Nghiên cứu phát triển phương pháp vi chiết kết hợp với sắc kí khí phân tích hợp chất hữu cơ bay hơi

TLHS: Không gian hơi lớp mỏng Thin-layer headspace US-EPA: Tổ chức bảo vệ môi trường Hoa kỳ United States Environmental Protection Agency VOCs: Hợp chất hữu cơ bay hơi Volatile Organic C

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

- -

TRẦN MẠNH TRÍ

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP VI CHIẾT KẾT HỢP VỚI SẮC KÍ KHÍ PHÂN TÍCH HỢP CHẤT

HỮU CƠ BAY HƠI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC

HÀ NỘI-2010

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

- -

TRẦN MẠNH TRÍ

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP VI CHIẾT KẾT HỢP VỚI SẮC KÍ KHÍ PHÂN TÍCH HỢP CHẤT

HỮU CƠ BAY HƠI

Chuyên ngành: Hoá hữu cơ

Mã số:62 44 27 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC

Người hướng dẫn khoa học:

GS-TSKH: NGUYỄN ĐỨC HUỆ PGS-TS: TRẦN THỊ NHƯ MAI

HÀ NỘI-2010

DANH MỤC NHỮNG KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DÙNG

TRONG LUẬN ÁN

ASTM: American Society for Testing and Material

BTNMT: Bộ tài nguyên môi trường

BTEX: Benzene, Toluene, Ethylbenzene, Xylene (m-Xylene)

BYT: Bộ y tế

CI: Ion hoá hóa học (Chemical Ionization)

CLSA: Phân tích loại bỏ theo chu trình kín (Closed Loop Stripping

HS: Không gian hơi (Headspace)

HS-SPME: Vi chiết pha rắn không gian hơi (Headspace Solid-Phase

Microextraction)

KGH: Không gian hơi

LOD(s): Giới hạn phát hiện (Limit(s) of Detection)

LOQ: Giới hạn Ďịnh lượng (Limit of Quantitative)

LPE: Chiết pha lỏng (Liquid Phase Extraction)

LPME: Vi chiết pha lỏng (Liquid Phase Microextraction)

MIMS: Màng lồng ghép khối phổ (Membrane Inlet Mass Spectrometry) NCI: Ion hoá hoá học âm (Negative Chemical Ionization)

PT2: Bis (2-etylhexyl) sebasat

PT3: Đietilenglycol succinat polieste

PT4: PoliĎimetylsiloxan

PT5: Polimetylphenylsiloxan

PT6: PolimetylhiĎroxylsiloxan

QCVN: Quy chuẩn Việt Nam

SDE: Chiết Ďơn giọt (Single drop extraction)

SEM: Kính hiển vi Ďiện tử quét (Scan Electron Microscopy)

SHS: Không gian hơi tĩnh (Static headspace)

SPDME: Vi chiết pha rắn Ďộng (Solid Phase Dynamic Microextraction) SPE: Chiết pha rắn (Solid Phase Extraction)

SPE-DI: Chiết pha rắn bơm trực tiếp (Solid Phase Extraction Direct

Injection)

SPME: Vi chiết pha rắn (Solid Phase Microextraction)

S-LPME: Vi chiết pha lỏng tĩnh (Static Liquid Phase Microextraction) TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam

TLHS: Không gian hơi lớp mỏng (Thin-layer headspace)

US-EPA: Tổ chức bảo vệ môi trường Hoa kỳ (United States Environmental Protection Agency)

VOCs: Hợp chất hữu cơ bay hơi (Volatile Organic Compounds)

DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN ÁN

Bảng 1.1: Công thức và một số tính chất của các chất nhóm BTEX

Bảng 1.2: Quy chuẩn Việt Nam về chất lượng nước ăn uống với các chất nhóm BTEX

Bảng 1.3: Quy chuẩn Việt Nam về phát thải của các chất nhóm BTEX

Bảng 1.4: Quy chuẩn Việt Nam cho phép của các chất nhóm BTEX trong không khí xung quanh

Bảng 1.5: Quy chuẩn Việt Nam cho phép của các chất nhóm BTEX trong khí thải công nghiệp

Bảng 1.6: Công thức và một số tính chất vật lí của các chất nhóm cơ clo mạch ngắn

Bảng 1.7: Quy chuẩn Việt Nam về chất lượng nước ăn uống với các chất nhóm cơ clo mạch ngắn

Bảng 1.8: Quy chuẩn Việt Nam về phát thải của các chất nhóm cơ clo mạch ngắn

Bảng 1.9: Quy chuẩn Việt Nam cho phép của các chất nhóm cơ clo mạch ngắn trong không khí xung quanh

Bảng 1.10: Quy chuẩn Việt Nam cho phép của các chất nhóm cơ clo mạch ngắn trong khí thải công nghiệp

-

-Bảng 2.1: Kết quả xây dựng Ďường chuẩn dùng bơm tiêm Hamilton cho các chất nhóm BTEX

Bảng 2.2: Khảo sát ảnh hưởng của pha tĩnh Ďến hiệu quả vi chiết các chất nhóm BTEX

Bảng 2.3: Khảo sát thời gian thời gian Ďạt cân bằng phân bố khi vi chiết các chất nhóm BTEX trong KGH mẫu nước

Bảng 2.4: Ảnh hưởng tỉ lệ thể tích KGH/thể tích mẫu khi vi chiết Ďến hiệu quả vi chiết các chất nhóm BTEX trong KGH mẫu nước

Bảng 2.5: Ảnh hưởng của tốc Ďộ khuấy dung dịch Ďến khả hiệu quả vi chiết các chất nhóm BTEX trong KGH mẫu nước

Bảng 2.6: Ảnh hưởng của muối Ďến hiệu quả vi chiết các chất nhóm BTEX trong KGH mẫu nước

Bảng 2.7: Ảnh hưởng của nồng Ďộ muối thêm vào dung dịch Ďến hiệu quả vi chiết các chất nhóm BTEX trong KGH mẫu nước

Bảng 2.8: Ảnh hưởng của nhiệt Ďộ Ďến hiệu quả vi chiết các chất nhóm BTEX trong KGH mẫu nước

Bảng 2.9: Ảnh hưởng của pH Ďến hiệu quả vi chiết các chất nhóm BTEX trong KGH mẫu nước

Bảng 2.10: Kết quả xây dựng Ďường chuẩn phân bố khi vi chiết các chất nhóm BTEX trong KGH mẫu nước

Bảng 2.11: Khảo sát thời gian Ďạt cân bằng phân bố khi vi chiết các chất nhóm BTEX trong mẫu khí

Bảng 2.12: Ảnh hưởng của tốc Ďộ kéo Ďẩy pittông Ďến hiệu quả vi chiết các chất nhóm BTEX trong mẫu khí

Bảng 2.13: Ảnh hưởng của nhiệt Ďộ Ďến hiệu quả vi chiết các chất nhóm BTEX trong mẫu khí

Bảng 2.14: Kết quả xây dựng Ďường chuẩn phân bố khi vi chiết các chất nhóm BTEX trong mẫu khí

Bảng 2.15: Kết quả xây dựng Ďường chuẩn dùng bơm tiêm Hamilton của các chất nhóm cơ clo mạch ngắn

Bảng 2.16: Khảo sát ảnh hưởng pha tĩnh trong vi chiết các chất nhóm cơ clo mạch ngắn

Bảng 2.17: Khảo sát thời gian Ďạt cân bằng phân bố khi vi chiết các chất nhóm cơ clo mạch ngắn trong KGH mẫu nước

Bảng 2.18: Ảnh hưởng của tỉ lệ thể tích KGH trên thể tích mẫu Ďến hiệu quả

vi chiết các chất nhóm cơ clo mạch ngắn trong KGH mẫu nước

Bảng 2.19: Ảnh hưởng của tốc Ďộ khuấy dung dịch Ďến hiệu quả vi chiết các chất nhóm cơ clo mạch ngắn trong KGH mẫu nước

Bảng 2.20: Ảnh hưởng của muối Ďến hiệu quả vi chiết các chất nhóm cơ clo mạch ngắn trong KGH mẫu nước

Bảng 2.21: Ảnh hưởng của nồng Ďộ muối thêm vào dung dịch Ďến hiệu quả vi chiết các chất nhóm cơ clo mạch ngắn trong KGH mẫu nước

Bảng 2.22: Ảnh hưởng của pH Ďến hiệu quả vi chiết các chất nhóm cơ clo mạch ngắn trong KGH mẫu nước

Bảng 2.23: Ảnh hưởng của nhiệt Ďộ Ďến hiệu quả vi chiết các chất nhóm cơ clo mạch ngắn trong KGH mẫu nước

Bảng 2.24: Kết quả xây dựng Ďường chuẩn phân bố khi vi chiết các chất nhóm cơ clo mạch ngắn trong KGH mẫu nước

Bảng 2.25: Khảo sát thời gian Ďạt cân bằng phân bố khi vi chiết các chất nhóm cơ clo mạch ngắn trong mẫu khí

Bảng 2.26: Ảnh hưởng của tốc Ďộ kéo Ďẩy pittông Ďến hiệu quả vi chiết các chất nhóm cơ clo mạch ngắn trong mẫu khí

Bảng 2.27: Ảnh hưởng của nhiệt Ďộ Ďến hiệu vi chiết các chất nhóm cơ clo mạch ngắn trong mẫu khí

Bảng 2.28: Kết quả xây dựng Ďường chuẩn phân bố khi vi chiết các chất nhóm cơ clo thấp trong mẫu khí

-Bảng 3.1: Tính chất vật lí của các pha tĩnh nghiên cứu trong luận án

-Bảng 3.2: Hằng số McReynolds của các pha tĩnh nghiên cứu trong luận án Bảng 3.3: Ảnh hưởng của Ďộ dày màng pha tĩnh polimetylphenylsiloxan Ďến hiệu quả vi chiết các chất nhóm BTEX

Bảng 3.4: Ảnh hưởng của Ďộ dày màng pha tĩnh poliĎimetylsiloxan Ďến hiệu quả vi chiết các chất nhóm cơ clo mạch ngắn

Bảng 3.5: Tính toán Ďộ dày màng phủ lên thành trong của kim tiêm rỗng Bảng 3.6: Nồng Ďộ của các chất nhóm BTEX chiết Ďược trên pha tĩnh

Bảng 3.7: Nồng Ďộ của các chất nhóm BTEX còn lại trong mẫu khí

Bảng 3.8: Các thông số Ďộng học cho quá trình hấp thu trong kĩ thuật

vi chiết HNF-ME

Bảng 3.9: Độ tan của một số muối trung hoà sử dụng trong luận án

Bảng 3.10: Kết quả xác Ďịnh các thông số Ďánh giá phương pháp phân tích của các chất nhóm BTEX trong mẫu nước

Bảng 3.11: Kết quả xác Ďịnh các chất nhóm BTEX trong một số mẫu nước thật

Bảng 3.12: Kết quả xác Ďịnh các thông số Ďánh giá phương pháp phân tích của các chất nhóm cơ clo mạch ngắn trong mẫu nước

Bảng 3.13: Kết quả xác Ďịnh các chất nhóm cơ clo mạch ngắn trong một số mẫu nước thật

Bảng 3.14: Kết quả xác Ďịnh các thông số Ďánh giá phương pháp phân tích của các chất nhóm BTEX trong mẫu khí

Bảng 3.15: Kết quả phân tích các chất nhóm BTEX trong mẫu khí thật

Bảng 3.16: Kết quả xác Ďịnh các thông số Ďánh giá phương pháp phân tích của các chất nhóm cơ clo mạch ngắn trong mẫu khí

Bảng 3.19: Kết quả phân tích các chất nhóm cơ clo mạch ngắn trong mẫu khí thật

Bảng 3.20: Kết quả so sánh các phương pháp phân tích các chất nhóm BTEX trong mẫu nước

Bảng 3.21: Kết quả so sánh các phương pháp phân tích các chất nhóm BTEX trong mẫu khí

Bảng 3.22: Kết quả so sánh các phương pháp phân tích các chất nhóm cơ clo mạch ngắn trong mẫu nước

Bảng 3.23: Kết quả so sánh các phương pháp phân tích các chất nhóm cơ clo mạch ngắn trong mẫu khí

DANH MỤC CÁC HÌNH TRONG LUẬN ÁN

Hình 1.1: Các kĩ thuật chiết thường Ďược sử dụng trong phân tích môi trường

(mẫu rắn, lỏng và mẫu khí)

Hình 1.2: Mô hình kĩ thuật không gian hơi trực tiếp

Hình 1.3: Mô hình kĩ thuật vi chiết pha lỏng tĩnh

Hình 1.4: Mô hình cấu tạo của bơm kim tiêm vi chiết pha rắn

Hình 1.5:Mô hình kĩ thuật chiết màng lồng ghép khối phổ

Hình 1.6: Sơ Ďồ khối thiết bị sắc kí khí

Hình 1.7: Sơ Ďồ cấu tạo của Ďetectơ ion hoá ngọn lửa

Hình 1.8: Sơ Ďồ cấu tạo một Ďetectơ cộng kết Ďiện tử

Hình 1.9: Sơ Ďồ khối của một hệ thống GC/MS

Hình 1.10: Sơ Ďồ kĩ thuật ion hoá hoá học

Hình 1.11: Sơ Ďồ kĩ thuật ion hoá hoá học âm

-Hình 2.1: Sắc kí Ďồ các chất nhóm BTEX

Hình 2.2: Sắc kí Ďồ của 4 chất nhóm cơ clo mạch ngắn

-Hình 3.1: Mô hình kĩ thuật vi chiết màng kim rỗng phủ trong

Hình 3.2: Thiết bị vi chiết màng kim rỗng phủ trong

Hình 3.3:Ảnh hưởng của loại pha tĩnh Ďến hiệu quả vi chiết các chất nhóm BTEX

Hình 3.4: Ảnh hưởng của loại pha tĩnh Ďến hiệu quả vi chiết các chất nhóm cơ clo mạch ngắn

Hình 3.5: Sơ Ďồ mặt cắt của kim sau khi Ďã phủ pha tĩnh

Hình 3.6: Tốc Ďộ hấp thu chất lên màng pha tĩnh Ďược mô tả bằng Ďộng học bậc nhất và bậc không

Hình 3.7: Ảnh hưởng của thời gian Ďến hiệu quả vi chiết các chất nhóm

BTEX trong KGH mẫu nước

Hình 3.8: Ảnh hưởng của thời gian Ďến hiệu quả vi chiết các chất cơ clo mạch

ngắn trong KGH mẫu nước

Hình 3.9: Ảnh hưởng của tỉ lệ thể tích KGH trên dung dịch Ďến hiệu quả vi chiết các chất BTEX

Hình 3.10: Ảnh hưởng của tỉ lệ thể tích KGH trên dung dịch Ďến hiệu quả vi chiết các chất cơ clo mạch ngắn

Hình 3.11: Ảnh hưởng của tốc Ďộ khuấy dung dịch Ďến hiệu quả vi chiết các chất BTEX

Hình 3.12: Ảnh hưởng của tốc Ďộ khuấy dung dịch Ďến hiệu quả vi chiết các chất cơ clo mạch ngắn

Hình 3.13: Ảnh hưởng của loại muối Ďến hiệu quả vi chiết các chất BTEX

trong mẫu nước

Hình 3.14: Ảnh hưởng của loại muối Ďến hiệu quả vi chiết các chất cơ clo mạch ngắn trong mẫu nước

Hình 3.15: Ảnh hưởng của nồng Ďộ muối Ďến hiệu quả vi chiết các chất

BTEX

Hình 3.16: Ảnh hưởng của nồng Ďộ muối Ďến hiệu quả vi chiết các chất cơ clo

mạch ngắn

Hình 3.17: Ảnh hưởng của pH Ďến hiệu quả vi chiết các chất BTEX

Hình 3.18: Ảnh hưởng của pH Ďến hiệu quả vi chiết các chất cơ clo mạch ngắn

Hình 3.19: Ảnh hưởng của nhiệt Ďộ Ďến hiệu quả vi chiết các chất BTEX

Hình 3.20: Ảnh hưởng của nhiệt Ďộ Ďến hiệu quả vi chiết các chất cơ clo

mạch ngắn

Hình 3.21: Bình thu lấy mẫu khí

Hình 3.22: Ảnh hưởng của thời gian Ďến hiệu quả vi chiết các chất BTEX trong mẫu khí

Hình 3.23: Ảnh hưởng của thời gian Ďến hiệu quả vi chiết các chất cơ clo mạch Ngắn trong mẫu khí

Hình 3.24: Ảnh hưởng của tốc Ďộ kéo, Ďẩy pittông Ďến hiệu quả vi chiết các chất BTEX trong mẫu khí

Hình 3.25: Ảnh hưởng của tốc Ďộ kéo, Ďẩy pittông Ďến hiệu quả vi chiết các chất cơ clo mạch ngắn trong mẫu khí

Hình 3.26: Ảnh hưởng của nhiệt Ďộ Ďến hiệu quả vi chiết các chất BTEX trong mẫu khí

Hình 3.27: Ảnh hưởng của nhiệt Ďộ Ďến hiệu quả vi chiết các chất cơ clo mạch ngắn trong mẫu khí

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 13

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 16

1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HỢP CHẤT HỮU CƠ BAY HƠI 16

1.1.1 Khái niệm về hợp chất hữu cơ bay hơi 16

1.1.2 Các phương pháp chuẩn bị mẫu 17

1.1.3 Phương pha ́ p phân tích sắc kí khí 33

1.2 GIỚI THIỆU HAI NHÓM CHẤT HỮU CƠ BAY HƠI ĐỘC HẠI NGHIÊN CỨU TRONG LUẬN ÁN 39

1.2.1 Các hiđrocacbon thơm nhóm BTEX 39

1.2.2 Nhóm các hợp chất cơ clo mạch ngắn 43

1.3 ĐỘNG HỌC ĐƠN GIẢN CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN BỐ TRONG KĨ THUẬT HNF-ME 48

1.3.1 Quy luật phân bố các chất lên màng pha tĩnh 48

1.3.2 Phương pháp xác định hằng số tốc độ hấp thu 49

1.3.3 Hằng số cân bằng phân bố điều kiện của quá trình vi chiết 49

1.4 ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 52

1.4.1.Giới hạn phát hiện 52

1.4.2 Giới hạn định lượng 53

1.4.3 Khoảng tuyến tính 53

1.4.4 Độ nhạy 53

1.4.5 Độ đúng của phương pháp phân tích 54

1.4.6 Độ chọn lọc 55

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 57

2.1 HOÁ CHẤT VÀ THIẾT BỊ 57

2.1.1 Hoá chất 57

2.1.2 Thiết bị 57

2.2 CHẾ TẠO THIẾT BỊ VI CHIẾT MÀNG KIM RỖNG PHỦ TRONG 58

2.2.1 Bơm va ̀ kim tiêm trong vi chiết màng kim rỗng 58

2.2.2 Pha ti ̃nh và dung di ̣ch pha tĩnh 58

2.2.3 Cách phủ pha ti ̃nh 59

2.2.4 Tính toán độ dày màng pha tĩnh 59

2.3 XÂY DỰNG QUY TRÌNH PHÂN TÍCH CÁC HỢP CHẤT NHÓM BTEX TRONG MẪU NƯỚC 60

2.3.1 Điều kiện phân tích sắc kí của các chất nhóm BTEX 60

2.3.2 Khảo sát lựa chọn pha tĩnh để vi chiết các chất BTEX 62

2.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của độ dày màng pha tĩnh 62

2.3.4 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả vi chiết các chất BTEX trong mẫu nước 63

2.3.5 Xây dựng đường chuẩn phân bố các chất nhóm BTEX trong KGH mẫu nước 68

2.3.6 Xác định các hợp chất thơm nhóm BTEX trong một số mẫu nước thật 69

2.4 XÂY DỰNG QUY TRÌNH PHÂN TÍCH CÁC CHẤT NHÓM BTEX TRONG

MẪU KHÍ 70

2.4.1 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả vi chiết các chất BTEX trong mẫu khí 70

2.4.2 Xây dựng đường chuẩn phân bố của các chất nhóm BTEX trong mẫu khí 72

2.4.3 Xác định các hiđrocacbon thơm nhóm BTEX trong một số mẫu khí thật 73 2.5 XÂY DỰNG QUY TRÌNH PHÂN TÍCH CÁC HỢP CHẤT NHÓM CƠ CLO MẠCH NGẮN TRONG MẪU NƯỚC 74

2.5.1 Điều kiện phân tích sắc kí của các chất cơ clo mạch ngắn 74

2.5.2 Khảo sát lựa chọn pha tĩnh xác định các cơ clo mạch ngắn 75

2.5.3 Khảo sát lựa chọn độ dày màng pha tĩnh xác định các cơ clo mạch ngắn 76 2.5.4 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả vi chiết 77

2.5.5 Xây dựng đường chuẩn phân bố của các chất cơ clo mạch ngắn 81

2.5.6 Xác định các cơ clo mạch ngắn trong một số mẫu nước thật 82

2.6 XÂY DỰNG QUY TRÌNH PHÂN TÍCH CÁC HỢP CHẤT NHÓM CƠ CLO MẠCH NGẮN TRONG MẪU KHÍ 83

2.6.1 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả vi chiết 83

2.6.2 Xây dựng đường chuẩn phân bố vi chiết các chất nhóm cơ clo mạch ngắn trong mẫu khí 85

2.6.3 Xác định các hợp chất cơ clo mạch ngắn trong một số mẫu khí thật 86

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 87

3.1 THIẾT BỊ VI CHIẾT MÀNG KIM RỖNG PHỦ TRONG 87

3.2 PHA TĨNH SỬ DỤNG TRONG THIẾT BỊ VI CHIẾT MÀNG KIM RỖNG PHỦ TRONG 89

3.2.1 Nguyên tắc chung để lựa chọn loại pha tĩnh phủ lên thành trong của kim tiêm rỗng 89

3.2.2 Nguyên tắc lựa chọn pha tĩnh theo độ phân cực 90

3.2.3 Lựa chọn pha tĩnh để vi chiết các chất nhóm BTEX 91

3.2.4 Lựa chọn pha tĩnh để vi chiết các chất nhóm cơ clo mạch ngắn 93

3.3 ĐỘ DÀY MÀNG PHA TĨNH PHỦ TRONG KIM VI CHIẾT 94

3.3.1 Độ dày màng pha tĩnh trong vi chiết các chất nhóm BTEX 94

3.3.2 Độ dày màng pha tĩnh trong vi chiết các chất cơ clo mạch ngắn 96

3.3.3 Khảo sát độ dày màng phủ và quan sát trên kính hiển vi điện tử quét (SEM) 97

3.4 ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH HẤP THU 100

3.4.1 Thông số động học của kĩ thuật HNF-ME 100

3.4.2 Tính toán hằng số tốc độ của quá trình hấp thu 102

3.5 QUÁ TRÌNH GIẢI HẤP CÁC CHẤT KHỎI MÀNG PHA TĨNH 105

3.6 VI CHIẾT TRONG KHÔNG GIAN HƠI MẪU NƯỚC 106

3.6.1 Thời gian đạt cân bằng phân bố trong vi chiết 107

3.6.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ KGH/dung dịch đến hiệu quả vi chiết 108

3.6.3 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn dung dịch đến cân bằng lỏng-hơi 109

3.6.4 Ảnh hưởng sự có mặt của muối thêm vào dung dịch mẫu đến hiệu quả vi chiết 109

3.6.5 Ảnh hưởng của nồng độ muối đến hiệu quả vi chiết 111

3.6.6 Ảnh hưởng của sự thay đổi pH trong dung dịch mẫu đến hiệu quả vi chiết.

112

3.6.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả vi chiết 113

3.6.8 Phân tích các hợp chất nhóm BTEX trong mẫu nước 114

3.6.9 Phân tích các hợp chất cơ clo mạch ngắn trong mẫu nước 117

3.7 VI CHIẾT TRONG MẪU KHÍ 120

3.7.1 Thể tích bình chứa mẫu khí 120

3.7.2 Thời gian đạt cân bằng phân bố khi vi chiết trong mẫu khí 121

3.7.3 Ảnh hưởng của tốc độ kéo, đẩy pittông đến thời gian đạt cân bằng phân bố 122

3.7.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả vi chiết trong mẫu khí 123

3.7.5 Phân ti ́ch các hơ ̣p chất nhóm BTEX trong mẫu khí 124

3.7.6 Phân tích các hợp chất cơ clo mạch ngắn trong mẫu khí 127

3.8 NHỮNG CẢI TIẾN CỦA KĨ THUẬT HNF-ME SO VỚI KĨ THUẬT SPME 129

3.9 SO SÁNH, ĐÁNH GIÁ CÁC THÔNG SỐ THỐNG KÊ PHÂN TÍCH CỦA KĨ THUẬT HNF-ME VỚI CÁC KĨ THUẬT TÁCH CHẤT KHÁC 130

3.9.1 Phân tích các chất nhóm BTEX trong mẫu nước 130

3.9.2 Phân tích các chất nhóm BTEX trong mẫu khí 132

3.9.3 Phân tích các chất nhóm cơ clo mạch ngắn trong KGH mẫu nước 133

3.9.4 Phân tích các chất nhóm cơ clo mạch ngắn trong mẫu khí 134

KẾT LUẬN 136

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ĐÃ CÔNG BỐ 138

TÀI LIỆU THAM KHẢO 139

MỞ ĐẦU

Trong các phương pháp phân tích nói chung và phân tích sắc kí nói riêng, việc lựa chọn, sử dụng kĩ thuật chuẩn bị mẫu phù hợp là một trong những bước tiến hành quan trọng có ảnh hưởng trực tiếp Ďến kết quả phân tích Các kĩ thuật chuẩn bị mẫu ngày nay càng quan tâm Ďến các yếu tố như thao tác Ďơn giản, giảm thời gian chuẩn bị mẫu, hạn chế sử dụng lượng lớn dung môi Ďộc hại, tiết kiệm Ďược vật tư, giảm lượng mẫu cần dùng và giảm chi phí… Tuy nhiên, các kĩ thuật này vẫn phải Ďáp ứng Ďược các yêu cầu chung là có Ďộ chính xác cao, Ďộ lặp lại tốt, khả năng chọn lọc cao và kết hợp với các công cụ phân tích như sắc kí khí Ďể có Ďược giới hạn phát hiện phù hợp theo các tiêu chuẩn, chỉ tiêu cho phép trong từng trường hợp cụ thể Việc chuẩn bị mẫu càng có ý nghĩa quan trọng nghiêm ngặt hơn cho các thiết bị phân tích có Ďộ chính xác cao và giới hạn phát hiện thấp như phương pháp phân tích sắc kí [31, 46, 65, 89, 101, 102]

Ngay từ khi phương pháp phân tích sắc kí ra Ďời Ďã có nhiều kĩ thuật chuẩn bị mẫu không ngừng Ďược nghiên cứu, phát triển và ứng dụng như kĩ thuật lấy mẫu trực tiếp, không gian hơi, chiết pha lỏng, chiết pha rắn… Từ Ďầu thập kỉ hai mươi của thế kỉ trước, kĩ thuật vi chiết Ďã bắt Ďầu Ďược quan tâm, nghiên cứu, áp dụng cho phân tích sắc kí tại nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới [5, 34, 69, 85] Tuỳ theo cách thức thực hiện chiết tách và bản chất của pha tĩnh mà chia thành vi chiết pha rắn và vi chiết pha lỏng Nhằm Ďóng góp cho sự phát triển hoàn thiện kĩ thuật vi chiết nói chung, kĩ thuật vi chiết màng kim rỗng (Hollow Needle Film Microextraction: HNF-ME) Ďã Ďược quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trên thiết bị sắc kí khí nhằm xây dựng quy trình phân tích một số nhóm hợp chất hữu cơ bay hơi

Nguyên tắc của kĩ thuật vi chiết màng kim rỗng phủ trong là sự cải tiến của kĩ thuật vi chiết pha rắn thường (sử dụng sợi cáp quang hoặc kim loại phủ pha tĩnh) Quá trình vi chiết dựa vào cân bằng phân bố của các cấu tử chất từ môi trường chứa chất phân tích 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 0,2-0,8mm) Pha tĩnh thường là các hợp chất cao phân tử có tính chất hoá, lí ổn Ďịnh, Ďặc biệt là bền nhiệt Trong kĩ thuật HNF-ME, việc lựa chọn pha tĩnh,

Ďộ dày màng phủ cũng như cách thức tạo màng phủ chính là những yếu tố có thể mang lại hiệu quả ưu việt cao hơn cho phương pháp tách chất So với kĩ thuật vi chiết pha rắn thường, sự cải tiến này nhằm khắc phục Ďược một số nhược Ďiểm: lượng pha tĩnh phủ lên sợi nhỏ là có giới hạn, gặp khó khăn khi phân tích trực tiếp với mẫu khí và Ďộ bền của thiết bị kém do sợi nhỏ dễ gẫy, màng pha tĩnh phủ dễ bị hỏng [4, 25, 49, 67, 72]

Với cơ sở lí thuyết và thực tiễn Ďòi hỏi một kĩ thuật chuẩn bị mẫu mới có nhiều ưu Ďiểm hơn và hạn chế Ďược những nhược Ďiểm của các kĩ thuật thông thường trước Ďó, HNF-ME là kĩ thuật cần Ďược nghiên cứu lí thuyết, hoàn thiện việc chế tạo thiết bị, xây dựng và áp dụng quy trình phân tích trên từng Ďối tượng mẫu môi trường cụ thể Trên kết quả Ďó Ďể có cơ sở khoa học nhằm Ďóng góp bổ sung thêm một kĩ thuật chuẩn bị mẫu mới cho phương pháp phân tích sắc kí Với mong muốn lựa chọn và chế tạo Ďược thiết bị vi chiết chuẩn bị mẫu mới có thể kết hợp với sắc kí khí phân tích tốt các mẫu môi trường phức tạp dưới dạng lượng vết, Ďề tài luận án Ďã thực hiện với nội dung: “Nghiên cứu phát triển phương pháp vi chiết kết hợp với sắc kí khí phân tích hợp chất hữu cơ bay hơi”

Trong Ďó, nghiên cứu chế tạo một thiết bị vi chiết mới (NHF-ME) với pha tĩnh Ďể phủ là các polime este và polime nhóm siloxan thường dùng trong cột sắc kí mao quản Trên cơ sở thiết bị tự chế tạo và kết hợp với sắc kí khí nhằm phân tích lượng vết các hợp chất hữu cơ bay hơi trực tiếp trong các mẫu môi

trường nước và không khí Như vậy Ďề tài Ďược thực hiện với các bước cụ thể như sau:

- Nghiên cứu lựa chọn kim bơm tiêm, pha tĩnh và khảo sát Ďộ dày màng phủ là các polime nhóm siloxan và este cho kĩ thuật HNF-ME

- Khảo sát Ďiều kiện tối ưu nhằm xây dựng quy trình vi chiết các chất nhóm BTEX và cơ clo mạch ngắn trong KGH mẫu nước và mẫu khí

- Khảo sát, tính toán các thông số thống kê phân tích cho phương pháp Ďã xây dựng Ďược và áp dụng quy trình Ďó phân tích trực tiếp một số mẫu môi trường

- Khảo sát, so sánh những ưu nhược Ďiểm của kĩ thuật chuẩn bị mẫu mới là HNF-ME với các kĩ thuật chuẩn bị mẫu Ďã có

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HỢP CHẤT HỮU CƠ BAY HƠI

1.1.1 Khái niệm về hợp chất hữu cơ bay hơi

Hợp chất hữu cơ bay hơi (volatile organic compounds: VOCs) là các hợp chất hữu cơ có nhiệt Ďộ sôi thấp (thường dưới 1000C) Ďược phát ra dưới dạng khí từ chất rắn hoặc chất lỏng nhất Ďịnh, chúng có một áp suất hơi cao và Ďộ hoà tan trong nước thấp Trên thực tế có nhiều Ďịnh nghĩa về VOCs khác nhau,

về cơ bản chúng Ďược Ďịnh nghĩa theo hai cách sau: Thứ nhất, hướng ảnh hưởng của VOCs, theo Ďịnh nghĩa của tổ chức bảo vệ môi trường Mỹ (US-EPA), VOCs là các chất hữu cơ phát tán gây nên hiện tượng quang hoá của tầng ozôn Một cách khác, VOCs Ďược Ďịnh nghĩa bởi tính chất hoá lí như là

áp suất hơi liên quan Ďến nhiệt Ďộ Theo Kennes và Veiga [22] Ďịnh nghĩa VOCs như là các hoá chất (bay hơi) có chứa nguyên tử cacbon và có nhiệt Ďộ bay hơi thông thường thấp hơn 373K ở 101kPa (phương pháp kiểm tra ASTM: D3960) Theo tiêu chuẩn dung môi của Châu Âu, Ďịnh nghĩa VOCs là các hợp chất hữu cơ có áp suất bay hơi thấp hơn 10Pa ở 200C [14, 27, 31, 46] Một số VOCs có thể có trong tự nhiên từ nấm mốc, tảo…và một số khác phát thải trong môi trường là kết quả các hoạt Ďộng của con người nhằm phục

vụ cuộc sống hoặc cả hai Tuy nhiên, cụm từ VOCs còn Ďược quan niệm là hỗn hợp các hợp chất hữu cơ Ďộc hại bay lên không khí làm ô nhiễm môi trường VOCs với Ďịnh nghĩa là các hoá chất nhân tạo hoặc tự nhiên, chúng Ďược sản xuất và sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như sơn, chất kết dính, dược phẩm, mỹ phẩm, chất làm lạnh, công nghiệp hoá chất… VOCs thường là dung môi công nghiệp như Ďiclometan, benzen, toluen, xilen, hay các sản phẩm sản xuất bằng clo trong xử lí nước như clorofom, hoặc là

thành phần của nhiên liệu xăng dầu, chất lỏng thuỷ lực, dung môi pha sơn, thuốc trừ sâu…

VOCs bao gồm một loạt các hoá chất, một trong số Ďó có thể có tác hại trước mắt hoặc lâu dài Ďến sức khoẻ con người Tác hại tức thời khi tiếp xúc với các VOCs có thể là gây kích ứng mắt, da và Ďường hô hấp, Ďau Ďầu, chóng mặt, rối loạn thị giác, mệt mỏi, mất cân Ďối, buồn nôn và suy giảm trí nhớ Khi tiếp xúc lâu ngày với các chất VOCs có thể gây ảnh hưởng Ďến gan, thận và hệ thần kinh trung ương Theo kết quả khảo sát Ďịa chất Hoa kỳ năm

2005, ô nhiễm VOCs từ các nguồn cung cấp nước uống là một mối quan tâm tới sức khoẻ con người vì nhiều Ďộc hại của chúng và Ďược biết hoặc nghi ngờ

là chất gây ung thư của con người Nói chung, VOCs với quan niệm là các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi Ďộc hại, do Ďó việc phân tích, Ďánh giá, xử lí và kiểm soát các chất VOCs phát thải vào môi trường sống như nước và không khí Ďang là vấn Ďề cấp bách cho các nhà khoa học, cũng như các cá nhân và tổ chức hoạt Ďộng môi trường trên toàn thế giới

1.1.2 Các phương pháp chuẩn bị mẫu

1.1.2.1 Giới thiệu chung

Chuẩn bị mẫu (tiền xử lí, tách, chiết, tinh chế chất ra khỏi mẫu thô ban Ďầu) là một công việc chi phối nhiều thời gian và công sức nhất trong thành công của phương pháp phân tích [1, 5, 46, 53] Sự lựa chọn kĩ thuật chuẩn bị mẫu phụ thuộc chính vào dạng mẫu, khả năng bay hơi hoặc nồng Ďộ của các chất cần xác Ďịnh Mẫu phân tích thường tồn tại ở ba dạng chính: mẫu khí, mẫu lỏng và mẫu rắn

Kĩ thuật chuẩn bị mẫu Ďược áp dụng rộng rãi trong phân tích mẫu khí là dùng chất hấp phụ (kĩ thuật Ďịnh lượng tự Ďộng hay gián Ďoạn) và ngưng tụ mẫu, trong Ďó kĩ thuật dùng chất hấp phụ Ďược coi trọng hơn cả Sau Ďó các cấu tử Ďược giải hấp ra khỏi chất hấp phụ nhờ nhiệt hoặc dung môi chiết Trong các phương pháp Ďược tổ chức bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (U.S.EPA)

giới thiệu Ďể xử lí mẫu khí (các phương pháp 5041; 0030 và 0031) Ďã dùng nhiệt Ďể giải hấp các chất hữu cơ bay hơi ra khỏi cột chứa chất hấp phụ [46] Đối với mẫu lỏng, việc chuẩn bị mẫu nhìn chung Ďỡ phức tạp hơn so với mẫu khí, bán rắn, mẫu rắn hoặc mẫu sinh học bởi thành phần xác Ďịnh và tính Ďồng nhất của mẫu lỏng tốt hơn Trong trường hợp mẫu nước, nguyên tắc cơ bản Ďể lưu mẫu là làm Ďầy mẫu trong bình chứa (không có không gian hơi) và giữ mẫu ở khoảng 40C cho Ďến khi phân tích [5, 46] Kĩ thuật chuẩn bị mẫu thông thường trong phân tích mẫu lỏng là làm bay hơi, dùng chất hấp phụ, dùng dung môi chiết và chiết màng Như U.S.EPA giới thiệu phương pháp chuẩn bị mẫu xác Ďịnh triclometan trong nước bằng kĩ thuật chiết pha lỏng và Ďịnh lượng trên GC-MS Nhìn chung, các kĩ thuật chuẩn bị mẫu lỏng Ďược phân loại thành các nhóm như sau: nhóm kĩ thuật chiết dung môi gồm chiết Ďơn giọt (SDE) và vi chiết dung môi (SME) (cả hai kĩ thuật này Ďều dùng với lượng nhỏ dung môi); kĩ thuật chiết pha rắn gồm kĩ thuật tự Ďộng và vi chiết pha rắn (SPME); kĩ thuật chiết khí gồm không gian hơi (HS), không gian hơi màng mỏng (TLHS), bẫy lọc và loại trừ (PT), phân tích loại bỏ theo chu trình kín (CLSA); kĩ thuật chiết màng bao gồm kĩ thuật màng lồng ghép khối phổ (MIMS) và chiết màng

Trong trường hợp là mẫu rắn hoặc bán rắn, sự làm giàu của một lượng thể tích mẫu cần Ďược chú ý Ďến mức tối thiểu Nguyên tắc Ďể bảo quản mẫu dạng này là cần chứa trong một hệ thống kín và tránh tiếp xúc với pha khí trong thời gian lâu Các kĩ thuật dùng Ďể phân tích với mẫu dạng rắn và bán rắn thường thấy là không gian hơi, chiết bằng dung môi, Ďôi khi Ďược dùng Ďồng thời với các kĩ thuật vi chiết pha rắn (SPME) hoặc vi chiết pha lỏng (LPME)

Việc chuẩn bị mẫu với các mẫu sinh học cho phân tích sắc kí khí nói chung là rất phức tạp, một trong những yêu cầu cần Ďược xem xét Ďến Ďó là nguồn gốc của mẫu từ Ďó có cách lựa chọn hệ thống phân tích và cột tách sắc

kí Ďể có thể Ďạt Ďược giới hạn phát hiện phù hợp của phương pháp Trên thực

tế hai dạng mẫu là dịch sinh học-máu và nước tiểu Ďược sự quan tâm lớn nhất

của các nhà phân tích Với các mẫu dạng này nên lưu giữ không KGH ở

khoảng 40C và tiến hành phân tích trong 24 giờ sau khi lấy mẫu Các kĩ thuật

chuẩn bị mẫu dạng dịch sinh học thường là KGH tĩnh, KGH màng mỏng,

dùng cột hấp phụ và màng chiết Tuy nhiên việc chuẩn bị mẫu dạng này vẫn

thực sự là một thách thức lớn cho các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực phân tích

[1, 5, 46]

Hấp phụ mẫu: Giải hấp:

- Định lượng trực tiếp - Nhiệt

-Kĩ thuật tự Ďộng - Chiết dung môi

-Kĩ thuật làm lạnh

Mẫu khí Phương pháp ngưng tụ

-HS, HS/SPME

- CLSA

Mẫu rắn

Kĩ thuật chiết dung môi: - SDE, SME

Kĩ thuật chiết pha rắn

-Kĩ thuật tự Ďộng

-SPME

Mẫu lỏng Kĩ thuật chiết khí

- HS, TLHS, PAT, CLSA

Kĩ thuật chiết màng

- MIMS, chiết màng

Thu mẫu, vận chuyển Xử lí mẫu Tách, Ďịnh tính bảo quản và lưu mẫu và Ďịnh lượng

Hình 1.1: Các kĩ thuật chiết thường Ďược sử dụng trong phân tích sắc kí

(mẫu rắn, lỏng và mẫu khí)

1.1.2.2 Các kĩ thuật chuẩn bị mẫu truyền thống

* Kĩ thuật trực tiếp

Lấy mẫu trực tiếp là một kĩ thuật Ďơn giản nhất trong các kĩ thuật chuẩn bị mẫu Ďang Ďược sử dụng Không cần qua các bước xử lí phức tạp, mẫu sau khi Ďược thu thập về và có thể Ďưa trực tiếp vào thiết bị Ďể phân tích ngay dưới dạng lỏng hoặc khí Ưu Ďiểm của kĩ thuật này là chỉ cần các thao tác xử lí thô như gạn, lọc, thêm tác nhân phản ứng…, do Ďó không cần các thiết bị phụ trợ cho quá trình tách, chiết, chưng cất và Ďặc biệt không sử dụng tới dung môi Ďộc hại Tuy nhiên, vì là kĩ thuật xử lí mẫu trực tiếp nên nó sẽ có những hạn chế nhất Ďịnh như khả năng chọn lọc kém, phép phân tích có thể bị sai do ảnh hưởng của các tạp chất không mong muốn, và giới hạn phát hiện khi sử dụng

kĩ thuật này thường thấp [46, 77, 87]

* Kĩ thuật chiết lỏng-lỏng

Chiết lỏng-lỏng là một kĩ thuật tách chất Ďơn giản và trung thực nhất Kĩ thuật này thường Ďược sử dụng Ďể làm sạch hoặc Ďể tách một cấu tử riêng hoặc một loạt các cấu tử khỏi mẫu mẹ Mẫu rắn hoặc lỏng Ďược chiết bằng dung môi hữu cơ thích hợp [5, 6] Đối với các mẫu nước, dung môi phải không tan trong nước Sự lựa chọn dung môi chiết phụ thuộc vào tính tan của chất phân tích ở trong dung môi Ďó và vào sự dễ dàng tách Ďược chất cần tách

ra khỏi mẫu Sự làm giàu chất và hiệu quả của phương pháp chiết phụ thuộc vào tỉ số thể tích của mẫu, dung môi chiết và vào hệ số phân bố Tỉ lệ thể tích mẫu/dung môi không thể quá rộng vì nó có ảnh hưởng Ďến Ďộ chính xác khi Ďịnh lượng Hệ số phân bố có thể Ďược cải thiện nhờ thay Ďổi pH của dung dịch mẫu, khử muối hoặc sử dụng ion Ďối… Các quá trình chiết lỏng-lỏng bao gồm: Chiết không liên tục (gián Ďoạn), chiết liên tục, chiết lỏng-lỏng trên cột

và chiết Ďối dòng

+ Chiết không liên tục: Được thực hiện bằng cách lắc mẫu cùng với dung môi chiết và Ďược dùng trong những trường hợp có hệ số phân bố lớn và có thể bỏ qua sự mất mát chất nào Ďó

+ Chiết liên tục: Được áp dụng cho những trường hợp có hệ số phân bố nhỏ, buộc phải chiết Ďoạn lặp nhiều lần, nên tốt hơn là ta tiến hành chiết liên tục, cũng như Ďối với những trường hợp không thể bỏ qua Ďược sự mất mát chất (chiết phân tích)

+ Chiết lỏng-lỏng trên cột: Là một phương pháp chiết lỏng-lỏng khác Ďược

sử dụng nhiều gần Ďây, chiết lỏng-lỏng trên cột cũng dựa vào Ďịnh luật phân

bố của chất tan giữa hai pha không trộn lẫn vào nhau Trong phân tích các chất ưa dầu (kị nước) ở trong các mẫu phức tạp như các dịch cơ thể, các mẫu môi trường, phân tích tồn lượng, việc chuẩn bị mẫu bằng phương pháp chiết thông thường (dùng phễu chiết) thường gặp những Ďiều bất lợi: sự hình thành nhũ, sự tách pha tồi, tiêu tốn nhiều dung môi và thời gian Phương pháp chiết lỏng-lỏng trên cột trong trường hợp ở Ďây tỏ ra hiệu quả hơn, tránh Ďược những Ďiều bất lợi nêu trên, không cần làm khô dung môi thu Ďược và Ďộ thu hồi cao

+ Chiết Ďối dòng: Chiết Ďối dòng cho phép tách các chất có hệ số phân bố gần nhau, tuy nhiên hiện nay ít dùng vì Ďòi hỏi thiết bị chuyên dùng Ďắt tiền

và không cho phép tách những hỗn hợp phức tạp [5]

* Kĩ thuật chiết lỏng-rắn

Chiết lỏng-rắn dùng Ďể tách các chất phân tích ra khỏi vật rắn (thực vật, Ďất, các mẫu sinh học…) bằng dung môi thích hợp Chất phân tích trong mẫu vật rắn thường nằm ở thành nang nhỏ hoặc phân tán trong chất rắn, vì vậy cần nghiền nhỏ Ďể tăng bề mặt tiếp xúc giữa dung môi và chất phân tích Tuỳ thuộc vào tính phân cực của chất cần tách ta lựa chọn dung môi chiết, bắt Ďầu

từ những dung môi hiĎrocacbon nhẹ với những chất ít phân cực Ďến những dung môi phân cực hơn như Ďietyl, ete, axeton, etanol kể cả nước Ďối với

những chất phân cực Quá trình chiết lỏng-rắn có thể tiến hành theo phương pháp chiết Ďoạn hoặc chiết liên tục tuỳ theo yêu cầu của việc chiết

+ Chiết Ďoạn: Quá trình chiết Ďoạn có hiệu quả thấp hơn so với quá trình chiết liên tục Trong quá trình này mẫu rắn Ďược ngâm vào dung môi trong cối nghiền, trong bình tam giác hoặc trong cốc một thời gian, sau Ďó dịch chiết Ďược tách ra bằng lắng gạn hoặc lọc hoặc quay li tâm Cặn còn lại có thể Ďược chiết tiếp một hai lần nữa bằng dung môi mới Các dịch chiết Ďược gộp lại và cho bay hơi Ďể thu sản phẩm và xử lí tiếp

+ Chiết liên tục: Quá trình chiết liên tục Ďược thực hiện trong một thiết bị riêng, tốt nhất là sử dụng bộ chiết Soclet cải tiến Trong Ďó phần thân máy chứa ống giấy Ďựng mẫu Ďược cải tiến Ďể hơi nóng dung môi bốc lên bao quanh Ďược ống Ďựng mẫu, nhờ Ďó chất Ďược chiết bằng dung môi nóng, không phải bằng dung môi ngưng lạnh [5]

* Kĩ thuật chiết pha rắn

Chiết pha rắn (solid phase extraction: SPE) là một quá trình bao g ồm một pha tĩnh (pha rắn) và một pha Ďô ̣ng (pha lỏng hoă ̣c pha khí) Các cấu tử cần quan tâm và các chất cản trở nằm trong pha lỏng Khi cho mẫu lỏng chảy qua cột nhồi chất hấp lưu chuyên dụng, trong trường hợp lí tưởng, các cấu tử cần quan tâm Ďược lưu lại trên chất hấp lưu, còn các chất cản trở không bị lưu giữ Ďược thải loại ra khỏi cột theo dòng chảy, sau Ďó chất cần quan tâm Ďược rửa giải ra khỏi cột nhờ dung môi thích hợp, hoặc ngược lại các chất cản trở Ďược lưu giữ trên chất hấp lưu, còn các cấu tử cần quan tâm không bị lưu giữ chảy

ra khỏi cột

Chiết pha rắn làm việc dựa trên nguyên tắc của sắc kí lỏng Nhờ những tương tác mạnh nhưng bất thuận nghịch giữa chất phân tích và bề mặt của pha tĩnh như tương tác kị nước (lực Van-der-Waals), phân cực (cầu hiĎro, lực lưỡng cực) hoặc trao Ďổi ion Còn tương tác giữa pha tĩnh và các chất cản trở trong mẫu có thể không xảy ra hoặc xảy ra ở mức Ďộ khác với chất cần quan

tâm do sự khác nhau trong tính chất hoá học và vật lí giữa chất phân tích và các chất cản trở, mà chúng Ďược lưu giữ ở những phạm vi khác nhau Điều này cũng có thể Ďạt Ďược nhờ thay Ďổi pH hoặc lực ion của dung dịch mẫu Dưới các Ďiều kiện như vậy, chất phân tích Ďược lưu giữ, làm giàu như một giải hẹp trên pha tĩnh và Ďược rửa giải chọn lọc ra khỏi cột sau Ďó nhờ dung môi thích hợp

Ưu Ďiểm của kỹ thuật chiết pha rắn này là hiệu suất thu hồi cao, khả năng làm sạch và làm giàu chất phân tích lớn Là một kỹ thuật tương Ďối an toàn, Ďơn giản dễ sử dụng, có thể tiến hành hàng loạt và tự Ďộng hóa do Ďó tiết kiệm Ďược thời gian Giống như các phương pháp truyền thống khác, chiết pha rắn vẫn có nhược Ďiểm là cần lượng mẫu lớn (cỡ 100 Ďến 1000 lít mẫu khí hoă ̣c vài Ďến 1000ml mẫu lỏng ) và phải sử dụng lượng dung môi r ửa giải còn lớ n mà thư ờng là có Ďộc tính cao , hiê ̣u quả kinh tế thấp , Ďiều kiện phân tích phức tạp…Tuy nhiên do Ďộ chính xác ổn Ďịnh và phổ thông trong các phòng thí nghiệm hiện nay, nên Ďây vẫn là kỹ thuật rất tốt Ďể làm mẫu kiểm chứng cho các kỹ thuật nghiên cứu mới [2, 3, 5, 6, 53, 89]

1.1.2.3 Một số kỹ thuâ ̣t chuẩn bị mẫu hiê ̣n đa ̣i

* Kĩ thuật không gian hơi trực tiếp

Không gian hơi (headspace: HS) là một kỹ thuật chuẩn bị mẫu cho phân tích sắc kí rất Ďơn giản và hiệu quả Nguyên tắc của kĩ thuật này là dựa vào khả năng dễ bay hơi của các chất cần phân tích trong mẫu mẹ ban Ďầu Hiệu quả của quá trình bay hơi Ďược tăng lên bằng việc gia nhiệt, thêm muối, thay Ďổi pH cho mẫu hoặc giảm áp trên phần KGH mẫu

Cách thức tiến hành (hình 1.2): Một lượng mẫu vừa Ďủ (có thể là lỏng hoặc rắn) Ďược cho vào lọ có nắp kín Tiến hành gia nhiệt Ďể cho cân bằng lỏng-hơi hoặc rắn-hơi của các chất Ďược thiết lập, sau Ďó dùng kim tiêm lấy phần không gian hơi trên mẫu bơm trực tiếp vào cổng bơm mẫu injectơ của máy sắc kí khí Ďể tiến hành phân tích Ưu Ďiểm của phương pháp là lượng

mẫu sử dụng ít (cỡ vài ml), thao tác Ďơn giản, thời gian chuẩn bị mẫu nhanh, không cần dùng dung môi chiết và cột tách như các phương pháp cổ Ďiển Tuy nhiên hạn chế của kĩ thuật này là chỉ áp dụng tốt cho các hợp chất có nhiệt Ďộ bay hơi thấp và tính chọn lọc không cao khi trong mẫu có nhiều chất Ďều có khả năng bay hơi [1]

* Kĩ thuật vi chiết pha lo ̉ng

Vi chiết pha lỏng (liquid phase microextraction: LPME) là một kĩ thuật tách chất hiện Ďại cho phân tích sắc kí khí và Ďược sử dụng rộng rãi trong những năm gần Ďây Nguyên tắc của kĩ thuật này là dựa trên cân bằng phân bố của một hoặc một loạt các cấu tử phân tích từ môi trường chứa mẫu (mẫu lỏng, KGH mẫu lỏng hoặc mẫu khí) vào một giọt dung môi cỡ 1-3μl Ďược

“treo” trên Ďầu kim như kim tiêm Hamilton (hình 1.3) Sau thời gian Ďạt trạng thái cân bằng, toàn bộ lượng chất chiết Ďược và giọt dung môi Ďược Ďưa vào Ďầu injectơ của máy sắc kí khí Tại Ďầu injectơ, giọt dung môi có thể Ďược Ďưa vào cột tách cùng chất phân tích (trường hợp dung môi chiết bay hơi) hoặc chỉ có các chất phân tích Ďược giải hấp ra khỏi giọt dung môi (trường hợp dung môi chiết không bay hơi) và Ďi vào cột tách sắc kí còn giọt dung môi Ďược kéo trở lại kim tiêm Ďể có thể tái sử dụng

Ưu Ďiểm của kĩ thuật LPME là thiết bị và thao tác rất Ďơn giản, chỉ cần bơm kim tiêm Hamilton và chọn Ďược loại dung môi thích hợp là có thể tiến hành vi chiết Khó khăn của kĩ thuật là giọt dung môi có thể bị phân tán vào môi trường mẫu hoặc khi thực hiện trong mẫu lỏng giọt dung môi có thể bị bật ra khỏi Ďầu kim tiêm Hamilton khi bị tác Ďộng lực va Ďập Tuỳ theo cách thức tiến hành trong quá trình vi chiết mà chia thành vi chiết pha lỏng tĩnh và

vi chiết pha lỏng Ďộng

- Vi chiết pha lỏng tĩnh (S-LPME): Giọt dung môi Ďược giữ yên tại Ďầu kim Hamilton trong môi trường chứa mẫu Sau một khoảng thời gian các chất phân bố vào giọt dung môi Ďạt trạng thái cân bằng, kéo giọt dung môi Ďã hấp thu Ďược chất phân tích trở lại kim tiêm Hamilton Tiến hành giải hấp bởi nhiệt Ďể Ďưa chất phân tích vào cột tách sắc kí tại Ďầu injectơ

- Vi chiết pha lỏng Ďộng (D-LPME): Khác với vi chiết pha lỏng tĩnh, vi chiết pha lỏng Ďộng thực hiện khi giọt dung môi liên tục Ďược kéo, Ďẩy bên trong kim tiêm Hamilton Như vậy sau mỗi chu kì, cân bằng phân bố của chất

Hình 1.3: Mô hình kĩ thuật vi chiết pha lỏng tĩnh

(a) Vi chiết pha lỏng tĩnh với mẫu khí

(b) Vi chiết pha lỏng tĩnh với mẫu lỏng

(c) Vi chiết pha lỏng tĩnh với KGH mẫu lỏng hoặc mẫu rắn

phân tích vào giọt dung môi sẽ nhanh hơn, do quá trình trộn lẫn của chất trong giọt dung môi diễn ra liên tục Ưu Ďiểm của kĩ thuật vi chiết pha lỏng Ďộng là rút ngắn Ďược thời gian vi chiết Ďáng kể so với kĩ thuật vi chiết pha lỏng tĩnh [8, 40, 55, 69, 74, 98]

Kĩ thuật vi chiết pha rắn (solid-phase microextraction: SPME) lần Ďầu tiên Ďược Ďề xuất tại trường Ďại học Waterloo (Ontrio, Canada), khoảng những năm 1990 [26, 54, 72] Đây là một phương pháp lấy mẫu hiện Ďại Ďể tách và làm giàu các hợp chất hữu cơ từ nền mẫu mà không cần sử dụng Ďến dung môi Nguyên tắc của phương pháp là dựa trên sự hấp thu của các chất hữu cơ cần phân tích từ pha lỏng hoặc pha khí lên trên sợi chiết (màng pha tĩnh phủ trên sợi nhỏ) Sau Ďó chất phân tích sẽ Ďược giải hấp bởi nhiệt ra khỏi sợi chiết tại injectơ của máy sắc kí khí Ďể Ďưa vào cột tách và xác Ďịnh bởi các Ďetectơ khác nhau Mô hình cấu tạo của thiết bị SPME Ďược trình bày như trong hình 1.4:

Pittong Vá xylanh § ai gi÷

Septum èng b¶o vÖ kim lo¹ i

CÇn kim lo¹ i

Sî i chiÕt SPME

Dụng cụ này bao gồm hai phần: sợi chiết và các bộ phận phụ trợ Ďược

bố trí theo kiểu xilanh Sợi chiết ở Ďây là một Ďoạn sợi silica dài khoảng 1cm, Ďường kính ngoài cỡ 0,11 mm, Ďược phủ một lớp pha tĩnh polime kị nước Lớp pha tĩnh polime thường là poliĎimetylsiloxan (PDMS), polimetylphenylsiloxan (PMPS), polimetylacrilat (PA), polietilenglycol, hay

có thể trộn thêm với các chất hấp phụ khác như ĎivinylĎiclometan, nhựa chịu nhiệt hoặc than xốp tuỳ theo từng Ďối tượng chất nghiên cứu Sợi chiết Ďược

Hình 1.4: Mô hình cấu tạo của bơm kim vi chiết pha rắn

gắn với một cần kim loại, tất cả Ďược Ďặt trong một ống kim loại bảo vệ Cần kim loại sau Ďó Ďược gắn với pittông Ďặt trong xilanh Trên thế giới hiện Ďã có những dụng cụ thương mại và sợi phủ pha tĩnh có thể tái sử dụng nhiều lần

Kĩ thuật SPME gồm hai bước: (1) phân bố chất phân tích giữa mẫu và pha tĩnh trên sợi cáp quang, (2) chất phân tích Ďã Ďược làm giàu Ďược giải hấp

từ pha tĩnh trên sợi cáp quang vào thiết bị phân tích Để thực hiện quá trình

chiết, mẫu lỏng hoặc mẫu rắn chứa chất hữu cơ dễ bay hơi cần phân tích Ďược chứa trong lọ, Ďậy kín bằng nắp cao su có khả năng Ďàn hồi Kim chứa sợi chiết và pha tĩnh Ďược xuyên qua nút cao su của lọ Ďựng mẫu, sợi chiết tiếp xúc với chất phân tích trực tiếp trong dung dịch hoặc trong không gian hơi, nhờ Ďó có thể hấp thu chất phân tích lên trên sợi Chất phân tích Ďược hấp thu lên lớp pha tĩnh nhờ ái lực của nó Ďối với pha tĩnh, Ďể yên cho hấp thu Ďạt cân bằng trong một thời gian nhất Ďịnh Khi Ďã Ďạt tới cân bằng thì cho dù có tiếp tục kéo dài thời gian chiết cũng không làm tăng hiệu quả chiết nữa Sau Ďó, sợi chiết Ďược kéo vào trong lòng ống bảo vệ, rồi rút ra khỏi ống Ďựng mẫu,

và Ďưa vào thiết bị GC hoặc HPLC tuỳ theo nhóm chất cần phân tích Tại Ďó các chất Ďược giải hấp bởi nhiệt (Ďối với GC) hoặc bởi dung môi pha Ďộng (Ďối với HPLC) Ďể Ďi vào cột tách sắc kí và Ďược ghi nhận bởi các loại Ďetectơ khác nhau

SPME là một kĩ thuật tách chất mà trong Ďó chất phân tích không Ďược chiết hoàn toàn khỏi nền mẫu [51, 73, 88] Phương pháp này có nhiều ưu Ďiểm so với các phương pháp truyền thống là mẫu Ďi nhanh, trực tiếp vào cột tách và không tốn kém dung môi [4, 19, 34] So với chiết pha rắn thì phần lớn chất phân tích Ďược tách ra (>90%) nhưng chỉ 1-2% Ďược bơm vào máy sắc kí, còn phương pháp SPME tuy tách Ďược lượng nhỏ chất phân tích (khoảng 1-10%) nhưng toàn bộ chúng Ďược Ďưa vào máy sắc kí Tuy nhiên trên thực tế Ďiều Ďáng lưu ý là sợi vi chiết rất dễ bị bẻ cong và màng pha tĩnh phủ trên nó

có thể bị biến dạng do va chạm với thành của kim tiêm nên cần phải hết sức cẩn thận khi tiến hành phân tích mẫu

Quá trình hấp phụ của chất phân tích lên trên màng phim pha tĩnh Ďã Ďược Louch và cộng sự nghiên cứu [58] Theo tác giả thì mọi trường hợp vi chiết pha rắn không phải là sự tách chiết triệt Ďể chất tan từ mẫu vào màng phim pha tĩnh, bởi vì tại Ďó chỉ có một Ďĩa lí thuyết hoặc một bậc hấp phụ Ngoài ra cân bằng còn Ďược thiết lập giữa nồng Ďộ chất phân tích trong mẫu

và nồng Ďộ chất phân tích Ďược hấp phụ trên pha tĩnh [19, 37, 38] Có thể Ďạt Ďược hiệu suất chiết cao nếu tiến hành trong những Ďiều kiện phù hợp, khi thể tích mẫu nhỏ và ái lực của chất cần phân tích với pha tĩnh Kfs lớn Lượng chất phân tích Ďược hấp phụ trên pha tĩnh tại thời Ďiểm cân bằng là:

Trong Ďó: Vf: thể tích của pha tĩnh

Vs: thể tích mẫu

Co: nồng Ďộ ban Ďầu của chất phân tích ở trong mẫu

Kfs: hệ số phân bố của chất phân tích giữa pha tĩnh và mẫu Phương trình (1.2.1) cho ta thấy có mối liên quan trực tiếp giữa nồng

Ďộ ban Ďầu của chất phân tích trong mẫu với lượng chất chiết Ďược trên pha tĩnh mặc dù có nhiều yếu tố ảnh hưởng Ďến hiệu quả chiết như ái lực của pha tĩnh Ďối với chất cần phân tích, thể tích mẫu, nhiệt Ďộ, pH, lượng muối

Theo thuyết hấp phụ Langmuir, phương trình (1.2.2) sau có thể dùng Ďể

mô tả quá trình vi chiết pha rắn:

Với n: lượng chất phân tích hấp phụ bởi lớp pha tĩnh polime tại thời Ďiểm cân bằng



fA

C : nồng Ďộ của chất phân tích A trên sợi tại trạng thái cân bằng

KA: hệ số hấp phụ cân bằng của chất A

COA: nồng Ďộ ban Ďầu của chất A trong mẫu phân tích

Vs, Vf: tương ứng là thể tích mẫu và thể tích sợi chiết

Cf max: nồng Ďộ của các vị trí hoạt Ďộng trên bề mặt pha tĩnh (tương ứng với nồng Ďộ chất phân tích thu Ďược lớn nhất trên bề mặt)

Dạng của phương trình (1.2.2) gần tương tự như phương trình (1.2.1)

Sự khác nhau cơ bản giữa hai phương trình là sự có mặt của hai Ďại lượng CfA

và Cf max Ở tử số và mẫu số của phương trình (1.2.2) (cần lưu ý sự khác nhau của KA và Kfs: KA là hằng số cân bằng hấp phụ còn Kfs là hệ số phân bố) Khi lượng chất chiết Ďược trên sợi rất nhỏ, ta có thể cho rằng Cf max >> CfA Để Ďạt Ďược Ďiều này thì nồng Ďộ của chất phân tích trong mẫu hoặc ái lực của nó với pha tĩnh phải nhỏ Nếu như các yếu tố trên Ďều thoả mãn thì ta có thể quan sát Ďược sự phụ thuộc tuyến tính Tuy nhiên khi lượng chất phân tích trên sợi

là không Ďáng kể so với tổng các vị trí hoạt Ďộng trên sợi thì lại không có sự phụ thuộc tuyến tính

Sợi vi chiết có thể Ďưa vào trong các mẫu rắn, lỏng, khí theo nhiều cách khác nhau:

- Ngâm trực tiếp sợi vào trong mẫu (với mẫu lỏng hoặc mẫu khí)

- Chiết phần không gian hơi trên mẫu rắn hoặc mẫu lỏng

- Nếu như mẫu quá bẩn (Ďặc biệt là với mẫu lỏng): Ďưa sợi vi chiết Ďược bảo vệ bởi một lớp màng bằng hợp chất cao phân tử

Từ các cách tiến hành SPME khác nhau có thể có sự khác nhau khi so sánh phương trình về lượng mẫu chiết ra Nếu thể tích mẫu chiết lớn, ví dụ như với mẫu khí hoặc mẫu nước sông hồ hoặc hằng số Kfs nhỏ (ái lực của pha tĩnh với chất phân tích nhỏ) thì giá trị Vs trong phương trình (1.2.1) lớn hơn rất nhiều so với KfsVf nên có thể bỏ qua giá trị này Do Ďó có thể biểu diễn lượng mẫu Ďược hấp phụ trên sợi vi chiết như sau:

nK V C fs f 0 (1.2.3)

Với n là lượng chất chiết Ďược tại thời Ďiểm cân bằng giữa hai pha, không phụ thuộc vào thể tích mẫu Điều này có nghĩa rằng việc lựa chọn thể tích mẫu khi lấy mẫu là không cần thiết nữa và có thể Ďưa trực tiếp sợi vi chiết vào môi trường mẫu Lượng mẫu chiết là không Ďáng kể so với tổng lượng chất có mặt trong một thể tích mẫu lớn

Khi quá trình chiết Ďược tiến hành trong một thể tích mẫu xác Ďịnh thì phương trình (1.2.3) có dạng:

s f fs

f s fs V V K

C V V K

+) Khi KfsVf << Vs thì ta có thể bỏ qua Ďại lượng KfsVf ở mẫu số, phương trình (1.2.4) trở về (1.2.3)

+) Khi KfsVf >> Vs thì ta có thể bỏ qua Ďại lượng Vs ở mẫu số, lúc Ďó phương trình (1.2.4) có dạng:

0 0

C V V

K

C V V K

f fs

f s

Theo tác giả Berg Fohn R [24] thì nhiều hợp chất có thể Ďược chiết ra khỏi dung dịch bằng phương pháp này, nhưng ở trạng thái cân bằng thì không phải chất phân tích Ďược chiết hoàn toàn ra khỏi dung dịch mẫu, mà chỉ có khoảng từ 2 – 20% lượng chất phân tích Ďược chiết ra khỏi mẫu Vì vậy Ďể phân tích Ďịnh lượng theo phương pháp này thì các chất chuẩn và các mẫu thực phải Ďược phân tích trong cùng một Ďiều kiện

Màng pha tĩnh Ďược phủ lên thành bên trong của một kim tiêm rỗng với một Ďộ dày nhất Ďịnh Đưa kim tiêm vi chiết vào môi trường chứa mẫu có thể

là khí, lỏng hoặc KGH mẫu lỏng, KGH mẫu rắn Thực hiện kéo, Ďẩy pittông

Ďể cho một phần lượng mẫu liên tục Ďược tiếp xúc với màng pha tĩnh Với mỗi chu kì tiếp xúc như vậy, nhờ Ďồng thời quá trình hấp phụ và hấp thụ (gọi chung là hấp thu) của các chất lên màng pha tĩnh cho Ďến khi Ďạt trạng thái cân bằng Ďộng học Sau Ďó, toàn bộ lượng chất vi chiết Ďược trên màng pha tĩnh Ďược Ďưa vào cổng bơm mẫu injectơ của máy sắc kí khí Nhờ dòng khí mang nóng, các chất Ďược giải hấp bởi nhiệt khỏi màng pha tĩnh và Ďi vào cột tách sắc kí Kim tiêm vi chiết Ďưa ra khỏi cổng bơm mẫu injectơ và có thể tái

sử dụng [45, 64, 95]

* Kĩ thuật chiết màng

Những ưu Ďiểm chính của kĩ thuật màng cho việc lấy mẫu và tiền xử lí các mẫu chất VOC là khả năng cải tiến tính chọn lọc cao và hệ số làm giầu mẫu lớn, với lượng dung môi sử dụng tối thiểu và có thể tự Ďộng hoá Đặc biệt, chất phân tích chuyển từ mẫu gốc lên pha hấp thu nhờ màng vật liệu Ďơn

hoặc Ďa lớp, ở Ďây có sự phân biệt giữa màng không xốp và màng xốp (tẩm dung môi) Việc lựa chọn kĩ thuật vi chiết màng cho từng mục Ďích phân tích

cụ thể Ďược tìm thấy trong nhiều nghiên cứu trước Ďây [46, 87]

Các kĩ thuật chiết màng quan trọng với việc chuẩn bị mẫu VOC là màng lồng ghép khối phổ (membrane inlet mass spectrometry: MIMS) và chiết màng lên bề mặt chất hấp phụ (membrane extraction sorbent interface: MESI), phần lớn chúng Ďược tạo từ vật liệu màng silicon Các màng loại này cho phép lựa chọn hấp thu những hợp chất kém phân cực bay hơi và loại trừ Ďược hơi nước khỏi Ďưa vào thiết bị phân tích

+ Kĩ thuật chiết màng lồng ghép khối phổ

Trong kĩ thuật MIMS, chất

phân tích Ďược lựa chọn thấm

qua màng Ďi vào buồng ion

của thiết bị khối phổ (như

hình 1.5) [46] Những ứng

dụng trong phân tích môi

trường của MIMS, với sự

quan tâm Ďặc biệt cho mục Ďích phân tích VOC Ďã Ďược nghiên cứu bởi Ketola và các cộng sự [54] Với thiết bị ghép nối màng Ďa lớp cho phép làm tăng hệ số làm giầu nhờ vào những cải tiến gần Ďây nhất của kĩ thuật MIMS

Ví dụ, Ketola và các cộng sự Ďã Ďưa ra một hệ thống ghép nối bao gồm ba màng liên tiếp với một dạng trạng thái Ďộng học không Ďồng Ďều khi Ďưa vào mẫu Hệ số làm giàu mẫu tăng lên Ďến 105 Ďược so sánh với phân tích mẫu trực tiếp [54] Vì yêu cầu của một kĩ thuật chuẩn bị mẫu là khả năng làm giàu cao và thời gian phân tích ngắn, kĩ thuật MIMS cho phép xử lí mẫu với công suất lớn do Ďó rút ngắn Ďược thời gian lấy mẫu và thực hiện phân tích Một nghiên cứu quan trọng nữa của MIMS là có thể sử dụng máy phân tích khối bẫy vi ion với kích thước dưới milimet Mặc dù vậy, LODs nằm trong khoảng

Hình 1.5: Mô hình kĩ thuật chiết màng lồng ghép khối phổ; 1- Đường vào của khí loại trừ (He), 2- màng pha tĩnh, 3- Đưa mẫu vào

1,1 (xilen) và 32,8μgL-1

(axeton), kết quả nhận Ďược khá cao hơn so với các thiết bị thông thường và khi sử dụng thiết bị MS/MS có thể cải tiến Ďược Ďộ nhạy bằng việc loại trừ nhiễu của Ďường nền [46, 77, 87]

+ Kĩ thuật chiết màng lên bề mặt chất hấp phụ

Trong kĩ thuật MESI phân tích mẫu khí thường Ďược thực hiện bởi dạng màng cao su silicon Lưu lượng của dòng khí Ďi vào bên trong sẽ Ďưa các chất chiết Ďược tới bẫy làm lạnh hoặc hấp thu Sau Ďó, các chất Ďược giải hấp bởi nhiệt và phân tích bằng hệ thống sắc kí khí Tiêu Ďiểm của sự tối ưu hoá dựa trên sự bắt giữ hoặc làm tăng việc làm giàu và giải hấp chất phân tích, ví dụ bằng việc sử dụng một bẫy chất hấp thu heli hoặc thông qua ảnh hưởng của nhiệt Ďộ Ďể kiểm soát bề mặt màng thay vì phải dùng bẫy chất hấp thu Trong bước cải tiến này nhiệt Ďộ của màng có thể Ďược kiểm soát trong khoảng nhiệt

Ďộ 70-2500

C bởi một thiết bị Ďốt nóng bằng Ďiện và một dòng nitơ hoặc heli

Ďể làm lạnh Sau quá trình xử lí trên màng, sự giải hấp nhanh bởi nhiệt của các chất phân tích khỏi bẫy lọc Ďể thu Ďược píc sắc nét trên thiết bị phân tích GC/MS LODs của toluen và benzen Ďã Ďược ghi nhận thấp hơn 0,5ngL-1, kết quả có Ďộ nhạy tăng gấp 20 lần so với kĩ thuật MIMS thông thường [46, 64,

77, 87]

1.1.3 Phương pha ́ p phân tích sắc kí khí

1.1.3.1 Nguyên tắc chung cu ̉ a p hương pháp sắc kí khí

Hệ thống chung của một thiết bị sắc kí khí bao gồm các bộ phận chính là khí mang (pha Ďộng), cổng bơm mẫu (injectơ), cột tách và Ďetectơ

Nguyên tắc hoạt Ďộng là dòng khí mang Ďược cấp liên tục từ bộ phận cấp khí, qua cổng bơm mẫu, tại Ďây mẫu Ďược bơm vào dưới dạng lỏng hoặc khí, nhờ nhiệt Ďộ cao, các chất Ďều Ďược hoá hơi và dòng khí mang Ďưa toàn bộ mẫu hoặc một phần Ďi vào cột tách Tại cột tách, nhờ lực tương tác khác nhau của các pha tĩnh trong thành cột (với cột mao quản) và các hạt pha tĩnh (với cột nhồi), mà các chất ra khỏi cột Ďến Ďetectơ với những khoảng thời gian

khác nhau Tại Ďetectơ, mỗi chất khi Ďến nơi Ďều Ďược nhận biết bằng việc thay Ďổi thế Ďiện hoặc nhiệt so với dòng khí mang ổn Ďịnh khi không có chất Mỗi sự thay Ďổi này Ďều Ďược chuyển thành tín hiệu Ďiện, khuyếch Ďại, lưu trữ thông qua bộ xử lí số liệu và Ďược in ra dưới dạng sắc kí Ďồ [5, 20]

1.1.3.2 Đetectơ ion hoá ngọn lửa

Đetectơ ion hoá ngọn lửa FID (Flame Ionization Detector: FID) là một trong những Ďetectơ có Ďộ nhạy cao và thông dụng nhất trong phương pháp sắc kí khí Nguyên tắc làm việc của Ďetectơ ion hoá ngọn lửa là dựa vào sự ion hoá chất tan trong ngọn lửa hiĎro-không khí Ďặt ở trong một Ďiện trường (300-400V) tạo bởi hai Ďiện cực là ống muống Ďèn hiĎro và Ďiện cực góp hay Ďiện cực tín hiệu là ống nắp hình trụ Ďặt ở vị trí cao hơn Ďầu ống muống 0,5-1,0cm) Thế này hạ thấp Ďiện trở giữa hai Ďiện cực và gây ra một dòng (~10-

12A) Ďể lưu thông Dòng này xuất hiện từ các ion và các electron tự do Ďược sinh ra trong ngọn lửa hiĎro-không khí tinh khiết Khi chất có khả năng ion hoá (như hiĎrocacbon) rửa ra từ cột Ďi vào ngọn lửa nhờ nhiệt Ďộ cao nó bị bẻ gẫy mạch, bị oxi hoá nhờ oxi của không khí Ví dụ như có chế hình thành ion trong trường hợp benzen như sau:

Hình 1.6: Sơ Ďồ khối thiết bị sắc kí khí

C6H6 → 6CH

6CH + O2 → 6CHO+ + 6e-

Các ion Ďược tạo thành chuyển về các bản Ďiện cực trái dấu nằm ở hai phía ngọn lửa (thế hiệu giữa hai bản Ďiện cực này khoảng 300-400V) Dòng này Ďược chạy qua Ďiện trở nội, Ďược Ďánh giá như là sự sụt thế, Ďược khuếch Ďại

và cuối cùng Ďược chuyển Ďến máy ghi hoặc máy vi tính Một thế Ďối diện cũng bằng như vậy Ďối với tín hiệu từ ngọn lửa hiĎro-không khí khi chỉ có một khí mang tinh khiết Ďi qua cho phép Ďể Ďiều chỉnh Ďường nền [5] Sơ Ďồ của một Ďetectơ ion hoá ngọn lửa Ďược trình bày như ở hình dưới Ďây

1.1.3.3 Đetectơ cộng kết điện tử

Nguyên tắc làm viê ̣c của Ďetectơ cộng kết Ďiện tử (Electron Capture Detector: ECD) là sự ion hóa các hợp chất gây ra bởi tia phóng xạ  (3H, 63

Ni) Nói chung các chất hữu cơ Ďều có khả năng ion hóa b ởi các Ďiện tử tự

do trong pha khí Khả năng này lớn hay nhỏ phụ thuộc vào cấu tạo của hợp chất (khả năng phản ứng của các Ďiện tử của hiĎrocacbon no < các hiĎrocacbon không no < các dẫn xuất halogen )

Bô ̣ phâ ̣n chính của Ďetectơ là buồng ion hóa , các chất sau khi rửa giải khỏi cột Ďi vào giữa hai Ďiện cực , có một bề mặt phóng xạ phát xạ các electron năng lươ ̣ng cao (hạt ) vớ i tốc Ďô ̣ 108-109 hạt/giây (nguồn phóng xa ̣ thường dùng là 63

Ni, tuy Ďộ nha ̣y kém hơn 3

H nhưng có ưu Ďiểm là bền , có thể làm việc Ďược ở nhiệt Ďộ cao 4000

C) Các electron này bắn phá khí mang tạo

ra các ion dương, các gốc và các electron nhiệt bởi hàng loạt các va ch ạm Ďàn hồi và không Ďàn hồi Quá trình này xảy ra rất nhanh (<0,1 microgiây) Các electron nhiê ̣t Ďươ ̣c gia tốc nhờ Ďă ̣t mô ̣t hiê ̣u Ďiê ̣n thế vào buồng Ďetectơ sẽ chuyển Ďô ̣ng về phía anot ta ̣o thành dòng Ďiê ̣n nền của Ďetectơ (tín hiê ̣u Ďường nền) khi chỉ có khí mang Ďi qua Các hợp chất hấp thụ electron trong dòng khí mang Ďi ra từ cô ̣t tách phản ứng với các electron nhiê ̣t này ta ̣o thành các ion

âm có khối lượng lớn hơn Tốc Ďô ̣ tổ hợp giữa các ion dương và ion âm nhanh hơn nhiều lần so với giữa các electron nhiê ̣t và ion dương Như vâ ̣y sự giảm dòng Ďiện của Ďetectơ (sự sụt thế Ďường nền ) gây ra bởi sự khử các electron nhiê ̣t do sự tái tổ hợp khi có mă ̣t chất thu electron t ạo ra cơ sở Ďịnh lượng cho sự vâ ̣n hành Ďetectơ vì mức Ďô ̣ suy giảm phụ thuô ̣c vào hàm lượng cấu tử các

Hình 1.8: Sơ Ďồ cấu tạo một Ďetectơ cộng kết Ďiện tử

chất phân tích Ďi qua và Ďược thể hiê ̣n bằng píc sắc kí Ďược trưng cho chất Ďó trên sắc kí Ďồ [5] Sơ Ďồ của một Ďetectơ cộng kết Ďiện tử (ECD) Ďược trình bày như ở hình dưới Ďây

1.1.3.4 Đetectơ khối phổ

Đetectơ khối phổ (Mass Spectrometry detector: MSD) là một Ďetectơ vạn năng dùng cho sắc kí khí, vì một chất bất kì nào Ďi qua máy sắc kí khí Ďều Ďược chuyển hoá thành các ion ở trong máy khối phổ Đồng thời bản chất Ďặc trưng cao của khối phổ Ďồ tạo cho máy phổ khối như một Ďetectơ sắc kí khí Ďặc trưng Có thể ví dụ sắc kí khí là một máy tách lí tưởng, còn khối phổ là một Ďetectơ tuyệt hảo Ďể nhận biết Hơn nữa, sắc kí khí vào khối phổ có sự tương thích cao (mẫu Ďều Ďược nghiên cứu ở trạng thái khí, Ďều có Ďộ nhạy cao, tốc Ďộ phân tích tương tự nhau) [5]

Cấu tạo chung của một Ďetectơ MS bao gồm buồng ion hoá, bộ lọc khối

và Ďetetơ Ďược Ďặt trong chân không cao khoảng 10-3

-10-4Pa Chất phân tích sau khi Ďi ra khỏi cột phân tách Ďược dẫn vào buồng ion hoá, từ một sợi kim loại Ďốt nóng các electron sẽ bắn phá các phân tử chất dưới hiệu Ďiện thế

khoảng 10-100eV Các phân tử chất sẽ bị bật ra 1 electron và chuyển thành ion phân tử M+ hoặc cũng có thể các ion phân tử Ďó bị bắn phá tiếp Ďể hình thành các ion nhỏ hơn và các phân tử nhỏ Tổng các ion và phân tử nhỏ này qua bộ lọc ion Ďể cho các ion Ďi tiếp còn các phân tử nhỏ Ďi ra ngoài theo bơm hút chân không Sau Ďó các ion này Ďi qua bộ phận phân tách Ďể thu Ďược các mảnh ion có khối lượng (m/z) thích hợp Ďi vào Ďetectơ Tại Ďetectơ các ion này sẽ gây ra các tín hiệu Ďiện và Ďược khuyếch Ďại, sau Ďó truyền Ďến bộ xử

lí số liệu và Ďược in ra dưới dạng sắc kí Ďồ và phổ khối Ďồ

* Các kiểu hình thành ion

+ Kỹ thuật va đập ion trực tiếp (Electron Impact: EI)

- Nguyên tắc sự hình thành ion phân tử

Khi các phân tử Ďi vào buồng ion hoá, dòng electron liên tục, có hướng xuất phát từ một thanh kim loại Ďốt nóng (filement) va Ďập trực tiếp với phân tử chất Nhờ có va chạm này mà phân tử ban Ďầu bị mất Ďi một electron và hình thành nên ion phân tử (M+.) Tiếp Ďó các ion phân tử này tiếp tục bị bắn phá bởi các electron tiếp theo Ďể hình thành các mảnh ion dương nhỏ hơn và Ďủ bền Ďể có thể di chuyển Ďến bộ phận thu nhận là Ďetectơ Mô hình va Ďập ion Ďơn giản Ďể hình thành ion phân tử Ďược mô tả như sau:

M + e- M+. + 2e-

- Đặc Ďiểm của kỹ thuật EI : Là kỹ thuật Ďược sử dụng phổ biến nhất trong GCMS; Nguồn ion hóa mở ; Tạo thành nhiều phân mảnh ion

+ Kỹ thuật ion hóa hóa học (Chemical Ionization: CI)

- Nguyên tắc sự hình thành ion

Trước tiên, sự ion hoá của khí tác nhân nhờ một dòng electron va Ďập

Dạng chung của ion phân tử giả

(Trường hợp khí tác nhân là metan)

Hình 1.10: Sơ Ďồ kĩ thuật ion hoá hoá học