CHƯƠNG 1 .TỔNG QUAN
1.6. Phương pháp chiết tách và phân tích các hợp chất hữu cơ và trong bụ
không khí
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp hiện đại và các ngành kỹ thuật mới, cần những vật liệu có độ tinh khiết cao, các phương pháp xác định vết các nguyên tố (các chất vi lượng) càng có ý nghĩa lớn. Vì vậy, các yêu cầu về độ chính xác và độ nhạy của các phương pháp dùng để phân tích các chất đặc biệt tinh khiết ngày càng tăng lên. Để xác định các hợp chất và các hàm lượng nhỏ, người ta rất hay dùng những phương pháp khác nhau để tách và làm giàu những lượng vết của các hợp chất cần xác định. Để thực hiện điều đó, người ta thường hay sử dụng một số phương pháp chiết tách như kết tủa, chiết lỏng lỏng, chiết lỏng rắn, chưng cất/bay hơi…
a) Một số kỹ thuật chiết tách hợp chất hữu cơ trong mẫu bụi không khí
a1) Kỹ thuật chiết pha rắn SPE (solid phase extraction)
- Chiết pha rắn là quá trình phân bố các chất tan giữa pha lỏng và rắn. Trong đó, chất tan ban đầu ở trong pha lỏng (nước hoặc dung môi hữu cơ) và chất để hấp thụ chất tan ở dạng rắn (dạng hạt, nhỏ và xốp) gọi là pha rắn. Pha rắn thường là các hạt silica gel xốp trung tính, hạt oxit nhôm, silica gel trung tính đã được ankyl hóa nhóm -OH bằng các gốc hydrocarbon mạch thẳng -C2, -C4, -C8, - C18,…hay nhân phenyl, các polyme hữu cơ, các loại nhựa hoặc than hoạt tính… Các hạt này được nhồi vào cột chiết nhỏ hoặc nén ở dạng đĩa dày từ 1 - 2 mm với đường kính từ 3 - 4 cm.
- Pha lỏng là pha chứa chất cần phân tích. Chúng có thể là dung môi hữu cơ, dung dịch đệm…
- Khi cho pha lỏng đi qua cột chiết (hoặc đĩa chiết), pha rắn tương tác với chất phân tích và giữ lại một nhóm (hoặc một số nhóm) của chất phân tích ở trên
20
pha rắn, các chất còn lại đi ra khỏi cột cùng với dung môi hòa tan mẫu.
- Quá trình rửa giải chất phân tích được thực hiện bằng dung môi thích hợp. Thông thường, thể tích dung dịch rửa giải nhỏ hơn nhiều lần so với dung dịch mẫu ban đầu, điều này có nghĩa chất phân tích đã được làm giàu.
- Ưu điểm của phương pháp chiết pha rắn SPE
+ Thao tác nhanh, đơn giản và tự động hóa: mẫu phân tích được chảy qua cột với tốc độ phù hợp. Chất phân tích được giữ lại trên cột và được rửa giải bằng dung dịch thích hợp.
+ Sử dụng ít dung môi: mẫu sau khi được xử lý sơ bộ và điều chỉnh môi trường được cho qua cột trực tiếp. Sau đó chỉ cần một lượng rất nhỏ dung môi là có thể rửa giải chất cần phân tích ra khỏi cột.
+ Điều kiện tách đơn giản: do cân bằng phân bố chất tan giữa hai pha xảy ra nhiều lần nên chỉ cần có sự khác nhau hợp lý về khả năng chiết là có thể tách hoàn toàn hai chất tan ra khỏi nhau.
+ Hệ số làm giàu cao: hệ số này phụ thuộc vào thể tích của hai pha rắn và lỏng. Nhóm tác giả K. Kato và các cộng sự (2009) đã sử dụng phương pháp chiết pha rắn trực tuyến kết hợp với phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao song song khối phổ (SPE-HPLC-MS/MS) để xác định đồng thời nồng độ 17 chất polyfluoroalkyl (PFCs) trong bụi nhà [57]. Nhóm tác giả Zjmajy Horii và các cộng sự (2012) đã phát triển để phát hiện 20 hydrocacbon đa vòng đã được clo hóa (CIPAH) trong các mẫu bụi bằng chiết SPE và sắc ký khối phổ (GC/MS) [58]. Và gần đây nhóm tác giả Hanh Thi Duong và các cộng sự (2021) đã nghiêm cứu đánh giá sự xuất hiện và rủi ro của thuốc diệt nấm trong vật chất hạt khí quyển ở Hà Nội với phương pháp chiết SPE cùng với phép đo LC-QTOF- MS [59].
a2) Kỹ thuật chiết siêu âm
Chiết xuất có sự tác động của siêu âm (UAE) là phương pháp ngâm cải tiến với việc sử dụng sóng siêu âm tần số cao giúp chiết xuất dễ dàng hơn. Siêu âm
21
rõ nét. Gần đây, một lượng lớn các hóa chất và các quá trình công nghiệp dựa vào siêu âm cường độ cao, ví dụ như làm sạch, làm tăng các phản ứng hóa học, nhũ hóa, khử khuẩn, đồng nhất hóa, tăng khả năng hòa tan, chống kết tụ của khối bột, phá vỡ các tế bào sinh học, dùng trong chiết xuất, làm khô, lọc, kết tinh, đông khô…
* Nguyên lý và cơ chế: Sóng âm thanh có tần số cao hơn 20 kHz, là những rung động cơ học trong một chất lỏng, rắn và khí. Tác dụng có lợi của sóng âm trong chiết xuất được cho là do sự hình thành và sự sụp đổ không đối xứng của các tiểu bong bóng (microcavities) trong vùng lân cận của thành tế bào tạo ra tia phản lực tốc độ cao của chất lỏng, phản lực này tác động mạnh mẽ trên bề mặt rắn. Sự sụp đổ của các tiểu bong bóng có thể tạo ra các hiệu ứng vật lý, hóa học và cơ học dẫn đến sự phá vỡ các màng sinh học để tạo điều kiện thuận lợi cho việc giải phóng của các hợp chất, làm tăng sự thâm nhập của dung môi vào các nguyên liệu và làm tăng chuyển khối. Sự phá vỡ thành tế bào và tăng sự chuyển khối là hai yếu tố chính dẫn đến việc tăng cường sử dụng lực siêu âm trong chiết xuất. Ngoài phá vỡ thành tế bào và tăng sự chuyển khối, sóng siêu âm còn tác động làm cải thiện tính thấm của dung môi, làm tăng sự trương nở, khả năng mao dẫn và quá trình hydrat hóa nên làm tăng quá trình chiết xuất.
* Thiết bị chiết với sự tác động của sóng siêu âm: Trong số vài loại hệ thống chiết bằng siêu âm hiện có thì sử dụng phổ biến nhất là bể siêu âm và thiết bị que siêu âm. Cả hai hệ thống được dựa trên bộ chuyển đổi điện từ (tức là thiết bị có khả năng chuyển đổi năng lượng cơ học hoặc điện thành âm thanh tần số cao) như là một nguồn năng lượng siêu âm, thường hoạt động ở một tần số cố định của 20kHz. Trong đó, bể siêu âm được ứng dụng trong rửa hoặc làm sạch dụng cụ. Chiết siêu âm được áp dụng với loại que siêu âm. Loại thiết bị que siêu âm áp dụng để chiết xuất cho lực siêu âm cao hơn gấp 100 lần so với một bể rửa siêu âm, do đó nó có hiệu quả tốt hơn nhiều. Một đặc trưng chính cho việc áp dụng thành công của que siêu âm chính là năng lượng siêu âm được đưa trực tiếp vào hệ thống chiết.
22
trợ giúp của siêu âm thể hiện sự hiệu quả, đơn giản và ít tốn kém so với các kỹ thuật chiết xuất thông thường. Ưu điểm chính của phương pháp này là làm tăng khối lượng chiết xuất và động học của quá trình chiết xuất cũng nhanh hơn nên rút ngắn được thời gian chiết xuất. Siêu âm cũng có thể làm giảm nhiệt độ chiết xuất, cho phép chiết xuất các hợp chất kém bền với nhiệt. So với chiết xuất bằng vi sóng và siêu tới hạn thì thiết bị chiết siêu âm rẻ hơn và tiến hành dễ dàng hơn. Hơn nữa, các dung môi sử dụng trong chiết xuất siêu âm cũng giống như chiết soxhlet, có thể sử dụng nhiều loại dung môi để chiết xuất một khoảng rộng các hoạt chất. Tuy nhiên, những ảnh hưởng của siêu âm trên khối lượng chiết xuất và động học có thể liên quan đến bản chất của cấu trúc dược liệu. Sự có mặt của 21 một pha phân tán góp phần vào sự suy giảm sóng siêu âm và phần hoạt động của siêu âm bên trong bình chiết được giới hạn trong khu vực phát ra siêu âm.
Với tình hình phát triển như hiện nay, ngày càng nhiều chất ô nhiễm nguy hại được đưa vào môi trường tự nhiên. Mặc dù các phương pháp phân tích đã và đang phát triển, song việc xác định trực tiếp hàm lượng chất độc trong mẫu môi trường là rất khó khăn. Do đó, việc tách và làm giàu chất phân tích kết hợp với các phương pháp phân tích hiện đại là rất có ý nghĩa. Trong các phương pháp tách và làm giàu như: chiết lỏng-lỏng, chiết pha rắn, kết tủa, cộng kết, sắc ký… thì chiết siêu âm là phương pháp mang lại hiệu quả tốt nhất.
b) Một số kỹ thuật phân tích hợp chất hữu cơ trong mẫu bụi không khí
Một số phương pháp để xác định PPCP trong không khí đã được phát triển trong thập kỷ qua. Sắc ký khí – phối khổ (GC-MS) là kỹ thuật công cụ thông thường để xác định các hợp chất hữu cơ từ độ phân cực cực thấp đến trung bình trong hạt vật chất trong không khí [60,61]. Tuy nhiên, rất khó để đo các hợp chất có thể phân hủy bẳng nhiệt hoặc các hợp chất có áp suất hơi thấp với các nhóm chức phân cực cao bằng GC-MS [62]. Để khắc phục những hạn chế này, nhiều phương pháp sắc ký lỏng – khối phổ (LC-MS) đã được sử dụng để phân tích tất cả các loại chất ô nhiễm khác nhau như PPCP, thuốc trừ sâu và các chất hữu cơ
23
cải tiến bằng cách thêm hệ thống thu thập cửa sổ tuần tự của tất cả thu thập phổ icon phân mảnh lý thuyết (SWATH) chắc chắn có thể phân tích mục tiêu [60,64]. Theo xu hướng này, LC-QTOF-MS-SWATH hiện có thể là một trong những phương pháp thích hợp nhất để xác định và định lượng một số lượng lớn các PPCP phân cực cùng một lúc.