Xử lý mẫu phân tích là một quá trình phức tạp, có hóa học, có vật lý, hay vật lý và hóa học kết hợp, để phân hủy mẫu chuyển các chất, hay các nguyên tố, hay các ion cần xác định có trong mẫu phân tích ban đầu về dạng tan trong một dung môi thích hợp như nước hay dung môi hữu cơ,…để sau đó có thể xác định được nó theo một phương pháp thích hợp. Tuy nhiên việc xử lý mẫu phân tích lại được thực hiên theo rất nhiều kỹ thuật có nguyên lý, cơ chế vật lý và hóa học có khi rất khác nhau, tùy theo mỗi loại mẫu và yêu cầu của phương pháp phân tích.
Các phương pháp xử lý mẫu đã và đang được sử dụng bao gồm 1.3.1. Phương pháp vô cơ hóa
1.3.1.1. Phương pháp vô cơ hóa ướt
*Xử lý bằng axit mạnh đặc nóng
Dùng axit mạnh đặc và nóng (ví dụ HCl, H2SO4), hay axit mạnh, đặc và nóng có tính oxi hóa mạnh (HNO3, HClO4), hoặc hỗn hợp 2 axit (HNO3 + H2SO4), hay 3 axit (HNO3 + H2SO4 + HClO4), hoặc là 1 axit đặc và 1 oxy hóa mạnh (H2SO4 + KMnO4)…để phân hủy mẫu trong điều kiện đun nóng trong bình Kendan, trong ống nghiệm, trong cốc hay lò vi sóng.
Lượng axit cần dùng để phân hủy mẫu thường gấp 10-15 lần lượng mẫu, tùy thuộc mỗi loai mẫu và cấu trúc vật lý, hóa học của nó.
Thời gian phân hủy mẫu trong các hệ hở, bình Kendan, ống nghiệm, cốc,..thường từ vài giờ đến hàng chục giờ tùy loại mẫu và bản chất của các chất, còn nếu trong lò vi sóng thì chỉ cần 50-90 phút.
Ưu - nhược điểm
Hầu như không bị mất các chất phân tích, nhất là trong lò vi sóng. Nhưng thời gian phân hủy mẫu rất dài, trong điều kiện thường, tốn nhiều axit đặc tinh khiết cao, nhất là trong các hệ hở. Dễ bị nhiễm bẩn khi xử lý trong hệ hở, do môi trường hay axit dùng và phải đuổi axit dư lâu, nên dễ bị nhiễm bẩn, bụi vào mẫu
Dùng dung dịch kiềm mạnh đặc nóng (NaOH, KOH 15-20%), hay hỗn hợp của kiềm mạnh và muối kim loại kiềm (NaOH + NaHCO3), hay một kiềm mạnh và peroxit (KOH + Na2O2) nồng độ lớn (10-20%), để phân hủy mẫu phân tích trong điều kiện đun nóng trong bình Kendan hay trong hộp kín, hoặc trong lò vi sóng.
Lượng dung dịch phân hủy: cần lượng lớn từ 8-15 lần lượng mẫu.
Thời gian phân hủy mẫu: từ 4-10 giờ trong hệ hở. Còn trong trong hệ lò vi sóng kín chỉ cần thời gian 1-2 giờ.
Nhiệt độ phân hủy là nhiệt độ sôi của dung dịch kiềm. Nó thường nằm trong khoảng 150-200oC.
Ưu - nhược điểm
Ưu điểm là hầu như không làm mất chất phân tích, nhất là các nguyên tố có hợp chất dễ bay hơi và các nền của mẫu dễ tan trong kiềm
Nhược điểm là tốn rất nhiều kiềm tinh khiết cao, khả năng gây nhiễm bẩn dễ xảy ra, loại kiềm dư rất khó khăn và mất nhiều thì giờ.
1.3.1.2. Phương pháp vô cơ hóa khô
Kỹ thuật xử lý khô (tro hóa khô) là kỹ thuật nung để xử lý mẫu trong lò nung ở một nhiệt độ thích hợp (450-750oC), song thực chất đây chỉ là bước đầu tiên của quá trình xử lý mẫu. Vì sau khi nung, mẫu bã còn lại phải được hòa tan (xử lý tiếp) bằng dung dịch muối hay dung dịch axit phù hợp, thì mới chuyển các chất cần phân tích trong tro mẫu vào dung dịch để sau đó xác định nó theo một phương pháp đã chọn. Khi nung, các chất hữu cơ của mẫu sễ bị đốt cháy thành CO2 và nước. Thời gian nung có thể từ 5-12 giờ tùy thuộc vào mỗi loại chất phân tích, cấu trúc, dạng liên kết của các chất trong mẫu.
*Ưu - nhược điểm
Thao tác và cách làm đơn giản, không phải dùng nhiều axit đặc tinh khiết cao đắt tiền, xử lý được triệt để nhất là các mẫu nền hữu cơ, đốt cháy hết các chất hữu cơ, vì thế làm dung dịch mẫu thu được sạch
Nhưng có nhược điểm là có thể mất một số chất dễ bay hơi, ví dụ như: Cd, Pb, Zn, Sn, Sb,….nếu không có chất phụ gia và chất bảo vệ.
1.3.1.3. Phương pháp vô cơ hóa khô-ướt kết hợp
Nguyên tắc của kỹ thuật này là mẫu được phân hủy trong chén hay cốc nung. Trước tiên người ta xử lý ướt sơ bộ bằng một lượng nhỏ axit và chất phụ gia, để phá vỡ cấu trúc ban đầu của các hợp chất mẫu và tạo điều kiện giữ một số nguyên tố có thể bay hơi khi nung. Sau đó nung ở nhiệt độ thích hợp. Vì thế lượng axit dùng để xử lý thường chỉ bằng 1/4 hay 1/5 lượng cần dùng cho xử lý ướt. Sau đó nung sẽ nhanh hơn và quá trình xử lý sẽ triệt để hơn xử lý ướt, đồng thời hạn chế được sự mất của một số kim loại khi nung. Do đó đã tận dụng được ưu điểm của cả hai kỹ thuật xủ lý ướt và khô, nhất là giảm bớt được các loại hóa chất (axit, kiềm tinh khiết cao) khi xử lý ướt, sau đó hòa tan tro mẫu sẽ thu được mẫu trong, vì không còn chất hữu cơ và sạch hơn tro hóa ướt thông thường.
*Ưu và nhược điểm
Hạn chế được sự mất của một số chất phân tích dễ bay hơi. Sự tro hóa triệt để, sau khi hòa tan tro còn lại có dung dịch mẫu trong. Không phải dùng nhiều axit tinh khiết cao tốn kém, thời gian xử lý nhanh hơn tro hóa ướt. Không phải đuổi axit dư, nên hạn chế được sự nhiễm bẩn. Do đó phù hợp cho nhiều loại mẫu khác nhau để xác định kim loại.
1.3.2. Phương pháp chiết
Chiết là phương pháp dựa trên cơ sở sự phân bố (hay hòa tan) khác nhau của chất phân tích vào trong hai pha (hai dung môi) không trộn lẫn vào nhau. Nhờ đó mà chúng ta lấy được chất cần phân tích ra khỏi pha mẫu ban đầu, chuyển nó vào pha thứ hai (dung môi) mà chúng ta mong muốn.
Các kiểu chiết trong xử lý mẫu phân tích: - Kỹ thuật chiết lỏng – lỏng
- Kỹ thuật chiết hấp phụ pha khí (rắn – khí) - Kỹ thuật vi chiết pha rắn (SPME)
- Kỹ thuật chiết Soxhlet - Kỹ thuật chiết siêu âm
1.3.3. Phương pháp pha loãng mẫu bằng dung môi thích hợp
Nguyên tắc ở đây là chọn dung môi thích hợp hòa tan tốt chất mẫu, để pha loãng chất mẫu trong một tỷ lệ nhất định, ví dụ từ 50-500 lần. Sau đó xác định chất phân tích theo phương pháp đã chọn. Kỹ thuật này đơn giản, hầu như không cần trang bị gì hết, lại dễ thực hiện và nhanh. Nhưng nó chỉ thích hợp cho một số trường hợp chất phân tích có nồng độ tương đối lớn, mà khi pha loãng mẫu nhiều lần bằng dung môi thích hợp, chúng ta vẫn xác định nó tốt trong các điều kiện cho phép, và các chất khác có mặt trong mẫu, khi pha loãng trong một tỷ lệ nhất định thì không cản trở và không ảnh hưởng đến kết quả xác định chất phân tích. Đồng thời pha loãng chúng ta có thể loại bỏ được các cặn không tan có trong mẫu, nhất là các mẫu dầu hay chất hữu cơ.
1.3.4 Phương pháp điện phân
Trong bình điện phân, tại thế một chiều, các ion kim loại chạy về điện cực âm, bị điện phân (nhận electron của điện cực) trở thành các phân tử trung hòa (các nguyên tử) và bám vào điện cực. Do đó ta được chất phân tích bám tên điện cực âm. Sau đó ta có thể xác định chất trên điện cực bằng phương pháp khối lượng hay hòa tan chất trên điện cực rồi xác định nó theo một cách phù hợp. Đây là cách làm giầu chất phân tích của phương pháp phân tích cực phổ có tên là phương pháp Von–Ampe.
1.3.5. Phương pháp phân hủy mẫu bằng lò vi sóng
*Nguyên tắc: Dùng năng lượng của lò vi sóng để đun nóng mẫu được đựng trong bình kín. Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, mẫu được hòa tan dễ dàng. Đây là phương pháp xử lý mẫu hiện đại nhất hiện nay, làm giảm đáng kể thời gian xử lý mẫu, không mất mẫu và vô cơ hóa mẫu được triệt để. Có thể
vô cơ hóa cùng một lúc được nhiều mẫu, Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi thiết bị rất đắt tiền mà nhiều cơ sở phân tích không đủ điều kiện trang bị.
*Cơ chế của sự phân hủy mẫu trong lò vi sóng[8]
Các tác nhân phân hủy mẫu bao gồm axit [có tác dụng phá hủy và hòa tan các hạt (phân tử) mẫu], năng lượng nhiệt (có tác dụng làm tan rã các hạt mẫu cùng với axit), sự khuếch tán đối lưu, chuyển động nhiệt và va chạm của các hạt mẫu với nhau làm cho chúng bị bào mòn dần. Ngoài ra, trong lò vi sóng còn có sự phá vỡ từ trong lòng hạt mẫu ra ngoài, do các phân tử nước hấp thụ (90%) năng lượng vi sóng và có động năng rất lớn, nên chúng có chuyển động nhiệt rất mạnh, làm căng và xé các hạt mẫu từ trong ra. Thêm vào đó, vì là hệ kín nên có áp suất cao, sẽ làm cho nhiệt độ sôi lại cao hơn, đây là tác nhân phân hủy mạnh nhất, do đó thúc đẩy quá trình phân hủy mẫu rất nhanh từ trong ra và từ ngoài vào. Vì thế nên việc xử lý mẫu trong lò vi sóng chỉ cần thời gian rất ngắn (30-70 phút) mà lại triệt để.
*Các quá trình xảy ra khi phân hủy mẫu bằng lò vi sóng
Dưới tác dụng của axit, năng lượng nhiệt (nhiệt độ) và năng lượng vi sóng các quá trình vật lý và hóa học sau đây sẽ xảy ra:
- Sự phá vỡ mạng lưới cấu trúc của hạt mẫu, giải phóng các chất phân tích, để đưa chúng vào dung dịch dưới dạng các muối tan.
- Quá trình oxi hóa khử làm thay đổi hóa trị, chuyển đổi dạng, làm tan vỡ các hạt mẫu, để giải phóng chất phân tích về dạng muối tan.
- Nếu xử lý mẫu hữu cơ phân tích kim loại, thì có sự đốt cháy, phá hủy các hợp chất hữu cơ và mùn tạo ra khí CO2 và nước, để giải phóng các kim loại trong chất hữu cơ về dạng muối vô cơ tan trong dung dịch.
- Tạo hợp chất dễ bay hơi làm mất đi các anion trong phân tử chất mẫu, làm mẫu bị phân hủy tạo ra các hợp chất tan trong dung dịch.
- Cơ chế tách chất phân tích ra khỏi mẫu ban đầu ở dạng kết tủa không tan và nhờ đó người ta tách được các chất phân tích và làm giầu chúng.
Như vậy, trong quá trình xử lý mẫu ở đây cũng có thể có các phản ứng hóa học xảy ra như phản ứng oxy hóa khử, phản ứng thủy phân, phản ứng tạo phức, phản ứng hòa tan, phản ứng kết tủa, ….của các phân tử chất mẫu với các axit dùng để phân hủy mẫu và các chất có trong mẫu với nhau. Trong đó, quá trình nào là chính, quá trình nào là phụ được quyết định bởi thành phần chất nền, bản chất của chất mẫu và các loại axit dùng để phân hủy và hòa tan mẫu.