chiết pha rắn và ứng dụng

Từ đó đếnnay, kỹ thuật chiết pha rắn được phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực phân tích, đặc biệt là phân tích lượng vết các kim loại độc trong mẫu môi trường.. Trong đó, chất tan ban đầu

1 Giới thiệu chung [1],[2],[3]

Ô nhiễm môi trường là vấn đề thời sự đang được cả thế giới quan tâm và

lo lắng Với tình hình phát triển như hiện nay, ngày càng có nhiều chất ô nhiễm nguy hạiđược đưa vào môi trường tự nhiên Trong đó, nhiều chất gây ung thư, gây tác hại nghiêmtrọng cho môi trường và sức khoẻ con người như: các hợp chất hữu cơ độc hại và đặcbiệt là các kim loại độc (Hg, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, As… ) Các chất độc trong các mẫumôi trường thường tồn tại ở dạng siêu vết (cỡ ppb ≈ μg/l) hoặc nhỏ hơn Hiện nay, mặc

dù các phương pháp phân tích công cụ hiện đại đã và đang phát triển, xong việc xác địnhtrực tiếp hàm lượng chất độc trong mẫu môi trường là rất khó khăn

Chính vì vậy, việc tách và làm giàu chất phân tích kết hợp với các phươngpháp phân tích hiện đại là rất có ý nghĩa Các phương pháp tách và làm giàu như: chiếtlỏng-lỏng, chiết pha rắn, kết tủa, cộng kết, sắc ký… thì phương pháp chiết pha rắn (SolidPhase Extraction – SPE) là có hiệu quả nhất Ưu điểm của phương pháp này so với cácphương pháp khác là độ chọc lọc, hệ số làm giàu cao, sử dụng ít dung môi, thao tác đơngiản, dễ tự động hoá và rẻ tiền Trên thế giới và ở Việt Nam, các nghiên cứu và sử dụngphương pháp SPE chủ yếu là phân tích các hợp chất hữu cơ Với các chất vô cơ, hiện cònchưa nhiều Do vậy, đây là một hướng còn “mở” đối với các nhà phân tích Đặc biệt làviệc ứng dụng các loại nhựa vòng càng (chelating resin) có khả năng tạo phức bền với cácion kim loại độc trong mẫu môi trường như: mẫu nước – nước biển

2 Khái niệm chiết pha rắn.

2.1 Khái niệm [1],[2],[3]

Trước đây, quá trình tách và làm giàu lượng vết kim loại trong mẫu môi trườngthường được tiến hành bằng kỹ thuật chiết lỏng - lỏng (LLE) Những điểm bất lợicủa phương pháp này là sử dụng một lượng lớn dung môi và chỉ sử dụng dung môikhông trộn lẫn nên việc lựa chọn dung môi rất khó khăn, thao tác thí nghiệm phứctạp và hiệu suất làm giàu không cao Vì vậy, kỹ thuật LLE ít được sử dụng

Kỹ thuật chiết pha rắn (SPE) ra đời vào giữa những năm 1970, vừa mới ra đời

kỹ thuật này đã bộc lộ những tính năng ưu việt hơn Tuy nhiên, mãi đến năm 1998thuật ngữ khoa học “Chiết pha rắn” mới được công nhận trên toàn thế giới Từ đó đếnnay, kỹ thuật chiết pha rắn được phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực phân tích, đặc biệt

là phân tích lượng vết các kim loại độc trong mẫu môi trường

Chiết pha rắn (hay chiết rắn-lỏng) là quá trình phân bố các chất tan giữa hai phalỏng và rắn Trong đó, chất tan ban đầu ở trong pha lỏng (nước hoặc dung môi hữu cơ),chất để hấp thụ chất tan ở dạng rắn (dạng hạt, nhỏ và xốp) gọi là pha rắn

Pha rắn (còn được gọi là pha tĩnh) thường là các hạt silica gel xốp trung tính, hạtoxit nhôm, silica gel trung tính đã được ankyl hoá nhóm –OH bằng các gốchydrocarbon mạch thẳng -C2, -C4, -C8, -C18,… hay nhân phenyl, các polyme hữu cơ,các loại nhựa hoặc than hoạt tính… Các hạt này được nhồi vào cột chiết nhỏ (thường làcột có kích thước 5 × 1 cm) hoặc nén ở dạng đĩa dày 1 - 2 mm với đường kính 3 - 4 cm(đĩa chiết)

Hình 1 Cột chiết pha rắn

Pha lỏng là pha chứa chất cần phân tích, chúng có thể là dung môi hữu cơ, dungdịch đệm… Khi cho pha lỏng đi qua cột chiết (hoặc đĩa chiết), pha rắn tương tác vớichất phân tích và giữ một nhóm (hoặc một số nhóm) của chất phân tích lại trên pha rắn,các chất còn lại đi ra khỏi cột cùng với dung môi hòa tan mẫu

Quá trình rửa giải (giải hấp) chất phân tích được thực hiện bằng một dung môithích hợp Ví dụ: chất hữu cơ phần lớn được rửa giải bằng axeton, axetonitrile,metanol…, kim loại thường được rửa giải bằng dung dịch axit Thông thường, thể tíchdung dịch rửa giải nhỏ hơn nhiều lần so với dung dịch mẫu ban đầu, điều này có nghĩa

là chất phân tích đã được làm giàu

Ngày nay, khái niệm SPE được mở rộng cho cả trường hợp hấp thụ các chất ởtrạng thái khí lên cột chiết rắn như trường hợp hấp thụ khí CO lên vật liệu rắn rồi bơmtrực tiếp vào máy sắc ký để định lượng

Hinh2 Một máy chiết pha rắn hoàn chỉnh hiện nay

2.2 Nguyên tắc chung của chiết pha rắn [1],[2],[3]

Nguyên tắc của quá trình chiết pha rắn là các mẫu ở dạng lỏng , còn các chấtchiết ở dạng rắn, hạt nhỏ và xốp ( có đường kính từ 5-10µm) Chất chiết được gọi làpha tĩnh và được nhồi vào nột cột sắc ký nhỏ (kích thước 10*1cm hay dung lượng 5-10ml) các hạt chất chiết có độ xốp lớn với diện tích bề mặt thường 50-100m2/gam Khi

xử lý mẫu dung dịch chứa chứa chất mẫu được dội lên pha rắn trong các cột sắc ký.Lúc này pha tĩnh sẽ tương tác với các chất mẫu và giữ lại một ít nhóm chất phân tíchtrên cột ( pha tĩnh) Còn các nhóm khác sẽ đi ra khỏi cột cùng với với dung môi hào

tan mẫu Như thế ta sẽ thu được nhóm chất phân tích tồn tại trên pha tĩnh Sau đódùng dung môi thích hợp hòa tan tốt các chất phân tích để rửa giải chúng ra khỏi phatĩnh và thu được dung dịch có chất phân tích để xác định nó Các chất chiết pha rắn cóthể được chế tạo theo các loại sau đây.

- Chất hấp phụ pha thường : Đó là các silica trung tính

- Chất hấp phụ pha ngược: Là các silica đã được ankyl hóa nhóm OH

- Chất có khả năng trao đổi ion

- Chất rây hay sàng lọc phân tử theo kích thước hay độ lớn

- Chiết hay hấp phụ pha khí rắn

2.3 Các điều kiện chiết pha rắn [1],[2],[3]

Quá trình chiết ở đây thực chất cũng là sự phân bố của các chất phân tích trên 2pha : pha rắn ( chất chiết) và pha động ( dung dịch chứa chất phân tích) Trong nhữngđiều kiện nhất định :pH, dung môi nhiệt độ , tốc độ chảy của dung môi qua cột chiết

Vì thế hằng số phân bố nhiệt động Kb của chất phân tích giữa hai pha cũng là một yếu

tố quyết định hiệu quả của sự chiết

Ta phải có các điều kiện sau :

- Pha rắn hay pha chiết phải có tính chất hấp phụ hay trao đổi chọn lọc vớimột hay một nhóm ion nhất định( tính chọn lọc của pha chiết)

- Hệ số phân bố nhiệt động Kb của cân bằng chiết phải lớn, để có tính hiệuquả chiết cao

- Quá trình chiết phải xảy ra nhanh , nhanh đạt đến cân bằng nhưng không cótương tác hóa học làm mất hay hỏng chất phân tích

- Quá trình chiết phải có tính thuận nghịch cao để còn có thể rửa giải chấtphân tích ra khỏi pha chiết

- Không làm nhiểm bẩn chất phân tích

- Sự chiết được thực hiện trong một số điều kiện nhất định, phù hợp và lặp lạiđược, càng đơn giản càng tốt

2.4 Chọn dung môi trong kĩ thuật SPE

Cấu trúc phân tử và nền mẫu là hai yếu tố quan trọng sẽ quyết định cơ chế nàothích hợp cho quá trình tách Việc quan tâm đầu tiên trong quá trình xác định phươngpháp SPE nào thích hợp nhất là cấu trúc và độ phân cực của chất cần phân tích.Khoảng phân cực của các chất phân tích là tương đối rộng từ các hợp chất không phâncực như PCB, DDT đến không phân cực lắm PAH và đến phân cực như thuốc diệt cỏ.Hầu hết những hợp chất phân cực chứa nhiều nhóm chức phân cực hoặc chứa cácnhóm ion (cả cation và anion) Do đó các loại cột SPE và dung môi cần sử dụng tùythuộc vào độ phân cực của các hợp chất

VD: Với hầu hết các chất không phân cực cả C18 và C8 đều có thể sử dụng tốt

để hấp phụ chất cần phần tích ra khỏi dung dịch nước bằng pha đảo.Tuy nhiên C8 chohiệu quả thu hồi tương đối tốt với hầu hêt các chất không phân cực Điều này có thể là

do các hợp chất không phân cực rửa giải dễ dàng hơn khỏi cột C8 do lực tương tác Valder waals bị giảm Đối với các chất có độ phân cực vừa phải thì SPE C18 lại thích hợp

để sử dụng Tuy nhiên đối với các hợp chất phân cực thì C18 không đủ độ kỵ nước đểhấp phụ các hợp chất từ dung dịch nước

Bước cơ bản khác trong quá trình chiết pha rắn là việc tìm ra tính kỵ nước sovới tính phân cực của chất phân tích để có thể xác định được cơ chế hấp phụ Có haibước chủ yếu để xác định cơ chế cho việc phân tích mẫu nước và mẫu không nước

1 Cơ chế SPE cho phép phân tích các mẫu nước

Với các mẫu nước, việc quyết định sử dụng chất hấp phụ nào là dựa vào đặctính phân cực và đặc tính ion của chất phân tích quan tâm Nếu mẫu phân cực và là ionthì chất hấp phụ có tính trao đổi ion được sử dụng Nếu chất phân tích là phân cực màkhông có tính ion thì chất hấp phụ sử dụng tốt nhất là pha đảo (ví dụ C18) và nếu chấtphân tích không phân cực, thì chọn pha đảo với chất hấp phụ là C8 hoặc C18

2 Cơ chế SPE cho phép phân tích các mẫu không phải mẫu nước

Với các mẫu này, việc quyết định sử dụng chất hấp phụ nào hơi ngược lại so vớitrên Nếu chất phân tích là phân cực và là ion thì hiệu suất thu hồi tốt nhất là sử dụng

trao đổi ion (tương tự trên) Nếu chất phân tích là phân cực không phải ion thì chất hấpphụ có thể là pha đảo hoặc pha thường Sự lựa chọn này tùy thuộc vào dung môi hữu

cơ là phân cực hay không phân cực tương ứng Nếu chất phân tích là không phân cựcthì chất hấp phụ chọn là pha đảo

3 Một số kỹ thuật trong chiết pha rắn [3]

Trong chiết pha rắn, các kỹ thuật thường được lựa chọn sử dụng là:

3.1 Kỹ thuật SPE ở điều kiện tĩnh

Quá trình thực hiện bao gồm 3 bước chính sau:

Bước 1: Phân bố chất tan giữa hai pha rắn - lỏng

Dùng cốc thủy tinh, trong đó chứa một thể tích xác định dung dịch hoà tan chấtcần phân tích, sau đó cho vào cốc một lượng pha rắn thích hợp Điều chỉnh môi trường,lắc hay khuấy dung dịch trong thời gian nhất định để quá trình phân bố chất tan giữahai pha xảy ra hoàn toàn

Bước 2: Tách hai pha rắn - lỏng

Khi cân bằng phân bố chất tan giữa hai pha được thiết lập, lọc hoặc ly tâm để táchhai pha rắn - lỏng Trong bước này có thể thêm giai đoạn lọc rửa pha rắn để loại bỏ cácchất gây cản trở nếu cần

Bước 3: Giải hấp

Các chất cần phân tích bị hấp thụ trên pha rắn được rửa giải ra khỏi pha rắn bằngmột thể tích dung môi thích hợp và sau đó xác định nồng độ bằng một trong cácphương pháp phân tích công cụ đã được lựa chọn

Như vậy, cân bằng phân bố giữa hai pha xảy ra một lần Trong trường hợp vichiết pha rắn (Solid Phase Micro Extraction - SPME), pha rắn dạng sợi được nhúngtrực tiếp vào dung dịch mẫu phân tích hoặc đặt ở khoảng không gian ngay trên bề mặtdung dịch phân tích Quá trình phân bố chất tan lên pha rắn được trợ giúp bằng cách

khuấy trộn dung dịch Khi cân bằng phân bố chất tan được thiết lập, các sợi pha rắnđược rút ra khỏi dung dịch, làm khô và đưa trực tiếp vào buồng bay hơi mẫu của máysắc ký khí Cũng có thể hoà tan chất bị hấp thụ trên sợi pha rắn vào các dung môi thíchhợp rồi bơm vào hệ thống sắc ký lỏng hiệu quả cao (HPLC) hay sắc ký khí (GC).

3.2 Kỹ thuật SPE ở điều kiện động

Trong kỹ thuật SPE ở điều kiện động, các vật liệu pha rắn được nạp trước vào cột(cartridge) và được cố định bởi 2 tấm ngăn bằng polyetylen xốp Có khi vật liệu SPEđược cố định trong các mạng lưới polytetrafluoroethylene (PTFE) và ép thành khốidạng dĩa Kỹ thuật SPE trong điều kiện động gồm 4 bước chính được mô tả trên hình1.3

Bước 1: Chuyển dạng chất hấp thụ pha rắn

Đầu tiên, vật liệu hấp thụ được chuyển từ dạng ban đầu (của hãng sản xuất) sangdạng thích hợp cho quá trình hấp thụ (dạng H+ hoặc OH-) bằng cách cho dung môichạy qua làm ướt vật liệu, solvat hóa các nhóm chức của chất hấp thụ và đuổi khôngkhí, lấp đầy các khoảng trống bằng dung môi Sau đó, cột được làm ướt bằng dungdịch đệm hoặc nước cất để có hiệu quả hấp thụ tốt đối với các mẫu là dung dịch nước(chất hấp thụ phải luôn được ngâm trong dung môi) Trong thực tế, nếu để khô cột thìkhả năng hấp thụ xảy ra không hoàn toàn và độ thu hồi chất phân tích giảm, do vậyphải tiến hành quá trình chuẩn bị cột (pha tĩnh) lại từ đầu Trong quá trình chuyểndạng, nếu cần thiết nên có thêm bước làm sạch cột để loại bỏ các tạp chất

Bước 2: Quá trình hấp thụ chất phân tích

Dung dịch mẫu chứa chất phân tích được cho qua cột với tốc độ thích hợp Chấtphân tích được giữ lại trên cột còn các chất khác cùng dung môi đi ra khỏi cột Cũng cótrường hợp chất gây cản trở bị giữ lại trên cột, còn chất phân tích đi ra khỏi cột cùngvới dung môi Sau đó chất phân tích được thu hồi và xác định bằng một phương phápphân tích công cụ thích hợp đã chọn

Ở bước này, điều quan trọng nhất là cơ chế lưu giữ chất phân tích trên chất hấpthụ khi cho mẫu chảy qua cột Các cơ chế của quá trình lưu giữ bao gồm tương tác Vander Wall, tương tác lưỡng cực - lưỡng cực, liên kết hydro, trao đổi cation, trao đổianion, tạo phức vòng càng,… Quá trình hấp thụ này có thể giữ lại một số thành phầnkhác trên cột cùng với chất phân tích.

Bước 3: Rửa cột

Đây là bước loại bỏ các chất gây ảnh hưởng và nền mẫu ra khỏi cột chỉ giữ lạichất phân tích Nếu nền của mẫu là dung dịch nước, cần phải sử dụng dung dịch đệmhoặc dung môi hữu cơ Nếu mẫu được hòa tan trong dung môi hữu cơ thì khi rửa cột cóthể dùng chính dung môi đó

Bước 4: Rửa giải

Đây là bước cuối cùng để thu hồi chất phân tích Dung môi được chọn phải phá

vỡ dễ dàng tương tác giữa chất phân tích và chất hấp thụ Thể tích dung môi sử dụngrửa giải càng ít càng tốt nhưng phải đảm bảo rửa sạch chất phân tích ra khỏi vật liệuhấp thụ, đây chính là ưu điểm của kỹ thuật SPE so với kỹ thuật LLE

B1: Nhồi cột và

chuyển dạng nhựa

B2: Bơm mẫu qua cột

B3: Rửa các chất ảnh hưởng

B4: Rửa giải chất phân tích

Các chất ảnh hưởng được rửa giải

Chất phân tích

Hình 3 Các bước trong kỹ thuật SPE ở điều kiện động

4 So sánh kỹ thuật chiết pha rắn và chiết lỏng - lỏng [1],[2],[3],[7]

4.1 Sự khác nhau giữa chiết lỏng – lỏng , chiết pha rắn và sắc ký.

* Nguyên tắc chiết lỏng-lỏng là sự phân bố của chất phân tích vào hai pha lỏng

(dung môi) không trộn lẫn vào nhau ( trong hai dung môi này có một dung môi chứachất phân tích ) để trong một dụng cụ chiết như phễu chiết, bình chiết Vì thế hệ sốphân bố nhiệt động Kb của cân bằng chiết là yếu tố quyết định hiệu quả của sự chiết

* Quá trình chiết pha rắn ở đây thực chất cũng là sự phân bố của các chất

phân tích trên 2 pha : pha rắn ( chất chiết) và pha động ( dung dịch chứa chất phântích) Trong những điều kiện nhất định :pH, dung môi nhiệt độ , tốc độ chảy của dungmôi qua cột chiết Vì thế hằng số phân bố nhiệt động Kb của chất phân tích giữa haipha cũng là một yếu tố quyết định hiệu quả của sự chiết

* Sắc kí Trong kĩ thuật sắc kí, hỗn hợp chất phân tích được chuyên chở

trong chất lỏng hoặc khí và các thành phần của nó được tách ra do sự phân bố khác nhau của các chất tan khi chúng chảy qua pha tĩnh rắn hay lỏng Nhiều kĩ thuật khác nhau đã được dùng để phân tích hợp chất phức tạp dựa trên ái lực khác nhau của các chất trong môi trường động khí hoặc lỏng và đối với môi trường hấp phụ tĩnh mà chúng di chuyển qua, như giấy, gelatin hay gel magnesium silicate

4.2 So sánh kỹ thuật chiết pha rắn (SPE) và chiết lỏng-lỏng (LLE)

Về nguyên tắc và thao tác, kỹ thuật SPE giống với kỹ thuật LLE nhưng về mặt

hiệu quả và ứng dụng thì kỹ thuật SPE có nhiều ưu điểm nổi bật hơn cụ thể như sau:

- Thao tác nhanh, đơn giản và dễ tự động hoá: mẫu phân tích được cho chảy quacột với tốc độ thích hợp (điều khiển bằng máy hút chân không hoặc bơm nhu động).Chất phân tích được giữ lại trên cột và được rửa giải bằng dung dịch thích hợp Tất cả

quá trình này có thể tự động hóa một cách dễ dàng Mặc dù LLE cũng có vài khâu cóthể tự động hóa nhưng nhìn chung các thao tác phức tạp hơn nhiều.

- Sử dụng ít dung môi: mẫu sau khi được xử lý sơ bộ và điều chỉnh môi trườngđược cho qua cột trực tiếp Sau đó chỉ cần một lượng rất nhỏ dung môi rửa giải là cóthể rửa giải chất cần phân tích ra khỏi cột Ngược lại, trong kỹ thuật LLE đòi hỏi phải

sử dụng một lượng dung môi lớn (chủ yếu là dung môi hữu cơ)

- Điều kiện tách đơn giản: do cân bằng phân bố chất tan giữa hai pha xảy ra nhiềulần nên chỉ cần có sự khác nhau hợp lý về khả năng chiết là có thể tách hoàn toàn haichất tan ra khỏi nhau Việc lựa chọn dung môi đối với SPE đơn giản hơn LLE Hơnnữa, kỹ thuật LLE cần phải sử dụng dung môi không trộn lẫn nên việc lựa chọn dungmôi khó khăn hơn

- Hệ số làm giàu cao: hệ số làm giàu trong kỹ thuật SPE cao hơn rất nhiều so vớiLLE, do hệ số này phụ thuộc vào thể tích của hai pha: rắn và lỏng

5 Ứng dụng kỹ thuật chiết pha rắn trong phân tích môi trường [1],[2],[3],[5]

Kỹ thuật SPE có thể áp dụng cho phân tích các hợp chất hữu cơ và hợp chất vô

cơ (ion kim loại) trong các mẫu môi trường Trong phần này, chúng tôi chỉ trình bàyphần ứng dụng của kỹ thuật SPE trong phân tích siêu vết các ion kim loại trong các đốitượng môi trường khác nhau

5.1 Ứng dụng của kỹ thuật chiết pha rắn trong phân tích hợp chất hữu cơ

Trước những năm 2000, kỹ thuật SPE được ứng dụng chủ yếu cho lĩnh vực phântích các hợp chất hữu cơ (Bảng 1) Trong đó, kỹ thuật SPE được sử dụng để tách và làmgiàu dư lượng thuốc trừ sâu, các chất hoạt động bề mặt, các hydrocarbon thơm mạch vòngkhó phân huỷ (Polycyclic aromatic hydrocarbons – PAHs),… trong các loại mẫu nước

5.2 Ứng dụng kỹ thuật chiết pha rắn trong phân tích chất vô cơ

Ngày nay, kỹ thuật SPE đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi để làm giàu vàtách các ion kim loại trong môi trường (bảng 2).

Có 3 phương pháp tách và làm giàu các ion kim loại thường được sử dụng khi sửdụng kỹ thuật SPE Cụ thể là

5.2.1 Phương pháp trao đổi ion

Nguyên tắc của phương pháp là sự thay thế các anion hay cation kim loại trongdung dịch mẫu với anion (OH-,…) hay cation (H+, NH4+,…) trên vật liệu hấp phụ.Chẳng hạn như, ion kim loại có thể trao đổi với các ion H+ hay NH4 trên nhựatrao đổi cation axit mạnh hay các hợp chất phức kim loại mang điện tích âm, như hợpchất phức kim loại với clorua, florua có thể trao đổi với ion OH- của nhựa trao đổianion và được lưu giữ trên nhựa Dựa vào những tính chất đó người ta có thể vừa làmgiàu vừa tách chúng ra khỏi một số ion cản trở khác

Ngoài ra, theo phương pháp này có thể rửa giải chọn lọc các ion kim loại bằngcác tác nhân tạo phức hữu cơ hoặc vô cơ Chẳng hạn như, để tách riêng các ion CoII,

FeIII và NiII ra khỏi dung dịch mẫu, người ta thường cho dung dịch chứa đồng thời 3 ionqua cột trao đổi anion ở môi trường HCl 10 - 12 M, CoII và FeIII bị giữ lại trên nhựa traođổi anion dưới dạng CoCl42- và FeCl4-; NiII không tạo phức âm nên đi ra khỏi cột Sau đódùng dung dịch HCl loãng để rửa giải FeIII và dung dịch HCl 4 M để rửa giải CoII

Một trong những ứng dụng rộng rãi của phương pháp trao đổi ion là:

- Làm mềm nước cứng

- Nước cất không ion

Bảng 1 Một số ứng dụng của SPE trong phân tích các hợp chất hữu cơ

Loại cột SPE Cơ chế Ứng dụng trong việc tách và làm giàu