Tài liệu Nghiên cứu xác định các Hidrocacbon thơm nhóm Btex bằng phương pháp phân tích động lực học kết hợp với vi chiết pha rắn màng kim rỗng và sắc kí khí

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Đào Thu Giang NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC HIDROCACBON THƠM NHÓM BTEX BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT HỢP VỚI VI CHIẾT PHA RẮN MÀNG KIM RỖNG VÀ SẮC KÍ KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Đào Thu Giang NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC HIDROCACBON THƠM NHÓM BTEX BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT HỢP VỚI VI CHIẾT PHA RẮN MÀNG KIM RỖNG VÀ SẮC KÍ KHÍ Chuyên ngành: Hóa hữu cơ Mã số: 60 44 27 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TSKH. NGUYỄN ĐỨC HUỆ Hà Nội – Năm 2011 MỤC LỤC MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ...........................................................................................3 1.1. GIỚI THIỆU NHÓM CHẤT HỮU CƠ BAY HƠI BTEX ......................................3 1.1.1 Cấu tạo và tính chất của các hợp chất hiđrocacbon thơm BTEX ...........................3 1.1.2 Giới hạn cho phép của các hợp chất hiđrocacbon thơm nhóm BTEX trong nƣớc 4 1.2 ÁP DỤNG PHƢƠNG PHÁP VI CHIẾT TRONG PHÂN TÍCH CÁC HỢP CHẤT NHÓM BTEX..................................................................................................................5 1.2.1. Một số kỹ thuâ ̣t chuẩn bị mẫu hiê ̣n đa ̣i .................................................................6 1.3 PHƢƠNG PHÁP ĐỘNG LỰC HỌC TRONG ĐỊNH LƢỢNG CÁC HỢP CHẤT BAY HƠI BẰNG VI CHIẾT PHA RẮN KHÔNG GIAN HƠI ...................................13 1.4. PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SẮC KÍ KHÍ........................................................17 1.4.1. Giới thiệu chung về phƣơng pháp sắ c kí khí .......................................................17 1.4.2. Đetectơ ion hoá ngọn lửa.....................................................................................19 1.5. ĐÁNH GIÁ PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH .........................................................21 1.5.1.Giới hạn phát hiện ................................................................................................ 21 1.5.2. Giới hạn định lƣợng.............................................................................................22 1.5.3. Khoảng tuyến tính ...............................................................................................22 1.5.4. Độ nhạy................................................................................................................22 1.5.5. Độ đúng của phƣơng pháp phân tích ...................................................................23 CHƢƠNG 2: THƢ̣C NGHIÊM ̣ ....................................................................................25 2.1. HOÁ CHẤT VÀ THIẾT BỊ ...................................................................................25 2.1.1. Hoá chất ...............................................................................................................25 2.1.2. Thiết bị .................................................................................................................25 2.2. CHẾ TẠO THIẾT BỊ VI CHIẾT MÀNG KIM RỖNG PHỦ TRONG .................25 2.2.1. Bơm và kim tiêm trong vi chiế t màng kim rỗng .................................................25 2.2.2. Pha tiñ h và dung dịch pha tĩnh ............................................................................25 2.2.3. Cách phủ pha tiñ h ................................................................................................ 26 2.2.4. Tính toán độ dày màng pha tĩnh ..........................................................................26 2.3 KHẢO SÁT KHẢ NĂNG SỬ DỤNG CỦA KIM..................................................26 2.3.1 Khảo sát thời gian giải hấp ...................................................................................26 2.3.2 Khảo sát khả năng sử dụng của kim .....................................................................27 2.4. XÂY DỰNG QUY TRÌNH PHÂN TÍCH CÁC HỢP CHẤT NHÓM BTEX TRONG MẪU NƢỚC ..................................................................................................28 2.4.1. Điều kiện phân tích sắc kí của các chất nhóm BTEX .........................................28 2.4.2. Xây dựng đƣờng chuẩn phân bố các chất nhóm BTEX trong KGH mẫu nƣớc ..32 2.4.3. Xác định các hợp chất thơm nhóm BTEX trong một số mẫu nƣớc thật .............33 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 34 3.1. THIẾT BỊ VI CHIẾT MÀNG KIM RỖNG PHỦ TRONG ...................................34 3.2. PHA TĨNH SỬ DỤNG TRONG THIẾT BỊ VI CHIẾT MÀNG KIM RỖNG PHỦ TRONG .........................................................................................................................36 3.2.1. Nguyên tắc lựa chọn pha tĩnh phủ lên thành trong của kim tiêm rỗng ...............36 3.2.2. Độ dày màng pha tĩnh phủ trong kim vi chiết .....................................................36 3.2.3. Tính toán độ dày màng phủ và quan sát trên kính hiển vi điện tử quét (SEM) ...........................................................................................................................37 3.3. KIM VI CHIẾT ......................................................................................................39 3.3.1. Thời gian giải hấp của kim vi chiết .....................................................................39 3.3.2. Khả năng sử dụng của kim vi chiết .....................................................................42 3.4. QÚA TRÌNH GIẢI HẤP CÁC CHẤT KHỎI MÀNG PHA TĨNH .......................43 3.5. PHÂN TÍCH CÁC HỢP CHẤT BTEX TRONG MẪU NƢỚC ...........................44 3.5.1. Quy trình phân tích nhóm BTEX trong mẫu nƣớc ..............................................44 3.5.2 Các thông số đánh giá phƣơng pháp phân tích các chất nhóm BTEX trong mẫu nƣớc .......................................................................................................................48 3.5.3 Kết quả phân tích các chất nhóm BTEX trong một số mẫu nƣớc thật .................48 3.6. PHƢƠNG PHÁP ĐỘNG LỰC HỌC- ƢU VÀ NHƢỢC ĐIỂM ...........................50 3.7. SO SÁNH, ĐÁNH GIÁ CÁC THÔNG SỐ THỐNG KÊ PHÂN TÍCH CỦA KĨ THUẬT CỦA MÌNH VỚI CÁC KĨ THUẬT TÁCH CHẤT KHÁC TRONG SỰ PHÂN TÍCH CÁC CHẤT NHÓM BTEX TRONG MẪU NƢỚC ........ 51 KẾT LUẬN ...................................................................................................................54 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT BTEX: Benzen, Toluen, Etylbenzen, Xylen (m-Xylen) BTNMT: Bộ tài nguyên môi trường BYT: Bộ y tế FID: Detector ion hóa ngọn lửa (Flame Ionization Detector) GC: Sắc kí khí (Gas Chromatography) HNF- ME: Vi chiế t màng kim rỗng (Hollow Needle Film Microextraction) HF-LPME: Vi chiết pha lỏng sợi rỗng (Hollow Fiber Liquid Phase Microextraction) HPLC: Sắc kí lỏng hiệu năng cao (High Performance Liquid Chromatography) HS: Không gian hơi (Headspace) LOD: Giới hạn phát hiện (Limit of Detection) LOQ: Giới hạn định lượng (Limit of Quantitation) LPME: Vi chiết pha lỏng (Liquid Phase Microextraction) QCVN: Quy chuẩn Việt Nam KGH: Không gian hơi SPME: Vi chiết pha rắn (Solid Phase Microextraction) SPE-DI : Chiết pha rắn bơm trực tiếp (Solid Phase Extraction Direct Injection) SEM: Kính hiển vi điện tử quét (Scan Electronic Microscopy) VOC: Hợp chất hữu cơ bay hơi (Volatile Organic Compounds) DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN 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 (QCVN 01-2009/BYT) Bảng 1.3: Quy chuẩn Việt Nam về phát thải của các chất nhóm BTEX (QCVN 07: 2009/BTNMT) Bảng 2.1: Khảo sát thời gian giải hấp khi vi chiết các chất nhóm BTEX trong KGH mẫu nước Bảng 2.2: Khảo sát số lần tái sử dụng của thiết bị Bảng 2.3: Thời gian lưu chuẩn Bảng 2.4: Kết quả xây dựng đường chuẩn dùng bơm tiêm Hamilton với các chất nhóm BTEX Bảng 2.5: Kết quả xây dựng đường chuẩn phân bố khi vi chiết các chất nhóm BTEX trong KGH mẫu nước Bảng 3.1: Tính toán độ dày màng phủ lên thành trong của kim tiêm rỗng Bảng 3.2: Kết quả xác định các thông số đánh giá phương pháp phân tích các chất nhóm BTEX trong mẫu nước Bảng 3.3: Kết quả xác định các chất nhóm BTEX trong một số mẫu nước thật Bảng 3.4: Kết quả so sánh các phương pháp phân tích các chất nhóm BTEX trong mẫu nước Hình 1.1: Mô hình kĩ thuật không gian hơi trực tiếp Hình 1.2: Mô hình cấu tạo của bơm kim vi chiết pha rắn Hình 1.3: Sơ đồ khối thiết bị sắc kí khí Hình 1.4: Sơ đồ cấu tạo của đetectơ ion hoá ngọn lửa Hình 2.1: Sắc kí đồ hỗn hợp các chất nhóm BTEX Hình 2.2: Phương trình đường chuẩn halmiton của benzen Hình 2.3: Đường chuẩn halmiton của toluen Hình 2.4: Đường chuẩn halmiton của etylbenzen Hình 2.5: Đường chuẩn halmiton của m-xilen Hình 3.1: Quá trình hấp phụ của chất phân tích lên màng pha tĩnh kim vi chiết Hình 3.2 : Thiết bị vi chiết màng kim rỗng phủ trong Hình 3.3: Sơ đồ mặt cắt ngang kim vi chiết Hình 3.4 : Kết quả chụp đo chiều dày màng phim pha tĩnh Hình 3.5: Khảo sát thời gian giải hấp của kim vi chiết Hình 3.6: Sắc kí đồ của các chất BTEX tại thời gian giải hấp 3s Hình 3.7: Sắc kí đồ của các chất BTEX tại thời gian giải hấp 5s Hình 3.8: Sắc kí đồ của các chất BTEX tại thời gian giải hấp 15s Hình 3.9: Khảo sát khả năng sử dụng của kim vi chiết Hình 3.10: Quy trình phân tích các hợp chất nhóm BTEX trong không gian hơi mẫu nước Hình 3.11: Đường chuẩn phân bố của benzene trong mẫu nước Hình 3.12: Đường chuẩn phân bố của toluen trong mẫu nước Hình 3.13: Đường chuẩn phân bố của etylbenzen trong mẫu nước. Hình 3.14: Đường chuẩn phân bố của m-xilen trong mẫu nước. Hình 3.15: Sắc kí đồ mẫu thực tế BTEX-1 DANH MỤC PHỤ LỤC Phụ lục 1: Sắc kí đồ của mẫu thực tế BTEX-2 Phụ lục 2: Sắc kí đồ của mẫu thực tế BTEX-4 Phụ lục 3: Sắc kí đồ của mẫu thực tế BTEX-5 Phụ lục 4: Sắc kí đồ của mẫu thực tế BTEX-6 Luận văn tốt nghiệp 2011 Đào Thu Giang MỞ ĐẦU Ngày nay, nhờ áp dụng triệt Ďể khoa học kĩ thuật nhằm cải tạo thiên nhiên, tìm kiếm nguồn tài nguyên, con người ngày càng chế tạo Ďược nhiều sản phẩm phục vụ cho Ďời sống của mình. Tuy nhiên cùng với những thành tựu to lớn Ďạt Ďược trong sản xuất và Ďời sống Ďó cũng kéo theo những Ďe dọa nghiêm trọng tới Ďời sống con người. Vì vậy, việc Ďánh giá, tìm ra những biện pháp gìn giữ và bảo vệ môi trường sống ngày càng trở nên cấp bách Ďối với các quốc gia trên thế giới. Trong các ngành công nghiệp, Ďặc biệt là công nghiệp hóa học thì nước thải và khí thải của các nhà máy, xí nghiệp, các cơ sở sản xuất, dịch vụ có ảnh hưởng rõ rệt tới chất lượng nước ngầm, nước mặt và môi trường khí xung quanh chúng ta. Các thành phần chủ yếu của nguồn thải Ďó là các hợp chất hữu cơ dễ bị phân hủy, các hợp chất hữu cơ bền vững, các chất rắn, kim loại nặng, các vi sinh vật gây hại… Thực trạng trình Ďộ xử lí môi trường của nước ta hiện nay còn rất nhiều vấn Ďề bất cập, Ďiển hình như các vụ gây ô nhiễm nghiêm trọng do các nhà máy lớn như Miwon, Vedan tạo ra trong nhiều năm nay nhưng bây giờ mới Ďược phát hiện. Điều này gây ảnh hưởng lớn Ďối với hệ sinh thái cũng như sức khỏe con người. Trong vài thập niên gần Ďây, các nhà khoa học Ďã có nhiều nghiên cứu Ďể xác Ďịnh thành phần Ďịnh tính và Ďịnh lượng các chất thải công nghiệp ra môi trường nước và không khí nhằm phục vụ cho công tác xử lí và bảo vệ môi trường. Một trong những nhóm hợp chất Ďược quan tâm nhiều Ďó là các hidrocacbon thơm BTEX. Đây là những hợp chất Ďược sử dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp khác nhau như sản xuất sơn, giầy da, dệt vải, thuốc bảo vệ thực vật, công nghiệp hoá chất… Sự có mặt của nhóm chất này trong môi trường nước hay không khí cũng gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe con người, ảnh hưởng tới môi trường thủy sinh. Do Ďó, việc thiết lập một quy trình phân tích hàm lượng các hợp chất nhóm BTEX trong môi trường phù hợp với những Ďiều kiện phòng thí nghiệm hiện có, thỏa mãn Ďộ chính xác, nhanh và rẻ là hết sức cần thiết. Xuất phát từ những yêu cầu trong thực tế, chúng tôi Ďã tiến hành “Nghiên cứu xác Ďịnh các hidrocacbon thơm nhóm BTEX bằng phương pháp phân tích Ďộng lực học kết hợp với vi chiết pha rắn màng kim rỗng và sắc kí khí” với mục tiêu Ďặt ra như sau: 1 Luận văn tốt nghiệp 2011 Đào Thu Giang - Xây dựng Ďược phương pháp phân tích có Ďộ chính xác và tin cậy Ďể xác Ďịnh nhóm BTEX trong môi trường nước. - Phương pháp mới phải có tính khả thi, dễ áp dụng và có tính ưu việt hơn các phương pháp sử dụng trước Ďây. - Áp dụng quy trình Ďã Ďược nghiên cứu trong việc Ďánh giá hàm lượng các hidrocacbon thơm nhóm BTEX trong nước thải tại một số Ďịa bàn trên thành phố Hà nội. 2 Luận văn tốt nghiệp 2011 Đào Thu Giang CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. GIỚI THIỆU NHÓM CHẤT HỮU CƠ BAY HƠI BTEX 1.1.1 Cấu tạo và tính chất của các hợp chất hiđrocacbon thơm BTEX Bảng 1.1: Công thức và một số tính chất của các chất nhóm BTEX [9, 16]. Đặc tính Benzen Toluen Etylbenzen m-Xilen Công thức 1 C6H6 C6H5CH3 C6H5C2H5 m-CH3C6H4CH3 phân tử Khối lượng 3 phân tử 87,12 92,15 106,17 106,17 (gam/mol) Điểm sôi (0C) 4 80,1 110,6 136,2 139,1 ở 760mmHg Điểm nóng 5 5,5 -95 -95 -47,9 chảy (0C) Tỷ trọng 6 0,876520/4 0,866920/4 0,867020/4 0,864220/4 (g/cm3) 7 Độ phân cực 3,0 2,3 2,4 Tính trộn lẫn 8 Không Không Không với nước 9 Hệ số K’H 0,225 (250C) 0,224 (250C) 0,232-0,248 (250C) Một số tính Là hợp chất không mầu, ở Ďiều kiện bình thường tồn tại dạng thể chất chung của lỏng, dễ cháy, có mùi Ďặc trưng của hiĎrocacbon thơm, tan trong 10 các chất nhóm ancol, clorofom, ete, cacbonĎisunfua, axeton... BTEX Ghi chú: “-”: không có số liệu STT * Ứng dụng và nguồn phát thải các hợp chất hiđrocacbon thơm nhóm BTEX Dung môi hữu cơ nói chung và các hiĎrocacbon thơm nhóm BTEX nói riêng Ďược sử dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp khác nhau như sản xuất sơn, giầy da, dệt vải, thuốc bảo vệ thực vật, công nghiệp hoá chất… Chúng Ďược dùng như một loại dung môi pha chế thường xuyên nhằm phân tán hoàn toàn các hoá chất tác nhân chính và do Ďó chúng thường Ďược dùng với hàm lượng rất lớn. Trong quá trình sản xuất cũng như sử dụng các sản phẩm có sử dụng dung môi, sự phát tán vào môi trường sống như nước, không khí, Ďất là không thể tránh khỏi. Khi Ďó con người cũng như các loại Ďộng vật nói chung tiếp xúc và hấp thụ chúng vào cơ thể bằng nhiều con Ďường khác nhau như hô hấp, ăn uống, qua da trong thời gian liên tục hoặc cục bộ. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật, các Ďộng cơ Ďốt trong sử dụng nhiên liệu xăng dầu cũng là nguồn phát thải mạnh mẽ các hiĎrocacbon thơm nhóm 3 Luận văn tốt nghiệp 2011 Đào Thu Giang BTEX vào môi trường sống. Do quá trình Ďốt cháy trong các Ďộng cơ là không hoàn toàn và bộ phận xử lí khí thải ra hoạt Ďộng không hiệu quả. Ngay trong thành phần của xăng, dầu cũng chứa một hàm lượng hiĎrocacbon thơm nhóm BTEX nhất Ďịnh. Trong quá trình khai thác, vận chuyển và sử dụng, một lượng không nhỏ xăng dầu phân tán dễ dàng vào môi trường do chúng là các hoá chất rất dễ bay hơi. * Một số tác hại của các hợp chất nhóm hiđrocacbon thơm BTEX đối với sức khoẻ con người Các chất nhóm BTEX Ďặc biệt là benzen, toluen, etylbenzen và xilen xâm nhập vào cơ thể con người chủ yếu thông qua con Ďường hô hấp. Tác hại của các chất này là làm suy yếu hệ thần kinh trung ương, kích ứng da và các màng nhầy, làm hoại tuỷ xương mạnh và là chất gây ra bệnh bạch cầu. Giống như nhiều chất gây ung thư khác, không có mức tiếp xúc nào an toàn về mặt lí thuyết cho các chất nhóm BTEX, vì vậy sự tiếp xúc với chúng nên giữ ở mức thấp nhất. 1.1.2 Giới hạn cho phép của các hợp chất hiđrocacbon thơm nhóm BTEX trong nƣớc Bảng 1.2: Quy chuẩn Việt Nam về chất lượng nước ăn uống với các chất nhóm BTEX (QCVN 01-2009/BYT) Chất Benzen Nồng Ďộ tối Ďa cho phép (10- 10 6 g/lít) Mức Ďộ giám sát B Toluen 700 Etylbenzen 300 Xilen 500 C C C A- Xét nghiệm ít nhất 01 lần/01 tuần do cơ sở cấp nước thực hiện B- Xét nghiệm ít nhất 01 lần/06 tháng do cơ sở cấp nước thực hiện C- Xét nghiệm ít nhất 01 lần/02 năm do cơ sở cung cấp nước thực hiện Bảng 1.3: Quy chuẩn Việt Nam về phát thải của các chất nhóm BTEX (QCVN 07: 2009/BTNMT) Chất Hàm lượng tuyệt Ďối cơ sở, H (ppm) Nồng Ďộ ngâm chiết, Ctc (mg/l) Benzen 10 0,5 4 Toluen 20.000 1.000 Etylbenzen Xilen 8.000 20.000 400 1.000 Luận văn tốt nghiệp 2011 Đào Thu Giang + Hàm lượng tuyệt Ďối là hàm lượng phần trăm (%) hoặc phần triệu (ppm), của một thành phần nguy hại trong chất thải. Ngưỡng hàm lượng tuyệt Ďối (Htc) là ngưỡng chất thải nguy hại tính theo hàm lượng tuyệt Ďối + Nồng Ďộ ngâm chiết là nồng Ďộ (mg/l) của một thành phần nguy hại trong dung dịch sau khi ngâm chiết, Ďược thôi ra từ chất thải khi tiến hành chuẩn bị mẫu bằng phương pháp ngâm chiết. Ngưỡng nồng Ďộ ngâm chiết (Ctc), là ngưỡng chất thải nguy hại tính theo hàm lượng ngâm chiết [7, 8]. Tóm lại, sự ô nhiễm của các dung môi nói chung và các hợp chất nhóm BTEX nói riêng là hình thức khó nhận thấy nhưng lại có ở nhiều nơi và gây những tác hại Ďáng kể Ďến môi trường sống của nhiều loài sinh vật cũng như con người. Vì vậy, cần có những biện pháp hữu hiệu Ďể hạn chế sự có mặt của chúng trong môi trường. 1.2 ÁP DỤNG PHƢƠNG PHÁP VI CHIẾT TRONG PHÂN TÍCH CÁC HỢP CHẤT NHÓM BTEX Việc xác Ďịnh các hợp chất hữu cơ nhóm BTEX trong môi trường và trong các mẫu sinh học là một thách thức lớn Ďối với các nhà phân tích do: - Các hợp chất nhóm BTEX có khả năng bay hơi cao - Nồng Ďộ các hợp chất BTEX trong môi trường thường nhỏ, khó phát hiện - Thành phần mẫu thường phức tạp Hiện nay, chỉ có phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại ( UV- DOAS) Ďược sử dụng phân tích các hợp chất VOC mà không cần giai Ďoạn chuẩn bị mẫu, tuy nhiên nó chỉ có thể phù hợp với một số hợp chất nhất Ďịnh, khả năng áp dụng với nhiều Ďối tượng còn hạn chế. Việc cô Ďặc, tập trung mẫu có thể tiến hành ngay khi lấy mẫu thực tế hoặc tại phòng thí nghiệm tùy theo từng phương pháp. 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 5 Luận văn tốt nghiệp 2011 Đào Thu Giang 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 [17, 25, 35, 46, 52, 53]. 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 chín 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 [4, 18, 37, 43]. 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. 1.2.1. Một số kỹ thuâ ̣t chuẩn bị mẫu hiêṇ 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. 6 Luận văn tốt nghiệp 2011 Đào Thu Giang Cách thức tiến hành (hình 1.1): 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 Cân bằng lỏng-hơi Nút kín GC Chuẩn bị mẫu Gia nhiệt Hình 1.1: Mô hình kĩ thuật không gian hơi trực tiếp 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 chiế t pha rắ n thường (sử dụng sợi chiết) 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 [15, 31, 38]. 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 1.2: 7 Luận văn tốt nghiệp 2011 Pittong Đào Thu Giang Vá xylanh §ai gi÷ CÇn kim lo¹i Sîi chiÕt SPME Septum èng b¶o vÖ kim lo¹i Hình 1.2: Mô hình cấu tạo của bơm kim vi chiết pha rắn 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 (sợi thủy tinh quang học) 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 nhựa ĎivinylĎiclometan, nhựa chịu nhiệt hoặc than xốp tuỳ theo từng Ďối tượng chất nghiên cứu. Sợi chiết Ďược 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 thủy tinh quang học (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. 8 Luận văn tốt nghiệp 2011 Đào Thu Giang Trong kĩ thuật tách chất SPME, chất phân tích không Ďược chiết hoàn toàn khỏi nền mẫu [29, 39, 45]. Phương pháp này có các ưu Ďiểm so với các phương pháp truyền thống là mẫu Ďi nhanh, trực tiếp vào sợi tách và không tốn kém dung môi [3, 10,18]. So với phương pháp chiết 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 [32]. 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 [10, 20, 21]. 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: (1.2.1) 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: 9 Luận văn tốt nghiệp 2011  fA n  C Vf  Với Đào Thu Giang K AC0 AVsV f (C f max  C fA ) Vs  K AV f (C f max  C fA ) (1.2.2) n: lượng chất phân tích hấp phụ bởi lớp pha tĩnh polime tại thời Ďiểm cân bằng. C fA : 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 10 Luận văn tốt nghiệp 2011 Đào Thu Giang 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 fsV f C0 (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: n K fsVsV f C0 (1.2.4) K fsV f  Vs Vs: thể tích mẫu phân tích. Quá trình cân bằng là sự thay Ďổi của tỉ số phân bố, Ďó là liên hệ giữa lượng chất Ďược pha tĩnh hấp phụ chia cho lượng chất trong pha lỏng. Ta thấy rằng trong cả hai phương trình (1.2.3) và (1.2.4) thì lượng chất Ďược hấp phụ trên pha tĩnh tỉ lệ với nồng Ďộ ban Ďầu của chất phân tích trong dung dịch. Tuy nhiên trong phương trình (1.2.4) có thêm Ďại lượng KfsVf ở mẫu số làm giảm lượng chất Ďược hấp phụ. Ta xét các trường hợp sau: +) 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: n K fsVsV f C0 K fsV f  Vs C0 (1.2.5) Theo tác giả Berg Fohn R. [13] 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 11 Luận văn tốt nghiệp 2011 Đào Thu Giang 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. * Kĩ thuật vi chiế t pha rắn màng kim rỗng phủ trong (HNF-ME) 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 HNFME, 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 [3, 14, 26, 36, 38]. 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 [24, 34, 48]. Kết hợp với phương pháp vi chiết pha rắn sử dụng sợi chiết, phương pháp Ďộng lực học cũng Ďược áp dụng dựa trên các quy tắc chuyển khối giữa các pha lỏng, pha hơi và màng phim polime Ďể Ďịnh lượng các hợp chất BTEX. 12