3.5.1. Cơ sở, nguyên tắc và điều kiện trích ly
3.5.1.1. Hệ số phân bố của chất
Hệ số phân bố của chất tan (chất phân tích) trong 2 pha khơng tan vào nhau là một hằng số hố lý (hằng số nhiệt động) và nĩ đặc trưng cho sự phân bố của mỗi chất. Nĩ cho ta biết sự phân bố (hay sự hồ tan) của chất phân tích vào hai pha (2 dung mơi) khơng trộn lẫn vào nhau theo tỷ lệ nhất định. Nếu giá trị hằng số này càng lớn, thì sự phân bố đĩ càng khác nhau nhiều và càng thuận lợi cho q trình trích lytách chất phân bố từ pha này sang pha kia.
Chất tan S phân bố vào hệ pha gồm 2 dung mơi A và B (ví dụ Benzen và nước) khơng trộn vào nhau theo định luật phân bố Nersnt:
K= CS(A)/ CS(B)
Trong đĩ:
CS(A) là nồng độ chất X trong pha A (dung mơi A, pha Benzen);
49
Cịn CS(B) là nồng độ của chất X trong pha B (dung mơi B, pha nước)
Như vậy nếu như hệ số phân bố K> 99/1, thì coi như chất X đã chuyển gần hết vào pha A. Đĩ là một điều kiện của q trình trích ly để lấy chất phân tích và tách chúng ra khỏi chất nền (matrix) của mẫu ban đầu, chuyển chất cần phân tích vào dung mơi trích ly. Sau đĩ, tiến hành xác định chúng trong dung mơi này. Thơng thường người ta trích ly chất phân tích từ pha nước vào pha hữu cơ khơng tan vào nước. Hai pha này tạo thành hệ trích ly (hệ pha), ví dụ hệ pha: (Benzen / H2O), (CCl4 / H2O), (CHCl3 / H2O), (MIBK / H2O), v.v.
3.5.1.2. Nguyên tắc và cơ sở của q trình trích ly
Bản chất của q trình trích ly là dựa trên cơ sở sự phân bố (hay hồ tan) khác nhau của chất phân tích vào trong hai pha (2 dung mơi) khơng trộn lẫn vào nhau. Tức là các chất phân tích tan tốt trong dung mơi này, nhưng lại khơng tan tốt trong dung mơi kia. Nghĩa là sự phân bố của một chất trong hai dung mơi (2 pha) là rất khác nhau. Nhờ đĩ mà chúng ta lấy được chất cần phân tích ra khỏi pha mẫu ban đầu, chuyển nĩ vào pha thứ 2 (dung mơi) mà chúng ta mong muốn. Sau đĩ xác định nĩ trong dung mơi trích ly. Như thế yếu tố quyết định sự tách và xử lý mẫu ở đây là hệ số phân bố của chất trong 2 pha(dung mơi), và các điều kiện thực hiện trích ly. Khi hệ số Klớn sẽ cĩ hiệu suất trích ly cao.
3.5.1.3. Điều kiện của q trìnhtrích ly
Để cĩ được hiệu quảtrích ly tốt, q trình trích ly phải cĩ các điều kiện và đảm bảo được các yêu cầu nhất định sau đây:
Dung mơi trích ly phải cĩ độ tinh khiết cao để khơng làm nhiễm bẩn thêm các chất lạ vào mẫu.
Dung mơi trích ly phải hồ tan tốt các chất phân tích, nhưng khơng được hồ tan tốt với các chất khác cĩ trong mẫu.
Hệ số phân bố của hệ trích ly phải lớn, để cho q trình trích ly được triệt để.
Cân bằng trích ly nhanh đạt được và thuận nghịch, để giải trích ly được tốt.
Sự phân lớp khi trích ly phải rõ ràng, nhanh và dễ tách ra riêng biệt các pha.
Phải thực hiện trong nhiệt độ phù hợp và giữ khơng đổi trong cả quá trình.
Phải lắc hay trộn đều mạnh để q trình trích ly xảy ra được tốt. 3.5.2. Một số kỹ thuậttrích ly thường dùng trong xử lý mẫu phân tích
Dựa theo bản chất của pha:
Chiết lỏng – lỏng: chất phân bố từ pha lỏng ban đầu được chiết bởi pha dung mơi lỏng
Chiết rắn – lỏng: chất phân bố ban đầu ở pha rắn được chiết bởi pha dung mơi lỏng
Chiết lỏng – rắn (chiết pha rắn): chất phân bố ban đầu ở pha lỏng được chiết bởi pha rắn
Dựa theo kỹ thuật chiết:
Chiết gián đoạn: lượng dung mơi được chia thành làm nhiều phần, để tiến hành chiết nhiều lần nhằm tăng hiệu suất chiết. Trong kỹ thuật này dụng cụ được sử dụng là phễu chiết
Chiết liên tục: pha dung mơi và pha chứa chất tách tiếp xúc liên tục với nhau bằng cách là cho 2 pha di chuyển liên tục ngược chiều nhau hoặc cho một pha chuyển động cịn một pha đứng yên. Dụng cụ được sử dụng trong chiết lỏng – lỏng: perforator, cịn trong chiết rắn – lỏng: soxhlet.
51
3.5.2.1. Kỹ thuật trích ly tĩnh
Kỹ thuật trích ly này khá đơn giản, khơng cần thiết bị phức tạp, mà chỉ cần một số phễu trích ly (dung tích 100, 250, 500 mL) là cĩ thể tiến hành được ở mọi phịng thí nghiệm. Việc lắc trích ly cĩ thể thực hiện bằng tay, hay bằng máy lắc nhỏ. Hiện nay, người ta đã cung cấp các hệ trích ly đơn giản cĩ 6, 9 hay 12 phễu với máy lắc nhỏ, nên việc thực hiện trích ly cũng dễ dàng và dễ đồng nhất điều kiện.
Kỹ thuật trích ly tĩnh đơn giản, dễ thực hiện nên nĩ được ứng dụng phổ biến và rất cĩ hiệu quả trong lĩnh vực tách trích ly phân tích hay làm giàu các chất phân tích phục vụ cho việc xác định hàm lượng vết. Nhất là tách và làm giàu các kim loại, các chất hữu cơ, HCBVTV độc hại trong các mẫu nước, nước thải, nước biển, v.v.
3.5.2.2. Kỹ thuật trích ly dịng chảy liên tục
Trong kỹ thuật này, khi thực hiện trích ly, hai pha lỏng khơng trộn được vào nhau (hai dung mơi, cĩ một dung mơi cĩ chứa chất phân tích) được bơm liên tục và đi ngược chiều nhau với tốc độ nhất định trong hệ trích ly, như phễu trích ly, hay bình trích ly liên hồn đĩng kín để chúng tiếp xúc với nhau. Hoặc cũng cĩ thể chỉ một dung mơi chuyển động, cịn một pha đứng n trong bình. Khi đĩ, chất phân tích sẽ được phân bố vào hai dung mơi theo tính chất của chúng, để đạt đến trạng thái cân bằng. Trích ly theo kỹ thuật này hiệu suất cao hơn so với kỹ thuật trích ly tĩnh. Đây là phương pháp trích ly được ứng dụng trong trích ly sản xuất cơng nghệ.
Để thực hiện kỹ thuật trích ly này, phải cĩ hệ thống máy trích ly, cột trích ly hay bình trích ly, bơm để bơm các chất theo dịng chảy ngược chiều nhau với tốc độ nhất định thích hợp, hoặc chỉ một chất, hay cả 2 chất chuyển động ngược chiều nhau, và phải cĩ bộ tách pha, để tách các chất ngay trong quá
trình trích ly, để thu chất được trích ly ra liên tục, hay theo từng thời điểm (chu kỳ) nhất định, mà cân bằng trích ly đạt được.
3.5.2.3. Kỹ thuật trích ly lỏng - lỏng
Nguyên tắc của kỹ thuật trích ly này là dựa trên cơ sở sự phân bố của chất phân tích vào hai pha lỏng (2 dung mơi) khơng trộn lẫn được vào nhau (trong hai dung mơi này, cĩ thể một dung mơi cĩ chứa chất phân tích) được để trong một dụng cụ trích ly, như phễu trích ly, bình trích ly. Vì thế hệ số phân bố nhiệt động Kcủa cân bằng trích ly là một yếu tố quyết định hiệu quả của sự trích ly. Kếđến là sự ảnh hưởng của nhiệt độ, pH của mơi trường trích ly. Trích ly theo kỹ thuật này cĩ hai loại là trích ly tĩnh và trích ly theo dịng chảy liên tục. Trong phân tích, kỹ thuật trích ly tĩnh được ứng dụng nhiều hơn, vì sự đơn giản của nĩ.
Cân bằng khi trích ly chất phân bố S từ pha thứ nhất sang pha thứ hai
Trong q trình trích ly, chất tan S phân bố giữa 2 pha. Khi đạt trạng thái cân bằng: S1 ↔ S2
Theo định luật phân bố ta cĩ
Gọi: + pha ban đầu và pha trích ly tương ứng là 1 và 2 + n là số mol chất S cĩ trong pha 1
+ V1, V2 là thể tích pha 1 và pha 2
+ q1 là % số mol chất tan S cịn lại ở pha 1 sau lần trích ly thứ nhất
Khi đĩ, ; ;
53
Do đĩ, ta được:
Nếu tiếp tục trích ly lần thứ 2, q2 là % số mol chất tan S cịn lại ở pha 1
sau lần trích ly thứ hai thì
Tiếp tục như vậy, % số mol chất tan S cịn lại ở pha 1 sau lần trích ly thứ n
là
Do qn < qn-1 <. ..< q1 < 1, nếu n đủ lớn thì qn ≈ 0. Q trình trích ly được xem như hồn tồn.
Ảnh hưởng của pH đối với chất phân bố là acid hữu cơ
Trong mơi trường nước, acid hữu cơ (HA) phân ly theo phương trình: HA ↔ H+ + A-
Hay
Khi đĩ nồng độ axit HA trong pha 1 là Khi đĩ,
Và
Ảnh hưởng của pH đối với chất phân bố là bazo hữu cơ
B + H+↔ BH+
Hay
Khi đĩ nồng độ axit HA trong pha 1 là
Khi đĩ,
Và
3.5.2.4. Kỹ thuật trích ly rắn - lỏng
Vào năm 1879, Franz Soxhlet đã giới thiệu thiết bị trích ly mà sau này được đặt tên của ơng dùng để tách chất béo từ thực phẩm. Kỹ thuật này nhận được nhiều sự quan tâm vì sự trích ly kéo dài được thực hiện mà khơng cần giám sát. Từ đĩ, việc trích ly các hợp chất hĩa học được chú trọng vào dung mơi hữu cơ thích hợp là một trong các phương pháp phổ biến nhất trong phân tích thực phẩm vì khơng cần q trình lọc, nhiệt độ trích ly cao hơn nhiệt độ phịng, mẫu sẽ liên tục đi vào dung mơi mới và cĩ thể sử dụng cả dung mơi phân cực lẫn khơng phân cực. Bất lợi của kỹ thuật này là địi hỏi một lượng lớn dung mơi (300 – 500 ml), dung mơi cần phải bay hơi để giúp quá trình loại bỏ dung mơi được dễ và quá trình thực hiện kéo dài nhiều giờ hay nhiều ngày mới cĩ thể hồn tất.
Trích ly Soxhlet là một kỹ thuật trích ly bán liên tục với pha mẫu là ở trạng thái rắn: bột, hạt dạng mảnh, dạng lá. Cịn dung mơi trích ly (chất hữu cơ) là ở dạng lỏng. Ví dụ như trích ly lấy dầu melton từ lá cây bạc hà bằng dung mơi
55
hữu cơ n-hexan, hay benzen. Trích ly các thuốc trừ sâu hay hợp chất bảo vệ thực vật trong mẫu rau quả, mẫu đất bằng n-hexan.
Vì thế đây là kỹ thuật trích ly của hệ dị thểmà chất phân tích ở trong mẫu rắn, bột, lá, sợi, v.v mà các kỹ thuật trích ly đã nêu ở trên khơng làm được tốt, đặc biệt là trích ly các chất hữu cơ trong các mẫu khơng ở dạng lỏng (hệ trích ly dị thể) nên kỹ thuật này cĩ tên gọi là kỹ thuật trích ly rắn – lỏng.
Thiết bị :
Thiết bị của kỹ thuật trích ly này cĩ hai loại là: Các hệ trích ly Soxhlet thường và đơn giản. Các hệ trích ly Soxhlet tự động (Auto-Soxhlet).
Kỹ thuật trích ly theo hệ loại 1 là đơn giản, vận hành bằng tay, cịn kỹ thuậttrích ly theo hệ máy loại 2 là vận hành một cách tự động theo chương trình.
Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng
Kỹ thuật trích ly này cĩ ưu điểm là trích ly triệt để, song các điều kiện trích ly phải nghiêm ngặt và thời gian trích ly cũng dài, thì mới cĩ kết quả trích ly tốt. Vì thế hệ thống vận hành tự động (auto-Soxlet) cho kết quả tốt hơn. Nĩ thích hợp cho việc trích ly lượng vết các chất hữu cơ, nhất là các chất độc hại từ các đối tượng mẫu khác nhau, chất phân tích cĩ trong mẫu ở trạng thái rắn, bột, vật mẫu xốp khơ (lá cây), v.v. Kỹ thuật trích ly này được ứng dụng chủ yếu để trích ly các HCBVTB từ các mẫu cây, lá, rau quả, thực phẩm, mẫu đất. Ngày nay, kỹ thuật được cải tiến bằng cách sử dụng kỹ thuật siêu âm để hỗ trợ. Đĩ là kỹ thuật trích ly siêu âm. Nguyên tắc chung chung của kỹ thuật này cũng vẫn dựa trên cơ sở chung của kỹ thuậttrích ly là sự phân bố của chất vào hai pha khơng trộn lẫn vào nhau, chỉ cĩ khác là ở đây được thực hiện trong
mơi trường cĩ thêm tác dụng của năng lượng sĩng siêu âm. Pha chứa mẫu
dung mơi hữu cơ (pha thứ hai) đều được cho vào bình trích ly, sau đĩ được đặt vào trong hộp trích ly của hệ trích lydưới tác dụng của sĩng siêu âm thích hợp trong một thời gian nhất định (1,5 - 2 giờ). Kỹ thuật trích ly này cĩ thể được thực hiện ở hai trạng thái mẫu đồng thể và dị thể.
3.5.2.5. Kỹthuật trích ly lỏng cĩ áp lực (PFE)
Kỹ thuật này sử dụng dung mơi được tăng tốc gần tới vùng chảy tới hạn, khi đĩ khả năng trích ly tốt hơn. Ở nhiệt độ cao, tốc độ trích ly tăng do độ nhớt và sức căng bề mặt của dung mơi giảm trong khi tính hịa tan và tốc độ khuyếch tán của nĩ vào mẫu tăng lên. Áp suất giữ cho dung mơi nằm ở dưới điểm sơi và khiến nĩ xâm nhập qua các lỗ nhỏ trên bề mặt mẫu. Sự kết hợp giữa nhiệt độ cao và áp suất đem lại hiệu quả trích ly cao hơn, do đĩ sẽ tối thiểu hĩa lượng dung mơi sử dụng và giúp trích ly triệt để hơn. Thời gian cần trích ly trên thực tế cĩ sự độc lập với khối lượng mẫu và hiệu quả trích ly chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ. Hình 2 là một mơ hình thiết bị PFE.
Mẫu được cho vào ngăn trích ly bằng thép khơng rỉ mà tại đĩ dung mơi được bơm vào và đưa lên nhiệt độ và áp suất xác định. Thơng thường nhiệt độ được giữ trong khoảng từ 80ºC đến 200ºC và áp suất trong khoảng từ 10 đến 20 MPa. Các điều kiện này được giữ nguyên trong vài phút để tạo sự dịch chuyển ổn định chất phân tích từ mẫu vào dung mơi. Dịch trích ly được đẩy vào ống thu nhận bởi một lượng dung mơi thứ 2 và lượng dung mơi thứ 2 này cũng được đẩy vào ống đĩ bởi một dịng khí trơ. Tồn bộ quá trình diễn ra trong 15 – 20 phút.
Khi thao tác với mẫu ẩm, để tránh hiện tượng vĩn cục, cĩ thể sử dụng điatomit (kizegua). Điatomit khi tro hĩa cĩ chứa khoảng 65 – 87% SiO2, 2,3 – 11,7% Al2O3, gần 3% Fe2O3 và vết CaO, MgO, Na2O và K2O.
Phương pháp thực hiện thường cho kết quả trung thực vì các điều kiện gần giống như trích ly bằng Soxhlet
57
Hình 2.4 Mơ hình thiết bị PFE
(a) Bình chứa dung mơi, (b) Bơm, (c) Van lọc, (d) Ngăn trích ly, (e) Lị nung, (f) Van cố định, (g) Ống thu nhận, (h) Lỗ thơng khí, (i) Bình khí trơ Trích ly lỏng cĩ áp lực được ứng dụng chủ yếu trong kiểm sốt các thơng số ơ nhiễm và gần đây là tiền xử lý thực phẩm. Bảng 6 giới thiệu một vài ứng dụng của nĩ.
Bảng 2.3 Trích ly lỏng cĩ áp lực trong phân tích thực phẩm
Thực phẩm Chất phân tích Dung mơi t (
0C) / p (MPa)
Rau quả, bột Thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ
Hexane+10%
acetone, acetonitrile 125/10 Rau quả, nước ép
trái cây, bột
Thuốc trừ sâu chứa
Photpho hữu cơ Ethyl acetate 100/10,4 Rau quả, trái cây n -Methylcarbamate Acetonitrile 100/13,8
Trái cây Polyphenol Methanol 40/6,9
Thức ăn trẻ em
Chlorpyrifos, malathion, 4.4’-DDE,
4,4’–DDT
Acetonitrile 80/13,8
Thịt xơng khĩi Hydrocarbon chứa vịng thơm Methylene chloride + 10% acetonitrile 80/10 Cá Chất béo, polychlorinated biphenyls Hexane 125/10 Cá Arsenobetaine, arsenocholine, dimethylarsenic acid Methanol + 50% H2O Cá Hợp chất cĩ mùi Hexane-ethyl acetate 80/10 Thịt Chất béo Hexane 125/10 Bột ngũ cốc, thịt gà, trứng Axit béo Isopropyl alcohol + hexane-methanol + chloroform 120/0,8 Bột sữa Chất béo Hexane + methylene + chloride + methanol 80/10,4 Dầu gan cá tuyết,
bột sữa, thức ăn gia súc Polychlorinated biphenyls Hexane 100/10,3 Sản phẩm từ sữa, thịt, bột ngũ cốc, chất béo và dầu
Chất béo Ether dầu hỏa 100/13,8
59
thực vật.
Malt Proanthocyanidins Acetone + 20% H2O 60/100
So sánh giữa trích ly lỏng cĩ áp lực với phương pháp Soxhlet, ưu điểm của nĩ là giảm lượng dung mơi sử dụng và thời gian trích ly nhưng nhược điểm là sử dụng thiết bị dụng cụ chuyên dụng rất đắt tiền nhằm đảm bảo sự an tồn tránh mối nguy do dung mơi bị quá nhiệt và dụng cụ chịu áp suất cao.
3.5.2.6. Kỹ thuật trích dịng siêu chảy (SFE)
Trích ly bằng dịng siêu chảy với thực phẩm được giới thiệu nhiều năm trước đây trên quy mơ cơng nghiệp nhưng nĩ chỉ được ứng dụng vào cơng đoạn chuẩn bị mẫu phân tích vào thời gian gần đây.
Dung mơi sử dụng là một dịng siêu chảy, là một chất nằm ở trạng thái cĩ nhiệt độ và áp suất tới hạn, tạo nên những tính chất kết hợp đặc biệt. Dịng siêu