Phát triển phần mềm tính nồng độ trong hệ đệm hỗ trợ chuẩn bị dung dịch điện ly nền trong phân tích bằng phương pháp điện di mao quản

Nghiên cứu này phát triển một phần mềm cho phép xác định nồng độ của một hợp phần khi biết nồng độ của một hợp phần còn lại và pH của dung dịch, trong đó có tính tới ảnh hưởng của lực ion. Phần mềm được xây dựng bằng ngôn ngữ C# với giao diện Windows Form trên công cụ Microsoft Visual Studio. Với nồng độ tính từ phần mềm đã phát triển, sự sai khác (|ΔpH|) giữa giá trị pH của các BGE thu được trong thực tế so với giá trị pH mong muốn đều nhỏ hơn 0,07, tương ứng với sai số dưới 2%.

Khoa học Kỹ thuật Công nghệ DOI: 10.31276/VJST.63(11DB).29-34 Phát triển phần mềm tính nồng độ hệ đệm hỗ trợ chuẩn bị dung dịch điện ly phân tích phương pháp điện di mao quản Nguyễn Thanh Đàm1*, Nguyễn Thị Phúc2, Vũ Minh Tuấn1 Phịng Thí nghiệm Trọng điểm Cơng nghệ phân tích phục vụ kiểm định mơi trường an tồn thực phẩm (KLATEFOS), Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Ngày nhận 7/9/2021; ngày chuyển phản biện 13/9/2021; ngày nhận phản biện 13/10/2021; ngày chấp nhận đăng 20/10/2021 Tóm tắt: Các hệ đệm pH với hai hợp phần axit - bazơ hữu yếu đóng vai trị quan trọng phân tích phương pháp điện di mao quản (CE), đặc biệt sử dụng detector đo độ dẫn không tiếp xúc (C4D) Việc chuẩn bị hệ đệm với hợp phần biết nồng độ để sử dụng dung dịch điện ly (BGE) CE-C4D thường yêu cầu trình điều chỉnh pH tới giá trị mong muốn thao tác thường cần tính toán gần để ước lượng nồng độ hợp phần thứ hai Nghiên cứu phát triển phần mềm cho phép xác định nồng độ hợp phần biết nồng độ hợp phần lại pH dung dịch, có tính tới ảnh hưởng lực ion Phần mềm xây dựng ngôn ngữ C# với giao diện Windows Form cơng cụ Microsoft Visual Studio Với nồng độ tính từ phần mềm phát triển, sai khác (|ΔpH|) giá trị pH BGE thu thực tế so với giá trị pH mong muốn nhỏ 0,07, tương ứng với sai số 2% Từ khóa: dung dịch điện ly nền, đệm, nồng độ, pH, phần mềm Chỉ số phân loại: 2.4 Đặt vấn đề Hệ đệm pH dung dịch có pH thay đổi pha lỗng thêm vào dung dịch lượng nhỏ axit hay bazơ khác [1] Các hệ đệm thường chuẩn bị từ hỗn hợp axit yếu (chất cho proton) bazơ liên hợp (chất nhận proton) ngược lại Khi thêm lượng nhỏ axit khác (mạnh yếu) vào hệ đệm, axit phản ứng với hợp phần bazơ dung dịch đệm Tương tự, bazơ khác thêm vào, phản ứng với hợp phần axit hệ đệm Tại thời điểm ban đầu thêm axit bazơ, thành phần hệ đệm thay đổi, nhiên, cân hóa học sau bị dịch chuyển theo nguyên lý Le Chataelier, đó, khơng có thay đổi đáng kể giá trị pH đo dung dịch [2] Tầm quan trọng hệ đệm pH nhấn mạnh phạm vi hoá học phân tích nói chung CE nói riêng hầu hết BGE CE chuẩn bị dạng dung dịch đệm hai hợp phần Thành phần, nồng độ pH BGE có ảnh hưởng mạnh tới tách chất phương pháp CE, đặc biệt sử dụng kết hợp với C4D Thành phần nồng độ BGE ảnh hưởng tới tín hiệu phân tích độ lớn thời gian xuất tín hiệu thu từ C4D chênh lệch độ dẫn điện chất phân tích, cịn thời gian di chuyển phụ thuộc vào độ nhớt dung dịch [3] Đối với chất phân tích, * axit hay bazơ yếu, giá trị pH BGE định dạng tồn chất phân tích dung dịch Bên cạnh đó, điều kiện pH yếu tố tác động trực tiếp đến dòng điện di thẩm thấu (EOF) [4] Do vậy, việc chọn lựa BGE với nồng độ pH thích hợp ln bước cần khảo sát phát triển quy trình phân tích theo CE-C4D Q trình chuẩn bị BGE phân tích CE-C4D thường bắt đầu với việc lựa chọn khoảng pH thích hợp cho đối tượng phân tích, từ định thành phần BGE phù hợp với khoảng pH Các axit - bazơ hữu theo danh sách Good (Good’s buffer [5]) thường sử dụng CE-C4D Nồng độ hợp phần BGE thường cố định, hợp phần thứ hai thay đổi nồng độ cách thêm từ từ lượng nhỏ dung dịch hợp phần thứ hai nồng độ cao đạt pH mong muốn Khi việc ước lượng nồng độ hợp phần thứ hai quan trọng, giúp tiết kiệm thời gian hóa chất Việc tính tốn nồng độ hợp phần thứ hai BGE biết nồng độ hợp phần thứ pH dung dịch thường thực cách thủ công tay Điều có hạn chế rõ ràng tốn nhiều thời gian, dễ mắc sai số Những nhược điểm khắc phục phần cách xây dựng sử dụng Excel sheet Tuy Tác giả liên hệ: Email: damnt@vnu.edu.vn 63(11ĐB) 11.2021 29 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Software development for calculating concentration in a buffer to the preparation of background electrolyte in the analytical method of capillary electrophoresis Thanh Dam Nguyen1*, Thi Phuc Nguyen2, Minh Tuan Vu1 Key Laboratory of Analytical Technology for Environmental Quality and Food Safety Control (KLATEFOS), University of Science, Vietnam National University, Hanoi Faculty of Chemistry, University of Science, Vietnam National University, Hanoi Received September 2021; accepted 20 October 2021 Abstract: pH buffers of weak organic acids and bases are essential in capillary electrophoresis (CE) analyses, primarily when contactless conductivity detectors (C4D) are used However, the preparation of a buffer with a known concentration of one component for use as a background electrolyte (BGE) in CE-C4D usually requires a pH adjustment to the desired value and an approximate calculation to estimate the concentration of the second component This study developed software that allowed determining the concentration of one component when knowing the concentration of another component and the pH of the solution, taking into account the influence of ionic strength The software was built in C# language with Windows Form interface on Microsoft Visual Studio With the concentrations calculated from the developed software, the differences (|ΔpH|) between pH values of the obtained BGEs in practice and the desired values were smaller than 0.07, corresponding to the errors of less than 2% nhiên, cách làm thiếu thuận tiện, đặc biệt áp dụng với nhiều hệ BGE có thành phần khác Bên cạnh đó, pH dung dịch đệm nói chung BGE nói riêng thường phụ thuộc vào lực ion, ảnh hưởng yếu tố thường bị bỏ qua chuẩn bị dung dịch đệm phức tạp tính tốn Để giải hạn chế nêu trên, việc sử dụng phần mềm với chức tính tốn nồng độ hợp phần BGE biết nồng độ hợp phần lại pH dung dịch (có kể đến ảnh hưởng lực ion) cần thiết Một phần mềm sử dụng phổ biến CE PeakMaster Bên cạnh tính dự đốn tín hiệu phân tích, phần mềm cho phép tính tốn pH biết nồng độ hợp phần BGE [6] sử dụng để hỗ trợ việc chuẩn bị BGE [7] Tuy nhiên, để thực việc cần ước lượng (bằng tay Excel sheet) để có nồng độ ban đầu hợp lý Nhu cầu tính tốn nồng độ BGE chưa có phần mềm đáp ứng đặt yêu cầu xây dựng thuật toán phát triển phần mềm hỗ trợ việc chuẩn bị BGE phân tích CE-C4D Đây mục tiêu nghiên cứu Cơ sở lý thuyết thực nghiệm Cơ sở lý thuyết Xét hệ BGE gồm hai hợp phần A1 A2 với dạng axit cao H m A1( q1 ) H m2 A2( q2 ) , với m1, m2 số H axit tối đa q1, q2 điện tích (để đơn giản, khơng ghi dấu điện tích này) Dạng ban đầu (được sử dụng để chuẩn bị BGE) hai hợp phần H m1 −n1 A1( q1 − n1 ) H m −n A2( q −n ) Các giá trị số phân ly axit hai 1 1 , k a2 , k a3 , k a4 k a12 , k a22 , k a3 , thành phần k a1 k a42 2 2 Phương trình cân proton (điều kiện proton - ĐKP) với mức không gồm H m1 − n1 A1( q1 − n1 ) , H m2 − n2 A2( q2 − n2 ) H2O: n n m −n m −n Keywords: background electrolyte, buffer, concentration, [H + ] + ∑ i[H m − n +i A1( q − n +i ) ] + ∑ j[H m − n + j A2( q − n + j ) ] = [OH − ] + ∑ k[H m − n − k A1( q − n − k ) ] + ∑ l[H m − n −l A2( q − n −l ) ] pH, software =i =j =k =l 1 1 Classification number: 2.4 1 2 2 2 2 2 Biến đổi phương trình ĐKP tính nồng độ hợp phần thứ hai: n1 m1 −n1 ( q1 −n1 −k ) ⇔ [H+ ] − [OH− ] + ∑ i[Hm1−n1+i A1(q1−n1+i) ] − ∑ k[H= ] m1 −n1 −k A1 m2 −n2 n2 ∑ l[Hm2−n2−lA2(q2−n2−l) ] − ∑ j[Hm2−n2+ jA2(q2−n2+ j) ] =i =k =l =j m1 −n1 n2    m2 −n2 k w  n1 C i k C l jα H A2(q2 −n2 + j )  + − = − α α α q − n + i q − n − k q − n − l ( ) ( ) ( )  ∑ ∑ ∑ ∑   1 1 2 a1 a2 + Hm1 − n1 +i A1 Hm1 − n1 − k A1 Hm2 − n2 −l A2 m2 − n2 + j [H ]  i =k = =   l =j  ⇔ [H+ ] − m1 − n1  n1  k [H + ] − w+ + Ca1  ∑ iα H A1( q1 −n1 +i ) − ∑ kα H A1( q1 −n1 −k )  m − n + i m1 − n1 − k 1 [H ] = i =k   ⇔ Ca2 = n2  m2 −n2   ∑ lα Hm2 −n2 −l A2( q2 −n2 −l ) − ∑ jα Hm2 −n2 + j A2( q2 −n2 + j )  =  l =j  63(11ĐB) 11.2021 30 (1) Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Như vậy, biết pH nồng độ hợp phần, nồng độ hợp phần thứ hai dễ dàng tính được, hệ số phân số nồng độ (α) xác định theo biểu thức: i [H m1 −i A1(q1 −i ) ] = Ca1 ∑ [H m1 −i A1(q1 −i ) ] ⇒ α H A1= = ( q1−i ) m1 m1−i i =0 ( q1 − i ) ∑[Hm1 −i A1 ] [H + ]m1 −i × ∏ kC1 k m1 i =0 [Hm2 −i A2(q2 − j ] ( q2 − j ) = Ca2 ∑[Hm2 − j A2 ] ⇒ α H A2= = ( q2 − j ) m2 m2 − j j =0 ( q2 − j ) ∑[Hm2 − j A2 ] m1  + m1 −i i  ∑i=0 [H ] × ∏k =0 kCk  với (2) j [H ] × ∏ kC2k + m2 − j m2 j =0 k =0 k =0 m2  + m2 − j j  ∑j=0 [H ] × ∏k =0 kCk    (3) Bởi thơng tin giá trị số phân ly chất cho dạng Ka, việc chuyển đổi Ka KC cần thiết thực theo phương trình: k= k a2j × Cj fH ( q1 −i +1) m1 −i +1 A1 f H+ f H fH (4) ( q1 −i ) m1 −i A1 ( q2 − j +1) m2 − j +1 A1 f H+ f H Phần mềm phát triển với giao diện Windows Form dựa ngôn ngữ C#, sử dụng công cụ Microsoft Visual Studio phiên Community 2019 (Microsoft, Mỹ) Bên cạnh chức tính nồng độ, phần mềm cịn cần có chức hiển thị thơng tin chất thường sử dụng để chuẩn bị BGE CE Bảng thông tin thiết kế giao diện dự kiến phần mềm thể bảng hình Bảng Các thơng tin dự kiến người dùng phần mềm cung cấp Người dùng cung cấp Sử dụng Textbox để truy xuất đường Cơ sở liệu chứa thông tin dẫn tới file csv chứa thông tin chất chất Hai thành phần BGE (5) Giá trị hệ số hoạt độ phụ thuộc vào độ lớn lực ion (I) tính theo phương trình DebyeHuckel lực ion nhỏ 0,01 tính theo phương trình Debye-Huckel mở rộng (phương trình David) hoạt độ lớn 0,01: pH dung dịch, nồng độ hợp phần thứ hai, thể tích định Sử dụng Textbox để nhập liệu mức Thông tin (pKa, dạng tồn tại…) Sử dụng DataGridView để lấy hiển chất thị liệu từ file csv Nồng độ hợp phần thứ hai, Tính tốn bấm Button sử dụng khối lượng thể tích hai Textbox để hiển thị thành phần (6)   I −0,5 z  − 0, I  với I > 0,1 (7) log f = 1+ I  Lực ion phụ thuộc vào nồng độ điện tích dạng tồn dung dịch: m2   m1 ( q1 −i ) ( ) [H A1 ] (q2 − j )2 [H m2 − j A2( q2 − j ) ]  (8) − + q i ∑ ∑ m1 −i  i 0=j =  Hình Thiết kế giao diện dự kiến phần mềm tính nồng độ BGE I= Hố chất, thiết bị Các loại hóa chất sử dụng để chuẩn bị dung dịch BGE thuộc loại hóa chất phân tích tinh khiết, bao gồm: histidin (His) >99,5%, axit 2-morpholinoethanesulfonic (MES) >99% (Sigma-Aldrich, Đức), axit axetic (Ace) 100% (Merk, Đức) 63(11ĐB) 11.2021 Sử dụng Textbox để nhập liệu (ký hiệu viết tắt hai chất bảng thông tin DataGridView) Phần mềm cung cấp ( q2 − j ) m2 − j A1 log f = −0,5 z I với ImaxH gán Ka=0 nên đưa tới KC=0 triệt tiêu biểu thức tính α) 63(11ĐB) 11.2021 Kết thử nghiệm phần mềm thực tế Phần mềm sau phát triển thử nghiệm thực tế, kết tính tốn từ phần mềm so sánh với kết đo máy đo pH phần mềm 33 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ PeakMaster Các BGE sử dụng thực nghiệm hệ đệm với hợp phần thứ His thứ hai Ace MES Đây hệ BGE thơng dụng phân tích CE-C4D BGE với thành phần 12 mM His/Ace pH=4,0 thường sử dụng để phân tích đồng thời cation anion vô cơ môi trường nước [10], hệ BGE (12 mM His/MES pH=6,3 [11] mM His/ Ace pH=2,5-3,5 [12]) cịn lại dùng để phân tích glyphosate, loại thuốc diệt cỏ sử dụng phổ biến bị cấm nhiều quốc gia, có Việt Nam Các kết tính tốn nghiên cứu sử dụng để chuẩn bị BGE [12] Bảng Kết tính tốn nồng độ từ phần mềm phát triển so sánh với giá trị pH thu thực tế phần mềm PeakMaster Kết từ phần mềm nghiên cứu (mM) Kết đo pH thực tế Kết pH đối chứng từ phần mềm PeakMaster 12,0 mM His/Ace, pH=4,0 CAce=73,69 pH=4,06 pH=4,005 12,0 mM His/MES, pH=6,3 CMES=8,68 pH=6,23 pH=6,208 1,0 mM His/Ace, pH=2,50 CAce=761,66 pH=2,48 pH=2,509 1,0 mM His/Ace, pH=3,50 CAce=24,49 pH=3,52 pH=3,506 Điều kiện Kết bảng cho thấy, chuẩn bị BGE với nồng độ hợp phần thứ hai (Ace MES) tính tốn từ phần mềm, pH dung dịch thu thực tế gần với pH mong muốn (|ΔpH|≤0,07, tương ứng với sai số nhỏ 2%) Các kết đối chứng cho thấy phù hợp phần mềm (sử dụng nồng độ tính phần mềm tự phát triển để đưa vào tính pH phần mềm PeakMaster), sai lệch pH quan sát tương tự với |ΔpH|