CHƯƠNG III xử lý mẫu TRONG PHÂN TÍCH THỰC PHẨM

- Để đưa các chất cần xác định về một trạng thái thích hợp cho phép đo, theo phương pháp phân tích đã chọn.- Để chất phân tích có thể tồn tại trong trạng thái bền vững và phù hợp với kỹ

Nội dung:

+ Xử lý mẫu là gì? Tại sao phải xử lý mẫu

+ Các phương pháp xử lý mẫu

 Kỹ thuật vô cơ hoá khô (xử lý khô),

 Kỹ thuật vô cơ hoá ướt (xử lý ướt)

 Kỹ thuật vô cơ hoá khô- ướt kết hợp,

 Các kỹ thuật chiết (lỏng-lỏng,lỏng-rắn,

rắn-lỏng),

CHƯƠNG III: XỬ LÝ MẪU TRONG PHÂN

TÍCH THỰC PHẨM CHƯƠNG III: XỬ LÝ MẪU TRONG PHÂN

TÍCH THỰC PHẨM

- Xử lý mẫu là quá trình hoà tan và phân huỷ,

chuyển chất cần xác định về trạng thái phù hợp với quá trình phân tích.

- Xử lý mẫu đồng thời xãy ra hai quá trình: Phân

hủy cấu trúc của mẫu và chuyển chất cần xác định

về trạng thái phù hợp với quá trình phân tích.

XỬ LÝ MẪU LÀ GÌ

- Để đưa các chất cần xác định về một trạng thái thích hợp cho phép đo, theo phương pháp phân tích đã chọn.

- Để chất phân tích có thể tồn tại trong trạng thái bền vững và phù hợp với kỹ thuật đo

- Đưa cấu tử phân tích từ nhiều trạng thái khác nhau trong mẫu về một trạng thái đồng nhất

TẠI SAO PHẢI XỬ LÝ MẪU

Các yếu tố ảnh hưởng đến xử lý mẫu:

 Đối tượng mẫu, matrix của mẫu

+ Hàm lượng của chất cần xác định ở mức nào trong mẫu

TẠI SAO PHẢI XỬ LÝ MẪU

 Kỹ thuật vô cơ hoá ướt (xử lý ướt)

 Kỹ thuật vô cơ hoá khô (xử lý khô),

 Kỹ thuật vô cơ hoá khô- ướt kết hợp,

 Các kỹ thuật chiết (lỏng-lỏng, lỏng-rắn, rắn-lỏng)

 Các kỹ thuật sắc ký, v.v

CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ MẪU

Kỹ thuật vô cơ hóa ướt:

- Bằng axit mạnh đặc nóng

- Bằng kiềm nóng chảy

KỸ THUẬT VÔ CƠ HÓA ƯỚT

+ Dựa vào tính axit và tính oxy hóa của các axit để

thực hiện quá trình phá mẫu như : HCl HNO3, H2SO4,

HClO4 v.v…

+ Tùy vào bản chất của các axit cũng như thành phần

hổn hợp axit mà tạo ra những nhiệt độ khác nhau.

KỸ THUẬT VÔ CƠ HÓA BẰNG AXIT ĐẶC

NÓNG

KỸ THUẬT VÔ CƠ HÓA BẰNG AXIT ĐẶC

NÓNG

Với axit đơn

Axit HCl HNO 3 H 2 SO 4 H 3 PO 4 HClO

Ưu và nhược điểm :

Nguyên tắc chung:

•Dùng các dung dịch (NaOH, KOH ), hay hỗn hợp (NaOH +NaHCO3), hay (KOH + Na2O2), nồng độ khoảng (10 -20%), để phân huỷ mẫu phân tích về dạng hydroxyl hay muối kiềm dể tan

•Lượng dung dịch phân huỷ: cần lượng lớn từ 8-15 lần lượng mẫu

•Thời gian phân huỷ: từ 4 - 10 giờ trong hệ hở Còn trong hệ lò vi sóng kín chỉ cần thời gian 1-2 giờ

XỬ LÝ BẰNG KIỀM NÓNG

CÁC ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG

• Ưu điểm: áp dụng tốt cho các nguyên tố có hợp chất dễ bay hơi và các nguyên tố và các matrix của mẫu dễ tan trong kiềm

• Nhược điểm lớn là tốn nhiều kiềm từ 10 – 15 lần lượng mẫu

• Dùng cho một số chất như các chất: Cl-, Br-, NO3-, SO42-,

PO43- và một số mẫu thực phẩm không xử lý được

bằng axit

XỬ LÝ BẰNG KIỀM NÓNG

Kỹ thuật xử lý khô là kỹ thuật nung mẫu trong lò nung ở một nhiệt độ thích hợp Mẫu sau khi nung được hoà tan bằng dung dịch axit phù hợp, chuyển về dạng dung dịch, sau đó xác định theo phương pháp đã chọn

Nguyên tắc:

KỸ THUẬT VÔ CƠ HÓA KHÔ

Các yếu tố ảnh hưởng đế quá trình nung

• Nhiệt độ nung

• Thời gian nung

• Chất phụ gia: Bảo vệ các chất phân tích không bị mất và làm cho quá trình phân hủy mẫu nhanh hơn

KỸ THUẬT VÔ CƠ HÓA KHÔ

Loại mẫu Phụ gia Nhiệt độ Sản phẩm sau khi nung

Quặng CuS 550-600 CuO+SO2+H2O + MenXmDolomit 550-650 CaO+MgO+H2O+CO2+ MenXmLnCO

Các ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng

• Thao tác và cách làm đơn giản,

• Không phải dùng nhiều axit đặc tinh khiết cao đắt tiền Xử lý được triệt để, nhất là các mẫu nền hữu

cơ

• Nhưng có nhược điểm là có thể mất một số chất dễ bay hơi, ví dụ như Cd, Pb, Zn, Sn, Sb, v.v nếu

không có chất phụ gia và chất bảo vệ

KỸ THUẬT VÔ CƠ HÓA KHÔ

• Nguyên tắc:

+ Xử lý sơ bộ bằng phương pháp ướt

+ Thực hiện quá trình nung mẫu

+ Hòa tan mẫu bằng dung môi thích hợp

• Ưu điểm

+ Tận dụng được ưu điểm của cả hai phương pháp

+ Rút ngắn thời gian

+ Giảm chi phí, chỉ bằng 1/5 phương pháp ướt

Phương pháp vô cơ hóa mẫu khô – ướt kết hợp đã phát huy được ưu điểm và khắc phục được nhược điểm của phương pháp vô cơ hóa mẫu khô và vô cơ hóa mẫu ướt

KỸ THUẬT VÔ CƠ HOÁ KHÔ-ƯỚT KẾT HỢP

•Lấy 5.000 g mẫu đã nghiền mịn vào chén nung, thêm 5 mL HNO3 45% và 5 mL Mg(NO3)2 5%, trộn đều, rồi sấy, hay đun nhẹ trên bếp điện cho mẫu sôi, cô cạn đến khô thành than đen

•Sau đó đem nung lúc đầu ở 400-450 oC trong 3 giờ, rồi nâng lên 550oC, đến hết than đen

•Hoà tan tro thu được trong 20 mL dung dịch HCl 1/1

và có thêm 1 mL HNO3 65%, đun nóng cho tan, làm bay hơi hết axit dư đến còn muối ẩm, định mức bằng dung dịch HCl 2% thành 25 mL

Xử lý mẫu rau quả để xác định Na, K, Ca, Cd, Co,

Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn

Xử lý mẫu rau quả để xác định Na, K, Ca, Cd, Co,

Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn

•Lấy 5.000 g mẫu vào chén nung, thêm 5 mL HNO3 45%, 2 mL H2SO4 98% và 5 mL Mg(NO3)2 5% ( hay KNO3), đun sôi

•Nung ở 400-450oC trong 3 giờ, tiếp đó ở 550oC cho mẫu tro hoá đến khi thấy bả không còn đen

•Hoà tan tro thu được trong 18 mL HCl 1/1 và có thêm 1.0 mL HNO3 65%, đun nóng cho mẫu tan hoàn toàn, đuổi hết axit dư đến còn muối ẩm, và định mức thành 25

mL bằng axit HCl 2% Đây là dung dịch mẫu để xác định các kim loại bằng các phương pháp UV-VIS, hay AAS, hay ICP-OES, hoặc ICP-MS

Xử lý mẫu sữa để xác định Na, K, Ca, Mg, Cd, Co,

Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn

Xử lý mẫu sữa để xác định Na, K, Ca, Mg, Cd, Co,

Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn

 Chiết lỏng - lỏng ( liquid- liquid extraction)

 Chiết lỏng- rắn ( liquid- solid extraction)

Với mẫu dạng rắn:

 Chiết rắn – lỏng (solid- liquid extraction SLE)

• Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết: + Bản chất của chất cần trích ly

+ Nền của chất cần trích ly tồn tại

+ Bản chất của dung môi

+ Nhiệt độ của quá trình chiết

+ Thời gian chiết

+ Số lần chiết chiết

+ Kỹ thuật chiết

CHIẾT (TRÍCH LY)

Hai chất lỏng không hòa tan vào nhau

•Khi hai chất lỏng không hòa tan vào nhau thì lực liên kết

của các phân tử cùng loại lớn hơn rất nhiều lực liên kết các phân tử khác loại.

•Hổn hợp tạo thành hai chất lỏng không hòa tan vào nhau

có những tính chất chung như:

CHIẾT LỎNG – LỎNG (Mẫu trích ly dạng lỏng)

CHIẾT LỎNG – LỎNG (Mẫu trích ly dạng lỏng)

B A

A B

B s

hh s

A s

hh s B

B A

P  0 ;  0 ;  ,      0  0

CHIẾT LỎNG – LỎNG (Mẫu trích ly dạng lỏng)

CHIẾT LỎNG – LỎNG (Mẫu trích ly dạng lỏng)

+ C1, C2 là nồng độ chất tan ở hai pha dung môi 1 và 2

+ K là hằng số tại một nhiệt độ ,áp suất và ứng với một hệ dung môi xác định

+ K càng lớn thì hiệu quả tách càng cao

Định luật phân bố Nest: Tỷ lệ nồng độ của một chất phân

bố vào hai chất lỏng không hòa tan vào nhau tại một

nhiệt độ xác định là một đại lượng không đổi, không phụ thuộc vào lượng cấu tử nào

2

1

C C

K 

CHIẾT LỎNG – LỎNG

Vấn đề: Có một chất tan G trong dm A tạo thành hổn

hợp Ta dùng một dm B để chiết Lấy một lượng dm B cho vào hổn hợp, sau đó lắc, G sẽ phân bố sang dung

môi B và ta tách được G ra khỏi A (dm A và dm B không hòa tan vào nhau)

Giả sử ban đầu:

+ Có m mol chất G, thể tích dm A là VA(ml) , dm B

dùng VB(ml) để chiết

+ Sau lần chiết thứ nhất trong dm A còn lại q1phần % số mol G

C K

)

( 1

) 1

( )

1 1

1

b a

a

a

b b

B a

A

V K V

V q

V q V

q

K V

m

q C

V

m

q C

a

V K V

V q

q

.

1 2

n

b a

a n

V K V

a

V K V

V q

• Vậy lượng chất tan G chiết qua dung môi B sau n lần chiết:

a n

V K V

V q

1

1

Ví dụ 1: Chất tan X phân bố trong hai dung môi nước và benzen có

k = 3 Cho Cbđ = 0,1M, VA= 100ml.

+ Tính nồng độ X còn lại sau khi chiết 5 lần với mỗi lần là 100ml benzen

Ví dụ 2: Chất béo phân bố trong hai dung môi nước – ete có k = 5 Cho Cbđ = 0,1M , VA= 100ml.

+ Tính nồng độ axit béo trong nước khi cho vào đó 200ml ete

+ Tính nồng độ axit béo trong nước sau khi chiết 5 lần với mỗi lần là 40ml ete

CHIẾT LỎNG – LỎNG

HA ↔ H+ + A

-Lúc đó nồng độ của chất B hay chất A trong dung môi nước

sẽ bị thay đổ do sự phân ly hay kết hợp trên.

Khi chất tan là những axit hay bazo thì trong dung dịch có

KHI CHẤT TAN LÀ MỘT BAZ HỬU CƠ

Trong dung môi nước có cần bằng sau:

Như vậy tổng nồng độ chất B trong dm nước là:

[B1] + [HB+] Gọi KD là hệ số phân bố thực, ta có

Vì :

Ta có

KHI CHẤT TAN LÀ MỘT ACID HỬU CƠ

Trong dung môi nước có cần bằng sau:

Như vậy tổng nồng độ chất B trong dm nước là:

[A -]1 + [HA]1Gọi KD là hệ số phân bố thực ta có

-Ví dụ 3: Một dung dịch nước chứa một amin có CM = 0,1M Người ta chiết 100ml dung dịch amin này bằng Baz có Kb=

10-5 Cho K = 3 Tính q trong các trường hợp

a.Chiết một lần với VB = 100ml ở pH = 10

b.Chiết một lần với VB = 100ml ở pH= 12

c Chiết hai lần với VB = 50ml ở pH= 12

Ví dụ 4: Một dung dịch nước chứa một acid hửu cơ ( Ka=

10-3 ) có nồng độ 0,1M Người ta chiết 100ml dung dịch

acid này bằng một dung môi có K = 4 Tính q còn lại trong nước ở các trường hợp

a.Chiết một lần với VB = 100ml ở pH = 3

b.Chiết một lần với VB = 100ml ở pH= 1

c.Chiết hai lần với VB= 50ml ở pH = 1

TRÍCH LY LỎNG – RẮN

SOLID-PHASE EXTRACTION

TRÍCH LY LỎNG – RẮN

SOLID-PHASE EXTRACTION

• Nguyên tắc của trích ly trên pha rắn

SPE là một quá trình trích ly:

+ Ở đó mẫu ở pha thái lỏng được lọc qua một lớp chất có khả năng hấp phụ.

+ Các chất cần quan tâm sẽ dịch chuyển theo những tốc độ khác nhau và phân bố trên bề mặt chất hấp phụ

+ Mỗi chất sẽ lần lượt được rữa giãi ra khỏi bề mặt chất

hấp thụ bằng dung môi rữa giãi

35

Nguyên tắc của SPE

SOLID-PHASE EXTRACTION

 Thời gian mất 10 - 20 phút

SPE cột LLE

SPE Column

SOLID-PHASE EXTRACTION

SOLID-PHASE EXTRACTION

(-CH-CH2)n

N-CH3 C=O

(-CH-CH2)n

N-CH3 C=O

SOLID-PHASE EXTRACTION

Pha tỉnh là một Polyme

TIẾN HÀNH

•

51

SOLID-PHASE EXTRACTION

4 BƯỚC TRONG

SPE

SOLID-PHASE EXTRACTION

THIẾT LẬP ĐIỀU KIỆN CHO NỀN HẤP THỤ LÀ SILICA

Thêm Dung Môi Hửu Cơ Để Làm Sạch Và Hoạt Hóa Chuổi

Alkyl- (C 18 , C 8 Etc.)!

Không Được Để Cột Bị Khô !

SOLID-PHASE EXTRACTION

MỘT SỐ VÍ DỤ CHIẾT TRÊN PHA RẮN

Thêm mẫu và rửa giãi:

Mẫu sau khi chuẩn bị được cho vào cột, thêm 5 ml nước cất để rữa giãi những thành phần như đường, chất màu của đường hay axit hửu cơ

Giải hấp :

Các chất màu như anthocyanines, flavonoids, tannins and/or alkaloids

là được rữa giãi qua cột bằng metanol đôi khi 2-propanol

Định lượng:

Các chất cần phân tích lúc này nằm trong dung dịch rữa giãi có thể xác định bằng các phương pháp như : TLC- GC-LC v.v…

Sample Preparation :

Dissolve 100 mg Fe(NO3)3 or FeCl3 in 10 mL of distilled water or use

an amount of approximately 100mL waste water, which contains iron (III) ions.

2 mL of the sample is aspirated through the column.

The column is washed with 2 mL of distilled water.

Elution:

Fe 3+ -ions are eluted in 1-2 mL hydrochlorid acid (c=0,1 M).

The eluate is coloured yellow.

Analysis:

Rapid Extraction of iron-ions from water samples or waste

water

A 3 mL Amino (Baker: 7088-03) SPE column is

conditioned with 2 methanol.

TLC-experiments can be done.

Sample Addition/Wash:

The prepared sample is aspirated through the column A 2

mL distilled water wash is used to remove all the other

compounds.

Elution:

ß-carotine is eluted with about 2 mL heptane-acetone

mixture (8:2,v,v) the eluate is coloured yellow.

Analysis:

For detailed analysis - an absorption spectrum can be

taken from the eluate.

- TLC-experiments can be performed.

TRÍCH LY RẮN - LỎNG ( Mẫu trích là dạng rắn)

TRÍCH LY RẮN - LỎNG ( Mẫu trích là dạng rắn)

 Quá trích trích ly các hợp chất hửu cơ như lipid, chất màu,

hương, chất có hoạt tính sinh học v.v

 Quá trình trích ly được thực hiện bằng sự tác động của

dung môi dưới tác động của các yếu tố như : lắc, nhiệt độ,

áp suất, sóng siêu âm, vi sóng v.v…

 Chất tan sẽ bức khỏi bề mặt sau đó hòa tan, phân tán vào

dung môi

Đồ thị mô tả hiệu suất thu

hồi chất tan từ nền mẫu rắn

theo thời gian

John R, Dean – Extraction

techniques in analytical sciences

CÁC KỸ THUẬT TRÍCH LY RẮN – LỎNG

 Chiết Soxhlet

 Chiết Soxhlet tự động ( Soxtec)

 Chiết PFT (Pressure fluid extraction)

 Chiết SFT( Supercritical fluid extraction)

 Bộ chiết Soxhlet bào gồm 3 bộ phận

chính: bình chưa dung môi- bộ phận trích

ly- bộ phận sinh hàn

 Vật liệu được cho vào ở bộ phận trích ly

 Tùy vào mục đích của quá trình mà người

 Quá trình chiết Soxhtec đi qua 3 giai đoạn: Giai đoạn một

mẫu được ngâm trong dung môi đun sôi- giai đoạn hai, túi chứa mẫu được nhấc ra khỏi pha dung môi, tiến trình thực hiện như chiết Soxhlet- giai đoạn 3 thu hồi dung môi

 Tùy vào bản chất của từng quá trình mà thời gian thực hiện

cho từng quá trình là khác nhau

 Sự kết hợp tiến trình xãy ra qua 3 giai đoạn làm cho hiệu

quả trích ly tăng cao so với chiết Soxhlet

Chiết Soxhlet kết hợp với siêu âm và vi sóng

của các phân tử này chuyển sang nhiệt năng làm nhiệt độ hệ tăng.

+ Sự tăng nhiệt đột ngột làm hóa hơi các phân tử dung

môi, gia tăng đột ngột áp suất giúp phá vỡ cấu trúc tế bào, chuyển chất tan vào dung môi

+ Các quá trình trích ly bằng vi sóng thường có thời gian ngắn hơn rất nhiều so với phương pháp trích ly thông

thường,

Hiệu quả truyền nhiệt giữa hai kỹ thuật

Tác dụng của sóng siêu âm trong trích ly

+ Siêu âm là sóng âm có tần số lớn Năng lượng siêu âm trong dải tần số 20 – 100kHz

+ Sóng siêu âm lan truyền chậm hơn sóng điện từ khoảng 100.000 lần

+ Sóng siêu âm có thể dễ dàng xâm nhập vào các vật liệu chắn sáng, trong khi nhiều bức xạ ánh sáng không làm được

+Tác dụng nhiệt: Khi sóng siêu âm tác dụng lên một vật, năng lượng của chúng sẽ chuyển sang vật đó ở dạng nhiệt năng Nhiệt độ tăng cục bộ này có thể lên đến hơn 4800K với một số sóng siêu âm.

+ Tác dụng xâm thực: Xâm thực làm hình thành, phát triển

và vỡ của các bọt khí gây nên sự biến đổi áp suất Tại bọt khí ở thời điểm vỡ bọt có thể đạt nhiệt độ lên đến 5000K và

áp suất 200atm dẫn tới làm phá vỡ bề mặt vật liệu và tăng khả năng khuếch tán dung môi

Tác dụng của sóng siêu âm trong trích ly

+ Tác dụng lên cấu trúc: khi chất lỏng nằm trong trường tác động của sóng siêu âm cường độ cao, dao dộng và

áp lực của sóng sẻ làm tăng độ nhớt của chất lỏng

+ Nén và dãn: khi sóng siêu âm năng lượng cao đi qua môi trường rắn, nó gây nên một loạt các chu kỳ nén và dãn liên tục tương ứng với tần số của sóng siêu âm Sự nén dản liên tục với tần số cao làm cho bề mặt vật liệu rắn có thể bị phá vỡ

Tác dụng của sóng siêu âm trong trích ly

KỸ THUẬT TRÍCH LY PFE (PRESSURIZED FLUID EXTRACTION)

KỸ THUẬT TRÍCH LY PFE (PRESSURIZED FLUID EXTRACTION)

+ Kỹ thuật được đưa ra vào

năm 1995 do hãng Dionex

phát minh

+ Cơ sở của kỹ thuật là sử

dụng dung môi ở nhiệt độ cao

và áp suất cao trong quá trình

trích ly

+ Tốc độ trích ly tăng do độ

nhớt và sức căng bề mặt của

dung môi giảm trong khi tính

hòa tan và tốc độ khuyếch tán

của nó vào mẫu tăng lên

+ Sự kết hợp giữa nhiệt

độ cao và áp suất cao đem lại hiệu quả trích ly cao hơn.

+ Sự chọn lựa dung môi cho quá trình trích ly là phụ thuộc vào bản chất

của cấu tử cần trích ly.

Các yếu tố làm tăng hiệu suất thu hồi trong trích ly PFE

+ Khi nhiệt độ tăng khả

năng hòa tan tăng

+ Khi nhiệt độ tăng khả

năng khuyếch tán tăng

+ Trong suốt quá trình DM

luôn được bổ sung làm

tăng quá trình chuyển chất

+ Việc tăng áp suất làm

dung môi luôn ở trạng thái

lỏng, làm tăng tiếp xúc pha

giữa dung môi và vật liệu

+ Việc tăng áp suất và nhiệt độ trong quá trình trích ly làm

giảm đi lực liên kết giữa chất tan và nền vật liệu như liên kết hydro, lực Vander Waals, tương tác lưởng cực