* Khái niệm: Là 1 quá trình phức tạp để chuyển các chất hay các nguyên tố, các ion cần xác định có trong mẫu phân tích ban đầu về dạng tan trong 1 dung môi thích hợp như nước hay dung mô
Trang 1ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP MÔN HỌC: CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ MẪU VÀ PHÂN TÍCH MÔI TRƯỜNG
A Phần lý thuyết
I Khái niệm xử lý mẫu? Yêu cầu chung của quá trình xử lý mẫu phân tích?
* Khái niệm:
Là 1 quá trình phức tạp để chuyển các chất hay các nguyên tố, các ion cần xác định
có trong mẫu phân tích ban đầu về dạng tan trong 1 dung môi thích hợp như nước hay dung môi hữu cơ để sau đó có thể xác định được chúng theo 1 phương pháp phân tích thích hợp
Yêu cầu chung
- Không làm mất cấu tử cần phân tích
- Không làm nhiễm bẩn thêm cấu tử cần phân tích vào mẫu do bất kỳ nguồn nào
- Phù hợp với phương pháp phân tích
- Các hóa chất dùng trong quá trình xử lí mẫu phải đảm bảo độ sạch đúng mức yêu cầu
- Ưu tiên các phương pháp có thể kết hợp tách hay làm giàu mẫu
II Kỹ thuật vô cơ hóa mẫu:
1 Kỹ thuật vô cơ hóa mẫu ướt bằng axit mạnh đặc nóng và kỹ thuật vô cơ hóa mẫu ướt bằng dung dịch kiềm đặc nóng: Nguyên tắc, cơ chế của sự phân hủy mẫu, trang thiết bị cần sử dụng, ứng dụng, ưu nhược điểm của kỹ thuật? Lấy ví dụ minh họa?
a Kỹ thuật vô cơ hóa mẫu ướt bằng axit mạnh đặc nóng
- Nguyên tắc: Đây là kĩ thuật dùng các axit mạnh đặc và nóng
(HCl,H2SO4), hay axit mạnh , đặc và nóng có tính oxi hóa mạnh
(HNO3, HClO4), hoặc hõn hợp 2 axit ( HNO3 + H2SO4),hay 3 axit (HNO3 + H2SO4+ HClO4) ,…để hòa tan, phân hủy mẫu, trong điều kiệnđun nóng trong bình Kendan hoặc trong lò vi sóng
- Lượng axit thêm vào mẫu thường gấp 15 – 20 lần lượng trong mẫu, tùy thuộc vào loại mẫu
- Thời gian hòa tan mẫu trong các hệ hở thường từ vài giờ đến vài chục giờ, nhưng thời gian xử lý mẫu trong các hệ kín chỉ khoảng 50 – 90 phút,tùy thuộc vào loại mẫu và bản chất của chất phân tích
Trang 2 Cơ chế:
Trang thiết bị cần sử dụng: bình kendan, lò vi sóng,
ứng dụng: xác định các kim loại và 1 số phi kim, hay anion vô cơ như Cl-, Br-, NO3-, SO4(2-),… trong một số mẫu sinh học, mẫu hữu cơ, mẫu vô cơ, mẫu môi trường, mẫu đất, mẫu nước, mẫu bụi không khí, mẫu kim loại, hợp kim, rau quả và thực phẩm
ưu nhược điểm
- Ưu điểm
+ không làm mất chất phân tích
- Nhược điểm
+ thời gian xử lý dài nếu không dùng lò vi sóng cao áp,
+ tốn nhiều axit đặc tinh khiết cao, nhất là trong các hệ hở
+ dễ bị nhiễm bẩn nếu xử lý trong hệ hở, do môi trường hay axit dùng+ phải đuổi axit dư lâu, nên dễ bị nhiễm bẩn, bụi vào mẫu…
ví dụ
- xử lí mẫu rau bằng hỗn hợp 2 axit ( HNO3 H2O2), trong bình Kendal,
để xác định các kim loại nặng ( Cd, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn )
- 5g mẫu nghiền nhỏ + 60ml HNO3 65% + 5ml H2O2 30% => bình
Kendal => đun 6-8h tùy loại mẫu (dd trong, ko còn khói) => chuyển sangcốc 250ml, làm bay hơi axit => muối ẩm để nguội => định mức =
- Lượng dung dịch phân hủy: cần lượng lớn từ 8 – 15 lần lượng mẫu
- Thời gian phân hủy mẫu trong các hệ hở thường từ 4-10h , trong lò vi sóng kín chỉ khoảng 1-2h,
Trang thiết bị cần sử dụng: bình kendan, lò vi sóng,
Trang 3 ứng dụng:
- các hợp chất hay các mẫu tan tốt trong kiềm
- phân hủy các hợp chất hữu cơ để lấy các phi kim
ưu nhược điểm
+ dễ bị nhiễm bẩn, bụi vào mẫu…
* ví dụ: Hòa tan oxit nhôm bằng dd NaOH 10% nóng
Lấy 0,5g mẫu dạng bột cho vào bình Kendal, tẩm ướt bằng vài giọt nước cất,thêm 10 ml NaOH 10%, đun sôi để hòa tan mẫu,
2 Kỹ thuật vô cơ hóa mẫu khô (có phụ gia và không có phụ gia): Nguyên tắc,
cơ chế của sự phân hủy mẫu, trang thiết bị cần sử dụng , ứng dụng, ưu
nhược điểm của kỹ thuật Lấy ví dụ minh họa?
Tro hóa khô không có phụ gia và chất bảo vệ
Nung để xử lý mẫu không có phụ gia và chất bảo vê là quá trình xử lý mẫu sơ bộ nhờ tác dụng chỉ của năng lượng nhiệt thích hợp trong môt thời gian nhất định, để phá vỡ cấu trúc tinh thể ban đàu của mẫu phân tích, đốt cháy chất hữu cơ, để
chuyển nó sang một dạng các hợp chất đơn giản khác, dễ hòa tan tiếp bằng dung dịch axit hay kiềm, để lấy các chất phân tích vào dung dịch, sau đó có thể xác định được chúng theo một phương pháp nhất định
Tro hóa khô có phụ gia và chất bảo vệ
Tro hóa khô có phụ gia và chất bảo vệ cũng là quá trình xử lý mẫu sơ bộ nhờ tác dụng của nhiệu độ thích cách nung không phụ gia ở trên Các chất phụ gia thường
là chất chảy, muối kiềm, axít đặc để phá vỡ cấu trúc tinh thể dạng ban đầu của mẫuphân tích, để chuyển nó sang một dạng khác dễ hòa tan tiếp bằng axit
Khi có chất chảy và chất phụ gia nhiệt độ nung thường thấp hơn khi không có chất chảy, thời gian ngăn hơn, song lại triệt để hơn, mà lại không mất chất phân tích nhất là các mẫu có cấu trúc bền, chịu nhiệt, hay mẫu matrix hữu cơ, thì tác dụng của chất bảo vệ là rất quan trọng
Các ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng
Trang 4 Thao tác và cách làm đơn giản
Khong phải dùng nhiều axít đặc tinh khiết cao đắt tiền
xử lý được triệt để, nhất là các mẫu nền hữu cơ
đốt cháy hết các chất hữu cơ, vì thế làm dung dịch mẫu thu được sạch
nhưng có nhược điểm là có thể làm mất một số chất dễ bay hơi như Cd, Pb, Zn,…nếu không có chất phụ gia và chấ bảo vệ
3 Kỹ thuật vô cơ hóa khô - ướt kết hợp: Nguyên tắc, cơ chế của sự phân hủy mẫu, ứng dụng, ưu điểm của kỹ thuật Lấy ví dụ minh họa?
* Nguyên tắc
Mẫu được phân hủy trong chén hay cốc nung Trước tiên người ta thực hiện xử lí ướt sơ bộ bằng 1 lượng nhỏ axit, và chất phụ gia, để phá vỡ sơ bộ cấu trúc ban đầu của các hợp chất mẫu và tạo điều kiện giữ 1 số nguyên tố có thể bay hơi khi nung Sau đó mới nung ở nhiệt
độ thích hợp vì thế lượng axit dùng để xử lí thường chỉ bằng ¼ hay 1/5 lượng cần dùng cho xử lí ướt sau đó nung sẽ nhanh hơn và quá trình xử lí sẽ triệt để hơn xử lí ướt, đồng thời lại hạn chế được sự mất của 1 số kim loại khi nung
Do đó đã tận dụng được ưu điểm của cả 2 kỹ thuật xử lý ướt và xử lí khô, nhất là giảm bớt được các hóa chất khi xứ lí ướt sau đó hòa tan tro mẫu sẽ thu được dung dịch mẫu trong, vì không còn chất hữu cơ
và sạch hơn tro hóa bình thường
Ưu điểm
- Phương pháp vô cơ hóa mẫu khô – ướt kết hợp đã phát huy được ưuđiểm và khắc phục được nhược điểm của phương pháp vô cơ hóa mẫukhô và vô cơ hóa mẫu ướt
+ lượng axit thường chỉ bằng ¼ lượng axit để xử lý ướt, thờ gian nung nhanh hơn và triệt để hơn, hạn chế được sự bay hơi của một số kim loại
Hạn chế sự mất của một số chất phân tích dễ bay hơi
Sự tro hóa triệt để, sau khi hòa tan tro còn lại có dung dịch mẫutrong
Ít tốn kém do không phải dùng nhiều axit tinh khiết
Thời gian xử lý nhanh hơn tro hóa ướt
Không phải đuổi axit dư lâu nên hạn chế được sự nhiễm bẩn
Phù hợp cho nhiều loại mẫu khác nhau đẻ xác định kim loại, v.v…
Nhược điểm
Trang 5Không dùng được cho xử lý mẫu để xác định các chất hữu cơ
ứng dụng
- Cách này được ứng dụng chủ yếu để xử lý mẫu cho phân tích các nguyên
tố kim loại và một số aniôn vô cơ, như Cl1- Br1-, SO42- , PO43- , trong cácloại mẫu sinh học, mẫu môi trường, mẫu hữu cơ và vô cơ Trong cácphòng thí nghiệm bình thường, không có trang bị lò vi sóng, thì cách xử
lý này vẫn là một phương pháp thích hợp, đơn giản, mà vẫn đảm bảo cóđược kết quả tốt
VD: 5g mẫu => cho vào chén =>thêm axit =>đun cạn => than đen =>lò nung (400-450 oC, 3h -> 550oC) => tro trắng => hòa tan (18 ml HCl 1:1 +1ml HNO3 65%) => đun => định mức 25 ml = HCl 2% => đo AAS
III Các kỹ thuật chiết:
1 Giới thiêu chung
Chiết là dựa trên cơ sở sự phân bố (hay hoà tan) khác nhau của chất phân tích vào trong hai pha (2 dung môi) không trộn lẫn vào nhau
2 Các điều kiện của sự chiết
Để có được kết quả chiết tốt, quá trình chiết phải có các điều kiện và đảm bảo được các yêu cầu nhất định sau đây:
Dung môi chiết phải tinh khiết cao, để không làm nhiễm bẩn thêm cácchất phân tích vào mẫu
Dung môi chiết phải hoà tan tốt các chất phân tích, nhưng lại khônghoà tan tốt với các chất khác có trong mẫu
Hệ số phân bố của hệ chiết phải lín, để cho sự chiết được triệt để
Cân bằng chiết nhanh đạt được và thuận nghịch, để giải chiết đượctốt
Sự phân lớp khi chiết phải rõ ràng, nhanh và dễ tách ra riêng biệt cácpha
Phải chọn môi trường axit, pH, loại axit thích hợp,
Phải thực hiện trong nhiệt độ phù hợp và giữ không đổi trong cả quátrình
Phải lắc hay trộn đều mạnh để quá trình chiết xẩy ra được tốt
3 Giải chiết
Là quá trình ngược lại quá trình triết, có nghĩa là tách lấy các nguyên
tố, hay hợp chất phân tích cần thiết ra khỏi pha hữu cơ ( dung môi chiết), hay cột chiết SPE ( chất chiết pha rắn), đưa nó về trạng thái dung dịch, để có thể xác định chúng bằng phương pháp phân tích thích hợp
Trang 6a Chiết lỏng - lỏng (phương pháp chiết tĩnh): Nguyên tắc, điều kiện chiết, trang thiết bị, ví dụ minh họa?
Nguyên tắc:
Nguyên tắc của kỹ thuật chiết này là dựa trên cơ sở sự phân bố
của chất phân tích vào hai pha lỏng (2 dung môi) không trộn lẫn được vào nhau (trong hai dung môi này, có thể một dung môi có chứa chất phân tích) được để trong một dụng cụ chiết, như phễu chiết, bình chiết Vì thế hệ số phân bố nhiệt động Kb của cân bằng chiết là một yếu tố quyết định hiệu quả của sự chiết và tiếp đến là
sự ảnh hưởng của nhiệt độ, môi trường axit Vì Kpb là hằng số nhiệt động
Yếu tố quyết định
- Bẩn chất, cấu trúc, thành phần của các chất trong mẫu
- Dung môi hữu co dùng để chiết phân tích hay hợp chất của nó
- Kpb của chất phân tích giữa 2 pha lỏng
6, 9 hay 12 phễu với máy lắc nhỏ, nên việc thực hiện chiết cũng dễ dàng
và dễ đồng nhất điều kiện
Lấy 10 mL mẫu vào bình chiết, thêm 20 mL rượu etylic tuyệt đối, 5-8 gam Na2SO4 khan, trộn đều, thêm 10 mL dung môi n-Hexan, lắc mạnh trong 5 phút, để trong tủ lạnh 2 phút cho phân líp, tách lấy líp n-Hexan có chứa các Retinoit, làm khô pha chiết bằng Na2SO4 khan và phân tích các Retinoit (họ Vitamin A) trong n-Hexan bằng HPLC hay MEKC
Ưu điểm
Phương pháp chiết tĩnh đơn giản, dễ thực hiện, đã và đang được ứng dụng phổ biến và rất có hiệu quả trong lĩnh vực tách chiết phân tích và làm giầu các chất phân tích phục vụ cho việc xác định hàm lượng vết Nhất là tách và làm giầu các kim loại, các chất hữu cơ, HCBVTV độc hại trong các mẫu nước, nước thải, nước biển, v.v Các ưu điểm:
+ Dùng được cho cả chiết phân tích và sản xuất tách chiết lượng lớn,
Trang 7 Lấy riệng được chất phân tích, loại được các chất ảnh hưởng, nhất làchất nền của mẫu,
Thích hợp cho làm giầu lượng nhỏ chất phân tích (có thể 10-50 lần),
Phục vụ cho chiết được cả các chất vô cơ và các chất hữu cơ,
Sản phẩm chiết phù hợp được cho nhiều phương pháp phân tích
nhược điểm
do phải lắc trong bình chiết nhiều lần nên những lần chiết sau, dung môi trong bình có thể tạo thành nhũ tương gây khó khăn trong việc tách pha thành 2 lớp khi dung môi trong bình tạo nhũ tương có thể sửdụng 1 đũa thủy tinh dài đưa vào trong phễu chiết, khuấy nhẹ dung dịch hặc cọ xát nhẹ vào thành bình, chỗ mặt thoáng của dung dịch nhằm phá vỡ các bọt khí để dung dịch nhanh chóng phân thành 2 lớp cũng có thể phá bọt bằng cách ly tâm dung dịch
ứng dụng
Thường được ứng dụng để chiết vô cơ và các chất hữu cơ ra khỏi nền mẫu nước hoặc chiết các hợp chất ion ra khỏi nền mẫu hữu cơ như dầu mỡ
b Chiết pha rắn: Nguyên tắc, điều kiện chiết, trang thiết bị, các bước tiến hành trong quá trình chiết pha rắn, phạm vi ứng dụng Ví dụ về chiết pha thường, ví
dụ về chiết pha ngược?
nguyên tắc
Dựa phân bố của chất phân tích vào 2 pha: rắn lỏng
- Pha rắn: pha tĩnh – được nhồi trong cột chiết
- Pha lỏng: pha động – di chuyển qua cột chiết
Giai đoạn 1: dd mẫu được dội qua cột chiết(chất phân tích và 1 số tạp chất đượcgiữ lại)
Giai đoạn 2 : Dùng dung môi rửa giải thích hợp để rửa giải chất cần phân tích rakhỏi cột
Các chất phân cực hòa tan các chất phân cực
Các chất không phân cực hòa tan các chất không phân cực
Bản chất và cơ chế
- Cơ chế tương tác hấp thụ của chất rắn( chất chiết) với các chất tan “X” ở dạng phân tử trung hòa điện tích, không phân cực và ít phân cực
Trang 8- Cơ chế trao đổi ion, trao cặp ion trong chất triết ( pha rắn) với các chất tan ở dạng ion trong dd nước
Các loại chất chiết pha rắn
Theo đặc điểm và bản chất của sự chiết, các chất chiết pha rắn được chế tạo và phân chia theo các loại chất:
• Loại hấp phụ pha thường Đó là các Silica trung tính và ôxit nhôm,
• Hấp phụ pha ngược Đó là các Silica thường được alkyl hoá nhóm-OH,
• Loại chất trao đổi iôn (để tách Cation và Anion),
• Chất rây hay sàng lọc phân tử theo độ lớn, kích thước của phân tử chất,
• Loại chất hấp phụ khí (purge and trap Extraction), để hấp thụ chất khí
Các kiểu và cơ chế chiết pha rắn
Chính vì có nhiều loại chất chiết pha rắn, cho nên kỹ thuật chiết pha rắn cũng có nhiều cơ chế và quá trình động học khác nhau, theo bản chất của mỗi loại chất chiết (pha chiết) Nói chung, các chất chiết pha rắn này cũng tương tự như các pha tĩnh trong sắc lý lỏng hiệu năng cao (HPLC)
Nó có thể là dạng cột chiết (1x6 cm có thể tích 4-6 mL) hay dạng đĩa chiết (dầy 1-2 mm và đường kính 3-4 cm) Do đó chiết pha rắn cũng có 3loại cơ chế chính là:
1 Hấp phụ pha thường (loại NP), và Hấp phụ pha ngược (loại RP),
2 Trao đổi ion và cặp ion đối với các chất dạng ion (loại IEx),
3 Rây phân tử theo độ lớn của chất phân tích (Gel)
Các điều kiện của chiết pha rắn
Quá trình chiết ở đây thực chất cũng là sự phân bố của chất phân tích giữa 2 pha, pha rắn (chất chiết) và pha lỏng (dung dịch chứa chất phân tích) không trộn lẫn vào nhau trong những điều kiện nhất định, như pH, dung môi, nhiệt độ, tốc độ chảy của mẫu qua cột chiết Trong đó hệ số phân bố nhiệt động Kb của chất phân tích giữa hai pha (rắn và lỏng chứa mẫu) cũng là một yếu tố quyết định hiệu quả của sự chiết Nó cũng tương
tự như trong hệ sắc ký cột lỏng-rắn (của các hệ HPLC)
Vì thế muốn thực hiện chiết pha rắn tốt phải có các điều kiện sau đây:
Pha rắn hay chất chiết (dạng cột chiết hay đĩa chiết) phải có tínhchất hấp thụ hay trao đổi chọn lọc với một chất, hay một nhómchất phân tích nhất định, tức là tính chọn lọc của pha tĩnh chiết
Các chất chiết và dung môi rửa giải phải có độ sạch cao theoyêu cầu của cấp hàm lượng phân tích
Hệ số phân bố nhiệt động Kfb của cân bằng chiết phải lớn, để cóđược hiệu suất chiết cao
Trang 9 Quá trình chiết phải xẩy ra nhanh và nhanh đạt cân bằng, nhưngkhông có tương tác phản ứng hoá học làm mất hay hỏng pha rắn
và chất phân tích
Quá trình chiết phải có tính thuận nghịch, để còn có thể rửa giảiđược tốt chất phân tích ra khỏi pha chiết bằng một pha động phùhợp
Không làm nhiễm bẩn thêm chất phân tích trong quá trình chiếtbởi bất kỳ từ nguồn nào
Sự chiết phải được thực hiện trong điều kiện nhất định phù hợp,phải lặp lại được tốt và tất nhiên là càng đơn giản dễ thực hiệnthì càng tốt
Các ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng
Chiết pha rắn là một kĩ thuật chiết mới ra đời, đang phát triển và được ứng dụng trong khoảng chục năm trở lại đây, nhất là ở các nước tiên tiến và nó mới vào Việt nam ta từ năm 1997 Hiện nay đã
có một số hãng sản xuất và cung cấp ra thị trường nhiều loại chất chiết và dụng cụ chiết khác nhau cho nhiều đối tượng rất tiện dụng Chất chiết thường là các chất Silica được hoạt hoá để chúng có khả năng hấp thụ cao và chọn lọc các chất theo từng nhóm
Kỹ thuật chiết này có các ưu và nhược chính điểm sau đây:
Có tính chọn lọc đối với một nhóm hợp chất phân tích,
Cân bằng chiết nhanh đạt được và có tính thuận nghịch,
Thích hợp cho mẫu lượng nhỏ và phân tích lượng vết các chất,
Thao tác đơn giản và nhanh hơn các kỹ thuật chiết khác,
Trong quá trình chiết luôn luôn có cả sự làm giầu chất phân tích,
Chất chiết pha rắn không đắt (khoảng 50.000 đ.VN/1cột chiết) Chính vì thế mà nó đang được sử dụng rất phổ biến trong phân tích, đặc biệt là phân tích đối tượng môi trường các chất vi lượng độc hại
Ví DỤ: Chiết để xử lý mãu xác định một số hóa chất BVtV trong nước
lấy 250 ml mẫu nước, chỉnh pH=5, lọc bỏ cặn lấy dung dịch đội qua cột chiết ( loại LR-C18) với tốc độ 2-4 ml/phút Sau đó rửa cộ bằng 5ml nước cất, hút chân không cho cột 3 phút rửa giải chất BVTV trong cột bằng 20ml dung môi Etyl – axetat lấy dung dịch rửa giải này dội qua cột hấp phụ thứ hai ( cột có: Na2SO4 + Al2O3 + thanh hoạt tính) để làm sạch và làm khô mẫu sau đó lại rưa lại giải chất BVTV trong cọt này bằng 10ml Etyl – axtat.Thu dung dịch, làm bay hơi bằng dòng khí Nitơ sạch ( tốc độ 0,8 ml /phút) đến còn dung dịch sánh, định mức thành 2ml bằng etyl axetat, làm khô bằng Na2SO4 khan Lấy dung dịch mẫu này để xác định các hóa chất BVTV (metyl – parathion, diazinon và sumithion) bằng phương pháp GC/ECD, hayGc-MS
Trang 10c Chiết Soxhlet: Nguyên tắc, trang thiết bị, ứng dụng, lấy ví dụ minh họa.
Nguyên tắc: là 1 kiểu chiết liên tục đặc biệt được thực hiện nhờ 1
loại trang bị chiết riêng Về bản chất nó vẫn là dựa trên cơ sở quy luật phân bố chất trong 2 pha không trộn vào nhau Song ở đây phamẫu là pha lỏng, bột, hạt hay dạng mảnh, hay dạng lá đều được cả Cong dung môi chiết ( chất hữu cơ) là ở dạng lỏng
Ưu điểm
- Chiết triệt để
Nhược điểm
- Điều kiện chiết nghiêm ngặt
- Thời gian chiết dài
ứng dụng: chiết các hóa chất bảo vệ thực vật từ các mẫu cây, lá,
rau quả, thực phẩm, mẫu đất
IV Trình bày cơ sở lý thuyết và định luật cơ bản của các phương pháp phân tích quang học
1 Các phương pháp quang học:
a Trình bày nguyên tắc chung của phương pháp, sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của phương pháp phân tích, lĩnh vực ứng dụng, ưu điểm và nhược điểm
Trang 11b Trình bày phương pháp xác định một cấu tử bằng cách dùng đường chuẩn:
1 Cơ sở lý thuyết
Dựa trên sự hấp thụ ánh sáng của 1 phân tử chất có khả năng hấp thụ ánh sáng ( các chất mầu hoặc các hạt rắn trong dung dịch)
- Mỗi 1 màu sắc xác định chỉ hấp thụ 1 ánh sáng ở bước sóng nhất định
- Ánh sáng đi vào có cường độ Io nó sẽ bị hấp thụ 1 phần => ánh sáng đi ra
có cường độ I và I<Io
- 2 dung dịch có cùng sắc thái màu, nhưng nồng độ khác nhau => cường
độ màu khác nhau => khả năng hấp thụ khác nhau
ɛ: hệ số hấp thụ phân tử
Io
I
Dd màu đục