Phân tích các cation trong mẫu nước và ứng dụng trong quan trắc chất lượng nước mặt

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

-------------------

Nguyễn Duy Chiến

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN QUY TRÌNH PHÂN TÍCH CÁC CATION TRONG MẪU NƯỚC VÀ ỨNG DỤNG

TRONG QUAN TRẮC CHẤT LƯỢNG NƯỚC MẶT SỬ DỤNG HỆ THIẾT BỊ ĐIỆN DI MAO QUẢN THEO NGUYÊN LÝ

BƠM MẪU TUẦN TỰ (SIA)

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2013

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

-------------------


NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN QUY TRÌNH PHÂN TÍCH CÁC CATION TRONG MẪU NƯỚC VÀ ỨNG DỤNG

TRONG QUAN TRẮC CHẤT LƯỢNG NƯỚC MẶT SỬ DỤNG HỆ THIẾT BỊ ĐIỆN DI MAO QUẢN THEO NGUYÊN LÝ

BƠM MẪU TUẦN TỰ (SIA)

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 – Năm 2013

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 tôi

trong suốt quá trình tôi 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 em trong quá trình sử dụng

các hệ thiết biết điện di mao quản và đưa ra những giải thích đúng đắn khi em gặp

khó khăn trong quá trình thực hiện luận văn.

Em cũng xin chân thành cảm ơn các cán bộ trong Trung tâm Nghiên cứu Môi

trường và Phát triển Bền vững – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, đặc biệt là TS.

Dương Hồng Anh và các anh chị em 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 cũng 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 cực kì quý giá trong suốt hai năm

học qua. Đó là nền tảng để em thực hiện luận văn này.

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn luôn bên cạnh động

viên, giúp đỡ em khi em đi học.


MỤC LỤC

MỤC LỤC .............................................................................................................. 4

DANH MỤC HÌNH ................................................................................................ 7

DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... 9

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................... 10

MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1

Chương 1 - TỔNG QUAN ...................................................................................... 2

1.1. Nước và các phương pháp đánh giá chất lượng nước ........................ 2

1.1.1. Vai trò của nước đối với đời sống ............................................ 2

1.1.2. Hiện trạng tài nguyên nước ...................................................... 2

1.1.3. Các phương pháp phân tích cation trong nước .......................... 3

1.2. Phương pháp điện di mao quản [5, 6] ............................................... 6

1.2.1. Nguyên tắc tách chất trong phương pháp điện di mao quản ...... 7

1.2.2. Độ điện di, tốc độ điện di và thời gian điện di .......................... 8

1.2.3. Hiệu ứng nhiệt Jun ................................................................... 9

1.2.4. Mao quản trong phương pháp điện di ..................................... 10

1.2.5. Lớp điện tích kép trên thành mao quản và dòng điện di thẩm thấu

trong phương pháp điện di mao quản ................................................. 11

1.2.6. Độ phân giải trong phương pháp điện di mao quản ................ 16

1.2.7. Detector thông dụng trong phương pháp điện di mao quản ..... 17

Chương 2 - MỤC TIÊU – NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ......................................... 21

2.1. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................... 21

2.2. Nội dung nghiên cứu ...................................................................... 21

2.3. Trang thiết bị - hóa chất .................................................................. 21

2.3.1. Trang thiết bị, dụng cụ ........................................................... 21

2.3.2. Hóa chất ................................................................................. 22

2.3.3. Chuẩn bị các dung dịch chuẩn và hóa chất thí nghiệm ............ 23

2.4. Lấy mẫu và phương pháp phân tích các mẫu đối chứng .................. 23

2.4.1. Lấy mẫu ................................................................................. 23

2.4.2. Phương pháp phân tích các mẫu đối chứng............................. 24

2.5. Các thông số đánh giá phương pháp phân tích ................................ 25

2.5.1. Giới hạn phát hiện - giới hạn định lượng ................................ 25

2.5.2. Khoảng tuyến tính .................................................................. 25

2.5.3. Độ chính xác .......................................................................... 25

2.5.4. Độ lặp lại ............................................................................... 26

Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 27

3.1. Khảo sát các điều kiện tối ưu các cation ......................................... 27

3.1.1. Khảo sát các điều kiện tối ưu phân tích đồng thời các cation:

NH4+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+ bằng phương pháp điện di mao quản

sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc kết nối kiểu tụ điện (CE-C4D)

trên hệ điện di bằng tay ...................................................................... 27

3.1.2. Khảo sát các điều kiện tối ưu phân tích đồng thời các cation:

NH4+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+ trên hệ SIA-CE-C4D....................... 34

3.1.3. Kết luận chung ....................................................................... 47

3.2. Thẩm định phương pháp nghiên cứu ............................................... 47

3.2.1. Đường chuẩn phân tích các cation .......................................... 47

3.2.2. Độ lặp lại ............................................................................... 48

3.2.3. Độ chính xác .......................................................................... 49

3.2.4. Độ đúng ................................................................................. 50

3.2.5. So sánh phương pháp nghiên cứu với các phương pháp tiêu

chuẩn trong việc phân tích các cation: NH4+ , Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+

trong mẫu nước mặt ........................................................................... 51

3.3. Áp dụng quan trắc chất lượng nước mặt ......................................... 53

3.3.1. Biến thiên nồng độ các cation theo thời gian .......................... 53

3.3.2. So sánh kết quả phân tích với các kết quả thu được từ các phương

pháp tiêu chuẩn .................................................................................. 57

KẾT LUẬN ........................................................................................................... 62

ĐỀ XUẤT CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ....................................... 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 64

DANH MỤC HÌNH

Hình 1. Sơ đồ hệ thiết bị điện di mao quản .............................................................. 7

Hình 2. Ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt Jun đến hình dạng pic ............................... 10

Hình 3. Cấu tạo mao quản silic nóng chảy ............................................................. 11

Hình 4. Lớp điện tích kép trên bề mặt mao quản .................................................... 12

Hình 5. Hình dạng dòng chảy trong CE và HPLC .................................................. 14

Hình 6. Ảnh hưởng của dòng EOF đến tốc độ của các ion trong quá trình điện di.. 14

Hình 7. Sơ đồ cấu tạo detector độ dẫn không tiếp xúc kết nối theo kiểu tụ điện ..... 19

Hình 8. Giản đồ điện khi phân tách các anion NH4+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+ sử

dụng các hệ đệm khác nhau ................................................................................... 28

Hình 9. Giản đồ điện di khi phân tách các cation NH4+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+

nồng độ 100µM sử dụng đệm His/ace có nồng độ 18-crown-6 khác nhau. ............. 30

Hình 10. Sự phụ thuộc của diện tích pic vào nồng độ 18-crown-6 ......................... 31

Hình 11. Giản đồ điện phân tách đồng thời các cation cơ bản ở các nồng độ đệm khác

nhau ...................................................................................................................... 33

Hình 12. Độ phân giải giữa các pic phụ thuộc vào nồng độ đệm ............................ 34

Hình 13. Sơ đồ biểu diễn các bước phân tích trên hệ SIA-CE-C4D ........................ 35

Hình 14. Sơ đồ biểu diễn quá trình đẩy mẫu vào mao quản ................................... 35

Hình 15. Giản đồ điện di khảo sát sự ảnh hưởng của thể tích bơm mẫu đến sự phân

tách các pic; pha động điện di: histidine 12mM, 18-crown-6 2mM thêm axit axetic

đến pH 4,0; tốc độ đẩy mẫu: SP 15; vị trí van chia dòng: 16/50 vòng thứ nhất; điện

thế tách: -15kV. ..................................................................................................... 37

Hình 16. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của diện tích pic vào thể tích bơm mẫu .... 38

Hình 17. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ phân giải giữa các pic vào thể tích bơm

mẫu ....................................................................................................................... 38

Hình 18. Giản đồ điện di khảo sát sự ảnh hưởng của tốc độ đẩy mẫu đến sự phân giải

các pic; pha động điện di: histidine 12mM, 18-crown-6 2mM thêm axit axetic đến pH

4,0; thể tích bơm mẫu 100µL; vị trí van chia dòng: 16/50 vòng thứ nhất; điện thế tách:

-15kV. ................................................................................................................... 40

Hình 19. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của diện tích pic vào tốc độ đẩy mẫu ........ 41

Hình 20. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ phân giải vào tốc độ đẩy mẫu ........ 41

Hình 21. Cấu tạo của van chia dòng....................................................................... 42

Hình 22. Giản đồ điện di khảo sát ảnh hưởng của vị trí van chia dòng đến sự phân

tách các pic; pha động điện di: histidine 12mM, 18-crown-6 2mM thêm axit axetic

đến pH 4,0; thể tích bơm mẫu 100µL; tốc độ đẩy mẫu: SP 16; điện thế tách: -15kV.

.............................................................................................................................. 43

Hình 23. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của diện tích pic vào vị trí van chia dòng . 44

Hình 24. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ phân giải giữa các pic vào vị trí van

chia dòng ............................................................................................................... 44

Hình 25. Giản đồ điện di khảo sát sự ảnh hưởng của điện thế tách đên sự phân tách

các pic; pha động điện di: histidine 12mM, 18-crown-6 2mM thêm axit axetic đến pH

4,0; thể tích bơm mẫu 100µL; tốc độ đẩy mẫu: SP 16 vị trí van chia dòng: 22/50 vòng

thứ nhất. ................................................................................................................ 45

Hình 26. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của diện tích pic vào điện thế tách ............ 46

Hình 27. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuôc của độ phân giải giữa các pic vào điện thế

tách........................................................................................................................ 46

Hình 28. Giản đồ điện di quan trắc các cation trong một số mẫu nước mặt ............ 54

Hình 29. Sự biến đổi nồng độ của các cation trong nước theo thời gian ................. 56

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1. Các cơ chế tách khác nhau trong CE ........................................................... 7

Bảng 2. Một số phương pháp điều chỉnh EOF ....................................................... 15

Bảng 3. Nồng độ các dung dịch đệm khảo sát ........................................................ 32

Bảng 4. Mã tốc độ đẩy mẫu (SP) của bơm Teacan ................................................. 39

Bảng 5. Đường chuẩn phân tích các cation ............................................................ 47

Bảng 6. Đánh giá độ lặp lại.................................................................................... 48

Bảng 7. Độ chụm thực hiện với mẫu HN1 ............................................................. 49

Bảng 8. Hiệu suất thu hồi của các cation. ............................................................... 50

Bảng 9. Các kết quả phân tích nồng độ các cation trong một số mẫu nước mặt bằng

phương pháp SIA-CE-C4D và các phương pháp tiêu chuẩn ................................... 52

Bảng 10. Giá trị t tính khi so sánh kết quả phân tích các cation trong nước bằng phương

pháp SIA-CE-C4D và phương pháp tiêu chuẩn ...................................................... 53

Bảng 11. Nồng độ các cation trong các mẫu so sánh giữa phương pháp SIA-CE-C4D

với phương pháp AAS, AES và phương pháp UV-Vis .......................................... 59

Bảng 12. Nồng độ các cation trong các mẫu so sánh giữa phương pháp SIA-CE-C4D

với phương pháp AAS, AES và phương pháp UV-Vis .......................................... 60

Bảng 13. Giá trị t tính khi so sánh kết quả phân tích các cation trong nước bằng phương

pháp SIA-CE-C4D và phương pháp tiêu chuẩn ...................................................... 61

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AAS: Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử

AES Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử

ICP Plasma cao tần cảm ứng

SIA Bơm mẫu tuần tự tự động

C4D: Detector độ dẫn không tiếp xúc kết nối kiểu tụ điên

(capatively coupled contactless conductivity detection)

CE: Điện di mao quản (capillary electrophoresis)

CV: Hệ số biến thiên (coefficient variation)

CZE: Điện di mao quản vùng (capillary electrophoresis zone)

EOF: Dòng điện di thẩm thấu (electroosmotic flow)

HIS: Histidine

TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam

LOD: Giới hạn phát hiện (limits of detection)

LOQ: Giới hạn định lượng (limits of quantity)

MES: Axit 2-(N-morpholino)ethanesulfonic

MOSP: Axit 3-(N-morpholino)propanesulfonic

RSD: Độ lệch chuẩn tương đối (relative standard deviation)

SD: Độ lệch chuẩn (Standard deviation)

TRIS: Tris(hydroxymethyl)aminomethane

UV – Vis: Quang phổ hấp thụ vùng tử ngoại và khả kiến

ζ: Thế của lớp điện tích kép

CETASD Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển

Bền vững

SP Mã tốc độ đẩy mẫu

VP Vị trí van chia dòng

VS Thể tích bơm mẫu

EC Độ dẫn

HPLC Sắc kí lỏng hiệu năng cao

IC Sắc kí ion

MỞ ĐẦU

Ô nhiễm nước trong những năm gần đây là một vấn đề đang nhận được nhiều

sự quan tâm của các nhà khoa học ở Việt Nam và thế giới. Các kết quả điều tra cho

thấy, thực trạng ô nhiễm nước ở nước ta rất đáng báo động, đặc biệt ở những lưu vực

sông gần các thành phố lớn như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh . Trong khi đó, hầu

hết người dân vẫn sinh hoạt và sản xuất dựa trên những nguồn nước này. Điều này

làm ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và chất lượng cuộc sống của mỗi người dân.

Do vậy, những đánh giá liên tục, kịp thời về mức độ ô nhiễm của các lưu vực sông là

thật sự cần thiết để từ đó đưa ra các giải pháp khắc phục, xử lý. Do đó, phát triển các

phương pháp phân tích mới cho phép đánh giá chất lượng nước nhanh và hiệu quả

đang và sẽ tiếp tục được nghiên cứu.

Đề tài: “Nghiên cứu phát triển quy trình phân tích các cation trong mẫu nước

và ứng dụng trong quan trắc chất lượng nước mặt sử dụng hệ thiết bị điện di mao

quản theo nguyên lý bơm mẫu tuần tự (SIA)” được thực hiện để đáp ứng nhu cầu

trên. Sau khi quy trình phân tích các cation trong mẫu nước được tối ưu hóa, hệ thiết

bị điện di mao quản theo nguyên lý bơm mẫu tuần tự sử dụng detector độ dẫn không

tiếp xúc kết nối kiểu tụ điện được đem đi quan trắc tại trạm quan trắc cầu Đọ Xá,

thành phố Phủ Lý, tỉnh Hà Nam. Kết quả của nghiên cứu đã cho thấy khả năng áp

dụng của phương pháp trong phân tích chất lượng nước theo các Quy chuẩn Kỹ thuật

Quốc gia chứng minh khả năng ứng dụng của phương pháp trong việc đánh giá chất

lượng nước ở Việt Nam.

1

Chương 1 - TỔNG QUAN

1.1. Nước và các phương pháp đánh giá chất lượng nước

1.1.1. Vai trò của nước đối với đời sống

Nước ngọt được đánh giá: “Như dòng máu nuôi cơ thể con người, dưới một

danh từ là máu sinh học của trái đất, do vậy nước quý hơn vàng” (Pire Fruhling).

Nước là một hợp chất liên quan trực tiếp và rộng rãi đến sự sống trên Trái Đất,

là cơ sở của sự sống đối với mọi sinh vật. Đối với thế giới vô sinh, nước là một thành

phần tham gia rộng rãi vào các phản ứng hóa học, là một dung môi và là môi trường

cung cấp các điều kiện để thúc đẩy hay kìm hãm các quá trình hóa học.

Đối với con người, nước rất cần thiết cho hoạt động sống. Con người có thể

không ăn trong nhiều ngày mà vẫn sống nhưng sẽ chết chỉ sau ít ngày nhịn khát, vì

cơ thể người có khoảng 65 ÷ 68% nước, nếu mất 12% nước cơ thể có thể bị hôn mê

hoặc chết. [2]

Nhu cầu nước cho sản xuất công nghiệp và nhất là nông nghiệp rất lớn. Để

khai thác một tấn dầu mỏ cần 10m3 nước, muốn tạo ra một nhà máy nhiệt điện hiện

đại 1 triệu kW cần tới 1,2 ÷ 1,6 tỉ m3 nước trong một năm. [2]

Tuy nước có vai trò quan trọng không thể thiếu được cho sự sống tồn tại trên

trái đất, là máu sinh học của Trái Đất nhưng nước khi không đảm bảo chất lượng

cũng là nguồn gây tử vong cho con người. Vì vậy, chúng ta cần có những biện pháp

để bảo vệ và sử dụng hợp lý tài nguyên nước.

1.1.2. Hiện trạng tài nguyên nước

Trái Đất có khoảng 361 triệu km2 diện tích các đại dương. Trữ lượng tài

nguyên nước có khoảng 1,5 tỉ km3, trong đó nước nội địa chiếm 91 triệu km3 (6,1%),

còn 93,9% là nước biển và đại dương. Tài nguyên nước ngọt chiếm 28,25 triệu km3

2

(1,88% thủy quyển) nhưng phần lớn ở dạng đóng băng ở hai cực Trái Đất. Lượng

nước thực tế con người có thể sử dụng được là 4,2 triệu km3 (0,28% thủy quyển) [2].

Tuy nhiên, do tác động của sự bùng nổ dân số và phát triển kinh tế kém bền

vững đã làm cho tài nguyên nước ngày càng suy thoái. Đối với một nước đang phát

triển như Việt Nam thì thực trạng này càng trở nên đáng báo động. Một số lưu vực

sông như sông Nhuệ, sông Đáy, sông Cầu ở Hà Nội, sông Đồng Nai, sông Sài Gòn ở

Thành phố Hồ Chí Minh đang bị ô nhiễm nặng do chất thải nước sinh hoạt và chất

thải của các khu công nghiệp [3].

1.1.3. Các phương pháp phân tích cation trong nước

Nồng độ các cation trong nước là một trong các tiêu chí quan trọng đánh giá

chất lượng nước. Sau đây là một số phương pháp phân tích các cation trong nước.

1.1.3.1. Các phương pháp xác định riêng rẽ các cation trong nước [28]

Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis

Nguyên tắc của phương pháp là dựa trên sự tạo phức màu của chất phân tích với

thuốc thử nhất định. Đo sự hấp thụ ánh sáng của phức thu được tại λ max từ đó tính

được nồng độ của chất phân tích có trong mẫu. Phương pháp quang phổ hấp thụ phân

tử UV-vis có khả năng phân tích được nhiều cation trong nước, trong đó có cation

amoni đến nay phương pháp vẫn tỏ ra ưu việt. Để phân tích amoni có nhiều thuốc thử

có thể tạo thành phức màu: thuốc thử Nessler, xanh indophenol...Trong đó, thuốc thử

xanh indophenol và nitroferricianide tạo thành hỗn hợp phức có màu xanh với cation

amoni có cực đại hấp thụ ở 630nm với giới hạn phát hiện là: 0,002mg_N/L. Tuy

nhiên, quá trình tạo phức đôi khi mất khá nhiều thời gian, tiêu tốn nhiều hóa chất.

Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS

3

Nguyên tắc của phương pháp: các chất phân tích sau khi nguyên tử hóa được

kích thích bởi một năng lượng thích hợp (ánh sáng đơn sắc) sẽ chuyển lên mức năng

lượng cao hơn và sinh ra phổ hấp thụ nguyên tử. Phương pháp này thích hợp cho việc

phân tích các cation Mg2+, Ca2+, Ba2+ hấp thụ bước sóng cực đại lần lượt là: 285,3;

422,7; 553,6nm với giới hạn phát hiện rất tốt: ≤ 0,03mg/L. Phương pháp này cho độ

chính xác cao, độ lặp lại tốt, tuy nhiên hạn chế là: hệ thiết bị đắt tiền, cồng kềnh, chi

phí cho mỗi lần phân tích lớn, ngoài ra hệ thiết bị chỉ có khả năng phân tích trong

phòng thí nghiệm.

Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử AES

Nguyên tắc của phương pháp: các chất phân tích sau khi nguyên tử hóa được

kích thích bởi một năng lượng thích hợp (ánh sáng đơn sắc) sẽ chuyển lên mức năng

lượng cao hơn, sau đó phát ra các tia xạ, từ đó sinh ra phổ phát xạ nguyên tử. Phương

pháp này thích hợp cho việc phân tích các cation Na+, K+ trong nước. Các cation này

sau khi nguyên tử hóa sẽ hấp thụ năng lượng thích hợp và phát ra các tia phát xạ có

bước sóng cực đại lần lượt là: 589; 766,6nm với giới hạn phát hiện 0,002mg/L. Tuy

nhiên, phương pháp này cũng có hạn chế đó là: hệ thiết bị đắt tiền, cồng kềnh, chi phí

cho mỗi lần phân tích lớn, ngoài ra hệ thiết bị chỉ có khả năng phân tích trong phòng

thí nghiệm.

Tóm lại các phương pháp phân tích trên cho độ chính xác cao, độ lặp lại tốt, tuy

nhiên có hạn chế là không có khả năng phân tích được nhiều chỉ tiêu trong nước, do

đó, để đánh giá được một mẫu nước thì cần phân tích nhiều chỉ tiêu riêng rẽ, tiêu tốn

nhiều thời gian, hóa chất, chi phí mới thu được kết quả cuối cùng. Do vậy cần có

những phương pháp mới có khả năng phân tích được nhiều chỉ tiêu cùng một lúc để

thu được hiệu quả kinh tế cao.

1.1.3.2. Các phương pháp phân tích đồng thời các cation trong nước

Phương pháp sắc khí trao đổi ion:

4

Phương pháp săc kí trao đổi ion đang là một hướng nghiên cứu mới mở ra khả

năng phân tích được nhiều chỉ tiêu cation trong nước trong một lần phân tích [9, 13,

15] với giới hạn phát hiện ≤ 0,02mg/L với các cation NH4+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+ [19].

Tuy nhiên phương pháp có hạn chế đó là khoảng tuyến tính hẹp, khoảng phân tích

phụ thuộc vào cột tách đặc biệt, hệ thiết bị đắt tiền, dùng các dung môi hữu cơ độc

hại.

Phương pháp điện di mao quản:

Phương pháp điện di mao quản trong những năm gần đây đã trở thành một kỹ

thuật tách quan trọng trong nhiều lĩnh vực phân tích [25]. Trong đó phân tích các

cation trong mẫu nước nói chung và các mẫu nước mặt nói riêng nhận được nhiều sự

quan tâm của các nhà hóa học và môi trường. Nguyên tắc hoạt động đơn giản: dựa

trên một nguồn cao thế áp vào hai đầu mao quản, do đó không cần bơm cao áp trong

quá trình hoạt động, cột tách đơn giản, rẻ hơn nhiều so với cột tách của thiết bị IC, có

thể phân tích đồng thời cả cation và anion mà không cần thay cột [16], tiêu tốn ít hóa

chất. Do đó chi phí cho mỗi lần phần tích giảm đi đáng kể.

Các nghiên cứu bằng phương pháp điện di mao quản sử dụng detector UV-Vis

trực tiếp hoặc hoặc gián tiếp đã được nghiên cứu và phát triển để phân tích các cation

trong nước [24, 26]. Tuy nhiên, phương pháp này tương đối hạn chế về đối tượng

phân tích cũng như giới hạn phát hiện do việc sử dụng mao quản có đường kính trong

nhỏ gây khó khăn trong vấn đề chế tạo tế bào dòng chảy và mao quản dễ vỡ khi bỏ

lớp polyme phía ngoài.

Sự kết hợp của phương pháp CE với các phương pháp xác định tiên tiến như

quang phổ phát xạ (ICP OES) và phổ khối (ICP MS) cho phép phân tích lượng vết

một số cation trong mẫu máu thu được giới hạn phát hiện rất nhỏ cỡ µg/L [10, 17].

Tuy nhiên các phương pháp này chỉ thích hợp cho việc phân tích trong phòng thí

nghiệm vì điều kiện bảo quản thiết bị nghiêm ngặt, mặt khác thiết bị khá cồng kềnh

và chi phí đầu tư ban đầu cao.

5

Phương pháp CE rất thích hợp với mục đích phân tích hiện trường và có thể

đặt ở những vị trí có diện tích không lớn lắm vì hệ thiết hệ thiết bị tương đối nhỏ gọn,

tiêu tốn ít hóa chất. Mặt khác hệ thiết bị có khả năng được tiếp tục thu nhỏ và tự động

hóa do không cần bơm cao áp như một số phương pháp khác.

Vấn đề là để thu nhỏ được hệ thiết bị thì phải đồng bộ hóa các bộ phận cấu

tạo, trong đó bộ phận khó nhất là detector. Đối với detector UV thì điều này là không

thể do cấu tạo của detector UV khá phức tạp, một số bộ phận không thể thu nhỏ đươc.

Với ICP OES hay ICP MS là không thể thu nhỏ do các thiết bị này quá cồng kềnh.

Trong những năm gần đây, detector độ dẫn, trong đó nổi bật là detector độ dẫn

không tiếp xúc kết nối kiểu tụ điện (C4D) đang là một hướng nghiên cứu rất có tiềm

năng và triển vọng trong việc thu nhỏ hệ thiết bị phục vụ mục đích phân tích hiện

trường và quan trắc liên tục [18, 21]. Mặt khác, nguyên tắc hoạt động của detector

này dựa trên sự dẫn điện của các chất phân tích, vì vậy, C4D có phổ phân tích rộng,

đặc biệt thích hợp với các đối tượng là ion. Không những thế detector C4D có độ nhạy

rất cao trong phương pháp CE. Loại detector này chế tạo rất đơn giản, dễ dàng làm

chủ công nghệ, khi phân tích không làm bẩn điện cực do đó detector này rất thích hợp

với mao quản trong phương pháp CE.

1.2. Phương pháp điện di mao quản [5, 6]

Điện di mao quản là một phương pháp tách chất dựa trên cơ sở di chuyển khác

nhau của các phần tử chất (chủ yếu là các phần tử tích điện) trong dung dịch đệm

dưới tác dụng của điện trường E nhất định, do thế V đặt vào hai đầu mao quản sinh

ra. Phương pháp tách này được nghiên cứu và phát triển đầu tiên bởi Tiselius (1937),

trên cơ sở nghiên cứu tách và phân tích các hỗn hợp protein, amin, amino axit bằng

kỹ thuật CE thế thấp (110 - 220V), ngày nay được gọi là điện di cổ điển. Sau gần 10

năm, với kết quả nghiên cứu và đề xuất ra kỹ thuật tách này Tiselius đã được nhận

giải thưởng Nobel (1948). Phương pháp này ngày càng được phát triển và ứng dụng

6

trong nhiều ngành khoa học, đặc biệt trong các lĩnh vực y hoc, sinh học, địa chất và

môi trường [6].

1.2.1. Nguyên tắc tách chất trong phương pháp điện di mao quản

Hình 1. Sơ đồ hệ thiết bị điện di mao quản

Tách chất trong điện di mao quản dựa trên nguyên tắc chung của điện di là sự

khác nhau về độ linh động của các thành phần. Các phương pháp điện di mao quản

khác nhau được kể đến trong bảng 1.

Bảng 1. Các cơ chế tách khác nhau trong CE

Kiểu CE Ký hiệu Cơ sở của sự tách CE và các đặc

trưng của nó

Điện di mao quản vùng CZE Sự điện di của dung dịch tự do theo

vùng mẫu

Sắc ký mao quản điện động

học micellar MEKC

Sự tương tác Ionic hay Hydrophobic

với Micelle

7

Điện di mao quản gel Gel-CE Theo kích thước và điện tích chất tan

Điện di hội tụ đẳng điện mao

quản CIEFC

Tính chất điểm đẳng điện tích của

vùng mẫu

Điện di đẳng tốc mao quản CITEC Tính chất đẳng tốc độ nhất thời

Trong các kiểu CE trên thì CZE là cơ chế tách chất đơn giản nhất, thường được

sử dụng nhất, đặc biệt thích hợp cho việc phân tích các ion.

1.2.2. Độ điện di, tốc độ điện di và thời gian 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 (1.1)

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 quản

L: chiều dài mao quản

Trong quá trình điện di, phần tử mang điện chịu tác dụng của hai lực: lực tác

dụng của điện trường ngoài (fe) và lực ma sát của phần tử tích điện với thành mao

quản (ff).

Lực điện tác dụng của điện trường ngoài tỉ lệ thuận với cường độ điện trường

ngoài (E) và điện tích của phần tử tích điện (q):

f e = q.E (1.2)

Lực ma sát tỉ lệ thuận với độ nhớt của dung dịch (η), bán kính của phần tử

mang điện (r) và tốc độ di chuyển của ion (v):

8

f f = 6 . π. η . r . v (1.3)

Ở trạng thái cân bằng, ta có:

fe = ff (1.4)

Tử các cồng thức trên suy ra:

μi = 6 . . . rq

π η (1.5)

Như vậy, độ linh động điện di tỉ lệ thuận với điện tích của phần tử tích điện, 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.

1.2.3. Hiệu ứng nhiệt Jun

Trong kĩ thuật CE, một điện áp cao được áp vào hai đầu mao quản trong suốt

quá trình phân tích đã tạo ra hiệu ứng nhiệt (định luật Jun - Lenxơ). Lượng nhiệt phát

ra được tính theo công thức 1.6:

H = VIt (1.6)

Trong đó: H: lượng nhiệt tỏa ra

V: hiệu điện thế áp vào hai đầu mao quản

I: cường độ dòng chạy qua mao quản

t: thời gian phân tích

Do sự khuếch tán nhiệt không đều, lớp dung dịch sát thành mao quản khuếch

tán nhiệt tốt hơn lớp phía trong gây ra sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai lớp. Do đó,

trong mao quản xảy ra sự di chuyển khác nhau giữa hai lớp dung dịch, lớp phía trong

có nhiệt độ cao hơn, di chuyển nhanh hơn sinh ra dòng chảy hình parabol và làm giãn

9

chân pic (giảm độ phân giải giữa các pic). Quá trình này có thể được minh họa bằng

hình vẽ sau:

Hình 2. Ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt Jun đến hình dạng pic

Như vậy, để giảm ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt Jun đến quá trình phân tích,

ta nên sử dụng mao quản có đường kính nhỏ, pha động điện di có độ dẫn thấp, hiệu

điện thế áp vào hai đầu mao quản thích hợp đủ để tách các chất phân tích ra khỏi nhau

và trong hệ điên di nên tích hợp bộ phận điều nhiệt.

1.2.4. Mao quản trong phương pháp điện di

Mao quản chính là cột tách, một bộ phận quan trọng trong điện di mao quản.

Đây là một trong các yếu tố chính quyết định sự điện di của hỗn hợp chất mẫu. Vật

liệu chế tạo mao quản thường là silica. Trong một số trường hợp, người ta có thể dùng

quản quản teflon, mảo quản polyme khi mà mao quản silica không phù hợp. Mao

quản trong kỹ thuật CE thường có đường kính trong nằm trong khoảng 25 ÷ 100 μm.

Việc lựa chọn đường kính trong của mao quản trong phân tích phụ thuộc vào nhiều

yếu tố, trong đó yếu tố quan trọng nhất là detector sử dụng. Với detector UV-Vis nên

sử dụng mao quản có đường kính trong tối thiểu là 75 μm để khắc phục hạn chế về

độ nhạy của detector quang. Với detector điện hóa có thể sử dụng những mao quản

hẹp hơn (đường kính trong 25 hoặc 50 μm). Nói chung, các mao quản có đường kính

10

trong càng hẹp càng thuận lợi cho việc phân tán nhiệt Jun sinh ra do nguồn cao áp

đồng thời làm cho hiệu suất phân giải giữa các tín hiệu phân tích trên điện di đồ tốt

hơn. Hình vẽ sau đây minh họa cấu tạo của mao quản silic thường dùng trong CE.

Hình 3. Cấu tạo mao quản silic nóng chảy

1.2.5. Lớp điện tích kép trên thành mao quản và dòng điện di thẩm thấu trong

phương pháp điện di mao quản

Trên bề mặt mao quản silic chứa các nhóm silanol (Si-OH) có khả năng bị

deproton theo phương trình:

≡Si-OH → ≡Si-O- + H+ pK = 6,8 ± 0,5

Khi các nhóm silanol bị deproton, lớp sát bề mặt mao quản tích điện âm liên

kết chặt chẽ với thành mao quản gọi là lớp ion cửa. Theo lực hút tĩnh điện, các ion

cửa hút các cation trong dung dịch về phía mình tạo thành lớp mang điện tích dương.

Lớp này có thể di chuyển gọi là lớp khuếch tán. Do hai lớp ion cửa và lớp khuếch tán

tích điện trái dấu, do đó giữa hai lớp luôn tồn tại một giá trị thế ζ.

11

Hình 4. Lớp điện tích kép trên bề mặt mao quản

Sự hình thành, tồn tại và độ lớn của thế ζ phụ thuộc vào lực ion, pH, thành

phần pha động điện di và cấu tạo bề mặt mao quản. Độ lớn của thế ζ được xác định

gần đúng theo công thức:

ζ = (4πRD.q )/ε (1.7)

Trong đó: ε: hằng số điện môi của pha động điện di

q: tổng điện tích dung dịch theo 1 đơn vị thể tích

RD: bán kính hydrat của ion (bán kính Debye)

Bán kính hydrat của ion được tính theo biểu thức sau:

RD = ( εkT)/(8πe2Ii ) (1.8)

Trong đó: e: điện tích của proton

k: hằng số Bolzơman

T: nhiệt độ Kenvil

Ii: lực ion của pha động điện di

12

Từ công thức 1.7 và 1.8 ta thấy khi nồng độ dung dịch pha động điện di tăng,

lực ion tăng, giá trị RD giảm, nghĩa là thế ζ giảm. Vì vậy để duy trì giá trị thế ζ ổn

định, các yếu tố pH, nồng độ của của pha động điện di cần được giữ ổn định.

Trong quá trình điện di, một điện trường lớn được đặt vào hai đầu mao quản,

khi đó lớp khuếch tán di chuyển từ cực dương đến cực âm dưới tác dụng của điện

trường. Sự di chuyển của các cation lớp khuếch tán cùng với lớp vỏ hidrat hóa tạo

thành một dòng chảy khối trong lòng mao quản. Dòng này được gọi là dòng điện di

thẩm thấu (EOF).

Độ lớn của dòng EOF tỉ lệ thuận với lực điện trường E do thế V đặt vào hai

đầu mao quản, độ lớn của thế ζ, hằng số điện môi và tỉ lệ nghịch với .độ nhớt của pha

động điện di theo biểu thức sau:

vEOF = E.(ε. ζ) /η (1.9)

Hay tốc độ điện di của dòng EOF được tính theo công thức:

µEOF = (ε. ζ/η) (1.10)

Tính chất đặc trưng hay tiêu biểu của dòng EOF trong ống mao quản là một

dòng điện di, hay chuyển khối phẳng đồng đều của chất lỏng (hình 5). Lực làm cho

dòng EOF này di chuyển hầu như được phân bố đồng đều trên toàn tiết diện của mao

quản. Chỉ có một sự khác rất nhỏ về tốc độ ở vùng sát thành mao quản, nếu không có

sự nén đẩy dung dịch trong ống mao quản bằng áp suất. Trong điều kiện này, trong

ống mao quản chỉ có tồn tại dòng EOF là chính. Vì thế sự di chuyển của vùng chất

mẫu là đồng đều và tốt theo tiết diện mao quản. Khi chỉ có dòng EOF này là chính,

thì sự phân tán của vùng mẫu là nhỏ nhất và như thế chúng ta thu được pic của sự

tách các chất là gọn và sắc nét nhất, hiệu quả tách cao (số Nef cao). Đây cũng chính

là ưu điểm của phương pháp CE so với phương pháp HPLC.

13

Hình 5. Hình dạng dòng chảy trong CE và HPLC

Nhưng vì các ion đều nằm trong dòng EOF, do đó độ điện di của nó phải là

tổng đại số (toàn phần) của cả hai, tức là giá trị µtot:

µtot = ( µef + µEOF ) (1.11)

Hình 6. Ảnh hưởng của dòng EOF đến tốc độ của các ion trong quá trình điện

di

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.

14

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. Sau đây là một số phương pháp khống chế dòng EOF:

Bảng 2. Một số phương pháp điều chỉnh EOF

Cách thức thay đổi Kết quả Nhận xét chung

Điện trường E ( điện

thế V)

Sự thay đổi tỉ lệ với

EOF

− Độ phân giải và hiệu lực tách

giảm

− Làm nóng mao quản

Giá trị pH của pha

động điện di

pH thấp: EOF giảm

pH cao: EOF tăng − Thường dùng.

− Cách tiện lợi để thay đổi dòng

EOF.

− Thay đổi được cả cấu trúc và

điện tích của chất tan.

Lực ion hay nồng độ

đệm

Làm giảm thế ζ và EOF

giảm khi tăng nồng độ

đệm và lực ion

− Lực ion lớn, tạo ra dòng điện

cao và có hiệu ứng nhiệt Jun lớn.

− Lực ion thấp xảy ra sự hấp

phụ chất mẫu.

− Độ nét của pic bị ảnh hưởng

nếu độ dẫn của mẫu khác của

đệm

− Hạn chế lượng mẫu nạp.

Nhiệt độ Làm thay đổi đổi độ

nhớt 2 ÷ 3% / oC

− Được dùng khi kiểm tra và

khống chế nhiệt độ tự động.

15

Dùng chất phụ gia,

dung môi hữu cơ

Thay đổi thế ζ, độ nhớt

nhưng EOF cũng bị

giảm

− Thay đổi khả năng tạo phức

− Có thể thay đổi độ chọn lọc

của hệ pha.

Chất hoạt động bề

mật

Hấp thụ lên thành mao

quản thông qua tương

tác ion hay hiệu ứng kị

nước

− Chất hoạt động bề mặt là

cation làm giảm EOF, có thể dẫn

đến đảo chiều.

− Chất hoạt động bề mặt là

anion làm tăng EOF.

− Thay đổi độ chọn lọc.

Dùng các chất

polyme ưa nước

hoặc trung tính

Hấp thụ lên thành mao

quản thông qua tương

tác kị nước

− Làm giảm EOF thông qua

thay đổi điện tích bề mặt.

− Làm tăng độ nhớt.

Hoạt động hóa bề

mặt bằng cách cộng

hợp

Tạo liên kết hóa học lên

thành mao quản

− Có nhiều cách thay đổi như:

biến tính bề mặt mao quản: dựa

vào tính ưa nước, tích điện.

− Làm bền bề mặt mao quản

1.2.6. Độ phân giải trong phương pháp điện di mao quản

Độ phân giải là một đại lượng đặc trưng quan trọng của các kĩ thuật tách hay

các phương pháp tách chất nói chung. Trong điện di mao quản, độ phân giải R của

hai chất i và j liền nhau (hai pic cạnh nhau) được tính theo công thức sau:

i j i jij

i j

2(t - t ) t - tR = =

w + w 4σ

Trong đó ti và tj là thời gian lưu của hai chất i và j (tính theo giây hoặc

phút, ti > tj)

16

wi và wj là độ rộng đáy của hai píc chất i và j ( tính theo giây

hoặc phút)

σ độ lệch chuẩn

Quá trình được coi là tách hoàn toàn nếu R ≥ 1,5 [11].

1.2.7. Detector thông dụng trong phương pháp điện di mao quản

1.2.7.1. Nguyên tắc định lượng

Nguyên tắc của việc phát hiện hay đo định lượng các chất cũng là 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:

H = k.CX (1.12a)

hay là: S = k.CX (1.12b)

Trong đó H là chiều cao, còn S là diện tích của pic điện di của chất phân tích.

Sự phát hiện và đo định lượng này thực hiện nhờ các loại detector tương tự

như trong HPLC chỉ khác là tế bào đo ở đây là một đoạn (2-3mm) ở gần cuối của

mao quản, mà không cần đo riêng như HPLC. Đó chính là ưu điểm của CE so với

HPLC.

1.2.7.2. Sự phát hiện chất trong phương pháp điện di mao quản

Sự phát hiện các chất trong quá trình tách điện di có thể được thực hiện bằng

cách phát hiện trực tiếp hoặc gián tiếp [22, 30], tùy thuộc vào bản chất của chất phân

tích và khả năng ứng dụng của từng loại detector. Một số detecter thông dụng thường

được dùng trong phương pháp CE gồm có detetor đo phổ hấp thụ phân tử, detector

đo phổ huỳnh quang phân tử, detector điện hóa (đo dòng, đo thế, độ dẫn) và detector

khối phổ [27].

17

Hầu hết các thiết bị điện di mao quản thương phẩm hiện nay sử dụng detector

hấp thụ phân tử UV-Vis hoặc huỳnh quang. Mặc dù các detector này đã được chứng

minh qua thực tế sử dụng, tuy nhiên nó những hạn chế nhất định như: chất phân tích

phải là chất hấp thụ ánh sáng hoặc phát huỳnh quang, nhược điểm này có thể khắc

phục bằng cách xác định gián tiếp thông qua một số chất khác tuy nhiên độ nhạy và

độ chọn lọc giảm. Hơn nữa, khi dùng những mao quản có đường kính trong nhỏ,

detector UV-Vis và huỳnh quang tỏ ra hạn chế khi chế tạo tế bào dòng chảy.

Detector khối phổ có độ nhạy cao, độ chọn lọc tốt tuy nhiên giá thành đầu tư

ban đầu lớn, thiết bị cồng kềnh ít có khả năng ứng dụng trong phân tích hiện trường.

Các detector điện hóa bao gồm cả đo dòng, đo thế và độ dẫn có ưu điểm là độ

nhạy cao, độ chọn lọc tốt và khoảng tuyến tính rộng. Trong đó detector độ dẫn có

phạm vi ứng dụng rộng rãi. Đặc biệt là detector độ dẫn không tiếp xúc kết nối kiểu tụ

điên tỏ ra ưu thế khi loại bỏ được những hạn chế nhất định của detector độ dẫn tiếp

xúc.

18

1.2.7.3. Nguyên tắc hoạt động của detector C4D

Hình 7. Sơ đồ cấu tạo detector độ dẫn không tiếp xúc kết nối theo kiểu tụ điện

Detector độ dẫn không tiếp xúc kết nối theo kiểu tụ điện (C4D) được cấu tạo

bởi hai điện cực hình ống có chiều dài 4mm đặt cách nhau một khoảng 1mm. Hai

điện cực này được đặt nối tiếp đồng trục bên ngoài mao quản có chứa dung dịch cần

đo độ dẫn. Nguồn điện xoay chiều (V) với tần số (f) được áp vào điện cực thứ nhất.

Tại điện cực thứ hai, tín hiệu đo được ở dạng cường độ dòng điện (I) (hình 7.A). Với

trường hợp điện di mao quản, thì thành mao quản sẽ đóng vai trò làm lớp cách điện.

Bề mặt dẫn điện của điện cực và dung dịch điện ly bên trong mao quản sẽ đống vai

trò như một tụ điện. Khoảng dung dịch nằm giữa hai điện cực sẽ đóng vai trò như

một điện trở. Việc xác định giá trị điện trở này sẽ cho ta thông tin về độ dẫn của tổng

các ion có trong dung dịch đó.

Trên thực tế, hoạt động của cảm biến đo độ dẫn không tiếp xúc phức tạp hơn

so với nguyên lý cơ bản đã nêu ở trên. Đó là bởi vì khi vận hành, ta cần tính đến khả

19

năng tương tác trực tiếp giữa hai điện cực với nhau. Nếu ta coi hai điện cực là hai tấm

cách điện được ngăn cách nhau bởi lớp điện môi là không khí ở giữa, thì ngoài hai tụ

điện tạo bởi dung dịch trong mao quản và điện cực, ta còn có thêm một tụ điện C0 tạo

trực tiếp bởi hai điện cực. Sơ đồ kết nối của cảm biến đo độ dẫn không tiếp xúc trên

thực tế được mô tả như hình 7.B

Để loại bỏ ảnh hưởng của tụ điện C0 người ta lắp một lồng Faraday nối đất

bằng các tấm đồng vào phần giữa hai điện cực, tụ điện C0 bị triệt tiêu [29]. Khi đó

mạch điện thu được được mô tả bằng hình 7.D.

Tín hiệu đầu ra thu được ở dạng cường độ dòng điện và thường có giá trị rất

nhỏ. Trong khi đó, các thiết bị thu và hiển thị tín hiểu thông thường tiếp nhận tín hiệu

ở dạng điện thế (mV đến V). Bởi vậy việc chuyển đổi tín hiệu thu từ cường độ dòng

thành điện thế là cần thiết, thông qua việc sử dụng một điện trở khuếch đại (Rfeedback,

hình 7.E). Đồng thời với quá trình chuyển đổi từ I sang V, tín hiệu thu được cũng

được khuếch đại để nằm trong khoảng đo của máy ghi tín hiệu.

20

Chương 2 - MỤC TIÊU – NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1. Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu phát triển quy trình phân tích các cation trong mẫu nước và ứng

dụng quan trắc chất lượng nước mặt sử dụng hệ thiết bị điện di mao quản theo nguyên

lý bơm mẫu tuần tự sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc kiểu kết nối tụ điện.

2.2. Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu đề ra, các nội dung nghiên cứu cần thực hiện như sau:

• Tổng quan tài liệu về phương pháp điện di mao quản, các ứng dụng của

phương pháp trong việc phân tích các cation.

• Nghiên cứu khảo sát các điều kiện tối ưu xác định các cation trong mẫu

nước mặt bằng phương pháp điện di mao quản sử dụng hệ thiết bị SIA-

CE-C4D (lựa chọn dung dịch pha động điện di, các thông số của máy đo).

• Quy trình sau khi tối ưu được đánh giá bằng giới hạn phát hiện, khoảng

tuyến tính, độ chính xác (độ đúng và độ chụm) của phương pháp.

• Khả năng ứng dụng thực tế của phương pháp cũng được kiểm chứng thông

qua vận hành quan trắc liên tục tại điểm quan trắc cầu Đọ Xá, thành phố

Phủ Lý, tỉnh Hà Nam. Mẫu được lấy ngẫu nhiên để phân tích đối chứng

sử dụng AAS, AES và UV-Vis.

2.3. Trang thiết bị - hóa chất

2.3.1. Trang thiết bị, dụng cụ

• Hệ SIA-CE-C4D được nhóm nghiên cứu Điện di mao quản tại trung

tâm CETASD trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội nghiên cứu

chế tạo

• Hệ điện di mao quản thao tác bằng tay, tự chế tạo tại trung tâm

CETASD, trường Đại học Khoa học Tự Nhiên Hà Nội

21

• Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AA-6000, Shimadzu, Nhật bản

• Máy Sắc ký ion IC-SA2, Shimadzu, Nhật bản

• Thiết bị UV-Vis-NIR, Shimadzu, Nhật bản.

• Điện cực đo pH và độ dẫn hiện trường của Hach

• Cân phân tích 3 số hãng Shimadzu, Nhật bản

• Máy nước deion Milipore – Simplicity UV, Pháp

• Máy siêu âm Elma D-78224 Singen/HTW, Đức

• Micropipet với các cỡ khác nhau: 100; 200; 1000; và 5000 µL và đầu

tip tương ứng

• Các bình định mức nhựa polypropylen (PP) 25, 50 và 100 mL được sử

dụng để pha các dung dịch gốc của các cation, anion và các dung dịch

đệm

• Các lọ Falcon 15 mL, 45 mL và lọ polypropylen (PP) để đựng các dung

dịch chuẩn

• Các xy lanh lọc 0,45 và 0,20µM để lọc mẫu

• Vải tuyn để lọc mẫu thô

• Cục lọc mẫu của thiết bị HPLC để lọc mẫu tinh tại hiện trường

• Các chai nhựa 250 mL polyetilen (PE) đã được rửa sạch và tráng bằng

nước cất để đựng mẫu so sánh mang về phòng thí nghiệm để phân tích

bằng các phương pháp chuẩn

• Mao quản đường kính trong 50µm, chiều dài 70cm.

2.3.2. Hóa chất

• Muối NaCl, pa, Merck

• Muối KCl, pa, Fluka

• Muối NH4Cl, pa, Fluka

• Muối MgCl2.6H2O, pa, Merck

• Muối CaCl2, pa, Trung Quốc

22

• Muối BaCl2.2H2O, pa, Fisher scientific

• HIS C6H9N3O2, pa, Fluka

• MOSP C7H15NO4S, pa, Fluka

• MES C6H13NO4S, pa, Fluka

• TRIS C4H11NO3, pa, Fluka

• CHES C8H17NO3S, pa, Sigma-Aldrich

• 18-crown-6, pa, Fluka

• Axit axetic băng

• Nước deion, điện trở: 18,2MΩ/cm

2.3.3. Chuẩn bị các dung dịch chuẩn và hóa chất thí nghiệm

Các dung dịch chuẩn gốc: NH4+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+ 100mM được pha

từ các muối NH4Cl, NaCl, KCl, MgCl2.6H2O, CaCl2, BaCl2.2H2O bằng nước deion

và bảo quản lạnh ở 4oC. Các dung dịch này có thể giữ được trong vòng 1 tháng. Các

dung dịch chuẩn làm việc hàng ngày được pha ra từ các dung dịch này bằng nước

deion. Các dung dịch chuẩn này được pha loãng để sử dụng trong các thí nghiệm

được khảo sát sau này.

Các dung dịch đệm điện di được cân và pha trực tiếp vào bình định mức bằng

nước deion, đo pH và độ dẫn. Trước khi sử dụng, các dung dịch đệm đều được siêu

âm 10 phút nhằm loại bỏ bọt khí. Đối với quan trắc hiện trường, các dung dịch đệm

được pha sẵn ở phòng thí nghiệm và mang ra trạm quan trắc.

2.4. Lấy mẫu và phương pháp phân tích các mẫu đối chứng

2.4.1. Lấy mẫu

Các mẫu cation được lấy vào các bình nhựa PE đã tráng rửa và dán nhãn sẵn

trước ở phòng thí nghiệm. Trước khi lấy mẫu, tráng rửa bình đựng mẫu bằng chính

23

mẫu 3 lần. Mẫu được lọc qua xy lanh lọc cỡ lỗ 0,2µm. Mẫu sau khi lấy được axit hóa

ngay bằng axit HNO3 68% đến pH = 2 rồi đem về phòng thí nghiệm phân tích.

Các mẫu cation trong quá trình phân tích trong phòng thí nghiệm được lấy ở

một vị trí bất kì với độ sâu: 10cm, sau đó nước được lọc qua màng lọc 0,2µm rồi được

chia ra làm hai phần: một phần được phân tích trực tiếp bằng phương pháp SIA-CE-

C4D, một phần được axit hóa đến pH = 2,0 bằng axit HNO3 68% để phân tích so

sánh.

Các mẫu so sánh cation trong quá trình quan trắc được lấy ngẫu nhiên (thông

thường cứ sau vài mẫu quan trắc liên tục thì lại lấy mẫu so sánh một lần). Các mẫu

này được lấy như sau: trước thời điểm cần lấy mẫu đối chứng 20 phút, chúng tôi thay

thế lọ chảy tràn 3mL bằng bình lấy mẫu 250mL cho nước chảy vào bình này. Sau khi

hệ SIA-CE-C4D vừa hút mẫu vào phân tích thì bình lấy mẫu được rút lấy ra ngoài để

tránh nước mới chảy vào làm loãng mẫu. Các mẫu này sau đó được axit hóa và bảo

quản theo quy trình lấy mẫu đã miêu tả ở trên.

2.4.2. Phương pháp phân tích các mẫu đối chứng

Để đánh giá độ đúng của phương pháp SIA-CE-C4D cần phân tích các mẫu

đối chứng đồng thời bằng phương pháp SIA-CE-C4D và phương pháp tiêu chuẩn. Độ

đúng của phương pháp nghiên cứu được phản ánh qua phần trăm sai số của các kết

quả cho bởi phương pháp SIA-CE-C4D so với các kết quả cho bởi phương pháp tiêu

chuẩn.

Trong nghiên cứu này, các cation Ca2+ và Mg2+ được phân tích đối chứng theo

phương pháp AAS, các cation Na+ và K+ theo phương pháp AES, trong khi đó

phương pháp UV-Vis được sử dụng đối với ion NH4+.

24

2.5. Các thông số đánh giá phương pháp phân tích

2.5.1. Giới hạn phát hiện - giới hạn định lượng

Giới hạn phát hiện là nồng độ nhỏ nhất của chất phân tích tạo ra được một tín

hiệu mà có thể phân biệt được một cách tin cậy với tín hiệu nền. Có một số cách xác

định tuy nhiên đối với các phương pháp sắc kí nói chung và điện di mao quản nói

riêng thường sử dụng cách tính:

LOD = 3S/N (2.1)

Trong đó: S/N là tỉ số chiều cao của tín hiệu với chiều cao của nhiễu nền.

Giới hạn định lượng là nồng độ nhỏ nhất của chất phân tích tạo ra được một

tín hiệu mà phương pháp có thể định lượng được và được xác định bằng công thức:

LOQ = 10S/N (2.2)

2.5.2. Khoảng tuyến tính

Khi đã xác định có mối quan hệ tuyên tính giữa tín hiệu phân tích và nồng độ

chất định phân cần xác định giới hạn tuyến tính (LOL) (bằng cách nới rộng điểm trên

của đường chuẩn cho đến khi hệ số tương quan R đủ lớn hơn 0,99). Khi đó khoảng

tuyến tính được định nghĩa là từ LOQ đến LOL.

2.5.3. Độ chính xác

Độ chính xác của phương pháp được đánh giá qua hai thông số: độ chụm và

độ đúng.

Độ chụm đặc trưng cho mức độ gần nhau của các giá trị riêng lẻ xi tiến hành

trên các mẫu thử giống hệt nhau, được tiến hành bằng một phương pháp phân tích

trong cùng điều kiện thí nghiệm hoặc trong các điều kiện thí nghiệm khác nhau.

25

Độ đúng là độ gần nhau giữa các kết quả xác định được (giá trị trung bình) và

giá trị thực µ của nó. Để xác định độ đúng của phép đo hay của một phép phân tích

phải sử dụng mẫu chuẩn hoặc vật liệu so sánh (CRM) được cung cấp bởi đơn vị chế

tạo thường là một tổ chức quốc tế nổi tiếng như BCR, NIST, LGC... Trong trường

hợp không có vật liệu so sánh này, có thể tự chuẩn bị mẫu chuẩn và phái đảm bảo sao

cho mẫu chuẩn và mẫu phân tích có thành phần càng giống nhau càng tốt (dùng mẫu

thêm chuẩn).

2.5.4. Độ lặp lại

Độ lặp lại, một cách tương đối là độ sai lệch giữa các giá trị riêng lẻ xi và giá

trị trung bình trong những điều kiện thí nghiệm giống nhau và không giống nhau. Độ

lặp lại có thể xác định thông qua độ lệch chuẩn (S) hoặc độ lệch chuẩn tương đối

(RSD). Khi độ lệch chuẩn càng lớn thi sai số của phép phân tích càng lớn.

26

Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Khảo sát các điều kiện tối ưu các cation

3.1.1. Khảo sát các điều kiện tối ưu phân tích đồng thời các cation: NH4+, Na+,

K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+ bằng phương pháp điện di mao quản sử dụng detector độ

dẫn không tiếp xúc kết nối kiểu tụ điện (CE-C4D) trên hệ điện di bằng tay

3.1.1.1. Khảo sát lựa chọn pha động điện di

Trong điện di mao quản, dung dịch pha động điện di có vai trò quan trọng

trong quá trình phân tách các chất phân tích. Với các pha động điện di khác nhau thì

sự tương tác giữa pha động điện di và các chất phân tích sẽ khác nhau, vì vậy mà sự

phân tách pic trong quá trình điện di sẽ khác nhau. Hay nói cách khác sự phân tách

pic phụ thuộc vào bản chất pha động điện di. Trong nghiên cứu này, bốn pha động

điện di được khảo sát đó là:

• Hệ đệm His/Ace pH 4,0, độ dẫn EC = 750 μS/cm: Histidine được pha ở

nồng độ 12mM sau đó được thêm axit axetic cho đến pH 4,0. Sau đó thêm 18-crown-

6 để tách hai pic NH4+ và K+[21].

• Hệ đệm Mops/His pH 6,5; độ dẫn EC = 130 μS/cm: Mops và Histidine

được cân và pha đều ở nồng độ 10mM. CTAB được thêm vào để điều chỉnh dòng

EOF. Sau đó thêm 18-crown-6 để tách hai pic NH4+ và K+.

• Hệ đệm Mes/His pH 5,8; độ dẫn EC = 207 μS/cm: Mes và Histidine được

cân và pha đều ở nồng độ 10mM. CTAB được thêm vào để điều chỉnh dòng EOF.

Sau đó thêm 18-crown-6 để tách hai pic NH4+ và K+.

• Hệ đệm Tris/Mops pH 7,7; độ dẫn EC = 1571μS/cm: Tris và Mops được

pha ở cùng nồng độ 50mM. CTAB được thêm vào để điều chỉnh dòng EOF. Sau đó

thêm 18-crown-6 để tách hai pic NH4+ và K+.

27

Điều kiện phân tích: Các điều kiện phân tích là: bơm mẫu thủy động học kiểu

xiphong với chiều cao: 10cm trong thời gian: 30s, thế tách: -15kV, mao quản silica

nóng chảy đường kính trong: 50µm với chiều dài: 50cm, chiều dài hiệu dụng: 43cm

Hình 8 đưa ra giản đồ điện khi phân tích các cation NH4+, Na+, K+, Mg2+,

Ca2+, Ba2+ ở pH khác nhau. Nồng độ của các cation NH4+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+,

Ba2+. Ở khoảng pH 5-6 sử dụng đệm MES/His và MOPS/His, hình ảnh các tín hiệu

chồng chập lên nhau. Trong điều kiện phân tích, chỉ có hai hệ đệm His/Ace và

Tris/Mops có khả năng phân tách tốt cả 6 cation. Tuy nhiên, hệ đệm His/Ace cho hình

ảnh tín hiệu pic sắc nét và chiều cao pic lớn hơn so với đệm Tris/Mops, điều này có

thể lý giải do độ dẫn của đệm His/Ace nhỏ hơn nhiều so với đệm Tris/Mops mà chiều

cao pic ảnh hưởng đến giới hạn phát hiện. Do đó, đệm His/Ace được dùng để tiếp tục

đánh giá.

Hình 8. Giản đồ điện khi phân tách các anion NH4+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+

sử dụng các hệ đệm khác nhau

Thời gian lưu (s)

28

3.1.1.2. Khảo sát lựa chọn sát lựa chọn nồng độ 18-crown-6

Hai cation NH4+ và K+ có bán kính ion bằng nhau dẫn tới tỉ số z/m bằng nhau.

Vì vậy hai cation này di chuyển với tốc độ như nhau nên không tách ra khỏi nhau.

Một khó khăn trong việc tách hai cation này là cả hai cation đều không có khả năng

tạo phức cho nhận do không chứa các obitan d trống. Do vậy đối với các phối tử tạo

phức thông thường ít có khả năng tách hai cation này. Nhiều tác giả đã chỉ ra rằng

việc sử dụng một số ete vòng có khả năng tạo phức với các cation kim loại làm cho

kích thước của các ion phức khác nhau [12, 14, 20, 23]. Do đó, trong quá trình điện

di chúng sẽ tách ra khỏi nhau. Trong nghiên cứu này, 18-crown-6 được lựa chọn làm

phối tử tạo phức để tách cation K+ [8, 20]. Nồng độ 18-crown-6 có ảnh hưởng tới sự

hình thành phức, do đó nồng độ 18-crown-6 trong pha động điện di là yếu tố tiếp theo

cần được khảo sát.

Trong khảo sát này, dung dịch đệm Histidine 12mM, giữ ổn định pH = 4,0 bằng axit axetic và thay đổi nồng độ 18 crown 6 trong dung dịch pha động điện di từ 0,0mM ÷ 3,0mM

Các điều kiện phân tích là: bơm mẫu thủy động học kiểu xiphong với chiều cao: 10cm trong thời gian: 30s, thế tách: -15kV, mao quản silica nóng chảy đường kính trong: 50µm với chiều dài: 70cm, chiều dài hiệu dụng: 63cm.

Kết quả khảo sát được thể hiện ở hình 9:

29

Hình 9. Giản đồ điện di khi phân tách các cation NH4+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+,

Ba2+ nồng độ 100µM sử dụng đệm His/ace có nồng độ 18-crown-6 khác nhau.

Từ giản đồ điện di của các cation cho thấy, ở nồng độ đệm 0mM 18-crown-6

chỉ thu được năm pic, trong đó hai pic của NH4+ và K+ chồng chập vào nhau. Khi

thêm 18-crown-6 vào dung dịch đệm, quá trình điện di đã tách ra được sáu pic và độ

dẫn của các pic cao hơn độ dẫn của nền. Chứng tỏ đã có sự liên kết giữa 18 crown 6

với một số cation dẫn đến sự hình thành phức và các phức này phải tồn tại ở dạng

cation, do đó làm tăng mức độ cồng kềnh của cation phức dẫn đến thời gian xuất hiện

các pic này chậm hơn so với khi chưa thêm 18 crown 6. Khi tăng nồng độ của 18-

crown-6 thời gian lưu của hai pic K+ và Ba2+ tăng, chứng tỏ nồng độ 18 crown 6 tăng,

độ cồng kềnh của các cation phức tăng và cation Ba2+ tạo phức với 18 crown 6 tốt

hơn K+ [8].

Để tăng giới hạn phát hiện của phương pháp cần lựa chọn hệ đệm cho diện

tích pic lớn nhất. Diện tích pic của các ion ở các nồng độ 18-crown-6 khác nhau được

chỉ ra ở hình 13.

30

Hình 10. Sự phụ thuộc của diện tích pic vào nồng độ 18-crown-6

Hình 10 cho thấy, ở nồng độ 2mM và 3mM 18-crown-6, diện tích pic của các cation là lớn nhất. Tuy nhiên, dung dich đệm chứa 2mM 18-crown-6 cho tín hiệu diện tích pic NH4

+ lớn, mà NH4+ là một tiêu chí quan trọng để đánh giá chất lượng nước.

Vì vậy, đệm His với 2mM 18-crown-6 được lựa chọn để khảo sát những điều kiện tiếp theo.

3.1.1.3. Khảo sát lựa chọn nồng độ pha động điện di

Nồng độ của các thành phần trong pha động điện di có ảnh hưởng đến bề dày

của lớp điện tích kép trên bề mặt mao quản silica và độ dẫn của dung dịch. Vì vậy

khi thay đổi nồng độ của các thành phần này thì độ lớn của dòng EOF thay đổi làm

ảnh hưởng đến sự phân tách các chất trong quá trình điện di.

Trong khảo sát này, dung dịch đệm Histidine được pha với các nồng độ như

trong bảng 3, pH được giữ ổn định ở 4,0 bằng axit axetic, 18 crown 6 2mM.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450D

iện

tích

pic

0,5 mM 1,0mM 1,5mM 2,0mM 2,5mM 3,0mM

31

Bảng 3. Nồng độ các dung dịch đệm khảo sát

Ký hiệu Nồng độ His Độ dẫn (μS/cm) His 3mM 3mM 268 His 6mM 6mM 413 His 9mM 9mM 580

His 12mM 12mM 750 His 15mM 15mM 902 His 18mM 18mM 1020

Các điều kiện phân tích: bơm mẫu thủy động học kiểu xiphong với chiều cao:

10cm trong thời gian: 30s, thế tách: -15kV, mao quản silica nóng chảy đường kính

trong: 50µm với chiều dài: 70cm, chiều dài hiệu dụng: 63cm, nồng độ các cation:

NH4+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+ đều bằng 100µM.

Kết quả khảo sát được thể hiện ở hình 11.

32

Hình 11. Giản đồ điện phân tách đồng thời các cation cơ bản ở các nồng độ đệm

khác nhau

Khi nồng độ His tăng thì cation Na+ có xu hướng di chuyển nhanh hơn. Điều

này có thể được giả thuyết rằng: khi nồng độ His tăng, độ dẫn điện tăng, tương tác

giữa các cation với pha động điện di có sự thay đổi trong đó tương tác của Na+ tăng

mạnh dẫn tới tốc độ di chuyển của Na+ tăng lên.

Từ giản đồ điện di ở hình 11 cho thấy: các pic Ca2+, Na+, Mg2+ kém phân tách

nhất, tại các đệm có nồng độ His bằng 3mM và 6mM, hai pic Na+ và Mg2+ bị chồng

chân pic. Đối với các đệm có nồng độ His từ 9mM đến 18mM, các pic tách tốt. Do

đó, độ phân giải giữa các pic là tiêu chí lựa chọn nồng độ đệm His tối ưu cho quá

trình tách.

Độ phân giải giữa các pic trong các điều kiện nồng độ đệm khác nhau được

chỉ ra ở hình sau:

33

Hình 12. Độ phân giải giữa các pic phụ thuộc vào nồng độ đệm

Từ các dữ kiện trên, độ phân giải R giữa các pic đều thỏa mãn điều kiện R ≥ 1,5. Tuy nhiên, khi tăng nồng độ His thì giá trị R đối với hai pic Ca2+ và Na+ giảm, trong khi R của hai pic Na+ và Mg2+ tăng dần. Do đó, hệ đệm His 12mM được chọn là điều kiện tối ưu cho quá trình tách vì R giữa các pic đều đạt giá trị lớn.

Từ những kết quả trên, đệm His 12mM được lựa chọn để tiếp tục tối ưu trong các bước tiếp theo.

3.1.2. Khảo sát các điều kiện tối ưu phân tích đồng thời các cation: NH4+, Na+,

K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+ trên hệ SIA-CE-C4D

Hệ SIA-CE là hệ thiết bị điện di phân tích một cách tự động tuần tự, các thao

tác thực hiện nối tiếp nhau, hết thao tác này mới bắt đầu chuyển sang thao tác

khác.Quá trình phân tích chung của hệ SIA-CE có thể minh họa bằng sơ đồ sau đây:

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

H i s 9 . 0 m M H i s 1 2 . 0 m M H i s 1 5 . 0 m M H i s 1 8 . 0 m M

Độ

phân

giả

i

Nồng độ đệm

34

Hình 13. Sơ đồ biểu diễn các bước phân tích trên hệ SIA-CE-C4D

Quá trình nạp mẫu vào mao quản được thể hiện qua sơ đồ sau đây:

Hình 14. Sơ đồ biểu diễn quá trình đẩy mẫu vào mao quản

Xylanh 5000µL

Dung dịch đệm

Thải

Van 1 Van 2

Thải

Van kim

Mao quản

Interface nối đất

Interface

Công tắc điện

Cuộn dây Mẫu

35

Trong quá trình nạp mẫu vào mao quan: mẫu được đẩy đi qua van đa cổng tới

interface nối đất, lúc này van 1 đóng và van 2 mở. Thông qua vị tri của van kim, van

2 được điều chỉnh chỉ mở một phần nhằm tạo áp suất ngược đẩy mẫu vào mao quản.

Lượng mẫu đi vào mao quản, ngoài thể tích bơm mẫu, còn phụ thuộc vào độ lớn của

áp suất ngược hay nói cách khác phụ thuộc vào vị trí của van kim.

3.1.2.1. Khảo sát lựa chọn thể tích bơm mẫu

Khi áp suất ngược không đổi, lượng mẫu vào mao quản tỉ lệ với thể tích bơm

mẫu (VS). Lượng mẫu vào mao quản lớn làm tăng diện tích pic tuy nhiên độ phân

giải giảm. Ngược lại, lượng mẫu nạp vào nhỏ, độ nhạy của phương pháp giảm, đôi

khi do quá trình khuếch tán làm giảm độ lặp lại. Do đó cần thiết phải tối ưu giá trị VS

nhằm đạt được hiệu quả tốt nhất trong quá trình phân tích.

Trong khảo sát này, chúng tôi giữ cố định các điều kiện đã tối ưu, SP 15, VP

16 và thay đổi thể tích bơm mẫu từ 50, 100, 150, 200, 250 µL. Kết quả chỉ ra ở hình

15.

36

Hình 15. Giản đồ điện di khảo sát sự ảnh hưởng của thể tích bơm mẫu đến sự

phân tách các pic; pha động điện di: histidine 12mM, 18-crown-6 2mM thêm

axit axetic đến pH 4,0; tốc độ đẩy mẫu: SP 15; vị trí van chia dòng: 16/50 vòng

thứ nhất; điện thế tách: -15kV.

37

Hình 16. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của diện tích pic vào thể tích bơm mẫu

Hình 17. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ phân giải giữa các pic vào thể tích

bơm mẫu

Từ các hình trên cho thấy thể tích mẫu bơm tỉ lệ thuận với diện tích pic và tỉ

lệ nghịch với độ phân giải R. Điều này chứng tỏ khi tăng thể tích bơm, lượng mẫu

nạp vào mao quản tăng dần đồng thời gây ra một áp suất dư lớn trong lòng mao quản

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

1.200

1.400

1.600

NH4+ K+ Ca2+ Na+ Mg2+ Ba2+

Diệ

n tíc

h pi

c

50 µL 100 µL 150 µL 200 µL 250 µL

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

50 µL 100 µL 150 µL 200 µL 250 µL

Độ

phân

giả

i R

Thể tích bơm mẫu

38

đẩy mẫu đi theo hình parabol gây ra hiện tượng giãn chân pic, vì vậy mà giá trị độ

phân giải giảm dần.

Kết quả cho thấy VS = 150 ÷250µL thu được R ≤ 1,3 không đáp ứng được quá

trình phân tích do nồng độ các chất phân tích lớn thường khoảng vài trăm µM. Đối

với VS = 50µL thu được R rất tốt nhưng diện tích pic kém hơn so với VS = 100µL

do đó làm giảm độ nhạy của phương pháp. Mặt khác với thể tích bơm mẫu nhỏ thì

chịu ảnh hưởng mạnh của sự khuếch tán vì vậy ở thể tích bơm mẫu này độ lặp lại

giảm mạnh. Vì vậy, trong nghiên cứu này, VS = 100µL được chọn là điều kiện tối ưu

để khảo sát các điều kiện tiếp theo.

3.1.2.2. Khảo sát lựa chọn tốc độ đẩy mẫu

Như đã nói ở trên, độ lớn của tốc độ đẩy mẫu có ảnh hưởng đến lượng mẫu đi

vào mao quản. Đối với bơm Tecan được sử dụng trong hệ SIA-CE-C4D, độ lớn được

chia thành các mức sau:

Bảng 4. Mã tốc độ đẩy mẫu (SP) của bơm Teacan

Mã tốc độ

đẩy

Giá trị

(số bước/s)

Mã tốc độ

đẩy

Giá trị

(số bước/s)

Mã tốc độ

đẩy

Giá trị

(số bước/s)

0 6000 13 1000 26 110

1 5600 14 800 27 100

2 5000 15 600 28 90

3 4400 16 400 29 80

4 3800 17 200 30 70

5 3200 18 190 31 60

6 2600 19 180 32 50

7 2200 20 170 33 40

8 2000 21 160 34 30

39

9 1800 22 150 35 20

10 1600 23 140 36 18

11 1400 24 130

12 1200 25 120

Khi giá trị SP tăng thì tốc độ đẩy mẫu giảm dần, lượng mẫu nạp vào mao quản

giảm. Do đó cần thiết phải lựa chọn giá trị phù hợp của tốc độ đẩy mẫu hay nói cách

khác là lựa chọn giá trị SP phù hợp.

Trong khảo sát này, các điều kiện đã tối ưu được giữ cố định, VP 16, HV -

15kV và thay đổi mã tốc độ đẩy mẫu từ Mã tốc độ đẩy (SP) 14 ÷ 18. Kết quả chỉ ra

ở hình 18.

Hình 18. Giản đồ điện di khảo sát sự ảnh hưởng của tốc độ đẩy mẫu đến sự phân

giải các pic; pha động điện di: histidine 12mM, 18-crown-6 2mM thêm axit axetic

40

đến pH 4,0; thể tích bơm mẫu 100µL; vị trí van chia dòng: 16/50 vòng thứ nhất;

điện thế tách: -15kV.

Hình 19. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của diện tích pic vào tốc độ đẩy mẫu

Hình 20. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ phân giải vào tốc độ đẩy mẫu

Giản đồ hình 18 cho thấy rằng diện tích pic có xu hướng tăng dần tử SP 14-

15, giảm dần từ SP 15-18 đồng thời độ phân giải giữa các pic đạt cực đại ở SP 17 và

giảm dần khi tăng và giảm tốc độ đẩy mẫu. Điều này có thể lý giải là khi tăng giá trị

SP thì tốc độ đẩy mẫu của bơm giảm do đó áp suất ngược tạo ra ở interface cũng giảm

vì vậy mà lượng mẫu nạp vào đầu mao quản giảm do đó diện tích pic giảm dần. Riêng

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

0.900


Diệ

n tíc

h pi

cSP14 SP15 SP16 SP17 SP18

0.5

1

1.5

2

S P 1 4 S P 1 5 S P 1 6 S P 1 7 S P 1 8

Độ

phân

giả

i

+ 2+Na / MgR 2+ +Ca / NaR

41

đối với trường hợp SP 14 có thể lý giải do lượng mẫu đẩy là 100µL đẩy qua interface

với tốc độ lớn do đó phần lớn lượng mẫu này đã đi qua interface khi xuất hiện áp suất

ngược đưa mẫu vào mao quản dẫn đến diện tích pic nhỏ.

Từ những dữ kiện trên cho thấy, SP 16 và SP 17 cho tín hiệu pic tốt nhất. SP

16 cho kết quả diện tích pic cao hơn hẳn so với SP 17 mặc dù độ phân giải có đôi

chút kém hơn nhưng không nhiều. Do đó trong nghiên cứu này, SP 16 được lựa chọn

để tiếp tục tối ưu các điều kiện tiếp theo.

3.1.2.3. Khảo sát lựa chọn vị trí van chia dòng

Hình 21. Cấu tạo của van chia dòng

Độ mở của van kim (VP) được chia thành 5 đơn vị (1 ÷ 5), trong mỗi đơn vị

tiếp tục được chia nhỏ từ 0 ÷ 50. Khi vị trí van kim ở giá trị độ mở càng nhỏ, lượng

dung dịch đi ra thải càng nhỏ, do đó áp suất ngược càng lớn và ngược lại. Vì vậy,

trong quá trình phân tích cần thiết phải tối giá trị VP để thu được giá trị áp suất ngược

phù hợp với đối tượng phân tích.

42

Trong khảo sát này, các điều kiện đã tối ưu được giữ cố định, HV -15kV và

thay đổi giá trị đặt vị trí van chia (VP) từ 14 ÷ 24. Khi van chia được mở ở vị trí VPa,

nghĩa là van được mở ở a/50 vòng thứ nhất. Kết quả chỉ ra ở hình 22.

Hình 22. Giản đồ điện di khảo sát ảnh hưởng của vị trí van chia dòng đến sự

phân tách các pic; pha động điện di: histidine 12mM, 18-crown-6 2mM thêm

axit axetic đến pH 4,0; thể tích bơm mẫu 100µL; tốc độ đẩy mẫu: SP 16; điện

thế tách: -15kV.

43

Hình 23. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của diện tích pic vào vị trí van chia dòng

Hình 24. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ phân giải giữa các pic vào vị trí

van chia dòng

Từ các hình trên cho thấy, khi tăng giá trị đặt vị trí van chia, diện tích pic giảm

và độ phân giải tăng. Do khi tăng giá trị VP thì độ mở của van tăng, dung dịch đi qua

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600


Diệ

n tíc

h pi

c

VP14 VP16 VP18 VP20 VP22 VP24

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

VP12 VP14 VP16 VP18 VP20 VP22 VP24

Độ p

hân

giải

R

44

van lớn từ đó làm giảm áp suất ngược tác dụng lên interface dẫn tới lượng mẫu nạp

vào mao quản nhỏ vì vậy diện tích pic giảm đồng thời độ phân giải tăng lên.

Từ những dữ kiện trên cho thấy, VP 24 có độ phân giải tôt nhất, tuy nhiên diện

tích pic quá nhỏ ảnh hưởng tới giới hạn phát hiện của phương pháp. VP 20 và VP 22

diện tích pic khác nhau không nhiều, tuy nhiên độ phân giải giữa các pic ở vị trí VP

22 tốt hơn hẳn VP 20. Do đó, trong nghiên cứu này, VP 22 được lựa chọn để tiếp tục

tối ưu các điều kiện tiếp theo.

3.1.2.4. Khảo sát lựa chọn điều kiện áp thế

Trong khảo sát này, các điều kiện đã tối ưu được giữ cố định và thay đổi giá

trị hiệu điện thế áp vào hai đầu mao quản (HV) từ -10 ÷ -20kV. Kết quả chỉ ra ở hình

25.

Hình 25. Giản đồ điện di khảo sát sự ảnh hưởng của điện thế tách đên sự phân

tách các pic; pha động điện di: histidine 12mM, 18-crown-6 2mM thêm axit

45

axetic đến pH 4,0; thể tích bơm mẫu 100µL; tốc độ đẩy mẫu: SP 16 vị trí van

chia dòng: 22/50 vòng thứ nhất.

Hình 26. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của diện tích pic vào điện thế tách

Hình 27. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuôc của độ phân giải giữa các pic vào điện

thế tách

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600


Diệ

n tíc

h pi

cHV -10 KV HV -15 kV HV -20 kV

1.55

1.6

1.65

1.7

1.75

1.8

1.85

H V - 1 0 K V H V - 1 5 K V H V - 2 0 K V

Độ

phân

giả

i

46

Từ hình 27 cho thấy, khi tăng giá trị điện thế, các pic xuất hiện sớm hơn chứng

tỏ các ion di chuyển nhanh hơn, phù hợp với công thức (1.1)

Tại giá trị HV -10kV, diện tích pic là lớn nhất tuy nhiên độ phân giải thu được

lại nhỏ, đặc biệt là độ phân giải giữa hai pic Na+ và Mg2+. Giữa hai giá trị HV -15kV

và HV -20kV, diện tích pic và độ phân giải của HV -15kV đều lớn hơn. Do đó, HV -

15KV được lựa chọn điều kiện tối ưu.

3.1.3. Kết luận chung

Vậy qua quá trình nghiên cứu, điều kiện tối ưu cho việc phân tích các cation

NH4+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+ trong mẫu nước như sau:

• Mao quản silica nóng chảy, đường kính trong 50µm, độ dài: 70cm, độ

dài hiệu dụng: 63cm.

• Dung dịch pha động điện di: Histidine 12mM, 18-crown-6 2mM

thêm axit acetic đến pH = 4,0.

• Thể tích bơm mẫu: 100µL.

• Tốc độ đẩy mẫu: SP 16.

• Vị trí van chia: 22/50 của vòng thứ nhất.

• Hiệu điện thế tách: -15kV

3.2. Thẩm định phương pháp nghiên cứu

3.2.1. Đường chuẩn phân tích các cation

Bảng 5. Đường chuẩn phân tích các cation

STT Cation

Khoảng

tuyến tính

(µmol/L)

Phương trình hồi qui

Hệ số

tương

quan

LOD

(µmol/L)

LOQ

(µmol/L)

1 NH4+ 2,57÷2000 y = 792,363x - 1,640 0,9995 0,78 2,57

47

2 K+ 2,64÷2000 y = 805,329x - 1,846 0,9994 0,80 2,64

3 Ca2+ 2,57÷1500 y = 759,838x + 2,137 0,9995 0,78 2,57

4 Na+ 4,12÷500 y = 908,174x - 1,995 0,9998 1,25 4,12

5 Mg2+ 3,30÷500 y = 472,084x + 3,534 0,9999 1,00 3,30

6 Ba2+ 8,25÷2000 y = 593,949x + 0,066 0,9998 2,50 8,25

3.2.2. Độ lặp lại

Độ lặp lại được đánh giá bằng cách đo 6 lần đối với ba dung dịch mẫu chuẩn

(mẫu 1, mẫu 2, mẫu 3) của các cation NH4+, K+, Ca2+, Na+, Mg2+, Ba2+. Kết quả

phân tích chỉ ra ở bảng 6.

Bảng 6. Đánh giá độ lặp lại

cation Mẫu Nồng độ RSDa (%) Thời gian lưu RSDb (%)

NH4+

Mẫu 1 50,2 ± 1,1 2,2 361 ± 7 1,9

Mẫu 2 102 ± 2 2,0 368 ± 4 1,1

Mẫu 3 147 ± 4 2,7 368 ± 4 1,1

K+

Mẫu 1 51,5 ± 1,8 3,5 408 ± 5 1,2

Mẫu 2 102 ± 1 1,0 405 ± 4 1,0

Mẫu 3 149 ± 4 2,7 405 ± 4 1,0

Ca2+

Mẫu 1 103 ± 1 1,0 498 ± 5 1,0

Mẫu 2 306 ± 3 1,0 499 ± 5 1,0

Mẫu 3 575 ± 13 2,3 499 ± 3 0,6

Na+ Mẫu 1 99,0 ± 3,4 3,4 523 ± 4 0,8

Mẫu 2 207 ± 4 1,9 526 ± 5 1,0

48

Mẫu 3 295 ± 5 1,7 524 ± 3 0,6

Mg2+

Mẫu 1 91,0 ± 2,8 3,1 551 ± 5 0,9

Mẫu 2 194 ± 4 2,1 552 ± 5 0,9

Mẫu 3 289 ± 6 2,1 549 ± 3 0,5

Ba2+

Mẫu 1 50,0 ± 1,9 3,8 661 ± 6 0,9

Mẫu 2 102 ± 3 2,9 659 ± 6 0,9

Mẫu 3 147 ± 3 2,0 650 ± 4 0,6

(RSDa (%) độ lệch chuẩn tương đối của nồng độ, RSDb (%) độ lệch chuẩn

tương đối của thời gian lưu)

Kết quả trên cho thấy độ lặp lại của thời gian lưu và diện tích pic tương đối tốt

(RSD < 5%).

3.2.3. Độ chính xác

3.2.3.1. Độ chụm

Độ chụm được đánh giá bằng cách đo lặp lại mẫu nước mặt lấy ở Sông Đáy -

Phủ Lý - Hà Nam 6 lần kết quả chỉ ra ở bảng 7.

Bảng 7. Độ chụm thực hiện với mẫu HN1

STT Cation Nồng độ

(µmol/L)

RSDa (%) Thời gian lưu (s) RSDb (%)

1 NH4+ 24,0 ± 0,5 2,1 419 ± 1 0,2

2 K+ 33,1 ± 1,1 3,3 469 ± 1 0,2

3 Ca2+ 145 ± 2 1,6 592 ± 1 0,2

4 Na+ 77,3 ± 0,3 0,4 625 ± 1 0,2

49

5 Mg2+ 51,1 ± 0,3 0,6 656 ± 1 0,2

6 Ba2+ - - - -

(RSDa (%) độ lệch chuẩn tương đối của nồng độ, RSDb (%) độ lệch chuẩn

tương đối của thời gian lưu, (-) không phát hiện)

Kết quả trên cho thấy độ chụm của rất tốt (RSD < 5%). Tuy thời gian lưu có

bị trôi đi so với khi dựng đường chuẩn là do trong quá trình tiến hành những thí

nghiệm này, độ dài hiệu dụng của mao quản đã bị thay đổi.

3.2.4. Độ đúng

Độ đúng được đánh giá thông qua hiệu suất thu hồi trên nền mẫu nước deion

và trên nền mẫu thực.

Hiệu suất thu hồi của các cation được thực hiện trên nền mẫu deion và nền

mẫu thực ở các mức nồng độ khác nhau trong khoảng tuyến tính của đường chuẩn.

Kết quả chỉ ra ở bảng 8.

Bảng 8. Hiệu suất thu hồi của các cation.

Mẫu Cation

Hàm lượng

các cation

thêm vào

(µmol/L)

Hàm lượng

các cation thu

được

(µmol/L)

Hiệu suất thu

hồi (%)

Mẫu chuẩn

NH4+ 75 74,5 ± 2,1 99,3

K+ 125 128 ± 3 102,4

Ca2+ 500 476 ± 15 95,2

Na+ 250 236 ± 1 94,4

Mg2+ 350 336,8 ± 0,3 96,2

Ba2+ 175 170 ± 2 97,1

50

Mẫu HN2

NH4+ 25 26,8 ± 1,3 107,2

K+ 40 41,6 ± 1,9 104,0

Ca2+ 200 196 ± 6 98,0

Na+ 100 93,0 ± 1,9 93,0

Mg2+ 100 90,9 ± 2,4 90,9

Ba2+ - - -

Từ các kết quả trên cho thấy, hiệu suất thu hồi của các ion đều rất tốt trên cả

nền mẫu deion và nền mẫu thực. Trường hợp hiệu suất thu hồi > 100% có thể là sai

số trong quá trình phân tích gây nên.

3.2.5. So sánh phương pháp nghiên cứu với các phương pháp tiêu chuẩn

trong việc phân tích các cation: NH4+ , Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+ trong mẫu nước

mặt

Trên cơ sở các kết quả tối ưu hóa thu được, mốt số mẫu nước mặt lấy từ một

số hồ trong nội thành Hà Nội và Sông Đáy Hà Nam đoạn chảy qua thành phố Phủ Lý

đã được lấy về phòng thí nghiệm phân tích đồng thời bằng thiết bị SIA-CE-C4D và

các phương pháp tiêu chuẩn để xác định các cation: Phương pháp AAS xác định các

ion kim loại kiềm thổ Ca2+ và Mg2+; phương pháp AES để xác định các ion kim loại

kiềm Na+ và K+; Phương pháp UV-Vis để xác định NH4+.

51

Bảng 9. Các kết quả phân tích nồng độ các cation trong một số mẫu nước mặt bằng phương pháp SIA-CE-C4D và các

phương pháp tiêu chuẩn

Na+ (mg/L) K+ (mg/L) Mg2+(mg/L)

Tên mẫu AES SIA-CE-C4D Sai số (%) AES SIA-CE-C4D Sai số (%) AAS SIA-CE-C4D Sai số (%)

Ha nam 1 6,99 6,97 ± 0,15 -0,4 6,67 6,53 ± 0,25 -2,0 5,23 5,31 ± 0,08 1,4 Ha nam 2 6,49 6,57 ± 0,14 1,3 5,30 5,17 ± 0,23 -2,5 5,26 5,33 ± 0,08 1,4 Dong da 2 16,77 16,91 ± 0,29 0,8 7,50 7,61 ± 0,28 1,3 7,19 7,21 ± 0,08 0,3 Dong da 3 15,31 15,41 ± 0,26 0,6 6,65 6,75 ± 0,26 1,5 6,74 6,94 ± 0,08 2,9 Giang vo 1 15,67 15,66 ± 0,26 -0,1 7,25 7,18 ± 0,27 -0,9 6,42 6,19 ± 0,08 -3,7 Giang vo 2 16,91 16,94 ± 0,29 0,2 8,10 7,97 ± 0,29 -1,5 6,02 5,81 ± 0,08 -3,4

Thanh cong 1 9,90 9,85 ± 0,17 -0,5 6,24 6,04 ± 0,24 -3,3 3,29 3,17 ± 0,08 -3,4 Ca2+(mg/L) NH4

+(mg_N/L)

Tên mẫu AAS SIA-CE-C4D Sai số (%) UV-Vis SIA-CE-C4D Sai số (%)

Ha nam 1 21,02 20,53 ± 0,08 -2,3 0,63 0,61 ± 0,23 3,0 Ha nam 2 20,21 20,53 ± 0,08 1,6 0,75 0,77 ± 0,22 3,0 Dong da 2 29,36 29,63 ± 0,08 0,9 2,71 2,73 ± 0,27 0,7 Dong da 3 28,30 28,38 ± 0,08 0,3 2,14 2,21 ± 0,22 3,1 Giang vo 1 26,82 25,79 ± 0,08 -3,8 2,45 2,34 ± 0,23 4,3 Giang vo 2 25,34 24,21 ± 0,08 -4,5 1,35 1,27 ± 0,20 6,2

Thanh cong 1 23,72 24,52 ± 0,08 3,3 1,29 1,34 ± 0,20 3,8 (các phương pháp AAS, AES và UV – Vis cho phép sai số 10%)

52

Bảng 9 trình bày kết quả phân tích các cation thu được từ phương pháp SIA-

CE-C4D so với các phương pháp tiêu chuẩn. Thấy rằng sai số của phương pháp

nghiên cứu so với các phương pháp tiêu chuẩn đề nhỏ hơn 5%. Khi tiến hành so sánh

từng cặp các số liệu về nồng độ thu được từ phương pháp SIA-CE-C4D và phương

pháp tiêu chuẩn sử dụng để các kết quả từ phần mềm phân tích thống kê Minitab 16

chỉ ra ở bảng sau:

Bảng 10. Giá trị t tính khi so sánh kết quả phân tích các cation trong nước bằng

phương pháp SIA-CE-C4D và phương pháp tiêu chuẩn

STT Cation Số bậc tự do Độ tin cậy (%) t bảng t tính

1 NH4+ 7 95 2,37 + 0,55

2 K+ 7 95 2,37 -1,19

3 Ca2+ 7 95 2,37 -0,64

4 Na+ 7 95 2,37 +1,00

5 Mg2+ 7 95 2,37 -0,51

Chúng ta thấy rằng tất cả các giá trị t tính thu được từ phân tích từng cặp ở trên

đều nhỏ hơn t bảng. Do đó, các kết quả phân tích của phương pháp SIA-CE-C4D và

phương pháp tiêu chuẩn dùng để so sánh không khác nhau có nghĩa thống kê ở mức

độ tin cậy 95%. Nói cách khác, hai phương pháp được coi là tương đương.

3.3. Áp dụng quan trắc chất lượng nước mặt

3.3.1. Biến thiên nồng độ các cation theo thời gian

Nồng độ các cation NH4+, K+, Ca2+, Na+, Mg2+ và Ba2+ trong nước sông Đáy

tại trạm quan trắc cầu Đọ Xá, Phủ Lý, Hà Nam được quan trắc liên tục trong vòng 20

giờ, từ 21 giờ 15 ngày 23 đến 17 giờ 15 phút ngày 24 tháng 10 năm 2013. Điện di đồ

của một số mẫu nước quan trắc được ở các thời điểm khác nhau được trình bày trong

hình 28

53

Hình 28. Giản đồ điện di quan trắc các cation trong một số mẫu nước mặt

Trong số các cation được quan trắc, Ba2+ không phát hiện được. Điều này là

hoàn toàn dễ hiểu và phù hợp với lý thuyết vì chúng ta biết rằng ion Ba2+ có thể tạo

muối ít BaSO4 (tích số tan T = 1,1.10-10) [7] vì hàm lượng anion SO42- trong nước

sông Đáy tại điểm này khá cao (khoảng 20 mg SO42-/L) [1]. Các cation còn lại bao

gồm: NH4+, K+, Ca2+, Na+ và Mg2+ đều phát hiện được ở mức độ nồng độ khác nhau.

Trong đó, nồng độ NH4+ thay đổi từ 1.37 đến 3.54 (mg_N/L); Ion K+ có nồng độ thay

đổi từ 5.81 đến 7.91 (mg/L); Ca2+ thay đổi từ 23.56 đến (26.67 mg/L); Nồng độ của

Na+ thay đổi từ 9.06 đến 13.62 (mg/L) và Mg2+ có nồng độ thay đổi từ 6.47 đến 7.29

(mg/L).

Sự biến thiên về nồng độ của 5 cation này được thể hiện trực quan trong hình

29 dưới đây. Dễ nhận thấy rằng ion Ca2+ và ion Mg2+ có nồng độ tương đối ổn định

theo thời gian. Nồng độ của các ion này biến đổi trong những khoảng tương đối hẹp,

trong khoảng 12% đối với Mg2+ và 13% đối với Ca2+. Ba2+ ion còn lại có nồng độ

54

biến đổi khá mạnh theo thời gian, trong đó NH4+ biến đổi mạnh nhất, khoảng biến

động là 85%, theo sau là Na+ với 40% và K+ với độ biến động 31% quanh giá trị

trung bình về nồng độ. Sự thay đổi về độ lệch so với giá trị trung bình này có thể

được giải thích do vị trí địa lý đặc biệt của trạm quan trắc. Đây là nơi hội tụ của hai

hệ thông sông nguồn nước đổ về điểm quan trắc bắt nguồn từ sông Tô Lịch, nước thải

sinh hoạt của khu vực nội thành Hà Nội đổ ra sông Tô Lịch,

55

Hình 29. Sự biến đổi nồng độ của các cation trong nước theo thời gian

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

0h30

1h00

1h30

2h00

2h30

3h00

3h30

4h00

4h30

5h00

5h30

6h00

6h30

7h00

7h30

8h00

8h30

9h00

9h30

10h0

010

h30

11h0

011

h30

12h0

012

h30

13h0

013

h30

14h0

014

h30

15h0

015

h30

16h0

016

h30

17h0

017

h00

17h3

018

h00

18h3

019

h00

20h0

0

Nồn

g độ

cat

ion

(mg/

L)

Thời gian quan trắc (giờ)

amoni kali canxi natri magie

56

3.3.2. So sánh kết quả phân tích với các kết quả thu được từ các phương pháp

tiêu chuẩn

Các cation Na+, K+, Mg2+ và Ca2+ được phân tích đối chứng tại phòng thí

nghiệm bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên từ theo quy trình phân tích

chuẩn của Nhóm nghiên cứu kim loại nặng của Trung tâm CETASD. Các cation này

được phân tích trên máy AA – 6800 của hãng Shimadzu Nhật Bản.

Hai ion kim loại kiềm là K+ và Na+ được xác định theo phương pháp phổ phát

xạ nguyên tử (AES). Ion K+ được xác định ở bước sóng 766,5 nm và Na+ được xác

định ở bước sóng 589 nm. Hai ion của nguyên tố kim loại kiềm thổ Ca2+ và Mg2+

được xác định theo phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS). Cation Ca2+

được xác định ở bước sóng 422,7 nm sử dụng đèn catot rỗng canxi và Mg2+ được xác

định ở bước sóng 285,2 nm sử dụng đèn catot rỗng Magie.

Cation NH4+ được xác định bằng phương pháp UV-Vis bằng phản ứng tạo

phức của hỗm hợp nitroprusside, natricitrat và natri dicloro cyanuaric tạo thành phức

có màu xanh cực đại hấp thụ tại bước sóng 690 nm. Việc thực hiện phân tích cation

NH4+ được thực hiện trên thiết bị quét phổ UV-Vis-NIR, Shimadzu, Nhật bản.

So sánh nồng độ của các cation thu được từ các phương pháp chuẩn trong

phòng thí nghiệm (AAS, AES, UV-Vis) và phương pháp SIA-CE-C4D được trình

bày chi tiết trong bảng 11 và 12. Phân tích số liệu trong bảng thấy rằng có tương quan

rất tốt giữa các kết quả thu được từ phương pháp SIA-CE-C4D và các kết quả có được

từ các phương pháp tiêu chuẩn. Sai số giữa phương pháp nghiên cứu và phương pháp

chuẩn đều nhỏ, trong đó đặc biệt có sai số của phép đo Ca2+ không vượt quá 5.2%;

Với phép đo Mg2+ sai số không vượt quá 6.7% và của phép đo Na+ sai số không vượt

quá 7.9% trong khi đó sai số cho phép của bản thân các phương pháp chuẩn này là

10%. Trong phép xác định K+, trong số 13 mẫu so sánh chỉ có mẫu HNC39 mắc sai

số 11.7%, các mẫu còn lại đều mắc sai số thấp, dưới 8.5%; Đối với phép xác định

57

NH4+ chỉ có mẫu HNC28 mắc sai số 11.6%, các mẫu khác đều mắc sai số thấp. Trong

khi sai số chấp nhận được của phương pháp tiêu chuẩn dùng để so sánh là 10%. Chúng

ta có thể khẳng định rằng các số liệu về nồng độ của phương pháp SIA-CE-C4D là

rất tốt và phù hợp với các số liệu thu được từ các phương pháp tiêu chuẩn.

58

Bảng 11. Nồng độ các cation trong các mẫu so sánh giữa phương pháp SIA-CE-C4D với phương pháp AAS, AES và

phương pháp UV-Vis

Na+ (mg/L) K+ (mg/L) Mg2+(mg/L)

Tên mẫu AES SIA-CE-C4D Sai số

(%)

AES SIA-CE-C4D

Sai số (%)

AAS SIA-CE-C4D Sai số

(%)

HNC03 10,63 10.84 ± 0,25 2,01 6,22 6,40 ± 0,35 -3,01 6,65 6,79 ± 0,12 -2,21 HNC06 12,10 11.14 ± 0,25 -7,87 6,86 6,61 ± 0,36 3,63 6,52 6,85 ± 0,12 -5,00 HNC09 11,94 11.03 ± 0,25 -7,61 6,65 6,49 ± 0,36 2,42 7,01 6,53 ± 0,12 6,72 HNC12 12,61 11.62 ± 0,25 -7,88 6,95 6,72 ± 0,36 3,31 7,08 6,77 ± 0,12 4,38 HNC15 12,82 11.83 ± 0,26 -7,77 6,75 6,74 ± 0,36 6,56 6,92 6,72 ± 0,12 2,93 HNC18 13,68 13.29 ± 0,28 2,86 7,73 7,91 ± 0,38 -2,35 7,08 7,13 ± 0,12 -0,82 HNC21 13,04 13.22 ± 0,27 -1,41 7,22 7,49 ± 0,37 -3.79 7,37 7,11 ± 0,12 3,45 HNC25 13,73 13.36 ± 0,28 2,67 7,65 7,64 ± 0,38 0,15 7,06 7,12 ± 0,12 -0,99 HNC28 11,71 11.19 ± 0,25 4,47 6,26 6,83 ± 0,36 -2,45 7,14 6,87 ± 0,12 3,65 HNC30 9,55 9.61 ± 0,23 -0,63 5,57 5,94 ± 0,35 -6,65 6,49 6,58 ± 0,12 -1,44 HNC33 9,75 9.30 ± 0,23 4,66 5,80 5,90 ± 0,35 -1,74 6,41 6,48 ± 0,12 -1,23 HNC36 10,04 9.97 ± 0,24 0,65 5,76 6,24 ± 0,35 -8,33 6,55 6,58 ± 0,12 -0,45 HNC39 9,84 10.50 ± 0,24 -6,72 5,80 6,47 ± 0,35 -11,70 6,75 6,76 ± 0,12 -0,18

(các phương pháp AAS, AES và UV – Vis cho phép sai số 10%)

59

Bảng 12. Nồng độ các cation trong các mẫu so sánh giữa phương pháp SIA-CE-C4D với phương pháp AAS, AES và

phương pháp UV-Vis

Ca2+(mg/L) NH4+(mg_N/L)

Tên mẫu AAS SIA-CE-C4D Sai số (%) UV-Vis SIA-CE-C4D Sai số

(%)

HNC03 25,52 24,69 ± 0,12 3,25 2,35 2.33 ± 0,32 -0,83 HNC06 23,84 24,84 ± 0,12 -4,18 2,46 2.49 ± 0,33 1,31 HNC09 25,01 23,71 ± 0,12 5,19 2,79 2.67 ± 0,34 -4,42 HNC12 25,16 24,49 ± 0,12 2,67 2,83 2.87 ± 0,36 1,64 HNC15 25,43 24,86 ± 0,12 2,25 3,01 2.89 ± 0,36 -4,08 HNC18 26,39 26,74 ± 0,12 -1,32 3,15 3.37 ± 0,40 6,92 HNC21 25,28 26,25 ± 0,12 -3,83 3,30 3.28 ± 0,39 -0,55 HNC25 27,92 26,52 ± 0,12 5,02 3,28 3.48 ± 0,41 6,21 HNC28 25,46 25,97 ± 0,12 -1,99 2,22 2.47 ± 0,33 11,63 HNC30 24,91 25,17 ± 0,12 -1,05 1,54 1.68 ± 0,30 9,26 HNC33 24,98 24,77 ± 0,12 0,84 1,48 1.55 ± 0,30 5,27 HNC36 24,53 24,67 ± 0,12 -0,54 1,72 1.82 ± 0,30 6,25 HNC39 23,96 24,90 ± 0,12 -3,91 1,86 1.98 ± 0,31 6,37

(các phương pháp AAS, AES và UV – Vis cho phép sai số 10%)

60

Khi tiến hành so sánh từng cặp các số liệu về nồng độ thu được từ phương pháp

SIA-CE-C4D và phương pháp tiêu chuẩn sử dụng để các kết quả từ phần mềm phân

tích thống kê Minitab 16 chỉ ra như sau:

Bảng 13. Giá trị t tính khi so sánh kết quả phân tích các cation trong nước bằng

phương pháp SIA-CE-C4D và phương pháp tiêu chuẩn

STT Cation Số bậc tự do Độ tin cậy (%) t bảng t tính

1 NH4+ 13 95 2,18 -2,07

2 K+ 13 95 2,18 -1,13

3 Ca2+ 13 95 2,18 -2,06

4 Na+ 13 95 2,18 -1,13

5 Mg2+ 13 95 2,18 +0,91

Chúng ta thấy rằng tất cả các giá trị t tính thu được từ phân tích từng cặp ở trên

đều nhỏ hơn t bảng. Do đó, các kết quả phân tích của phương pháp SIA-CE-C4D và

phương pháp tiêu chuẩn dùng để so sánh không khác nhau có nghĩa thống kê ở mức

độ tin cậy 95%. Nói cách khác, hai phương pháp được coi là tương đương.

61

KẾT LUẬN

Sau quá trình thực hiện các nội dung nghiên cứu, chúng tôi thu được một số

kết quả sau:

1. Nghiên cứu tối ưu hóa quy trình phần tích các cation: NH4+, Na+, K+,

Mg2+, Ca2+, Ba2+ với giới hạn phát hiện đáp ứng tiêu chuẩn Việt Nam cho nước sinh

hoạt [4]. Các điều kiện tối ưu bao gồm: mao quản silica nóng chảy: đường kính trong

50µm, độ dài mao quản: 70cm, độ dài hiệu dụng: 63cm; dung dịch pha động điện di:

histidine 12mM thêm axit acetic đến pH 4, 18-crown-6 2mM; thể tích bơm mẫu:

100µL; tốc độ đẩy mẫu: SP 16; vị trí van chia dòng: 22/50 của vòng thứ nhất, hiệu

điện thế tách tối ưu là: - 15kV.

2. Đã thẩm định phương pháp tối ưu được qua các thông số về độ lặp lại, độ

đúng và phân tích một số mẫu so sánh với các phương pháp tiêu chuẩn. Qua đó cho

thấy phương pháp tối ưu được hoàn toàn có thể áp dụng vào mục đích quan trắc chất

lượng nước mặt.

3. Áp dụng phương pháp nghiên cứu trong quan trắc chất lượng nước mặt tại

trạm quan trắc cầu Đọ Xá – Thanh Châu – Phủ lý – Hà Nam. Các kết quả phân tích

cho thấy hàm lượng các cation biến đổi theo thời gian. Kết quả đánh giá cho thấy việc

phân tích các cation trong nước mặt bằng phương pháp SIA-CE-C4D và các phương

pháp so sánh: UV – Vis, AAS, AES khác nhau không có nghĩa thống kê, hay nói cách

khác phương pháp SIA-CE-C4D là hoàn toàn tin cậy.

62

ĐỀ XUẤT CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

1. Phát triển hướng nghiên cứu áp dụng thiết bị SIA-CE-C4D có thể phân

tích nhiều đối tượng khác nhau và phân tích đồng thời cả cation, anion từ đó có những

đánh giá chính xác hơn về chất lượng nước mặt.

2. Triển khai áp dụng hệ thiết bị SIA-CE-C4D phục vụ mục đích quan trắc

chất lượng nước liên tục tại các trạm quan trắc, từ đó có thể đánh giá sự thay đổi nồng

độ các ion trong nước theo thời gian, qua đó có hướng xử lý nước trước khi đưa vào

phục vụ sản xuất và sinh hoạt.

63

TÀI LIỆU THAM KHẢO

TIẾNG VIỆT

1. Nguyễn Bích Ngọc, Nguyễn Văn Tăng, Nguyễn Văn Quân, Nguyễn Duy Chiến,

Phạm Thị Thanh Thủy, Dương Hồng Anh, Phạm Hùng Việt, Quan trắc liên

tục không giám sát các anion vô cơ trong mẫu nước môi trường sử dụng hệ

điện di mao quản kết hợp với bộ bơm mẫu tuần tự. Tạp chí Khoa học Đại học

Quốc gia Hà Nội, 2013.

2. Đặng Đình Bạch, Giáo trình hóa học môi trường. 2006, Hà Nội: Nhà xuất bản

khoa học và kĩ thuật.

3. Bộ Tài nguyên và Môi trường, Tổng quan môi trường Việt Nam, 2010: Bộ Tài

nguyên và Môi trường.

4. Bộ Tài nguyên và môi trường, Nước cấp sinh hoạt - Yêu cầu chất lượng (QCVN

38:2011/BTNMT), 2003.

5. Nguyễn Thị Ánh Hường (2010), Nghiên cứu xác định các dạng asen vô cơ trong

nước ngầm bằng phương pháp điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn

không tiếp xúc, Luận án Tiến sĩ Hóa học, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại

học Quốc gia Hà Nội.

6. Phạm Luận, Cơ sở lý thuyết của Sắc kí điện di mao quản hiệu năng cao 2005,

Hà Nội: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên.

7. Nguyễn Đức Vận, Hóa học vô cơ 2006, Hà Nội: Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ

thuật.

TIẾNG ANH

64

8. Arnaud-Neu, F., R. Delgado, and S. Chaves, Critical evaluation of stability

constants and thermodynamic functions of metal complexes of crown ethers

(IUPAC Technical Report). Pure and applied chemistry, 2003. 75(1): p. 71-

102.

9. Dabek-Zlotorzynska, E. and J.F. Dlouhy, Simultaneous determination of alkali,

alkaline-earth metal cations and ammonium in environmental samples by

gradient ion chromatography. Journal of Chromatography A, 1993. 638(1):

p. 35-41.

10. De Blas Bravo, I., et al., Optimization of the trace element determination by

ICP-MS in human blood serum. Journal of Trace Elements in Medicine and

Biology, 2007. 21, Supplement 1(0): p. 14-17.

11. Dolan, J.W., Peak tailing and resolution. LC GC NORTH AMERICA, 2002.

20(5): p. 430-437.

12. Gajewski, M., et al., DFT studies of the electronic structure and geometry of

18-crown-6, hexaaza[18]annulene, and their complexes with cations of the

heavier alkali and alkaline earth metals. Inorganica Chimica Acta, 2008.

361(7): p. 2166-2171.

13. Garcı́a-Fernández, R., J.I. Garcı́a-Alonso, and A. Sanz-Medel, Simultaneous

determination of inorganic anions, calcium and magnesium by suppressed

ion chromatography. Journal of Chromatography A, 2004. 1033(1): p. 127-

133.

14. Glendening, E.D., D. Feller, and M.A. Thompson, An ab initio investigation of

the structure and alkali metal cation selectivity of 18-crown-6. Journal of the

American Chemical Society, 1994. 116(23): p. 10657-10669.

65

15. Hong, U.S., et al., Simultaneous determination of alkali and alkaline earth

metals by ion chromatography with neutral carrier-based ion-selective

electrode detector. Analytica Chimica Acta, 1995. 315(3): p. 303-310.

16. Johns, C., et al., Simultaneous separation of anions and cations by capillary

electrophoresis with high magnitude, reversed electroosmotic flow. Journal

of Chromatography A, 2004. 1050(2): p. 217-222.

17. Krachler, M., et al., Method development for the determination of alkali metals

in samples from pyrochemical reprocessing using ICP-OES and comparison

with sector field ICP-MS. Microchemical Journal, 2012. 105(0): p. 9-14.

18. Kuban, P., et al., New fully portable instrument for the versatile determination

of cations and anions by capillary electrophoresis with contactless

conductivity detection. Electroanalysis, 2007. 19(19): p. 2059-2065.

19. Kwon, S.-M., et al., Simultaneous determination of anions and cations by ion-

exclusion chromatography–cation-exchange chromatography with tartaric

acid/18-crown-6 as eluent. Journal of Chromatography A, 1999. 850(1): p.

79-84.

20. Liou, C.-C. and J.S. Brodbelt, Determination of orders of relative alkali metal

ion affinities of crown ethers and acyclic analogs by the kinetic method.

Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 1992. 3(5): p. 543-

548.

21. Mai, T.D., et al., Capillary electrophoresis with contactless conductivity

detection coupled to a sequential injection analysis manifold for extended

automated monitoring applications. Analytica Chimica Acta, 2010. 665(1):

p. 1-6.

66

22. Padarauskas, A., V. Olšauskaite, and V. Paliulionyte, New electrolyte system

for the determination of ammonium, alkali and alkaline earth cations by

capillary electrophoresis. Analytica chimica acta, 1998. 374(2): p. 159-165.

23. Paulsen, M. and B. Hay, Conformational analysis of crown ethers. Part 3. Alkali

and alkaline earth cation complexes of 15-crown-5. Journal of Molecular

Structure: THEOCHEM, 1998. 429: p. 49-59.

24. Shakulashvili, N., T. Faller, and H. Engelhardt, Simultaneous determination of

alkali, alkaline earth and transition metal ions by capillary electrophoresis

with indirect UV detection. Journal of Chromatography A, 2000. 895(1–2):

p. 205-212.

25. Shintani, H. and J. Polonský, Handbook of capillary electrophoresis

applications. 1997: Blackie academic & professional London.

26. Yang, Q., et al., Simultaneous separation of ammonium and alkali, alkaline

earth and transition metal ions in aqueous-organic media by capillary ion

analysis. Journal of Chromatography A, 1994. 688(1–2): p. 339-349.

27. De Blas Bravo, I., et al., Optimization of the trace element determination by

ICP-MS in human blood serum. Journal of Trace Elements in Medicine and

Biology, 2007. 21: p. 14-17.

28. Greenberg, A., L.S. Clesceri, and A.D. Eaton, Standard methods for the

examination of water and wastewater, 20th ed'99. 1998.

29. Kubáň, P. and P.C. Hauser, Contactless Conductivity Detection in Capillary

Electrophoresis: A Review. Electroanalysis, 2004. 16(24): p. 2009-2021.

30. Šimuničová, E., D. Kaniansky, and K. Lokšíková, Separation of alkali and

alkaline earth metal and ammonium cations by capillary zone

67

electrophoresis with indirect UV absorbance detection. Journal of

Chromatography A, 1994. 665(1): p. 203-209.

68

PHỤ LỤC

1. Một số bảng kết quả tính toán độ phân giải giữa các pic Ca2+/Na+ và Na+/Mg2+

Bảng 1. Độ phân giải giữa hai pic Ca2+/Na+ phụ thuộc vào thể tích bơm mẫu

Thể tích bơm

mẫu

Thời gian lưu

của Ca2+ Thời gian

lưu của Na+

Độ rộng pic

của Ca2+ Độ rộng pic

của Na+

Độ phân giải

của hai pic

Ca2+ và Na+

50µL 541,1 569,2 19,1 13,8 2.6

100 µL 553,9 581,2 28,5 17,8 2.5

150 µL 569,2 595,6 34,1 22,4 2.0

200 µL 564,6 591,9 37,6 23,5 1.5

250 µL 589,0 616,1 46,1 24,7 0,8

Bảng 2. Độ phân giải giữa hai pic Na+/Mg2+ phụ thuộc vào thể tích bơm mẫu

Thể tích bơm

mẫu

Thời gian lưu của pic Na+

(s)

Thời gian lưu của pic Mg2+

(s)

Độ rộng pic của Na+

Độ rộng pic của Mg2+

Độ phân giải của hai pic

Na+ và Mg2+ 50µL 569,2 598,4 13,8 16,2 1,9

100 µL 581,2 611,8 17,8 24,3 1,5

150 µL 595,6 626,1 22,4 25,8 1,3

200 µL 591,9 623,3 23,5 31,1 1,1

250 µL 616,1 647,6 24,7 31,8 1,1

Bảng 3. Độ phân giải giữa hai pic Ca2+/Na+ phụ thuộc vào tốc độ đẩy mẫu

Tốc độ đẩy

mẫu

Thời gian lưu


lưu của Na+ Độ rộng pic


của Na+

Độ phân giải

của hai pic

Ca2+ và Na+

SP14 503,7 530,4 15,9 12,1 1,9

SP15 543,7 569,4 30,2 18,3 1,1

SP16 551,5 581,0 25,3 16,6 1,4

SP17 539,9 568,4 20,3 16,3 1,6

SP18 533,3 560,9 20,4 18,0 1,4

Bảng 4. Độ phân giải giữa hai pic Na+/Mg2+ phụ thuộc vào tốc độ đẩy mẫu

Tốc độ đẩy

mẫu


(s)


(s)




Na+ và Mg2+ SP14 530,4 554,6 12,1 14,9 1,8

SP15 611,3 595,1 18,3 18,4 1,4

SP16 581,0 612,2 16,6 22,0 1,6

SP17 568,4 597,8 16,3 18,7 1,7

SP18 560,9 589,2 18,0 18,9 1,5

Bảng 5. Độ phân giải giữa hai pic Ca2+/Na+ phụ thuộc vào vị trí van chia dòng

Vị trí van chia

dòng

Thời gian lưu




của Na+

Độ phân giải

của hai pic

Ca2+ và Na+

VP14 504,6 530,2 24,6 18,2 1,2

VP16 523,7 551,4 21,6 15,6 1,5

VP18 523,5 551,4 18,6 16,6 1,6

VP20 517,3 544,6 17,7 14,3 1,7

VP22 513,9 541,3 17,4 13,2 1,8

VP24 519,7 548,8 14,6 11,5 2,2

Bảng 6. Độ phân giải giữa hai pic Na+/Mg2+ phụ thuộc vào vị trí van chia dòng

Vị trí van

chia dòng


(s)


(s)




Na+ và Mg2+ VP14 530,2 555,5 18,2 22,2 1,2

VP16 551,4 578,3 15,6 20,1 1,5

VP18 551,4 578,4 16,6 20,1 1,5

VP20 544,6 570,8 14,3 17,0 1,7

VP22 541,3 567,6 13,2 16,3 1,8

VP24 548,8 574,8 11,5 13,9 2,1

Bảng 7. Độ phân giải giữa hai pic Ca2+/Na+ phụ thuộc vào hiệu điện thế tách

Hiệu điện thế

tách

Thời gian lưu



của Ca2+

Độ rộng pic

của Na+

Độ phân giải

của hai pic

Ca2+ và Na+

HV -10kV 773,3 813,4 27,9 20,9 1,6

HV -15kV 513,9 541,3 17,4 13,2 1,8

HV -20kV 389,3 409,9 13,4 9,8 1,8

Bảng 8. Độ phân giải giữa hai pic Na+/Mg2+ phụ thuộc vào hiệu điện thế tách

Vị trí van

chia dòng


(s)


(s)




Na+ và Mg2+ HV -10kV 813,4 852,9 20,9 25,0 1,7

HV -15kV 541,3 567,6 13,2 16,3 1,8

HV -20kV 409,9 429,7 9,8 13,5 1,7

Documents

Phân tích các cation trong mẫu nước và ứng dụng trong quan trắc chất lượng nước mặt