2.2.1. Chuẩn bị mẫu
Các mẫu nước sông Hương, nước đầm phá Tam Giang – Cầu Hai, nước khoáng và nước giếng được lấy theo quy định của Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5996 – 1995 và được bảo quản theo qui định trong TCVN 5993 – 1995. Các mẫu nước (sau khi được lọc
qua màng lọc sợi thủy tinh 0.45m) được đựng trong chai nhựa PE sạch và được axit hóa bằng axit HNO3 (2 mL axit đặc/1 L mẫu; pH 2). Các thông tin về mẫu được nêu ở bảng 3.6.
2.2.2. Chuẩn bị cột SPE dùng nhựa Chelex 100 và tiến trình tách - làm giàu Cd bằng kỹ thuật SPE
a) Chuẩn bị cột SPE:
Cân 0,5 g nhựa vòng càng Chelex 100 (dạng Na+) cho vào cốc nhựa, thêm 20 mL dung dịch NaOH 2 M, lắc nhẹ trong 24 giờ trên máy lắc, rồi rửa sạch NaOH (rửa gạn đến mơi trường trung tính (thử bằng giấy chỉ thị pH)) để loại bỏ các chất bẩn và NaOH dư. Tiếp theo, thêm vào 20 mL dung dịch HNO3 2 M và ngâm trong 2 giờ để chuyển nhựa về dạng H+. Rửa hết HNO3 2 M dư (rửa gạn bằng nước sạch) và nạp nhựa lên cột SPE có chiều dài 6,5 cm và đường kính 0,9 cm được cố định ở phía trên và đáy cột bằng miếng frit (nhựa polyetylen xốp). Tiếp theo, tiến hành chuyển nhựa từ dạng H+ sang dạng NH4+ bằng 10 mL dung dịch đệm NH4CH3COO 1 M (pH = 5,5 ± 0,2): cho dung dịch điệm đi qua cột với tốc độ 5 mL/phút và khóa van để giữ được dung dịch ngập mặt trên nhựa trong cột.
b) Tiến trình tách và làm giàu CdII bằng kỹ thuật SPE
Dung dịch mẫu phân tích (chứa CdII) được điều chỉnh pH đến 5,5 0,2 bằng dung dịch NH4OH và HNO3 loãng, cho chảy qua cột nhựa Chelex 100 dạng NH4+ với tốc độ 4 – 5 mL/phút (kiểm soát tốc độ chảy bằng bơm nhu động). Lúc này, CdII và có thể cả các kim loại khác bị giữ lại trên cột do chúng tạo phức vịng càng với nhóm IDA trên nhựa. Sau đó, tiền rửa giải cột để loại bớt các ion cản trở bằng cách cho dung dịch đệm NH4CH3COO 0.05 M đi qua cột với tốc độ 2.5 3 mL/phút. Cuối cùng, rửa giải chất phân tích bằng 6 mL dung dịch HNO3 2 M (với tốc độ qua cột 1.3 1.8 mL/phút). Thu dung dịch ra khỏi cột và đem xác định CdII bằng phương pháp SqW-AdSV dùng điện cực BiFE in situ biến tính bằng Nafion. Cột SPE được tái sử dụng cho thí nghiệm tiếp theo bằng cách rửa cột bằng nước cất 2 lần với tốc độ 45 mL/phút trong vịng 15 phút). Tiến trình tách và làm giàu CdII bằng kỹ thuật SPE được mơ tả ở hình 2.1.
Hình 2.1. Sơ đồ tách và làm giàu Cd bằng kỹ thuật chiết pha rắn dùng nhựa Chelex 100
dạng NH4+
2.2.3. Tiến trình thí nghiệm theo phương pháp AdSV dùng điện cực BiFE insitu biến tính bằng Nafion situ biến tính bằng Nafion
2.2.3.1. Chuẩn bị điện cực làm việc – điện cực BiFE in situ biến tính bằng Nafion
Điện cực đĩa than thuỷ tinh (GC) được mài với bột nhơm oxit (Al2O3) có kích thước 0,45 m cho đến khi bề mặt điện cực sáng bóng và phẳng, rồi được rửa sạch bằng nước cất hai lần. Biến tính điện cực bằng cách nhỏ lên bề mặt điện cực GC dung dịch Nafion 1% trong rượu etylic, rồi bay hơi ở nhiệt độ phịng cho đến khơ; tiếp theo sấy khơ nhẹ nhàng bề mặt điện cực (dùng máy sấy tóc cầm tay). Nhúng điện cực biến tính vào bình điện phân cùng với điện cực so sánh Ag/AgCl/KCl 3M và điện cực phụ trợ Pt chứa dung dịch nghiên cứu.
Điện cực BiFE in situ biến tính bằng Nafion (viết tắt là BiFEbt) được tạo ra ngay trong dung dịch nghiên cứu chứa đồng thời BiIII, CdII, phối tử tạo phức 2MBT và dung dịch đệm Tris bằng cách điện phân ở thế xác định trong thời gian xác định hay nói cách khác điện cực BiFEbt được tạo ra ngay trong giai đoạn làm giàu Cd trên bề mặt điện cực làm việc.
Sau mỗi phép đo, làm sạch bề mặt điện cực bằng phương pháp điện hoá: Tái sử dụng cột Cột SPE dạng NH4+ Dung dịch mẫu (pH: 5,5 0,2), qua cột; 4,0 ÷ 5,0 mL/phút
Tiền rửa giải bằng NH4CH3COO 0,05 M;
2,5 ÷ 3 mL/phút
Rửa giải CdII bằng 6 mL HNO3 2 M;
1,3 ÷ 1,8 mL/phút)
Thu dung dịch và đem xác định CdII bằng phương pháp AdSV
Thải Thải
trước hết áp vào điện cực thế đủ âm (-1200 mV) trong 15s để khử hết các kim loại (Bi, Cd, kim loại khác) có thể cịn lại trên bề mặt điện cực; tiếp theo áp vào một thế dương hơn so với thế hoà tan của Bi kim loại trong một khoảng thời gian xác định (thường là + 300 mV trong 60 s) để hòa tan Bi và các kim loại khác (có thể có) khỏi bề mặt điện cực. Sau một loạt phép đo, làm sạch bề mặt điện cực GC bằng phương pháp cơ học: cho điện cực quay và dùng giấy lọc mềm để chùi sạch bề mặt điện cực, sau đó rửa bằng nước cất hai lần và lặp lại quá trình chuẩn bị điện cực như trên.
2.2.3.2. Ghi đường von-ampe hịa tan
Cho dung dịch nghiên cứu vào bình điện phân chứa ba điện cực (điện cực GC đã biến tính bằng Nafion, điện cực so sánh Ag/AgCl và điện cực phụ trợ Pt). Điện phân dung dịch nghiên cứu (chứa BiIII, CdII, 2MBT và đệm Tris; pH = 5,5) ở thế (Eđp) và thời gian (tđp) xác định để tập trung Bi và Cd lên bề mặt điện cực GC đã biến tính (khuấy dung dịch bằng cách quay điện cực GC với tốc độ không đổi). Trong giai đoạn này, BiIII và CdII bị khử và bám trên bề mặt điện cực (lúc này hình thành điện cực BiFEbt). Kết thúc giai đoạn này, nghỉ 10 30 s và ngừng quay điện cực.
Tiếp theo, chuyển thế trên điện cực làm việc đến giá trị dương hơn (Ehp) trong khoảng thời gian xác định (thp) để chỉ hoà tan Cd thành CdII; CdII sẽ kết hợp ngay với phối tử 2MBT có mặt trong lớp dung dịch sát bề mặt điện cực, tạo thành phức chất và hấp phụ ngay lên bề mặt điện cực BiFEbt. Sau đó, quét thế catot từ Ehp đến thế âm hơn và đồng thời ghi đường von-ampe hoà tan theo kỹ thuật von - ampe sóng vng với các thơng số kỹ thuật thích hợp. Trong giai đoạn này, CdII trong phức CdII - 2MBT bị khử và Cd tạo thành bám trên bề mặt BiFEbt. Kết thúc giai đoạn này, tiến hành làm sạch bề mặt điện cực bằng phương pháp điện hóa theo cách mơ tả ở trên. Lúc này, Bi, Cd và các kim loại khác (nếu có) bị oxi hóa thành BiIII, CdII... và tan vào dung dịch. Cuối cùng, xác định thế đỉnh hòa tan (Ep) và dòng đỉnh hòa tan (Ip) của Cd từ đường von-ampe hoà tan thu được. Q trình ghi đường von- ampe hồ tan và xác định Ep, Ip đều được thực hiện tự động trên thiết bị theo một chương trình được lập sẵn từ bàn phím.
Chương trình ghi đường von–ampe hịa tan trên thiết bị phân tích điện hóa VA 693 Proccessor được trình bày ở phụ lục 4.
2.2.4. Phương pháp định lượng và xử lý số liệu thí nghiệm
Áp dụng phương pháp thêm chuẩn (3 ÷ 4 lần thêm) để định lượng Cd trong mẫu.
Xử lý số liệu thí nghiệm bằng phương pháp thống kê (áp dụng phần mềm Origin 6.0).
2.2. 5. Thiết bị, dụng cụ và hoá chất 2.2.5.1. Thiết bị và dụng cụ
Máy phân tích điện hố 693 VA - Processor đi kèm với hệ điện cực 694 VA - Stand của hãng Metrohm, Thụy Sĩ.
Các điện cực và bình điện phân: điện cực làm việc là điện cực đĩa rắn trơ than thuỷ tinh có d = 2,8 0,1 mm, điện cực so sánh Ag|AgCl|KCl 3M, điện cực phụ trợ Pt và bình điện phân của hãng Metrohm có dung tích 80 ml.
Cân phân tích Precisa XB 220A, Thụy Sĩ. Máy đo pH 340 WTW, Đức
Máy cất nước 2 lần Aquatron của hãng Bibby Sterilin, Anh.
Micropipet các loại: 10 100 L, 100 1000 L, 1000 5000 L của hãng Labnet, Mỹ.
Các dụng cụ thuỷ tinh: bình định mức, buret, pipet, cốc... của Mỹ và Trung Quốc.
2.2.5.2. Hoá chất
Các dung dịch gốc BiIII, CdII đều là loại tinh khiết của hãng Merck, Đức, nồng độ 1000 mg/L pha trong HNO3 0,5 M.
Nước dùng để pha chế hóa chất và tráng rửa dụng cụ là nước cất 2 lần. Các dung dịch đệm axetat 1.0 M, amoni axetat 2.0 M, TRIS 0.2 M (pha trong HNO3) và phối tử tạo phức được chuẩn bị từ hoá chất tinh khiết của hãng Merck, Đức.
Các dung dịch axit HNO3, HCl, H2SO4, HF, C2H5OH của hãng Merck, Đức. Thuốc thử tạo phức 2MBT (pha trong etanol) và polyme dẫn điện Nafion (pha trong etanol) là hóa chất tinh khiết của các hãng Merck (Đức) và Dojindo (Nhật),…
Chương 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Độ tin cậy của phương pháp phân tích
Đề tài này nghiên cứu áp dụng phương pháp SqW - AdSV kết hợp với kỹ thuật SPE để xác định lượng vết CdII trong nước. Song, để áp dụng phương pháp vào thực tế, trước hết cần đánh giá độ tin cậy của phương pháp AdSV sử dụng điện cực bismut in situ trên nền rắn đĩa trơ than thuỷ tinh biến tính bằng Nafion (gọi tắt là điện cực BiFEbt) và thuốc thử tạo phức 2MBT để xác định CdII. Trong nghiên cứu này chúng tơi chấp nhận các điều kiện thí nghiệm thích hợp cho phương pháp AdSV dùng điện cực BiFEbt đã được công bố trong một số nghiên cứu trước đây [1], [3] như nêu ở bảng 3.1
Bảng 3.1. Các điều kiện thí nghiệm thích hợp cho phương pháp SqW-AdSV dùng điện cực BiFEbt xác định CdII
STT Thông số Đơn vị Giá trị
1 Nồng độ đệm Tris; dung dịch mẫu pH dòng riêng
5.5 ± 0.2 mM 20
2 Nồng độ 2MBT M 50
3 Nồng độ BiIII ppb 500
4 Thế điện phân làm giàu (Eđp) mV -1200
5 Thời gian điện phân làm giàu (tđp) s 90
6 Thế hấp phụ làm giàu (EAd) mV -500
7 Thời gian hấp phụ làm giàu (tAd) s 10
8 Khoảng quét thế catot (E) - -500 -1200
9 Các thông số kỹ thuật von–ampe sóng vng - Biên độ sóng vng (Uampl)
- Tần số sóng vng (f) - Thời gian đo dịng (tmeas) - Thời gian mỗi bước thế (tstep) - Tốc độ quét (v) mV Hz ms s mV/s 50 120 2,0 0,2 60 8 Thế làm sạch 1 (Eclr1) mV - 1200 9 Thời gian làm sạch 1(tclr1) s 15 10 Thế làm sạch 2 (Eclr2) mV +300 11 Thời gian làm sạch 2 (tclr2) s 60
Độ tin cậy của phương pháp phân tích được đánh giá qua giới hạn phát hiện, độ nhạy và độ lặp lại.
3.1.1. Giới hạn phát hiện và độ nhạy
Với các điều kiện thí nghiệm thích hợp như ở bảng 3.1, tiến hành xây dựng đường hồi quy tuyến tính giữa dịng đỉnh hịa tan của Cd (Ip) và nồng độ CdII để xác định giới hạn phát hiện (LOD) của phương pháp SqW–AdSV dùng điện cực BiFEbt (viết tắt là SqW–AdSV/ BiFEbt), thu được các kết quả ở bảng 3.2 và hình 3.1
Bảng 3.2. Kết quả xác định Ip của Cd ở các nồng độ CdII khác nhau bằng phương pháp SqW–AdSV/ BiFEbt(*)
[CdII] (ppb) 0.75 1.5 2.25 3.0
Ip (nA) 372 740 1159 1535
RSD (%) (n =3)(**) 2.1 0.3 0.5 0.3
(*) ĐKTN: Như ở bảng 3.1
(**)RSD : Độ lệch chuẩn tương đối
Từ kết quả thu được ở bảng 3.2, áp dụng phương pháp bình phương tối thiểu để xây dựng phương trình hồi quy tuyến tính và từ đó xác định LOD theo “quy tắc 3” [39], thu được kết quả ở bảng 3.3.
Bảng 3.3. Kết quả tính tốn các giá trị a, Sy/x, LOD và R
Phương trình hồi quy tuyến tính Ip (nA) = (- 26 ± 19) + (521 ± 9)[CdII] (ppb) Độ lệch chuẩn của tín hiệu hịa tan
Ip trên đường hồi quy tuyến tính (Sy/x), (nA)
15
LOD (ppb) = 3Sy/x/b 0,1
Giới hạn định lượng LOQ (ppb) = (3 - 4) LOD 0,3 ÷ 0,4 Hệ số tương quan (R) 0,9997 -37- (A) 5 4 3 2 1 (B) 400 600 800 1000 1200 1400 1600 I p (n A ) R = 0,9997
(A) (B)
Hình 3.1. (A) Đường hồi quy tuyến tính giữa Ip và [CdII]; (B) Các đường von-ampe
hòa tan của Cd: 1. nền; 2, 3, 4, 5. mỗi lần thêm 0,75 ppb CdII ĐKTN: Như ở bảng 3.1.
Kết quả cho thấy, phương pháp SqW–AdSV/BiFEbt đạt được LOD thấp, khoảng 0,1 ppb. Giữa dịng đỉnh hịa tan (Ip) và nồng độ CdII có tương quan tuyến tính tốt trong khoảng nồng độ CdII 0,75 3,0 ppb với R = 0,9997.
Do độ hồi phục kém vốn có của các loại điện cực màng kim loại nói chung và điện cực BiFEbt nói riêng, nên độ nhạy thường dao động trong một khoảng rộng. Từ nhiều kết quả thí nghiệm khác nhau, phương pháp SqW–AdSV (với điện cực BiFE, thuốc thử tạo phức 2MBT và ở các ĐKTN thích hợp) đạt được độ nhạy trung bình đối với Cd khoảng 400 ÷ 1000 nA/ppb.
3.1.2. Độ lặp lại
Tiến hành ghi đường von–ampe hòa tan hấp phụ lặp lại 6 lần (n = 6) trong cùng một dung dịch nghiên cứu chứa lần lượt 1 ppb, 5 ppb, 10 ppb và 15 ppb CdII, thu được kết quả ở hình 3.2 và bảng 3.4.
(C) (D)
Hình 3.2. Các đường von-ampe hòa tan thu được khi ghi lặp lại trong cùng một
dung dịch nghiên cứu (n = 6) bằng phương pháp SqW–AdSV/BiFEbt: (A) 1 ppb CdII; (B) 5 ppb CdII; (C) 10 ppb CdII; (D) 15 ppb CdII; (đường von–ampe hịa tan của phép đo đầu tiên khơng được đưa ra ở đây). ĐKTN: Như ở bảng 3.1
Bảng 3.4. Kết quả xác định độ lặp lại của Ip trên điện cực BiFEbt trong phương pháp SqW–AdSV (a)
Thứ tự phép đo Ip (nA) ở các nồng độ CdII khác nhau [CdII] = 1ppb [CdII] = 5 ppb [CdII] = 10 ppb [CdII] = 15 ppb 1 503 2934 5276 8237 2 510 3041 5376 8270 3 497 2924 5039 8295 4 499 2870 4924 8221 5 491 2898 4861 8298 6 478 2776 4994 8292 Itb (nA) (b) 496 2907 5916 8269 RSD(%) (n=6) 2,2 3,0 4,0 0,4 (a) ĐKTN: Như ở bảng 3.1.
(b) Itb: cường độ dịng đỉnh hịa tan trung bình của 6 phép đo lặp lại (n = 6).
Đối với điện cực BiFE trong phương pháp SqW–AdSV, phép đo đầu tiên luôn cho kết quả khơng ổn định, nên phải bỏ đi trong mọi thí nghiệm. Điều này cũng tương tự như đối với điện cực MFE. Song, lý do giải thích cho điều đó là chưa được hiểu rõ. Mặt khác, kết quả trên cho thấy phương pháp SqW–AdSV/BiFEbt đạt được độ lặp lại tốt của Ip với RSD < 4,0%.
3.2. Áp dụng thực tế
3.2.1. Quy trình phân tích Cd trong nước bằng phương pháp SqW–AdSV/BiFEbt kết hợp với kỹ thuật SPE AdSV/BiFEbt kết hợp với kỹ thuật SPE
Từ các kết quả đã công bố trong những nghiên cứu trước đây [1], [3] và các kết quả thu được trong nghiên cứu này, chúng tơi đề nghị quy trình phân tích CdII bằng phương pháp SqW-AdSV/BiFEbt kết hợp với kỹ thuật SPE (để tách và làm giàu CdII) như nêu ở hình 3.3.
Tái sử dụng cột
Hoạt hóa nhựa trên cột bằng 10 mL dung dịch CH3COONH4 1 M; 5,0 mL/phút Thải dung dịch qua cột Rửa cột bằng 30 mL nước cất; 4,05,0 mL/phút
Quét thế catot và ghi tín hiệu hịa tan theo kỹ thuật SqW, các thông số như ở bảng 3.1 Thêm chuẩn CdII (3 lần thêm)
1000 mL dung dịch mẫu + 50 mL CH3COONH4 1M/1L mẫu (pH: 5,50,2)
Cho dung dịch mẫu qua cột SPE (Chelex 100 dạng NH4+); 5,0 mL/phút
Tiền rửa giải bằng 20 mL CH3COONH4 0,1M; 2,53 mL/phút
Rửa giải CdII bằng 6 mL HNO3 2M; 1,3 1,8 mL/phút
Cô mẫu ở 1000C (bếp cách thủy) đến gần khô; thêm các dung dịch Tris, BiIII, 2MBT vào mẫu và định mức đến 10 mL bằng nước sạch (dung dịch phân tích); trong dung dịch phân tích: [Tris] = 20 mM; pH = 6,77; [BiIII] = 500 ppb; [2MBT] = 50 M cho dung dịch phân tích vào bình điện phân.
Chuẩn bị các điện cực (GC đã biến tính bằng Nafion 1%, Ag/AgCl, Pt) và nhúng vào bình điện phân chứa dung dịch phân tích.
Hấp phụ làm giàu: EAd = -500 mV; tAd = 10 s Làm sạch điện cực: Eclr1 =
-1200 mV; tclr1 = 15 s; Eclr2 = +300 mV; tclr2 = 60 s
Điện phân làm giàu: Eđp = -1200 mV; tđp = 90 s; ω = 1600 vịng/phút.
Hình 3.3. Quy trình phân tích CdII trong nước bằng phương pháp SqW-AdSV/BiFEbt kết hợp với kỹ thuật SPE
Ngừng quay điện cực 10 s Giai đoạn SPE Giai đoạn định lượng bằng phương pháp SqW- AdSV/ BiFEbt -4 0-
Với kỹ thuật SPE nêu trên, CdII trong mẫu có thể được làm giàu 100 lần và như vậy quy tình phân tích theo phương pháp SqW–AdSV/BiFEbt kết hợp với kỹ thuật SPE cho phép xác định nồng độ CdII trong mẫu cỡ 0,01 ppb.
3.2.2. Phân tích các mẫu nước
Để khẳng định khả năng ứng dụng của quy trình phân tích trên, chúng tơi đã tiến hành phân tích một số mẫu nước ở tỉnh Thừa Thiên Huế và mẫu nước khống. Song, trước khi phân tích cần xác định CdII trong mẫu trắng (mẫu trắng được chuẩn bị từ nước cất 2 lần).
i) Phân tích mẫu trắng