1.4.1.Giới hạn phát hiện
Giới hạn phát hiện (LOD) Ďược xem là nồng Ďộ thấp nhất (xL) của chất phân tích mà hệ thống phân tích còn cho tín hiệu phân tích (yL) khác có ý nghĩa với tín hiệu của mẫu trắng hay tín hiện nền [39].
Tức là: yL yBk S. B (1.4.1)
Với yB là tín hiệu trung bình của mẫu trắng sau nb thí nghiệm lặp lại (thông thường là 7-10 thí nghiệm). Sb là Ďộ lệch chuẩn tín hiệu của mẫu trắng, k là Ďại lượng số học Ďược chọn theo Ďộ tin cậy mong muốn.
1 1 nb B bj j b y y n (1.4.2) Và 2 2 1 1 ( ) 1 b n b bi b i b S x x n (1.4.3) Như vậy . B B L k S x x b (1.4.4)
Mẫu trắng là mẫu Ďược chuẩn bị với nồng Ďộ chất phân tích xB=0. Và do Ďó, giới hạn phát hiện là:
53 k S. B yB LOD b (1.4.5)
Trong trường hợp không phân tích mẫu trắng thì có thể xem như Ďộ lệch chuẩn mẫu trắng SB Ďúng bằng sai số của phương trình hồi quy, hay là SB=Sy
và tín hiệu thu Ďược khi phân tích với mẫu nền yB=a. Khi Ďó tín hiệu thu Ďược ứng với nồng Ďộ phát hiện YLOD=a+3.Sy. Sau Ďó nhờ phương trình hồi quy có thể tìm Ďược LOD theo công thức sau:
3.Sy a LOD b (1.4.6) 1.4.2. Giới hạn định lƣợng
Giới hạn Ďịnh lượng (LOQ) Ďược xem như là nồng Ďộ thấp nhất (xQ) của chất phân tích mà phương pháp Ďịnh lượng Ďược với tín hiệu phân tích (yQ) khác có ý nghĩa Ďịnh lượng với tín hiệu của mẫu trắng hay tín hiệu Ďường nền [39, 61].
yQ yBK S. B (1.4.7)
Thường thì giới hạn Ďịnh lượng Ďược tính với K=10 do Ďó ta có:
10.SB a LOQ b (1.4.8) 1.4.3. Khoảng tuyến tính
Trong phân tích Ďịnh lượng, khi tăng nồng Ďộ hay lượng chất phân tích Ďến giá trị nào Ďó thì quan hệ những tín hiệu S Ďo Ďược và nồng Ďộ C của chất phân tích không còn phụ thuộc tuyến tính nữa. Khoảng nồng Ďộ có sự phụ thuộc tuyến tính giữa tín hiệu Ďo S và nồng Ďộ chất phân tích C gọi là khoảng tuyến tính. Khoảng này bắt Ďầu ở nồng Ďộ thấp nhất có thể Ďịnh lượng Ďược (còn Ďược gọi là giới hạn Ďịnh lượng) Ďến nồng Ďộ cao nhất lệch khỏi Ďường tuyến tính [61, 82].
54
Như Ďã biết, phương pháp phân tích càng tốt khi nồng Ďộ chất phân tích có thể phát hiện Ďược càng nhỏ. Vì vậy giới hạn phát hiện có thể Ďược xem là một trong những Ďại lượng Ďặc trưng của quá trình phân tích. Tuy nhiên không dễ dàng so sánh các quá trình phân tích chỉ dựa trên giới hạn phát hiện vì rất nhiều bài báo nghiên cứu phương pháp không công bố giới hạn phát hiện.
Độ nhạy là tính Ďáp ứng của hệ thống phân tích khi thay Ďổi nồng Ďộ chất phân tích hay khả năng phát hiện sự thay Ďổi tín hiệu khi có sự thay Ďổi rất nhỏ về nồng Ďộ chất phân tích. Thông thường một phương pháp phân tích hay thiết bị phân tích Ďược coi là nhạy nếu có giới hạn phát hiện thấp. Do Ďó, trong nhiều trường hợp có thể xem hai Ďại lượng này Ďồng nghĩa.
Hiện có hai khái niệm.
- Độ nhạy Ďường chuẩn: chính là Ďộ dốc của Ďường chuẩn (khi phân tích hồi quy tuyến tính) và Ďược xác Ďịnh tại bất kỳ Ďiểm nào trên Ďường chuẩn. Do Ďó, Ďộ nhạy Ďường chuẩn Ďược tính theo công thức m=dy/dx. Nói cách khác Ďộ nhạy Ďường chuẩn Ďơn giản là sự thay Ďổi tín hiệu khi thay Ďổi một Ďơn vị nồng Ďộ chất phân tích.
- Độ nhạy phân tích: Vì tính xác Ďịnh của Ďường chuẩn bị ảnh hưởng bởi Ďộ phân tán làm cho kết quả Ďo không chính xác. Do Ďó, phép Ďo Ďộ nhạy bị ảnh hưởng bởi Ďộ dốc của Ďường chuẩn và Ďộ chính xác của Ďường chuẩn (tức là bị ảnh hưởng bởi Ďặc tính kĩ thuật Ďo). Ví dụ, có thể tăng Ďộ nhạy bằng cách tăng Ďộ dày lớp hấp thụ trong phân tích trắc quang hoặc thay Ďổi sự khuyếch Ďại trong phân tích Ďiện hoá [39, 61, 82].
1.4.5. Độ đúng của phƣơng pháp phân tích
Cơ sở lí thuyết Ďể kiểm tra Ďộ Ďúng của phương pháp phân tích dựa trên phương pháp phân tích phương sai nhằm so sánh giá trị trung bình của tập số liệu thực nghiệm (X ) với giá trị thực (μ). Phép sai số này Ďược thực hiện nhờ chuẩn student (t).
55
Với việc phân tích n mẫu chuẩn Ďã Ďược chuẩn bị có nồng Ďộ xác Ďịnh (μ) theo Ďúng quy trình phân tích Ďã Ďược lập dựng [82]. Từ các số liệu thực nghiệm thu Ďược các kết quả x1, x2, x3...xn ta tính giá trị trung bình như công thức sau: 1 1 n i i X X n (1.4.9)
Độ lệch chuẩn S của phương pháp sẽ là
2 1 ( ) 1 n i i X X S n (1.4.10)
Hệ số biến thiên CV (hay Ďộ lệch chuẩn tương Ďối RSD) tương ứng là
CV S.100% X
(1.4.11)
Với một phương pháp phân tích có Ďộ Ďúng chấp nhận Ďược khi mà sự sai khác giữa X và giá trị thực μ là không Ďáng kể. Phép so sánh này Ďược tiến hành nhờ chuẩn Student như sau:
t X n S
(1.4.12)
Nếu ttn < t(f=0.95, n-1) thì có thể xem giá trị trung bình X và giá trị thực μ sai khác không Ďáng kể hay là sai số của phương pháp phân tích là có thể chấp nhận Ďược. Ta cũng có thể Ďánh giá sai số của phương pháp ngay bởi hệ số biến thiên CV theo công thức (1.4.11).
Ngoài ra Ďộ Ďúng của phương pháp phân tích còn Ďược biểu diễn thông qua sai số tương Ďối X%
100 % 2 2 1 A A A X (1.4.13)
Trong Ďó A1 và A2 là giá trị thu Ďược giữa hai lần Ďo.
56
Khi phân tích chất A trong mẫu, ngoài tín hiệu phân tích do chất A tạo ra còn có sự Ďóng góp của rất nhiều chất B, C...cùng có mặt trong mẫu. Người ta gọi Ďây là những chất cản trở [39, 61, 82].
Khi Ďó tín hiệu phân tích chung sẽ là
Y=bA.CA + bB.CB + bC.CC+...+ybl (1.4.14)
Trong Ďó, bA, bB, bC là các hệ số Ďộ nhạy của A, B, C.
CA, CB, CC là nồng Ďộ của chất phân tích A và các chất cản trở B, C... ybl là tín hiệu của nền
Khi Ďó mức Ďộ gây ảnh hưởng của B và C Ďến phép xác Ďịnh A Ďược biểu diễn qua hệ số chọn lọc. Hệ số này càng nhỏ thì phép phân tích càng chọn lọc.
kB,A=bB/bA kC,A=bC/bA
Phương trình hồi qui xác Ďịnh A có thể Ďược viết thành Y=bA(CA+kB,A.CB + kC,A.CC) + ybl (1.4.15)
57
CHƢƠNG 2: THƢ̣C NGHIỆM 2.1. HOÁ CHẤT VÀ THIẾT BỊ
2.1.1. Hoá chất
+ Chất chuẩn nhóm BTEX: benzen, toluen, etylbenzen, m-xilen (PA. tinh khiết cho sắc kí, hãng Merck- Đức).
+ Chất chuẩn nhóm cơ clo mạch ngắn: Ďiclometan, 1,1-Ďicloetan, triclometan, tetraclometan (PA. tinh khiết cho sắc kí, hãng Merck- Đức). + Một số polime nhóm siloxan và este dùng làm pha tĩnh bao gồm: poliĎimetylsiloxan, polimetylphenylsiloxan, polimetylacrylat, bis (2- etylhexyl) sebasat, Ďietilen glycol sucxinat polieste; polimetylhiĎrosiloxan (hãng Merck- Đức).
+ Dung môi tinh khiết cho sắc kí (hãng Merck- Đức): n-hexan, Ďiclometan, etanol, xiclohexan...
2.1.2. Thiết bị
+ Các hệ thống sắc kí khí.
- Sắc kí khí với Ďetectơ FID: GC-2010, Shimadzu.
- Sắc kí khí với Ďetectơ ECD: GC-2010, Shimadzu và GC-6890, Hawlett Packard (HP).
- Sắc kí khí với Ďetectơ khối phổ MS: GC/MS-2010, Shimadzu
GCMS.HP.6890-MSHP.5973
+ Kính hiển vi Ďiện tử (SEM): JEOL-5410LV (chân không cao, thế 15kV) + Cân phân tích, máy khuấy từ gia nhiệt, bình Ďiều nhiệt, bơm lấy mẫu khí, kim tiêm y tế, bơm tiêm thuỷ tinh, bơm kim tiêm Hamilton các loại...
58
+ Dụng cụ thuỷ tinh phòng thí nghiệm Ďầy Ďủ.
2.2. CHẾ TẠO THIẾT BỊ VI CHIẾT MÀNG KIM RỖNG PHỦ TRONG 2.2.1. Bơm và kim tiêm trong vi chiết màng kim rỗng 2.2.1. Bơm và kim tiêm trong vi chiết màng kim rỗng
Bơm tiêm là bơm bằng thủy tinh . Kim tiêm Ďươ ̣c lựa cho ̣n chính là kim tiêm y tế thông thườ ng , có chiều dài : 30,8mm; Ďường kính ngoài : 0,52mm và Ďường kính trong : 0,28mm.
2.2.2. Pha tĩnh và dung di ̣ch pha tĩnh
Pha tĩnh dựa trên nền là các polime nhóm este và siloxan Ďươ ̣c nghiên cứu trong luâ ̣n án bao gồm :
- Polimetylacrylat: PT1
CH2 CH COOCH3
n
- Bis (2-ethylhexyl) sebasat: PT2
C4H9 CH CH2 C2H5 OOC CH2 COO CH2 CH C4H9 C2H5 8
- Đietilen glycol sucxinat polieste: PT3
OC CH2 CH2 COO CH2 CH2 O CH2 CH2 O n - PoliĎimetylsiloxan: PT4 O Si CH3 CH3 n - Polimetylphenylsiloxan: PT5
59 O Si CH3 CH3 O Si 50% 50% - PolimetylhiĎrosiloxan: PT6 (CH3)3Si O Si O CH3 H Si(CH3)3 n
Các pha tĩnh Ďược pha trong Ďiclometan với những nồng Ďô ̣ khác nhau Ďể tiến hành phủ lên thành bên trong của kim tiêm rỗng và xác Ďịnh Ďộ dày màng sau khi phủ theo công thức bán thực nghiệm xây dựng Ďược và so sánh với kết quả quan sát trên kính hiển vi Ďiện tử quét SEM.
2.2.3. Cách phủ pha tĩnh
Kim tiêm (phần ống trụ bằng hơ ̣p kim ) Ďươ ̣c làm Ďầy bằng dung d ịch của mỗi loại pha tĩnh Ďược pha sẵn trong Ďiclometan với một nồng Ďộ nhất Ďịnh. Giữ yên ở nhiê ̣t Ďô ̣ phòng cho dung môi Ďiclometan bay hơi hết khoảng 1 giờ, sau Ďó Ďưa kim vào injectơ của máy sắc kí khí và dùng dòng khí trơ (nitơ) cho Ďi qua kim, cùng với việc nâng nhiê ̣t Ďô ̣ khoảng 2000
C Ďể làm sạch triê ̣t Ďể dung môi . Kết quả là toàn bộ lượng pha tĩnh Ďược phủ lên màng bên trong của kim tiêm rỗng. Kim tiêm màng pha tĩnh kim rỗng chế ta ̣o hoàn chỉnh cần Ďược bảo quản Ďể sử dụng , tiến hành vi chiết và có thể tái sử dụng nhiều lần.
2.2.4. Tính toán độ dày màng pha tĩnh
Độ dày màng pha tĩnh Ďược tính toán theo công thức (3.3.7). Từ các kết quả có Ďược là Ďường kính trong của kim tiêm, khối lượng riêng của từng loại pha tĩnh và các giá trị nồng Ďộ của pha tĩnh trong Ďiclometan khác nhau. Kết
60
quả tính toán Ďộ dày màng pha tĩnh trong khoảng nồng Ďộ từ 0,025g/ml Ďến 0,3g/ml. Tại hai nồng Ďộ 0,05g/ml và 0,1g/ml, sau khi phủ trên kim tiêm rỗng Ďược quan sát lại trên kính hiển vi Ďiện tử SEM (loại máy JEOL-5410LV, Ďiều kiện thực hiện ở áp suất chân không cao với thế 15kV). Kết quả tính toán theo công thức bán thực nghiệm và so sánh trên kính hiển vi Ďiện tử SEM Ďược cho như ở bảng 3.4 và các hình từ hình SEM1 Ďến hình SEM12.
2.3. XÂY DỰNG QUY TRÌNH PHÂN TÍCH CÁC HỢP CHẤT NHÓM BTEX TRONG MẪU NƢỚC BTEX TRONG MẪU NƢỚC
2.3.1. Điều kiện phân tích sắc kí của các chất nhóm BTEX
a) Điều kiện phân tích sắc kí khí của các chất nhóm BTEX
Thông tin cột mao quản: Cột DH: 100m x 0,25mm x 0,5μm, nhiệt Ďộ tối Ďa 3500C, pha tĩnh phủ lên thành trong của cột dựa trên nền của poliĎimetylsiloxan: Qua khảo sát nhiệt Ďộ làm việc của lò cột Ďể phân tích các chất nhóm BTEX là Ďẳng nhiệt 1000C.
Cột HP-5: 30m x 0,32mm x 0,25μm, nhiệt Ďộ tối Ďa 3500C, pha tĩnh phủ trong cột dựa trên nền poliĎimetyl(95%)Ďipheyl(5%)siloxan. Điều kiện làm việc của lò cột Ďể phân tích các chất nhóm BTEX là Ďẳng nhiệt 400C.
Nhiệt Ďộ injectơ 2000C; khí mang N2; áp xuất khí mang 100kPa; không chia dòng.
61
Đetectơ FID: Nhiệt Ďộ 2500C; tốc Ďộ dòng khí làm sạch Ďetectơ 30ml/phút; dòng không khí 400ml/phút; dòng hiĎro 40ml/phút (sắc kí Ďồ hỗn hợp các chất nhóm BTEX thu Ďược trên Ďiều kiện chạy máy GC-FID chỉ ra như hình 2.1).
+ Điều kiện cho MS: Khí mang He; nhiệt Ďộ buồng ion 2000C; nhiệt Ďộ bộ phận kết nối GC-MS là 2500C; thế của Ďetectơ MS là 1,2kV; chế Ďộ ghi nhận Scan; thời gian 2,2-15 phút.
b) Xây dựng đường chuẩn dùng bơm tiêm Hamilton với các chất nhóm BTEX
Đường chuẩn sử dụng bơm tiêm Hamilton là phương trình Ďường thẳng tuyến tính biểu thị sự phụ thuộc của số Ďếm diện tích píc tương ứng với mỗi lượng chất Ďi qua và Ďược Ďetectơ ghi nhận. Tiến hành lập dựng Ďường chuẩn dùng bơm tiêm Hamilton cho các chất BTEX trong Ďiều kiện sắc kí như trên ứng với Ďetectơ FID. Kết quả biểu diễn sự phụ thuộc của số Ďếm diện tích píc theo lượng chất phân tích Ďược bơm vào sắc kí khí chỉ ra như bảng 2.1.
Bảng 2.1: Kết quả xây dựng Ďường chuẩn dùng bơm tiêm Hamilton với các chất nhóm BTEX
Lượng chất (x10-10g)
Số Ďếm diện tích píc của các chất
Benzen Toluen Etylbenzen m-Xilen
0,05 628 526 1308 489 0,1 1197 893 2185 1043 0,3 4160 2471 7212 3155 0,5 6631 4309 12901 5778 1 13981 8577 25012 11876 3 41066 26919 75531 36844 5 68003 43570 124920 58433
Phương trình Ďường chuẩn của từng chất là: Benzen: y=13629x + 7,69 (R2=0,9999); Toluen: y=8777x – 9,4859 (R2=0,9997); Etylbenzen: y=25039x- 10,528 (R2=1); m-Xilen: y=11851x-42,807 (R2=0,9991).
62
2.3.2. Khảo sát lựa chọn pha tĩnh để vi chiết các chất BTEX
Với Ďối tượng là các hiĎrocacbon thơm nhóm BTEX, các pha tĩnh sử dụng Ďể làm màng phủ lần lượt là các polime: poliacrilat; bis (2-etylhexyl) sebasat; Ďietilen glycol succinat polieste; poliĎimetylsiloxan, polimetylphenylsiloxan và polimetylhiĎrosiloxan. Các pha tĩnh này Ďều Ďược pha trong Ďiclometan với cùng một nồng Ďộ xác Ďịnh là 0,15g/ml. Tiến hành phủ lên thành trong kim rỗng Ďể tạo thiết bị vi chiết màng kim rỗng phủ trong. Vi chiết trên KGH của mẫu giả với nồng Ďộ các chất BTEX trong nước Ďều là 10-6g/ml, trong thời gian 30 phút, cố Ďịnh vi chiết ở nhiệt Ďộ phòng 250C, tốc Ďộ khuấy của dung dịch là 200 vòng/phút, tốc Ďộ kéo, Ďẩy pittông là 30 lần/phút. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của loại pha tĩnh Ďến hiệu quả vi chiết các chất nhóm BTEX thu Ďược như ở bảng 2.2.
Bảng 2.2: Khảo sát ảnh hưởng của pha tĩnh Ďến hiệu quả vi chiết các chất nhóm BTEX
Loại pha tĩnh Số Ďếm diện tích píc của các chất
Benzen Toluen Etylbenzen m-Xilen
PT1 3109 3309 3210 2570 PT2 27680 4699 4681 9821 PT3 9412 5410 2639 1208 PT4 60456 100921 46573 18983 PT5 67832 175487 56440 30980 PT6 25671 55453 11764 16877
2.3.3. Khảo sát ảnh hƣởng của độ dày màng pha tĩnh
Cùng với loại pha tĩnh Ďược lựa chọn, Ďộ dày màng pha tĩnh phủ lên thành bên trong của kim tiêm rỗng cũng là một yếu tố quan trọng quyết Ďịnh Ďến hiệu quả của quá trình vi chiết. Về lí thuyết, Ďộ dày màng pha tĩnh tăng sẽ có thể vi chiết Ďược lượng chất nhiều hơn lên màng pha tĩnh, cùng với thiết bị phân tích sẽ làm tăng giới hạn phát hiện của phương pháp. Tuy nhiên, Ďộ dày
63
màng tăng trong quá trình vi chiết có thể kéo dài thời gian Ďạt cân bằng phân bố. Để khảo sát ảnh hưởng của Ďộ dày màng pha tĩnh polimetylphenylsiloxan Ďược lựa chọn khi vi chiết các chất nhóm BTEX trong KGH mẫu nước (nồng Ďộ các chất là 10-6
g/ml), chúng tôi Ďã tạo 3 màng có Ďộ dày khác nhau là 8,5 μm; 22μm và 30μm. Thực hiện vi chiết khảo sát thời gian Ďạt cân bằng phân bố, hằng số phân bố Ďiều kiện và giới hạn phát hiện (kết hợp với GC/FID) ở Ďiều kiện nhiệt Ďộ phòng 250
C, tốc Ďộ khuấy dung dịch là 200 vòng/phút, tốc Ďộ kéo Ďẩy pittông trung bình 30 lần/phút. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của Ďộ dày màng phủ Ďến thời gian Ďạt cân bằng phân bố và giới hạn phát hiện của phương pháp Ďược chỉ ra như ở bảng 3.3.
2.3.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu quả vi chiết các chất BTEX trong mẫu nƣớc chất BTEX trong mẫu nƣớc
Để xây dựng quy trình vi chiết cần phải tối ưu hoá các yếu tố ảnh hưởng nhằm làm tăng hiệu quả của vi chiết các chất lên màng pha tĩnh. Vi chiết trong KGH mẫu nước do các tác Ďộng thay Ďổi bên ngoài có thể làm thay Ďổi cả hai cân bằng lỏng-hơi và hơi-rắn nên các yếu tố cần Ďược khảo sát bao gồm: Tỉ lệ thể tích không gian hơi (KGH) và dung dịch, nhiệt Ďộ, pH, loại muối thêm vào dung dịch, nồng Ďộ muối, thời gian Ďạt cân bằng phân bố… Mỗi một yếu tố ảnh hưởng Ďược nghiên cứu, khảo sát Ďộc lập khi cố Ďịnh các yếu tố còn lại. Ở Ďây, hiệu quả vi chiết Ďược hiểu là lượng chất vi chiết Ďược lên màng pha tĩnh Ďược nhiều hơn, toàn bộ lượng chất vi chiết Ďược Ďưa vào