1.5.3.1. Định nghĩa về chiết pha rắn
Chiết pha rắn (SPE) (Solid- Phase Extraction) là quá trình phân bố chất tan giữa hai pha lỏng- rắn. Pha rắn có thể là các hạt silicagen xốp, các polime hữu cơ hoặc các loại nhựa trao đổi trao đổi ion hay than hoạt tính. Quá trình chiết có thể thực hiện ở điều kiện tĩnh hay động. Các chất bị giữ lại trên pha rắn có thể đƣợc tách ra bằng cách rửa giải với dung môi thích hợp. Thông thƣờng thể tích cần thiết để rửa giải hoàn toàn chất phân tích luôn nhỏ hơn rất nhiều so với thể tích của dung dịch mẫu ban đầu, vì thế có hệ số làm giàu cao.
1.5.3.2. Các cơ chế chiết pha rắn
Về cơ bản, cơ chế chiết SPE giống với cơ chế tách trong phƣơng pháp sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC) bao gồm 3 cơ chế chính, đó là: cơ chế hấp phụ pha thƣờng, cơ chế hấp phụ pha đảo và cơ chế trao đổi ion. Tuy nhiên SPE khác với HPLC là: trong HPLC sự tách chất phân tích ra khỏi nhau trong hệ dòng chảy liên tục của pha động, còn SPE giữ chất phân tích lại trên pha rắn sau đó rửa giải chất phân tích ra khỏi pha rắn với dung môi phù hợp. Các chất phân tích sẽ đƣợc tách khỏi dung dịch ban đầu với nồng độ đậm đặc hơn và tinh khiết hơn.
* Cơ chế hấp thụ pha thường ( normal phase) [21]
Là sự hấp thu các chất phân tích từ dung môi không phân cực lên bề mặt phân cực của pha rắn. Cơ chế của quá trình tách dựa trên lực tƣơng tác phân cực nhƣ: các liên kết hydro, các tƣơng tác phân cực - , tƣơng tác lƣỡng cực hay tƣơng tác lƣỡng cực- lƣỡng cực cảm ứng. Cơ chế này liên quan đến sự hấp thu các nhóm chức của chất tan lên các vị trí phân cực của pha tĩnh để chống lại độ tan của các chất tan trong pha động.
Trong SPE pha thƣờng, thƣờng sử dụng các loại pha tĩnh không liên kết nhƣ: silica, alumina và mage silica, nhƣng phổ biến nhất vẫn là silica. Ngoài ra còn có một số vật liệu pha liên kết cũng đƣợc sử dụng trong SPE pha thƣờng nhƣ nhóm aminopropyl, cyanopropyl, propydiol.
Để rửa giải chất phân tích ra khỏi chất hấp thu, thƣờng sử dụng dung môi phân cực có khả năng phá vỡ các liên kết giữa chất phân tích với bề mặt chất hấp thu.
* Cơ chế hấp thụ pha đảo ( reversed- phase)
Ngƣợc với cơ chế hấp thụ pha thƣờng, pha tĩnh ở đây là các chất không phân cực (nhƣ C-18) còn pha động là pha không phân cực. Cơ chế là tƣơng tác không phân cực còn gọi là tƣơng tác Van Der Vaals, hiệu ứng phân tán hay sự phân tách.
Các chất hấp thu trong SPE pha đảo thƣờng là hidrocacbon C- 8, C- 18 và một số loại khác nhƣ: C- 2, C- 4, cyclohexyl, nhóm phenyl…Các chất phân tích có tính kị nƣớc sẽ có khuynh hƣớng hấp thu mạnh.
* Cơ chế trao đổi ion:
Dựa vào sự trao đổi ion của chất tan (mang điện tích) trong các dung môi phân cực hay không phân cực với chất hấp thu trao đổi ion. Cơ chế tƣơng tác ion này có năng lƣợng cao. Vì vậy, các chất tan phân cực có thể hấp thu hiệu quả từ dung môi phân cực cũng nhƣ từ dung môi không phân cực. Trong
quá trình hấp thu sẽ xuất hiện sự cạnh tranh để trao đổi ion. Quá trình này phụ thuộc vào độ chọn lọc của ion hay số lƣợng ion cạnh tranh ở các vị trí.
Pha tĩnh thƣờng là silica liên kết với nhóm chức anion hay cation. Nếu là các chất trao đổi cation mạnh thì dùng silica liên tiếp với nhóm sunfonic axit, còn là chất trao đổi yếu thƣờng liên kết với nhóm – COOH.
Việc rửa giải các chất phân tích hấp thu trên pha tĩnh có thể tiến hành theo nhiều cách: nếu là trao đổi cation có thể dùng H+ của axit mạnh hoặc dùng các cation mạnh hơn (ví dụ rửa giải Na+ dùng dung dịch K+), nếu là trao đổi anion thì dùng OH-
hoặc các anion khác.
1.5.3.3. Các kỹ thuật trong SPE
* Kỹ thuật ở điều kiện tĩnh: Gồm 3 bƣớc chính
- Phân bố chất tan giữa hai pha rắn- lỏng, cho một lƣợng pha rắn vào một thể tích xác định dung dịch mẫu cần phân tích, điều chỉnh môi trƣờng phù hợp. Sau đó lắc hay khuấy trong một thời gian xác định.
- Tách hai pha rắn - lỏng: Bằng cách lọc hay ly tâm - Giải hấp chất phân tích ra khỏi pha rắn
* Kỹ thuật SPE ở điều kiện động
Vật liệu pha rắn (pha tĩnh) đƣợc nạp vào các cột (đƣợc cố định hai đầu) hoặc vật liệu đƣợc cố định trong các mạng lƣới rồi ép thành các đĩa màng mỏng và đƣợc cố định trong các ống nhỏ, cột nhỏ. Dung dịch phân tích chảy qua cột liên tục và trong quá trình đó chất phân tích bị hấp thu lên pha tĩnh.
* Các bƣớc chính trong kỹ thuật SPE bao gồm:
- Hoạt hóa cột chất hấp thu (pha rắn) bằng cách thƣờng cho dung môi thích hợp chảy qua cột chiết để thấm ƣớt các hạt pha rắn, hoạt hóa các nhóm chức, đuổi bọt khí, rửa sạch pha tĩnh, lấp đầy dung môi vào các khoảng trống. Sau khi hoạt hóa, pha rắn cần đƣợc ngâm trong dung môi.
- Hấp thu: mẫu phân tích chảy qua cột với tốc độ phù hợp, chất phân tích đƣợc giữ lại còn các chất khác đi ra khỏi cột. Cơ chế lƣu giữ có thể là lực Van Der Waals, liên kết hydro, lƣỡng cực- lƣỡng cực, trao đổi ion, tạo phức vòng càng …Một số chất lạ khác cũng bị hấp thu cùng với chất phân tích.
- Rửa cột: tiến hành rửa cột bằng dung môi nhằm loại bỏ các chất lạ bị hấp thu cùng với chất phân tích.
- Rửa giải: dùng dung môi với thể tích phù hợp để rửa giải chất phân tích ra khỏi cột (hệ số làm giàu càng cao thì lƣợng dung môi rửa càng ít). Dung dịch rửa giải phải có ái lực với chất phân tích mạnh hơn so với pha tĩnh. Sau đó, xác định bằng các phƣơng pháp đã lựa chọn.
Bảng 1.3: Giới thiệu một số vật liệu pha tĩnh trong SPE
Vật liệu Cấu trúc Cơ chế
C- 18 -(CH2)17CH3 Pha đảo C- 8 -(CH2)7CH3 - C- 2 -CH2-CH3 - Xiclohexyl -(CH2)2- cyclohexyl - Phenyl -(CH2)3- phenyl - Cacbon - Polime đồng trùng hợp Polystyren - Polime đồng trùng hợp Acrylic ester -
Cyano -(CH2)3- CN Pha thƣờng
Amino -(CH2)3- NH2 Phathuờng+tr.đổi ion
Diol -(CH2)3OCH2-CH(OH)-
CH2(OH) -
Silicagel -SiOH -
Florisil MgSiO3 -
Cacboxylic axit -CH2- COOH Trao đổi ion Aromatic sunfonic -(CH ) - Phenyl- SO H -
Kết luận phần tổng quan tài liệu
Cadimi và chì đều là những nguyên tố rất độc đối với môi trƣờng cũng nhƣ đối với con ngƣời. Tình trạng nhiếm độc các liều nhỏ cadimi nhƣng trong thời gian lâu dài sẽ có thể có hại cho sức khỏe: tạo sỏi thận, các bệnh lý về xƣơng nhƣ làm yếu xƣơng, biến dạng xƣơng, hủy mô xƣơng, gây ra chứng loãng xƣơng.... còn đối với nguyên tố chì khi thâm nhập vào cơ thể ngƣời gay rối loạn tổng hợp hemoglobin, giảm thời gian sống của hồng cầu, thay đổi hình dạng tế bào, xơ vữa động mạch...
Việc sử dụng phƣơng pháp chiết pha rắn ở điều kiện động để tách làm giàu lƣợng vết cadimi và chì trong một số đối tƣợng môi trƣờng có nhiều ƣu điểm nhƣ sau :
Phương pháp tiến hành khá đơn giản, có thể thực hiện được trong hầu
hết các phòng thí nghiệm thông thường và trong điều kiện thiếu cơ sở vật chất khi đi khảo sát, lấy mẫu ở các vùng xa.
Độ chọn lọc cao
Hệ số làm giàu lớn
Không sử dụng dung môi hữu cơ
Vật liệu sử dụng trong cột SPE khá thông dụng trên thị trường: Chelex- 100, Muromac A1, Dowex A1, XAD 4...
Phương pháp SPE động ( phương pháp cột ) có nhiều ưu điểm hơn phương pháp tĩnh
Các thiết bị phân tích hiện đại nhƣ: AAS, ICP-MS, HPLC,...có khả năng phân tích rất mạnh, xác định hàm lƣợng các nguyên tố nhƣ Na, Mg, Sc, Co, Ni, Cu, Hg, Tl, Pb, Bi, Th, U và có hàm lƣợng từ ppm, ppb đến ppt ( đối với ICP-MS). Tuy nhiên kết quả phép đo bị ảnh hƣởng nhiều của các ion cản trở bởi các thành phần nền có trong mẫu. Do vậy việc tách, làm giàu rất nhiều
loại ion kim loại ( Cd, Cu, Pb, Zn, Mn, Fe, Ni, Co, V, Be, Ba..) trong các đối tƣợng môi trƣờng nhƣ thực phẩm, nƣớc tự nhiên, nƣớc biển, mẫu sinh vật,... Chính vì vậy luận văn chủ yếu tập chung nghiên cứu sử dụng nhựa vòng càng loại iminodiacetic axit (Muromac A1) để tách và làm giàu lƣợng vết cadimi và chì trong một số đối tƣợng môi trƣờng. Thực hiện phân tích mẫu đã tách và làm giàu bằng thiết bị đo hấp phụ nguyên tử ngọn lửa thông dụng hiện nay AA-6800, AI-1200, SF- 9/800. Áp dụng kết quả phƣơng pháp tiến hành khảo sát, phân tích hàm lƣợng cadimi và chì trong một số mẫu nƣớc ngọt đóng chai đang đƣợc lƣu hành trong thị trƣờng.
CHƢƠNG 2 THỰC NGHIỆM