1.2.7.1.Nguyên tắc định lượng
Nguyên tắc của việc phát hiện hay đo định lượng các chất cũng là dựa trên cơ sở của mối quan hệ tín hiệu đo của chất phân tích và nồng độ CX của nó theo biểu thức cơ bản sau đây:
H = k.CX (1.12a)
hay là: S = k.CX (1.12b)
Trong đó H là chiều cao, còn S là diện tích của pic điện di của chất phân tích. Sự phát hiện và đo định lượng này thực hiện nhờ các loại detector tương tự như trong HPLC chỉ khác là tế bào đo ở đây là một đoạn (2-3mm) ở gần cuối của mao quản, mà không cần đo riêng như HPLC. Đó chính là ưu điểm của CE so với HPLC.
1.2.7.2.Sự phát hiện chất trong phương pháp điện di mao quản
Sự phát hiện các chất trong quá trình tách điện di có thểđược thực hiện bằng cách phát hiện trực tiếp hoặc gián tiếp [22, 30], tùy thuộc vào bản chất của chất phân tích và khảnăng ứng dụng của từng loại detector. Một số detecter thông dụng thường được dùng trong phương pháp CE gồm có detetor đo phổ hấp thụ phân tử, detector đo phổ huỳnh quang phân tử, detector điện hóa (đo dòng, đo thế, độ dẫn) và detector khối phổ [27].
Hầu hết các thiết bị điện di mao quản thương phẩm hiện nay sử dụng detector hấp thụ phân tử UV-Vis hoặc huỳnh quang. Mặc dù các detector này đã được chứng minh qua thực tế sử dụng, tuy nhiên nó những hạn chế nhất định như: chất phân tích phải là chất hấp thụ ánh sáng hoặc phát huỳnh quang, nhược điểm này có thể khắc phục bằng cách xác định gián tiếp thông qua một số chất khác tuy nhiên độ nhạy và độ chọn lọc giảm. Hơn nữa, khi dùng những mao quản có đường kính trong nhỏ, detector UV-Vis và huỳnh quang tỏ ra hạn chế khi chế tạo tế bào dòng chảy.
Detector khối phổ có độ nhạy cao, độ chọn lọc tốt tuy nhiên giá thành đầu tư ban đầu lớn, thiết bị cồng kềnh ít có khảnăng ứng dụng trong phân tích hiện trường. Các detector điện hóa bao gồm cảđo dòng, đo thếvà độ dẫn có ưu điểm là độ nhạy cao, độ chọn lọc tốt và khoảng tuyến tính rộng. Trong đó detector độ dẫn có phạm vi ứng dụng rộng rãi. Đặc biệt là detector độ dẫn không tiếp xúc kết nối kiểu tụ điên tỏ ra ưu thế khi loại bỏđược những hạn chế nhất định của detector độ dẫn tiếp xúc.
1.2.7.3.Nguyên tắc hoạt động của detector C4D
Hình 7. Sơ đồ cấu tạo detector độ dẫn không tiếp xúc kết nối theo kiểu tụđiện
Detector độ dẫn không tiếp xúc kết nối theo kiểu tụ điện (C4D) được cấu tạo bởi hai điện cực hình ống có chiều dài 4mm đặt cách nhau một khoảng 1mm. Hai điện cực này được đặt nối tiếp đồng trục bên ngoài mao quản có chứa dung dịch cần đo độ dẫn. Nguồn điện xoay chiều (V) với tần số(f) được áp vào điện cực thứ nhất. Tại điện cực thứ hai, tín hiệu đo được ở dạng cường độdòng điện (I) (hình 7.A). Với trường hợp điện di mao quản, thì thành mao quản sẽ đóng vai trò làm lớp cách điện. Bề mặt dẫn điện của điện cực và dung dịch điện ly bên trong mao quản sẽđống vai trò như một tụ điện. Khoảng dung dịch nằm giữa hai điện cực sẽđóng vai trò như một điện trở. Việc xác định giá trị điện trở này sẽ cho ta thông tin vềđộ dẫn của tổng các ion có trong dung dịch đó.
Trên thực tế, hoạt động của cảm biến đo độ dẫn không tiếp xúc phức tạp hơn so với nguyên lý cơ bản đã nêu ởtrên. Đó là bởi vì khi vận hành, ta cần tính đến khả
năng tương tác trực tiếp giữa hai điện cực với nhau. Nếu ta coi hai điện cực là hai tấm cách điện được ngăn cách nhau bởi lớp điện môi là không khí ở giữa, thì ngoài hai tụ điện tạo bởi dung dịch trong mao quản và điện cực, ta còn có thêm một tụđiện C0 tạo trực tiếp bởi hai điện cực. Sơ đồ kết nối của cảm biến đo độ dẫn không tiếp xúc trên thực tếđược mô tảnhư hình 7.B
Để loại bỏảnh hưởng của tụđiện C0 người ta lắp một lồng Faraday nối đất bằng các tấm đồng vào phần giữa hai điện cực, tụ điện C0 bị triệt tiêu [29]. Khi đó mạch điện thu được được mô tả bằng hình 7.D.
Tín hiệu đầu ra thu được ở dạng cường độ dòng điện và thường có giá trị rất nhỏ. Trong khi đó, các thiết bị thu và hiển thị tín hiểu thông thường tiếp nhận tín hiệu ở dạng điện thế(mV đến V). Bởi vậy việc chuyển đổi tín hiệu thu từcường độ dòng thành điện thế là cần thiết, thông qua việc sử dụng một điện trở khuếch đại (Rfeedback, hình 7.E). Đồng thời với quá trình chuyển đổi từ I sang V, tín hiệu thu được cũng được khuếch đại để nằm trong khoảng đo của máy ghi tín hiệu.
Chương 2 - MỤC TIÊU – NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu phát triển quy trình phân tích các cation trong mẫu nước và ứng dụng quan trắc chất lượng nước mặt sử dụng hệ thiết bịđiện di mao quản theo nguyên lý bơm mẫu tuần tự sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc kiểu kết nối tụđiện.
2.2. Nội dung nghiên cứu
Đểđạt được mục tiêu đề ra, các nội dung nghiên cứu cần thực hiện như sau:
• Tổng quan tài liệu về phương pháp điện di mao quản, các ứng dụng của phương pháp trong việc phân tích các cation.
• Nghiên cứu khảo sát các điều kiện tối ưu xác định các cation trong mẫu nước mặt bằng phương pháp điện di mao quản sử dụng hệ thiết bị SIA- CE-C4D (lựa chọn dung dịch pha động điện di, các thông số của máy đo).
• Quy trình sau khi tối ưu được đánh giá bằng giới hạn phát hiện, khoảng tuyến tính, độ chính xác (độ đúng và độ chụm) của phương pháp.
• Khả năng ứng dụng thực tế của phương pháp cũng được kiểm chứng thông qua vận hành quan trắc liên tục tại điểm quan trắc cầu Đọ Xá, thành phố Phủ Lý, tỉnh Hà Nam. Mẫu được lấy ngẫu nhiên để phân tích đối chứng sử dụng AAS, AES và UV-Vis.
2.3. Trang thiết bị - hóa chất
2.3.1. Trang thiết bị, dụng cụ
• Hệ SIA-CE-C4D được nhóm nghiên cứu Điện di mao quản tại trung tâm CETASD trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội nghiên cứu chế tạo
• Hệ điện di mao quản thao tác bằng tay, tự chế tạo tại trung tâm CETASD, trường Đại học Khoa học Tự Nhiên Hà Nội
• Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AA-6000, Shimadzu, Nhật bản
• Máy Sắc ký ion IC-SA2, Shimadzu, Nhật bản
• Thiết bị UV-Vis-NIR, Shimadzu, Nhật bản.
• Điện cực đo pH và độ dẫn hiện trường của Hach
• Cân phân tích 3 số hãng Shimadzu, Nhật bản
• Máy nước deion Milipore – Simplicity UV, Pháp
• Máy siêu âm Elma D-78224 Singen/HTW, Đức
• Micropipet với các cỡ khác nhau: 100; 200; 1000; và 5000 µL và đầu tip tương ứng
• Các bình định mức nhựa polypropylen (PP) 25, 50 và 100 mL được sử dụng để pha các dung dịch gốc của các cation, anion và các dung dịch đệm
• Các lọ Falcon 15 mL, 45 mL và lọ polypropylen (PP) để đựng các dung dịch chuẩn
• Các xy lanh lọc 0,45 và 0,20µM để lọc mẫu
• Vải tuyn để lọc mẫu thô
• Cục lọc mẫu của thiết bị HPLC để lọc mẫu tinh tại hiện trường
• Các chai nhựa 250 mL polyetilen (PE) đã được rửa sạch và tráng bằng nước cất để đựng mẫu so sánh mang về phòng thí nghiệm để phân tích bằng các phương pháp chuẩn
• Mao quản đường kính trong 50µm, chiều dài 70cm.
2.3.2. Hóa chất
• Muối NaCl, pa, Merck
• Muối KCl, pa, Fluka
• Muối NH4Cl, pa, Fluka
• Muối MgCl2.6H2O, pa, Merck
• Muối CaCl2, pa, Trung Quốc
• Muối BaCl2.2H2O, pa, Fisher scientific
• HIS C6H9N3O2, pa, Fluka
• MOSP C7H15NO4S, pa, Fluka
• MES C6H13NO4S, pa, Fluka
• TRIS C4H11NO3, pa, Fluka
• CHES C8H17NO3S, pa, Sigma-Aldrich
• 18-crown-6, pa, Fluka
• Axit axetic băng
• Nước deion, điện trở:18,2MΩ/cm
2.3.3. Chuẩn bị các dung dịch chuẩn và hóa chất thí nghiệm
Các dung dịch chuẩn gốc: NH4+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+100mM được pha từ các muối NH4Cl, NaCl, KCl, MgCl2.6H2O, CaCl2, BaCl2.2H2O bằng nước deion và bảo quản lạnh ở 4oC. Các dung dịch này có thể giữđược trong vòng 1 tháng. Các dung dịch chuẩn làm việc hàng ngày được pha ra từ các dung dịch này bằng nước deion. Các dung dịch chuẩn này được pha loãng để sử dụng trong các thí nghiệm được khảo sát sau này.
Các dung dịch đệm điện di được cân và pha trực tiếp vào bình định mức bằng nước deion, đo pH và độ dẫn. Trước khi sử dụng, các dung dịch đệm đều được siêu âm 10 phút nhằm loại bỏ bọt khí. Đối với quan trắc hiện trường, các dung dịch đệm được pha sẵn ở phòng thí nghiệm và mang ra trạm quan trắc.
2.4. Lấy mẫu và phương pháp phân tích các mẫu đối chứng
2.4.1. Lấy mẫu
Các mẫu cation được lấy vào các bình nhựa PE đã tráng rửa và dán nhãn sẵn trước ở phòng thí nghiệm. Trước khi lấy mẫu, tráng rửa bình đựng mẫu bằng chính
mẫu 3 lần. Mẫu được lọc qua xy lanh lọc cỡ lỗ 0,2µm. Mẫu sau khi lấy được axit hóa ngay bằng axit HNO368% đến pH = 2 rồi đem về phòng thí nghiệm phân tích.
Các mẫu cation trong quá trình phân tích trong phòng thí nghiệm được lấy ở một vị trí bất kì với độ sâu: 10cm, sau đó nước được lọc qua màng lọc 0,2µm rồi được chia ra làm hai phần: một phần được phân tích trực tiếp bằng phương pháp SIA-CE- C4D, một phần được axit hóa đến pH = 2,0 bằng axit HNO3 68% để phân tích so sánh.
Các mẫu so sánh cation trong quá trình quan trắc được lấy ngẫu nhiên (thông thường cứ sau vài mẫu quan trắc liên tục thì lại lấy mẫu so sánh một lần). Các mẫu này được lấy như sau: trước thời điểm cần lấy mẫu đối chứng 20 phút, chúng tôi thay thế lọ chảy tràn 3mL bằng bình lấy mẫu 250mL cho nước chảy vào bình này. Sau khi hệ SIA-CE-C4D vừa hút mẫu vào phân tích thì bình lấy mẫu được rút lấy ra ngoài để tránh nước mới chảy vào làm loãng mẫu. Các mẫu này sau đó được axit hóa và bảo quản theo quy trình lấy mẫu đã miêu tảở trên.
2.4.2. Phương pháp phân tích các mẫu đối chứng
Để đánh giá độ đúng của phương pháp SIA-CE-C4D cần phân tích các mẫu đối chứng đồng thời bằng phương pháp SIA-CE-C4D và phương pháp tiêu chuẩn. Độ đúng của phương pháp nghiên cứu được phản ánh qua phần trăm sai số của các kết quả cho bởi phương pháp SIA-CE-C4D so với các kết quả cho bởi phương pháp tiêu chuẩn.
Trong nghiên cứu này, các cation Ca2+ và Mg2+được phân tích đối chứng theo phương pháp AAS, các cation Na+ và K+ theo phương pháp AES, trong khi đó phương pháp UV-Vis được sử dụng đối với ion NH4+.
2.5. Các thông sốđánh giá phương pháp phân tích
2.5.1. Giới hạn phát hiện - giới hạn định lượng
Giới hạn phát hiện là nồng độ nhỏ nhất của chất phân tích tạo ra được một tín hiệu mà có thể phân biệt được một cách tin cậy với tín hiệu nền. Có một số cách xác định tuy nhiên đối với các phương pháp sắc kí nói chung và điện di mao quản nói riêng thường sử dụng cách tính:
LOD = 3S/N (2.1)
Trong đó: S/N là tỉ số chiều cao của tín hiệu với chiều cao của nhiễu nền. Giới hạn định lượng là nồng độ nhỏ nhất của chất phân tích tạo ra được một tín hiệu mà phương pháp có thểđịnh lượng được và được xác định bằng công thức:
LOQ = 10S/N (2.2)
2.5.2. Khoảng tuyến tính
Khi đã xác định có mối quan hệ tuyên tính giữa tín hiệu phân tích và nồng độ chất định phân cần xác định giới hạn tuyến tính (LOL) (bằng cách nới rộng điểm trên của đường chuẩn cho đến khi hệ sốtương quan R đủ lớn hơn 0,99). Khi đó khoảng tuyến tính được định nghĩa là từLOQ đến LOL.
2.5.3. Độ chính xác
Độ chính xác của phương pháp được đánh giá qua hai thông số: độ chụm và độđúng.
Độ chụm đặc trưng cho mức độ gần nhau của các giá trị riêng lẻ xi tiến hành trên các mẫu thử giống hệt nhau, được tiến hành bằng một phương pháp phân tích trong cùng điều kiện thí nghiệm hoặc trong các điều kiện thí nghiệm khác nhau.
Độđúng là độ gần nhau giữa các kết quảxác định được (giá trị trung bình) và giá trị thực µ của nó. Để xác định độđúng của phép đo hay của một phép phân tích phải sử dụng mẫu chuẩn hoặc vật liệu so sánh (CRM) được cung cấp bởi đơn vị chế tạo thường là một tổ chức quốc tế nổi tiếng như BCR, NIST, LGC... Trong trường hợp không có vật liệu so sánh này, có thể tự chuẩn bị mẫu chuẩn và phái đảm bảo sao cho mẫu chuẩn và mẫu phân tích có thành phần càng giống nhau càng tốt (dùng mẫu thêm chuẩn).
2.5.4. Độ lặp lại
Độ lặp lại, một cách tương đối là độ sai lệch giữa các giá trị riêng lẻ xi và giá trị trung bình trong những điều kiện thí nghiệm giống nhau và không giống nhau. Độ lặp lại có thể xác định thông qua độ lệch chuẩn (S) hoặc độ lệch chuẩn tương đối (RSD). Khi độ lệch chuẩn càng lớn thi sai số của phép phân tích càng lớn.
Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Khảo sát các điều kiện tối ưu các cation
3.1.1. Khảo sát các điều kiện tối ưu phân tích đồng thời các cation: NH4+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+ bằng phương pháp điện di mao quản sử dụng detector độ K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+ bằng phương pháp điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc kết nối kiểu tụ điện (CE-C4D) trên hệ điện di bằng tay
3.1.1.1.Khảo sát lựa chọn pha động điện di
Trong điện di mao quản, dung dịch pha động điện di có vai trò quan trọng trong quá trình phân tách các chất phân tích. Với các pha động điện di khác nhau thì sựtương tác giữa pha động điện di và các chất phân tích sẽ khác nhau, vì vậy mà sự phân tách pic trong quá trình điện di sẽ khác nhau. Hay nói cách khác sự phân tách pic phụ thuộc vào bản chất pha động điện di. Trong nghiên cứu này, bốn pha động điện di được khảo sát đó là:
• Hệ đệm His/Ace pH 4,0, độ dẫn EC = 750 μS/cm: Histidine được pha ở nồng độ12mM sau đó được thêm axit axetic cho đến pH 4,0. Sau đó thêm 18-crown- 6 để tách hai pic NH4+ và K+[21].
• Hệ đệm Mops/His pH 6,5; độ dẫn EC = 130 μS/cm: Mops và Histidine được cân và pha đều ở nồng độ 10mM. CTAB được thêm vào để điều chỉnh dòng EOF. Sau đó thêm 18-crown-6 để tách hai pic NH4+ và K+.
• Hệđệm Mes/His pH 5,8; độ dẫn EC = 207 μS/cm: Mes và Histidine được cân và pha đều ở nồng độ 10mM. CTAB được thêm vào để điều chỉnh dòng EOF. Sau đó thêm 18-crown-6 để tách hai pic NH4+ và K+.
• Hệđệm Tris/Mops pH 7,7; độ dẫn EC = 1571μS/cm: Tris và Mops được pha ở cùng nồng độ50mM. CTAB được thêm vào đểđiều chỉnh dòng EOF. Sau đó thêm 18-crown-6 để tách hai pic NH4+ và K+.
Điều kiện phân tích: Các điều kiện phân tích là: bơm mẫu thủy động học kiểu xiphong với chiều cao: 10cm trong thời gian: 30s, thế tách: -15kV, mao quản silica nóng chảy đường kính trong: 50µm với chiều dài: 50cm, chiều dài hiệu dụng: 43cm
Hình 8 đưa ra giản đồ điện khi phân tích các cation NH4+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+ ở pH khác nhau. Nồng độ của các cation NH4+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+. Ở khoảng pH 5-6 sử dụng đệm MES/His và MOPS/His, hình ảnh các tín hiệu chồng chập lên nhau. Trong điều kiện phân tích, chỉ có hai hệ đệm His/Ace và