Có thể nói việc lựa chọn pha tĩnh phù hợp là bước quan trọng nhất của kĩ thuật
vi chiết pha rắn nói chung và kĩ thu ật 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 Ďi ̣nh Ďến Ďô ̣ chọn lọc, giới ha ̣n phát hiê ̣n của phương pháp và Ďô ̣ bền của thiết bi ̣ vi chi ết tự chế tạo…
Qua quá trình nghiên cứu chúng tôi 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 Wals.
Polimetylhydrosilosan là một polime nhóm silosan có khối lượng riêng D ở
250C bằng 1 g/cm3. Polime này có Ďộ phân cực yếu, phù hợp Ďể tách các hợp chất có
Ďộ phân cực yếu hoặc không phân cực. Qua khảo sát về ảnh hưởng của các loại pha tĩnh Ďến hiệu quả vi chiết [12], chúng tôi thấy polimetylhidrosilosan là một pha tĩnh mang lại hiệu quả vi chiết tốt. Vì vậy, chúng tôi chọn polimetylhidrosilosan làm pha tĩnh phủ trong kim tiêm rỗng Ďể phân tích các hợp chất nhóm BTEX trong luận văn này.
3.2.2. Độ dày màng pha tĩnh phủ trong trong kim vi chiết
Việc tìm ra Ďược pha tĩnh phù hợp cho quá trình vi chiết một số nhóm chất là bước rất quan trọng trong kĩ thuật này. Bên cạnh Ďó, Ďộ dày màng phủ cũng là yếu tố
37
R r
h
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 [4, 36, 38, 47].
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 công 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 [12]. Hơn nữa, tại Ďầu injectơ của máy sắc kí quá 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 [19, 23].
3.2.3. Tính toán độ dày màng phủ và quan sát trên kính hiển vi điện tử quét (SEM) (SEM)
Kĩ thuật vi chiết màng kim rỗng phủ trong dựa trên cân bằng
phân bố của các cấu tử phân tích từ môi trường mẫu lên một màng pha tĩnh mỏng Ďã Ďược phủ lên thành bên trong của một kim tiêm bằng hợp kim có Ďường kính nhỏ (cỡ 0,2 – 0,6mm). Pha tĩnh là các hợp chất cao phân tử có tính chất hoá, lý ổn Ďịnh, Ďặc biệt là có Ďộ bền nhiệt Ďủ lớn. Độ dày màng phim pha tĩnh có ảnh hưởng rất lớn Ďến thời gian Ďạt cân bằng phân bố, giới hạn phát hiện và hiệu quả vi chiết của các cấu tử [41, 42, 48, 51, 52, 53]. Độ dày màng phủ Ďược tính theo công thức bán thực nghiệm (3.1) [12] và Ďược Ďo bằng phương pháp kính hiển vi Ďiện tử quét (SEM) Ďể kiểm tra.
Hình 3.3: Sơ Ďồ mặt cắt ngang kim vi chiết
38
= R – r = R – R(1-C/D)1/2 (3.1)
Trong Ďó D là tỷ trọng và m là khối lượng của pha tĩnh, R là bán kính trong của kim khi chưa phủ pha tĩnh; r là bán kính trong của kim sau khi phủ pha tĩnh, C là nồng Ďộ khối lượng pha tĩnh/ thể tích dung dịch.
Từ công thức này ta thấy phụ thuộc vào bán kính ống rỗng của kim tiêm R,
nồng Ďộ dung dịch phủ C (biết trước khi pha dung dịch Ďể phủ) và tỷ trọng D của pha tĩnh. Với cùng một loại loại pha tĩnh Ďược phủ trên một kim rỗng nhất Ďịnh, khi Ďó Ďộ dày màng chỉ còn phụ thuộc vào nồng Ďộ dung dịch pha tĩnh hay chính là lượng pha tĩnh phủ lên thành bên trong của kim rỗng.
Dựa theo công thức bán thực nghiệm xây dựng Ďược (3.1), cùng với các thông số của kim tiêm, tỉ trọng pha tĩnh và nồng Ďộ pha tĩnh trong Ďiclometan, kết quả tính Ďộ dày màng pha tĩnh phủ lên thành trong của kim tiêm rỗng Ďược cho như ở bảng 3.1.
Bảng 3.1: Tính toán Ďộ dày màng phủ lên thành trong của kim tiêm rỗng [12]
Ghi chú: + LT: Kết quả tính toán theo công thức bán thực nghiệm 3.1 + SEM: Kết quả quan sát Ďược trên kính hiển vi Ďiện tử quét SEM. + “-”: Không có số liệu
Từ kết quả tính toán Ďộ dày màng phủ theo công thức bán thực nghiệm ta thấy khi nồng Ďộ dung dịch tăng, lượng pha tĩnh hoà tan trong cùng một lượng dung môi lớn hơn, do Ďó Δ sẽ tăng dần theo chiều tăng của nồng Ďộ dung dịch (bảng 3.1), Ďiều này là phù hợp với công thức bán thực nghiệm.
Nồng Ďộ pha tĩnh trong Ďiclometan (g/ml)
Chiều dầy màng phủ của pha tĩnh polymetylhydrosiloxan ứng với các nồng Ďộ khác nhau (µm) LT SEM 0,0250 1,8 - 0,0500 3,6 3,5 0,00 5,4 - 0,1000 7,2 7,5 0,1500 10,9 - 0,2000 14,8 - 0,3000 22,9 -
39
Sự lựa chọn pha tĩnh phù hợp trong kĩ thuật vi chiết pha rắn sử dụng kim rỗng phủ trong là một bước quan trọng, 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 có thể tránh Ďược các tác Ďộng cơ học làm biến dạng và dễ hỏng màng phủ như trong kĩ thuật SPME thường [2, 17, 20, 30, 44, 46].
Đối với phương pháp Ďộng lực học không cần phải Ďợi tới thời gian Ďạt cân bằng hấp phụ, nên chiều dày màng pha tĩnh chỉ ảnh hưởng Ďến Ďộ nhạy của phương pháp phân tích. Màng pha tĩnh mỏng quá, cùng với thời gian lấy mẫu ngắn (t=5 phút) nên lượng chất phân tích hấp phụ lên màng Ďược ít, Ďặc biệt khi nồng Ďộ chất phân tích thấp. Vì thế, cần một chiều dày màng Ďủ Ďể lượng chất phân tích hấp phụ lên có thể phát hiện Ďược trên máy GC. Nếu màng pha tĩnh quá dày, lượng chất phân tích hấp thụ Ďược nhiều, có thể rút ngắn thời gian phân tích (xuống 2-3 phút ), nhưng sẽ ảnh hưởng Ďến phần rỗng nòng kim sau khi phủ bị thu hẹp lại….
Vì vậy, việc lựa chọn chiều dày màng pha tĩnh trong trường hợp ở Ďây là 22µm là thích hợp vừa Ďảm bảo có thể phát hiện ra chất phân tích vừa Ďảm bảo thời gian phân tích phù hợp.
3.3 KIM VI CHIẾT
3.3.1 Thời gian giải hấp của kim vi chiết
Từ kết quả ở bảng (2.1) và hình 3.5, ta có Ďược kết quả số Ďếm diện tích pic ứng với từng thời gian giải hấp khác nhau. Từ 3s Ďến 20s, số Ďếm diện tích pic tăng dần cho thấy thời gian giải hấp tỉ lệ với lượng chất Ďược giải hấp ở Ďầu injector. Khi tiếp
Hình3.4: Kết quả chụp đo chiều dày màng phim pha tĩnh ∆= 22 µm
40
tục với các thời gian dài hơn 15s, số Ďếm diện tích pic cũng không thay Ďổi. Cho thấy, ở thời gian giải hấp15s là thời gian giải hấp tối ưu của kim vi chiết.
Thời gian giải hấp của kim vi chiết
5000 10000 15000 20000 25000 30000 0 5 10 15 20 t(s) di ện tí ch pi c
benzen toluen etylbenzen m-xilen
Hình 3.5: Khảo sát thời gian giải hấp của kim vi chiết
Bằng thực nghiệm, với các hợp chất dễ bay hơi nhóm BTEX cho thấy thời gian
giải hấp của các chất khỏi màng pha tĩnh tại Ďầu injectơ của máy sắc kí khí ở 2000C là
15 giây. Sau khoảng thời gian trên, kết quả không tìm thấy sự có mặt của các chất còn dư lại trên màng pha tĩnh khi Ďưa kim tiêm vi chiết trở lại Ďầu injectơ của máy sắc kí khí thêm một lần nữa. Và như vậy có thể nói rằng với khoảng thời gian 15 giây, các chất Ďã có thể giải hấp hoàn toàn khỏi màng pha tĩnh. Giải hấp triệt Ďể và nhanh chóng là những ưu Ďiểm nổi bật của thiết bị vi chiết tự chế tạo so với các nghiên cứu trước Ďây.
Sắc kí Ďồ của các chất nhóm BTEX tương ứng với các thời gian giải hấp 3s, 5s và 15s chúng tôi ghi nhận Ďược như sau:
41
Hình 3.6: Sắc kí Ďồ của các chất BTEX tại thời gian giải hấp 3s
42
Hình 3.8: Sắc kí Ďồ của các chất BTEX tại thời gian giải hấp 15s
Tại 3s, 5s các chất chưa kịp giải hấp hết khỏi màng pha tĩnh, lượng chất thu Ďược không phải tối Ďa. Tại thời gian giải hấp là 15s, lượng chất phân tích giải hấp Ďược là lớn nhất, quan sát thấy các pic ở sắc kí Ďồ này vẫn Ďối xứng, không có hiện tượng chân pic bị kéo dài do kéo dài thời gian giải hấp. Như vậy, chúng ta chọn thời gian giải hấp 15s là hợp lí.
3.3.2 Khả năng sử dụng của kim vi chiết
Việc khảo sát thời gian giải hấp của chất phân tích khỏi kim tiêm Ďể tìm ra Ďược thời gian giải hấp tối ưu Ďể nhằm các mục Ďích góp phần xây dựng quy trình chuẩn Ďể phân tích các hợp chất cần phân tích. Từ Ďó, áp dụng Ďối với các mẫu thực tế.
43
Khả năng sử dụng của kim vi chiết
20000 22000 24000 26000 28000 30000 32000 0 5 10 15 20 số lần sử dụng d iệ n tí ch p ic
benzen toluen etylbenzen m-xilen
Hình 3.9: Khảo sát khả năng sử dụng của kim vi chiết
Từ kết quả khảo sát khả năng sử dụng của kim tiêm vi chiết (bảng 2.2, hình 3.9) cho ta thấy Ďược khả năng sử dụng thực tế Ďối với các mẫu cần phân tích. Qua khảo sát cho thấy một kim tiêm vi chiết tự chế tạo, Ďược phủ bởi pha tĩnh polymetylhidrosiloxan có thể tái sử dụng lên Ďến hơn 15 lần, tương Ďương với hơn 15 lần giải hấp trên máy GC, phân tích Ďược hơn 15 mẫu. Trên thị trường hiện nay, thiết bị vi chiết pha rắn với giá thành Ďắt Ďỏ không mang lại lợi ích về kinh tế cho người phân tích. Với một kim tiêm vi chiết có khả năng tái sử dụng nhiều lần, mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn thiết bị Ďược bán trên thị trường hiện nay là Ďiều rất Ďáng lưu ý, cho thấy Ďây là một phương pháp hiệu quả cần Ďược phát triển.
3.4. QUÁ TRÌNH GIẢI HẤP CÁC CHẤT KHỎI MÀNG PHA TĨNH
Nguyên tắc của quá trình giải hấp bởi nhiệt ở Ďây là nhờ vào dòng khí mang nóng tại cổng bơm mẫu injectơ của máy sắc kí khí. Đây là quá trình ngược lại của quá trình vi chiết hấp thu các chất lên màng pha tĩnh. Sử dụng kim Halmiton Ďể tạo thiết bị vi chiết màng kim rỗng phủ trong [25, 50, 36] có hai khó khăn: thứ nhất, Ďường kính của kim nhỏ, dẫn Ďến lượng pha tĩnh phủ lên thành bên trong của kim bị hạn chế nhiều. Thể tích bơm tiêm quá nhỏ (khoảng 10μl), trong quá trình kéo, Ďẩy pittông nên lượng mẫu tiếp xúc với màng pha tĩnh ít, khi vi chiết thì lượng mẫu Ďi qua Ďể tiếp xúc với màng pha tĩnh nhỏ làm kéo dài thời gian phân tích. Thứ hai, kim Hamilton thường có chiều dài từ 4 Ďến 8cm, khi giải hấp nhiệt tại cổng bơm mẫu injectơ, phần trên của
44
kim tiêm thường không Ďược làm Ďủ nóng hoặc làm nóng không Ďều, dẫn Ďến việc giải hấp của các chất khỏi màng pha tĩnh không hoàn toàn, sự giải hấp bị kéo dài là nguyên nhân gây ra sai số.
Trong khi Ďó, với kim tiêm tự chế tạo trong vi chiết màng kim rỗng có Ďộ dài
30,8mm và Ďường kính trong Ďủ lớn 0,28mm. Do Ďó, khi giải hấp nhiệt, dòng khí mang nóng dễ dàng Ďi vào kim rỗng và tiếp xúc với màng pha tĩnh làm quá trình giải hấp diễn ra nhanh chóng. Độ dài của kim ngắn làm cho sự gia nhiệt Ďồng Ďều trên cả kim và quá trình giải hấp của các chất Ďược diễn ra hoàn toàn hơn.
3.5 PHÂN TÍCH CÁC HỢP CHẤT NHÓM BTEX TRONG MẪU NƢỚC 3.5.1 Quy trình phân tích nhóm BTEX trong mẫu nƣớc
Từ kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng Ďến kĩ thuật vi chiết trong KGH mẫu lỏng kết hợp với phương pháp phân tích sắc kí khí GC-FID, chúng tôi Ďã xây dựng Ďược quy trình Ďể phân tích các chất hiĎrocacbon thơm nhóm BTEX trong không gian hơi mẫu nước Ďược chỉ ra như hình (3.10) dưới Ďây:
45
Hình 3.10: Quy trình phân tích các hợp chất nhóm BTEX trong không gian hơi mẫu nước
Với quy trình xây dựng Ďược Ďể phân tích các chất nhóm BTEX trong mẫu nước, kết quả dựng Ďường chuẩn phân bố Ďược chỉ ra như ở bảng 2.5. Từ các số liệu biểu diễn sự phụ thuộc của diện tích píc theo nồng Ďộ của chất có trong mẫu lỏng, phương trình Ďường chuẩn phân bố và hệ số hồi quy của từng chất nhóm BTEX Ďược tính toán trên phần mềm Origin 6.0 như sau.
Thiết bị vi chiết pha rắn màng kim rỗng phủ trong với:
- pha tĩnh polimetylhydrosiloxan - Ďộ dày màng pha tĩnh phủ là 22μm
Lấy 7ml mẫu lỏng vào lọ 14ml có nút kín, thêm 4g Na2SO4, khuấy 100 vòng/phút ở nhiệt Ďộ phòng, pH=7
Vi chiết trên KGH mẫu nước trong 5 phút, tốc Ďộ kéo Ďẩy pittông 30 lần/phút
Các chất phân tích Ďược giải hấp tại Ďầu injectơ của máy sắc kí khí (GC/FID), 2000C trong 15 giây
46 0 2 4 6 8 10 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000
Duong chuan phan bo cua benzen Y = A + B * X
Parameter Value Error
--- A 120.27698 42.07255 B 5787.45636 9.753 --- R SD N P ---