Luận văn thạc sĩ nghiên cứu quy trình phân tích hợp phần as III trong nước ngầm bằng phương pháp điện di mao quản

--- Nguyễn Kim Diễm Mai NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH PHÂN TÍCH HỢP PHẦN AS III TRONG NƯỚC NGẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN DI MAO QUẢN SỬ DỤNG DETECTOR ĐỘ DẪN KHÔNG TIẾP XÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA H

-

Nguyễn Kim Diễm Mai

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH PHÂN TÍCH HỢP PHẦN AS III TRONG NƯỚC NGẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN DI MAO QUẢN

SỬ DỤNG DETECTOR ĐỘ DẪN KHÔNG TIẾP XÚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2013

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

-

Nguyễn Kim Diễm Mai

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH PHÂN TÍCH HỢP PHẦN AS III TRONG NƯỚC NGẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN DI MAO QUẢN

SỬ DỤNG DETECTOR ĐỘ DẪN KHÔNG TIẾP XÚC

Chuyên ngành: Hóa Môi trường

Mã số: 60440120

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS DƯƠNG HỒNG ANH

Hà Nội - 2013

i

LỜI CẢM ƠN

Với những tình cảm kính trọng nhất, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới

TS Dương Hồng Anh, người đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình truyền đạt cho em những kiến thức để hoàn thành luận văn này

Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn tới GS Phạm Hùng Việt – Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển Bền vững, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho em được thực hiện đề tài tại Trung tâm

Em xin gửi lời cám ơn tới các Thầy, Cô giáo trong khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình truyền đạt cho

em những kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tập tại đây

Đề tài của em sẽ không thể hoàn thành nếu không có sự giúp đỡ của các Cán

bộ, các Anh, Chị, và bạn bè ở Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển Bền vững Em xin chân thành cám ơn sự quan tâm của mọi người đã dành cho em trong suốt quá trình nghiên cứu

Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến các Thầy, Cô và Cán bộ trường Đại học

Sư Phạm Tp.Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho em được chuyên tâm học tập và nghiên cứu trong suốt thời gian qua

Để có cơ hội thực hiện nghiên cứu này, em xin chân thành cám ơn đề tài mã

số 104.07-210.21 của Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ quốc gia và đề tài mã

số CS.2013.19.19 của Trường Đại học Sư Phạm Tp.HCM đã cấp hỗ trợ kinh phí cho em hoàn thành nghiên cứu này

Cuối cùng, em xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến Bố, Mẹ và các Anh, Chị, Em trong gia đình vì đã luôn ở bên cạnh động viên, ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi nhất giúp em hoàn thành giai đoạn học tập và nghiên cứu này

Học viên Nguyễn Kim Diễm Mai

ii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

DANH MỤC HÌNH v

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix

MỞ ĐẦU x

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Một số vấn đề về Asen và ô nhiễm asen trong nước ngầm 1

1.1.1 Khát quát chung về Asen 1

1.1.2 Tác dụng hóa sinh của As 2

1.1.3 Ô nhiễm Asen trên thế giới và Việt Nam 4

1.1.4 Các phương pháp xác định As 7

1.2 Phương pháp điện di mao quản 11

1.2.1 Giới thiệu và phân loại các phương pháp điện di mao quản 11

1.2.2 Cơ sở của phương pháp điện di mao quản 13

1.2.3 Các phương pháp bơm mẫu trong điện di mao quản 18

1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng trong phân tích điện di mao quản 20

1.2.5 Các loại đetectơ dùng trong kĩ thuật điện di mao quản 24

1.2.6 Ứng dụng của phương pháp điện di mao quản 28

1.3 Kết luận chung phần tổng quan 30

Chương 2 THỰC NGHIỆM 32

2.1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 32

2.1.1 Mục tiêu nghiên cứu 32

2.1.2 Phương pháp nghiên cứu 32

2.1.3 Nội dung nghiên cứu 32

2.2 Trang thiết bị, dụng cụ và hóa chất 33

2.2.1 Trang thiết bị, dụng cụ 33

2.2.2 Hóa chất 33

2.2.3 Chuẩn bị các dung dịch chuẩn và hóa chất thí nghiệm 34

iii

2.2.4 Quy trình xử lý mao quản trước khi sử dụng 34

2.3 Tối ưu hóa các điều kiện phân tích As(III) trong nước bằng phương pháp điện di mao quản 35

2.3.1 Tối ưu hóa thành phần pha động điện di 35

2.3.2 Khảo sát dung dịch dùng để pha mẫu 35

2.3.3 Lựa chọn phương pháp bơm mẫu 35

2.3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của các ion nền đến việc xác định As(III) 36

2.3.5 Xây dựng khoảng tuyến tính và đánh giá phương pháp 36

2.3.6 Phương pháp thêm chuẩn (Standard addition method) 37

2.4 Ứng dụng quy trình tối ưu để phân tích As(III) trong một số mẫu nước giếng khoan 38

2.4.1 Lấy mẫu 38

2.4.2 Phân tích mẫu 38

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40

3.1 Tối ưu hóa dung dịch đệm điện di 40

3.1.1 Khảo sát lựa chọn dung dịch đệm điện di 40

3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng pH của dung dịch đệm dựa trên MES và Arg 44

3.1.3 Khảo sát ảnh hưởng của độ dẫn dung dịch đệm ở pH 8,9 46

3.2 Tối ưu hóa điều kiện pha mẫu 48

3.2.1 Khảo sát dung dịch pha mẫu 48

3.2.2 Khảo sát nồng độ Arginine pha mẫu 49

3.3 Tối ưu hóa điều kiện bơm mẫu 51

3.3.1 Khảo sát phương pháp bơm mẫu 51

3.3.2 Khảo sát thời gian bơm mẫu 52

3.4 Khảo sát ảnh hưởng cuả các ion nền cơ bản 54

3.4.1 Ảnh hưởng của các anion Cl-, NO2-, SO42-, PO43- 54

3.4.2 Ảnh hưởng của bicacbonat 55

3.4.3 Ảnh hưởng của Fe(II) 57

3.5 Khảo sát ảnh hưởng của điện thế tách 61

iv

3.6 Thẩm định phương pháp 63 3.6.1 Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) của thiết bị 63 3.6.2 Khảo sát khoảng tuyến tính 64 3.6.3 Đánh giá độ lặp lại và hiệu suất thu hồi của phương pháp thêm chuẩn trong phân tích As(III) bằng hệ thiết bị điện di mao quản 66 3.6.4 Phân tích hàm lượng As(III) trong mẫu nước ngầm 67 KẾT LUẬN 74 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐƯỢC CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC

v

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Giản đồ phân bố các dạng tồn tại của As theo pH – Eh 1

Hình 1.2 Sự xâm nhập của asen và những hợp chất của nó trong cơ thể 4

Hình 1.3 Cấu tạo hệ thiết bị điện di mao quản 12

Hình 1.4 Lớp điện kép trên thành mao quản Silic 15

Hình 1.5 Vận tốc của các ion dưới tác dụng của dòng EOF 16

Hình 1.6 Các kiểu dòng chảy trong mao quản và tín hiệu tương ứng 17

Hình 1.7 Các phương pháp bơm mẫu trong điện di mao quản 20

Hình 1.8 Các gradient nhiệt và sự hình thành dòng chảy hình parabol trong mao quản 20

Hình 1.9 Biểu đồ sự phụ thuộc vào pH của độ linh động dòng điện thẩm 22

Hình 1.10 Tín hiệu thu được từ việc tách một ion từ dung dịch bằng màng chọn lọc ion 25

Hình 1.11 Sơ đồ đetectơ không tiếp xúc kiểu tụ điện 28

Hình 3.1 Tín hiệu As(III) 5mg/L khi dùng đệm 12mM CAPS 42

Hình 3.2 Tín hiệu As(III) 5mg/L khi dùng đệm 12mM CHES 42

Hình 3.3 Tín hiệu Asen(III) 5mg/L khi dùng đệm 12mM MES 42

Hình 3.4 Tín hiệu Asen(III) 5mg/L khi dùng đệm 12mM MOPS 42

Hình 3.5 Tín hiệu As(III) 5mg/L trong các dung dịch pha động điện di 43

Hình 3.6 Ảnh hưởng của pH dung dịch đệm đến tín hiệu As(III) 5mg/L 45

Hình 3.7 Ảnh hưởng của độ dẫn dung dịch đệm đến tín hiệu As(III) 5mg/L 47

Hình 3.8 Ảnh hưởng của các dung dịch pha mẫu đến tín hiệu As(III) 5mg/L 49

Hình 3.9 So sánh chiều cao pic As(III) 1mg/L từ hai phương pháp bơm mẫu 52

vi

Hình 3.10 Ảnh hưởng của thời gian bơm mẫu bằng điện động học đến tín hiệu

As(III) 100g/L 53

Hình 3.11 Điện di đồ thể hiện ảnh hưởng của thời gian bơm mẫu bằng điện động học đến tín hiệu của As(III) 100µg/L 53

Hình 3.12 Ảnh hưởng của các anion nền cơ bản đến chiều cao tín hiệu pic As(III) 100g/L 54

Hình 3.13 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của quá trình loại bicacbonat bằng nhựa trao đổi cation đến tín hiệu của As(III) 100µg/L 57

Hình 3.14 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của các chất tạo phức với sắt đến tín hiệu của As(III) 100µg/L 59

Hình 3.15 Chứng minh ảnh hưởng của Fe(II) đến tín hiệu As(III) 100µg/L 61

Hình 3.16 Ảnh hưởng của điện thế tách đến tín hiệu của As(III) 75µg/L 62

Hình 3.17 Ảnh hưởng của hiệu điện thế tách đến tín hiệu As(III) 75g/L 63

Hình 3.18 Khoảng tuyến tính phân tích As(III) bằng phương pháp điện di mao quản 65

Hình 3.19 Quy trình phân tích trực tiếp As(III) bằng phương pháp CE-C4D và so sánh bằng AAS 68

Hình 3.20 So sánh kết quả đo As(III) trong mẫu nước ngầm bằng hai phương pháp CE-C4D và AAS 70

Hình 3.21 Điện di đồ As(III) của mẫu nước ngầm VPNN 15 71

vii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Ô nhiễm asen trong nước ngầm ở các nước trên thế giới 5 Bảng 1.2 Tổng hợp kết quả phân tích As do UNICEF hỗ trợ 2001–2004 6 Bảng 1.3 Một số hệ đệm thông dụng trong kỹ thuật CE 22 Bảng 3.1 Kết quả khảo sát các dung dịch pha động điện di dùng trong phân tích

As(III) 5mg/L bằng phương pháp điện di mao quản CE-C4

D 41 Bảng 3.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch đệm đến tín hiệu của

As(III)5mg/L bằng phương pháp điện di mao quản CE-C4D 44 Bảng 3.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của độ dẫn dung dịch đệm đến tín hiệu

của As(III)5mg/L bằng phương pháp điện di mao quản CE-C4D 46 Bảng 3.4 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của các dung dịch pha mẫu đến tín hiệu

của As(III)5mg/L bằng phương pháp điện di mao quản CE-C4D 48 Bảng 3.5 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch Arginine dùng để

pha mẫu đến tín hiệu của As(III) 5mg/L 50 Bảng 3.6 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của quá trình loại bicacbonat bằng nhựa

trao đổi cation đến tín hiệu của As(III) 100µg/L 56 Bảng 3.7 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của Fe2+

đến tín hiệu As(III) 100µg/L 60 Bảng 3.8 Kết quả khảo sát giá trị LOD của thiết bị điện di mao quản trong phân

tích As(III) 64 Bảng 3.9 Khảo sát khoảng tuyến tính phân tích As(III) bằng phương pháp CE 65 Bảng 3.10 Đánh giá độ lặp lại và hiệu suất thu hồi của phương pháp phân tích

As(III) bằng hệ thiết bị điện di mao quản 66 Bảng 3.11 Kết quả phân tích As(III) của 15 mẫu nước giếng khoan tại xã Vạn

Phúc, Thanh Trì, Hà Nội 69

viii Bảng 3.12 Kết quả phân tích hàm lượng các ion nền cơ bản của 15 mẫu nước

ngầm tại xã Vạn Phúc 72

ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

 AAS: phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption Spectrophotometric)

 AC: Dòng điện xoay chiều (alternating current)

 Arg: L-Arginine (2-Amino-5-guanidinopentanoic)

 ATP: Adenozin triphotphat

 C4D: Đêtectơ đo độ dẫn không tiếp xúc kiểu tụ điện (Capicitively Coupled Contactless Conductivity Detection)

 CAPS: Axit 3-(cyclohexylamin)-1-propansunfonic (C9H19NO3S)

 CE: Điện di mao quản (Capillary Electrophoresis)

 CHES: Axit 2-(cyclohexylamin)etansunfonic (C8H17NO3S, p.a., Fluka

 CTAB: Hexađexyltrimetyl amonibromit

 CZE: Điện di mao quản vùng (Capillary Zone Electrophoresis)

 DC: Dòng điện một chiều (direct current)

 EOF: Dòng điện di thẩm thấu (electroosmotic flow)

 HĐBM: Chất hoạt động bề mặt

 LOD: Giới hạn xác định (limit of detection)

 LOQ: Giới hạn định lƣợng (limit of quantity)

 MS: Khối phổ (Mass spectrophotometry)

 MES: Axit 2-mopholinetansunfonic (C6H13NO4S)

 MOPS: Axit 3-mopholinpropansunfonic (C7H15NO4S)

 QCVN: Quy chuẩn Việt Nam

 UNICEF: Quỹ Nhi Đồng Liên Hợp Quốc (United Nations International Children's Emergency Fund)

 UV-Vis: Quang phổ hấp thụ phân tử vùng tử ngoại và khả kiến

x

MỞ ĐẦU

Trong vài chục năm trở lại đây, nước ngầm được sử dụng rất phổ biến cho nhu cầu ăn uống, sinh hoạt của người dân Việt Nam, đặc biệt tại các vùng đồng bằng, đô thị đông dân cư Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu đã cho thấy nước ngầm tại một số khu vực có hàm lượng asen, mangan, amoni,… cao hơn tiêu chuẩn cho phép trong nước sinh hoạt Trong số các chất kể trên thì asen là nguyên tố có độc tính cao, sự tích lũy asen vào cơ thể trong thời gian dài kể cả ở hàm lượng thấp cũng gây nên nhiều tác hại nghiêm trọng cho sức khỏe như: ung thư da, ung thư phổi, các bệnh ở gan, bàng quang,…

Ngày nay, ô nhiễm asen trong nước ngầm đang là vấn đề thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới Ở Băngladet và Ấn Độ có khoảng 36 triệu người đang đối mặt với nguy cơ về sức khỏe có liên quan đến nhiễm độc asen Đồng thời, nguồn nước ngầm ở một số địa phương ở nước ta như: Hà Nam, Hà Tây, Hưng Yên,…cũng bị ô ngiễm As nghiêm trọng [14] Do đó việc định lượng asen trong nước ngầm bằng các phương pháp có độ chính xác cao và dễ áp dụng ở mọi nơi là

vô cùng cần thiết

Cùng với các nghiên cứu khác, đề tài “Nghiên cứu quy trình phân tích hợp phần asen III trong nước ngầm bằng phương pháp điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc” mong muốn đóng góp một phần vào việc xây

dựng một bức tranh chung về hiện tượng ô nhiễm asen trong nước ngầm ở nước ta

và giúp các nhà quản lí đề ra các biện pháp nhằm ngăn ngừa và giảm thiểu nguy cơ phơi nhiễm asen của người dân Áp dụng kĩ thuật phân tích điện di mao quản là một hướng tiếp cận khá mới về phương pháp phân tích As(III) Sau các thành công đã đạt được trong luận văn này, hy vọng rằng có thể phát triển phương pháp vào mục đích chế tạo thiết bị phân tích As(III) hiện trường, phục vụ cho việc phân tích nhanh một lượng lớn mẫu nước ngầm tại các hộ dân với độ đúng, độ lặp lại, giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng thỏa mãn QCVN cho phép đối với nước ngầm là

50g/L

1

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Một số vấn đề về Asen và ô nhiễm asen trong nước ngầm

1.1.1 Khát quát chung về Asen

As là nguyên tố hình thành tự nhiên trong vỏ trái đất Người ta thường tìm thấy As tồn tại dưới dạng hợp chất với một hay một số nguyên tố khác như oxy, clo

và lưu huỳnh, As kết hợp với những nguyên tố trên tạo thành các hợp chất As vô

cơ như các khoáng vật: đá thiên thạch, Reagal (AsS), Orpiment (As2S3), Arsenolite (As2O3),… Hợp chất của As với cacbon và hyđro gọi là hợp chất As hữu cơ Các hợp chất chứa As, cả vô cơ và hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên hay nhân tạo Các dạng hợp chất hữu cơ của As thường ít độc hại so với các hợp chất As vô cơ [1]

Asen và các hợp chất vô cơ của nó là những chất rất độc, chúng tồn tại phổ biến trong thiên nhiên và cũng có mặt trong sản xuất công nghiệp Asen là một á kim màu xám trắng, mùi tỏi, khối lượng riêng d=5,7, nhiệt độ nóng chảy là 810oC (p=30 atm) [8] Trong dung dịch, tùy thuộc vào pH và thế oxi hóa khử mà As tồn tại

ở các dạng khác nhau như: H3AsO3, H2AsO3-, HAsO32-, AsO33-, H3AsO4, H2AsO4-, HAsO42-, và AsO43-

Hình 1.1 Giản đồ phân bố các dạng tồn tại của As theo pH – Eh [45]

2

Qua giản đồ Hình 1.1 cho thấy: As(III) tồn tại chủ yếu trong điều kiện môi trường khử, trong khi đó, As(V) cho thấy bền hơn trong điều kiện môi trường có tính oxi hóa Axit H3AsO4 có giá trị hằng số phân ly axit pK1= 2,2; pK2=7,1 và

pK3=11,5; còn axit H3AsO3 có pK1=9,2; pK2=12,3 và pK3=13,4

Asen vô cơ thường tồn tại ở dạng muối asenit, asenat và các oxit asen Các dạng As hữu cơ như metyl-, đimetyl-, trimetyl-asenic, thường có trong mô của các loài động thực vật Trong môi trường tự nhiên, Asen thường tồn tại ở bốn trạng thái oxi hóa là –3, 0, 3 và 5, đặc biệt trong môi trường thủy quyển, As xuất hiện chủ yếu

ở hai dạng là asenit (III) và asenat (V) Trạng thái oxi hóa, dạng tồn tại của As sẽ quyết định độc tính, sự linh động và khả năng vận chuyển của nó trong môi trường Độc tính của các hợp chất As đối với sinh vật tăng dần theo dãy: asen → hợp chất

As hữu cơ → asenat → asenit → asin Trong môi trường sinh thái, các dạng hợp chất As hóa trị III có độc tính cao hơn dạng hóa trị V khoảng 50 lần Môi trường khử là điều kiện thuận lợi để cho nhiều hợp chất As hóa trị V chuyển sang As hóa trị III Trong những hợp chất As thì H3AsO3 độc hơn H3AsO4 Dưới tác dụng của các yếu tố ôxy hóa trong đất thì H3AsO3 có thể chuyển thành dạng H3AsO4 Thế ôxy hóa – khử, độ pH của môi trường và lượng kaloit giàu Fe3+ là những yếu tố quan trọng tác động đến quá trình ôxy hóa – khử các hợp chất As trong tự nhiên Những yếu tố này có ý nghĩa làm tăng hay giảm tính độc của các hợp chất As trong môi trường sống [1]

1.1.2 Tác dụng hóa sinh của As [1, 11]

Về mặt sinh học, Asen(III) thể hiện tính độc bằng việc tấn công lên các nhóm –SH của các enzym, làm ức chế hoạt động của enzyme Dihydrolipoic acid protein

là enzyme trong chu trình acid citric

3

Mặt khác do có tính chất hóa học tương tự như photpho mà As cũng có thể gây tương tác xấu trong các quá trình sinh hóa có sự tham gia của photpho Chẳng hạn trong sự tạo thành ATP (ademosine triphoglyphate) khi có mặt của As sẽ gây trở ngại trong quá trình tạo 1,3 – Diphotphoglycerate và cho ra sản phẩm 1 – arseno – 3 – photphoglycerate gây hiệu ứng xấu cho cơ thể

Quá trình tạo thành ATP bình thường như sau:

Khi có mặt của AsO43- :

Sự xâm nhập, phân bố và lưu trữ của As cũng như các hợp chất của nó trong

cơ thể người có thể hình dung theo sơ đồ sau:

Hình 1.2 Sự xâm nhập của asen và những hợp chất của nó trong cơ thể

1.1.3 Ô nhiễm Asen trên thế giới và Việt Nam

1.1.3.1 Ô nhiễm As trên thế giới

Vấn đề ô nhiễm As trong nước ngầm không còn là một vấn đề mới, nó đã được phát hiện ở nhiều nơi trên thế giới như Achentina, Mêhicô, Chilê, Mỹ, Canada, Trung Quốc, Đài Loan, Thái Lan, Ấn Độ, Bangladet và Việt Nam, v.v…với nồng độ lớn hơn 50 g/L [35, 45] Ước tính có tới hàng chục triệu người trên thế giới đang sống trong những vùng môi trường giàu As có nguy cơ đe doạ sức khỏe và tính mạng

5

Về mặt dân số bị phơi nhiễm As bởi sử dụng nước ngầm bị ô nhiễm làm nước ăn uống và sinh hoạt, thì đồng bằng của Bangladet và tây Bengal là vùng bị ảnh hưởng lớn nhất và nghiêm trọng nhất Tại Bănglađet có khoảng 2–4 triệu giếng khoan khai thác nước Thử nghiệm 8000 giếng khoan ở 60 trong 64 tỉnh cả nước cho thấy tới 51% số mẫu nước có hàm lượng As vượt quá 0,05mg/1 (ngưỡng quy định của tổ chức WHO là 0,01 mg/1), ước tính tới 50 triệu dân Bănglađet uống nước bị ô nhiễm As [6]

Một nghiên cứu đã tìm thấy nồng độ As trong các mẫu nước ngầm từ tây nam Đài Loan trong khoảng rộng từ 10 đến 1800 µg/L (trung bình 500 µg/L, n = 126) và nhận thấy rằng một nửa số mẫu được phân tích có nồng độ As từ 400–700 µg/L Ở đông bắc Đài Loan, đã tìm thấy nồng độ As trong một số nước ngầm lớn hơn 600 µg/L với giá trị trung bình là 135 g/L (377 mẫu)

Ở Thái Lan, huyện Ron Phibun là một khu vực phát hiện nước ngầm bị ô nhiễm As liên quan đến hoạt động khai thác mỏ thiếc Nồng độ As lên đến 5000 µg/L được tìm thấy trong nước ngầm nông từ trầm tích phù sa Đệ Tứ nơi mà được nạo vét trong suốt quá trình hoạt động khai thác mỏ

Mức độ ô nhiễm As trong nước ngầm ở một số quốc gia và số lượng dân chịu ảnh hưởng do khai thác nước ngầm sử dụng cho mục đích ăn uống và sinh hoạt được thể hiện ở Bảng 1.3

Bảng 1.1 Ô nhiễm asen trong nước ngầm ở các nước trên thế giới [6]

Địa điểm Số người bị

phơi nhiễm

As trong nước ngầm (g/L)

Tiêu chuẩn cho phép (g/L)

1.1.3.2 Ô nhiễm asen trong nước ngầm ở Việt Nam

Vấn đề ô nhiễm asen trong nước ngầm ở Việt nam những năm gần đây đã được nhiều tổ chức và các nhà nghiên cứu trong nước, nước ngoài quan tâm Theo đánh giá của UNICEF, Việt Nam có khoảng 20,48% dân số tức là khoảng 17 triệu dân sử dụng nước giếng khoan Nhiều nghiên cứu đã cho thấy nước ngầm được sử dụng nhiều ở đồng bằng sông Hồng và sông Cửu Long cho các mục đích sinh hoạt

và sản xuất đang đứng trước nguy cơ ô nhiễm asen tự nhiên [3, 7, 12]

Cũng theo kết quả nghiên cứu của tổ chức này cho thấy ở hai khu vực Hà Nam và Hà Tây có mức độ ô nhiễm asen cao nhất có thể so sánh với mức độ ô nhiễm ở Bănglađet Ở Hà Nam có tới 50,2% trong tổng số 7024 mẫu nước giếng khoan được khảo sát có nồng độ asen lớn hơn 50 μg/L Ngoài ra còn một số tỉnh cũng bị ô nhiễm đáng kể như Hưng Yên, Nam Định, Hải Dương Kết quả tổng hợp của UNICEF từ 2001–2004 ở một số tỉnh thuộc khu vực đồng bằng sông Hồng được thể hiện trong bảng dưới đây

Bảng 1.2 Tổng hợp kết quả phân tích As do UNICEF hỗ trợ 2001–2004 [12]

Địa điểm Tổng số

giếng khoan

Tổng số mẫu

7

Một nghiên cứu trên diện rộng ở đồng bằng sông Hồng do Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển Bền vững (CETASD), Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội kết hợp với các chuyên gia thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Nước (Eawag), Liên bang Thuỵ Sĩ đã tiến hành (từ năm 2005 đến 2007) khảo sát ngẫu nhiên trên toàn khu vực đồng bằng sông Hồng, với tổng số 461 mẫu nước giếng khoan với mật độ khoảng 6 km2/mẫu, trong phạm

vi 15 tỉnh, đó là Phú Thọ, Vĩnh Phúc, Hoà Bình, Hà Tây, Hà Nội, Bắc Ninh, Bắc Giang, Quảng Ninh, Hải Dương, Hải Phòng, Hưng Yên, Hà Nam, Nam Định, Thái Bình, Ninh Bình [37] Kết quả phân tích cho thấy hàm lượng asen có sự thay đổi trong một khoảng rất rộng, từ mức nhỏ hơn < 0,1 µg/l cho tới hơn 810 µg/l Trong

đó, 73% số mẫu có hàm lượng nhỏ hơn 10µg/l, đạt tiêu chuẩn nước uống về asen của Bộ Y tế Việt Nam, 16% số mẫu có lượng asen nằm trong khoảng 10–50 µg/l, 8% số mẫu có lượng asen nằm trong khoảng 50–200 µg/l, và 3% số mẫu có lượng asen rất cao, lớn hơn 200 µg/l

Một số tài liệu bước đầu cho thấy hàm lượng nền của As trong nước dưới đất đồng bằng Nam Bộ không cao, thường dưới QCVN, nhưng trong đó vẫn có một số điểm cần lưu ý như Trà Vinh, Cần Thơ, Bến Tre, TP Hồ Chí Minh Kết quả điều tra nghiên cứu của Trung tâm Địa chất khoáng sản biển và Đại học Khoa học tự nhiên, ĐHQG Hà Nội cho thấy nước biển ven bờ Việt Nam có biểu hiện ô nhiễm As như Đông–Nam cửa Gềnh Hào (Cà Mau), As = 0,36–0,4 mg/L [1]

b Phương pháp xác định As ở dạng xanh Molipdic

Theo phương pháp này, ion asenat phản ứng với ion molipdat tạo thành phức màu vàng Sau đó phức này bị khử bởi các chất khử như: Hidrazin, SnCl2, hydroquinon, hay axit ascobic thành dung dịch màu xanh có λmax=810 nm Do chỉ

có As (V) tạo phức màu vàng với ion molipdat, nên trước khi xác định phải chuyển tất cả các dạng hóa trị của As về As (V)

c Phương pháp trắc quang sử dụng muối bạc nitrat [9]

Dùng dòng hidro mới sinh từ phản ứng của NaBH4 với axit H2SO4 để khử hợp chất As(III) thành asin, nếu trong mẫu phân tích có As(V) thì phải khử sơ bộ As(V) thành As(III) vì quá trình khử As(V) thành asin bằng hidro mới sinh thường xảy ra với hiệu suất thấp

NaBH4 + H+ + 3H2O  H3BO3 + Na+ + 8[H]

12[H] + 2As3+ 2AsH3 + 3H2Khí asin sinh ra được hấp thụ vào dung dịch hỗn hợp HNO3-AgNO3-

C2H5OH–PVA sẽ tạo ra kết tủa Ag3As.3AgNO3 màu vàng Sau một thời gian dung dịch hấp thụ sẽ có màu vàng và có λmax=408nm

AgH3 + 6AgNO3  Ag3As.3.AgNO3vàng + 3HNO3

1.1.4.2 Phương pháp kích hoạt notron

Đây là phương pháp xác định As khá nhạy Sau khi được hấp thụ thêm một electron, đồng vị 75As bị chuyển hóa thành 76As Theo phương pháp này các định được tổng hàm lượng As Giới hạn phát hiện của phương pháp là 1ng/L Phương pháp này được sử dụng nhiều trong các mẫu sinh học

9

1.1.4.3 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử

Hiện nay, AAS được coi là phương pháp tiêu chuẩn cho việc xác định tổng hàm lượng As As cùng với các nguyên tố khó hóa hơi khác như Se, Bi, Pb, Hg,Te,… được xác định theo phương pháp hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật hidrua hóa (AAS-HVG) Hợp chất hidrua sau khi tạo thành bằng cách để khử hợp chất As(III) được mang vào buồng nguyên tử hóa của máy hấp thụ nguyên tử bằng dòng khí trơ Argon Dùng năng lượng ngọn lửa C2H2-không khí làm nguồn duy trì đám hơi nguyên tử của As Chiếu chùm tia đơn sắc từ đèn catot của As vào đám hơi nguyên tử khi đó As sẽ hấp thụ ở bước sóng 193,7nm

Phương pháp AAS sử dụng kỹ thuật Hidrua hóa có độ nhạy cao, cho kết quả

ổn định, lại loại được ảnh hưởng của nền mẫu Phương pháp này cho phép xác định

As ở hàm lượng thấp (cỡ µg/L) mà không cần phải làm giàu Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là chỉ cho biết hàm lượng As tổng mà không cho biết hàm lượng các dạng As

1.1.4.4 Phương pháp điện hóa

Các phương pháp điện hóa xác định As gồm có phương pháp cực phổ và von-ampe hòa tan Do As(V) hoạt động điện hóa kém nên thường chỉ phát hiện được As(III), còn As(V) phải thực hiện thêm bước khử về As(III) trước khi phân tích [11]

Theo phương pháp cực phổ, sóng cực phổ của As (III) được xác định trực tiếp trong nền HCl 1M hoặc HClO4, phương pháp này cho phép xác định asenit trong khoảng 0,6 – 60mg/L

Theo phương pháp von-ampe hòa tan, có thể sử dụng điện cực giọt thủy ngân treo hoặc là điện cực glassy-cacbon Phương pháp này thực chất bao gồm hai giai đoạn Giai đoạn đầu, chất phân tích được làm giàu trên bề mặt điện cực Sau đó ngừng điện phân trong một thời gian ngắn để cho chất phân tích phân bố đều trên bề mặt điện cực Tiếp theo tiến hành phân cực điện cực theo chiều ngược lại và ghi

10

tính hiệu hòa tan Phương pháp này cho phép xác định trực tiếp As (III) và cho giới hạn xác định As khá thấp cỡ µg/L

1.1.4.5 Phương pháp quang phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS)

Đối với phương pháp ICP-MS, mẫu phân tích lỏng được bơm vào nguồn plasma; ở đó do nhiệt độ cao của nguồn, mẫu bị bay hơi, nguyên tử hóa và ion hóa Các ion tạo thành được tách khỏi nguồn plasma bằng hệ bơm chân không, sau đó được dẫn qua hệ thống khối phổ tứ cực, ở đó các ion được phân tách dựa theo tỷ số khối lượng/điện tích của chúng và được phát hiện nhờ nhân quang điện hoặc đetectơ Faraday Đối với phương pháp đo này có thể phân tích asen với giới hạn phát hiện khoảng 0,1g/L [4]

1.1.4.6 Phương pháp điện di mao quản

Dùng phương pháp điện di mao quản để phân tích hàm lượng các dạng của một nguyên tố có nhiều trạng thái oxy hóa đang là hướng tiếp cận mới, thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới và As là một trong những đối tượng được quan tâm nhất Để đạt được hiệu quả phân tích cao, các nhà khoa học đã tích hợp hệ CE với các đetectơ khác nhau như: đetectơ UV-Vis, đetectơ huỳnh quang, đetectơ MS

Nghiên cứu đầu tiên trong phân tích các dạng As bằng phương pháp điện di mao quản được thực hiện bởi Wilman [58] Trong nghiên cứu này, As(III) và As(V) trong nền mẫu nước tiểu được phân tích bằng kĩ thuật UV gián tiếp, tuy nhiên, giới hạn phát hiện còn cao (cỡ vài mg/L) Baohuo Sun và các cộng sự đã phân tích riêng

rẽ các dạng As và Se bằng đetectơ UV-Vis trực tiếp Giới hạn phát hiện của phương pháp này cũng còn cao, 1,02mg/L đối với As (III) và 1,50mg/L đối với As (V) [47] Trong một nghiên cứu khác, Feng Li và các cộng sự đã tích hợp hệ CE với đetectơ huỳnh quang phân tích được các dạng As (III) và As (V) với giới hạn phát hiện đạt 76µg/L đối với As (III) và 112µg/L đối với As (V) [31] Một số kỹ thuật phát hiện nhằm nâng cao độ nhạy cho phân tích As đã được phát triển như kỹ thuật phát hiện tia X, huỳnh quang laze gián tiếp và độ dẫn cho thấy phù hợp với phân tích từng

11

dạng As nhưng độ nhạy cũng chỉ đạt tương đương với kỹ thuật UV gián tiếp [2] Với phương pháp điện di mao quản sử dụng đetectơ khối phổ [17, 25], độ nhạy phân tích các dạng As hữu cơ khá tốt nhưng lại không tốt cho các dạng As vô cơ Như vậy, với các đetectơ quang nhược điểm lớn nhất là độ nhạy chưa đạt được tiêu chuẩn để phân tích As trong mẫu thực tế

Để nâng cao độ nhạy của phương pháp, Liu và các cộng sự đã kết hợp hệ CE với đetectơ ICP-MS, kết quả đạt được cho thấy có thể phân tích một số dạng As hữu

cơ và vô cơ ở khoảng nồng độ từ ng/L đến µg/L [32] Sau đó, nhiều nhóm nghiên cứu khác [16, 40] cũng đã sử dụng và phát triển phương pháp phân tích As bằng hệ

CE với đetectơ ICP-MS, và hiện có thể phân tích As trong mẫu thật với nồng độ dưới µg/L Tuy nhiên việc sử dụng đetectơ ICP-MS đòi hỏi phải có thiết bị cồng kềnh, phức tạp với chi phí cao

Hiện nay, việc sử dụng phương pháp điện di mao quả kết hợp với đetectơ đo

độ dẫn không tiếp xúc kiểu tụ điện (C4D) trong phân tích các dạng hợp chất mang điện là một trong những hướng nghiên cứu mới Đetectơ C4D là một công cụ có độ nhạy cao trong phương pháp điện di mao quản Trong nghiên cứu [2], mặc dù giới hạn phát hiện As(III) còn khá cao (73g/L), Nguyễn Thị Ánh Hường và các cộng sự

đã nghiên cứu thành công quy trình phân tích As(V) với giới hạn phát hiện đối với chất chuẩn là 2,2g/L và giới hạn định lượng là 7,4g/L Như vậy, qua nghiên cứu bước đầu cho thấy đetectơ C4

D khá thích hợp trong việc phân tích As(III) và As(V) trong nước

1.2 Phương pháp điện di mao quản

1.2.1 Giới thiệu và phân loại các phương pháp điện di mao quản

Điện di là phương pháp tách chất dựa trên sự khác nhau về tốc độ di chuyển của các phần tử tích điện trong một mao quản hẹp dưới tác dụng của điện trường Vào những năm 1930, kĩ thuật điện di mao quản lần đầu tiên đã được nghiên cứu

Hình 1.3 Cấu tạo hệ thiết bị điện di mao quản

Các kĩ thuật tách chất trong điện di mao quản bao gồm [42]: điện di mao quản vùng (Capillary Zone Electrophoresis – CZE), sắc kí mao quản gel (Capillary Gel Electrophoresis – CGE ), sắc kí mao quản điện động học micelle (Micellar Electrokinetic Capillary Chromatography – MEKC), sắc kí điện di mao quản ( Capillary Electrochromatography – CEC ), điện di mao quản điểm đẳng điện ( Capillary Isoelectric Focusing – CIEF), điện di mao quản đẳng tốc độ ( Capillary Isotachorphoresis – CITP )

Trong các kỹ thuật tách điện di, điện di mao quản vùng đang là công cụ phổ biến trong việc phân tích môi trường vì cơ chế tách đơn giản và phù hợp với các chất là ion Phương pháp này được tiến hành bằng cách bơm một đoạn mẫu nhỏ vào một mao quản hẹp chứa đầy dung dịch đệm điện di Sau đó, áp một điện thế cao xuyên qua toàn bộ chiều dài của mao quản thông qua hai điện cực platin được đặt

13

vào hai đầu của mao quản Các ion trong mẫu chất phân tích sẽ di chuyển về một điện cực Vận tốc của các ion sẽ phụ thuộc vào kích thước và điện tích của ion đó Quá trình tách sau đó sẽ dựa vào tỉ lệ giữa điện tích/kích thước của các ion phân tích trong mẫu Tỉ lệ này càng lớn thì ion di chuyển càng nhanh dưới tác dụng của điện trường và ngược lại các ion có tỉ lệ này càng bé thì di chuyển càng chậm Do vậy các ion sẽ tách khỏi nhau sau khi đi qua mao quản

1.2.2 Cơ sở của phương pháp điện di mao quản

1.2.2.1 Tốc độ điện di, thời gian điện di và độ linh động điện di [53]

Tốc độ của một ion dưới tác dụng của điện trường được tính theo công thức sau :

Trong đó:

v: tốc độ của ion (cm.s-1) E: cường độ điện trường (V.cm-1)

µe: độ linh động điện di (cm2

.V-1.s-1) V: điện thế (V) L: chiều dài mao quản (cm)

Cường độ dòng điện E là hàm số của thế áp vào mao quản và độ dài mao quản Thời gian điện di (tm) của các chất tan trong dung dịch là thời gian mà các chất này di chuyển từ điểm đầu của mao quản đến đetectơ, độ dài này được kí hiệu

là l

Độ linh động điện di tỉ lệ thuận với điện tích ion và tỉ lệ nghịch với lực ma sát xuất hiện trong dung dịch đệm Do đó với các ion có điện tích hay lực ma sát khác nhau thì trong quá trình di chuyển trong dung dịch đệm chúng sẽ tách ra khỏi

Fms: lực ma sát của ion chất phân tích

r: bán kính ion : độ nhớt của dung dịch

Trong quá trình điện di, khi lực ma sát cân bằng với lực tĩnh điện ta có:

F e = F ms q.E = 6..r.v Khi đó, độ linh động điện di được xác định như sau:

Độ linh động điện di là một thông số phụ thuộc vào điện tích và kích thước ion phân tích, thành phần, nồng độ và pH của dung dịch đệm, hằng số điện li của các chất tan

1.2.2.2 Dòng điện di thẩm thấu ( dòng EOF)

Ở pH đủ lớn (pH>3), Khi áp một điện thế cao vào một mao quản silic chứa đầy dung dịch đệm sẽ xuất hiện một dòng được gọi là dòng điện di thẩm thấu (EOF) Đây là dòng chất lỏng chuyển dời từ cực dương về phía cực âm Nguyên nhân gây xuất hiện dòng EOF là do sự hình thành lớp điện kép trên bề mặt của mao quản

Trên bề mặt của mao quản silic luôn tồn tại các nhóm silanol Si-OH Các nhóm silanol là những nhóm axit yếu với pK=6,8  0,5, do đó khi tiếp xúc với các dung dịch có pH > 3 thì sẽ xảy ra quá trình đề proton theo phương trình sau:

Si-OH  Si-O- + H+ pK= 6,8  0,5

(q là điện tích ion)

Hình 1.4 Lớp điện kép trên thành mao quản Silic [33]

Thông thường tốc độ của dòng EOF sẽ lớn hơn tốc độ điện di của các ion và

nó được coi là pha động trong CE Mặc dù tốc độ di chuyển của chất phân tích phụ thuộc vào điện tích và kích thước của chúng nhưng sự di chuyển của dòng EOF

16

cũng kéo theo các ion dương, nguyên tử trung hòa và thậm chí là các ion âm về phía cực âm Hiện tượng đó có thể được mô tả như sau:

Hình 1.5 Vận tốc của các ion dưới tác dụng của dòng EOF [44]

Khi đó tốc độ của các ion phải được xác định lại như sau:

v total = v + v EOF = (µ e + µ EOF ).E

Cường độ dòng EOF được xác định như sau:

Trong đó:

: hằng số điện môi : là thế phụ thuộc vào điện tích trên thành mao quản Như vậy, dòng EOF phụ thuộc vào các yếu tố sau:cường độ điện trường, bản chất của pha động điện di ( thành phần, pH, độ nhớt,…)

Ý nghĩa của dòng điện di thẩm thấu

Như đã phân tích ở phần 1.2.2.2, sự di chuyển của các ion trong mao quản chịu tác dụng của lực điện trường và dòng EOF Dưới tác dụng của lực tĩnh điện, các cation di chuyển cùng chiều với dòng EOF nên vận tốc của chúng tăng lên, còn đối với các anion do chúng có hướng di chuyển ngược chiều với dòng EOF nên xuất hiện sự cạnh tranh giữa lực điện trường và lực đẩy của dòng EOF Nếu điều chỉnh được cường độ dòng EOF thích hợp sẽ điều khiển được quá trình, thứ tự tách

Ngoài ra, do khi dòng EOF di chuyển sẽ kéo theo cả khối dung dịch trong mao quản di chuyển đồng thời nên mặt cắt của dòng chảy có dạng phẳng Trong khi

đó, khi dùng áp suất cao để bơm mẫu trong sắc kí sẽ gây ra dòng chảy hình p.a.rabol Vì vậy, hình dạng pic khi dùng phương pháp điện di thường sắc nét, cân đối và có chân pic hẹp hơn so với các phương pháp dùng áp suất cao

Hình 1.6 Các kiểu dòng chảy trong mao quản và tín hiệu tương ứng

a: Kiểu dòng chảy trong phương pháp điện di mao quản b: Kiểu dòng chảy trong các phương pháp sử dụng áp suất cao

18

1.2.3 Các phương pháp bơm mẫu trong điện di mao quản

1.2.3.1 Phương pháp bơm mẫu điện động học

Phương pháp này được tiến hành bằng cách áp một thế có giá trị tuyệt đối khoảng 3÷6 kV vào hai điện cực trơ, một điện cực nhúng trong dung dịch mẫu và một điện cực nhúng trong dung dịch đệm điện di Khi áp thế, các chất phân tích trong dung dịch mẫu sẽ chuyển vào trong mao quản dưới tác dụng của điện trường [33]

Trong đó:

V: lượng mẫu bơm vào C= nồng độ mẫu t= thời gian bơm mẫu

Ưu điểm: Dưới tác dụng của lực điện trường, lượng mẫu bơm vào mao quản

lớn nên phương pháp bơm mẫu bằng điện động học còn được coi là một phương pháp làm giàu mẫu Ngoài ra, do lượng mẫu bơm vào lớn nên cường độ pic thu được lớn

Nhược điểm: Do lực điện trường tác dụng lên các ion có điện tích khác nhau

sẽ khác nhau nên khi tiến hành bơm mẫu bằng điện các ion có điện tích lớn, kích thước nhỏ sẽ di chuyển nhanh hơn các ion khác Vì vậy, các ion khác nhau sẽ có lượng thể tích kéo vào mao quản khác nhau, làm cho nồng độ của mẫu xác định được sẽ sai khác so với nồng độ trong mẫu thực tế Thêm vào đó, cường độ tín hiệu thu được có độ lặp lại kém

1.2.3.2 Phương pháp bơm mẫu thủy động học

Phương pháp này dùng một áp suất khoảng 50÷300mBar để đẩy hoặc hút một lượng mẫu chất phân tích vào mao quản Lượng mẫu được bơm vào mao quản phụ thuộc vào áp suất, thời gian bơm mẫu, độ nhớt của mẫu, đường kính và chiều dài mao quản Thể tích mẫu bơm vào mao quản được tính theo công thức sau [24]:

19

Trong đó:

∆p: độ chênh lệch áp xuất giữa hai đầu mao quản η: độ nhớt của dung dịch

Ưu điểm: Các ion trong mẫu đều chịu cùng một áp suất giống nhau nên

thành phần, tỉ lệ các chất bơm vào mao quản sẽ không khác biệt so với trong mẫu thực

Nhược điểm: Sử dụng áp suất để bơm mẫu vào mao quản có khả năng dẫn

đến kiểu dòng chảy hình p.a.rabol gây ra hiện tưỡng giãn rộng pic

1.2.3.3 Phương pháp bơm mẫu xiphong

Khi đặt hai đầu mao quản chênh nhau về độ cao một khoảng h, sự chênh lệch về áp suất và trọng lực của khối chất lỏng trong mẫu sẽ kéo dung dịch mẫu vào trong mao quản

Thể tích mẫu được nạp vào theo công thức này được xác định theo công thức [18]:

Trong đó: ρ: tỉ khối của dung dịch mẫu g: gia tốc trọng trường

∆h: chênh lệch chiều cao của dung dịch ở hai đầu mao quản

Ưu điểm: Cách tiến hành đơn giản không cần các thiết bị phức tạp, độ lặp

lại của các tín hiệu tốt

Nhược điểm: Lượng mẫu bơm vào mao quản nhỏ nên sẽ làm giảm độ nhạy

của phương pháp

20

Hình 1.7 Các phương pháp bơm mẫu trong điện di mao quản [24]

1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng trong phân tích điện di mao quản

1.2.4.1 Hiệu ứng nhiệt Jun

Khi một dòng điện đi qua một chất rắn hoặc chất lỏng có độ dẫn điện nhất định, điện năng được chuyển thành nhiệt năng và làm cho chất rắn hoặc chất lỏng

đó nóng lên

Trong kĩ thuật CE, do sử dụng lực điện trường lớn nên việc sản sinh ra nhiệt lượng là một kết quả không thể tránh được Các hiệu ứng nhiệt sẽ gây ra hai vấn đề là: sinh ra các gradient nhiệt độ di chuyển trong mao quản, và sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian Lượng nhiệt sinh ra này tỉ lệ thuận với lực điện trường [36, 49]

Hình 1.8 Các gradient nhiệt và sự hình thành dòng chảy hình parabol trong

mao quản

Để làm giảm hiệu ứng nhiệt Jun có thể áp dụng các phương pháp sau: giảm cường độ điện trường, giảm đường kính mao quản, giảm lực ion của dung dịch đệm, hoặc dùng hệ thống làm mát hay điều nhiệt

1.2.4.2 Ảnh hưởng của pH pha động

pH là giá trị có ý nghĩa rất quan trọng và thường được quan tâm nghiên cứu trong các phương pháp phân tích nói chung và phương pháp điện di mao quản nói riêng

Đầu tiên, pH là yếu tố quyết định sự hình thành lớp điện kép và cường độ dòng EOF Ở pH<3, dòng EOF không đáng kể, nhưng đến pH=9 các nhóm silanol

bị ion hóa gần như hoàn toàn và dòng EOF trở nên rất mạnh Tại pH cao, cường độ dòng EOF lớn, thứ tự sắp xếp của các chất như sau: đi đầu là các cation, kế tiếp là các phân tử trung hòa và cuối cùng là các anion Trong trường hợp này không thể phân tách các phân tử trung hòa với nhau vì chúng không mang điện Các anion cũng bị kéo về cực âm do cường độ dòng EOF lớn hơn độ linh động điện di của chúng Do đó khi tại pH thấp, rất khó để phân tích đồng thời cả anion và cation trong một phép đo do sự giảm cường độ dòng EOF Để có thể xác định anion thì anot phải đặt gần hướng đetectơ, còn để xác định cation phải đặt catot gần đetectơ bằng cách đảo chiều phân cực

22

Hình 1.9 Biểu đồ sự phụ thuộc vào pH của độ linh động dòng điện thẩm [24]

Ngoài ra, pH của dung dịch đệm điện di còn quyết định dạng tồn tại của các chất phân tích đặc biệt là các axit yếu, bazơ yếu hay các chất lưỡng tính như peptit Dạng tồn tại của các chất này phụ thuộc vào giá trị pH và do đó tính chọn lọc trong quá trình tách cũng sẽ lệ thuộc vào pH Theo kinh nghiệm, thường chọn dung dịch đệm điện di có pH trong khoảng 1 hoặc 2 đơn vị so với giá trị pKa của chất phân tích Điều cần phải lưu ý là khi pH cao, dòng EOF di chuyển nhanh do đó hiệu quả tách sẽ kém đi

pH của dung dịch đệm điện di được duy trì bởi các hệ đệm vô cơ hay hữu cơ khác nhau Tuy nhiên, các hệ đệm hữu cơ của các chất lưỡng tính thường được sử dụng nhiều hơn Ưu điểm của các chất này là có độ dẫn thấp khi được điều chỉnh ở giá trị pH của gần với giá trị pI của chúng Và do đó chúng sẽ làm giảm cường độ dòng điện và hiệu ứng nhiệt Jun Ngoài ra, các chất lưỡng tính như CAPS, MES,…

có kích thước lớn, cồng kềnh, di chuyển chậm nên sẽ làm tăng hiệu quả tách và cường độ tín hiệu

Bảng 1.3 Một số hệ đệm thông dụng trong kỹ thuật CE

1.2.4.3 Ảnh hưởng của điện thế và nhiệt độ

Cả dòng EOF và vận tốc điện di đều tỉ lệ thuận với lực điện trường, do đó việc sử dụng điện thế cao sẽ làm giảm thời gian tách chất Ngoài ra, nếu thời gian tách chất ngắn sẽ làm giảm hiệu ứng nhiệt nên sẽ hạn chế được sự giãn rộng pic và nâng cao hiệu quả phân tích

Độ linh động điện di và dòng EOF đều phụ thuộc vào độ nhớt của dung dịch Tuy nhiên, độ nhớt lại là một hàm phụ thuộc vào nhiệt độ do đó việc kiểm soát và khống chế nhiệt độ trong quá trình phân tích là vô cùng quan trọng Khi tăng nhiệt

độ thì độ nhớt giảm và do đó độ linh động điện di sẽ tăng lên Tuy nhiên, nếu nhiệt

độ tăng lên thì hiệu ứng nhiệt Jun cũng sẽ tăng lên nên phải khống chế nhiệt độ ở một giá trị tối ưu để vừa nâng cao hiệu suất tách chất vừa không làm tăng các hiệu ứng nhiệt Thông thường, nhiệt độ được lựa chọn là 25oC

24

1.2.5 Các loại đetectơ dùng trong kĩ thuật điện di mao quản

1.2.5.1 Đetectơ quang

Hiện nay, các đetectơ quang vẫn đang được sử dụng rộng rãi trong các thiết

bị điện di do nó có độ chọn lọc cao Các đetectơ quang học được dùng phổ biến nhất là đetectơ đo độ hấp thụ quang phân tử vùng UV-Vis hay đetectơ đo huỳnh quang phân tử Tuy nhiên để phát hiện trực tiếp chất phân tích bằng các đetectơ này thì bản thân chất phân tích phải có tính chất hấp thụ hay phát xạ quang Thông thường, nhược điểm lớn nhất của các đetectơ quang là giới hạn phát hiện còn rất cao

Đetectơ UV-Vis

Trong kĩ thuật CE, thường phải đo các đơn vị thể tích mẫu rất bé khoảng vài nanolit hay thậm chí là nhỏ hơn, do đó đetectơ phải được lắp ngay trên cột Trong trường hợp này, một phần nhỏ của lớp bảo vệ phủ ngoài mao quản sẽ bị bỏ đi bằng cách đốt nóng hay ăn mòn; và bộ phận này của mao quản sau đó sẽ đóng vai trò như cửa sổ quang học của đetectơ Vì độ dài của đoạn này chỉ khoảng 50-100µm nên nó chỉ có thể chứa được một lượng mẫu đo rất nhỏ và do đó sẽ làm hạn chế giới hạn

ánh sáng vùng UV

Đối với chất có sự hấp thụ quang kém như các aminoaxit, axit cacboxylic, hay các cacbonhidrat sẽ rất khó để phát hiện bằng phương pháp đo độ hấp thụ quang trực tiếp hay phương pháp đo huỳnh quang phân tử nếu không sử dụng các chất dẫn xuất Trong trường hợp này có thể dùng phương pháp đo độ hấp thụ quang gián tiếp Phương pháp này được thực hiện bằng cách thêm một ion chất mang màu vào dung dịch đệm điện di Sau đó đetectơ sẽ nhận được một tín hiệu không đổi từ

sự có mặt của chất mang màu này Tương tự như trong sắc kí trao đổi ion, các ion chất phân tích sẽ thay thế một số các ion này, do đó tín hiệu của đetectơ sẽ tăng dần trong khi đoạn chất phân tích đi qua đetectơ Việc xác định chất phân tích sẽ được tiến hành thông qua sự tăng hay giảm giá trị độ hấp thụ [44]

25

Đetectơ huỳnh quang

Khi sử dụng đetectơ huỳnh quang thì các chất phân tích phải được dẫn xuất hóa bằng các thuốc thử như dansylclorua, phenylthihydantoin, fluorescein, …hoặc

bị biến đổi thành các chất có hoạt tính huỳnh quang [29]

1.2.5.2 Đetectơ điện hóa

Đetectơ đo thế

Đetectơ đo thế là dạng đơn giản nhất của các đetectơ điện hóa Khi dùng đetectơ này thì không cần phải cung cấp điện thế cho thiết bị mà chỉ cần một điện cực để đo thế Theo phương pháp đo thế, cần phải sử dụng một điện cực chọn lọc ion hay màng chọn lọc ion cho tiếp xúc với dung dịch chất cần đo Các màng này có vai trò bán thấm chỉ cho một ion được chọn lọc đi qua Với mỗi chất phân tích khác nhau sẽ cần các màng chọn lọc khác nhau và độ nhạy của phương pháp phụ thuộc vào loại màng sử dụng [22]

Hình 1.10 Tín hiệu thu được từ việc tách một ion từ dung dịch bằng màng

chọn lọc ion [27]

Ưu điểm: Đetectơ đo thế có độ nhạy và độ chọn lọc rất tốt Do đó có thể

dùng để phân tích các chất trong một nền mẫu phức tạp; dễ thu nhỏ dùng trong các thiết bị điện di khác nhau; không cần nguồn cung cấp điện thế cao

26

Nhược điểm: Đetectơ này chỉ có thể áp dụng để phân tích một số đối tượng

như các kim loại kiềm, kiềm thổ, các amin, các amino axit, các axit hữu cơ,… nhưng không thể dùng cho các ion có nhiều điện tích như asen, crom, mangan,…Độ nhạy của phương pháp phụ thuộc vào loại màng sử dụng

Đetectơ đo dòng

Cơ chế hoạt động của đetectơ đo dòng là dựa trên tính oxi hóa hay tính khử của chất phân tích Tuy nhiên phương pháp này chỉ áp dụng cho các chất có hoạt tính điện hóa nên nó không phải là một đetectơ vạn năng Thông thường đetectơ đo dòng được sử dụng để xác định các hợp chất hữu cơ có hoạt tính điện hóa như : cacbonhydrat, các amino axit, các loại dược phẩm,…Trên cơ sở kĩ thuật đo dòng [22, 23, 27], tín hiệu phân tích thu được là do sự theo dõi dòng điện sinh ra do các phản ứng oxy hóa hay phản ứng khử chất phân tích trên bề mặt điện cực Cường độ dòng điện tỉ lệ với số electron trao đổi trong các phản ứng oxy hóa-khử, và do đó nó

tỉ lệ với nồng độ chất phân tích

I = n F J(C X )

Trong đó:

J(C X ): là hàm phụ thuộc vào nồng độ của chất phân tích X

n: số electron trao đổi trong phản ứng F: hằng số Faraday

Ưu điểm: Phương pháp có độ nhạy khá tốt Có thể dùng để phân tích các

chất không thể xác định bằng đetectơ quang

Nhược điểm: Cấu tạo các thiết bị phức tạp và khó sử dụng Do thường

xuyên làm việc với các chất có hoạt tính oxi hóa hay khử mạnh nên phải thường xuyên vệ sinh, bảo trì và thay thế các điện cực

27

Đetectơ đo độ dẫn

Trong các đetectơ điện hóa đáng chú ý nhất là đetectơ đo độ dẫn Bằng đetectơ đo độ dẫn, ta có thể xác định được tất cả các cation hoặc anion mang điện tích Các đetectơ đo độ dẫn sẽ đo dòng điện giữa hai điện cực trơ khi được áp một thế nhất định Trong suốt quá trình phân tách, các chất điện li sẽ được thay thế bằng các ion phân tích Kết quả là tín hiệu thu được sẽ phụ thuộc vào sự khác biệt về độ dẫn giữa ion phân tích và chất điện li Độ chênh lệch độ dẫn càng lớn thì tín hiệu chất phân tích càng lớn và ngược lại

Đetectơ đo độ dẫn thường được chia làm hai loại là đetectơ đo độ dẫn tiếp xúc và đetectơ đo độ dẫn không tiếp xúc kiểu tụ điện (C4D) Trong đó đáng chú ý hơn cả là đetectơ đo độ dẫn không tiếp xúc Đetectơ này đã được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1998 bởi Zemann và các cộng sự [55] Khác với đetectơ đo độ dẫn tiếp xúc, các đetectơ đo độ dẫn không tiếp xúc, trong suốt quá trình làm việc, không tiếp xúc với dung dịch đo

Đetectơ C4D gồm hai điện cực hình ống dài 230mm được đặt cách nhau khoảng 1-5mm, và được đặt vòng quanh mao quản Giữa hai điện cực được đặt một

lá đồng mỏng được nối đất đóng vai trò là lá chắn Faraday để tránh sự kết nối điện dung trực tiếp của hai điện cực (hình.1.7.A)[26]

Trong đetectơ C4D, hai điện cực hình ống tạo với dung dịch bên trong mao quản hai tụ điện C như mô tả ở hình.1.7.B Khoảng dung dịch nằm giữa hai điện cực đóng vai trò như là điện trở R Khi áp nguồn điện xoay chiều lên điện cực thứ nhất với một tần số nhất định, dòng điện sẽ đi qua khối dung dịch chất điện li nằm giữa hai điện cực và đi đến điện cực thứ hai Tín hiệu phân tích thu được là do đo sự thay đổi độ dẫn của khối dung dịch nằm trong mao quản ở khoảng giữa hai điện cực

28

Hình 1.11 Sơ đồ đetectơ không tiếp xúc kiểu tụ điện [26]

Ưu điểm: Là đetectơ vạn năng với đối tượng phân tích rộng, có độ nhạy

cao Do các điện cực không tiếp xúc trực tiếp với dung dịch chất phân nên tránh gây nhiễm bẩn mẫu và hạn chế sự nhiễu nền mẫu Đơn giản, nhỏ gọn, dễ kết nối, lắp ráp với các thiết bị, và có thể phát triển thành thiết bị cầm tay

Nhược điểm: Khi dùng các đetectơ đo độ dẫn do có thể xác định rất nhiều

chất dưới cùng một điều kiện đo nên độ chọn lọc của phương pháp khá kém Phải

có nguồn cung cấp điện thế cao

1.2.6 Ứng dụng của phương pháp điện di mao quản

Trong những năm gần đây, điện di mao quản đã không ngừng được phát triển

cả về thiết bị lẫn phạm vi ứng dụng Mặc dù thời kỳ phát triển nhanh chóng của điện di mao quản là ở những năm 1990, tuy nhiên những cải tiến hệ thống để mở ra những ứng dụng mới vẫn tiếp tục được công bố CE ngày nay được coi là phương pháp phân tích thay thế đáng tin cậy cho các phương pháp phân tích truyền thống

1.2.6.1 Ion vô cơ

Với đặc tính phân tách các chất tan dựa trên điện tích, ngay từ rất sớm, điện di đã được nghiên cứu để ứng dụng trong phân tích các ion vô cơ Ban đầu detector được

sử dụng chủ yếu là detector quang [13] Đến cuối những năm 1990, detector đo độ