Nghiên cứu quy trình phân tích một số axít hữu cơ mạch ngắn phục vụ cho việc kiểm soát chất lượng biodiesel bằng phương pháp điện di mao quản

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 1-7 Nghiên cứu quy trình phân tích số axít hữu mạch ngắn phục vụ cho việc kiểm soát chất lượng Biodiesel phương pháp điện di mao quản Dương Hồng Anh*, Nguyễn Văn Quân 3* Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ môi trường Phát triển bền vững (CETASD), Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQĐHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày tháng năm 2015 Chỉnh sửa ngày 30 tháng năm 2015; Chấp nhận đăng ngày 10 tháng năm 2016 Nhận ngày 16 tháng 05 năm 2015 Tóm tắt: Hàm lượng axít hữu mạch ngắn biodiesel gốc nhiên liệu biodiesel tiêu chất lượng cần quan tâm Bài báo trình bày kết nghiên cứu phát triển phương pháp xác định hàm lượng fomiat, axetat propionat biodiesel phương pháp điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc kết hợp với chiết lỏng-lỏng Quy trình phân tích cho giới hạn phát tốt cỡ 0,015-0,028 mg/kg chất cần quan tâm biodiesel, độ lặp lại diện tích tín hiệu thời gian di chuyển phản ánh qua độ lệch chuẩn tương đối có giá trị nhỏ 5% Áp dụng quy trình phân tích số mẫu biodiesel sản xuất từ nguồn nguyên liệu sinh học khác phát thấy có mặt fomiat axetat cỡ nồng độ vài đơn vị tới hàng trăm mg/kg Từ khóa: Axit hữu mạch ngắn, biodiesel, điện di mao quản với cách phân tích truyền thống cho đối tượng kỹ thuật sắc ký lỏng hiệu cao [2-5] Giới thiệu∗ Chỉ số axit tiêu đánh giá chất lượng biodiesel Thành phần đóng góp vào số axit fomic axetic số axit hữu mạch ngắn khác propionic, butyric Các axit phần sinh trình sản xuất biodiesel, phần tạo thành oxi hóa, đặc biệt trường hợp biodiesel khơng thêm chất bảo quản [1,2] Trong báo này, trình bày việc phát triển quy trình phân tích axit hữu mạch ngắn nói biodiesel phương pháp điện di mao quản Đây kỹ thuật phân tích tương đối đơn giản thiết bị, vận hành, chi phí hóa chất tiêu hao thấp so Thực nghiệm 2.1 Hóa chất, thiết bị: Tồn hóa chất sử dụng thuộc loại tinh khiết phân tích CH3COONa.3H2O mua từ Merck (Darmstadt, Đức) HCOONa, ClCH2COONa, CH3CH2COONa, L-histidin (His), axit 2-(N-morpholino) etansunfonic (MES), axit 3-(N-morpholino) propanesulfonic (MOPS), tris(hydroxymethyl) aminomethane (Tris) cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) mua từ Sigma-Aldrich (Buchs, Thụy Sỹ) Tất dung dịch điện ly (BGEbackground electrolyte) dung dịch chuẩn _ ∗ Tác giả liên hệ ĐT: 84-912380373 Email: hoanggianga0@gmail.com D.H Anh, N.V Quân / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 1-7 pha nước deion Tất phép phân tích thực hệ thiết bị thiết bị điện di mao quản (CE) có phát nguồn cao 30 kV với detector độ dẫn không tiếp xúc (C4D) tự chế tạo Mao quản silica nóng chảy đường kính 50 µm với chiều dài tổng 60 cm chiều dài hiệu dụng 50 cm sử dụng tồn thực nghiệm Trước lần phân tích ngày, mao quản ổn định hóa dung dịch NaOH 0,1 M 10 phút, sau nước deion 10 phút BGE 30 phút Sau phép đo, mao quản rửa BGE phút 2.2 Chuẩn bị mẫu: Mẫu biodiesel thu thập với nguồn gốc sinh học công nghệ điều chế khác Việc chiết anion hữu khỏi biodiesel thực cách hút 1050 mg mẫu cho vào lọ dung tích 1,7 mL thêm 250 mg dung môi chiết (là nước deion BGE pha loãng 10 lần) (tương ứng với tỷ lệ làm giàu lần) có chứa nội chuẩn (ClCH2COO¯ viết tắt ISInternal Standard) nồng độ 19,1 ppm Lọ lắc máy lắc (KMC 1300V, Vision Scientific, Hàn Quốc), sau ly tâm thiết bị ly tâm Mirko 220R, Hettich, Đức với tốc độ 8000 vòng/phút phút Sau ly tâm, 160 µL pha ưa nước tách khỏi pha hữu đem phân tích 2.3 Tối ưu hóa quy trình phân tích cation hệ thiết bị CE-C4D: Dung dịch chuẩn anion HCOO¯, CH3COO¯, CH3CH2COO¯ nồng độ 2,25, 2,95 3,65 ppm tương ứng sử dụng để khảo sát điều kiện phân tích Trong thí nghiệm, điện tách giữ cố định giá trị +15 kV thời gian bơm mẫu 20 s; trừ thí nghiệm khảo sát điều kiện điện thời gian bơm Điều kiện phân tích lựa chọn cho sở kết tín hiệu anion có diện tích lớn, hình dạng sắc nét, độ phân giải píc cạnh có giá trị lớn hơn1,5 * Nghiên cứu lựa chọn dung dịch đệm điện di: Qua tham khảo tài liệu [2], số hệ đệm lựa cho để nghiên cứu quy trình phân tách anion hữu bao gồm: 1) dung dịch histidin 10mM axit 2-(N-morpholino)etansunfonic (đệm His/MES) có pH 5,8 ; 2) dung dịch 3-(Nmorpholino) propanesulfonic 30 mM Lhistidin 30 mM (đệm His/MOPS) có pH = 6,7; 3) dung dịch tris(hydroxymethyl)aminomethane 50mM 3-(N-morpholino) propanesulfonic 50 mM (đệm Tris/MOPS) có pH 7,7 Vì pH lớn nên dung dịch đệm thêm CTAB để điều chỉnh dòng EOF Sau lựa chọn hệ đệm thích hợp, dung dịch đệm điều chỉnh pH khác nhau, từ 5,6 ÷ 6,5 cách thay đổi tỉ lệ thành phần đệm so sánh điện di đồ thu để xác định dung dịch đệm tối ưu * Nghiên cứu lựa chọn điện tách: Sau tối ưu hóa hai điều kiện hóa học (về hệ đệm), ảnh hưởng điện đến phân tách anion hữu phân tích nghiên cứu Trong khảo sát này, điện tách thay đổi từ +10 kV tới +25 kV với bước nhảy kV 2.4 Tối ưu hóa q trình chiết lỏng-lỏng: Các anion hữu cần phân tích nằm biodiesel pha kị nước, để phân tích hệ thiết bị CE, cần chuyển anion vào pha ưa nước Việc thực thông qua trình chiết lỏng – lỏng Đồng thời, để nâng cao độ xác, phương pháp nội chuẩn sử dụng với chất nội chuẩn ion cloaxetat Quá trình chiết thực mục 2.2 Các thơng số khảo sát dung môi chiết, tỷ lệ pha lỗng dung mơi chiết thời gian chiết * Nghiên cứu lựa chọn dung môi chiết: hai loại dung môi chiết khảo sát là: 1) nước deion 2) dung dịch đệm điện di pha loãng 10 lần (BGE 1:10) Hiệu chiết đánh giá thông qua tỉ lệ diện tích pic ion cần phân tích/nội chuẩn để lựa chọn dung môi chiết * Khảo sát tỉ lệ pha lỗng dung mơi chiết: Sau lựa chọn dung môi chiết dung dịch đệm điện di pha loãng, tỉ lệ pha loãng khảo sát với mức khơng pha lỗng pha lỗng ÷ 10 lần D.H Anh, N.V Quân / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 1-7 * Thời gian chiết: sau tối ưu dung môi chiết, thời gian chiết khảo sát khoảng 1-10 phút 2.5 Thẩm định phương pháp Đường chuẩn xây dựng theo phương pháp nội chuẩn dựa tương quan tỉ lệ diện tích pic chất cần phân tích/nội chuẩn với nồng độ chất cần phân tích chất nội chuẩn giữ cố định nồng độ 19,1 mg/kg Giá trị giới hạn phát (LOD) giới hạn định lượng (LOQ) thiết bị ion dịch chiết tính giá trị nồng độ cho tỉ lệ tín hiệu/nhiễu tương ứng 3,3 10 Giá trị giới hạn phát phương pháp phân tích anion hữu biodiesel tính MDL/4,2 (hệ số làm giàu) Trong nghiên cứu này, độ lặp lại phương pháp (theo thời gian di chuyển diện tích pic tương đối) xác định thơng qua giá trị độ lệch chuẩn tương đối (RSD) kết phép phân tích lặp lại dung dịch chuẩn mẫu Độ xác xác định hiệu suất thu hồi lượng biết chất cần phân tích thêm vào mẫu biodiesel Sử dụng mẫu biodiesel có khối lượng 5000 mg, mẫu thêm 50 mg dung dịch chuẩn chứa anion HCOO¯, CH3COO¯, CH3CH2COO¯ nồng độ 9,2 ; 12,0 14,8 mg/kg ion tương ứng nội chuẩn nồng độ 19,1 mg/kg Hỗn hợp lắc mạnh phút rung siêu âm 30 phút để đạt cân bằng, sau 1050 mg lấy vào lọ dung tích 1,7 mL tiếp tục trình chiết nêu Hiệu suất thu hồi R -R tính theo cơng thức: R% = x 100 R0 với R1, R2 R0 nồng độ ion cần phân tích mẫu biodiesel, mẫu biodiesel có thêm chuẩn nồng độ thêm vào biodiesel phần dung dịch đệm điện di thể Hình cho thấy sử dụng đệm Tris/MOPS đệm His/MES cho đầy đủ tín hiệu anion hữu cần phân tích Trong tín hiệu anion thu dùng đệm His/MES cao, sắc nét hơn, đồng thời pic tách tốt nhiều so với đệm Tris/MOPS Do đệm His/MES lựa chọn cho nghiên cứu Kết khảo sát ảnh hưởng pH khoảng 6,5 tới 5,6 đệm His/MES tới phân tách pic anion hữu trình bày hình Trong nội dung báo chúng tơi không khảo sát giá trị pH < 5,0 pKa axit axetic propionic 4,76 4,88 Từ kết hình cho thấy pH > 5,9 dẫn tới chồng chập pic nội chuẩn axetat khơng thể sử dụng hệ đệm Khi pH ≤ 5,9 pic tách tốt độ phân giải tốt pH 5,6 Vì đệm His/MES pH 5,6 lựa chọn phù hợp cho quy trình phân tích anion hữu quan tâm 50 mV Đệm His/MOPs pH = 6,7 CH3COO¯ IS CH3CH2COO¯ HCOO¯ IS HCOO¯ CH3COO¯ CH3CH2COO¯ Đệm Tris/MOPs pH=7,7 Đệm His/MES pH=5,8 200 Kết 300 400 500 600 700 800 900 Thời gian di chuyển (s) 3.1 Tối ưu điều kiện phân tích hệ CE- C4D: * Kết nghiên cứu lựa chọn thành phần dung dịch đệm điện di: Kết khảo sát thành Hình Điện di đồ phân tích anion hữu sử dụng hệ đệm khác 4 D.H Anh, N.V Quân / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Cơng nghệ, Tập 32, Số (2016) 1-7 50 mV Đệm His/MES pH= 6,5 Độ phân giải pH= 5,9 Rnội chuẩn/Axetic Raxetic/Propionic pH= 6,2 pH= 6,0 10 pH= 5,8 HCOO¯ IS CH3COO¯ CH3CH2COO¯ pH= 5,6 10 250 300 350 400 450 500 550 15 20 25 30 Điện (kV) Thời gian di chuyển (s) Hình Điện di đồ phân tích anion hữu sử dụng đệm His/MES có pH khác * Nghiên cứu lựa chọn điện tách: Khi tăng điện tách, thời gian di chuyển pic anion hữu giảm đồng thời diện tích pic chiều cao pic bị thu hẹp lại Nguyên nhân tách tăng cường độ điện trường tăng làm cho ion di chuyển nhanh làm cho pic anion tách cao sít lại, nguyên nhân làm cho diện tích pic thời gian di chuyển giảm.Từ Hình cho thấy tách +15kV giá trị độ phân giải diện tích pic anion lớn nhất.Vì +15kV chọn làm giá trị điện cho trình tách 1 23 25 kV HCOO¯ IS CH3COO¯ CH3CH2COO¯ 100 mV 20 kV 15 kV 10 kV Thời gian di chuyển (s) Hình Điện di đồ khảo sát tách để phân tích anion hữu Hình Sự thay đổi độ phân giải (R) pic cạnh theo điện tách (kV) 3.2 Kết tối ưu quy trình chiết * Nghiên cứu lựa chọn tỉ lệ pha loãng dung môi chiết thời gian chiết: Kết khảo sát thể Hình Tuy kết khơng khác cách đáng kể, nhận thấy, sử dụng dung môi chiết dung dịch đệm điện di, đệm điện di pha lỗng so với dùng nước deion diện tích pic cần phân tích cải thiện đường ổn định Điều q trình trao đổi anion, histidin phân bố từ pha nước vào pha biodiesel, làm tăng trình tách anion phân tích từ biodiesel vào nước Dung dịch đệm điện di pha loãng 10 lần (BGE 1:10) lựa chọn làm dung môi chiết cho kết tốt với diện tích pic lớn anion cho độ dẫn thấp Ngoài khảo sát thời gian chiết (1-10 phút) thấy sau thời gian chiết phút, lượng anion chiết gần không thay đổi đáng kể Nói cách khác, sau thời gian phút, cân phân bố thiết lập Như vậy, dung môi chiết lựa chọn dung dịch đệm điện di His/MES pH = 5,6 pha loãng 10 lần thời gian chiết phút Tỷ lệ diện tích tín hiệu D.H Anh, N.V Quân / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 1-7 Sfocmic/Snội chuẩn Saxetic/Snội chuẩn Spropionic/Snội chuẩn biodiesel/dung môi chiết từ tới theo thể tích Kết tỉ lệ diện tích pic ion phân tích/nội chuẩn thu khơng khác đáng kể thay đổi tỷ lệ thể tích biodiesel/dung mơi chiết Theo tài liệu tham khảo [2,3] dựa thể tích mẫu cần thiết để bơm vào thiết bị CE, tỉ lệ chiết lựa chọn thể tích biodiesel gấp lần thể tích dung mơi chiết 3.3 Kết đánh giá phương pháp phân tích Hình Sự thay đổi tỉ lệ diện tích pic thay đổi dung môi chiết * Nghiên cứu lựa chọn tỉ lệ chiết: Do bị giới hạn lượng mẫu thu thập thể tích lọ chiết nên nghiên cứu khảo sát trình chiết theo tỉ lệ Hệ số hồi quy tuyến tính đường chuẩn thu có giá trị tốt R2≥ 0,9998 Các giá trị MDL thu cỡ 0,015-0,028 mg/kg Độ lặp lại diện tích tương đối thời gian di chuyển thể dạng độ lệch chuẩn tương đối nước deion biodiesel nhỏ 5% phân tích lặp lại lần Hiệu suất thu hồi từ 96,8 đến 109,3% phân tích anion mẫu thêm chuẩn Bảng Các thông số đánh giá phương pháp HCOO¯ CH3COO¯ CH3CH2COO¯ Khoảng đường chuẩn (mg/L) 0,46 ÷ 92,05 0,74 ÷ 148,16 0,60 ÷ 120,10 Hệ số R 0,9999 0,9998 0,9999 Phương trình đường chuẩn y = 0,0023x - 0,003 y = 0,0019x + 0,0156 y = 0,0017x + 0,0036 LOD (mg/L dịch chiết) 0,065 0,12 0,076 LOQ (mg/L dịch chiết) 0,22 0,4 0,25 MDL*(mg/kg biodiesel) 0,015 0,028 0,018 RSDdiện tích(%) (n=5) 3,36 2,79 2,81 RSDthời gian(%) (n=5) 1,95 1,35 3,38 Thời gian di chuyển (s) (n=5) 296,6 ± 2,4 446,0 ± 5,3 528,0 ± 7,3 Hiệu suất thu hồi (%) 96,8 ± 4,5 104,3 ± 3,2 109,3 ± 3,5 y tỉ lệ diện tích pic ion phân tích/nội chuẩn; x nồng độ ion phân tích (mg/L) *tính tốn dựa mẫu biodiesel có khối lượng 1050mg 250mg dung mơi chiết 3.4 Kết phân tích mẫu Kết phân tích mẫu biodiesel thực Bảng giản đồ điện di Hình Trong đó, mẫu Bk1 có hàm lượng anion fomiat, axetat propionat cao từ vài chục tới cỡ trăm mg/kg không sử dụng chất chống oxy hóa, mẫu B100 có nguồn gốc từ dầu Jatropha có sử dụng chất chống oxy hóa có hàm lượng chất thấp nhiều, 10 mg/kg Phân tích mẫu Bio5 Bio6 phát ba anion fomiat cấu tử trội Nếu quy tương đương tổng hàm lượng axit theo số axit cho biodiesel số axit mẫu khoảng 0,3 tới 3,9 mg KOH/g, mẫu Bk1 vượt giá trị tiêu chuẩn cho phép số axit theo tiêu chuẩn châu Âu Mỹ tương ứng 0,5 0,8 mg KOH/g 6 D.H Anh, N.V Quân / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 1-7 Bảng Kết phân tích số mẫu biodiesel Mẫu Nguồn gốc Công nghệ sản xuất B100 Bio5 Bio6 Bk1 Jatropha PFAD Dầu dừa Dầu đậu nành Xúc tác dị thể Xúc tác dị thể Xúc tác kiềm Xúc tác kiềm Hàm lượng anion (mg/kg) HCOO¯ 7,61 23,6 10,7 122 CH3COO¯ 3,93 6,44 11,8 29,7 CH3CH2COO¯ 0,89 1,33 0,39 18,0 Quy tương đương số axit mg KOH/g 0,3 0,7 0,5 3,9 PFAD: axit béo phế thải từ tinh luyện dầu cọ Lời cảm ơn HCOO¯ CH3 COO¯ IS 200 mV CH3CH2COO¯ Mẫu BK1 Mẫu Bio6 Mẫu Bio5 Mẫu B100 200 300 400 500 Thời gian di chuyển (s) Hình Điện di đồ phân tích mẫu biodiesel thực Kết luận Nghiên cứu xây dựng quy trình phân tích hàm lượng anion hữu mạch ngắn HCOO¯, CH3COO¯, CH3CH2COO¯ sản phẩm trình oxy hóa biodiesel phương pháp điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc kết hợp với chiết lỏng-lỏng.Quy trình phân tích có độ lặp lại tốt, giới hạn phát phù hợp với yêu cầu kiểm tra chất lượng biodesel Các tác giả chân thành cám ơn hỗ trợ tài từ đề tài QG 13.07 Đại học Quốc gia Hà Nội Tài liệu tham khảo [1] Benchmarking of Biodiesel Fuel Standardization in East Asia Working Group, (2010) ‘Biodiesel Fuel Quality’ in Goto, S., M Oguma, and N Chollacoop, EAS-ERIA Biodiesel Fuel Trade Handbook: 2010, Jakarta: ERIA, pp.27-62 [2] Nogueira T, (2011) Capillary electrophoresis with capacitively coupled contactless conductivity detection applied to evaluating the quality of biofuels and the study of the oxidation process of biodiesel- PhD thesis, Instituto de Quimica, Universidade de SãoPaulo, São Paulo [3] Yi Zhang, Prapisala Thepsithar, Xia Jiang and Joo Hwa Tay, (2014) Simultaneous Determination of Seven Anions of Interest in Raw Jatropha curcas Oil by Ion Chromatography, Energy Fuels, 228 (4), pp 2581–2588 [4] Niklas Strömberg; Eskil Sahlin, (2012) Determination of the short–chain fatty acid pattern in biodiesel using high throughput syringe solvent extraction and ion exclusion chromatography, Fuel, 97, pp.531–535 [5] Jyrki Viidanoja, (2015) Determination of short chain carboxylic acids in vegetable oils and fats using ion exclusion chromatography electrospray ionization mass spectrometry, J Chromatogr A, 1383, pp 96-103 D.H Anh, N.V Quân / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Cơng nghệ, Tập 32, Số (2016) 1-7 Method Development for Analysis of some Short Chain Organic Acids by Means of Capillary Eelectrophoresis for Quality Control of Biodiesel Dương Hồng Anh, Nguyễn Văn Quân 3* Research Center for Environmental Technology and Sustainable Development, VNU University of Science, 334 Nguyễn Trãi, Hanoi, Vietnam Abstract: Short chain organic acids are of interest to the quality of biodiesel and diesel blends A simple method based on capillary electrophoresis combining capacitively-coupled contactless conductivity detectors was developed to simultaneously determine formate, acetate, propionate in biodiesel The method showed good detection limits of around 0.015-0.028 mg.kg–1 in the biodiesel samples and relative high reproducibility of peak aera and mitigation time that in all cases the ratio of standard deviation to average was below 5% Applying the method to analyse biodiesel samples produced from several biosources, it was found formate and acetate concentration in ranges from a few to hundreds mg/kg Keywords: Short chain organic acids, biodiesel, capillary electrophoresis  ... di chuyển (s) Hình Điện di đồ phân tích mẫu biodiesel thực Kết luận Nghiên cứu xây dựng quy trình phân tích hàm lượng anion hữu mạch ngắn HCOO¯, CH3COO¯, CH3CH2COO¯ sản phẩm q trình oxy hóa biodiesel. .. tỉ lệ di? ??n tích pic ion phân tích/ nội chuẩn; x nồng độ ion phân tích (mg/L) *tính tốn dựa mẫu biodiesel có khối lượng 1050mg 250mg dung mơi chiết 3.4 Kết phân tích mẫu Kết phân tích mẫu biodiesel. .. biodiesel phương pháp điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn khơng tiếp xúc kết hợp với chiết lỏng-lỏng .Quy trình phân tích có độ lặp lại tốt, giới hạn phát phù hợp với yêu cầu kiểm tra chất lượng