nghiên cứu phát triển quy trình phân tích các cation trong mẫu nước và ứng dụng trong quan trắc chất lượng nước mặt sử dụng hệ thiết bị điện di mao quản theo nguyên tắc bơm mẫu tuần tự

Đề tài: “Nghiên cứu phát triển quy trình phân tích các cation trong mẫu nước và ứng dụng trong quan trắc chất lượng nước mặt sử dụng hệ thiết bị điện di mao quản theo nguyên lý bơm mẫu t

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguy ễn Duy Chiến

BƠM MẪU TUẦN TỰ (SIA)

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2013

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguy ễn Duy Chiến

BƠM MẪU TUẦN TỰ (SIA)

Chuyên ngành: Hóa Phân tích

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo, GS TS Phạm Hùng Việt đã giao đề tài, nhiệt tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn, đồng thời em cũng xin chân thành cảm ơn ThS Phạm Thị Thanh Thủy là người đã trực tiếp chỉ bảo em trong quá trình sử dụng các hệ thiết biết điện di mao quản và đưa ra những giải thích đúng đắn khi em gặp khó khăn trong quá trình thực hiện luận văn

Em cũng xin chân thành cảm ơn các cán bộ trong Trung tâm Nghiên cứu Môi trường và Phát triển Bền vững – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, đặc biệt là TS Dương Hồng Anh và các anh chị em trong nhóm Điện di mao quản đã giúp đỡ em

rất nhiều trong quá trình em thực hiện luận văn và luôn động viên khi em gặp khó khăn

Em cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy cô trong Khoa Hóa học, Trường Đại

học Khoa học Tự nhiên đã cho em những kiến thức cực kì quý giá trong suốt hai năm

học qua Đó là nền tảng để em thực hiện luận văn này

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn luôn bên cạnh động viên, giúp đỡ em khi em đi học

Nguyễn Duy Chiến

MỤC LỤC

MỤC LỤC 4

DANH MỤC HÌNH 7

DANH MỤC BẢNG 9

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 10

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 - TỔNG QUAN 2

1.1 Nước và các phương pháp đánh giá chất lượng nước 2

1.1.1 Vai trò của nước đối với đời sống 2

1.1.2 Hiện trạng tài nguyên nước 2

1.1.3 Các phương pháp phân tích cation trong nước 3

1.2 Phương pháp điện di mao quản [5, 6] 6

1.2.1 Nguyên tắc tách chất trong phương pháp điện di mao quản 7

1.2.2 Độ điện di, tốc độ điện di và thời gian điện di 8

1.2.3 Hiệu ứng nhiệt Jun 9

1.2.4 Mao quản trong phương pháp điện di 10

1.2.5 Lớp điện tích kép trên thành mao quản và dòng điện di thẩm thấu trong phương pháp điện di mao quản 11

1.2.6 Độ phân giải trong phương pháp điện di mao quản 16

1.2.7 Detector thông dụng trong phương pháp điện di mao quản 17

Chương 2 - MỤC TIÊU – NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 21

2.1 Mục tiêu nghiên cứu 21

2.2 Nội dung nghiên cứu 21

2.3 Trang thiết bị - hóa chất 21

2.3.1 Trang thiết bị, dụng cụ 21

2.3.2 Hóa chất 22

2.3.3 Chuẩn bị các dung dịch chuẩn và hóa chất thí nghiệm 23

2.4 Lấy mẫu và phương pháp phân tích các mẫu đối chứng 23

2.4.1 Lấy mẫu 23

2.4.2 Phương pháp phân tích các mẫu đối chứng 24

2.5 Các thông số đánh giá phương pháp phân tích 25

2.5.1 Giới hạn phát hiện - giới hạn định lượng 25

2.5.2 Khoảng tuyến tính 25

2.5.3 Độ chính xác 25

2.5.4 Độ lặp lại 26

Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27

3.1 Khảo sát các điều kiện tối ưu các cation 27

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 dẫn không tiếp xúc kết nối kiểu tụ điện (CE-C4D) trên hệ điện di bằng tay 27

3.1.2 Khảo sát các điều kiện tối ưu phân tích đồng thời các cation: NH4+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+ trên hệ SIA-CE-C4D 34

3.1.3 Kết luận chung 47

3.2 Thẩm định phương pháp nghiên cứu 47

3.2.1 Đường chuẩn phân tích các cation 47

3.2.2 Độ lặp lại 48

3.2.3 Độ chính xác 49

3.2.4 Độ đúng 50

3.2.5 So sánh phương pháp nghiên cứu với các phương pháp tiêu chuẩn trong việc phân tích các cation: NH4+ , Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+ trong mẫu nước mặt 51

3.3 Áp dụng quan trắc chất lượng nước mặt 53

3.3.1 Biến thiên nồng độ các cation theo thời gian 53

3.3.2 So sánh kết quả phân tích với các kết quả thu được từ các phương ẩn 57

KẾT LUẬN 62

ĐỀ XUẤT CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Sơ đồ hệ thiết bị điện di mao quản 7

Hình 2 Ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt Jun đến hình dạng pic 10

Hình 3 Cấu tạo mao quản silic nóng chảy 11

Hình 4 Lớp điện tích kép trên bề mặt mao quản 12

Hình 5 Hình dạng dòng chảy trong CE và HPLC 14

Hình 6 Ảnh hưởng của dòng EOF đến tốc độ của các ion trong quá trình điện di 14

Hình 7 Sơ đồ cấu tạo detector độ dẫn không tiếp xúc kết nối theo kiểu tụ điện 19

Hình 8 Giản đồ điện khi phân tách các anion NH4+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+ sử dụng các hệ đệm khác nhau 28

Hình 9 Giản đồ điện di khi phân tách các cation NH4+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+ nồng độ 100µM sử dụng đệm His/ace có nồng độ 18-crown-6 khác nhau 30

Hình 10 Sự phụ thuộc của diện tích pic vào nồng độ 18-crown-6 31

Hình 11 Giản đồ điện phân tách đồng thời các cation cơ bản ở các nồng độ đệm khác nhau 33

Hình 12 Độ phân giải giữa các pic phụ thuộc vào nồng độ đệm 34

Hình 13 Sơ đồ biểu diễn các bước phân tích trên hệ SIA-CE-C4D 35

Hình 14 Sơ đồ biểu diễn quá trình đẩy mẫu vào mao quản 35

Hình 15 Giản đồ điện di khảo sát sự ảnh hưởng của thể tích bơm mẫu đến sự phân tách các pic; pha động điện di: histidine 12mM, 18-crown-6 2mM thêm axit axetic đến pH 4,0; tốc độ đẩy mẫu: SP 15; vị trí van chia dòng: 16/50 vòng thứ nhất; điện thế tách: -15kV 37

Hình 16 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của diện tích pic vào thể tích bơm mẫu 38

Hình 17 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ phân giải giữa các pic vào thể tích bơm mẫu 38 Hình 18 Giản đồ điện di khảo sát sự ảnh hưởng của tốc độ đẩy mẫu đến sự phân giải các pic; pha động điện di: histidine 12mM, 18-crown-6 2mM thêm axit axetic đến pH

4,0; thể tích bơm mẫu 100µL; vị trí van chia dòng: 16/50 vòng thứ nhất; điện thế tách:

-15kV 40

Hình 19 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của diện tích pic vào tốc độ đẩy mẫu 41

Hình 20 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ phân giải vào tốc độ đẩy mẫu 41

Hình 21 Cấu tạo của van chia dòng 42

Hình 22 Giản đồ điện di khảo sát ảnh hưởng của vị trí van chia dòng đến sự phân tách các pic; pha động điện di: histidine 12mM, 18-crown-6 2mM thêm axit axetic đến pH 4,0; thể tích bơm mẫu 100µL; tốc độ đẩy mẫu: SP 16; điện thế tách: -15kV 43

Hình 23 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của diện tích pic vào vị trí van chia dòng 44 Hình 24 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ phân giải giữa các pic vào vị trí van chia dòng 44

Hình 25 Giản đồ điện di khảo sát sự ảnh hưởng của điện thế tách đên sự phân tách các pic; pha động điện di: histidine 12mM, 18-crown-6 2mM thêm axit axetic đến pH 4,0; thể tích bơm mẫu 100µL; tốc độ đẩy mẫu: SP 16 vị trí van chia dòng: 22/50 vòng thứ nhất 45

Hình 26 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của diện tích pic vào điện thế tách 46

Hình 27 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuôc của độ phân giải giữa các pic vào điện thế tách 46

Hình 28 Giản đồ điện di quan trắc các cation trong một số mẫu nước mặt 54

Hình 29 Sự biến đổi nồng độ của các cation trong nước theo thời gian 56

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Các cơ chế tách khác nhau trong CE 7

Bảng 2 Một số phương pháp điều chỉnh EOF 15

Bảng 3 Nồng độ các dung dịch đệm khảo sát 32

Bảng 4 Mã tốc độ đẩy mẫu (SP) của bơm Teacan 39

Bảng 5 Đường chuẩn phân tích các cation 47

Bảng 6 Đánh giá độ lặp lại 48

Bảng 7 Độ chụm thực hiện với mẫu HN1 49

Bảng 8 Hiệu suất thu hồi của các cation 50

Bảng 9 Các kết quả phân tích nồng độ các cation trong một số mẫu nước mặt bằng phương pháp SIA-CE-C4D và các phương pháp tiêu chuẩn 52

Bảng 10 Giá trị t tính khi so sánh kết quả phân tích các cation trong nước bằng phương pháp SIA-CE-C4D và phương pháp tiêu chuẩn 53

Bảng 11 Nồng độ các cation trong các mẫu so sánh giữa phương pháp SIA-CE-C4D với phương pháp AAS, AES và phương pháp UV-Vis 59

Bảng 12 Nồng độ các cation trong các mẫu so sánh giữa phương pháp SIA-CE-C4D với phương pháp AAS, AES và phương pháp UV-Vis 60

Bảng 13 Giá trị t tính khi so sánh kết quả phân tích các cation trong nước bằng phương pháp SIA-CE-C4D và phương pháp tiêu chuẩn 61

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AAS: Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử

AES Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử

ICP Plasma cao tần cảm ứng

SIA Bơm mẫu tuần tự tự động

C4D: Detector độ dẫn không tiếp xúc kết nối kiểu tụ điên

(capatively coupled contactless conductivity detection) CE: Điện di mao quản (capillary electrophoresis)

CV: Hệ số biến thiên (coefficient variation)

CZE: Điện di mao quản vùng (capillary electrophoresis zone) EOF: Dòng điện di thẩm thấu (electroosmotic flow)

HIS: Histidine

TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam

LOD: Giới hạn phát hiện (limits of detection)

LOQ: Giới hạn định lượng (limits of quantity)

MES: Axit 2-(N-morpholino)ethanesulfonic

MOSP: Axit 3-(N-morpholino)propanesulfonic

RSD: Độ lệch chuẩn tương đối (relative standard deviation) SD: Độ lệch chuẩn (Standard deviation)

HPLC Sắc kí lỏng hiệu năng cao

MỞ ĐẦU

Ô nhiễm nước trong những năm gần đây là một vấn đề đang nhận được nhiều

sự quan tâm của các nhà khoa học ở Việt Nam và thế giới Các kết quả điều tra cho

thấy, thực trạng ô nhiễm nước ở nước ta rất đáng báo động, đặc biệt ở những lưu vực sông gần các thành phố lớn như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh Trong khi đó, hầu

hết người dân vẫn sinh hoạt và sản xuất dựa trên những nguồn nước này Điều này làm ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và chất lượng cuộc sống của mỗi người dân

Do vậy, những đánh giá liên tục, kịp thời về mức độ ô nhiễm của các lưu vực sông là

thật sự cần thiết để từ đó đưa ra các giải pháp khắc phục, xử lý Do đó, phát triển các phương pháp phân tích mới cho phép đánh giá chất lượng nước nhanh và hiệu quả đang và sẽ tiếp tục được nghiên cứu

Đề tài: “Nghiên cứu phát triển quy trình phân tích các cation trong mẫu nước

và ứng dụng trong quan trắc chất lượng nước mặt sử dụng hệ thiết bị điện di mao

quản theo nguyên lý bơm mẫu tuần tự (SIA)” được thực hiện để đáp ứng nhu cầu trên Sau khi quy trình phân tích các cation trong mẫu nước được tối ưu hóa, hệ thiết

bị điện di mao quản theo nguyên lý bơm mẫu tuần tự sử dụng detector độ dẫn không

tiếp xúc kết nối kiểu tụ điện được đem đi quan trắc tại trạm quan trắc cầu Đọ Xá, thành phố Phủ Lý, tỉnh Hà Nam Kết quả của nghiên cứu đã cho thấy khả năng áp

dụng của phương pháp trong phân tích chất lượng nước theo các Quy chuẩn Kỹ thuật

Quốc gia chứng minh khả năng ứng dụng của phương pháp trong việc đánh giá chất lượng nước ở Việt Nam

Chương 1 - TỔNG QUAN 1.1 Nước và các phương pháp đánh giá chất lượng nước

1.1.1 Vai trò c ủa nước đối với đời sống

Nước ngọt được đánh giá: “Như dòng máu nuôi cơ thể con người, dưới một danh từ là máu sinh học của trái đất, do vậy nước quý hơn vàng” (Pire Fruhling)

Nước là một hợp chất liên quan trực tiếp và rộng rãi đến sự sống trên Trái Đất,

là cơ sở của sự sống đối với mọi sinh vật Đối với thế giới vô sinh, nước là một thành

phần tham gia rộng rãi vào các phản ứng hóa học, là một dung môi và là môi trường cung cấp các điều kiện để thúc đẩy hay kìm hãm các quá trình hóa học

Đối với con người, nước rất cần thiết cho hoạt động sống Con người có thể không ăn trong nhiều ngày mà vẫn sống nhưng sẽ chết chỉ sau ít ngày nhịn khát, vì

cơ thể người có khoảng 65 ÷ 68% nước, nếu mất 12% nước cơ thể có thể bị hôn mê

hoặc chết [2]

Nhu cầu nước cho sản xuất công nghiệp và nhất là nông nghiệp rất lớn Để khai thác một tấn dầu mỏ cần 10m3nước, muốn tạo ra một nhà máy nhiệt điện hiện đại 1 triệu kW cần tới 1,2 ÷ 1,6 tỉ m3nước trong một năm [2]

Tuy nước có vai trò quan trọng không thể thiếu được cho sự sống tồn tại trên trái đất, là máu sinh học của Trái Đất nhưng nước khi không đảm bảo chất lượng cũng là nguồn gây tử vong cho con người Vì vậy, chúng ta cần có những biện pháp

để bảo vệ và sử dụng hợp lý tài nguyên nước

1.1.2 Hi ện trạng tài nguyên nước

Trái Đất có khoảng 361 triệu km2 diện tích các đại dương Trữ lượng tài nguyên nước có khoảng 1,5 tỉ km3, trong đó nước nội địa chiếm 91 triệu km3 (6,1%), còn 93,9% là nước biển và đại dương Tài nguyên nước ngọt chiếm 28,25 triệu km3

(1,88% thủy quyển) nhưng phần lớn ở dạng đóng băng ở hai cực Trái Đất Lượng nước thực tế con người có thể sử dụng được là 4,2 triệu km3 (0,28% thủy quyển) [2]

Tuy nhiên, do tác động của sự bùng nổ dân số và phát triển kinh tế kém bền

vững đã làm cho tài nguyên nước ngày càng suy thoái Đối với một nước đang phát triển như Việt Nam thì thực trạng này càng trở nên đáng báo động Một số lưu vực sông như sông Nhuệ, sông Đáy, sông Cầu ở Hà Nội, sông Đồng Nai, sông Sài Gòn ở Thành phố Hồ Chí Minh đang bị ô nhiễm nặng do chất thải nước sinh hoạt và chất

thải của các khu công nghiệp [3]

1.1.3 Các phương pháp phân tích cation trong nước

Nồng độ các cation trong nước là một trong các tiêu chí quan trọng đánh giá

chất lượng nước Sau đây là một số phương pháp phân tích các cation trong nước

1.1.3.1 Các phương pháp xác định riêng rẽ các cation trong nước [28]

Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis

Nguyên tắc của phương pháp là dựa trên sự tạo phức màu của chất phân tích với thuốc thử nhất định Đo sự hấp thụ ánh sáng của phức thu được tại λ maxtừ đó tính được nồng độ của chất phân tích có trong mẫu Phương pháp quang phổ hấp thụ phân

tử UV-vis có khả năng phân tích được nhiều cation trong nước, trong đó có cation amoni đến nay phương pháp vẫn tỏ ra ưu việt Để phân tích amoni có nhiều thuốc thử

có thể tạo thành phức màu: thuốc thử Nessler, xanh indophenol Trong đó, thuốc thử xanh indophenol và nitroferricianide tạo thành hỗn hợp phức có màu xanh với cation amoni có cực đại hấp thụ ở 630nm với giới hạn phát hiện là: 0,002mg_N/L Tuy nhiên, quá trình tạo phức đôi khi mất khá nhiều thời gian, tiêu tốn nhiều hóa chất

Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS

Nguyên tắc của phương pháp: các chất phân tích sau khi nguyên tử hóa được kích thích bởi một năng lượng thích hợp (ánh sáng đơn sắc) sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn và sinh ra phổ hấp thụ nguyên tử Phương pháp này thích hợp cho việc phân tích các cation Mg2+, Ca2+, Ba2+ hấp thụ bước sóng cực đại lần lượt là: 285,3; 422,7; 553,6nm với giới hạn phát hiện rất tốt: ≤ 0,03mg/L Phương pháp này cho độ chính xác cao, độ lặp lại tốt, tuy nhiên hạn chế là: hệ thiết bị đắt tiền, cồng kềnh, chi phí cho mỗi lần phân tích lớn, ngoài ra hệ thiết bị chỉ có khả năng phân tích trong phòng thí nghiệm

Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử AES

Nguyên tắc của phương pháp: các chất phân tích sau khi nguyên tử hóa được kích thích bởi một năng lượng thích hợp (ánh sáng đơn sắc) sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn, sau đó phát ra các tia xạ, từ đó sinh ra phổ phát xạ nguyên tử Phương pháp này thích hợp cho việc phân tích các cation Na+, K+trong nước Các cation này sau khi nguyên tử hóa sẽ hấp thụ năng lượng thích hợp và phát ra các tia phát xạ có bước sóng cực đại lần lượt là: 589; 766,6nm với giới hạn phát hiện 0,002mg/L Tuy nhiên, phương pháp này cũng có hạn chế đó là: hệ thiết bị đắt tiền, cồng kềnh, chi phí cho mỗi lần phân tích lớn, ngoài ra hệ thiết bị chỉ có khả năng phân tích trong phòng thí nghiệm

Tóm lại các phương pháp phân tích trên cho độ chính xác cao, độ lặp lại tốt, tuy nhiên có hạn chế là không có khả năng phân tích được nhiều chỉ tiêu trong nước, do

đó, để đánh giá được một mẫu nước thì cần phân tích nhiều chỉ tiêu riêng rẽ, tiêu tốn nhiều thời gian, hóa chất, chi phí mới thu được kết quả cuối cùng Do vậy cần có

những phương pháp mới có khả năng phân tích được nhiều chỉ tiêu cùng một lúc để thu được hiệu quả kinh tế cao

1.1.3.2 Các phương pháp phân tích đồng thời các cation trong nước

Phương pháp sắc khí trao đổi ion:

Phương pháp săc kí trao đổi ion đang là một hướng nghiên cứu mới mở ra khả năng phân tích được nhiều chỉ tiêu cation trong nước trong một lần phân tích [9, 13, 15] với giới hạn phát hiện ≤ 0,02mg/L với các cation NH4+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+ [19] Tuy nhiên phương pháp có hạn chế đó là khoảng tuyến tính hẹp, khoảng phân tích

phụ thuộc vào cột tách đặc biệt, hệ thiết bị đắt tiền, dùng các dung môi hữu cơ độc

hại

Phương pháp điện di mao quản:

Phương pháp điện di mao quản trong những năm gần đây đã trở thành một kỹ thuật tách quan trọng trong nhiều lĩnh vực phân tích [25] Trong đó phân tích các cation trong mẫu nước nói chung và các mẫu nước mặt nói riêng nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà hóa học và môi trường Nguyên tắc hoạt động đơn giản: dựa trên một nguồn cao thế áp vào hai đầu mao quản, do đó không cần bơm cao áp trong quá trình hoạt động, cột tách đơn giản, rẻ hơn nhiều so với cột tách của thiết bị IC, có

thể phân tích đồng thời cả cation và anion mà không cần thay cột [16], tiêu tốn ít hóa

chất Do đó chi phí cho mỗi lần phần tích giảm đi đáng kể

Các nghiên cứu bằng phương pháp điện di mao quản sử dụng detector UV-Vis

trực tiếp hoặc hoặc gián tiếp đã được nghiên cứu và phát triển để phân tích các cation trong nước [24, 26] Tuy nhiên, phương pháp này tương đối hạn chế về đối tượng phân tích cũng như giới hạn phát hiện do việc sử dụng mao quản có đường kính trong

nhỏ gây khó khăn trong vấn đề chế tạo tế bào dòng chảy và mao quản dễ vỡ khi bỏ

lớp polyme phía ngoài

Sự kết hợp của phương pháp CE với các phương pháp xác định tiên tiến như quang phổ phát xạ (ICP OES) và phổ khối (ICP MS) cho phép phân tích lượng vết

một số cation trong mẫu máu thu được giới hạn phát hiện rất nhỏ cỡ µg/L [10, 17] Tuy nhiên các phương pháp này chỉ thích hợp cho việc phân tích trong phòng thí nghiệm vì điều kiện bảo quản thiết bị nghiêm ngặt, mặt khác thiết bị khá cồng kềnh

và chi phí đầu tư ban đầu cao

Phương pháp CE rất thích hợp với mục đích phân tích hiện trường và có thể đặt ở những vị trí có diện tích không lớn lắm vì hệ thiết hệ thiết bị tương đối nhỏ gọn, tiêu tốn ít hóa chất Mặt khác hệ thiết bị có khả năng được tiếp tục thu nhỏ và tự động hóa do không cần bơm cao áp như một số phương pháp khác

Vấn đề là để thu nhỏ được hệ thiết bị thì phải đồng bộ hóa các bộ phận cấu

tạo, trong đó bộ phận khó nhất là detector Đối với detector UV thì điều này là không

thể do cấu tạo của detector UV khá phức tạp, một số bộ phận không thể thu nhỏ đươc

Với ICP OES hay ICP MS là không thể thu nhỏ do các thiết bị này quá cồng kềnh

Trong những năm gần đây, detector độ dẫn, trong đó nổi bật là detector độ dẫn không tiếp xúc kết nối kiểu tụ điện (C4D) đang là một hướng nghiên cứu rất có tiềm năng và triển vọng trong việc thu nhỏ hệ thiết bị phục vụ mục đích phân tích hiện trường và quan trắc liên tục [18, 21] Mặt khác, nguyên tắc hoạt động của detector này dựa trên sự dẫn điện của các chất phân tích, vì vậy, C4D có phổ phân tích rộng, đặc biệt thích hợp với các đối tượng là ion Không những thế detector C4D có độ nhạy

rất cao trong phương pháp CE Loại detector này chế tạo rất đơn giản, dễ dàng làm

chủ công nghệ, khi phân tích không làm bẩn điện cực do đó detector này rất thích hợp

với mao quản trong phương pháp CE

1.2 Phương pháp điện di mao quản [5, 6]

Điện di mao quản là một phương pháp tách chất dựa trên cơ sở di chuyển khác nhau của các phần tử chất (chủ yếu là các phần tử tích điện) trong dung dịch đệm dưới tác dụng của điện trường E nhất định, do thế V đặt vào hai đầu mao quản sinh

ra Phương pháp tách này được nghiên cứu và phát triển đầu tiên bởi Tiselius (1937), trên cơ sở nghiên cứu tách và phân tích các hỗn hợp protein, amin, amino axit bằng

kỹ thuật CE thế thấp (110 - 220V), ngày nay được gọi là điện di cổ điển Sau gần 10 năm, với kết quả nghiên cứu và đề xuất ra kỹ thuật tách này Tiselius đã được nhận giải thưởng Nobel (1948) Phương pháp này ngày càng được phát triển và ứng dụng

trong nhiều ngành khoa học, đặc biệt trong các lĩnh vực y hoc, sinh học, địa chất và môi trường [6]

1.2.1 Nguyên t ắc tách chất trong phương pháp điện di mao quản

Hình 1 Sơ đồ hệ thiết bị điện di mao quản

Tách chất trong điện di mao quản dựa trên nguyên tắc chung của điện di là sự khác nhau về độ linh động của các thành phần Các phương pháp điện di mao quản khác nhau được kể đến trong bảng 1

B ảng 1 Các cơ chế tách khác nhau trong CE

Ki ểu CE Ký hi ệu Cơ sở của sự tách CE và các đặc

Điện di mao quản gel Gel-CE Theo kích thước và điện tích chất tan Điện di hội tụ đẳng điện mao

Tính chất điểm đẳng điện tích của vùng mẫu

Điện di đẳng tốc mao quản CITEC Tính chất đẳng tốc độ nhất thời

Trong các kiểu CE trên thì CZE là cơ chế tách chất đơn giản nhất, thường được

sử dụng nhất, đặc biệt thích hợp cho việc phân tích các ion

1.2.2 Độ điện di, tốc độ điện di và thời gian điện di

Trong điện di, tốc độ di chuyển của các hạt tích điện (v) tỉ lệ thuận với cường

độ điện trường E:

Trong đó: vi: tốc độ di chuyển của ion

μi: độ linh động điện di E: cường độ điện trường V: hiệu điện thế áp vào hai đầu mao quản L: chiều dài mao quản

Trong quá trình điện di, phần tử mang điện chịu tác dụng của hai lực: lực tác

dụng của điện trường ngoài (fe) và lực ma sát của phần tử tích điện với thành mao

Như vậy, độ linh động điện di tỉ lệ thuận với điện tích của phần tử tích điện, tỉ

lệ nghịch với độ nhớt của dung dịch pha động điện di và độ lớn (bán kính hydrat r)

của phần tử tích điện Ngoài ra, độ linh động điện di còn phụ thuộc vào nhiệt độ và dòng EOF

1.2.3 Hi ệu ứng nhiệt Jun

Trong kĩ thuật CE, một điện áp cao được áp vào hai đầu mao quản trong suốt quá trình phân tích đã tạo ra hiệu ứng nhiệt (định luật Jun - Lenxơ) Lượng nhiệt phát

ra được tính theo công thức 1.6:

Trong đó: H: lượng nhiệt tỏa ra

V: hiệu điện thế áp vào hai đầu mao quản I: cường độ dòng chạy qua mao quản t: thời gian phân tích

Do sự khuếch tán nhiệt không đều, lớp dung dịch sát thành mao quản khuếch tán nhiệt tốt hơn lớp phía trong gây ra sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai lớp Do đó, trong mao quản xảy ra sự di chuyển khác nhau giữa hai lớp dung dịch, lớp phía trong

có nhiệt độ cao hơn, di chuyển nhanh hơn sinh ra dòng chảy hình parabol và làm giãn

chân pic (giảm độ phân giải giữa các pic) Quá trình này có thể được minh họa bằng hình vẽ sau:

Hình 2 Ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt Jun đến hình dạng pic

Như vậy, để giảm ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt Jun đến quá trình phân tích,

ta nên sử dụng mao quản có đường kính nhỏ, pha động điện di có độ dẫn thấp, hiệu điện thế áp vào hai đầu mao quản thích hợp đủ để tách các chất phân tích ra khỏi nhau

và trong hệ điên di nên tích hợp bộ phận điều nhiệt

1.2.4 Mao qu ản trong phương pháp điện di

Mao quản chính là cột tách, một bộ phận quan trọng trong điện di mao quản Đây là một trong các yếu tố chính quyết định sự điện di của hỗn hợp chất mẫu Vật

liệu chế tạo mao quản thường là silica Trong một số trường hợp, người ta có thể dùng

quản quản teflon, mảo quản polyme khi mà mao quản silica không phù hợp Mao

quản trong kỹ thuật CE thường có đường kính trong nằm trong khoảng 25 ÷ 100 μm

Việc lựa chọn đường kính trong của mao quản trong phân tích phụ thuộc vào nhiều

yếu tố, trong đó yếu tố quan trọng nhất là detector sử dụng Với detector UV-Vis nên

sử dụng mao quản có đường kính trong tối thiểu là 75 μm để khắc phục hạn chế về

độ nhạy của detector quang Với detector điện hóa có thể sử dụng những mao quản

hẹp hơn (đường kính trong 25 hoặc 50 μm) Nói chung, các mao quản có đường kính

trong càng hẹp càng thuận lợi cho việc phân tán nhiệt Jun sinh ra do nguồn cao áp đồng thời làm cho hiệu suất phân giải giữa các tín hiệu phân tích trên điện di đồ tốt hơn Hình vẽ sau đây minh họa cấu tạo của mao quản silic thường dùng trong CE

Hình 3 C ấu tạo mao quản silic nóng chảy

1.2.5 L ớp điện tích kép trên thành mao quản và dòng điện di thẩm thấu trong phương pháp điện di mao quản

Trên bề mặt mao quản silic chứa các nhóm silanol (Si-OH) có khả năng bị deproton theo phương trình:

Khi các nhóm silanol bị deproton, lớp sát bề mặt mao quản tích điện âm liên

kết chặt chẽ với thành mao quản gọi là lớp ion cửa Theo lực hút tĩnh điện, các ion

cửa hút các cation trong dung dịch về phía mình tạo thành lớp mang điện tích dương

Lớp này có thể di chuyển gọi là lớp khuếch tán Do hai lớp ion cửa và lớp khuếch tán tích điện trái dấu, do đó giữa hai lớp luôn tồn tại một giá trị thế ζ

Hình 4 L ớp điện tích kép trên bề mặt mao quản

Sự hình thành, tồn tại và độ lớn của thế ζ phụ thuộc vào lực ion, pH, thành

phần pha động điện di và cấu tạo bề mặt mao quản Độ lớn của thế ζ được xác định

gần đúng theo công thức:

Trong đó: ε: hằng số điện môi của pha động điện di

q: tổng điện tích dung dịch theo 1 đơn vị thể tích

RD: bán kính hydrat của ion (bán kính Debye) Bán kính hydrat của ion được tính theo biểu thức sau:

Trong đó: e: điện tích của proton

k: hằng số Bolzơman T: nhiệt độ Kenvil Ii: lực ion của pha động điện di

Từ công thức 1.7 và 1.8ta thấy khi nồng độ dung dịch pha động điện di tăng,

lực ion tăng, giá trị RD giảm, nghĩa là thế ζ giảm Vì vậy để duy trì giá trị thế ζ ổn định, các yếu tố pH, nồng độ của của pha động điện di cần được giữ ổn định

Trong quá trình điện di, một điện trường lớn được đặt vào hai đầu mao quản, khi đó lớp khuếch tán di chuyển từ cực dương đến cực âm dưới tác dụng của điện trường Sự di chuyển của các cation lớp khuếch tán cùng với lớp vỏ hidrat hóa tạo thành một dòng chảy khối trong lòng mao quản Dòng này được gọi là dòng điện di

thẩm thấu (EOF)

Độ lớn của dòng EOF tỉ lệ thuận với lực điện trường E do thế V đặt vào hai đầu mao quản, độ lớn của thế ζ, hằng số điện môi và tỉ lệ nghịch với độ nhớt của pha động điện di theo biểu thức sau:

quản Chỉ có một sự khác rất nhỏ về tốc độ ở vùng sát thành mao quản, nếu không có

sự nén đẩy dung dịch trong ống mao quản bằng áp suất Trong điều kiện này, trong ống mao quản chỉ có tồn tại dòng EOF là chính Vì thế sự di chuyển của vùng chất

mẫu là đồng đều và tốt theo tiết diện mao quản Khi chỉ có dòng EOF này là chính, thì sự phân tán của vùng mẫu là nhỏ nhất và như thế chúng ta thu được pic của sự tách các chất là gọn và sắc nét nhất, hiệu quả tách cao (số Nefcao) Đây cũng chính

là ưu điểm của phương pháp CE so với phương pháp HPLC

Hình 5 Hình d ạng dòng chảy trong CE và HPLC

Nhưng vì các ion đều nằm trong dòng EOF, do đó độ điện di của nó phải là

tổng đại số (toàn phần) của cả hai, tức là giá trị µtot:

tốc độ với dòng EOF

Do vậy để có được hiệu quả tách cao, cần tìm được dòng EOF có cường độ phù hợp với chất phân tích, có nghĩa là phải tối ưu hóa các điều kiện của quá trình điện di Sau đây là một số phương pháp khống chế dòng EOF:

B ảng 2 Một số phương pháp điều chỉnh EOF

Cách th ức thay đổi K ết quả Nh ận xét chung

Điện trường E ( điện

− Lực ion lớn, tạo ra dòng điện cao và có hiệu ứng nhiệt Jun lớn

− Lực ion thấp xảy ra sự hấp

phụ chất mẫu

− Độ nét của pic bị ảnh hưởng

nếu độ dẫn của mẫu khác của đệm

Dùng chất phụ gia,

dung môi hữu cơ

Thay đổi thế ζ, độ nhớt nhưng EOF cũng bị

− Chất hoạt động bề mặt là cation làm giảm EOF, có thể dẫn đến đảo chiều

− Chất hoạt động bề mặt là anion làm tăng EOF

− Có nhiều cách thay đổi như:

biến tính bề mặt mao quản: dựa

vào tính ưa nước, tích điện

− Làm bền bề mặt mao quản

1.2.6 Độ phân giải trong phương pháp điện di mao quản

Độ phân giải là một đại lượng đặc trưng quan trọng của các kĩ thuật tách hay các phương pháp tách chất nói chung Trong điện di mao quản, độ phân giải R của hai chất i và j liền nhau (hai pic cạnh nhau) được tính theo công thức sau:

wi và wj là độ rộng đáy của hai píc chất i và j ( tính theo giây

hoặc phút)

σ độ lệch chuẩn Quá trình được coi là tách hoàn toàn nếu R ≥ 1,5 [11]

1.2.7 Detector thông d ụng trong phương pháp điện di mao quản

1.2.7.1 Nguyên t ắc 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:

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 S ự phát hiện chất trong phương pháp điện di mao quản

Sự phát hiện các chất trong quá trình tách điện di có thể được thực hiện bằng cách phát hiện trực tiếp hoặc gián tiếp [22, 30], tùy thuộc vào bản chất của chất phân tích và khả năng 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 khả năng ứng dụng trong phân tích hiện trường

Các detector điện hóa bao gồm cả đo dòng, đo thế và 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 bỏ được những hạn chế nhất định của detector độ dẫn tiếp xúc

1.2.7.3 Nguyên t ắc hoạt động của detector C 4 D

Hình 7 Sơ đồ cấu tạo detector độ dẫn không tiếp xúc kết nối theo kiểu tụ điện

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 độ dòng 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 sẽ đống vai trò như một tụ điện Khoảng dung dịch nằm giữa hai điện cực sẽ đóng vai trò như

một điện trở Việc xác định giá trị điện trở này sẽ cho ta thông tin về độ 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 ở trên 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 tụ điện C0 tạo

trực tiếp bởi hai điện cực Sơ đồ kết nối của cảm biến đo độ dẫn không tiếp xúc trên

thực tế được mô tả như hình 7.B

Để loại bỏ ảnh hưởng của tụ điện 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 từ cường 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 M ục 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 bị điện di mao quản theo nguyên

lý bơm mẫu tuần tự sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc kiểu kết nối tụ điện

2.2 N ội dung nghiên cứu

Để đạt 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 thi ết bị - hóa chất

2.3.1 Trang thi ết 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 ch ất

• Muối NaCl, pa, Merck

• Muối KCl, pa, Fluka

• Muối NH4Cl, pa, Fluka

• Muối MgCl2.6H2O, pa, Merck

• Muối CaCl 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 Chu ẩn 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 giữ được 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 L ấy mẫu và phương pháp phân tích các mẫu đối chứng

2.4.1 L ấy 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 tả ở 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 s ố đánh giá phương pháp phân tích

2.5.1 Gi ới 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:

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 thể định lượng được và được xác định bằng công thức:

2.5.2 Kho ảng 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 số tương quan R đủ lớn hơn 0,99) Khi đó khoảng tuyến tính được định nghĩa là từ LOQ đến LOL

Độ đúng là độ gần nhau giữa các kết quả xác định được (giá trị trung bình) và giá trị thực µ của nó Để xác định độ đúng 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 Kh ảo sát các điều kiện tối ưu các cation

3.1.1 Kh ảo sát các điều kiện tối ưu phân tích đồng thời các cation: NH4+, Na+,

K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+ b ằng phương pháp điện di mao quản sử dụng detector độ

d ẫn không tiếp xúc kết nối kiểu tụ điện (CE-C4D) trên h ệ điện di bằng tay

3.1.1.1 Kh ảo 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

sự tương 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 độ 12mM 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+

• Hệ đệm 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+

• Hệ đệm Tris/Mops pH 7,7; độ dẫn EC = 1571μS/cm: Tris và Mops được pha ở cùng nồng độ 50mM CTAB được thêm vào để điều 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 Tris/Mops có khả năng phân tách tốt cả 6 cation Tuy nhiên, hệ đệm His/Ace cho hình ảnh tín hiệu pic sắc nét và chiều cao pic lớn hơn so với đệm Tris/Mops, điều này có

thể lý giải do độ dẫn của đệm His/Ace nhỏ hơn nhiều so với đệm Tris/Mops mà chiều cao pic ảnh hưởng đến giới hạn phát hiện Do đó, đệm His/Ace được dùng để tiếp tục đánh giá

Hình 8 Gi ản đồ điện khi phân tách các anion NH4+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+

s ử dụng các hệ đệm khác nhau

Thời gian lưu (s)

3.1.1.2 Kh ảo sát lựa chọn sát lựa chọn nồng độ 18-crown-6

Hai cation NH4+ và K+ có bán kính ion bằng nhau dẫn tới tỉ số z/m bằng nhau

Vì vậy hai cation này di chuyển với tốc độ như nhau nên không tách ra khỏi nhau

Một khó khăn trong việc tách hai cation này là cả hai cation đều không có khả năng

tạo phức cho nhận do không chứa các obitan d trống Do vậy đối với các phối tử tạo

phức thông thường ít có khả năng tách hai cation này Nhiều tác giả đã chỉ ra rằng

việc sử dụng một số ete vòng có khả năng tạo phức với các cation kim loại làm cho kích thước của các ion phức khác nhau [12, 14, 20, 23] Do đó, trong quá trình điện

di chúng sẽ tách ra khỏi nhau Trong nghiên cứu này, 18-crown-6 được lựa chọn làm

phối tử tạo phức để tách cation K+ [8, 20] Nồng độ 18-crown-6 có ảnh hưởng tới sự hình thành phức, do đó nồng độ 18-crown-6 trong pha động điện di là yếu tố tiếp theo

cần được khảo sát

Trong khảo sát này, dung dịch đệm Histidine 12mM, giữ ổn định pH = 4,0

bằng axit axetic và thay đổi nồng độ 18 crown 6 trong dung dịch pha động điện di từ 0,0mM ÷ 3,0mM

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: 70cm, chiều dài hiệu dụng: 63cm

Kết quả khảo sát được thể hiện ở hình 9: