3.1. THIẾT BỊ VI CHIẾT MÀNG KIM RỖNG PHỦ TRONG
Các kĩ thuật chuẩn bị mẫu hiện Ďại hiện nay thường Ďược sử dụng cho phân tích sắc kí Ďó là kĩ thuật vi chiết: vi chiết pha rắn (SPME) và vi chiết pha lỏng (LPME). Như Ďã trình bày, Ďặc Ďiểm chung của các kĩ thuật này là thiết bị tương Ďối Ďơn giản, dễ sử dụng, Ďộ chính xác cao và tính chọn lọc tương Ďối. Sự thành công của việc sử dụng phương pháp vi chiết chuẩn bị mẫu cho phân tích sắc kí phụ thuộc nhiều vào phương thức tiến hành vi chiết, mà trong Ďó quan trọng hơn cả là thiết bị vi chiết. Trong các phịng thí nghiệm trên thế giới ngày nay, thiết bị của kĩ thuật vi chiết Ďã Ďược ứng dụng rất rộng rãi và có thể tự Ďộng gắn kết cùng với hệ thống sắc kí khí (như kim tiêm vi chiết pha rắn thường). Tuy nhiên việc sử dụng những thiết bị này Ďịi hỏi chi phí rất lớn (vài trăm Ďôla/ một thiết bị) và cũng gặp phải những hạn chế chung của kĩ thuật vi chiết pha rắn thường. Vì vậy, chúng tôi Ďã nghiên cứu tự chế tạo thiết bị vi chiết pha rắn màng kim rỗng phủ trong mới mà kim tiêm Ďược dùng chính là một loại kim y tế thông dụng bằng hợp kim có chiều dài 30,8mm, Ďường kính ngồi 0,53mm và Ďường kính trong 0,28mm, có bán phổ biến trên thị trường. Do thành trong của kim có một Ďộ nhám nhất Ďịnh nên ta có thể phủ lớp pha tĩnh lên trên Ďó Ďủ chắc chắn. Nếu so sánh giữa việc sử dụng sợi cáp quang với thành trong của kim tiêm thì ta có thể thấy rằng: sợi cáp quang là một sợi nhỏ, Ďộ Ďàn hồi kém, dễ gãy khi thao tác sử dụng và chi phí lớn, cịn kim y tế thì Ďơn giản, dễ kiếm và rẻ tiền nên có ý nghĩa lớn về mặt kinh tế và hiệu quả sử dụng. Mặt khác, bề mặt thành bên trong của kim lớn nên sự hấp phụ của các chất lên trên Ďó Ďược nhiều, do Ďó cho phép ta có thể phân tích Ďược Ďối với những mẫu với nồng Ďộ thấp hơn. Tuy nhiên, sợi cáp quang Ďược phủ lớp pha tĩnh trần trên bề mặt nên nó có khả năng tiếp xúc trực tiếp
với môi trường mẫu. Mặc dù vậy, vi chiết pha rắn màng kim rỗng phủ trong (HNF-ME) lại có những ưu Ďiểm riêng là có thể tiến hành vi chiết pha rắn Ďộng, bằng việc kéo, Ďẩy pittông lên xuống nhiều lần. Quá trình kéo, Ďẩy pittông lên xuống nhiều lần giúp cho môi trường chứa mẫu liên tục Ďược tiếp xúc với màng pha tĩnh và sau mỗi chu kì như vậy, các cân bằng phân bố tức thời của phân tích lên trên pha tĩnh liên tục Ďược thiết lập, nhờ vậy có thể rút ngắn thời gian Ďạt tới cân bằng của cả quá trình và rút ngắn thời gian chuẩn bị mẫu cho phương pháp phân tích. Có thể hình dung q trình khuếch tán từ mơi trường mẫu của các chất phân tích lên màng pha tĩnh phủ trên kim qua hình vẽ sau:
Kim vi chiết mà chúng tôi tự tạo mang một số ưu Ďiểm nhất Ďịnh, dễ chế tạo, bền vững và có thể sử dụng Ďược nhiều lần, có thể ứng dụng phù hợp trong phân tích cả về mặt hiệu quả tập trung và
làm giàu mẫu, cũng như ý nghĩa về mặt kinh tế. Hiệu quả sử dụng của kim tiêm vi chiết phụ thuộc rất nhiều vào thể tích và Ďộ dày của màng pha tĩnh bám trên kim.
Có thể nói, vi chiết màng kim rỗng phủ trong có một bước cải tiến Ďáng kể về hiệu quả sử dụng so với các kĩ thuật chuẩn bị mẫu trước Ďó. Kĩ thuật HNF-ME dễ dàng khi thực hiện với mẫu khí mà vi chiết pha rắn thường gặp khó khăn bởi rút ngắn Ďược thời gian vi chiết. So với LPME, kĩ thuật HNF- ME do Ďa dạng trong việc lựa chọn pha tĩnh hơn nên hạn chế Ďược những trường hợp giọt dung môi bị khuyếch tán dẫn Ďến giảm thể tích trong quá trình vi chiết. Việc nghiên cứu thành công kĩ thuật HNF-ME, cùng với kĩ thuật LPME và SPME, mang lại sự hoàn thiện hơn của vi chiết nói chung áp dụng trong phân tích sắc kí.
3.2. PHA TĨNH SỬ DỤNG TRONG THIẾT BỊ VI CHIẾT MÀNG KIM RỖNG PHỦ TRONG RỖNG PHỦ TRONG
3.2.1. Nguyên tắc chung để lựa chọn loại pha tĩnh phủ lên thành trong của kim tiêm rỗng trong của kim tiêm rỗng
Có thể nói việc lựa chọn pha tĩnh phù hơ ̣p là bước quan tro ̣ng nhất của kĩ thuâ ̣t vi chiết pha rắn nói chung và kĩ thuật vi chiết màng kim rỗng nói riêng (thường là các vật liệu pha tĩnh sử dụng trong cột sắc kí mao quản). Pha tĩnh sẽ quyết Ďịnh Ďến Ďộ chọn lọ c, giới ha ̣n phát hiê ̣n của phương pháp và Ďô ̣ bền của thiết bị vi chiết tự chế tạo…
Qua q trình nghiên cứu chúng tơi thấy rằng pha tĩnh là các polime sử dụng trong kĩ thuật vi chiết màng kim rỗng phủ trong phải thoả mãn một số tính chất sau:
+ Có Ďộ ổn Ďịnh và bền nhiệt
+ Có khả năng bám dính tốt lên thành bên trong của kim tiêm + Có khả năng hấp thu và giải hấp các chất phân tích bởi nhiệt
+ Có khả năng tách chọn lọc tương Ďối với mỗi chất hoặc mỗi nhóm chất cần phân tích nhất Ďịnh.
Trong Ďó khả năng chọn lọc Ďối với các chất phân tích phụ thuộc vào hai yếu tố chính: Ďộ phân cực của phân tử và tính tương Ďồng về cấu trúc. Trong
Ďó sự ảnh hưỏng của Ďộ phân cực chất và pha tĩnh quyết Ďịnh nhiều hơn bởi khi Ďó có các lực tương hỗ như lực liên kết tĩnh Ďiện yếu, lực Van der Waals. Tính chất vật lí của một số pha tĩnh sử dụng Ďể nghiên cứu trong cơng trình này Ďược trình bày như trong bảng 3.1.
Bảng 3.1: Tính chất vật lí của các pha tĩnh nghiên cứu trong luận án
Tính chất PT1 PT2 PT3 PT4 PT5 PT6 D (g/cm3, 250C) 1,22 0,914 1,27 0,965 0,982 1,00 Độ phân cực Phân cực Phân cực vừa Phân cực Không phân cực Phân cực yếu Phân cực yếu X’ - 168 537 15-17 119 -
Trong đó X’ là giá trị hằng số McReynolds với chất chuẩn là benzen; “-”: khơng có số liệu
3.2.2. Nguyên tắc lựa chọn pha tĩnh theo độ phân cực
Nguyên tắc lựa chọn pha tĩnh cho kĩ thuật vi chiết màng kim rỗng tương tự như chọn pha tĩnh trong cột mao quản của phương pháp sắc kí khí, trong Ďó có Ďộ phân cực [5]. Độ phân cực của pha tĩnh Ďược Ďánh giá qua chỉ số lưu Kovats. Trong Ďó chỉ số lưu của các n-parafin bằng 100 lần số nguyên tử cacbon có trong phân tử. Đối với các hợp chất khác ngồi n-parafin, khi Ďó người ta Ďo thời gian lưu rút gọn tR’ của các cấu tử trong hỗn hợp gồm các cấu tử xác Ďịnh thời gian lưu và ít nhất hai n-parafin, trong Ďó một n-parafin có thời gian lưu lớn hơn và một n-parafin có thời gian lưu nhỏ hơn so với cấu tử cần xác Ďịnh. Rồi lập giản Ďồ log(tR’) – I (chỉ số lưu) và xác Ďịnh chỉ số lưu của các cấu tử cần nghiên cứu bằng phương pháp ngoại suy hoặc bằng phương pháp tính tốn. Chỉ số lưu I của một cấu tử x bất kì trên pha tĩnh y tại nhiệt Ďộ (T0K) Ďược tính theo cơng thức sau:
' ' ' ' log( ) log( ) 100 100 log( ) log( ) y R x R z T R z n R z t t I z n t t
Trong Ďó: z là n-parafin có thời gian lưu nhỏ hơn thời gian lưu của cấu tử nghiên cứu
n: sự khác biệt về số nguyên tử cacbon giữa hai n-parafin
Độ chọn lọc của pha tĩnh Ďối với chất riêng biệt có thể Ďược Ďo bởi mức Ďộ khác nhau về chỉ số lưu nhận Ďược từ pha tĩnh này so với từ pha tĩnh không phân cực (ΔI). Nếu chọn một cấu tử tiêu chuẩn có Ďộ phân cực xác Ďịnh (thường ta chọn squalan làm pha tĩnh không phân cực tương ứng với quy ước có Ďộ phân cực bằng 0) thì người ta có thể Ďặc trưng pha tĩnh dựa trên Ďộ lớn của ΔI. Giá trị ΔI tăng nếu Ďộ phân cực của pha tĩnh tăng. Rohrschneider, sau Ďó là McReynolds Ďã chọn năm hợp chất tiêu chuẩn (mỗi một chất coi là tiêu biểu của một vài nhóm chất) Ďể Ďặc trưng cho một pha tĩnh dựa vào các giá trị ΔI của pha tĩnh này gọi là hằng số McReynolds [5].
Bảng 3.2: Hằng số McReynolds của các pha tĩnh nghiên cứu trong luận án.
Loại pha tĩnh Hằng số McReynolds
X’ Y’ Z’ U’ S’
Polimetylacrilat (PT1) - - - - -
Bis (2-etylhexyl) sebaxat (PT2) 168 168 108 180 125 Đietilen glycol sucxinat polieste (PT3) 537 787 643 903 889
PoliĎimetylsiloxan (PT4) 17 57 45 67 43
Polimetylphenylsiloxan (PT5) 119 158 162 243 202
PolimetylhiĎrosiloxan (PT6) - - - - -
Trong đó: Hằng số McReynolds X’ ứng với chất chuẩn là benzen; Y’(n- Butanol); Z’(2-Pentanon); U’(1-Nitropropan); S’(Piriđin); “-”: không có số liệu.
Từ bảng 3.2 ta có nhận xét, pha tĩnh PT4 rất ít phân cực (∆I<100), pha tĩnh PT2 và PT5 phân cực yếu (∆I=100→250), pha tĩnh PT3 phân cực mạnh (∆I=500→900).
3.2.3. Lựa chọn pha tĩnh để vi chiết các chất nhóm BTEX.
Lựa chọn pha tĩnh trong vi chiết nói chung và vi chiết pha rắn sử dụng kim rỗng phủ trong nói riêng là một trong những bước quan trọng nhất. Cơ sở
lựa chọn pha tĩnh Ďược dựa trên các yêu cầu về khả năng bám dính tốt, Ďộ bền nhiệt cao, không tan trong mơi trường chứa chất phân tích và có tính chọn lọc cao Ďối với các cấu tử cần chiết. Yếu tố chọn lọc phụ thuộc phần lớn vào bản chất của từng loại pha tĩnh với nhóm các cấu tử cần vi chiết, tính tương Ďồng về cấu tạo cũng như Ďộ phân cực tương
Ďối giữa các cấu tử và pha tĩnh [5, 43, 68, 78].
Qua khảo sát với các hiĎrocacbon thơm nhóm BTEX, kết quả thu Ďược như ở hình 3.3, ta thấy các pha tĩnh nhóm siloxan cho hiệu quả vi chiết tốt hơn các pha tĩnh nhóm este, trong Ďó có pha tĩnh PT5 polimetylphenylsiloxan (OV-17) cho hiệu quả vi chiết cao nhất (hiệu quả vi chiết Ďược Ďánh giá bởi sự tăng của số Ďếm diện tích píc ghi nhận nhờ Ďetectơ của máy sắc kí khí). Điều này là phù hợp với lí thuyết về lựa chọn màng pha tĩnh sử dụng cho kĩ thuật vi chiết pha rắn và vi chiết màng kim rỗng phủ trong cũng như việc lựa chọn pha tĩnh cho cột sắc kí khí mao quản. Do pha tĩnh OV-17 có Ďộ phân cực yếu và trong cấu trúc của mạch polime có 50% gốc metyl Ďược thay thế bởi gốc phenyl nên nó có sự tương Ďồng về mặt cấu tạo với các hiĎrocacbon thơm, nên với pha tĩnh OV-17 cho khả năng hấp thu các chất nhóm BTEX cao hơn.
Hình 3.3 : Ảnh hưởng của loại pha tĩnh Ďến hiệu quả vi chiết các chất nhóm BTEX
Ảnh hưởng của loại pha tĩnh đến hiệu quả vi chiết nhóm BTEX 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000 180000 200000 PT1 PT2 PT3 PT4 PT5 PT6 Loại pha tĩnh Số đếm diện tích píc benzen toluen etylbenzen m-xilen
3.2.4. Lựa chọn pha tĩnh để vi chiết các chất nhóm cơ clo mạch ngắn ngắn
Tính chất quan trọng của
pha tĩnh là khả năng hấp thu chọn lọc Ďối với chất cần tách trên cơ sở Ďộ phân cực và tính tương Ďồng về cấu tạo. Những chất phân cực mạnh thì hồ tan hay hấp thu tốt những chất phân cực mạnh và ngược lại. Sự tương Ďồng về cấu tạo sẽ dẫn Ďến khả năng hấp thu vào nhau mạnh hơn, những pha tĩnh
có nhân thơm trong mạch chọn làm chất hấp thu cho các chất nhóm hiĎrocacbon thơm, pha tĩnh là polieste sẽ thích hợp với các hợp chất nhóm este, ancol…
Kết quả khảo sát trên hình 3.4, ta thấy rằng pha tĩnh cho hiệu quả vi chiết Ďối với các hợp chất cơ clo bay hơi cũng chính là các polime nhóm siloxan, trong Ďó có pha tĩnh PT4 poliĎimetylsiloxan. Được Ďánh giá bởi với cùng một nồng Ďộ của các chất cơ clo mạch ngắn trong nước, pha tĩnh PT4 cho số Ďếm diện tích píc lớn nhất. Điều này có thể giải thích là poliĎimetylsiloxan là polime kém phân cực và chứa các nhóm ankyl (metyl), các hợp chất cơ clo mạch ngắn ít phân cực có sự tương Ďồng cả về Ďộ phân cực và cấu trúc với pha tĩnh. Tuy nhiên ta cũng có thể chọn pha tĩnh PT5 Ďể hấp thu các hợp chất cơ clo mạch ngắn mà khơng có sự khác nhau nhiều về hiệu quả vi chiết. Qua Ďây cũng thấy rằng việc lựa chọn pha tĩnh cho kĩ thuật vi chiết các chất nhóm cơ clo mạch ngắn là tương Ďối phức tạp, không chỉ riêng về yếu tố Ďộ phân
Hình 3.4: Ảnh hưởng của loại pha tĩnh Ďến hiệu quả vi chiết các chất cơ clo mạch ngắn
Ảnh hưởng của loại pha tĩnh đến hiệu quả vi chiết nhóm cơ clo mạch ngắn
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 PT1 PT2 PT3 PT4 PT5 PT6 Loại pha tĩnh Số đếm diện tích píc điclometan triclometan tetraclometan 1,1-đicloetan
cực có thể quyết Ďịnh Ďến hiệu quả vi chiết, ta có thể chọn pha tĩnh PT4 hoặc PT5.
3.3. ĐỘ DÀY MÀNG PHA TĨNH PHỦ TRONG KIM VI CHIẾT
Việc khảo sát tìm ra Ďược pha tĩnh phù hợp cho q trình vi chiết một số nhóm chất là bước rất quan trọng trong kĩ thuật này. Ngoài ra, Ďộ dày màng phủ cũng là yếu tố quyết Ďịnh Ďến hiệu quả của kĩ thuật lựa chọn Ďể tách chất như thời gian vi chiết, giới hạn phát hiện của phương pháp. Do Ďó, bước khảo sát lựa chọn Ďộ dày màng pha tĩnh phủ thích hợp cũng rất cần thiết. Cơ sở chung cho việc lựa chọn pha tĩnh và màng pha tĩnh phù hợp là dựa vào hằng số cân bằng phân bố (K) của các cấu tử cần tách với màng pha tĩnh. Khi hằng số cân bằng phân bố K càng lớn thì khả năng chiết tách càng Ďược nhiều, và nhanh Ďạt trạng thái cân bằng [5, 67, 72, 92].
Về mặt lí thuyết, khi Ďộ dày màng phủ tăng, nói chung là lượng chất chiết Ďược nhiều hơn do Ďó giới hạn phát hiện của phương pháp sẽ tăng lên. Điều này rất có ý nghĩa Ďối với các mẫu thực tế cần làm giàu mà có nồng Ďộ chất phân tích thấp. Một phương pháp tách không sử dụng dung môi, lượng mẫu cần ít, thực hiện Ďơn giản mà có thể xác Ďịnh Ďược các chất dưới nồng Ďộ giới hạn phát hiện cho phép sẽ mang lại một ý nghĩa thực tiễn to lớn, Ďóng góp vào sự phát triển của các kĩ thuật chuẩn bị mẫu cho các phương pháp phân tích cơng cụ.
Tuy nhiên, cũng cần lưu ý rằng Ďộ dày màng phủ tăng sẽ làm cho thời gian Ďạt trạng thái cân bằng phân bố của chất phân tích lên màng phân tích lâu hơn, kéo dài thời gian phân tích (kết quả chỉ ra như ở bảng 3.3 và bảng 3.4). Hơn nữa, tại Ďầu injectơ của máy sắc kí q trình giải hấp với các cấu tử của cùng một loại chất vào cột tách không Ďồng thời, Ďiều này dẫn Ďến trên sắc kí Ďồ chân píc bị rộng ra và gây ra sai số Ďến phương pháp [36, 42].
Như Ďã Ďề cập ở trên sự lựa chọn Ďược pha tĩnh phù hợp trong kĩ thuật vi chiết pha rắn sử dụng kim rỗng phủ trong là một bước quan trong, tuy nhiên Ďộ dày màng phủ cũng quyết Ďịnh Ďến hiệu quả vi chiết, nhất là về yếu tố thời gian và Ďộ nhạy của phương pháp. Bước cải tiến quan trọng của kĩ thuật HNF-ME so với SPME thường là Ďộ dày màng phủ có thể thay Ďổi Ďược theo ý muốn. Hơn nữa pha tĩnh Ďược phủ lên thành bên trong của kim rỗng do Ďó có thể tránh Ďược những tác Ďộng cơ học làm biến dạng và dễ hỏng màng phủ như trong kĩ thuật SPME thường [2, 31, 37, 52, 87, 89].
Cũng cần chú ý rằng khi phủ Ďộ dày màng phủ quá lớn sẽ làm tăng lượng chất chiết Ďược và kết quả là Ďộ nhạy của phương pháp tăng lên. Tuy nhiên với màng phủ quá lớn làm cho phần rỗng của kim sau khi phủ nhỏ lại, lượng mẫu (khí hoặc lỏng) tiếp xúc trực tiếp với màng pha tĩnh bị hạn chế, làm kéo dài thời gian Ďạt trạng thái cân bằng phân bố. Còn khi Ďộ dày màng