1.5.1. Nguyên tắc chung của phƣơng pháp Von-ampe hòa tan
Phương pháp von – ampe là nhóm các phương pháp phân tích dựa vào việc nghiên cứu đường von – ampe hay còn gọi là đường phân cực, là đường biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ dòng điện vào điện thế khi tiến hành điện phân dung dịch chất phân tích.
Quá trình điện phân được thực hiện trong một bình điện phân đặc biệt gồm hệ 3 cực:
+ Cực làm việc: thường là cực giọt thuỷ ngân tĩnh, cực rắn đĩa hay cực màng (màng thủy ngân; màng vàng; màng bitmut;...)
+ Cực so sánh: là cực có thế không đổi thường là cực calomen hoặc cực bạc clorua có bề mặt lớn
Nắp bình điện phân còn có một lỗ để dẫn một luồng khí trơ vào với mục đích để đuổi khí oxi hoà tan trong dung dịch ra khỏi bình điện phân. Để vẽ được đường phân cực người ta liên tục theo dõi và đo cường độ dòng điện chạy qua mạch khi tăng dần điện thế đặt vào hai cực của bình điện phân, sau đó vẽ đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc của I – E, trong đó I là cường độ dòng điện chạy qua mạch, E là điện thế đặt vào hai cực của bình điện phân. Ta sẽ được một đường cong đó chính là đường cong Von – Ampe hoà tan.
Để làm tăng độ nhạy và tín hiệu đo của phương pháp ta cần phải có quá trình làm giàu chất lên bề mặt điện cực. Quá trình làm giàu các hợp chất cần xác định lên bề mặt điện cực được tiến hành bằng phương pháp điện phân để tập trung chất lên bề mặt điện cực, nhờ đó mà làm tăng độ nhạy lên rất nhiều. Quy trình chung của một phương pháp phân tích điện hoá gồm hai giai đoạn :
Giai đoạn làm giàu: Chất phân tích được làm giàu bằng cách điện phân dung
dịch phân tích ở một thế xác định và được giữ không đổi trong quá trình điện phân tập trung chất phân tích (thường chọn thế ứng với dòng giới hạn khuếch tán của chất phân tích và thế chỉ có một số tối thiểu các chất bị khử hoặc bị oxi hoá) lên bề mặt điện cực làm việc. Khi điện phân, dung dịch phân tích được khuấy trộn đều bằng cách dùng khuấy từ hoặc cho cực quay. Nếu dùng cực rắn đĩa quay thì cho cực quay với tốc độ không đổi (từ 1000 đến 4000 vòng/phút để đảm bảo chuyển động của chất lỏng là sự chảy thành dòng chứ không phải là chuyển động soáy). Nếu dùng cực rắn tĩnh hoặc cực thuỷ ngân tĩnh thì dùng máy khuấy từ và cũng phải giữ tốc độ khuấy không đổi trong quá trình điện phân. Thời gian điện phân tuỳ thuộc vào nồng độ của chất cần xác định trong dung dịch phân tích và kích thước của cực làm việc (ví dụ khi dùng cực đĩa quay bằng than thuỷ tinh có đường kính nằm trong khoảng 3 – 5 mm, khi điện phân để khử catot nhiều ion kim loại ở thế ứng với dòng khuếch tán của chúng, khi nồng độ nằm trong khoảng 10-7
– 5.10-7M chỉ cần điện phân làm giàu trong khoảng 10-15 ph).
Kết thúc điện phân thì ngừng khuấy (hoặc cho cực ngừng quay) để dung dịch phân tích yên tĩnh giữ trong khoảng 15 giây đến 30 giây. Nếu dùng cực giọt thuỷ ngân tĩnh hoặc cực màng thuỷ ngân điều chế tại chỗ trên bề mặt cực đĩa thì cần có thời gian nghỉ tức là để yên hệ thống trong khoảng thời gian ngắn 30 – 60 s để lượng kim loại phân bố đều trong hỗn hống trên toàn cực.
Giai đoạn hoà tan: Hoà tan chất phân tích được làm giàu khỏi bề mặt điện
cực làm việc bằng cách quét thế tuyến tính theo một chiều xác định (anot hoặc catot) đồng thời ghi đường von – ampe hoà tan bằng một kỹ thuật điện hoá nào đó như SqW, DP, CV... Trong giai đoạn này thường không khuấy dung dịch phân tích. Nếu điện phân là quá trình khử catot ở thế không đổi và đủ lớn (20-50 mV/sec) từ giá trị Eđp về phía các giá trị dương hơn. Như vậy, trong trường hợp này quá trình hoà tan là quá trình anot và phương pháp phân tích gọi là phương pháp Von – ampe hoà tan anot (ASV). Ngược lại nếu điện phân là quá trình oxi hoá anot chất phân tích để tập trung lên bề mặt điện cực thì quá trình phân cực hoà tan gọi là quá trình catot và phương pháp đó được gọi là phương pháp Von-ampe hoà tan catot (CSV).
Trên đường Von-ampe hoà tan xuất hiện pic của chất cần xác định. Cũng gần tương tự như sóng cực phổ dòng một chiều (cực phổ cổ điển) hoặc các đường cực phổ sóng vuông, cực phổ xung, trong phương pháp Von – ampe hoà tan thế ứng với cực đại của pic Eđp và chiều cao của pic (dòng hoà tan cực đại) Icđ phụ thuộc vào nhiều yếu tố rất phức tạp, nhưng trong các điều kiện tối ưu và giữ không đổi một số yếu tố thì Ecđ đặc trưng cho bảnchất của chất phân tích và Icđ tỉ lệ thuận với nồng độ của chất phân tích trong dung dịch.
* Ƣu điểm của phƣơng pháp von-ampe hòa tan
So sánh với các phương pháp phân tích vết khác, phương pháp von – ampe hoà tan có các ưu điểm sau:
-Phương pháp von-ampe hòa tan có khả năng xác định đồng thời nhiều kim loại ở những nồng độ cỡ vết và siêu vết.
-Thiết bị của phương pháp von-ampe hòa tan không đắt, nhỏ gọn. So với các phương pháp khác, phương pháp von-ampe hòa tan rẻ nhất về mặt chi phí đầu tư cho thiết bị. Mặt khác, thiết bị của phương pháp von-ampe hòa tan dễ thiết kế để phân tích tự động, phân tích tại hiện trường và ghép nối làm detector cho các phương pháp phân tích khác.
-Phương pháp von-ampe hòa tan có quy trình phân tích đơn giản: không có giai đoạn tách, chiết hoặc trao đổi ion nên tránh được sự nhiễm bẩn mẫu hoặc làm mất chất phân tích do vậy giảm thiểu sai số. Mặt khác, có thể giảm thiểu ảnh hưởng của các nguyên tố cản trở bằng cách chọn điều kiện thí nghiệm thích hợp như: thế điện phân làm giàu, thời gian làm giàu, thành phần nền, pH.
-Khi phân tích theo phương pháp von-ampe hòa tan anot không cần đốt mẫu nên phương pháp von-ampe hòa tan thường được dùng để kiểm tra chéo các phương pháp AAS và ICP-AES khi có những đòi hỏi cao về tính pháp lý của kết quả phân tích.
-Trong những nghiên cứu về động học và môi trường, phương pháp von- ampe hòa tan có thể xác định dạng tồn tại của các chất trong môi trường, trong khi đó các phương pháp khác như AAS, ICP-AES, NAA không làm được điều đó.
* Phƣơng pháp von-ampe hoà tan hấp phụ
Phương pháp AdSV là phương pháp bổ xung cho phương pháp ASV, vì nó có thể xác định được lượng vết và siêu vết các chất (vô cơ cũng như hữu cơ) mà phương pháp ASV không thể hoặc rất khó xác định. Về mặt cơ sở lý thuyết, phương pháp AdSV khác với phương pháp ASV và điểm khác biệt cơ bản là ở cơ chế của quá trình làm giàu (hay quá trình tích luỹ chất trên bề mặt điện cực làm việc).
Nếu trong dung dịch phân tích, ion kim loại Men+
phản ứng với phối tử L (giả sử L là phối tử trung hoà) phức chất MeLn
n+
có tính chất hoạt động bề mặt, thì nó có thể tích luỹ trên bề mặt cực làm việc theo các cơ chế sau:
1. Trong trƣờng hợp đơn giản nhất, Men+
Phản ứng này xảy ra trong dung dịch và là giai đoạn hoá học của quá trình: Men+ + nL ↔ MeLn
n+
(dd)
Tiếp theo, phức hình thành được hấp phụ lên bề mặt điện cực làm việc: MeLnn+ (dd) ↔ MeLnn+ (hp)
2. Sự hấp phụ phối tử L xảy ra trƣớc khi tạo phức
nL (dd) ↔ nL (hp)
Sau đó, phối tử đã hấp phụ phản ứng tạo phức với Men+
(giai đoạn hoá học): Men+ + nL (hp) ↔ MeLnn+ (hp)
Nếu tốc độ các giai đoạn hấp phụ và hoá học tương đương nhau, thì sự hấp phụ phối tử và sự tạo phức thực tế xảy ra đồng thời và do vậy rất khó phân biệt.
3. Men+ không tạo thành phức chất hoạt động bề mặt với phối tử L, mà sản phẩm
của quá trình oxy hoá hoặc khử điện hoá nó phản ứng tạo phức với L
Men+ - me → Men +m
Men +m + (n + m) L ↔ Men + m L(n + m) Men + mL(n + m) (dd) ↔ Men + m
L(n + m) (hp)
4. Cuối cùng và cũng thƣờng gặp là quá trình làm giàu Men+
xảy ra theo cơ chế bao gồm cả cơ chế (2) và (3)
nL (dd) ↔ nL (hp)
Men+ - me → Men + m (dd)
Men + m + (n + m)L ↔ Men + mL(n + m) (hp)
Trong giai đoạn tiếp theo, giai đoạn hoà tan, thế được quét theo chiều catôt (chiều âm hơn) và lúc này xảy ra quá trình khử các tiểu phần đã bị hấp phụ theo 3 cơ chế sau:
1. Khử ion kim loại trong phức chất 2. Khử phối tử trong phức chất 3. Khử xúc tác hyđro
Trong phương pháp Von – Ampe hoà tan hấp phụ, khi ghi đường Von – Ampe hoà tan, có thể sử dụng kỹ thuật Von – Ampe bất kì như kĩ thuật Von – Ampe xung vi phân, kĩ thuật Von – Ampe bậc thang, kĩ thuật Von – Ampe sóng vuông. Tín hiệu đỉnh trên đường Von – Ampe hoà tan là cơ sở để định lượng theo phương pháp AdSV. Theo PihLar, Valenta và Nurnberg tín hiệu Von – ampe hoà tan tỷ lệ thuận với nồng độ bề mặt của phức được hấp phụ trên cực làm việc theo phương trình :
Q = n.F.S.C0.
Q(C) : điện lượng cần thiết để khử chất điện hoạt đã được hấp phụ. N : số electron trao đổi trong phản ứng điện cực tổng cộng. F (C/mol) : hằng số Faraday.
S(cm2) : diện tích bề mặt điện cực làm việc.
C0 (mol/cm2) : nồng độ bề mặt của phức được hấp phụ trên cực.
Với một tốc độ quét thế xác định, độ lớn pic hoà tan (Ip) tỷ lệ thuận với Q (C), nên Ip tỷ lệ thuận với S (cm2) và Co ( mol/cm2). Vì Co tỷ lệ thuận với nồng độ chất trong dung dịch phân tích (C), nên Ip tỷ lệ với S và C: Ip tỷ lệ với S.C. Như vậy, để nâng cao độ nhạy, có thể tăng diện tích bề mặt cực hoặc tăng thời gian hấp phụ làm giàu.
Do có những điểm khác biệt về bản chất của phương pháp, nên ngoài những ưu điểm giống như của phương pháp von – ampe hoà tan, phương pháp AdSV còn có những điểm riêng sau:
Xác định được nhiều kim loại hơn và độ chọn lọc cao hơn so với phương pháp ASV và CSV: Dựa vào một số phức chất, có thể lựa chọn được thuốc thử tạo
phức bền và chọn lọc đối với kim loại cần phân tích và như vậy có thể sử dụng nhiều loại thuốc thử tạo phức khác nhau để xác định rất nhiều kim loại.
Có thể xác định được tổng kim loại cần phân tích hoà tan trong nước và thường đạt được giới hạn phân tích thấp hơn so với phương pháp ASV và CSV: bằng cách chọn thuốc thử tạo phức rất bền với kim loại cần phân tích (bền hơn so với phức của kim loại với các chất hữu cơ khác có mặt trong mẫu), sẽ xác định được tổng kim loại cần phân tích hoà tan, mà không cần xử lý mẫu bằng chiếu xạ UV hoặc phân huỷ bằng hỗn hợp axit. Điều này tránh được sự nhiễm bẩn mẫu và do đó đạt được giới hạn phân tích thấp hơn.
1.5.2.Các kỹ thuật ghi đƣờng von-ampe hòa tan
1.5.2.1.Kỹ thuật Von-ampe hòa tan quét tuyến tính (Linear Scan Voltammetry)
Trong kỹ thuật này, thế được quét tuyến tính theo thời gian như trong phương pháp cực phổ cổ điển, nhưng tốc độ quét lớn hơn (khoảng từ 10-30 mV/s). Đồng thời ghi dòng là hàm của thế đặt lên điện cực làm việc. Khi dùng cực HMDE với tốc độ quét thế > 20mV/s, quá trình oxy hóa khử kim loại (khi phân tích theo phương pháp ASV) là thuận nghịch, thì theo Nicholson và Shain, Reinmuth dòng đỉnh hòa tan tuân theo phương trình:
Ip= D1/2.tdp.C. [k1.n2/3.v1/2.r – k2.D1/2.n]
Trong đó, Ip (A) - độ lớn dòng đỉnh trên đường von-ampe hòa tan K1 và k2 - hằng số
n - số e trong phản ứng điện cực
D (cm2/s) - hệ số khuếch tán của kim loại trong hỗn hống r (cm) - bán kính của HMDE
tdp (s) - thời gian điện phân v (mV/s) - tốc độ quét thế
C (mmol/L)- nồng độ ion kim loại trong dung dịch phân tích
Vries và Van Dalen cho rằng khi phân tích theo phương pháp ASV: cực MFE có độ nhạy và độ phân giải đỉnh cao hơn so với cực HMDE. Roe và Toni cũng có kết luận tương tự và đưa ra phương trình dòng đỉnh trên cực MFE (nếu cực MFE có bề dày màng thuỷ ngân < 10μm và tốc độ quét thế < 1V/min):
Ip = n2.F2.S. .C.v
e
Trong đó, S (cm2
) và (cm) là diện tích và bề dày màng thuỷ ngân, e là cơ số của logarit tự nhiên, F (C/mol) là hằng số Faraday, các đại lượng khác tương tự trên.
Nghiên cứu phương pháp ASV trên cực rắn đĩa, Brainina đã thiết lập được các phương trình dòng đỉnh và thế đỉnh đối với hệ thuận nghịch và bất thuận nghịch. Nhưng các phương trình đó rất phức tạp, nên khó sử dụng trong phân tích.
Kỹ thuật von-ampe quét thế tuyến tính có nhược điểm là độ nhạy chưa cao, LOD còn lớn, do nó còn bị ảnh hưởng nhiều của dòng tụ điện.
1.5.2.2.Kỹ thuật von-ampe xung vi phân DP (Differential Pulse Voltammetry)
Kỹ thuật DP là một trong những kỹ thuật phổ biến hiện nay. Theo kỹ thuật này, những xung thế có biên độ như nhau khoảng 10-100 mV và bề rộng xung không đổi khoảng 30-100 ms được đặt chồng lên mỗi bước thế. Dòng được đo hai lần: trước khi nạp xung (I1) và trước khi ngắt xung (I2), khoảng thời gian đo dòng thông thường là 10-30 ms. Dòng thu được là hiệu giá trị của hai dòng và I được ghi là hàm của thế đặt lên cực làm việc.
Hình 1.2: Ghi dòng theo kỹ thuật von-ampe xung vi phân
Khi xung thế được áp vào, dòng tổng cộng trong hệ sẽ tăng lên do sự tăng dòng Faraday (If) và dòng tụ điện (Ic). Dòng tụ điện giảm nhanh hơn nhiều so với dòng Faraday vì Ic ~ e-1/RC* và If ~ t-1/2, ở đây t là thời gian, R là điện trở, C* là điện dung vi phân lớp kép. Theo cách ghi dòng như trên, dòng tụ điện được ghi trước khi nạp xung và trước khi ngắt xung là gần như nhau và do đó, hiệu số dòng ghi được chủ yếu là dòng Faraday. Như vậy, kỹ thuật DP cho phép loại trừ tối đa ảnh hưởng dòng tự điện, dẫn đến LOD thấp hơn khoảng 1000 lần khi dùng cực HMDE. Mặt khác, với kỹ thuật DP cực MFE đạt được LOD thấp hơn khoảng 3-5 lần so với cực HMDE.
1.5.2.3.Kỹ thuật von-ampe sóng vuông SqW (Square Wave voltammetry)
Kỹ thuật này được Barker đề ra từ năm 1958, theo kỹ thuật này điện cực giọt thuỷ ngân được phân cực bởi một điện áp một chiều biến thiên đều theo thời gian có cộng thêm một điện áp xoay chiều dạng vuông góc có tần số khoảng 200Hz và biên độ có thể thay đổi từ 1-50 mV. Trong mỗi chu kỳ xung dòng được đo ở hai thời điểm: thời điểm 1 ứng với dòng dương I1, thời điểm 2 ứng với dòng âm I2. Dòng thu được là hiệu của hai dòng I1 và I2, theo cách ghi như vậy có thể loại trừ tối đa ảnh hưởng dòng tụ điện.
Hình 1.3. Ghi dòng theo kỹ thuật von-ampe sóng vuông
2.1. Nội dung nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của đề tài là xây dựng quy trình phân tích định lượng cefaclor bằng phương pháp von-ampe hòa tan, từ đó áp dụng xác định hàm lượng Cefaclor trong một số mẫu thuốc trên thị trường. Vì vậy nội dung nghiên cứu bao gồm:
1. Khảo sát các điều kiện thủy phân
2. Khảo sát các phương pháp ghi đường hòa tan 3. Khảo sát các điều kiện đo tối ưu
4. Xây dựng đường chuẩn, đánh giá phương pháp 5. Phân tích một số mẫu thuốc trên thị trường
2.2. Thiết bị, dụng cụ và hoá chất
2.2.1. Thiết bị
Thiết bị phân tích điện hoá đa năng μ-Autolap ghép nối với hệ 3 điện cực 663 của Metrohm. Hệ điện cực gồm 3 điện cực sau:
- Điện cực so sánh là điện cực Ag/AgCl