Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 58-63 Nghiên cứu nâng cao độ nhạy nhằm xác định hàm lượng số nguyên tố đất phương pháp điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc (CE-C4D) Lê Đức Dũng1, Phạm Công Hiếu1, Nguyễn Thị Thanh Bình2, Cao Văn Hồng2, Nguyễn Văn Ri1, Nguyễn Thị Ánh Hường1,* Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Khoa Hóa học, Trường Đại học Quy Nhơn Nhận ngày tháng năm 2016 Chỉnh sửa ngày 28 tháng năm 2016; Chấp nhận đăng ngày 01 tháng năm 2016 Tóm tắt: Nhằm đáp ứng tốt nhu cầu phân tích thực tế, nghiên cứu nhằm nâng cao độ nhạy cho việc xác định năm nguyên tố đất (La, Ce, Pr, Nd, Sm) phương pháp CE-C4D, sở kế thừa khảo sát tối ưu thành phần dung dịch đệm điện di thành phần dung môi hữu thêm vào dung dịch đệm, thời gian bơm mẫu, mao quản sử dụng, Điều kiện phân tích tối ưu thu nhằm xác định đồng thời năm nguyên tố đất (La, Ce, Pr, Nd, Sm) mao quản sillica có đường kính (ID) 25µm, đệm Histidin/Axetat 20mM, pH=3,9, HIBA 10mM, acetonnitril (ACN) 5%, tách 20kV thời gian bơm mẫu 80s Kết giới hạn phát đạt với nguyên tố La: 0,2ppm; Ce: 0,4ppm; Pr: 1,4ppm; Nd: 1,8ppm Sm: 3,5ppm, tốt so với nghiên cứu trước từ gần 2-6 lần Ngoài ra, độ xác phương pháp cải thiện, minh chứng thông qua kết xác định hàm lượng năm NTĐH số mẫu quặng mẫu lớp phủ phosphate, với sai số nhỏ 10% thực phân tích đối chứng với phương pháp khối phổ cảm ứng plasma (ICP-MS) Từ khoá: Nguyên tố đất hiếm, nâng cao độ nhạy, CE-C4D Tổng quan* lượng chế tạo nam châm vĩnh cửu, làm chế phẩm phân bón,… [2, 3, 4] Bên cạnh phương pháp thường sử dụng để phân tích NTĐH quang phổ phát xạ cảm ứng cao tần plasma (ICP-OES), khối phổ cảm ứng cao tần plasma (ICP-MS), phương pháp điện di mao quản cho thấy tiềm với mục tiêu phân tích NTĐH Các nguyên tố đất (NTĐH) trở nên ngày phổ biến với nhiều ứng dụng lĩnh vực khác công nghệ cao điện - điện tử, hạt nhân, vũ trụ, vật liệu siêu dẫn, siêu nam châm, luyện kim, lớp phủ kim loại, xúc tác, dược phẩm, phân bón vi Với ưu điểm gọn nhẹ, chi phí thấp dễ sử dụng, phương pháp điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc (CE-C4D) _ * Tác giả liên hệ ĐT.: 84-946593969 Email: nguyenthianhhuong@hus.edu.vn 58 L.Đ Dũng nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 58-63 ứng dụng để nghiên cứu tách xác định đồng thời NTĐH Tuy nhiên, nghiên cứu trước [1, 3] tập trung khảo sát điều kiện tối ưu cho việc phân tách đồng thời NTĐH mà chưa trọng đến nâng cao độ nhạy Trên thực tế, NTĐH thường tồn mẫu quặng ứng dụng liên quan mức hàm lượng nhỏ với lượng nhỏ NTĐH tạo nên đột phá chất lượng sản phẩm tương ứng Do đó, nghiên cứu tập trung thay đổi yếu tố thành phần nồng độ dung dịch đệm, tác nhân tạo phức thành phần dung môi nhằm tăng độ nhạy xác định NTĐH (La, Ce, Pr, Nd Sm) phương pháp CE-C4D Phương pháp nghiên cứu 2.1 Hóa chất chất chuẩn Các dung dịch chuẩn NTĐH dung mơi, hóa chất thuộc loại tinh khiết phân tích hãng Merck (Đức): lanthan (La), ceri (Ce), praseodymi (Pr), neodymi (Nd) samari (Sm), NaOH, HCl, arginin (Arg), histidin (His), axit citric (Cit), lysine (Lys), axit ascorbic (Asc), axit acetic (Axe), axit α-hydroxyl iso-butyric (HIBA), axit lactic (Lac) hexabromocyclododecane (HBCD), metanol (MeOH), acetonnitril (ACN), tetrahydrofuran (THF) nước đề ion 2.2 Phương pháp nghiên cứu Hệ thiết bị CE-C4D công ty 3SAnalysis (http://www.3sanalysis.vn/) thiết kế, chế tạo sở hợp tác với nhóm nghiên cứu GS Peter Hauser (Đại học Basel, Thụy Sĩ) Cấu tạo thông số kỹ thuật hệ thiết bị tham khảo cơng bố trước nhóm nghiên cứu [3] 59 Kết thảo luận 3.1 Khảo sát tối ưu điều kiện phân tích 3.1.1 Khảo sát thành phần, pH, nồng độ đệm điện di tác nhân tạo phức Kết nghiên cứu trước [1] cho thấy, sử dụng hệ đệm Arginin/axit ascobic (Arg/Asc) khả phân tách nguyên tố đất tương đối tốt, nhiên độ ổn định phép đo lại giảm theo thời gian, đặc biệt ứng dụng phân tích mẫu thực tế Điều axit ascorbic sử dụng thành phần đệm không bền, bị giảm dần độ ổn định theo thời gian, gây nên tín hiệu nhiễu giãn rộng pic NTĐH Giới hạn phát đạt trường hợp La: 1,17ppm; Ce: 1,11ppm; Pr: 4,87ppm; Nd: 1,56ppm Sm: 3,81ppm Một kết khác [3], hệ đệm sử dụng lựa chọn Arg/Axe, với LOD đạt ứng với năm nguyên tố: La: 0,86ppm; Ce: 2,30ppm; Pr: 3,42ppm; Nd: 4,03ppm Sm: 4,41ppm Để tăng độ nhạy phương pháp CE-C4D, cần phải sử dụng hệ đệm có độ dẫn đủ thấp, bền (ổn định) pH nằm khoảng từ 3,9 - 4,2 [2] nhằm đảm bảo độ bền phức NTĐH với phối tử HIBA Do đó, nghiên cứu này, hệ đệm thông dụng phương pháp CE-C4D lựa chọn để khảo sát gồm His/Axe, Arg/Asc, Lys/Axe Arg/Axe với giá trị pH khác hệ đệm khoảng từ 3,9 - 4,2 Kết thu hình (tại pH tối ưu hệ đệm) cho thấy, khả phân tách tốt với năm NTĐH đạt sử dụng hệ đệm His/Axe pH = 3,9 Độ phân giải (R) cặp pic liền kề (bảng 1) cho giá trị lớn 1,5 Kết khảo sát nồng độ khác histidin khoảng từ 10-30mM cho thấy nồng độ 20mM cho kết tín hiệu tốt với đường ổn định pic cân đối, sắc nét Do đó, hệ đệm His (20mM)/Axe, pH=3,9 lựa chọn cho khảo sát 60 L.Đ Dũng nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 58-63 20mV 10mV La Ce PrNd Sm HIBA Lys/Axe pH 3,9 Arg/Asc pH 3,9 La Ce Pr Nd axit Lactic Sm His/Axe pH 3,9 HBDC Arg/Axe pH 4,2 250 300 350 400 250 300 Thêi gian di chuyÓn (s) 350 400 450 Thêi gian di chuyÓn (s) Hình Điện di đồ phân tách năm NTĐH pH tối ưu hệ đệm Hình Kết khảo sát tác nhân tạo phức Bảng Độ phân giải cặp nguyên tố pH tối ưu hệ đệm Cặp nguyên tố Hệ đệm Lys/Axe (pH = 3,9) La-Ce Ce-Pr Pr-Nd Nd-Sm 1,27 1,13 0,93 1,75 Arg/Asc (pH = 3,9) 1,17 0,89 0,67 2,00 His/Axe (pH = 3,9) 1,88 1,69 1,83 2,67 Arg/Axe (pH = 4,2) 2,00 1,38 1,28 2,43 Với đặc điểm bán kính nguyên tử điện tích giống nên việc tách NTĐH phương pháp điện di hay sắc kí thường gặp nhiều khó khăn Vì vậy, phương pháp điện di mao quản, người ta thường sử dụng chất tạo phức để tạo nên thay đổi tính chất hợp chất phức với NTĐH làm cho việc tách chúng trở nên dễ dàng Trong nghiên cứu này, ba tác nhân tạo phức gồm axit α-hydroxyl iso-butyric (HIBA), axit lactic (Lac) hexabromocyclododecane (HBCD) khảo sát với nồng độ khác khoảng từ 5-15mM Kết cho thấy, phân tách tốt năm NTĐH đạt sử dụng chất tạo phức HIBA 10mM (hình 2) Do đó, tác nhân tạo phức HIBA 10mM lựa chọn cho khảo sát J J 3.1.2 Khảo sát thành phần hàm lượng dung môi thêm vào dung dịch đệm điện di Thông thường, để làm phương pháp CE-C4D Trong nghiên cứu này, dung môi lựa chọn để khảo sát gồm MeOH, ACN THF Kết khảo sát hình cho thấy, sử dụng ACN kết tách tín hiệu pic tăng liên kết NTĐH với HIBA làm giảm độ dẫn hệ đệm (từ giúp giảm giới hạn phát (LOD)), lượng nhỏ dung mơi phân cực (hơn so với nước) thêm vào dung dịch đệm NTĐH tốt nhất, tốt nhiều so với sử dụng MeOH THF Tiếp tục khảo sát nồng độ ACN khác 0%, 5% 10% cho thấy khả phân tách NTĐH tăng lượng ACN tăng, nhiên tín hiệu NTĐH lại giảm dần nồng độ ACN 5% cho tín hiệu tốt Do đó, dung mơi ACN 5% lựa chọn để thêm vào dung dịch đệm điện di thí nghiệm 61 L.Đ Dũng nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 58-63 10mV 10mV THF 10% La MeOH La Ce Ce Pr Nd Sm 5% Pr Nd Sm 0% ACN 200 250 300 350 400 450 500 250 Thêi gian di chun (s) Hình Kết khảo sát thành phần dung môi Như vậy, điều kiện phân tích đồng thời năm NTĐH lựa chọn phương pháp CE-C4D gồm: mao quản silica, chiều dài tổng 60cm (chiều dài hiệu dụng 55cm), đường kính 25µm; phương pháp bơm mẫu thủy động lực học kiểu xiphông độ cao 10cm 80s; tách: 20kV; dung dịch đệm điện di: His (20mM)/Axe, pH=3,9, HIBA 10mM ACN 10% Trên sở điều kiện phân tích này, đường 300 350 400 450 500 Thêi gian di chun (s) Hình Điện di đồ phân tách năm NTĐH nồng độ ACN khác chuẩn năm NTĐH xây dựng với giá trị hệ số tương quan lớn 0,9995 (bảng 2) Các giá trị giới hạn phát (LOD) đạt với nguyên tố La: 0,20ppm; Ce: 0,40ppm; Pr: 1,40ppm; Nd: 1,80ppm Sm: 3,50ppm, tốt so với nghiên cứu trước từ gần đến lần, tốt đạt với nguyên tố Ce (5, lần) Bảng 2: Phương trình đường chuẩn, giới hạn phát (LOD) giới hạn định lượng (LOQ) nguyên tố đất Nguyên tố Phương trình đường chuẩn Hệ số tương quan (R2) LOD (ppm) LOQ (ppm) La y=0,965x+4,478 0,9994 0,20 0,50 Ce y=0,888x+1,926 0,9992 0,40 1,5 Pr y=0,711x+2,662 0,9991 1,4 4,5 Nd y=0,525x+2,372 0,9994 1,8 5,0 Sm y=0,997x-4,450 0,9996 3,5 11,5 3.2 Kết phân tích hàm lượng đất mẫu quặng đất Việt Nam mẫu lớp phủ phosphate * Kết phân tích mẫu quặng đất Việt Nam Các mẫu quặng cung cấp Viện công nghệ xạ hiếm, quy trình xử lý mẫu thực tương tự công bố [3], kết phân tích thiết bị CE-C4D đối chứng với phương pháp ICPMS thể bảng hình * Kết phân tích mẫu lớp phủ photsphate Quy trình thí nghiệm chế tạo xử lý mẫu lớp phủ phosphate thực sở tham khảo tài liệu [4, 5] mẫu phủ oxit tinh khiết mẫu quặng Kết phân tích đối chứng với phương pháp ICP-MS thể bảng 4, hình 62 L.Đ Dũng nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 58-63 Bảng Kết phân tích mẫu quặng Tên mẫu Hàm lượng (%w/w) Nguyên tố ICPMS 14,04± 0,08 15,02± 0,08 1,41± 0,01 3,54± 0,02 11,92± 0,06 13,76± 0,06 1,01± 0,01 2,51± 0,01 9,53± 0,01 14,17± 0,07 1,03± 0,01 2,59± 0,02 CE-C D 13,34± 0,09 14,28± 0,08 1,38± 0,01 3,40± 0,04 11,68± 0,07 13,25± 0,09 0,99± 0,01 2,42± 0,02 9,43± 0,06 13,76± 0,08 1,00± 0,02 2,58± 0,03 La Ce 12.3.C2 Pr Nd La Ce 12.3.D Pr Nd La Ce 12.5.E Pr Nd La 20mV Sai số (%) 4,98 4,93 2,12 3,95 so với mẫu phủ) sở so sánh kết phân tích phương pháp CE-C4D với phương pháp đối chứng ICP-MS Bảng Kết phân tích lớp phủ oxit tinh khiết Mẫu lớp phủ Mẫu 2,01 3,71 1,98 3,59 Mẫu 2,89 0,37 ICP-MS La 82,2±4,3 85,5±3,2 3,86 Ce 96,5±5,1 94,2±4,5 2,44 Pr 58,1±2,3 57,1±0,3 1,75 Nd 80,8±2,7 76,7±0,7 5,35 La 33,1±2,2 31,3±2,0 5,75 Ce 72,9±2,1 68,8±3,7 5,96 Pr 43,6±2,5 42,2±0,3 3,32 Nd 58,4±1,6 57,8±0,4 1,04 Bảng Kết phân tích lớp phủ mẫu quặng Mẫu lớp phủ Nguyên tố La 1.29.C Ce Ce La 9.23.B 12.3.D 1.25.E 400 CE-C D Sai số (%) 2,91 Pr Nd 300 Hàm lượng (µg/cm2) 1,05 Ce 12.3.C2 200 Nguyên tố La 9.25.B Ce Hàm lượng (µg/cm2) CEICPC4D MS 32,2 31,8 ±1,2 ±0,6 42,8 43,1 ±1,4 ±1,6 44,1 47,6 ±2,3 ±2,7 70,2 77,3 ±2,1 ±3,8 17,3 16,6 ±1,3 ±0,2 24,3 24,6 ±1,4 ±0,3 Sai số (%) 1,26 0,7 7,35 9,18 4,22 1,2 500 Thêi gian di chuyÓn (s) Hình Điện di đồ phân tích NTĐH mẫu quặng khác Trên sở xác định hàm lượng NTĐH mẫu quặng mẫu phủ, sơ nhận thấy hàm lượng tỉ lệ bám dính Ce ln cao so với ngun tố cịn lại Ngồi việc nâng cao độ nhạy gần 2-6 lần, sai số phân tích nhỏ so với nghiên cứu trước (