất phân tích xác định xác tồn trạng thái định đồng phù hợp với kỹ thuật phân tích 1/44 Tài liệu giảng mơn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa Ví dụ: Để xác định kim loại (ví dụ: Fe, Cu, Mn, ) mẫu thịt, bỏ mẫu thịt vào máy quang phổ hấp thụ nguyên tử để đo, cần phải đưa kim loại tồn mẫu trạng thái ion hay hợp chất tan dung dịch nước, sau míi xác định chúng dung dịch - Mẫu phân tích có nhiều chủng loại, đa dạng, có thành phần đơn giản đến loại có thành phần phức tạp Chúng tồn trạng thái khác rắn cục, mảnh, hay lỏng, khí, huyền phù Không thể cho nguyên mẫu vào máy để đo xác định phải xử lý để đưa chất cần phân tích (cần xác định) trạng thái phù hợp cho phương pháp chọn để xác định - Các chất cần xác định tồn trạng thái liên kết hoá học khác nhau, hợp chất vô cơ, hữu khác nhau, có bền vững, lượng chất vị trí mẫu khơng đồng đều, nên khơng thể xác định hàm lượng tổ hợp phức tạp, bền vững bị nguyên tố, chất liên kết khác cản trở, cần phải xử lý mẫu để phá vỡ hợp chất mà chất phân tích tồn tại, đưa chúng sang dạng phù hợp để định lượng tốt theo phương pháp chọn Vậy muốn phân tích đối tượng nào, phải lấy mẫu, xử lý phù hợp để có trạng thái hay dung dịch mẫu phân tích xác định chất mong muốn - Việc xử lý mẫu theo cách nào, tuỳ thuộc vào: + Đối tượng mẫu, matrix mẫu + Bản chất, tính chất chất cần phân tích + Trạng thái tồn tại, cấu trúc vật lý hoá học chất mẫu + Phương pháp phân tích lựa chọn để xác định chúng + Hàm lượng chất cần xác định mức mẫu 2/44 Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa Trên sở yếu tố chọn cách xử lý phù hợp cho chất phân tích Ngày kỹ thuật xử lý mẫu phân tích dùng là: • Kỹ thuật vơ hố khơ (xử lý khơ), • Kỹ thuật vơ hố ướt (xử lý ướt) • Kỹ thuật vơ hố khơ- ướt kết hợp, • Các kỹ thuật chiết (lỏng-lỏng, chiết rắn-lỏng, chiết rắn-khí, ), • Các kỹ thuật sắc ký, v.v Tuy nhiên trình lấy mẫu số đối tượng cần phải xử lý sơ trước mang mẫu phịng thí nghiệm Kỹ thuật vơ hóa ướt (xử lý ướt) 2.1 Vơ hóa ướt axit mạnh đặc nóng 2.1.1 Nguyên tắc chất • Nguyên tắc chung • Dùng axit mạnh đặc nóng (ví dụ HCl, H2SO4), hay axit mạnh, đặc nóng có tính ơxy hố mạnh (HNO3, HClO4), hỗn hợp axit ( HNO3 + H2SO4), hay axit (HNO3 + H2SO4 + HClO4), axit đặc chất ơxy hố mạnh (H2SO4 + KMnO4), v.v để phân huỷ mẫu điều kiện đun nóng bình Kendan, ống nghiệm, cốc hay lị vi sóng • Lượng axit cần dùng để phân huỷ mẫu thường gấp 10 - 15 lần lượng mẫu, tuỳ thuộc loại mẫu cấu trúc vật lý hố học • Thời gian phân huỷ mẫu (xử lý) hệ hở, bình Kendan, ống nghiệm, cốc, thường từ vài đến hàng chục giờ, tuỳ loại mẫu, chất chất Cịn lị vi sóng hệ kín cần 50 - 90 phút Các dung dịch axit dùng để hoà tan xử lý mẫu 3/44 Tài liệu giảng mơn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa Trong cách xử lý ướt người ta thường dùng loại dung dịch axit đặc có tính oxy hoá mạnh, song tất nhiên chọn loại axit tuỳ thuộc vào chất chất (matrix) mẫu chất phân tích tồn mẫu đó, ví dụ: + Dùng axit đặc: HCl, HF, H3PO4, H2SO4, + Dùng axit có tính oxy hố: HNO3, H2SO4, HClO4, + Hỗn hợp axit: Cường thuỷ, (HCl+HNO3),(HNO3+H2SO4),(HF+H2SO4), + Hỗn hợp axit: (HCl + HNO3 + H2SO4), ( HNO3 + H2SO4 + HClO4), + Hỗn hợp axit chất ơxy hố: (H2SO4+ KMnO4), (HNO3+H2O2), + Hỗn hợp axit chất oxy hoá mạnh (HNO3+ H2SO4+ KMnO4), + Dung dịch muối có pH định (KCl 1M, pH=5, NH4Ac 1M pH-6, ) Nhiệt độ dung dịch phân huỷ mẫu Nhiệt độ sôi hỗn hợp mẫu xử lý mẫu phụ thuộc vào nhiệt độ sôi dung dịch axit dùng để phân huỷ mẫu Khi cần nhiệt độ sơi cao phải dùng axit có nhiệt độ sơi cao (bảng 2.1) Trong hệ kín áp suất cao tạo nhiệt độ sôi cao, tuỳ thuộc vào loại axit dùng để phân huỷ mẫu Bảng 2.1 Nhiệt độ sôi dung dịch axit đặc Với axit đơn: Axit HCl HNO3 Ng độ(%) 36 65 o T(sôi) C 110 121 Với hỗn hợp axit: Loại hỗn hợp Cường thuỷ (HCl/HNO3): (HNO3+ H2SO4): (HNO3+ H2SO4 ): (HNO3+ H2SO4 + HclO4 ): (HF+ H2SO4 ): (HNO3+ H2SO4 + HF ) H2SO4 H3PO4 HClO4 HF 98 280 78 213 72 203 Thành phần (V/V) 3/1 4/1 3/2 4/2/2 2/1 2/1/1 4/44 40 120 Nhiệt độ sôi oC 116-118 130-135 150-155 137-140 130-150 120-130 Tài liệu giảng mơn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa Tất nhiên dùng hỗn hợp, nhiệt độ sôi dung dịch axit hỗn hợp tuỳ thuộc vào thành phần hay axit ta dùng trộn vào nhiệt độ sôi dung dịch phân huỷ nằm nhiệt độ hai axit trộn với Vì với chất mẫu khó phân huỷ (khó xử lý) phải dùng axit hỗn hợp axit có nhiệt độ sơi cao tính oxy hố mạnh 2.1.2 Các kiểu vơ hóa ướt Việc xử lý mẫu theo phương pháp ướt, thực trang bị dụng cụ khác nhau, tuỳ thuộc phịng thí nghiệm có loại nào, ví dụ: Trong điều kiện thường: + Xử lý cốc thuỷ tinh, đun nóng bếp điện hay nồi cách thuỷ + Xử lý bình Kendan thường đun nóng + Xử lý bình Kendan có ống sinh hàn hồi lưu dung mơi, v.v Trong hộp kín Mẫu để hộp kín, thêm dung dịch axit để phân huỷ mẫu, đậy kín, sau thực phân huỷ cách: + Sấy tủ sấy, bếp cát, lò nung nhiệt độ thích hợp + Ngâm hay luộc hộp mẫu nồi nước sôi, hay dầu sôi, v.v Xử lý mẫu lị vi sóng (trong hệ kín hở), như: a/ Trong hệ lị vi sóng đơn giản điều khiển tay: + Hệ bình mẫu hở, + Hệ bình mẫu đóng kín (có áp suất cao), b/ Trong hệ nhiều bình 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 kiểu xử lý ướt này, kỹ thuật xử lý ướt với axit đặc có tính oxy hố mạnh bình kendan lị vi sóng hệ kín dùng nhiều Với nước phát triển, phổ biến cách xử lý 5/44 Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa lị vi sóng, triệt để, nhanh lại không lo ngại chất phân tích 2.1.3 Cơ chế tác nhân phân huỷ mẫu 2.1.3.1 Cơ chế phân huỷ mẫu • Trong điều kiện thường hệ hở, tác nhân phân huỷ mẫu là: + Tác dụng phá huỷ hoà tan hạt (phần tử) mẫu axit, + Tác nhân lượng nhiệt, làm tan rã hạt mẫu với axit, + Sự khuyếch tán đối lưu, chuyển động nhiệt va chạm hạt mẫu với làm chúng bị bào mòn dần Các tác nhân cơng bào mịn dần hạt mẫu từ vào, làm cho hạt mẫu bị mòn dần dần, bé dần tan hết, đun mẫu bình Kendan hay cốc thời gian định • Trong lị vi sóng: Ngồi tác nhân phân huỷ trên, lị vi sóng cịn có phá vỡ từ lịng hạt mẫu ngồi, phân tử nước hấp thụ (>90%) lượng vi sóng có động lín, nên chúng có chuyển động nhiệt mạnh, làm căng xé hạt mẫu từ Thêm vào lại hệ kín, nên có áp suất cao làm nhiệt độ sơi lại cao tác nhân phân huỷ mạnh nhất, thúc đẩy q trình phân huỷ mẫu nhanh từ từ vào Vì nên việc xử lý mẫu lị vi sóng cần thời gian ngắn (30-70 phút) mà lại triệt để 2.1.3.2 Các trình xẩy phân huỷ mẫu: Dưới tác dụng axit đặc lượng nhiệt (nhiệt độ), lượng vi sóng, q trình vật lý hố học sau xẩy ra: • Sự phá vỡ mạng lưới cấu trúc hạt chất mẫu, giải phóng chất phân tích, để đưa chúng vào dung dịch dạng muối tan 6/44 Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa • Q trình ơxy hố khử làm thay đổi hoá trị, chuyển đổi dạng, làm tan vỡ hạt vật chất mẫu, để giải phóng chất phân tích dạng muối tan • Nếu xử lý mẫu hữu phân tích kim loại, có đốt cháy, phá huỷ hợp chất hữu mùn tạo khí CO2 nước, để giải phóng kim loại chất mẫu hữu dạng muối vơ tan dung dịch • Tạo hợp chất dễ bay hơi, làm anion phân tử chất mẫu, làm mẫu bị phân huỷ tạo hợp chất tan dung dịch • Sự tạo thành hợp chất hay muối phức tan dung dịch • Có thể tách chất phân tích khỏi mẫu ban đầu dạng kết tủa không tan nhờ người ta tách chất phân tích làm giầu chúng Như trong q trình xử lý mẫu có phản ứng hố học xẩy ra, phản ứng oxy hoá khử, phản ứng thuỷ phân, phản ứng tạo phức, phản ứng hoà tan, phản ứng kết tủa, v.v phần tử chất mẫu với axit dùng để phân huỷ mẫu chất có mẫu với Trong q trình hay phụ định thành phần, chất nền, chất chất mẫu loại axit dùng để phân huỷ hồ tan mẫu 2.1.4 Ví dụ theo cách xử lý ướt ♦ Ví dụ 1: Xử lý mẫu rau hỗn hợp axit (HNO + H2O2), bình Kendan, để xác định kim loại nặng (Cd, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn) Lấy 5,00 g mẫu nghiền mịn trộn vào bình Kendan, thêm 60 mL HNO3 65%, mL H2O2 30%, cắm phễu nhỏ vào bình kendan, lắc đun sôi nhẹ cho mẫu phân huỷ, đến dung dịch không mầu (6-8 tuỳ loại mẫu) Chuyển mẫu sang cốc 250 mL, làm bay hết axit đèn IR đến muối ẩm, để nguội, định mức dung dịch HCl 2% thành 25 mL Trong trình xử lý nguyên tố kim loại dạng hợp chất kim mẫu rau quả, bị axit đặc oxy hoá chất hữu cơ, đưa 7/44 Tài liệu giảng mơn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa kim loại muối vô tan dung dịch nước Q trình hố học chính: (Mẫu) +HNO3 + H2O2 → Men(NO3)m + H2O + CO2+ NO2 (muối tan kim loại ) Tất ví dụ từ đến xử lý lị vi sóng hệ kín, lượng axit bít đến 1/3 Thời gian xử lý 40 - 50 phút Cịn xử lý hệ hở bình thường, phải từ 4-8 giờ, mà lại khơng triệt để xử lý lị vi sóng 2.1.5 Các ưu nhược điểm ứng dụng Các ưu nhược điểm kỹ thuật là: + Hầu khơng bị chất phân tích, lị vi sóng, + Nhưng thời gian phân huỷ mẫu dài, điều kiện thường, + Tốn nhiều axit đặc tinh khiết cao, hệ hở, + Dễ bị nhiễm bẩn xử lý hệ hở, môi trường hay axit dùng, + Phải đuổi axit dư lâu, nên dễ bị nhiễm bẩn, bụi vào mẫu, v.v Ứng dụng chủ yếu kỹ thuật xử lý ướt để xử lý mẫu: ♦ Xác định kim loại số phi kim, hay anion vô cơ, Cl - Br-, I-, AsO43-, SO42-, PO43-, SiO32, mẫu sinh học, mẫu hữu cơ, mẫu vô cơ, mẫu môi trường, mẫu đất, mẫu nước, mẫu bụi khơng khí, mẫu kim loại, hợp kim, rau thực phẩm, v.v 2.2 Xử lý ướt dung dịch kiềm mạnh đặc nóng 2.2.1 Nguyên tắc chung Trong phương pháp người ta thường dùng dung dịch kiềm mạnh đặc nóng (NaOH, KOH 15-20%), hay hỗn hợp kiềm mạnh muối kim loại kiềm (NaOH +NaHCO3), hay kiềm mạnh peroxit (KOH + Na 2O2), nồng độ lín (10 -20%), để phân huỷ mẫu phân tích điều kiện đun nóng bình Kendan hay hộp kín, lị vi sóng 8/44 Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa Lượng dung dịch phân huỷ: cần lượng lín từ 8-15 lần lượng mẫu Thời gian phân huỷ: từ - 10 hệ hở Còn hệ lị vi sóng kín cần thời gian 1-2 Nhiệt dộ phân huỷ: Là nhiệt độ sôi dung dịch kiềm Nó thường vùng 150 -200 oC Các q trình xẩy phân huỷ mẫu Dưíi tác dụng kiềm nhiệt độ, lượng vi sóng, xẩy q trình sau: + Phá vỡ cấu trúc chất mẫu, chuyển chất mẫu vào dung dịch, + Các chất mẫu tương tác với kiềm tạo sản phẩm tan được, + Có thể sinh khí bay ra, giúp tan mẫu tốt hơn, + Có thể tạo hợp chất bền phân li tan dung dịch, + Tạo sản phẩm kết tủa míi khác chất phân tích để tách khỏi mẫu ban đầu 2.2.2 Các cách hồ tan dung dịch hoà tan Chất phân huỷ: Theo kỹ thuật xử lý ướt dùng dung dịch chất sau để xử lý mẫu: • Dung dịch kiềm đặc (20-25 % NaOH, hay KOH), • Dung dịch kiềm đặc nóng có chất ơxy hố mạnh (NaOH + Na2O2), • Hỗn hợp kiềm đặc nóng có chất khử (KOH+NaHSO3), • Hỗn hợp kiềm mạnh muối (NaOH + NaHCO3), (KOH+Na2CO3), • Hỗn hợp kiềm, muối peroxit (KOH+ NaHCO3+ H2O2), • Hỗn hợp kiềm, muối peroxit kiềm (KOH+ NaHCO3+ Na2O2), v.v Q trình phân huỷ • Q trình phân huỷ thực đun sôi dung dịch mẫu, thời gian định bình Kendan hay ống nghiệm, thường từ 9/44 Tài liệu giảng mơn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa -10 bình kenđan hở, lị vi sóng hệ kín (có áp suất cao) khoảng 40 - 70 phút, tuỳ loại mẫu • Cơ chế phá vỡ (phân huỷ) mẫu theo cách tương tự trường hợp dùng axit trên, hệ hở hay hệ kín, tác nhân phân huỷ dung dịch kiềm mạnh nóng Nhiệt độ phân huỷ: Nhiệt độ sôi dung dịch kiềm tuỳ thuộc vào thành phần nồng độ dung dịch kiềm ta sử dụng để xử lý mẫu Nói chung vùng từ 115 – 230 oC, tuỳ thuộc nồng độ kiềm muối có dung dịch phân huỷ mẫu yếu tố thúc đẩy phân huỷ xẩy nhanh Nghĩa tác nhân phân huỷ mẫu kiềm nhiệt độ (năng lượng nhiệ ) lượng vi sóng, dùng lị vi sóng 2.2.3 Ví dụ ứng dụng kỹ thuật ♦ Ví dụ 1: Hồ tan oxit nhơm dung dịch NaOH 10% nóng Lấy 0,5g mẫu dạng bột vào bình kendan, tẩm ướt vài giọt nước cất, thêm 10 mL NaOH 10%, đun sơi để hồ tan mẫu Cơ chế là: Chuyển trạng thái tinh thể rắn ôxit sang ion tan dung dịch muối NaAlO khí hydro theo phản ứng: Al2O3 + NaOH → H2 + NaAlO2 + H2O 2.2.4 Các ưu nhược điểm phạm vi ứng dụng Kỹ thuật xử lý ướt dung dịch kiềm đặc nóng có ưu điểm khơng làm chất phân tích, nguyên tố có hợp chất dễ bay nguyên tố matrix mẫu dễ tan kiềm Nhưng cách có nhược điểm lon tốn nhiều kiềm tinh khiết cao, thường phải dùng gấp từ 10 – 15 lượng mẫu, khả gây nhiễm bẩn dễ xẩy Lượng kiềm dư nhiều, sau xử lý xong thường phải loại hết, khó, cách trung hồ axit, song lại làm loãng mẫu dễ dàng nhiễm bẩn, thời gian cô đặc mẫu Đây công việc khó khăn 10/44 Tài liệu giảng mơn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa cột chiết ml nước cất, để yêu phút Sau giải chiết lấy chất phân tích 10 mL dung mơi acetonitril (hay dichlomethane) xác định chất phân tích pha hữu HPLC hay GC 5.3.3.2 Chiết theo chế hấp phụ pha ngược Trong kiểu chiết này, chất chiết (pha tĩnh) Silica pha ngược, có bề mặt khơng phân cực Nó tác dụng tốt với chất mẫu không phân cực phân cực Đó tương tác hấp phụ pha tĩnh (chất chiết ) Tuỳ theo chất cấu trúc phân tử nhóm chất phân tích điều kiện thực chiết, mà nhóm chất phân tích bị pha tĩnh hấp phụ giữ lại cột tách chiết Cơ chế chiết tương tác hoàn toàn tương tự tương tác hấp phụ cột sắc ký lỏng hiệu cao hấp thụ pha ngược (RP-HPLC ) Kiểu chiết dễ thực hiện, đơn giản ứng dụng nhiều Vì tính tiện lợi hệ dung mơi rửa giải tan nước, dung môi chứa chất phân tích Chúng ta có minh hoạ tương tác mơ hình sau ♦ Ví dụ: Chiết để xử lý mẫu xác định số hoá chất BVTV 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 rửa cột mL nước cất, hút chân không cho cột phút Rửa giải chất BVTV cột 20 mL dung môi Etyl-axetat Lấy dung dịch rửa giải dội qua cột hấp phụ thứ hai ( cột có: Na2SO4+ Al2O3 + than hoạt tính) để làm làm khơ mẫu Sau lại rửa giải chất BVTV cột 10 mL EtylAxtat Thu dung dịch, làm bay dịng khí nitơ ( tốc độ 0,8 mL/phút) đến dung dịch sánh, định mức thành mL Etyl-Axetat, làm khô Na2SO4 khan Lấy dung dịch mẫu để xác định hoá chất BVTV (Metyl-parathion, Diazinon & Sumithion) phương pháp GC/ECD, hay GC-MS 31/44 Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa 5.3.3.3 Chiết theo chế trao đổi iôn cặp ion Chiết theo chế trao đổi ion ♦ Nguyên tắc: Dựa sở q trình trao đổi ion chất phân tích với ion đối (ion trao đổi) chất chiết (pha tĩnh trao đổi iôn) để hấp thu (giữ) chất phân tích lại pha tĩnh (cột chiết) Sau dùng pha động (dung dịch) phù hợp để rửa giải chất phân tích vào dung mơi sau tiến hành xác định theo phương pháp phân tích thích hợp chọn Dung mơi rửa giải dung dịch nước muối tan kim loại kiềm, amoni có pH phù hợp, hay dung dịch axit lỗng có thêm chất tạo phức ♦ Chất trao đổi iôn kiểu chiết hai loại sau sử dụng nay, là: + Trao đổi Cation axit mạnh (R-SO3Na) axit yếu (R-COONa) + Trao đổi Anion Bazơ mạnh (R-N+(-OH)), bazơ yếu (R-NH2OH), v.v ♦ Cơ chế trao đổi iôn a) Loại trao đổi Cation Tổng quát trình trao đổi Cation: nMat-SO3Na + Men+ → (Mat-SO3)n-Me + nNa+ ( Chất chiết ) ( chất PT ) Trong đó: Mat: Mạng rắn chất trao đổi ion; Men+: Cation chất phân tích Na+: Cation trao đổi chất chiết -SO3Na: Nhóm chức trao đổi ion b) Loại trao đổi Anion Tổng quát trình trao đổi Anion: nMat-OH + Xn- → (Mat)n-X + nOHhay nMat-Cl + Xn- → (Mat)n-X + nCl( chất chiết ) ( Chất PT ) 32/44 Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa Trong đó: Mat: Là mạng rắn chất trao đổi ion; Xn- : Anion chất phân tích OH- Cl- anion trao đổi Trong trình trao đổi ion, tuỳ thuộc vào loại chất phân tích chất pha tĩnh (chủ yếu nhóm chức trao đổi ion thuộc loại axit yếu hay mạnh, bazơ mạnh hay yếu) , mà q trình thực tốt vùng pH (mơi trường axit) định Vì chiết theo chế cần phải thực môi trường pH (hay axit) phù hợp Chiết theo chế trao đổi cặp ion Cùng với trao đổi cation anion, chiết pha rắn cịn có chế chiết theo kiểu cặp ion Đây chất trao đổi ion chất phân tích thơng qua chất trung gian- chất tạo cặp ion, cho ion trao đổi với chất phân tích Nó hồn tồn tương tự sắc ký cặp iôn hệ pha ngược hấp phụ (hệ RP-HPLC) Chất chiết thường chất hấp phụ pha ngược.Ví dụ Silica LiChrosorb RP-8, RP- 18 Hypersil ODS Và có hai kiểu trao đổi cặp ion 5.3.3.4 Các ưu nhược điểm phạm vi ứng dụng Chiết pha rắn kĩ thuật chiết đời, phát triển ứng dụng khoảng chục năm trở lại đây, nước tiên tiến míi vào Việt nam ta từ năm 1997 Hiện có số hãng sản xuất cung cấp thị trường nhiều loại chất chiết dụng cụ chiết khác cho nhiều đối tượng tiện dụng Chất chiết thường chất Silica hoạt hố để chúng có khả hấp thụ cao chọn lọc chất theo nhóm Kỹ thuật chiết có ưu nhược điểm sau đây: • Có tính chọn lọc nhóm hợp chất phân tích, • Cân chiết nhanh đạt có tính thuận nghịch, • Thích hợp cho mẫu lượng nhỏ phân tích lượng vết chất, • Thao tác đơn giản nhanh kỹ thuật chiết khác, 33/44 Tài liệu giảng mơn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa • Trong q trình chiết ln ln có làm giầu chất phân tích, • Chất chiết pha rắn khơng đắt (khoảng 50.000 đ.VN/1cột chiết) Chính mà sử dụng phổ biến phân tích, đặc biệt phân tích đối tượng mơi trường chất vi lượng độc hại 5.4 Kỹ thuật chiết hấp phụ pha khí (rắn-khí) 5.4.1 Nguyên tắc chung Kỹ thuật dựa sở nhiệt độ định thích hợp, thổi dịng khí trơ nóng (argon hay hêli) dẫn mẫu dạng khí vào cột chiết, nhóm chất phân tích bị pha tĩnh rắn cột hấp phụ giữ lại, cịn chất khác qua Vì chất chiết hai pha khí rắn (pha chiết rắn, chất phân tích chiết dạng khí) khơng tan vào Sự chiết theo chế hấp phụ Sau có thể: • Người ta lại làm nóng cột hấp phụ dùng dịng khí trơ nóng để giải hấp chất phân tích đưa trực tiếp chúng vào hệ cột máy GC hay cho chúng tan vào dung môi hữu phù hợp để xác định cách khác, HPLC hay phổ UV-VIS • Hay giải chiết chất phân tích khỏi cột chiết dung mơi hữu thích hợp hoà tan tốt chất xác định chúng HPLC hay IR Phương pháp chiết ứng dụng cho mẫu rắn lỏng, hay bùn, hay bã thải, cho chất phân tích hợp chất hữu có nhiệt độ bay híi thấp (dưíi 150 oC) dễ bay Cách thích hợp cho việc chiết chất hữu mơi trường khí, hay mẫu rắn, mẫu bột, hay mẫu bùn mẫu nhão Tất nhiên, việc trưíc tiên phải nhũ hoá mẫu dung mơi thích hợp, nước hay dung mơi hữu có nhiệt độ sơi cao Cịn chất hấp phụ hạt silica rắn xốp nhồi vào cột chiết đóng kín Nó thường silica trung tính xốp hay silica 34/44 Tài liệu giảng mơn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa hoá (alkyl hoá), tương tự hệ chiết NP-HPLC RPHPLC Kỹ thuật chiết thích hợp cho việc xử lý loại mẫu để xác định chất hữu có nhiệt độ sơi thấp (dưíi 150 oC) dễ bay loại mẫu rắn, mẫu bùn, mẫu bã thải mẫu khí Nó có ưu điểm chọn lọc cao, thích hợp cho phương pháp phân tích HPLC, GC, hay GC-MS, để xác định lượng nhỏ chất hữu cơ, số hợp chất kim số chất vô cơ, H2S, HCN, v.v 5.4.2 Các kiểu trang thiết bị số ví dụ Theo kỹ thuật trang thiết bị có hai loại hệ đơn giản hệ hoàn chỉnh tự động theo chương trình Khí mang trơ khí argon, hêli hay nitơ tính khiết (> 99,9%) Cụ thể trang bị gồm phận: + Hệ cột chiết kín buồng cột chiết có gia nhiệt được, + Khí trơ mang mẫu, để rửa giải chất phân tích (Ar, N2, hay He) + Hệ máy bơm khí nén khí mẫu vào cột chiết Các loại trang bị có cung cấp thị trường hãng sản xuất dụng cụ phân tích ♦ Ví dụ 2: Chiết lấy số hợp chất pesticide dễ bay loại nước hay mẫu rắn, bùn (Method 502.2b EPA) Cột hấp phụ chất chiết pha rắn loại LC2-25x1 cm Mẫu giữ 150 oC dịng 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 hấp phụ vào cột Sau giải hấp chất cột hấp phụ dịng khí trơ 200 oC, để dẫn vào máy GC/MS để tách xác định chất 5.5 Kỹ thuật vi chiết pha rắn (SPME) Kỹ thuật dựa sở phân bố chất phân tích X hai pha khơng hồ tan vào nhau, pha mẫu chứa chất X lỏng, cịn 35/44 Tài liệu giảng mơn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa pha chiết chất rắn Song pha chiết (que chiết) hạt chất rắn xốp cỡ hạt vài micromet (àm) tẩm lên 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 que chiết Que chiết để hệ xy lanh kim tiêm, để cắm qua chiết vào qua nút cao su bình chứa mẫu cần chiết Quá trình chiết xẩy ta nhúng que chiết vào bình mẫu theo hai kiểu: + Không gian mẫu (chất dạng lỏng) Với cách pha mẫu phải lắc (hay khuấy) liên tục chiết qua chiết chìm pha mẫu + Khơng gian (chất dễ hoá hơi) Với cách này, pha mẫu hơi, que chiết nằm khơng gian bình mẫu, mẫu phải gia nhiệt phù hợp, chất bay đạt đến trạng thái cân pha mẫu ban đầu (lỏng hay huyền phù) pha mẫu Thời gian chiết: 20- 30 phút Trang bị kỹ thuật chiết này: Bao gồm (hình ): + Bình chưa mẫu để chiết (dung tích 50 mL, nút cao su), + Bộ Xylanh, kim tiêm que chiết, + Máy khuấy gia nhiệt cho bình mẫu • Cơ chế chiết: Chỉ có hai kiểu là: + Hấp phụ pha thường (chất chiết pha thường), + Hấp phụ pha ngược (chất chiết pha ngược), Vấn đề xem mục chiết pha rắn trình bày �Ưu nhược điểm ứng dụng Kỹ thuật chiết này: + Đơn giản, dễ thực hiện, 36/44 Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa + Thích hợp cho xác định chất vi lượng, + Làm giầu chất, + Chủ yếu cho xác định chất hữu số kim loại nặng Kỹ thuật míi đời phát triển Song ứng dụng có hiệu quả, lĩnh vực phân tích hố chất bảo vệ thực vật thuốc trừ sâu 5.6 Kỹ thuật chiết Soxhlet 5.6.1 Nguyên tắc chung Chiết Soxhlet kiểu chiết liên tục đặc biệt thực nhờ loại trang bị chiết riêng Kiểu chiết kiểu chiết lỏng lỏng, nên chất chiết dựa sở quy luật phân bố chất hai pha không trộn vào Song pha mẫu trạng thái lỏng, bột, hạt hay dạng mảnh, hay dạng Còn dung mơi chiết (chất hữu cơ) dạng lỏng Ví dụ chiết lấy dầu melton từ bạc hà dung môi hữu n-Hexan, hay benzen Chiết thuốc trừ sâu hay HCBVTV mẫu rau quả, mẫu đất n-Hexan Vì kiểu chiết hệ chiết đồng thể dị thể Trong thực tế dùng chủ yếu hệ dị thể, mà chất phân tích mẫu rắn, bột, lá, sợi, v.v mà kỹ thuật chiết nêu không làm tốt, đặc biệt chiết chất hữu mẫu không dạng lỏng (hệ chiết dị thể) 5.6.2 Các trang thiết bị ví dụ Trang thiết bị kỹ thuật chiết có hai loại là: 1 Các hệ chiết Soxhlet thường đơn giản 2 Các hệ chiết Soxhlet tự động (Auto-Soxhlet) Cách chiết theo hệ loại đơn giản, vận hành tay, cách chiết theo hệ máy loại vận hành cách tự động theo chương trình Kỹ thuật chiết chủ yếu sử dụng để chiết tách chất hữu nằm mẫu 37/44 Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa dạng rắn, hay dạng bột, hay mảnh nhỏ, hay vật liệu mẫu khơ (như cây, dược liệu, ) Vì hệ chiết dị thể ♦ Ví dụ 1: Chiết Soxhlet thường lấy số hoá chất BVTV từ mẫu rau Lấy 10 g mẫu nghiền nhỏ trộn vào cốc đựng mẫu hệ chiết, thêm 25-30 g Na2SO4 khan, trộn đều, 50 mL dung mơi chiết nHexan có 20 % Cl2CH2 Sau tiến hành chiết vịng 5-6 liên tục, để yên 10 phút, tách lấy pha hữu n-Hexan có chứa chất phân tích xác định chúng pha hữu phương pháp phù hợp chọn 5.6.3 Các ưu nhược điểm phạm vi ứng dụng Kỹ thuật chiết có ưu điểm chiết triệt để, song điều kiện chiết phải nghiêm ngặt thời gian chiết dài, có kết chiết tốt Vì hệ thống vận hành tự động (auto-Soxlet) cho kết tốt Nó thích hợp cho việc chiết lượng vết chất hữu cơ, chất độc hại từ đối tượng mẫu khác nhau, chất phân tích có mẫu trạng thái rắn, bột, vật mẫu xốp khô (lá cây), v.v Kỹ thuật chiết ứng dụng chủ yếu để chiết HCBVTB từ 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 dựa sở chung chiết phân bố chất vào hai pha không trộn lẫn vào nhau, có khác thực mơi trường có thêm tác dụng lượng sóng siêu âm (năng lượng tia Vi sóng) Pha chứa mẫu phân tích cần chiết pha nước pha lỏng để chiết chất phân tích dung mơi hữu (pha thứ hai) 38/44 Tài liệu giảng mơn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa - Viện KNATVSTP quốc gia cho vào bình chiết, sau đặt vào hộp chiết hệ chiết vi sóng tiến hành chiết dưíi tác dụng sóng siêu âm thích hợp thời gian định (1,5- giờ) Cách chiết thực hai trạng thái mẫu đồng thể dị thể a)Hệ chiết đồng thể (hệ lỏng-lỏng), chất mẫu phân tích tan dung mơi lỏng, nước dung môi chiết chất lỏng, thường dung môi hữu không tan nước Ví dụ chiết ion kim loại nặng (Cd, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn, ) từ nước biển mơi trường pH=4 dung mơi MIBK có chứa thuốc thử APDC 0,1% Sau xác định kim loại phép đo phổ F-AAS b)Hệ chiết dị thể (hệ rắn-lỏng), trường hợp này, mẫu phân tích trạng thái rắn, thường nghiền thành bột, hay băm nhỏ bỏ vào bình chiết có dung môi chiết Dung môi chiết dung môi hữu Ví dụ chiết lấy dầu Menton từ bạc hà dung môi chiết Benzen Khi chiết, tác dụng lượng sóng siêu âm có tần số cao, mạng cấu trúc phần tử chất mẫu bị phá vỡ, chất phân tích giải phóng phân bố (hay tan) vào dung môi chiết theo tính chất dạng phân tử hay dạng hợp chất phức hệ số phân bố K pb chất hai pha không trộn lẫn vào yếu tố định hiệu chiết Cịn lượng siêu âm có tác dụng phá vỡ cấu trúc ban đầu mẫu, xáo trộn hỗn hợp chiết, tạo điều kiện tốt cho cân chiết xẩy dễ dàng, nhanh triệt để 5.7.2 Các kiểu chiết trang thiết bị ♦ Để thực chiết theo kỹ thuật phải có hệ thống bình chiết kín hệ buồng chiết tạo siêu âm Các thiết bị này, có bán thị trường theo quy mô to nhỏ mức độ chiết khác nhau, chiết phân tích hay chiết bán sản xuất Về nguyên tắc gồm hai phận là: 39/44 Tài liệu giảng mơn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa - Viện KNATVSTP quốc gia Buồng chiết siêu âm khống chế lượng siêu âm Các rotor chứa bình đựng mẫu để chiết (loại bình, bình hay 12 bình) với dung tích bình 200, 150, 100, 50 mL Ví dụ : Chiết tách lấy số hoá chất BVTV từ mẫu đất hay mẫu rau (như Metyl-parathion,Sumithion,Diazinon) Lấy 10 g mẫu đất nghiền nhỏ cho vào bình chiết, thêm 40 mL etyl-axetat, trộn đều, đặt bình mẫu vào hệ máy chiết, tiến hành chiết 90 phút, để nguội yên 10 phút, tách lấy pha hữu etyl-axetat có chứa số hố chất BVTV Dội pha hữu qua cột sắc ký hấp phụ (có chứa Al 2O3+than hoạt tính+Na2SO4 khan ) để làm chất làm khơ Sau rửa giải cột 10 mL etylaxetat, thu lấy dung dịch rửa giải để xác định hoá chất BVTV (như Metyl- parathion, Sumithion, Diazinon,v.v.) GC/ECD, HPLC/MS, hay GC/MS ♦ Kỹ thuật chiết có ưu điểm triệt để hiệu suất cao, địi hỏi phải có hệ trang bị chiết siêu âm, có rotor chiết cho cách chiết khác loại mẫu khác Kỹ thuật chiết chưa ứng dụng phổ biến Chỉ số viện nghiên cứu míi có trang bị Nên nước ta cịn dùng chưa phổ biến, nên nhiều người chưa biết 5.8 Kỹ thuật sắc ký xử lý mẫu Hiện nay, sắc ký loại phương pháp để tách xác định đồng thời chất hỗn hợp, song kỹ thuật xử lí mẫu phân tích tốt cho nhiều trường hợp để tách làm giầu lấy chất cần phân tích Trong phân tích ứng dụng để xử lí mẫu phân tích chủ yếu loại là: a) sắc ký cột b) sắc ký phẳng (sắc ký líp mỏng sắc ký giấy) 5.8.1 Kỹ thuật sắc ký cột 5.8.1.1 Nguyên tắc điều kiện 40/44 Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa - Viện KNATVSTP quốc gia Nguyên tắc chung + Kỹ thuật xử lí mẫu dựa sở tính chất hấp phụ hay trao đổi ion chất phân tích để hấp thu chất phân tích lên chất nhồi (pha tĩnh) cột sắc ký, để giữ tách chúng khỏi chất khác có mẫu ban đầu Sau dùng dung mơi thích hợp (pha động) để rửa giải để tách khỏi cột sắc ký, xác định chúng pha động phương pháp phù hợp Ví dụ AES, AAS, UV-VIS, HPLC, GC, EC, CEC, Vì trưíc hết phải đưa mẫu phân tích dạng dung dịch, để nạp chất mẫu vào cột sắc ký Sự tách dựa phân bố nhóm chất phân tích hai pha không trộn vào nhau, pha tĩnh (chất rắn sắc ký), pha động (chất lỏng, dung mơi rửa giải) Vì tương tự kỹ thuật chiết pha rắn Chủ yếu sử dụng cho xử lý mẫu là: • Trưíc tiên sắc ký cột hấp phụ (pha thường pha ngược) dùng pha tĩnh Silica hay nhơm ơxit xốp, có cỡ hạt 25-70 àm • Tiếp đến sắc ký trao đổi ion cột pha tĩnh trao đổi ion (trao đổi Cation Anion) 5.8.2 Các điều kiện sắc ký Đối với sắc ký cột để có tách tốt chất phân tích, cần phải: • Chọn pha tĩnh có tính chất chọn lọc cho nhóm chất phân tích, • Dung mơi 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 tách tốt • Cân q trình sắc ký xẩy nhanh có tính thuận nghịch • Chọn điều kiện sắc ký thích hợp (pH, T, ) để góp chất phân tích vào nhóm hay tách thành chất tốt, làm giầu chúng 5.8.3 Trang bị cách xử lý 41/44 Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa - Viện KNATVSTP quốc gia Muốn thực tách chất theo kiểu phải có hệ trang bị sắc ký phù hợp Có thể cột tách đơn giản hệ thống tự động hoàn chỉnh Tuỳ loại chất phân tích, mà chọn hệ pha sắc ký hấp phụ, hay hệ pha trao đổi ion để tách lấy chất cần phân tích Nó bao gồm phận: • Trưíc hết hệ cột sắc ký chứa chất để sắc ký, chất Silica, hay oxit Al xốp có khả sắc ký hấp phụ, hay chất trao đổi ion (cation hay anion) với nhóm chất phân tích định có mẫu Khi cần cột sắc ký phải đặt 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 rửa giải chất phân tích khỏi cột • Thứ ba dung mơi để hồ tan mẫu phân tích thành dung dịch để có nạp mẫu lên cột sắc ký • Thứ tư dung môi để pha chế pha động phục vụ cho việc rửa giải chất phân tích khỏi cột sắc ký 5.8.4 Ví dụ ứng dụng ♦ Ví dụ 3: Xử lý mẫu để xác định số anion mẫu nước ví dụ: Cl-, Br-,I-, NO3-, SO42-,, v.v) Trước hết mẫu nước (250 mL) phải pH=8, lọc bỏ cặn Sau nạp lên cột sắc ký pha tĩnh trao đổi iôn loại Dowex-50A12-OH (150 x mm) với tốc độ chảy 1-2 mL/phút, để anion giữ lại cột sắc ký Khi mẫu chảy hết, dội qua cột mL nước cất hai lần Sau dùng 20 mL dung dịch NaOH 0,5M để rửa giải chất phân tích khỏi cột sắc ký với tốc độ 1-1,5 mL/phút Như chất phân tích tan vào pha động rửa giải, tiến hành xác định pha động rửa giải phương pháp AES, AAS, UV-VIS Cách dùng để xử lý mẫu cho xác định số anion loại nước thải, nước sông hồ, v.v 42/44 Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa - Viện KNATVSTP quốc gia 5.8.5 Kỹ thuật sắc ký phẳng (sắc ký giấy sắc ký mỏng) 5.8.5.1 Nguyên tắc chung Quá trình sắc ký dựa sở hệ pha dung môi định, di chuyển phân bố chất phân tích màng phẳng (líp mỏng phẳng) silicagel xốp tráng thuỷ tinh hay polyme cứng, phân bố chất giấy xốp sắc ký khác để tạo tách sắc ký chất Trong trình sắc ký chất di chuyển khác tạo chất có vùng riêng mỏng tách khỏi Vì míi có tên sắc ký phẳng (sắc ký mỏng sắc ký giấy) Vì trình sắc ký xẩy mặt phẳng nhỏ (ví dụ 4x20 cm) nguyên liệu có tính chất sắc ký, giấy sắc ký hay mỏng Silicagel Đặc trưng cho trình sắc ký chất phân tích hệ số chạy Rf chất mặt phẳng tách (tấm giấy hay mỏng Silicagen) Trong hệ pha sắc ký điều kiện định phù hợp, chất phân tích có hệ số Rf khác tạo sắc ký chất hỗn hợp mẫu Hệ số Rf xác định bởi: + Bản chất chất sắc ký (giấy sắc ký hay Silica gel), + Bản chất chất phân tích mẫu, + Bản chất tính chất hệ pha động chạy (hay khai triển) sắc ký, + Điều kiện chạy sắc ký, chủ yếu nhiệt độ áp suất pha động bình triển khai sắc ký 5.8.5.2 Các trang bị, cách tiến hành ví dụ Muốn thực tách chất theo kiểu phải có hệ trang bị sắc ký phẳng, bao gồm: • Các loại mỏng sắc ký, là: + Bản mỏng Silicagel hay oxit Al thuỷ tinh hay PE 43/44 Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa - Viện KNATVSTP quốc gia + Bản giấy sắc ký xốp có khả hấp phụ chất phân tích • Các hệ dung mơi để hồ 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 chất sau tách mỏng Tuỳ loại chất phân tích, mà chọn hệ pha sắc ký giấy hay sắc ký líp mỏng Silicagel oxit nhôm Bản mỏng hay giấy sắc ký sau chấm mẫu (nhỏ mẫu) lên làm khơ ngâm vào dung mơi (pha động) bình chạy sắc ký Lúc chất phân tích chạy theo dung mơi từ dưíi lên trên, tạo thành vùng chất sau thời gian định Sau chạy sắc ký, làm khô sắc ký, phun chất mầu để nhận biết vùng chất tách vùng mẫu để hoà tan vào dung môi phù hợp xác định chất phương pháp phổ phân tử (hấp thụ UV-VIS ), HPLC, hay GC Cũng đo trực tiếp cường độ mầu vùng mẫu máy phổ phản xạ UV-VIS, hay máy Densitometer 44/44 ... 2/44 Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa Trên sở yếu tố chọn cách xử lý phù hợp cho chất phân tích Ngày kỹ thuật xử lý mẫu phân tích dùng là: • Kỹ thuật vơ hố khơ (xử lý khơ), • Kỹ. .. 40/44 Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa - Viện KNATVSTP quốc gia Nguyên tắc chung + Kỹ thuật xử lí mẫu dựa sở tính chất hấp phụ hay trao đổi ion chất phân tích để hấp thu chất phân. .. cho việc xử lý mẫu xác định kim loại nặng đối tượng mẫu sinh học, mẫu môi trường quặng đất đá 4.2 Cách thực số ví dụ 20/44 Tài liệu giảng mơn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa Vì xử lý khơ ướt