Đại cương chiết pha rắn và ứng dụng của chiết pha rắn

1. Giới thiệu chung [1],[2],[3] Ơ nhiễm mơi trường là vấn đề thời sự đang được cả thế giới quan tâm và lo lắng. Với tình hình phát triển như hiện nay, ngày càng cĩ nhiều chất ơ nhiễm nguy hại được đưa vào mơi trường tự nhiên. Trong đĩ, nhiều chất gây ung thư, gây tác hại nghiêm trọng cho mơi trường và sức khoẻ con người như: các hợp chất hữu cơ độc hại và đặc biệt là các kim loại độc (Hg, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, As… ). Các chất độc trong các mẫu mơi trường thường tồn tại ở dạng siêu vết (cỡ ppb ≈ μg/l) hoặc nhỏ hơn. Hiện nay, mặc dù các phương pháp phân tích cơng cụ hiện đại đã và đang phát triển, xong việc xác định trực tiếp hàm lượng chất độc trong mẫu mơi trường là rất khĩ khăn. Chính vì vậy, việc tách và làm giàu chất phân tích kết hợp với các phương pháp phân tích hiện đại là rất cĩ ý nghĩa. Các phương pháp tách và làm giàu như: chiết lỏng-lỏng, chiết pha rắn, kết tủa, cộng kết, sắc ký… thì phương pháp chiết pha rắn (Solid Phase Extraction – SPE) là cĩ hiệu quả nhất. Ưu điểm của phương pháp này so với các phương pháp khác là độ chọc lọc, hệ số làm giàu cao, sử dụng ít dung mơi, thao tác đơn giản, dễ tự động hố và rẻ tiền. Trên thế giới và ở Việt Nam, các nghiên cứu và sử dụng phương pháp SPE chủ yếu là phân tích các hợp chất hữu cơ. Với các chất vơ cơ, hiện cịn chưa nhiều. Do vậy, đây là một hướng cịn “mở” đối với các nhà phân tích. Đặc biệt là việc ứng dụng các loại nhựa vịng càng (chelating resin) cĩ khả năng tạo phức bền với các ion kim loại độc trong mẫu mơi trường như: mẫu nước – nước biển. 2. Khái niệm chiết pha rắn. 2.1. Khái niệm [1],[2],[3] Trước đây, quá trình tách và làm giàu lượng vết kim loại trong mẫu mơi trường thường được tiến hành bằng kỹ thuật chiết lỏng - lỏng (LLE). Những điểm bất lợi của phương pháp này là sử dụng một lượng lớn dung mơi và chỉ sử dụng dung mơi khơng trộn lẫn nên việc lựa chọn dung mơi rất khĩ khăn, thao tác thí nghiệm phức tạp và hiệu suất làm giàu khơng cao. Vì vậy, kỹ thuật LLE ít được sử dụng. Kỹ thuật chiết pha rắn (SPE) ra đời vào giữa những năm 1970, vừa mới ra đời kỹ thuật này đã bộc lộ những tính năng ưu việt hơn. Tuy nhiên, mãi đến năm 1998 thuật ngữ khoa học “Chiết pha rắn” mới được cơng nhận trên tồn thế giới. Từ đĩ đến nay, kỹ thuật chiết pha rắn được phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực phân tích, đặc biệt là phân tích lượng vết các kim loại độc trong mẫu mơi trường. Chiết pha rắn (hay chiết rắn-lỏng) là quá trình phân bố các chất tan giữa hai pha lỏng và rắn. Trong đĩ, chất tan ban đầu ở trong pha lỏng (nước hoặc dung mơi hữu cơ), chất để hấp thụ chất tan ở dạng rắn (dạng hạt, nhỏ và xốp) gọi là pha rắn Pha rắn (cịn được gọi là pha tĩnh) thường là các hạt silica gel xốp trung tính, hạt oxit nhơm, silica gel trung tính đã được ankyl hố nhĩm –OH bằng các gốc hydrocarbon mạch thẳng -C2, -C4, -C8, -C18,… hay nhân phenyl, các polyme hữu cơ, các loại nhựa hoặc than hoạt tính… Các hạt này được nhồi vào cột chiết nhỏ (thường là cột cĩ kích thước 5 ´ 1 cm) hoặc nén ở dạng đĩa dày 1 - 2 mm với đường kính 3 - 4 cm (đĩa chiết). Hình 1. Cợt chiết pha rắn Pha lỏng là pha chứa chất cần phân tích, chúng cĩ thể là dung mơi hữu cơ, dung dịch đệm… Khi cho pha lỏng đi qua cột chiết (hoặc đĩa chiết), pha rắn tương tác với chất phân tích và giữ một nhĩm (hoặc một số nhĩm) của chất phân tích lại trên pha rắn, các chất cịn lại đi ra khỏi cột cùng với dung mơi hịa tan mẫu. Quá trình rửa giải (giải hấp) chất phân tích được thực hiện bằng một dung mơi thích hợp. Ví dụ: chất hữu cơ phần lớn được rửa giải bằng axeton, axetonitrile, metanol…, kim loại thường được rửa giải bằng dung dịch axit . Thơng thường, thể tích dung dịch rửa giải nhỏ hơn nhiều lần so với dung dịch mẫu ban đầu, điều này cĩ nghĩa là chất phân tích đã được làm giàu. Ngày nay, khái niệm SPE được mở rộng cho cả trường hợp hấp thụ các chất ở trạng thái khí lên cột chiết rắn như trường hợp hấp thụ khí CO lên vật liệu rắn rồi bơm trực tiếp vào máy sắc ký để định lượng . Hinh2. Mợt máy chiết pha rắn hoàn chỉnh hiện nay 2.2. Nguyên tắc chung của chiết pha rắn. [1],[2],[3] Nguyên tắc của quá trình chiết pha rắn là các mẫu ở dạng lỏng , còn các chất chiết ở dạng rắn, hạt nhỏ và xớp ( có đường kính từ 5-10). Chất chiết được gọi là pha tĩnh và được nhời vào nợt cợt sắc ký nhỏ (kích thước 10*1cm hay dung lượng 5-10ml) các hạt chất chiết có đợ xớp lớn với diện tích bề mặt thường 50-100m2/gam. Khi xử lý mẫu dung dịch chứa chứa chất mẫu được dợi lên pha rắn trong các cợt sắc ký. Lúc này pha tĩnh sẽ tương tác với các chất mẫu và giữ lại mợt ít nhóm chất phân tích trên cợt ( pha tĩnh) . Còn các nhóm khác sẽ đi ra khỏi cợt cùng với với dung mơi hào tan mẫu . Như thế ta sẽ thu được nhóm chất phân tích tờn tại trên pha tĩnh . Sau đó dùng dung mơi thích hợp hòa tan tớt các chất phân tích để rửa giải chúng ra khỏi pha tĩnh và thu được dung dịch có chất phân tích để xác định nó. Các chất chiết pha rắn có thể được chế tạo theo các loại sau đây. Chất hấp phụ pha thường : Đó là các silica trung tính. Chất hấp phụ pha ngược: Là các silica đã được ankyl hóa nhóm OH Chất có khả năng trao đởi ion Chất rây hay sàng lọc phân tử theo kích thước hay đợ lớn Chiết hay hấp phụ pha khí rắn. 2.3 Các điều kiện chiết pha rắn. [1],[2],[3] Quá trình chiết ở đây thực chất cũng là sự phân bớ của các chất phân tích trên 2 pha : pha rắn ( chất chiết) và pha đợng ( dung dịch chứa chất phân tích). Trong những điều kiện nhất định :pH, dung mơi nhiệt đợ , tớc đợ chảy của dung mơi qua cợt chiết . Vì thế hằng sớ phân bớ nhiệt đợng Kb của chất phân tích giữa hai pha cũng là mợt yếu tớ quyết định hiệu quả của sự chiết. Ta phải có các điều kiện sau : Pha rắn hay pha chiết phải có tính chất hấp phụ hay trao đởi chọn lọc với mợt hay mợt nhóm ion nhất định( tính chọn lọc của pha chiết). Hệ sớ phân bớ nhiệt đợng Kb của cân bằng chiết phải lớn, để có tính hiệu quả chiết cao. Quá trình chiết phải xảy ra nhanh , nhanh đạt đến cân bằng nhưng khơng có tương tác hóa học làm mất hay hỏng chất phân tích Quá trình chiết phải có tính thuận nghịch cao để còn có thể rửa giải chất phân tích ra khỏi pha chiết Khơng làm nhiểm bẩn chất phân tích Sự chiết được thực hiện trong mợt sớ điều kiện nhất định, phù hợp và lặp lại được, càng đơn giản càng tớt. 3. Một số kỹ thuật trong chiết pha rắn [3] Trong chiết pha rắn, các kỹ thuật thường được lựa chọn sử dụng là: 3.1. Kỹ thuật SPE ở điều kiện tĩnh Quá trình thực hiện bao gồm 3 bước chính sau: Bước 1: Phân bố chất tan giữa hai pha rắn - lỏng Dùng cốc thủy tinh, trong đĩ chứa một thể tích xác định dung dịch hồ tan chất cần phân tích, sau đĩ cho vào cốc một lượng pha rắn thích hợp. Điều chỉnh mơi trường, lắc hay khuấy dung dịch trong thời gian nhất định để quá trình phân bố chất tan giữa hai pha xảy ra hồn tồn. Bước 2: Tách hai pha rắn - lỏng Khi cân bằng phân bố chất tan giữa hai pha được thiết lập, lọc hoặc ly tâm để tách hai pha rắn - lỏng. Trong bước này cĩ thể thêm giai đoạn lọc rửa pha rắn để loại bỏ các chất gây cản trở nếu cần. Bước 3: Giải hấp Các chất cần phân tích bị hấp thụ trên pha rắn được rửa giải ra khỏi pha rắn bằng một thể tích dung mơi thích hợp và sau đĩ xác định nồng độ bằng một trong các phương pháp phân tích cơng cụ đã được lựa chọn. Như vậy, cân bằng phân bố giữa hai pha xảy ra một lần. Trong trường hợp vi chiết pha rắn (Solid Phase Micro Extraction - SPME), pha rắn dạng sợi được nhúng trực tiếp vào dung dịch mẫu phân tích hoặc đặt ở khoảng khơng gian ngay trên bề mặt dung dịch phân tích. Quá trình phân bố chất tan lên pha rắn được trợ giúp bằng cách khuấy trộn dung dịch. Khi cân bằng phân bố chất tan được thiết lập, các sợi pha rắn được rút ra khỏi dung dịch, làm khơ và đưa trực tiếp vào buồng bay hơi mẫu của máy sắc ký khí. Cũng cĩ thể hồ tan chất bị hấp thụ trên sợi pha rắn vào các dung mơi thích hợp rồi bơm vào hệ thống sắc ký lỏng hiệu quả cao (HPLC) hay sắc ký khí (GC). 3.2. Kỹ thuật SPE ở điều kiện động Trong kỹ thuật SPE ở điều kiện động, các vật liệu pha rắn được nạp trước vào cột (cartridge) và được cố định bởi 2 tấm ngăn bằng polyetylen xốp. Cĩ khi vật liệu SPE được cố định trong các mạng lưới polytetrafluoroethylene (PTFE) và ép thành khối dạng dĩa. Kỹ thuật SPE trong điều kiện động gồm 4 bước chính được mơ tả trên hình 1.3. Bước 1: Chuyển dạng chất hấp thụ pha rắn Đầu tiên, vật liệu hấp thụ được chuyển từ dạng ban đầu (của hãng sản xuất) sang dạng thích hợp cho quá trình hấp thụ (dạng H+ hoặc OH-) bằng cách cho dung mơi chạy qua làm ướt vật liệu, solvat hĩa các nhĩm chức của chất hấp thụ và đuổi khơng khí, lấp đầy các khoảng trống bằng dung mơi. Sau đĩ, cột được làm ướt bằng dung dịch đệm hoặc nước cất để cĩ hiệu quả hấp thụ tốt đối với các mẫu là dung dịch nước (chất hấp thụ phải luơn được ngâm trong dung mơi). Trong thực tế, nếu để khơ cột thì khả năng hấp thụ xảy ra khơng hồn tồn và độ thu hồi chất phân tích giảm, do vậy phải tiến hành quá trình chuẩn bị cột (pha tĩnh) lại từ đầu. Trong quá trình chuyển dạng, nếu cần thiết nên cĩ thêm bước làm sạch cột để loại bỏ các tạp chất. Bước 2: Quá trình hấp thụ chất phân tích Dung dịch mẫu chứa chất phân tích được cho qua cột với tốc độ thích hợp. Chất phân tích được giữ lại trên cột cịn các chất khác cùng dung mơi đi ra khỏi cột. Cũng cĩ trường hợp chất gây cản trở bị giữ lại trên cột, cịn chất phân tích đi ra khỏi cột cùng với dung mơi. Sau đĩ chất phân tích được thu hồi và xác định bằng một phương pháp phân tích cơng cụ thích hợp đã chọn. Ở bước này, điều quan trọng nhất là cơ chế lưu giữ chất phân tích trên chất hấp thụ khi cho mẫu chảy qua cột. Các cơ chế của quá trình lưu giữ bao gồm tương tác Van der Wall, tương tác lưỡng cực - lưỡng cực, liên kết hydro, trao đổi cation, trao đổi anion, tạo phức vịng càng,… Quá trình hấp thụ này cĩ thể giữ lại một số thành phần khác trên cột cùng với chất phân tích. Bước 3: Rửa cột Đây là bước loại bỏ các chất gây ảnh hưởng và nền mẫu ra khỏi cột chỉ giữ lại chất phân tích. Nếu nền của mẫu là dung dịch nước, cần phải sử dụng dung dịch đệm hoặc dung mơi hữu cơ. Nếu mẫu được hịa tan trong dung mơi hữu cơ thì khi rửa cột cĩ thể dùng chính dung mơi đĩ. Bước 4: Rửa giải Đây là bước cuối cùng để thu hồi chất phân tích. Dung mơi được chọn phải phá vỡ dễ dàng tương tác giữa chất phân tích và chất hấp thụ. Thể tích dung mơi sử dụng rửa giải càng ít càng tốt nhưng phải đảm bảo rửa sạch chất phân tích ra khỏi vật liệu hấp thụ, đây chính là ưu điểm của kỹ thuật SPE so với kỹ thuật LLE. B1: Nhồi cột và chuyển dạng nhựa B2: Bơm mẫu qua cột B3: Rửa các chất ảnh hưởng B4: Rửa giải chất phân tích Các chất ảnh hưởng được rửa giải Chất phân tích Hình 3. Các bước trong kỹ thuật SPE ở điều kiện động 4. So sánh kỹ thuật chiết pha rắn và chiết lỏng - lỏng [1],[2],[3],[7] 4.1 Sự khác nhau giữa chiết lỏng – lỏng , chiết pha rắn và sắc ký. * Nguyên tắc chiết lỏng-lỏng là sự phân bớ của chất phân tích vào hai pha lỏng (dung mơi) khơng trợn lẫn vào nhau ( trong hai dung mơi này có mợt dung mơi chứa chất phân tích ) để trong mợt dụng cụ chiết như phễu chiết, bình chiết . Vì thế hệ sớ phân bớ nhiệt đợng Kb của cân bằng chiết là yếu tớ quyết định hiệu quả của sự chiết. * Quá trình chiết pha rắn ở đây thực chất cũng là sự phân bớ của các chất phân tích trên 2 pha : pha rắn ( chất chiết) và pha đợng ( dung dịch chứa chất phân tích). Trong những điều kiện nhất định :pH, dung mơi nhiệt đợ , tớc đợ chảy của dung mơi qua cợt chiết . Vì thế hằng sớ phân bớ nhiệt đợng Kb của chất phân tích giữa hai pha cũng là mợt yếu tớ quyết định hiệu quả của sự chiết. * Sắc kí  Trong kĩ thuật sắc kí, hỗn hợp chất phân tích được chuyên chở trong chất lỏng hoặc khí và các thành phần của nĩ được tách ra do sự phân bố khác nhau của các chất tan khi chúng chảy qua pha tĩnh rắn hay lỏng. Nhiều kĩ thuật khác nhau đã được dùng để phân tích hợp chất phức tạp dựa trên ái lực khác nhau của các chất trong mơi trường động khí hoặc lỏng và đối với mơi trường hấp phụ tĩnh mà chúng di chuyển qua, như giấy, gelatin hay gel magnesium silicate. 4.2 . So sánh kỹ thuật chiết pha rắn (SPE) và chiết lỏng-lỏng (LLE) Về nguyên tắc và thao tác, kỹ thuật SPE giống với kỹ thuật LLE nhưng về mặt hiệu quả và ứng dụng thì kỹ thuật SPE cĩ nhiều ưu điểm nổi bật hơn cụ thể như sau: - Thao tác nhanh, đơn giản và dễ tự động hố: mẫu phân tích được cho chảy qua cột với tốc độ thích hợp (điều khiển bằng máy hút chân khơng hoặc bơm nhu động). Chất phân tích được giữ lại trên cột và được rửa giải bằng dung dịch thích hợp. Tất cả quá trình này cĩ thể tự động hĩa một cách dễ dàng. Mặc dù LLE cũng cĩ vài khâu cĩ thể tự động hĩa nhưng nhìn chung các thao tác phức tạp hơn nhiều. - Sử dụng ít dung mơi: mẫu sau khi được xử lý sơ bộ và điều chỉnh mơi trường được cho qua cột trực tiếp. Sau đĩ chỉ cần một lượng rất nhỏ dung mơi rửa giải là cĩ thể rửa giải chất cần phân tích ra khỏi cột. Ngược lại, trong kỹ thuật LLE địi hỏi phải sử dụng một lượng dung mơi lớn (chủ yếu là dung mơi hữu cơ). - Điều kiện tách đơn giản: do cân bằng phân bố chất tan giữa hai pha xảy ra nhiều lần nên chỉ cần cĩ sự khác nhau hợp lý về khả năng chiết là cĩ thể tách hồn tồn hai chất tan ra khỏi nhau. Việc lựa chọn dung mơi đối với SPE đơn giản hơn LLE. Hơn nữa, kỹ thuật LLE cần phải sử dụng dung mơi khơng trộn lẫn nên việc lựa chọn dung mơi khĩ khăn hơn. - Hệ số làm giàu cao: hệ số làm giàu trong kỹ thuật SPE cao hơn rất nhiều so với LLE, do hệ số này phụ thuộc vào thể tích của hai pha: rắn và lỏng. 5. Ứng dụng kỹ thuật chiết pha rắn trong phân tích mơi trường [1],[2],[3],[5] Kỹ thuật SPE cĩ thể áp dụng cho phân tích các hợp chất hữu cơ và hợp chất vơ cơ (ion kim loại) trong các mẫu mơi trường. Trong phần này, chúng tơi chỉ trình bày phần ứng dụng của kỹ thuật SPE trong phân tích siêu vết các ion kim loại trong các đối tượng mơi trường khác nhau. 5.1. Ứng dụng của kỹ thuật chiết pha rắn trong phân tích hợp chất hữu cơ Trước những năm 2000, kỹ thuật SPE được ứng dụng chủ yếu cho lĩnh vực phân tích các hợp chất hữu cơ (Bảng 1). Trong đĩ, kỹ thuật SPE được sử dụng để tách và làm giàu dư lượng thuốc trừ sâu, các chất hoạt động bề mặt, các hydrocarbon thơm mạch vịng khĩ phân huỷ (Polycyclic aromatic hydrocarbons – PAHs),… trong các loại mẫu nước. 5.2. Ứng dụng kỹ thuật chiết pha rắn trong phân tích chất vơ cơ Ngày nay, kỹ thuật SPE đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi để làm giàu và tách các ion kim loại trong mơi trường (bảng 2). Cĩ 3 phương pháp tách và làm giàu các ion kim loại thường được sử dụng khi sử dụng kỹ thuật SPE. Cụ thể là. 5.2.1. Phương pháp trao đổi ion Nguyên tắc của phương pháp là sự thay thế các anion hay cation kim loại trong dung dịch mẫu với anion (OH-,…) hay cation (H+, NH4+,…) trên vật liệu hấp phụ. Chẳng hạn như, ion kim loại cĩ thể trao đổi với các ion H+ hay NH4+ trên nhựa trao đổi cation axit mạnh hay các hợp chất phức kim loại mang điện tích âm, như hợp chất phức kim loại với clorua, florua... cĩ thể trao đổi với ion OH- của nhựa trao đổi anion và được lưu giữ trên nhựa. Dựa vào những tính chất đĩ người ta cĩ thể vừa làm giàu vừa tách chúng ra khỏi một số ion cản trở khác. Ngồi ra, theo phương pháp này cĩ thể rửa giải chọn lọc các ion kim loại bằng các tác nhân tạo phức hữu cơ hoặc vơ cơ. Chẳng hạn như, để tách riêng các ion CoII, FeIII và NiII ra khỏi dung dịch mẫu, người ta thường cho dung dịch chứa đồng thời 3 ion qua cột trao đổi anion ở mơi trường HCl 10 - 12 M, CoII và FeIII bị giữ lại trên nhựa trao đổi anion dưới dạng CoCl42- và FeCl4-; NiII khơng tạo phức âm nên đi ra khỏi cột. Sau đĩ dùng dung dịch HCl lỗng để rửa giải FeIII và dung dịch HCl 4 M để rửa giải CoII. Một trong những ứng dụng rộng rãi của phương pháp trao đổi ion là: Làm mềm nước cứng. Nước cất khơng ion. Bảng 1. Một số ứng dụng của SPE trong phân tích các hợp chất hữu cơ Loại cột SPE Cơ chế Ứng dụng trong việc tách và làm giàu C8, C18 Pha đảo Thuốc, dược phẩm trong nước tiểu; Các axit hữu cơ trong rượu; Thuốc trừ sâu trong nước; Các peptide trong huyết thanh và nước tiểu Than hoạt tính và các nhựa polyme Pha đảo Làm giàu lượng vết thuốc trừ sâu trong nước; Tách các dạng chuyển hố, đồng phân của thuốc, dược phẩm phân cực. Silica Pha thường, pha trung hồ, phân cực Tách các dạng phân cực (từ thấp đến trung bình) ra khỏi dung mơi khơng nước; Làm sạch dư lượng thuốc trừ sâu từ mẫu chiết đất, thực vật…; Loại bỏ các vitamin béo tan. Florisit Pha thường, pha bazơ phân cực nhẹ Tách các dạng phân cực (từ thấp đến trung bình) ra khỏi dung mơi khơng nước; Tách thuốc trừ sâu trong thực phẩm; Làm sạch dư lượng thuốc trừ sâu từ mẫu chiết đất, thực vật… Alumina A Pha thường Tách các dạng ưa nước trong dung mơi khơng nước; Tách các chất trao đổi cation yếu. Nhựa trao đổi cation Trao đổi cation Tách các chất định phân cation trong dung mơi nước hoặc khơng nước; Phân chia các protein và enzim cĩ tính bazơ yếu. Nhựa trao đổi anion Trao đổi anion Tách các chất định phân anion trong dung mơi nước hoặc khơng nước; Loại bỏ các chất màu axit trong rượu, nước hoa quả, các dịch chiết từ thực phẩm. C8- trao đổi cation Hỗn hợp pha đảo và trao đổi ion Tách các loại dược phẩm cĩ tính bazơ và lưỡng tính ra khỏi huyết thanh, huyết tương và nước tiểu. Các amonipropyl Pha thường, pha đảo và trao đổi cation yếu Các chất trao đổi anion yếu; Các loại dược phẩm và dạng chuyển hố của nĩ trong dịch thể; Phân chia dầu mỏ; Các phenol và chất màu thực vật. Các cyanopropyl, CN-, diol, OH- Pha thường, pha đảo Các chất định phân trong dung dịch nước và dung mơi hữu cơ; Dược phẩm và các dạng chuyển hố. Bảng 2. Các ứng dụng của kỹ thuật SPE để làm giàu lượng vết kim loại Vật liệu hấp phụ Nguyên tố phân tích Đối tượng phân tích Phương pháp xác định Nhựa vịng càng Chelex-100 và Muromac A1 HgII, AsIII Nước ngầm, nước thải, nước biển AAS Silica gel C18 CdII, PbII Máu ET-AAS Phenylpiperazine dithiocarbamate MnII, CuII, CdII, PbII Nước mặt, Mẫu hỗn hợp F-AAS Manganese-diethyldithiocarbamate (Mn(DDTC)2) CdII, ZnII Phân bĩn F-AAS 3-Aminopropyltriethoxysilane CuII, CdII Nước biển F-AAS Polypropylene CdII Nước sơng, nước máy và nước uống đĩng chai ET-AAS Amberlit XAD-2 CdII, CoII, NiII Thức ăn F-AAS N,N’-bis(salicylidene)phenylene-1,3-diamine CdII, CuII, ZnII, NiII Nước tự nhiên F-AAS Co(III)hexamethylene dithiocarbamate (Co(HMDTC)3) CdII Nước tự nhiên AAS Salicylaldoxime-immobilized silica gel CuII, NiII, CoII, ZnII Sữa, vitamin, tĩc, thép,… UV-VIS 3-Aminopropyltriethoxysilane CuII, CdII, CrIII Nước biển GF-AAS Chelamine resin CuII, PbII, CdII, HgII Nước biển F-AAS 5.2.2. Chiết các hợp chất phức kim loại với thuốc thử hữu cơ Nguyên tắc của phương pháp là sử dụng thuốc thử hữu cơ thích hợp cĩ thể tạo phức với chất phân tích và phức tạo thành cĩ thể được giữ lại trên vật liệu hấp phụ khi cho mẫu qua cột. Theo phương pháp này, cĩ thể tiến hành theo hai cách như sau: - Thêm thuốc thử thích hợp vào dung dịch mẫu phân tích để tạo các phức liên hợp ion hay các phức trung hồ điện. Sau đĩ, cho dung dịch chảy qua các cột SPE. - Tiến hành hoạt hĩa vật liệu hấp phụ bằng tác nhân tạo phức. Nghĩa là, tác nhân tạo phức được hấp phụ trước lên vật liệu. Tiếp theo, cho mẫu cĩ chứa chất phân tích qua cột. Các ion kim loại sẽ tiếp xúc với thuốc thử và tạo phức trên bề mặt pha rắn. Vì vậy, với cách tiến hành này, trong quá trình phân tích cần phải lựa chọn thuốc thử sao cho phù hợp với loại ion cần nghiên cứu và tránh được sự ảnh hưởng của các ion kim loại phổ biến như NaI, CaII, MgII, … và các ion cản trở. 5.2.3. Ứng dụng các loại nhựa vịng càng Nguyên tắc của phương pháp là các ion kim loại sẽ bị giữ lại bởi các nhĩm chức tạo vịng càng trên các tiểu phần pha rắn (nhựa vịng càng) trong khi các ion khác đi ra khỏi cột cùng mơi trường mẫu. Sau đĩ, cho dung dịch axit hoặc tác nhân tạo phức khác (dung dịch rửa giải) cĩ nồng độ thích hợp đi qua để phá vỡ phức vịng càng giữa ion kim loại và nhĩm chức trên pha rắn. Một số dạng nhựa vịng càng thương mại thường được sử dụng như: a. Nhựa cĩ nhĩm chức IminoDiacetic Acid Loại nhựa cĩ chứa nhĩm chức IminoDiacetic Acid (IDA) được sử dụng phổ biến với tên thương phẩm như: Dowex A-1, Chelex 100, Muromac A1,… Chúng đều cĩ cấu trúc chung là cĩ nhĩm IDA. Cấu tạo của nhĩm IDA như sau: Nhĩm chức IDA liên kết được với nhiều kim loại thơng qua nguyên tử nitơ và hai nhĩm carboxyl. Hiện nay, đã cĩ nhiều cơng trình nghiên cứu sử dụng các loại nhựa này để tách và làm giàu lượng vết các nguyên tố kim loại trong mơi trường. Các dạng tồn tại khác nhau của nhựa Chelex 100 được xác định qua cân bằng (1). Dựa vào các dạng tồn tại, cĩ thể giải thích cơ chế hình thành phức ở các giá trị pH khác nhau giữa các ion kim loại với nhĩm chức IDA. (1) Đối với các loại nhựa vịng càng, quá trình hấp phụ chất phân tích lên nhựa là quá trình tạo phức vịng càng của chất phân tích với nhĩm chức IDA và bị giữ lại trên cột khi cho mẫu qua cột. Sau đĩ, khi dùng mơi trường axit để rửa giải, axit sẽ bẻ gãy liên kết vịng càng và giải phĩng ion kim loại. Vì vậy, trong quá trình mẫu tiếp xúc với nhựa khi qua cột, pH của dung dịch mẫu phải được điều chỉnh thích hợp với mỗi chất hoặc nhĩm chất phân tích. Mặt khác, để thuận lợi cho quá trình hấp phụ chất phân tích, nhĩm chức IDA thường phải được chuyển từ dạng H+ sang dạng NH4+. Dung dịch đệm NH4CH3COO 1 M (pH = 4,5 ÷ 5,5) là thích hợp nhất để chuyển dạng nhựa và điều chỉnh pH của mẫu khi cho mẫu qua cột. Cơ chế của việc hình thành phức cĩ thể được giải thích qua ví dụ phản ứng giữa ion CuII và Dowex-100 được mơ tả như phương trình (2) + 3 H2O (2) + Cu(H2O)52+ « (cấu trúc bát diện) Dạng tổng quát của phức giữa kim loại với nhĩm chức IDA: (n: số phối tử cực đại của ion kim loại) Với dạng tổng quát, cấu trúc của phức giữa ion kim loại và nhĩm chức cĩ dạng bát diện. Loại nhựa này chủ yếu dùng để tách và làm giàu các cation kim loại. Sau đây là một ví dụ tổng hợp một loại nhựa cĩ chứa nhĩm IDA. b. Nhựa biến tính với các nhĩm chức khác nhau Các loại nhựa kiểu này được tổng hợp bằng cách gắn các nhĩm chức khác nhau lên cấu trúc của vật liệu hấp phụ. Chẳng hạn như: - Nhựa hydroxamic axit được tổng hợp bằng cách gắn nhĩm chức hydroxamic axit vào vịng benzen trong các hạt nhựa XAD-4. Cơng thức cấu tạo của hạt nhựa cĩ thể biểu diễn như sau: - Đối với nhựa vịng càng cĩ chứa nhĩm thiol (—SH) dễ tạo phức với ion AgI, HgII, PbII là các ion kim loại cĩ ái lực đối với lưu huỳnh. Điển hình trong số các loại nhựa này là các loại nhựa cĩ chứa nhĩm thioglycolate (—OCOCH2S) gắn vào vịng benzen của nhựa XAD-4. - Các chất trao đổi ion cellulose phosphate: chứa nhĩm chức phosphonate [—PO(OH)2] hay [—OPO(OH)2] tạo phức rất bền đối với một số kim loại, phổ biến nhất là Cellulose Phosphate P-11 (Whatman). Các ion UVI, ThIV tạo phức rất bền với cellulose phosphate ngay cả trong mơi trường axit rất mạnh. Các nguyên tố đất hiếm cũng bị hấp phụ mạnh trên loại cột này. - Nhựa polyvinylacetonyl cetone thường dùng để tách và làm giàu CuII và UO2II. Loại nhựa này được tổng hợp qua phản ứng sau: Ngồi các kiểu biến tính vật liệu hấp phụ như được trình bày cịn nhiều cách biến tính khác để tách và làm giàu các ion kim loại ở hai dạng cation hoặc anion. Chẳng hạn như: Nhựa Amberlite 400 dạng thiocyanat, clorua; hoặc các loại nhựa biến tính với các thuốc thử tạo phức với các ion kim loại như: 8-hydroxyquinol; a-nitroso-b-naphthol; 1-(2-pyridilazo)-2-naphtol; 3,4-dihydroxybenzoic acid; pyrocatechol,… Chính vì vậy, việc biến tính nhựa bằng các nhĩm chức khác nhau là một hướng rất đáng quan tâm để cĩ thể xác định được dạng tồn tại của ion kim loại. Tĩm lại, với các tính ưu việt và các loại vật liệu hấp phụ đa tính năng, kỹ thuật chiết pha rắn là một trong các kỹ thuật tách và làm giàu chất phất tích trong các mẫu mơi trường rất cĩ nhiều triển vọng và cĩ tính khả thi trong việc xác định siêu vết hoặc nhỏ hơn các chất hữu cơ và các chất vơ cơ. 5.3. Mợt sớ ứng dụng chiết pha rắn trong thực tế.[4],[5],[6],[7] 1) Nghiên cứu xác định mợt sớ hợp chất clo trong mặt nước và đất trên địa bàn thành phớ Đà Nẵng( Tạp chí khoa học cơng nghệ –Đà Nẵng). Trong đề tài tác giả dùng cợt chiết C18. Kết quả như sau: Kết quả tính tốn giới hạn phát hiện của phương pháp (ĐVT ppb) Chỉ tiêu Lindan Aldrin DDE Dieldrin DDT S/N 1161 853 315 171 202 LOD 10ppb 15ppb 42ppb 70ppb 70ppb MDL 0,01ppb 10ng/l 0,015 ppb 15ng/l 0,042ppb 42ng/l 0,08ppb 80ng/l 0,07ppb 70ng/l Giới hạn phát hiện thấp nhất của phương pháp trong 5 chất trên đều nhỏ hơn 0,08ppb, tương đương với 0,08µg/l, Tác giả kết luận; − Tăng giới hạn phát hiện hàm lượng các chất trong mẫu đến mức µg/lít, µg/Kg (ppb), thậm chí đến mức ng/lít. − Đã loại trừ được việc định danh nhầm do sự trùng lặp về thời gian lưu nhờ sử dụng detector khối phổ. 2) Xác định lượng dư carbamat trong mẫu rau , mẫu gừng. Do các tác giả Nguyễn Văn liêm , Tơ thị Hiền thực hiện với kết quả như sau: Chất phân tích S N S/N LOD (ppb) LOQ (ppb) Aldicard Sulfoxide 413 7 59 0.51 1.69 Adicarb sulfone 337 16 21 1.43 4.76 Oxamyl 255 17 15 2.00 6.67 Methomyl 419 10 42 0.71 2.38 3-Hydroxy Carbofuran 284 18 16 1.88 6.25 Aldicarb 267 10 27 1.11 3.70 Popoxur 247 12 21 1.43 4.76 Carbofuran 208 14 15 2.00 6.67 Sevin (carbaryl) 186 17 11 2.73 9.09 Methiocarb 109 19 6 5 - Tác giả kết luận: . Giới hạn phát hiện với mỗi chất khác nhau khoảng vài chục ppb trên mẫu thật Aldicard Sulfoxide 19.7 ppb; Adicarb sulfone 17.4 ppb; Oxamyl 23.5 ppb; Methomyl 29.8 ppb; 3-Hydroxy carbofuran 35.8 ppb; Aldicarb 24.0 ppb; Propoxur 23.1 ppb; Carbofuran 31.3 ppb; Sevin (carbaryl) 42.0 ppb; Methiocarb 46.9 ppb. Ứng với quy trình làm giàu mẫu, ta cĩ thể phân tích mẫu ở hàm lượng vài ppb. Tất cả các chất trên đều cĩ giới hạn định lượng thấp hơn quy định cho phép của Việt Nam, Nhật, Mỹ 3) Ứng dụng chiết pha rắn để tách, làm giàu xác định lượng vết thủy ngân và asen (Tác giả Đỡ Quang Trung). 1. Trong đề tài tác giả hệ 2 cợt nhựa vòng càng Chelex-100 và nhựa trao đởi cation axit mạnh Amberlite IR-120 để làm giàu lượng vết Hg và As kết quả như sau: 4).Phương pháp vi chiết pha rắn (SPME) trong phân tích hữu cơ do các tác giả Nguyễn Đức Huệ, Trần Mạnh Trí, Nguyễn Anh Tuấn . Trong đề tài này các tác giả thực hiện trên mợt sớ đới tượng với kế quả như sau: Phụ lục 1 . Cơng dụng mợt sớ loại cợt Phụ lục 2. Sơ đờ lựa chọn cợt phân tích TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Luận Giáo trình mơi trường và quan trắc mơi trường Đại học khoa học tự nhiên Đại học quớc gia Hà Nợi Phạm Luận Giáo trình hướng dẫn về những vấn đề cơ sở của các kỹ thuật xử lý mẫu phân tích Đại học khoa học tự nhiên Đại học quớc gia Hà Nợi. Nguyễn Hải Phong Kỹ thuật chiết pha rắn và ứng dụng Đại học quốc gia Hà Nội. Nguyễn Đức Huệ , Trần Mạnh Trí và cộng sự Phương pháp vi chiết pha rắn trong phân tích chất hữu cơ tuyển tập báo cáo khoa học. Đỗ Quang Trung Ứng dụng kỹ thuật chiết pha rắn để làm giàu và xác định lượng vết thủy ngân và asen trong nước.Trích yếu luận án tiến sỹ Nguyễn Văn Liêm, Nguyễn Văn Đơng, Tơ Thị Hiền . Xác định lượng dư carbamate trong mẫu rau , gừng và mẫu nước. Science & Technology Development, Vol 12, No.09 – 2009. Guide to Solid Phase Extraction Sigma-Aldrich Co 1998