2.1.1. Mục tiêu nghiên cứu
Tối ƣu hóa các điều kiện xác định As (III) trong nƣớc ngầm trên thiết bị điện di mao quản tích hợp với đêtectơ C4D bao gồm pha động điện di, phƣơng pháp xử lý mẫu, điều kiện bơm mẫu, điện thế tách. Trên cơ sở đó phát triển phƣơng pháp thành công cụ phân tích As(III) với độ nhạy cao, phục vụ cho nhu cầu phân tích một lƣợng lớn các mẫu As trong nƣớc nhầm tại các khu vực dân cƣ đang sử dụng nƣớc giếng khoan làm nguồn nƣớc chính phục vụ cho sinh hoạt với giới hạn định lƣợng thỏa mãn QCVN 09: 2008/BTNMT về hàm lƣợng As trong nƣớc ngầm (50µg/L).
2.1.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
Tổng quan tài liệu các vấn đề liên quan đến As và ô nhiễm As trong nƣớc ngầm và lý thuyết cơ bản về phƣơng pháp điện di mao quản
Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình phân tích As(III) bằng CE-C4 D. Tối ƣu hóa các điều kiện phân tích As (III) trên thiết bị CE-C4D, đánh giá phƣơng pháp xác định As (III) trên thiết bị CE-C4D và áp dụng phƣơng pháp nghiên cứu phân tích As (III) trong một số mẫu nƣớc giếng khoan.
So sánh phƣơng pháp nghiên cứu với phƣơng pháp AAS.
2.1.3. Nội dung nghiên cứu
Xây dựng quy trình phân tích tiểu phân As(III) trong nƣớc ngầm .
Tối ƣu hóa các điều kiện phân tích As(III) trong nƣớc ngầm bao gồm: pha động điện di, thời gian bơm mẫu, hiệu điện thế tách, quy trình xử lý mẫu,…
33
Khảo sát ảnh hƣởng của các ion nền cơ bản nhƣ: Cl-, SO42-, PO43-, NO2-, HCO3-, Fe2+ và đề xuất hƣớng giải quyết trong trƣớng hợp ảnh hƣởng đến kết quả đo.
Áp dụng phƣơng pháp nghiên cứu để xác định hàm lƣợng As(III) trong một số mẫu nƣớc giếng khoan và so sánh kết quả thu đƣợc với phƣơng pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử kết hợp với thiết bị hidrua hóa (HVG-AAS).
2.2. Trang thiết bị, dụng cụ và hóa chất 2.2.1. Trang thiết bị, dụng cụ 2.2.1. Trang thiết bị, dụng cụ
Máy điện di mao quản tích hợp với đetectơ đo độ dẫn không tiếp xúc kiểu tụ điện
Mao quản silica đƣờng kính trong 50µm, Polymicro Technologies company Máy phân tích quang phổ AAS-6800 Shimazu
Máy đo pH Hach 40d (2 chữ số sau dấu phẩy) Máy nƣớc cất Halminton WSC/4D
Máy deion nƣớc Millipore
Cân phân tích Shimadzu AW220 (cân 4 số)
2.2.2. Hóa chất
Các hóa chất sử dụng trong quá trình phân tích đều là loại tinh khiết phân tích. Các hóa chất dùng để pha dung dịch chuẩn và đệm đƣợc mua từ hãng Fluka, Thụy Sĩ bao gồm: natri meta, 2-(N- morpholin)etansunphonic axit (MES), L-arginine, hexadexyltrimetyl amonibromua (CTAB). Ngoài ra, trong quá trình xử lí mẫu còn sử dụng một số hóa chất: 1,10-Phenathrolin (Trung Quốc), axit nitric (Merck, Đức). Tất cả các dung dịch chuẩn và đệm đều đƣợc chuẩn bị trong nƣớc deion.
34
Để loại bicacbonat trong nƣớc cần xử dụng nhựa trao đổi cation loại axit mạnh Wolfatit KPS với ion trao đổi là H+. Kích thƣớc hât nhựa từ 16-50 mesh, dung lƣợng sử dụng 10g/L. Trƣớc khi sử dụng cần rửa qua bằng nƣớc deion để rửa lớp dầu bên ngoài hạt nhựa.
2.2.3. Chuẩn bị các dung dịch chuẩn và hóa chất thí nghiệm
Dung dịch chuẩn gốc As(III) 1000 mg/L đƣợc pha từ muối NaAsO2: pha 0,087g NaAsO2 trong 50mL nƣớc deion. Các dung dịch As(III) dùng trong các thí nghiệm khảo sát đƣợc pha loãng từ dung dịch gốc này.
Dung dịch gốc của CTAB có nồng độ 10mM: pha 0,364g CTAB trong 10mL nƣớc deion.
Các dung dịch đệm điện di trên cơ sở các chất MES, MOPS, CHES, CAPS với các hợp phần bazơ nhƣ: L-arginin, đietylamin, trietylamin, tertbutylamin đƣợc pha mới mỗi ngày trong các bình định mức thủy tinh.
Pha các dung dịch gốc của các anion Cl-, SO42-, PO43-, NO2- ở nồng độ 1000 mg/L. Pha dung dịch gốc HCO3- ở nồng độ 5000 mg/L.
2.2.4. Quy trình xử lý mao quản trƣớc khi sử dụng
Cột mao quản dùng trong quá trình phân tích là cột silica với đƣờng kính trong 50µm và đƣờng kính ngoài là 375µm có tổng chiều dài 60cm và chiều dài hiệu dụng là 52cm. Đối với mao quản mới, đầu tiên đƣợc rửa bằng dung dịch NaOH 1M trong 20 phút, sau đó rửa lại bằng nƣớc deion trong 15 phút, và cuối cùng là bơm dung dịch đệm qua mao quản trong khoảng 60 phút trƣớc khi sử dụng để đảm bảo chất hoạt động bề mặt CTAB đƣợc phủ đều trên bề mặt mao quản. Sau mỗi lần phân tích, mao quản đƣợc rửa lại bằng dung dịch đệm trong 5 phút.
35
2.3. Tối ƣu hóa các điều kiện phân tích As(III) trong nƣớc bằng phƣơng pháp điện di mao quản điện di mao quản
2.3.1. Tối ƣu hóa thành phần pha động điện di
Nồng độ As(III) trong quá trình nghiên cứu các điều kiện tối ƣu của pha động điện di là 100µg/L, sử dụng phƣơng pháp bơm mẫu kiểu xiphong với thời gian bơm mẫu 45s và hiệu điện thế tách -15kV.
Nghiên cứu quy trình phân tích As(III) dựa trên các hệ đệm sinh học có thành phần gồm một hơp phần axit (các chất MES, MOPS, CHES, CAPS) và một hợp phần bazơ (L-arginine, đietylamin, trietylamin, tertbutylamin). Các hệ đệm tạo thành có môi trƣờng kiềm và có cùng giá trị pH=8,9.
Đánh giá ảnh hƣởng của pH dung dịch đệm bằng cách khảo sát dung dịch đệm ở các giá trị pH khác nhau thay đổi trong khoảng từ 8,30 đến 9,15.
Khảo sát vai trò của độ dẫn của pha động điện di đối với tín hiệu pic As(III) và độ ổn định của đƣờng nền.
2.3.2. Khảo sát dung dịch dùng để pha mẫu
Đối với mẫu phân tích, để làm tăng độ nhạy của phƣơng pháp thì phải chuyển các hợp chất As(III) trong mẫu về dạng H2AsO3- càng nhiều càng tốt. Do đó, để có thể làm tăng lƣợng anion H2AsO3- trong mẫu, giải pháp đƣợc đề xuất là phải làm tăng giá trị pH của mẫu nƣớc phân tích. Trong trƣờng hợp này, mỗi mẫu As(III) 100µg/L sẽ đƣợc pha trong các dung dịch bazơ khác nhau nhƣ: L-arginine, đietylamin, trietylamin, tertbutylamin, NaOH ở pH=9,60.
2.3.3. Lựa chọn phƣơng pháp bơm mẫu
Nhƣ đã trình bày trong phần tổng quan tài liệu, có ba cách để đƣa mẫu phân tích vào mao quản. Mỗi phƣơng pháp có ƣu nhƣợc điểm riêng. Trong nội dung luận văn chúng tôi lựa chọn phƣơng pháp bơm mẫu theo kiểu điện động học, do phƣơng pháp này phƣơng thức đơn giản để làm giàu mẫu, tăng độ nhạy cho phƣơng pháp.
36
Thời gian bơm mẫu tối ƣu đƣợc nghiên cứu bằng cách tăng thời gian bơm mẫu từ 3070s trong khi giữ nguyên nồng độ As(III) ở 100µg/L và các điều kiện phân tích khác. Thời gian bơm mẫu tối ƣu là thời gian mà tại đó tỷ lệ chiều cao pic As(III)/chiều cao nhiều nền đạt cực đại.
2.3.4. Nghiên cứu ảnh hƣởng của các ion nền đến việc xác định As(III)
Ảnh hƣởng của các anion Cl-, SO42-, PO43-, NO2- đƣợc nghiên cứu bằng cách giữ nguyên nồng độ As(III) là 100µg/L trong khi thay đổi nồng độ các ion này từ 120mg/L ( đối với Cl- và NO2- ) 0,410mg/L (đối với SO42-, PO43- ).
Ảnh hƣởng của các anion HCO3- đƣợc nghiên cứu bằng cách giữ nguyên nồng độ As(III) là 100µg/L trong khi thay đổi nồng độ ion này từ 501000mg/L (sau khi tiến hành loại bỏ thành phần bicacbonat trong mẫu bằng nhựa trao đổi cation).
Ảnh hƣởng của các Fe2+ đƣợc nghiên cứu bằng cách giữ nguyên nồng độ As(III) là 100µg/L trong khi thay đổi nồng độ ion này từ 501000mg/L (sau khi tiến hành loại bỏ ảnh hƣởng của ion sắt bằng cách tạo phức với 1,10-phenanthrolin).
2.3.5. Xây dựng khoảng tuyến tính xác định As(III) và đánh giá phƣơng pháp
Pha các dung dịch chuẩn As(III) ở các nồng độ 20, 50, 75, 100 và 150 µg/L trong dung dịch Arg 2mM. Mỗi điểm đƣợc phân tích ít nhất 3 lần.
Xác định giá trị LOD và LOQ của phƣơng pháp.
Đánh giá độ lặp lại và hiệu suất thu hồi của phƣơng pháphêm chuẩn trong phân tích As(III) bằng hệ thiết bị điện di mao quản bằng cách đo lặp lại 6 lần để xac định nồng độ As(III) trong hai mẫu X và Y. Với mẫu X và Y tƣơng ứng là mẫu gồm nền mẫu nƣớc ngầm VPNN14 (đã đƣợc xác định là không có As(III) bằng phƣơng pháp HVG-AAS) đƣợc thêm vào 20 và 70µg/L As(III).
37
2.3.6. Phƣơng pháp thêm chuẩn (Standard addition method)[10]
Phƣơng pháp thêm chuẩn là phƣơng pháp thƣờng đƣợc áp dụng để loại bỏ ảnh hƣởng của nền mẫu trong trƣờng hợp ảnh hƣởng của nền mẫu không quá lớn. Theo phƣơng pháp này, nồng độ chất phân tích có thể xác định theo công thức hay tìm phƣơng trình hồi quy dạng y=ax+b theo phƣơng pháp bình phƣơng tối thiểu.
Giả sử lấy Vx(mL) mẫu phân tích có nồng độ Cx vào các bình có thể tích V(mL). Thêm lần lƣợt 0, V1(mL), V2(mL), V3(mL),…Vn(mL) dung dịch chuẩn có nồng độ Cs vào các bình định mức này và định mức tới vạch bằng nƣớc deion (cần chú ý các mức nồng độ cho vào phải đảm bảo nằm trong khoảng tuyến tính của phép đo). Đo tín hiệu phân tích của các dung dịch này đƣợc các đại lƣợng yx, yx1, yx2,…yxn. Khi đó nồng độ Cx đƣợc tính nhƣ sau:
Cách 1: tính theo công thức
Vì trong khoảng nồng độ đã khảo sát có mối tƣơng quan tuyến tính giữa tín hiệu phân tích và nồng độ nên có thể thiết lập các mối tƣơng quan sau:
yx VxCx /V yx1 (VxCx+V1Cs)/V yx2 ( VxCx +2V1Cs)/V …. Nhƣ vậy có thể lập các tỷ số: s x x x x x x C V C V C V y y 1 1 Do đó x s x x x x V C V y y y C 1 1 . Tƣơng tự nhƣ thế sẽ có x s x x x x V C V y y y C 1 2 2 . … x s x xn x x V C nV y y y C . 1
38
Cách 2: Sử dụng phƣơng trình hồi qui
Giả thiết phƣơng trình đƣờng thêm chuẩn có dạng y=a+bx. Theo công thức tính :
tg=b=a/CxVx ta sẽ có x x V b a C .
2.4. Ứng dụng quy trình tối ƣu để phân tích As(III) trong một số mẫu nƣớc giếng khoan giếng khoan
2.4.1. Lấy mẫu
Mẫu nƣớc ngầm đƣợc lấy tại xã Vạn Phúc, Thanh Trì, Hà Nội. Các mẫu nƣớc ngầm đƣợc lấy lên trong điều kiện không có oxi và đƣợc lọc nhanh qua màng xenlulo acetat có kích thƣớc 0,45 µm.
Đối với các mẫu phân tích As (III) bằng phƣơng pháp AAS; để tách riêng As(III) và As(V), mẫu nƣớc ngầm sẽ đƣợc rửa qua cột nhôm silicat (tốc độ bơm là 5-6mL/phút). Khi đó, As(V) sẽ bị giữ lại trên cột tách và As(III) đi ra khỏi cột. Cuối cùng, các mẫu nƣớc chỉ chứa As(III) đƣợc axit hóa tới pH < 2, bảo quản ở nhiệt độ 4oC cho đến khi phân tích.
Với phƣơng pháp điện di mao quản, mẫu nƣớc ngầm sau khi đƣợc lọc sẽ đƣợc tiến hành tạo phức với 1,10-Phenanthrolin để tránh hiện tƣợng As bị hấp phụ lên bề mặt của kết tủa sắt. Sau đó, mẫu nƣớc sẽ đƣợc rửa qua cột chứa nhựa trao đổi cation loại axit mạnh-Wolfatit KPS để loại bỏ thành phần bicacbonat trong nƣớc. Để tránh hiện tƣợng As(III) bị oxi hóa thành As(V) phải tiến hành sục khí nitơ trong quá trình xử lí mẫu. Cuối cùng, các mẫu này đƣợc cho vào các lọ kín, chứa đầy mẫu và đƣợc bảo quản ở nhiệt độ 4oC cho đến khi phân tích.
2.4.2. Phân tích mẫu
Phân tích bằng thiết bị CE-C4D: mẫu As(III) sau khi mang về phòng thí
nghiệm đƣợc phân tích bằng phƣơng pháp thêm chuẩn. Các nồng độ As(III) đƣợc thêm vào mỗi mẫu là 30µg/L và 50µg/L. Mỗi mẫu nƣớc đƣợc đo lặp lại 2 lần.
39
Phân tích bằng thiết bị AAS: mẫu nƣớc sau khi mang về đƣợc khử về
As(III) bằng tác nhân khử NaI và axit ascobic, sau đó tiến hành tạo hợp chất AsH3 và phân tích trên thiết bị HVG-AAS ở bƣớc sóng 193,7nm
40
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Tối ƣu hóa dung dịch đệm điện di
3.1.1. Khảo sát lựa chọn dung dịch đệm điện di
Phân tích giản đồ tồn tại của As theo pH của môi trƣờng (mục 1.2.1) có thể nhận thấy As(III) tồn tại ở dạng mang điện H2AsO3- tồn tại chủ yếu trong khoảng pH từ 9-12 và cụ thể là axit asenơ giá trị pKa1=9,2. Do vậy, để có thể phân tích As(III) dƣới dạng các anion mang điện theo phƣơng pháp CE kết nối với đetectơr đo độ dẫn C4D, dung dịch đệm đƣợc sử dụng làm pha động trong quá trình tách điện di phải tạo đƣợc môi trƣờng có pH trong khoảng từ 9-12.
Thông thƣờng, khi sử dụng đetectơ đo độ dẫn C4D thì không thể sử dụng các hệ đệm vô cơ nhƣ photphat, borat,…vì các đệm này có độ dẫn rất cao nên thƣờng gây ra tín hiệu nhiễu nền lớn và ảnh hƣởng đến việc xác định tín hiệu Asen(III). Do đó, ngƣời ta thƣờng dùng các hệ đệm hữu cơ của các chất lƣỡng tính. Ƣu điểm của các đệm này là có độ dẫn thấp do chúng có kích thƣớc lớn, cấu trúc cồng kềnh, di chuyển chậm nên sẽ làm tăng hiệu quả tách các pic hơn so với các đệm vô cơ. Qua quá trình khảo sát và chọn lọc cho thấy các chất hữu cơ thƣờng dùng cho thấy các đệm CAPS, CHES, MES, MOPS có thể tạo hệ đệm tốt trong khoảng pH=8-11.
Để khảo sát thành phần đệm tối ƣu trong việc phân tích As(III), chúng tôi cố định nồng độ của các dung dịch đệm là 12mM MES, MOPS, CHES hay CAPS, trong khi thay đổi tác nhân điều chỉnh pH để đạt giá trị pH=9,10. Các tác nhân điều chỉnh pH đƣợc nghiên cứu bao gồm các bazơ: L-Arginine, Dietylamin, Trietylamin và Tertbutylamin. Ngoài ra mỗi dung dịch pha động điện di sẽ dƣợc cho thêm 35µM CTAB, trong trƣờng hợp này CTAB đóng vai trò là chất hoạt động bề mặt để điều chỉnh dòng điện di thẩm thấu làm tăng hiệu quả phân tách As(III) ở môi trƣờng pH cao.
Các điều kiện phân tích bao gồm: bơm thủy động lực học kiểu xiphong ở độ cao 20cm trong 45s; mao quản silica có đƣờng kính trong 50µm, chiều dài tổng 60cm (chiều dài hiệu dụng 48cm); điện thế tách -15kV.
41
Bảng 3.1. Kết quả khảo sát các dung dịch pha động điện di dùng trong phân tích As(III) 5mg/L bằng phƣơng pháp điện di mao quản CE-C4D
Đệm Bazơ Diện tích pic As(III) (mV.s) Chiều cao pic As(III) (S) (mV) Tín hiệu nhiễu đƣờng nền (N)(mV) Tỉ lệ S/N 12 mM CAPS L-Arginine(a) Dietylamin(b) Trietylamin(c) Tertbutylamin(d) 12,950,49 6,420,04 6,440,03 7,990,08 3,010,01 1,340,18 1,980,26 1,600,04 0,29 0,26 0,15 0,32 10,38 5,15 13,20 5,00 12 mM CHES L-Arginine(a) Dietylamin(b) Trietylamin(c) Tertbutylamin(d) 11,670,09 - - - 2,450,23 - - - 0,28 - - - 8,75 12 mM MES L-Arginine(a) Dietylamin(b) Trietylamin(c) Tertbutylamin(d) 14,620,17 - - - 2,700,04 - - - 0,20 - - - 13,50 12 mM MOPS L-Arginine(a) Dietylamin(b) Trietylamin(c) Tertbutylamin(d) 8,930,11 - - - 2,190,09 - - - 0,99 - - - 2.21
42
Hình 3.1. Tín hiệu As(III) 5mg/L khi dùng đệm 12mM CAPS
Hình 3.2. Tín hiệu As(III) 5mg/L khi dùng đệm 12mM CHES
Hình 3.3. Tín hiệu Asen(III) 5mg/L khi dùng đệm 12mM MES
Hình 3.4. Tín hiệu Asen(III) 5mg/L khi dùng đệm 12mM MOPS (a) L-Arginine (b) Dietylamin (c) Trietylamin (d) Tertbutylamin
43
Dựa vào các kết quả nêu trên, tín hiệu As(III) cho thấy xuất hiện trong khoảng thời gian lƣu từ 350-460s. Trong số các đệm đã sử dụng, chỉ có đệm CAPS cho tín hiệu As(III) khi kết hợp với tất cả các bazơ Arginine, dietylamin, trietylamin và tertbutylamin. Còn lại các đệm khác chỉ cho tín hiệu As(III) khi kết hợp với Arg. Điều đó cho thấy, trong tất cả các bazơ đƣợc lựa chọn để điều chỉnh pH thì Arginine là hợp phần tốt nhất. Điều này có thể giải thích là do cấu tạo của Arginine gồm 4 nhóm amino và 1 nhóm cacboxylic nên dù Arginine mang tính bazơ nhƣng về cơ bản cũng có thể xem Arginine có bản chất đệm. Và chính điều này làm cho khi các đệm lƣỡng tính CAPS, MES, CHES hay MOPS khi kết hợp với Arg sẽ tạo thành một hệ đệm khá ổn định và tốt hơn so với khi kết hợp với các bazơ hữu cơ khác.