Tài liệu Nghiên cứu chế tạo cột vi chiết mao quản hở để xác định một số chất cơ clo dễ bay hơi trong môi trường nước

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Các hợp chất dễ bay hơi bao gồm những chất trong nhóm dung môi clo hữu cơ, nhóm chất trong thành phần của nhiên liệu,... Nhóm chất dung môi clo hữu cơ gồm có điclometan, tetraclometan, cloeten 1,1-đicloeten, trans-1,2dicloeten, cis-1,2-đicloeten, 1,2-đicloetan, tetracloeten, 1,1,1-tricloetan, 1,1,2tricloetan, tricloeten, 1,1-đicloetan, triclometan,... Nhóm chất trong thành phần của nhiên liệu gồm có benzen, metyl tert-butyl ete, toluen, xylen. Như vậy các chất dễ bay hơi là các chất hữu cơ có áp suất hơi lớn hơn 13,3 Pa ở 25oC hoặc 10 Pa ở 20oC [32, 43]. Các chất dễ bay hơi được tổng hợp với lượng lớn để sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong sản xuất, chế tác các sản phẩm gia dụng. Các hóa chất này được dùng để tẩy rửa, giặt khô, làm sạch kim loại, chất kết dính, chất hòa tan mực, chất làm sạch đồ nội thất, chất trong thành phần nhiêu liệu,... Bên cạnh nguồn hóa chất tổng hợp, một số chất bay hơi còn được tự sinh ra trong môi trường như quá trình xử lý nước bằng clo, quá trình clo hóa tự nhiên nước ngầm,… Các nhà khoa học đã tìm thấy tất cả các chất dễ bay hơi ở trong môi trường nước và không khí. Nguyên nhân dẫn đến sự có mặt của các chất này trong môi trường là do sử dụng chúng không đúng quy tắc, thải bỏ không xử lý, lưu giữ không cẩn thận, sự bay hơi tự nhiên từ các vật dụng, vật thải bỏ và nước mặt, đun nước sử dụng trong ăn uống và tắm giặt,... Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) có thể gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe con người và hệ sinh thái ngay ở nồng độ thấp, chúng tham gia vào nhiều phản ứng tạo ra các chất nguy hại trong môi trường, làm giảm lượng ôzôn trong không khí,… Trong các nghiên cứu gần đây, các nhà khoa học đã chỉ ra nhiều chất cơ clo dễ bay hơi (Cl-VOC) ở nồng độ thấp có thể gây ảnh hưởng tới mắt, gan, tim, phổi và có thể dẫn tới ung thư, gây đột biến gen, quái thai,... 1 Với đặc tính dễ bay hơi, độ hòa tan cao trong các dung môi, mức độ phân tán cao và nồng độ thấp trong môi trường, nên việc tách chiết, làm giàu các chất này, trong đó có nhóm chất Cl-VOC để phân tích gặp nhiều khó khăn. Để từng bước giải quyết những khó khăn trên, các nhà khoa học đã nghiên cứu và phát triển nhiều phương pháp tách chiết và làm giàu chất khác nhau như phương pháp bơm mẫu trực tiếp, phương pháp chiết lỏng - lỏng, phương pháp sục khí và bẫy chất, phương pháp sục khí tuần hoàn, phương pháp không gian hơi bơm mẫu trực tiếp,… Các phương pháp này còn có một số hạn chế như: chất cần phân tích có thể bị nhiễm bẩn bởi nền mẫu, chuyển chất vào hệ thống phân tích không ổn định, cần có thiết bị phụ trợ đắt tiền, tốn hóa chất dung môi, thời gian phân tích kéo dài,… Để khắc phục những nhược điểm nêu trên, những năm gần đây các nhà khoa học đã tập trung phát triển một công cụ tách chiết và làm giàu mẫu bằng sợi vi chiết pha rắn (SPME) có màng hấp phụ chất phủ ngoài để phân tích nhiều dạng chất khác nhau trong nước, trong đó có các chất Cl-VOC. Đã có nhiều loại sợi SPME bán trên thị trường dần thay thế cho các phương pháp tách chiết và làm giàu mẫu nêu trên. Tuy nhiên, các sợi SPME đang sử dụng tại các phòng thí nghiệm vẫn còn có những mặt hạn chế như độ bền sử dụng thấp, dễ hư tổn, dễ gẫy, giá thành cao. Nhằm góp phần phát triển và hoàn thiện các kỹ thuật tách chiết và làm giàu mẫu trong phân tích để xác định Cl-VOC ở nồng độ thấp, chúng tôi nghiên cứu phát triển phương pháp vi chiết sử dụng cột vi chiết pha rắn mao quản hở (OT-SPME) với màng chất hấp thu phủ trong, trên thành ống mao quản phục vụ phân tích ô nhiễm trong môi trường. Theo hướng nghiên cứu này, chúng tôi lựa chọn và thực hiện đề tài luận án: “Nghiên cứu chế tạo cột vi chiết mao quản hở để xác định một số chất cơ clo dễ bay hơi trong môi trường nước”. 2 2. Mục tiêu của luận án - Chế tạo cột vi chiết OT-SPME với màng pha tĩnh phủ trong dùng để vi chiết một số chất Cl-VOC trong không gian hơi của các mẫu nước. - Sử dụng cột vi chiết OT-SPME chế tạo được kết hợp với phương pháp sắc ký khí đetectơ khối phổ (GC/MSD) để phân tích xác định một số chất ClVOC trong các mẫu nước thực tế. 3. Nội dung nghiên cứu của luận án Luận án tập trung nghiên cứu các nội dung chính sau: - Nghiên cứu lựa chọn các chất và vật liệu có khả năng hấp thu tốt nhất các chất Cl-VOC để làm chất tạo màng pha tĩnh trong chế tạo cột OT-SPME. - Nghiên cứu tạo màng pha tĩnh có độ bán dính cao trên thành bên trong ống mao quản để tạo thành cột vi chiết OT-SPME. - Nghiên cứu lựa chọn các điều kiện làm việc tốt nhất của cột vi chiết OT-SPME để tách chiết các chất Cl-VOC trong môi trường nước bằng kỹ thuật không gian hơi. - Đánh giá hiệu quả làm việc của cột OT-SPME tách chiết Cl-VOC trong pha hơi thông qua các giá trị khoảng tuyến tính, giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng, độ thu hồi, độ chính xác. - Đánh giá độ bền, hiệu quả sử dụng của cột vi chiết OT-SPME trong quá trình tách chiết các chất Cl-VOC trong pha hơi. - Sử dụng cột vi chiết OT-SPME kết hợp với phương pháp GC/MSD để phân tích xác định một số chất Cl-VOC trong các mẫu nước mặt lấy ở một số sông, hồ tại thành phố Hà Nội và đánh giá mức độ ô nhiễm các chất này đối với môi trường nước mặt tại các khu vực nghiên cứu. 4. Những đóng góp mới của luận án - Lần đầu tiên ở Việt Nam nghiên cứu và lựa chọn than hoạt tính (GCB) và co-polyme polidimetylsiloxan (PDMS) tạo lớp màng phủ GCB và PDMS của cột vi chiết OT-SPME để phân tích một số chất Cl-VOC trong nước. 3 - Lần đầu tiên chế tạo thành công cột vi chiết OT-SPME với màng phủ bên trong thành cột mao quản là thép không gỉ gồm GCB và PDMS. Cột vi chiết OT-SPME có chiều dài 7,5 cm, đường kính ngoài 0,6 mm, đường kính trong 0,419 mm; lớp màng phủ GCB và PDMS có độ dầy 27,50 µm, chiều dài lớp phủ 0,5 cm; phần cột không có màng phủ GCB và PDMS có đường kính trong là 0,1 mm cho hiệu quả vi chiết Cl-VOC cao nhất. - Bước đầu đóng góp vào việc giải thích quá trình vi chiết các chất ClVOC trong không gian hơi lên trên màng phủ GCB/PDMS, trong đó cùng tồn tại hai quá trình hấp phụ và phân bố hòa tan chất. - Đã sử dụng cột vi chiết OT-SPME chế tạo được kết hợp với phương pháp không gian hơi và sắc ký khí đêtectơ khối phổ (GC/MSD) để phân tích xác định một số chất Cl-VOC trong các mẫu nước mặt lấy ở một số sông, hồ thuộc thành phố Hà Nội. Kết quả phân tích 132 mẫu nước mặt cho thấy nồng độ các chất Cl-VOC xác định được tại thời điểm lấy mẫu đều thấp hơn các giá trị cho phép trong tiêu chuẩn nước mặt của Châu Âu và Nhật Bản; đây là những số liệu ban đầu đầu tiên về nồng độ các chất Cl-VOC trong nước mặt một số sông, hồ ở Hà Nội được xác định. 4 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Các hợp chất hữu cơ bay hơi và độc tính của chúng Trên thực tế có nhiều định nghĩa về VOCs khác nhau; về cơ bản VOCs được định nghĩa theo hai cách sau: Thứ nhất, theo hướng ảnh hưởng của VOCs, định nghĩa của Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (US-EPA), VOCs là các chất hữu cơ phát tán vào môi trường gây nên hiện tượng quang hoá của tầng ôzôn [46]. Cách thứ hai, định nghĩa dựa vào tính chất hoá lý, theo Kennes và Veiga [37], VOCs là các hoá chất (bay hơi) có chứa nguyên tử cacbon và có áp suất bay hơi thấp hơn 101 kPa ở 3730K (100oC). Tuy nhiên, theo Hội thử nghiệm và vật liệu Hoa Kỳ, VOCs là các hợp chất hữu cơ có áp suất hơi lớn hơn 13,3 Pa ở 25oC [32]; theo Văn bản 1999/13/EC của Hội đồng Châu Âu, VOCs là các hợp chất hữu cơ có áp suất hơi lớn hơn 10 Pa ở 20oC [43]. VOCs được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, và được tìm thấy trong sơn, chất kết dính, dược phẩm, mỹ phẩm, chất làm lạnh, hoá chất tạo mùi, xăng,… VOCs thường là dung môi công nghiệp như triclometan, điclometan, benzen, toluen, xylen,… VOCs có trong thành phần của nhiên liệu xăng dầu, chất lỏng thuỷ lực, dung môi pha sơn, thuốc trừ sâu,… VOCs có trong nước mặt, nước ngầm là do VOCs ô nhiễm trong môi trường đất, nước, không khí sinh ra. VOCs có thể gây tác hại trước mắt hoặc lâu dài đến sức khoẻ con người. Tác hại tức thời khi tiếp xúc với các VOCs có thể là gây kích ứng mắt, da và đường hô hấp, đau đầu, chóng mặt, rối loạn thị giác, mệt mỏi, mất cân đối, buồn nôn và suy giảm trí nhớ. Khi tiếp xúc lâu ngày với các chất VOCs có thể gây ảnh hưởng đến gan, thận và hệ thần kinh trung ương, VOCs có thể gây ung thư đối với người. Vì vậy, VOCs cần phải được phân tích, đánh giá, xử lý và kiểm 5 soát từ các nguồn phát thải các hợp chất này vào môi trường sống như nước, đất và không khí. Việt Nam và các nước trên thế giới đã và đang tập trung thực hiện công việc trên. 1.2. Tính chất của một số chất cơ clo dễ bay hơi Các chất Cl-VOC trong môi trường nước là nhóm chất có độc tính cao, được đánh giá có nguy cơ gây ung thư, là một trong những nguyên nhân gây suy giảm lượng ôzôn ở tầng bình lưu, hình thành khói quang hóa và có mùi khó chịu [72]. Do tính chất độc hại của các chất Cl-VOC, nên được Việt Nam, các nước và các tổ chức trên Thế giới quy định giới hạn nồng độ cho phép các chất này trong nước uống và nước mặt rất thấp, Bảng 1.1. Các chất Cl-VOC có trong nước uống và nước mặt là do các hoạt động công nghiệp, dân dụng có sử dụng dung môi và một lượng ít hình thành từ quá trình clo hóa nước ngầm [1, 28, 40, 103]. Bảng 1.1. Quy định giới hạn nồng độ cho phép của một số chất Cl-VOC trong nước uống và nước mặt TT Tên chất 1 1,1-đicloeten 2 Điclometan 3 QCVN TC 01:2009/BYT US EPA (µg/L) (µg/L) [7] [22] 7 TC WHO (µg/L) [56] - TC nước mặt EU (µg/L) [41] - TC nước mặt Nhật Bản (µg/L) [91] 20 20 5 20 20 20 trans-1,2-đicloeten - 100 - - - 4 1,1-đicloetan - - - - - 5 cis-1,2-đicloeten - 7 - - 40 6 Triclometan 200 80 300 2,5 60 7 Tetraclometan 2 5 4 12 2 8 Tricloeten 70 5 - 10 30 9 1,1,2-tricloetan - 5 - - 6 10 Tetracloeten 40 5 40 10 10 Ghi chú: " - " Không có số liệu 6 Sự có mặt của các chất Cl-VOC trong môi trường không khí, đất và nước không chỉ ảnh hưởng tới sức khỏe con người, mà còn có tác động trực tiếp tới hệ sinh thái trên đất liền và trong nước. Các chất Cl-VOC không chỉ được phát hiện thấy trong không khí, mà còn được phát hiện thấy trong các mạch nước ngầm do nước rỉ thải, rò rỉ tự nhiên từ các khu công nghiệp hoặc do các kho hóa chất,... chôn cất dưới đất không đúng quy định gây ra; thường gặp nhất trong tầng nước ngầm là tricloetylen, tetracloeten và tetraclometan. Quá trình lưu chuyển các chất Cl-VOC trong môi trường được chỉ ra trên Hình 1.1. Hình 1.1. Sơ đồ lưu chuyển các chất Cl-VOC trong môi trường 1.3. Các phương pháp xác định Cl-VOC trong mẫu nước Các chất Cl-VOC trọng lượng phân tử thấp, độ hòa tan trong nước nhỏ, do vậy trong nước tự nhiên Cl-VOC thường có nồng độ rất thấp, từ ppt - ppb. Để phân tích xác định Cl-VOC trong môi trường nước thì việc chiết và làm giàu Cl-VOC gần như bắt buộc. Trước hết, Cl-VOC phải tách khỏi bề nước lên pha khí hoặc đi vào dung môi hữu cơ, sau đó được làm giàu để phân tích định tính và định lượng trên hệ sắc ký khí sử dụng một trong số các loại đetectơ thích 7 hợp sau: đetectơ ion hoá ngọn lửa (FID), đetectơ cộng kết điện tử (ECD) hoặc đetectơ khối phổ (MSD). Dưới đây là một số phương pháp lấy mẫu, làm giàu chất trong phân tích xác định Cl-VOC. Có nhiều phương pháp lấy mẫu phân tích Cl-VOC trong các mẫu nước như phương pháp lấy mẫu trực tiếp, phương pháp chiết lỏng - lỏng, phương pháp sục khí và bẫy chất, phương pháp sục khí tuần hoàn, phương pháp vi chiết pha rắn, phương pháp lấy mẫu không gian hơi bơm trực tiếp,… 1.3.1. Phương pháp bơm mẫu trực tiếp Phương pháp bơm mẫu trực tiếp (DAI) là phương pháp bơm mẫu nước trực tiếp vào cột sắc ký mao quản mà không qua bước xử lý hay làm giàu mẫu. Nhược điểm chính của phương pháp là ảnh hưởng của nền mẫu và sự không tương thích của nước với hầu hết các cột sắc ký mao quản. Do giới hạn của cột sắc ký mao quản, thể tích mẫu tối đa có thể bơm trực tiếp không quá 10 µL, do đó giới hạn phát hiện Cl-VOC trong mẫu nước đối với phương pháp này bị hạn chế. Ví dụ, với các chất Cl-VOC giá trị giới hạn phát hiện (LOD) xác định được khoảng từ 1,0 - 50 ng/L (ppb), thể tích bơm mẫu từ 2 - 5 µL, sử dụng đetectơ ECD [16, 106]. Kubinec và các cộng sự [94] đã nghiên cứu phương pháp phân tích cho phép bơm trực tiếp đến 250 µL mẫu. Ở đây tác giả sử dụng Chromosorb P NAW (210 mg) như là chất hấp phụ tiền cột, chất này được nạp đầy vào trong ống thuỷ tinh đặt trong buồng bơm mẫu của thiết bị sắc ký khí (GC), mẫu nước được bơm vào buồng bơm mẫu có chứa chất hấp phụ ở chế độ không chia dòng (splitless), nhiệt độ cổng tiêm mẫu thấp (70oC) và nhiệt cột thấp (20oC), chất cần phân tích sẽ đi qua vật liệu hấp phụ vào cột, nước được giữ lại trên bề mặt của Chromosorb. Sau 3 phút lượng nước hấp phụ được loại ra qua dòng khí ở chế độ chia dòng (split) của GC. Với phương pháp này, đối với BTEX giá trị LOD thu được từ 0,6 - 1,1 µg/L khi sử dụng đetectơ FID. 8 Pettersson và Roeraade [68] công bố một phương pháp mới để phân tích lượng vết các hợp chất phân cực dễ bay hơi trong môi trường nước bằng kỹ thuật DAI và GC/FID. Để tránh đưa nước vào cột sắc ký mao quản, 0,8g Chromosorb W 60/80 mesh AW tẩm với liti clorua (tỉ lệ khối lượng 1:1) nạp vào cột dài 20 cm và đặt phía trước cột phân tích. Theo phương pháp này lượng mẫu bơm trực tiếp lên tới 120 µL, nước được giữ lại bằng lực liên kết mạnh với liti clorua, trong khi đó các hợp chất VOCs phân cực, hoặc không phân cực từ từ giải hấp và đưa vào cột. Sau khi đưa chất cần phân tích vào cột mao quản, nước được loại bỏ bằng dòng khí thổi ngược (backflushing) ở nhiệt độ khoảng 160oC. Độ thu hồi theo phương pháp này từ 90 - 107%, ngoại trừ axeton độ thu hồi 175% (có thể do ảnh hưởng của nền mẫu) và LOD ở khoảng 1 µg/L. 1.3.2. Phương pháp chiết lỏng - lỏng Phương pháp chiết lỏng lỏng (LLE) và phương pháp chiết sử dụng dòng hơi của chất lỏng chiết (SDE), sau này còn được gọi là phương pháp chiết lỏng lỏng pha khí ở điều kiện hồi lưu. Đây là các phương pháp lâu đời của kỹ thuật làm giàu mẫu trong hóa phân tích. Tuy nhiên chúng có một số nhược điểm sau: Đầu tiên, việc sử dụng dung môi có thể làm giảm khả năng phân tích Cl-VOC của thiết bị sắc ký. Thứ hai, mẫu có thể bị mất trong quá trình chiết do tính chất dễ bay hơi của chúng. Thứ ba, lượng dung môi bơm vào máy bị giới hạn (bởi thiết bị) do vậy giá trị LOD thường không tốt. Cuối cùng, phương pháp LLE sử dụng nhiều dung môi, đa số là các dung môi độc hại, điều đó không phù hợp với ý tưởng “xanh” trong hóa học phân tích (hạn chế tối đa việc sử dụng dung môi). Để khắc phục những hạn chế của phương pháp LLE, phương pháp vi chiết dung môi được nghiên cứu và đạt được nhiều thành công. Có hai phương pháp vi chiết dung môi chính được nghiên cứu: 9 Phương pháp vi chiết đơn giọt (SDME), dựa trên sự phân bố của chất cần phân tích giữa môi trường nước và một vi giọt dung môi hữu cơ không tan trong nước ở đầu kim của xyranh. Một giọt dung môi cỡ 1-3 μl được “treo” trên đầu kim, Hình 1.2. Sau thời gian đạt trạng thái cân bằng, toàn bộ lượng chất chiết được và giọt dung môi được hút trở lại xyranh. Sau đó mẫu được đưa vào buồng bơm mẫu của máy sắc ký khí. Tại buồng bơm mẫu, giọt dung môi và chất phân tích được đưa vào cột sắc ký khí (trường hợp dung môi chiết bay hơi) hoặc chỉ có các chất phân tích được giải hấp ra khỏi giọt dung môi (trường hợp dung môi chiết không bay hơi) và đi vào cột tách sắc ký, giọt dung môi được kéo trở lại syranh có thể tái sử dụng. Xyranh Kim xyranh Mẫu nước Giọt chất lỏng hữu cơ Khuấy từ Hình 1.2. Mô hình phương pháp vi chiết đơn giọt Ưu điểm của phương pháp SDME là thiết bị và thao tác rất đơn giản, chỉ cần kim xyranh và dung môi hữu cơ tạo giọt thích hợp là có thể tiến hành vi chiết. Khó khăn của phương pháp là giọt dung môi có thể bị phân tán vào môi trường mẫu hoặc khi thực hiện vi chiết trong mẫu lỏng, giọt dung môi có thể bị bật ra khỏi đầu kim xyranh khi bị tác động lực va đập. Tuỳ theo cách thức tiến hành quá trình vi chiết mà chia thành vi chiết pha lỏng tĩnh và vi chiết pha lỏng động. 10 Tor và các cộng sự đã ứng dụng kỹ thuật SDME để phân tích trihalometan và clobenzen [25, 26] trong môi trường nước. Các quy trình được tối ưu bao gồm dung môi sử dụng, thể tích giọt dung môi, thời gian chiết, lực ion của mẫu và tốc độ khuấy mẫu, kết quả nghiên cứu cho thấy giá trị LOD thu được trong khoảng 0,23 - 0,45 µg/L với trihalometan và từ 4,0 - 8,0 ng/L với clobenzen sử dụng GC-ECD. Phương pháp tiếp theo được gọi là vi chiết phân tán lỏng lỏng (DLLME), được phát triển gần đây bởi Rezaee và các cộng sự [81]. Một lượng thích hợp hỗn hợp dung môi chiết (8 µL tetracloeten) và dung môi phân tán (1,0 mL axeton) được thêm nhanh vào 5 mL mẫu nước. Kết quả thu được hỗn hợp dung dịch đục được tạo bởi các hạt dung môi rất nhỏ phân tán trong mẫu. Thông qua ly tâm thu được dung môi chiết và chất cần phân tích. Sử dụng microxyranh để hút và bơm vào máy sắc ký. Khi so sánh với các phương pháp vi chiết sử dụng dung môi khác thì DLLME có ưu điểm là thời gian chiết nhanh (chỉ vài giây) bởi diện tích tiếp xúc lớn giữa các giọt dung môi siêu nhỏ trong môi trường nước cùng với thời gian ly tâm chỉ khoảng 2 phút, độ thu hồi cao (82 - 111% ở nồng độ 5 µg/L), độ lệch chuẩn RSD dưới 10% ở nồng độ 2 µg/L. 1.3.3. Phương pháp sục khí và bẫy chất Phương pháp sục khí và bẫy chất dựa trên nguyên tắc các chất hữu cơ dễ bay hơi hoặc bay hơi bán phần được lôi cuốn theo dòng khí sục qua mẫu nước rồi bị giữ lại trên bẫy chứa chất hấp phụ. Quá trình sục khí thường được thực hiện dưới áp suất khí quyển sử dụng heli, agon hoặc nitơ. Chất hấp phụ được dùng phổ biến nhất là tenax, than hoạt tính, XAD, chromosorb,... Sau khi quá trình sục khí và hấp phụ hoàn thành trong thời gian khoảng 1 - 2 giờ, bẫy được gia nhiệt nhanh ở nhiệt độ 180 - 2800C, sử dụng dòng khí với tốc độ 20 - 60 mL/phút trong thời gian vài phút để đẩy các chất hữu cơ hấp phụ trên bẫy vào 11 cột sắc ký. Thông thường ở ngay trước cột sắc ký còn đặt một bẫy lạnh với mục đích cô đặc mẫu. Dùng phương pháp sục khí và bẫy chất kết hợp với phân tích bằng GC/MSD cho phép xác định đồng thời hơn 60 chất hữu cơ được quan tâm trong nước thuộc nhóm các chất dễ bay hơi và bay hơi bán phần, giới hạn phát hiện rất thấp cỡ 0,01 - 0,5 g/L [35, 38, 64, 65]. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi để xác định các chất VOCs trong nước uống, nước mặt, nước thải, nước bể bơi,... Để thực hiện xử lý mẫu theo phương pháp này, cần có thiết bị sục khí và bẫy chất chuyên dụng ghép nối với sắc ký khí. Tuy nhiên giá thành của thiết bị này khá cao, khoảng 25.000 USD và vận hành phức tạp khi ghép nối với sắc ký khí. Trong quá trình sục khí, dòng hơi lôi cuốn theo các muối vô cơ, các chất hữu cơ có phân tử lượng cao làm bẩn các đường ống và van, dẫn tới trục trặc hoạt động của thiết bị. 1.3.4. Phương pháp sục khí tuần hoàn Phương pháp sục khí tuần hoàn và thiết bị thực hiện phương pháp này được phát minh bởi Grob năm 1976, đây là sự cải tiến của kỹ thuật sục khí và bẫy chất. Dòng khí sục với tốc độ 1,0 - 2,5 L/phút qua mẫu nước lôi cuốn theo các chất hữu cơ đưa tới bẫy hấp phụ, dòng khí được tuần hoàn qua bơm và sục trở lại mẫu. Việc sục khí trong hệ kín sẽ giảm được sự nhiễm bẩn từ bên ngoài và có thể hấp phụ triệt để hơn các chất cần phân tích đã được lôi cuốn theo dòng khí. Bẫy hấp phụ được thiết kế khá đặc biệt, gồm có một lớp than hoạt tính 1,5 - 5 mg kẹp giữa hai lưới kim loại đặt trong một mao quản thuỷ tinh. Sau khi quá trình sục khí tuần hoàn và hấp phụ hoàn thành (1 - 3 giờ), các chất hữu cơ hấp phụ trên than được rửa giải bằng lượng nhỏ dung môi cacbon disunfua (520 L). 12 Ưu điểm chính của phương pháp này là độ nhạy cao, giảm được ảnh hưởng nhiễm bẩn bên ngoài khi xử lý mẫu, nếu kết hợp với phương pháp phân tích GC/MSD cho phép xác định một số VOCs với giới hạn phát hiện rất thấp từ 0,1 - 10 ng/L [35, 38, 64]. Kỹ thuật này cũng yêu cầu thiết bị đặc dụng và gặp một số bất lợi như việc sục khí và tăng nhiệt độ của mẫu sẽ kéo theo sự bay hơi nước, khi nước bị giữ lại trong bẫy hấp phụ sẽ làm giảm khả năng hấp phụ các chất hữu cơ và gây nhiễm bẩn bẫy hấp phụ bởi các chất hữu cơ không bay hơi và các muối vô cơ. 1.3.5. Phương pháp lấy mẫu không gian hơi Phương pháp lấy mẫu không gian hơi (HS) dựa trên cơ sở cân bằng phân bố của các chất hữu cơ cần phân tích giữa pha lỏng và pha hơi [36]. Trong đó lượng chất cần phân tích trong pha hơi được lấy để phân tích phải lớn hơn lượng chất có trong pha lỏng. Giả sử trong lọ đựng mẫu chứa thể tích pha lỏng là VL có nồng độ ban đầu của chất cần phân tích là CL0, thể tích pha hơi là VG. Tại nhiệt độ T xác định diễn ra cân bằng nhiệt động giữa hai pha, nồng độ của chất cần phân tích trong pha lỏng và pha hơi ở trạng thái cân bằng tương ứng là CL và CG. Như vậy phương trình bảo toàn khối lượng biểu diễn cân bằng này có thể viết dưới dạng phương trình 1.1: CL0 VL = CGVG + CLVL (1.1) Nếu đưa hệ số phân bố Ki của chất cần phân tích giữa hai pha hơi và lỏng tại nhiệt độ T, khi (Ki = CG/CL, CG và CL đơn vị tính là mol/L) và tỷ số thể tích hai pha r = VG/VL, thì phương trình 1.1 trở thành phương trình 1.2: C L0  C G . (1 / K i ) V L  VG VL  1   C G   r   Ki  13 (1.2) Phương trình 1.2 chính là cơ sở định lượng chất trong pha lỏng khi sử dụng phương pháp HS. Có thể thấy, để đạt được nồng độ cao nhất trong pha hơi cần có hệ số phân bố Ki lớn nhất và thể tích pha khí VG nhỏ nhất có thể được. Với dung dịch vô cùng loãng của một chất tan i có khả năng bay hơi, thì tỷ lệ phân bố của chất i trong pha hơi và lỏng được biểu diễn bằng hệ số Henry (KH) [1, 55]. Nếu lượng chất i ở pha hơi có áp suất riêng phần (Pi) và nồng độ của nó trong dung dịch có nồng độ mol (Ci-dd), thì hệ số KH có đơn vị là atm.L.mol-1, phương trình 1.3: KH  Pi C i  dd [ atm . L . mol 1 ] (1.3) Nếu lượng của chất i ở pha hơi tính theo nồng độ là mol/L hơi, thì có thể biểu diễn cân bằng phân bố của chất i giữa pha hơi và dung dịch theo hệ số Henry KH không có thứ nguyên. K H  Ci  hoi Ci  dd mol . L 1 hoi . mol 1 . L dd  (1.4) Giữa KH và KH có mối liên hệ chuyển đổi áp dụng cho khí lý tưởng như sau: K H  KH RT (1.5) Các chất Cl-VOC là các hydrocacbon có 1 đến 2 có nguyên tử C có chứa clo, là những chất hữu cơ có đặc điểm: dễ bay hơi, có kích thước phân tử nhỏ, hoà tan vừa phải trong nước và trong nước tồn tại ở nồng độ vết cỡ ppb, ppm. Do vậy tỷ lệ phân bố của các chất Cl-VOC giữa hai pha hơi và nước được lấy gần đúng bằng hệ số Henry (Ki  KH). Đối với một số chất, hệ số này còn được xác định bằng thực nghiệm, một số trường hợp được tính toán qua thương số của áp suất hơi bão hoà và độ tan hoặc dự đoán qua cấu trúc phân tử. 14 Áp dụng định luật Henry cho một chất tan (i) có khả năng bay hơi trong dung dịch vô cùng loãng, áp suất hơi riêng phần của nó trên dung dịch tỷ lệ với nồng độ phần mol trong dung dịch: Pi = KNi (khi Ni  0) (1.6) Nếu hơi là lý tưởng thì K = P0i trong đó P0i là áp suất hơi của cấu tử (i) nguyên chất. Mẫu nước là một dung dịch thực nên Ni = i . Ci. Vdd , trong đó idd và Ci-dd là hệ số hoạt độ và nồng độ mol của cấu tử (i) trong dung dịch, Vdd là thể tích mol của dung dịch. Thay vào phương trình 1.6 ta có: Pi = P0i . i-dd . Vdd .Ci-dd hay Pi/Ci-dd = P0i . i-dd . Vdd = KH [atm.l.mol-1] (1.7) Sau đây, sẽ xem xét ảnh hưởng của các yếu tố: nồng độ chất (i) trong nước, nhiệt độ và muối hoà tan tới KH. Giả sử tăng nồng độ chất (i) trong nước tới khi đạt trạng thái bão hoà, tỷ lệ phân bố của (i) giữa hai pha lúc này sẽ là hệ số KHbão hoà. KHbão hoà= i-dd bão hoà. Vdd . Pi0 (1.8) Nếu giả thiết Vdd không thay đổi đáng kể khi có các chất hữu cơ hoà tan, thì việc so sánh giữa KH của dung dịch vô cùng loãng với KHbão hoà sẽ dựa trên sự phụ thuộc của hệ số hoạt độ i-dd vào nồng độ chất (i). Đối với các chất hữu cơ hoà tan rất tốt trong nước, tương tác giữa các phân tử chất tan sẽ có ảnh hưởng đáng kể đến hệ số hoạt độ của nó trong dung dịch. Còn với những chất ít tan hoặc chỉ tan vừa phải trong nước như benzen, toluen, các dẫn xuất cơ halogen, cơ lưu huỳnh bằng thực nghiệm người ta đã chứng minh ảnh hưởng của nồng độ chất tan tới KH là không đáng kể. Prausnits (1969) đã đưa ra giới hạn nồng độ 1,5 mol/L tại đó tương tác giữa các phân tử chất tan có thể bỏ qua. 15 Như vậy đối với các chất ít tan hoặc chỉ tan vừa phải trong nước thì hệ số Henry của dung dịch thực KH bằng hệ số Henry của dung dịch bão hoà KHbão hoà. Trong một khoảng nhiệt độ thay đổi không lớn, đối với các chất lỏng có thể biểu diễn sự phụ thuộc của Pi 0 và i-dd bão hoà vào nhiệt độ như sau: H ho ¸ hoi 1   const . R T H dd 1 o hoµ ln  ib·dd    const . R T ln Pi 0   hoặc (1.9 a) (1.9 b) Nếu thay (1.9 a) và (1.9 b) vào (1.7), bỏ qua sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới Vdd , KH xấp xỉ KHbão hoà, ta sẽ có sự phụ thuộc của KH vào nhiệt độ, phương trình 1.10.  H ho ¸ hoi  H dd  1 b · o hoµ ln K H     const . R   T (1.10) Nhiệt hoá hơi của chất lỏng hữu cơ (Hhoá hơi) thường có giá trị dương và tăng khi kích thước, độ phân cực của phân tử tăng. Còn nhiệt hình thành dung dịch (Hdd) có thể âm hoặc dương. Đối với các hợp chất có kích thước phân tử nhỏ hoặc phân cực, Hdd gần bằng 0, do vậy HHenry = Hhoá hơi - Hdd > 0, tức là khi nhiệt độ tăng thì KH tăng, có nghĩa là nồng độ chất trong pha hơi tăng làm thuận lợi cho việc lấy mẫu phân tích trong không gian hơi. Để tăng khả năng bay hơi của chất phân tích trong mẫu lỏng, có thể sử dụng hiệu ứng muối. Đối với các chất hữu cơ trung tính, không phân cực, người ta quan sát thấy sự tồn tại của các ion chính trong nước tự nhiên (Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42-, HCO3-) thường làm giảm khả năng hoà tan trong nước của các chất hữu cơ này (hay nói cách khác tăng hệ số hoạt độ). Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng “muối kết” (“salting out” effect). Setschenow (1889) đã thiết lập mối quan hệ giữa độ tan của một chất hữu cơ trong dung dịch muối và trong nước tinh khiết: 16  C b· o hoµ  log  i  nøoc   K S Cmuèi  C b· o hßa   i  dd  (1.11) Trong đó Cmuối là nồng độ muối, KS là hằng số muối Setschenow. KS phụ thuộc vào chất hữu cơ i và khả năng hydrat hoá của muối. Theo McDevit, 1952 [33] hiệu ứng muối kết có thể giải thích như sau: muối vô cơ hoà tan vào nước phân ly thành các ion, các phân tử nước liên kết chặt chẽ xung quanh những ion này tạo thành lớp vỏ hydrat; khi thêm nhiều muối vào nước thì các phân tử nước sẽ ít còn tồn tại tự do để có thể tạo những “khoảng trống” cho chất hữu cơ hoà tan vào. Hệ số Henry của các chất hữu cơ sẽ tăng khi hoà tan muối vô cơ vào nước:  S b· o hoµ K H  muèi  K H .10 K . Cmuèi  T  (1.12) Từ các phân tích ở trên ta thấy tăng nhiệt độ, thêm muối vào mẫu nước sẽ làm tăng tỷ lệ phân bố của Cl-VOC giữa hai pha hơi - lỏng dẫn đến tăng độ nhạy của phương pháp lấy mẫu không gian hơi. 1.3.6. Phương pháp vi chiết pha rắn Phương pháp vi chiết pha rắn (SPME) lần đầu tiên được nghiên cứu tại Trường Đại học Waterloo (Ontrio, Canada) vào những năm 1990 [39, 75, 77]. Đây là một phương pháp chuẩn bị mẫu hiện đại để tách và làm giàu các hợp chất hữu cơ từ nền mẫu khác nhau mà không cần sử dụng đến dung môi. Quá trình hấp phụ của chất phân tích lên trên màng pha tĩnh đã được Louch và cộng sự nghiên cứu [80]. Theo tác giả thì mọi trường hợp vi chiết pha rắn không phải là sự tách chiết triệt để các chất tan từ mẫu vào màng pha tĩnh, bởi vì tại đó chỉ có một đĩa lý thuyết hoặc một bậc hấp phụ. Ngoài ra cân bằng còn được thiết lập giữa nồng độ chất phân tích trong mẫu và nồng độ chất phân tích được hấp phụ trên pha tĩnh [14, 53, 54]. Có thể đạt được hiệu suất chiết 17 cao nếu tiến hành trong những điều kiện phù hợp, khi thể tích mẫu nhỏ và ái lực của chất cần phân tích với pha tĩnh lớn. Lượng chất phân tích được hấp phụ trên pha tĩnh tại thời điểm cân bằng là: 𝑛= 𝐾𝑓𝑠 𝑉𝑠 𝑉𝑓 𝐶0 (1.13) 𝑉𝑠 +𝐾𝑓𝑠 𝑉𝑓 Trong đó: Vf: thể tích của pha tĩnh. Vs: thể tích mẫu. Co: nồng độ ban đầu của chất phân tích ở trong mẫu. Kfs: hệ số phân bố của chất phân tích giữa pha tĩnh và mẫu. Phương trình 1.13 cho thấy có mối liên quan trực tiếp giữa nồng độ ban đầu của chất phân tích trong mẫu với lượng chất chiết được trên pha tĩnh mặc dù có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả vi chiết như ái lực của pha tĩnh đối với chất cần phân tích, thể tích mẫu, nhiệt độ, lượng muối,... Theo thuyết hấp phụ Langmuir, phương trình 1.14 sau đây có thể dùng để mô tả quá trình vi chiết pha rắn:  fA n  C Vf  K AC0 AVsV f (C f max  C fA ) Vs  K AV f (C f max  C fA ) (1.14) Với n: lượng chất phân tích hấp phụ bởi lớp pha tĩnh polime tại thời điểm cân bằng. C fA : nồng độ của chất phân tích A trên sợi tại trạng thái cân bằng. KA: hệ số hấp phụ cân bằng của chất A. COA: nồng độ ban đầu của chất A trong mẫu phân tích. Vs, Vf: tương ứng là thể tích mẫu và thể tích sợi chiết. Cf max: nồng độ của các vị trí hoạt động trên bề mặt pha tĩnh (tương ứng với nồng độ chất phân tích thu được lớn nhất trên bề mặt). Dạng của phương trình 1.14 gần tương tự như phương trình 1.13. Sự khác nhau cơ bản giữa hai phương trình này là sự có mặt của hai đại lượng C fA 18 và Cf max. Khi lượng chất chiết được trên sợi rất nhỏ, ta có thể cho rằng Cf max >> C fA . Để đạt được điều này thì nồng độ của chất phân tích trong mẫu hoặc ái lực của nó với pha tĩnh phải nhỏ. Nếu như các yếu tố trên đều thoả mãn thì ta có thể quan sát được sự phụ thuộc tuyến tính. Tuy nhiên khi lượng chất phân tích trên sợi là không đáng kể so với tổng các vị trí hoạt động trên sợi thì lại không có sự phụ thuộc tuyến tính. Sợi vi chiết có thể đưa 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 (đặc biệt là với mẫu lỏng): đưa sợi vi chiết được bảo vệ bởi một lớp màng bằng hợp chất cao phân tử. Từ các cách tiến hành SPME khác nhau có thể có sự khác nhau khi so sánh phương trình về lượng mẫu chiết ra. Nếu thể tích mẫu chiết lớn, ví dụ như với mẫu khí hoặc mẫu nước sông hồ hoặc hằng số Kfs nhỏ (ái lực của pha tĩnh với chất phân tích nhỏ) thì giá trị Vs trong phương trình 1.11 lớn hơn rất nhiều so với KfsVf nên có thể bỏ qua giá trị này. Do đó có thể biểu diễn lượng mẫu được hấp phụ trên sợi vi chiết như sau: n  K fsV f C0 (1.15) Với n là lượng chất chiết được tại thời điểm cân bằng giữa hai pha, không phụ thuộc vào thể tích mẫu. Điều này có nghĩa việc lựa chọn thể tích mẫu khi lấy mẫu là không cần thiết nữa và có thể đưa trực tiếp sợi vi chiết vào môi trường mẫu. Lượng mẫu chiết là không đáng kể so với tổng lượng chất có mặt trong một thể tích mẫu lớn. Khi quá trình chiết được tiến hành trong một thể tích mẫu xác định thì phương trình 1.15 có dạng: n K fsVsV f C 0 K fsV f  Vs 19 (1.16) Quá trình cân bằng là sự thay đổi của tỉ số phân bố, đó là liên hệ giữa lượng chất được pha tĩnh hấp phụ chia cho lượng chất trong pha lỏng. Ta thấy rằng trong cả hai phương trình 1.15 và 1.16 thì lượng chất được hấp phụ trên pha tĩnh tỷ lệ với nồng độ ban đầu của chất phân tích trong dung dịch. Tuy nhiên trong phương trình 1.16 có thêm đại lượng KfsVf ở mẫu số làm giảm lượng chất được hấp phụ. Ta xét các trường hợp sau: +) Khi KfsVf << Vs thì ta có thể bỏ qua đại lượng KfsVf ở mẫu số, phương trình 1.16 trở về 1.15. +) Khi KfsVf >> Vs thì ta có thể bỏ qua đại lượng Vs ở mẫu số, lúc đó phương trình 1.16 có dạng: n K fsVsV f C 0 K fsV f  Vs C 0 (1.17) Theo tác giả Berg Fohn R. [33] thì nhiều hợp chất có thể được chiết ra khỏi dung dịch bằng phương pháp này, nhưng ở trạng thái cân bằng thì không phải chất phân tích được chiết hoàn toàn ra khỏi dung dịch mẫu, mà chỉ có khoảng từ 2 - 20% lượng chất phân tích được chiết ra khỏi mẫu. Vì vậy để phân tích định lượng theo phương pháp này thì các chất chuẩn và các mẫu thực phải được phân tích trong cùng một điều kiện. 1.4. Nghiên cứu chế tạo sợi vi chiết pha rắn và ứng dụng của nó Có nhiều phương pháp phủ chất lên sợi chiết SPME khác nhau đã được sử dụng, tuy nhiên có thể được chia làm 4 phương pháp chính: - Phương pháp lắng đọng vật lý, - Phương pháp sol-gel, - Phương pháp tạo liên kết hóa học, - Phương pháp lắng đọng điện hóa. 20