Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu xây dựng quy trình phân tích một số anion quan trọng trong môi trường nước trên cơ sở sử dụng thiết bị điện di mao quản xách tay

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:68

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Việc nghiên cứu, phát triển quy trình phân tích các anion trong mẫu nước mặt và ứng dụng trong quan trắc chất lượng nước mặt sử dụng hệ thiết bị điện di mao quản xách tay cho phép phân tích đồng thời các anion có ý nghĩa lớn cho kiểm soát chất lượng nước, cũng giúp các cơ quan chức năng trong quá trình giám sát chất lượng môi trường. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu xây dựng quy trình phân tích một số anion quan trọng trong môi trường nước trên cơ sở sử dụng thiết bị điện di mao quản xách tay

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Đỗ Minh Tuấn NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH PHÂN TÍCH MỘT SỐ ANION QUAN TRỌNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC TRÊN CƠ SƠ SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐIỆN DI MAO QUẢN XÁCH TAY LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội - 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Đỗ Minh Tuấn NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH PHÂN TÍCH MỘT SỐ ANION QUAN TRỌNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC TRÊN CƠ SƠ SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐIỆN DI MAO QUẢN XÁCH TAY Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 60440118 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. Phạm Hùng Việt Hà Nội - 2014
LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo GS. TS. Phạm Hùng Việt đã giao đề tài, nhiệt tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình thực hiện luận văn. Đồng thời em cũng xin chân thành cảm ơn ThS. Phạm Thị Thanh Thủy là người đã trực tiếp chỉ bảo, giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu và đưa ra những lời giải thích chính xác khi em gặp khó khăn trong quá trình thực hiện luận văn. Em xin chân thành cảm ơn các cán bộ trong Trung tâm nghiên cứu Môi trường và Pháp triển Bền vững – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, đặc biệt là TS. Dương Hồng Anh và các nghiên cứu viên trong nhóm Điện di mao quản đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình em thực hiện luận văn và luôn động viên khi em gặp khó khăn. Em xin chân thành cảm ơn các Thầy cô trong Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã cho em những kiến thức quý giá tạo nền tảng để em thực hiện luận văn này. Luận văn được hoàn thành trong khuôn khổ đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điện di mao quản tự động, sử dụng tại hiện trường và áp dụng cho phân tích đa chỉ tiêu trong môi trường”, mã số QG.TĐ.12.03 do GS. TS Phạm Hùng Việt chủ nhiệm, vì vậy em xin trân trọng nguồn kinh phí của đề tài. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh động viên, giúp đỡ khi em đi học. Đỗ Minh Tuấn i
MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn ................................................................................................................. i Mục lục ...................................................................................................................... ii Danh mục các từ viết tắt ...........................................................................................v Danh mục hình ........................................................................................................ vi Danh mục bảng ...................................................................................................... viii Mở đầu .......................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .....................................................................................2 1.1. Một số vấn đề các anion Cl-, NO3-, NO2-, SO42-, PO43- trong môi trường nước ...2 1.1.1. Khái quát về các anion Cl-, NO3-, SO42-, NO2-, PO43- ...................................2 1.1.2. Các phương pháp xác định ............................................................................4 1.2. Phương pháp điện di mao quản ........................................................................4 1.2.1. Nguyên tắc tách chất trong điện di mao quản ...............................................4 1.2.2. Độ linh động điện di ......................................................................................5 1.2.3. Dòng điện thẩm (EOF) ..................................................................................5 1.2.4. Mao quản điện di ...........................................................................................7 1.2.5. Phương pháp bơm mẫu .................................................................................8 1.2.6. Các detecto thông dụng trong CE ...............................................................10 1.2.7. Hệ điện di mao quản một kênh bơm mẫu bằng khí nén và sử dụng detecto đo độ dẫn không tiếp xúc ..........................................................................12 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM .............................................................................13 2.1. Đối tượng, mục tiêu và nội dung nghiên cứu .................................................13 2.1.1. Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu ..............................................................13 2.1.2. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................13 2.2. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................14 2.2.1. Phương pháp điện di mao quản sử dụng detecto đo độ dẫn không tiếp xúc (CE – C4D)......................................................................................................14 2.2.2. Phương pháp xử lý mẫu ..............................................................................14 ii
2.3. Hóa chất, thiết bị ..............................................................................................14 2.3.1. Hóa chất ......................................................................................................14 2.3.2. Chuẩn bị các dung dịch hóa chất ................................................................14 2.3.3. Thiết bị và dụng cụ ......................................................................................15 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................16 3.1. Nghiên cứu lựa chọn các điều kiện phân tích anion (Cl-, NO3-, NO2-, SO42-, H2PO4-).........................................................................................................166 3.1.1. Khảo sát thành phần dung dịch đệm điện di .............................................166 3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch đệm tới sự phân tách pic của các ion phân tích ..........................................................................................................18 3.2. Khảo sát các điều kiện dẫn lỏng của hệ điện di mao quản tự động để phân tích đồng thời các anion Cl-; NO3-; NO2-, SO42- và H2PO4- ......................199 3.2.1. Khảo sát lựa chọn sự thay đổi độ mở van chia .........................................199 3.2.2. Khảo sát lựa chọn sự thay đổi thể tích vòng mẫu ....................................211 3.2.3. Khảo sát lựa chọn sự thay đổi điện thế tách .............................................244 3.2.4. Khảo sát lựa chọn sự thay đổi thời gian bơm mẫu vào mao quản ............277 3.2.5. Khảo sát ảnh hưởng của anion nền tới việc phân tích các anion (Cl-, NO3-, NO2-, SO42-, H2PO4-) .................................................................................300 3.3. Đánh giá phương pháp phân tích với anion Cl-, NO3-, SO42-, NO2-, H2PO4- .....................................................................................................................322 3.3.1. Giới hạn định lượng và giới hạn phát hiện của phương pháp .....................32 3.3.2. Độ đúng .....................................................................................................355 3.3.3. Độ lặp ........................................................................................................355 3.3.4. So sánh kết quả phân tích thu được từ phương pháp CE – C4D với các kết quả phân tích thu được từ phương pháp sắc kí ion .......................................377 3.3.5. So sánh kết quả phân tích các mẫu thật thu được từ phương pháp CE- C4D với các kết quả phân tích thu được từ phương pháp sắc kí ion .....................38 iii
KẾT LUẬN ..............................................................................................................43 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................45 PHỤ LỤC .................................................................................................................48 iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AAS: Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AC: Dòng điện xoay chiều (alternating current) ANOVA: Phân tích phương sai (Analysis of Variance) ATP: Adenozin triphotphat C4D: Detecto đo độ dẫn không tiếp xúc kết nối kiểu tụ điện (capicitively coupled contactless conductivity detection) CAPS: Axit 3(xyclohexylamino)-1-propansunphonic CE: Điện di mao quản (capillary electrophoresis) CTAB: Hexadexyltrimetyl amoni bromit CV: Hệ số biến thiên (coefficient variation) 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 HPCE: Điện di mao quản hiệu năng cao (High performance capillary electrophoresis) LOD: Giới hạn xác định (limit of detection) LOQ: Giới hạn định lượng (limit of quantity) MS: Khối phổ (Mass spectrophotometry) RSD: Độ lệch chuẩn tương đối (Relative standard evition) SD: Độ lệch chuẩn (standard deviation) TCVN: Tiêu 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 v
DANH MỤC HÌNH TT Tên hình Trang Hình 1.1. Sơ đồ hệ điện di mao quản ..........................................................................4 Hình 1.2. Hình ảnh dòng điện thẩm trong điện di mao quản ......................................5 Hình 1.3. Mặt cắt ngang của mao quản .......................................................................7 Hình 1.4. Lớp điện tích kép trên bề mặt mao quản .....................................................7 Hình 1.5. Ảnh hưởng của dòng EOF đến tốc độ của các ion trong quá trình điện di .......8 Hình 1.6. Các nguyên tắc bơm mẫu trong điện di mao quản ......................................9 Hình 1.7. Sơ đồ detecto đo độ dẫn không tiếp xúc ...................................................11 Hình 1.8. Sơ đồ hệ thiết bị điện di mao quản bơm mẫu tự động bằng khí nén ........12 Hình 3.1. Điện di đồ phân tích các anion Cl-, SO42-, NO3-, NO2-, H2PO4- sử dụng các hệ đệm khác nhau ..............................................................................17 Hình 3.2. Điện di đồ phân tích các anion Cl-, SO42-, NO3-, NO2-, H2PO4- ở các giá trị pH của dung dịch đệm khác nhau ......................................................18 Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của diện tích pic vào van chia dòng .......199 Hình 3.4. Sự biến đổi diện tích pic theo độ mở van chia ..........................................20 Hình 3.5. Giản đồ điện di khảo sát sự ảnh hưởng của vị trí van chia dòng đến sự phân tách các pic ......................................................................................20 Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của diện tích pic vào thể tích vòng mẫu .211 Hình 3.7. Sự biến đổi diện tích pic Cl- theo thể tích vòng mẫu ..............................211 Hình 3.8. Sự biến đổi diện tích pic NO3- theo thể tích vòng mẫu ...........................222 Hình 3.9. Sự biến đổi diện tích pic SO42- theo thể tích vòng mẫu ..........................222 Hình 3.10. Sự biến đổi diện tích pic NO2- theo thể tích vòng mẫu .........................233 Hình 3.11. Sự biến đổi diện tích pic H2PO4- theo thể tích vòng mẫu......................233 Hình 3.12. Điện di đồ khảo sát sự ảnh hưởng của thể tích vòng mẫu đến sự phân tách các pic ..............................................................................................24 Hình 3.13. Điện di đồ khảo sát sự ảnh hưởng của điện thế tách đến sự phân tách các pic ......................................................................................................25 Hình 3.14. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của diện tích pic vào điện thế tách .........25 Hình 3.15. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của diện tích các pic theo điện thế tách.266 vi
Hình 3.16. Biến đổi diện tích píc của các ion chất phân tích khi thay đổi thời gian bơm mẫu ........................................................................................277 Hình 3.17. Sự biến đổi diện tích pic Cl- theo thời gian bơm mẫu vào mao quản. ..277 Hình 3.18. Sự biến đổi diện tích pic NO3- theo thời gian bơm mẫu vào mao quản. .....28 Hình 3.19. Sự biến đổi diện tích pic SO42- theo thời gian bơm mẫu vào mao quản. ....28 Hình 3.20. Sự biến đổi diện tích pic NO2- theo thời gian bơm mẫu vào mao quản. .....29 Hình 3.21. Sự biến đổi diện tích pic H2PO4- theo thời gian bơm mẫu vào mao quản...29 Hình 3.22. Điện di đồ phân tích các anion trong mẫu chuẩn khi thay đổi thời gian bơm mẫu ........................................................................................300 Hình 3.23. Điện di đồ khảo sát sự ảnh hưởng của Br- đến sự phân tách các pic ....311 Hình 3.24. Điện di đồ khảo sát sự ảnh hưởng của F- đến sự phân tách các pic ......311 Hình 3.25. Điện di đồ khảo sát sự ảnh hưởng của SCN- đến sự phân tách các pic 322 Hình 3.26. Độ lặp về diện tích píc theo thời gian của các anion nghiên cứu .........366 Hình 3.27. Điện di đồ phân tích một số mẫu nước ngầm và nước mặt sử dụng quy trình phân tích do tôi đề xuất ............................................................38 Hình 3.28. Đồ thị thể hiện sự tương quan giữa nồng độ Cl- thu được từ phương pháp CE và IC ........................................................................................400 Hình 3.29. Đồ thị thể hiện sự tương quan giữa nồng độ NO3- thu được từ phương pháp CE và IC ..........................................................................400 Hình 3.30. Đồ thị thể hiện sự tương quan giữa nồng độ NO2- thu được từ phương pháp CE và IC ............................................................................40 Hình 3.31. Đồ thị thể hiện sự tương quan giữa nồng độ SO42- thu được từ phương pháp CE và IC ............................................................................41 vii
DANH MỤC BẢNG TT Tên bảng Trang Bảng 3.1. Diện tích pic và thời gian lưu của các anion ở các điều kiện đệm khác nhau ................................................................................................17 Bảng 3.2. Độ phân giải giữa píc SO42- và NO2- theo pH của dung dịch đệm. Sự biến đổi diện tích píc H2PO4- .................................................................199 Bảng 3.3. Khoảng tuyến tính, giới hạn phát hiện (LOD), giới hạn định lượng (LOQ) và hệ số tương quan R2 của các đường chuẩn tương ứng ..........333 Bảng 3.4. Đánh giá độ thu hồi đường chuẩn của các anion ....................................355 Bảng 3.5. Độ lặp lại về diện tích pic và thời gian lưu đối với các anion ................366 Bảng 3.6. So sánh các kết quả phân tích các mẫu so sánh các mẫu giữa phương pháp điện di mao quản(CE) và phương pháp IC ...................................377 Bảng 3.7. Nồng độ của các anion trong các mẫu so sánh thu được từ hai phương pháp và sai số tương ứng .........................................................................39 viii
MỞ ĐẦU Ô nhiễm nước ở Việt Nam đang là vấn đề thời sự và thu hút sự quan tâm, chú ý của nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước, đặc biệt trong bối cảnh luật môi trường đang được thực thi một cách mạnh mẽ, nhiều công ty xả thẳng nước thải chưa xử lý ra môi trường gây ô nhiễm nghiêm trọng. Trong lĩnh vực nước cấp, gần đây nhiều nhà nhà máy nước đã chuyển sang sử dụng nước mặt làm nguồn nước để sản xuất nước sinh hoạt thay cho nguồn nước truyển thống do nguồn nước mặt có ưu điểm là ít bị ô nhiểm asen và các nguyên tố độc hại khác có nguồn gốc tự nhiên từ trong trầm tích. Tuy nhiên, nguồn nước này bị ô nhiễm vi sinh, và các thành phần có trong nước thải sinh hoạt khi nguồn thải này không được sử lý triệt để trước khi xả ra các hệ thống sông, hồ. Trong số các chỉ tiêu nước mặt thì các chỉ tiêu anion như SO42-, NO3-, PO43-, Cl-, NO2-, CN-, F-, đặc biệt là ion NO3- và NO2- cần được giám sát định kì một cách nghiêm ngặt để đảm bảo chất lượng nước đến người tiêu thụ. Việc xác định các chỉ tiêu này được thực hiện bằng phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại khả biến (phân tích từng chỉ tiêu), phương pháp sắc kí ion (phân tích một số chỉ tiêu đồng thời). Tuy nhiên, vì số lượng các chỉ tiêu cần được xác định nhiều nên việc phân tích từng chỉ tiêu bằng phương pháp quang là tốn kém nhân lực, thời gian và kinh phí, còn phương pháp sắc kí ion cần thiết bị đắt tiền, phải thay các cột chuyên dụng và chương trình hoạt động nếu muốn phân tích cả nhóm cation và anion. Việc nghiên cứu, phát triển quy trình phân tích các anion trong mẫu nước mặt và ứng dụng trong quan trắc chất lượng nước mặt sử dụng hệ thiết bị điện di mao quản xách tay cho phép phân tích đồng thời các anion có ý nghĩa lớn cho kiểm soát chất lượng nước, cũng giúp các cơ quan chức năng trong quá trình giám sát chất lượng môi trường. Do đó em chọn đề tài “Nghiên cứu xây dựng quy trình phân tích một số anion quan trọng trong môi trường nước trên cơ sở sử dụng thiết bị điện di mao quản xách tay” 1
Chương 1 . TỔNG QUAN 1.1. Một số vấn đề các anion Cl-, NO3-, NO2-, SO42-, PO43- trong môi trường nước 1.1.1. Khái quát về các anion Cl-, NO3-, SO42-, NO2-, PO43- Nước mặt: bao gồm các nguồn nước trong các hồ chứa, sông suối. Do kết hợp từ các dòng chảy trên bề mặt và thường xuyên tiếp xúc với không khí nên các đặc trưng của nước mặt là [1] - Chứa khí hoà tan, đặc biệt là oxy - Chứa nhiều chất rắn lơ lửng (riêng trường hơp nước trong các ao, đầm, hồ, chứa ít chất rắn lơ lửng và chủ yếu ở dạng keo) - Có hàm lượng chất hữu cơ cao - Có sự hiện diện của nhiều loại tảo - Chứa nhiều vi sinh vật Để đánh giá khả năng ô nhiễm nguồn nước, cần cân nhắc thêm các yếu tố sau đây: 1.1.1.1. Các hợp chất nitơ Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ tạo ra amoniac (NH4+), nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-). Do đó các hợp chất này thường được xem là những chất chỉ thị dùng để nhận biết mức độ nhiễm bẩn của nguồn nước. Khi mới bị nhiễm bẩn, ngoài các chỉ tiêu có giá trị cao như độ oxy hoá, amoniac, trong nước còn có một ít nitrit và nitrat. Sau một thời gian NH4+, NO2- bị oxy hoá thành NO3-. Phân tích sự tương quan giá trị các đại lượng này có thể dự đoán mức độ ô nhiễm nguồn nước. Nitrit được hấp thu trong máu và hemoglobin (các thành phần oxy trong máu) được chuyển thành methemoglobin, chất này mang oxy hiêu quả tới nguồn cung cấp oxy giảm đến tế bào quan trọng như não. Nếu nghiêm trọng có thể dẫn đến tổn thương não và tử vong. Việc sử dụng rộng rãi các loại phân bón cũng làm cho hàm lượng nitrat trong nước tự nhiên tăng cao. Ngoài ra do cấu trúc địa tầng tăng ở một số đầm lầy, nước thường nhiễm nitrat. 2
Nồng độ NO3- cao là môi trường dinh dưỡng tốt cho tảo, rong phát triển, gây ảnh hưởng đến chất lượng nước dùng trong sinh hoạt. Trẻ em uống nước có nồng độ nitrat cao có thể ảnh hưởng đến máu (chứng methaemoglo binaemia). Theo quy định của Tổ chức Y tế thế giới, nồng độ NO3- trong nước uống không được vượt quá 10 mg/l (tính theo N). Những người khỏe mạnh có thể tiêu thụ một lượng khá lớn của Nitrat với ít tác dụng tới sức khỏe. Tuy nhiên nếu hàm lượng lớn và kéo dài có liên quan tới vấn đề dạ dày do sự hình thành của chất nitrosamine. Các hợp chất nitrosamine đã được chứng minh là gây ung thư ở động vật thử nghiệm. 1.1.1.2. Các hợp chất photpho Trong nước tự nhiên, thường gặp nhất là photphat. Đây là sản phẩm của quá trình phân huỷ sinh học các chất hữu cơ. Cũng như nitrat là chất dinh dưỡng cho sự phát triển của rong tảo. Nguồn photphat đưa vào môi trường nước là từ nước thải sinh hoạt, nước thải một số ngành công nghiệp và lượng phân bón dùng trên đồng ruộng [2]. Photphat không thuộc loại hóa chất độc hại đối với con người, nhưng sự tồn tại của chất này với hàm lượng cao trong nước sẽ gây cản trở cho quá trình xử lý, đặc biệt là hoạt chất của các bể lắng. Đối với những nguồn nước có hàm lượng chất hữu cơ, nitrat và photphat cao, các bông cặn kết cặn ở bể tạo bông sẽ không lắng được ở bể mà có khuynh hướng tạo thành đám nổi lên mặt nước, đặc biệt vào những lúc trời nắng trong ngày. 1.1.1.3. Ion Clorua Clorua làm cho nước có vị mặn. Ion này thâm nhập vào nước qua sự hoà tan các muối khoáng hoặc bị ảnh hưởng từ quá trình nhiễm mặn các tầng chứa nước ngầm hay ở đoạn sông gần biển. Việc dùng nước có hàm lượng clorua cao có thể gây ra bệnh về thận. Ngoài ra, nước chứa nhiều clorua có tính xâm thực đối với bêtông. 1.1.1.4. Ion Sunfat Ion sunfat thường có trong nước có nguồn gốc khoáng chất hoặc nguồn gốc hữu cơ. Với hàm lượng sunfat cao hơn 400 mg/l, có thể gây mất nước trong cơ thể và làm tháo ruột. Ngoài ra, nước có nhiều ion clorua và sunfat sẽ làm xâm thực bêtông. 3
1.1.2. Các phương pháp xác định - Phương pháp điện cực chọn lọc ion: điện cực dùng trong phương pháp điện thế để xác định nồng độ của một loại ion trong dung dịch hỗn hợp nhiều loại ion dựa trên nguyên tắc là điện thế ở cực chỉ thay đổi với nồng độ ion cần phân tích mà không chịu ảnh hưởng của nồng độ ion khác. Tuy nhiên phương pháp này có độ lặp lại kém. - Phương pháp sắc kí ion (IC): Đây là phương pháp tiêu chuẩn để phân tích các anion trong các mẫu nước ngầm và nước mặt. Cho kết quả rất chính xác nhưng do yêu cầu nghiêm ngặt của việc chuẩn bị mẫu để phân tích IC tránh việc gây tắc cột tách rất đắt tiền. Nên để phân tích các mẫu nước thì rất tốt nhưng không tiết kiệm kinh tế. - Phương pháp điện di mao quản (CE): Mức độ tương quan giữu các kết quả thu được của hai phương pháp đều tốt. Có ưu điểm vượt trội so với phương pháp IC về khả năng phân tích hiện trường, giá thành đầu tư thiết bị ban đầu, giá phân tích đối với một mẫu, thời gian phân tích ngắn và dễ vận hành. Tại trung tâm Cetasd đã thực hiện một số đề tài phân tích hàm lượng các anion Cl-, NO3-, SO42-, NO2-, H2PO4- theo phương pháp điện di mao quản sử dụng thiết bị điện di mao quản xách tay và kết quả thu được rất khả quan. 1.2. Phương pháp điện di mao quản 1.2.1. Nguyên tắc tách chất trong điện di mao quản Điện di mao quản là một kỹ thuật tách các chất dựa trên sự di chuyển khác nhau của các phân tử chất (chủ yếu là các ion mang điện tích) trong dung dịch chất điện ly có chất đệm pH và trong tác dụng của điện trường (E) nhất định do thế (V) đặt vào hai đầu mao quản sinh ra, do độ linh động điện di khác nhau, chúng di chuyển với tốc độ khác nhau và tách khỏi nhau [5, 13]. Hình 1.1. Sơ đồ hệ điện di mao quản 4
Điện di mao quản gồm nhiều các kỹ thuật tách khác nhau, mỗi kỹ thuật tách đều có 1 cơ chế riêng: - Điện di mao quản vùng (CZE) - Sắc ký mao quản Gel (CGE) - Sắc ký mao quản điện động học mixen(MEKC) - Sắc ký điện di mao quản (CEC) - Điện di mao quản điểm đẳng điện (CIEF) - Điện di mao quản đẳng tốc độ (CITP) [5] Trong đó kỹ thuật điện di mao quản vùng (CZE) được sử dụng nhiều bởi đặc tính đơn giản và hiệu quả [11, 19]. 1.2.2. Độ linh động điện di Trong điện di, tốc độ di chuyển của các hạt tích điện (v) tỉ lệ thuận với cường độ điện trường E: Vi = μi ; E = μi . V/L Trong đó: vi: tốc độ di chuyển của ion μi: độ linh động điện di E: cường độ điện trường V: hiệu điện thế áp vào hai đầu mao quả L: chiều dài mao quản Độ linh động điện di tỉ lệ thuận với điện tích của phần tử tích điện (q), tỉ lệ nghịch với độ nhớt ( ) của dung dịch pha động điện di và độ lớn (bán kính hydrat r) của phần tử tích điện. Ngoài ra, độ linh động điện di còn phụ thuộc vào nhiệt độ và dòng EOF [3,5]. 1.2.3. Dòng điện thẩm (EOF) Một điểm đặc trưng của điện di mao quản là dòng điện thẩm (electroosmotic flow - EOF). Hình 1.2. Hình ảnh dòng điện thẩm trong điện di mao quản 5
Dòng điện thẩm hay chính là dòng của khối dung dịch di chuyển về phía catốt xảy ra khi một điện thế cao được áp giữa hai đầu mao quản silica chứa dung dịch đệm [14]. Tốc độ của dòng điện thẩm có thể ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ di chuyển của các chất trong dung dịch. Ví dụ một dung dịch đệm nồng độ 50 mM với pH= 8 chảy trong một mao quản dài 50 cm về phía catốt với vận tốc khoảng 5 cm/phút ở hiệu điện thế +25 kV [17]. Nguyên nhân của dòng điện thẩm là do sự hình thành của lớp điện kép. Trên bề mặt của mao quản silica luôn tồn tại các nhóm silanol. Tại điều kiện pH lớn hơn 4, các nhóm SiOH này có thể bị đề proton theo phương trình: ≡Si–OH -> ≡Si–O- + H+ và tạo thành lớp điện tích âm. Từ đó, các cation trong dung dịch đệm liên kết với lớp điện tích âm ở thành silica tạo thành lớp điện kép. Các ion dương trong dòng dung dịch do đó sẽ bị kéo về phía catốt, vì chúng hòa tan trong dung dịch nên chúng sẽ kéo theo cả khối dung dịch cùng về phía điện cực âm [8,9]. Thông thường tốc độ của dòng điện thẩm cao hơn đáng kể so với tốc độ di cư của các hạt mang điện trong mao quản vì lý do đó dòng điện thẩm trở thành pha động có ích trong điện di mao quản. Vận tốc của dòng điện di được xác định bởi biểu thức: ʋ = µEOF . E (1.1) Trong đó, μEOF: là độ linh động dòng điện thẩm [21] Việc điều khiển tốc độ dòng EOF có thể giúp làm giảm thời gian phân tách và làm hình ảnh pic trở lên sắc nét hơn. Do đó các yếu tố ảnh hưởng đến dòng EOF thường được khảo sát trong các nghiên cứu. Dưới đây là một số các yếu tố có thể được điều chỉnh để thay đổi dòng EOF [4]: - Điện trường E: tỉ lệ thuận với dòng EOF trong mao quản tức là điện trường càng lớn thì dòng EOF sẽ càng lớn và ngược lại. Tuy nhiên nếu điện trường quá lớn sẽ làm giảm độ phân giải, hiệu lực tách và làm nóng mao quản. - pH của dung dịch đệm: là một yếu tố thường được dùng để điều chỉnh dòng EOF trong mao quản vì nó dễ thực hiện. Dòng EOF sẽ giảm ở pH thấp và tăng ở pH cao. 6
- Nồng độ dung dịch đệm: cường độ dòng EOF sẽ tăng khi nồng độ của dung dịch đệm tăng và ngược lại. Nhưng nó cũng làm nóng mao quản và độ nét của pic bị ảnh hưởng khi ở nồng độ cao. - Các chất hoạt động bề mặt (HDBM): là các chất được thêm vào dung dịch đệm thì chúng sẽ bám lên thành mao quản và tạo ra hiệu ứng ion (hay hiệu ứng kị nước). Nếu chất HDBM phân li ra anion thì làm tăng cường độ dòng EOF còn nếu là cation thì sẽ làm giảm và có thể đảo ngược chiều dòng EOF . 1.2.4. Mao quản điện di Mao quản là một bộ phận quan trọng trong hệ điện di mao quản. Đây chính là một trong các yếu tố quyết định sự điện di hỗn hợp của các chất mẫu. Mao quản được chế tạo chủ yếu là silica được gọi là mao quản silica. Trong một số trường hợp người ta cũng dùng mao quản teflon, khi mao quản silica không phù hợp, ví dụ mẫu có ion F- và tách ở pH thấp [4]. Hình 1.3. Mặt cắt ngang của mao quản Trong quá trình điện di, lớp điện kép và thế của chúng (thế Zêta) xuất hiện ở sát thành mao quản, nó phụ thuộc vào lực ion của dung dịch pha động điện di. Hình 1.4. Lớp điện tích kép trên bề mặt mao quản 7
Dòng EOF di chuyển từ cực dương sang cực âm, dưới tác dụng của điện trường, các cation di chuyển cùng chiều với dòng EOF do đó di chuyển nhanh hơn, ngược lại các anion di chuyển ngược chiều với dòng EOF do đó di chuyển chậm hơn còn các phần tử trung hòa không chịu tác động của điện trường nên di chuyển cùng tốc độ với dòng EOF. Hình 1.5. Ảnh hưởng của dòng EOF đến tốc độ của các ion trong quá trình điện di Do vậy, để có được hiệu quả tách cao cần tìm được dòng EOF có cường độ phù hợp với chất phân tích, có nghĩa là phải tối ưu hóa các điều kiện của quá trình điện di. 1.2.5. Phương pháp bơm mẫu Hai nguyên tắc bơm mẫu cơ bản thường được sử dụng trong điện di là bơm mẫu thủy động học, bơm mẫu điện động học. + Phương pháp bơm điện động học Trong phương pháp này, đầu mao quản được nhúng vào dung dịch mẫu cùng điện cực platinum. Một hiệu điện thế một chiều được áp vào hai đầu điện cực đẩy các ion mang điện vào trong mao quản theo nguyên tắc của điện di và dòng điện thẩm. Phương pháp này cho phép đưa một lượng lớn các ion linh động vào mao quản. Ngược lại các ion kém linh động hơn sẽ được đưa vào với lượng nhỏ hơn. Do vậy kỹ thuật bơm mẫu này có sự phân biệt đối với các ion khác nhau về điện tích cũng như kích thước. Tuy nhiên điều này lại có thể coi là một ưu điểm của phương pháp trong việc phân tích lượng vết của các ion nhỏ và có điện tích lớn [21, 22]. + Phương pháp thủy động học Bơm syphon (sử dụng lực trọng trường) là phương pháp mà một đầu mao quản chứa dung dịch đệm được nhúng vào lọ mẫu và được nâng lên một độ cao 8
chênh lệch so với đầu còn lại của mao quản. Mẫu sẽ tự động đi vào mao quản theo nguyên tắc ông syphon. Lượng mẫu bơm vào mao quản phụ thuộc vào độ cao chênh lệch và thời gian bơm mẫu [12]. Hình 1.6. Các nguyên tắc bơm mẫu trong điện di mao quản Bơm mẫu sử dụng chênh lệch áp suất có thể được thực hiện bằng cách hút chân không hoặc dùng piston hay khí nén để tạo áp suất đẩy. Tương tự như kỹ thuật bơm mẫu syphon, lượng mẫu bơm vào mao quản phụ thuộc vào độ nhớt của dung dịch [8]. Vì vậy việc đảm bảo sự tương đồng độ nhớt giữa dung dịch mẫu và dung dịch chuẩn đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật bơm mẫu này. Do đó nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến lượng mẫu do độ nhớt dung dịch tỉ lệ nghịch với nhiệt độ. Vì vậy để đảm bảo tính lặp lại của phép phân tích, nhiệt độ cần được giữ ổn định trong quá trình thực hiện [22]. Kỹ thuật bơm mẫu syphon khá khó để có thể tự động hóa và dễ có sự sai khác trong chiều cao cũng như thời gian bơm mẫu. Ngược lại các kỹ thuật bơm mẫu 9
sử dụng piston, khí nén hay dùng chân không tương đối dễ dàng tự động hóa, giúp cho các yếu tố trong quá trình bơm mẫu được đảm bảo bao gồm cả nhiệt độ. 1.2.6. Các detecto thông dụng trong CE - Nguyên tắc định lượng Nguyên tắc của việc phát hiện hay định lượng các chất tan dựa trên cơ sở của mối quan hệ tín hiệu đo của chất phân tích và nồng độ Cx của nó theo biểu thức cơ bản sau đây [4]: H = k.Cx hoặc A = k.Cx Trong đó: H là chiều cao A là diện tích pic điện di của chất phân tích. - Sự phát hiện chất trong phương pháp điện di mao quản Quá trình tách chất dựa trên sự khác nhau về độ linh động điện di của các chất tan. Do độ linh động điện di của các chất tan khác nhau thì tốc độ di chuyển của các chất tan (chất tan là ion) trong mao quản khác nhau. Sự phát hiện chất trong quá trình phân tách điện di được thực hiện một cách trực tiếp hay gián tiếp, tùy thuộc vào bản chất của các chất phân tích. Nói chung dựa trên cơ sở tính chất hóa học, hóa lí hay vật lí của các chất phân tích sẽ có các loại detecto tương ứng để phát hiện [15, 16]. + Detecto đo phổ hấp phụ phân tử UV-VIS + Detecto đo phổ huỳnh quang phân tử + Detecto đo phổ phát xạ và hấp phụ nguyên tử + Detecto điện hóa + Detecto đo chỉ số chiết suất của chất + Detecto đo dẫn nhiệt, hay đo độ hấp phụ nhiệt + Detecto khối phổ Trong các loại detecto kể trên, detecto độ dẫn không tiếp xúc tuy ra đời sau nhưng đã nhận được nhiều sự quan tâm do thiết kế đơn giản, không yêu cầu nguồn phát quang và không làm thay đổi thành phần đệm do quá trình điện phân như các detecto đo độ dẫn kiểu cũ [7]. 10