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

1. Giới thiệu chung [1],[2],[3] Ô nhiễm môi 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 có nhiều chất ô nhiễm nguy hại được đưa vào môi trường tự nhiên. Trong đó, nhiều chất gây ung thư, gây tác hại nghiêm trọng cho môi 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 môi trường thường tồn tại ở dạng siêu vết (cỡ ppb ≈ μg/l) hoặc nhỏ hơn. Hiện nay, mặc dù các phương pháp phân tích công cụ hiện đại đã và đang phát triển, xong việc xác định trực tiếp hàm lượng chất độc trong mẫu môi trường là rất khó khăn. Chính vì vậy, việc tách và làm giàu chất phân tích kết hợp với các phương pháp phân tích hiện đại là rất có 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 có 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 môi, thao tác đơn giản, dễ tự động hoá 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 vô cơ, hiện còn chưa nhiều. Do vậy, đây là một hướng còn “mở” đối với các nhà phân tích. Đặc biệt là việc ứng dụng các loại nhựa vòng càng (chelating resin) có khả năng tạo phức bền với các ion kim loại độc trong mẫu môi 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 môi 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 môi và chỉ sử dụng dung môi không trộn lẫn nên việc lựa chọn dung môi rất khó khăn, thao tác thí nghiệm phức tạp và hiệu suất làm giàu không 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 công nhận trên toàn thế giới. Từ đó 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 môi trường. Chiết pha rắn (hay chiết rắn-lỏng) là quá trình phân bố các chất tan giữa hai pha lỏng và rắn. Trong đó, chất tan ban đầu ở trong pha lỏng (nước hoặc dung môi hữu cơ), chất để hấp thụ chất tan ở dạng rắn (dạng hạt, nhỏ và xốp) gọi là pha rắn Pha rắn (còn được gọi là pha tĩnh) thường là các hạt silica gel xốp trung tính, hạt oxit nhôm, silica gel trung tính đã được ankyl hoá nhóm –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 có kích thước 5 ( 1 cm) hoặc nén ở dạng đĩa dày 1 - 2 mm với đường kính 3 - 4 cm (đĩa chiết). Hình 1. Cột chiết pha rắn Pha lỏng là pha chứa chất cần phân tích, chúng có thể là dung môi 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 nhóm (hoặc một số nhóm) của chất phân tích lại trên pha rắn, các chất còn lại đi ra khỏi cột cùng với dung môi hòa tan mẫu. Quá trình rửa giải (giải hấp) chất phân tích được thực hiện bằng một dung môi 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 . Thông thường, thể tích dung dịch rửa giải nhỏ hơn nhiều lần so với dung dịch mẫu ban đầu, điều này có 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. Một 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 xốp ( có đường kính từ 5-10
). Chất chiết được gọi là pha tĩnh và được nhồi vào nột cột sắc ký nhỏ (kích thước 10*1cm hay dung lượng 5-10ml) các hạt chất chiết có độ xốp lớn với diện tích bề mặt thường 50-100m2/gam. Khi xử lý mẫu dung dịch chứa chứa chất mẫu được dội lên pha rắn trong các cột sắc ký. Lúc này pha tĩnh sẽ tương tác với các chất mẫu và giữ lại một ít nhóm chất phân tích trên cột ( pha tĩnh) . Còn các nhóm khác sẽ đi ra khỏi cột cùng với với dung môi hào tan mẫu . Như thế ta sẽ thu được nhóm chất phân tích tồn tại trên pha tĩnh . Sau đó dùng dung môi thích hợp hòa tan tốt 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 đổi ion Chất rây hay sàng lọc phân tử theo kích thước hay độ 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 bố của các chất phân tích trên 2 pha : pha rắn ( chất chiết) và pha động ( dung dịch chứa chất phân tích). Trong những điều kiện nhất định :pH, dung môi nhiệt độ , tốc độ chảy của dung môi qua cột chiết . Vì thế hằng số phân bố nhiệt động Kb của chất phân tích giữa hai pha cũng là một yếu tố 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 đổi chọn lọc với một hay một nhóm ion nhất định( tính chọn lọc của pha chiết). Hệ số phân bố nhiệt động 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 không 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 Không làm nhiểm bẩn chất phân tích Sự chiết được thực hiện trong một số điều kiện nhất định, phù hợp và lặp lại được, càng đơn giản càng tốt. 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 đó chứa một thể tích xác định dung dịch hoà tan chất cần phân tích, sau đó cho vào cốc một lượng pha rắn thích hợp. Điều chỉnh môi trường, lắc hay khuấy dung dịch trong thời gian nhất định để quá trình phân bố chất tan giữa hai pha xảy ra hoàn toàn. 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 có 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 môi thích hợp và sau đó xác định nồng độ bằng một trong các phương pháp phân tích công 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 không 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 khô và đưa trực tiếp vào buồng bay hơi mẫu của máy sắc ký khí. Cũng có thể hoà tan chất bị hấp thụ trên sợi pha rắn vào các dung môi 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. Có 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 mô 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 môi chạy qua làm ướt vật liệu, solvat hóa các nhóm chức của chất hấp thụ và đuổi không khí, lấp đầy các khoảng trống bằng dung môi. Sau đó, cột được làm ướt bằng dung dịch đệm hoặc nước cất để có hiệu quả hấp thụ tốt đối với các mẫu là dung dịch nước (chất hấp thụ phải luôn được ngâm trong dung môi). Trong thực tế, nếu để khô cột thì khả năng hấp thụ xảy ra không hoàn toàn 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 có 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 còn các chất khác cùng dung môi đi ra khỏi cột. Cũng có trường hợp chất gây cản trở bị giữ lại trên cột, còn chất phân tích đi ra khỏi cột cùng với dung môi. Sau đó chất phân tích được thu hồi và xác định bằng một phương pháp phân tích công 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 vòng càng,… Quá trình hấp thụ này có 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 môi hữu cơ. Nếu mẫu được hòa tan trong dung môi hữu cơ thì khi rửa cột có thể dùng chính dung môi đó. Bước 4: Rửa giải Đây là bước cuối cùng để thu hồi chất phân tích. Dung môi được chọn phải phá vỡ dễ dàng tương tác giữa chất phân tích và chất hấp thụ. Thể tích dung môi 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.
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 bố của chất phân tích vào hai pha lỏng (dung môi) không trộn lẫn vào nhau ( trong hai dung môi này có một dung môi chứa chất phân tích ) để trong một dụng cụ chiết như phễu chiết, bình chiết . Vì thế hệ số phân bố nhiệt động Kb của cân bằng chiết là yếu tố quyết định hiệu quả của sự chiết. * Quá trình chiết pha rắn ở đây thực chất cũng là sự phân bố của các chất phân tích trên 2 pha : pha rắn ( chất chiết) và pha động ( dung dịch chứa chất phân tích). Trong những điều kiện nhất định :pH, dung môi nhiệt độ , tốc độ chảy của dung môi qua cột chiết . Vì thế hằng số phân bố nhiệt động Kb của chất phân tích giữa hai pha cũng là một yếu tố 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 nó 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 môi trường động khí hoặc lỏng và đối với môi 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 có nhiều ưu điểm nổi bật hơn cụ thể như sau: - Thao tác nhanh, đơn giản và dễ tự động hoá: mẫu phân tích được cho chảy qua cột với tốc độ thích hợp (điều khiển bằng máy hút chân không 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 có thể tự động hóa một cách dễ dàng. Mặc dù LLE cũng có vài khâu có thể tự động hóa nhưng nhìn chung các thao tác phức tạp hơn nhiều. - Sử dụng ít dung môi: mẫu sau khi được xử lý sơ bộ và điều chỉnh môi trường được cho qua cột trực tiếp. Sau đó chỉ cần một lượng rất nhỏ dung môi rửa giải là có thể rửa giải chất cần phân tích ra khỏi cột. Ngược lại, trong kỹ thuật LLE đòi hỏi phải sử dụng một lượng dung môi lớn (chủ yếu là dung môi hữu cơ). - Điều kiện tách đơn giản: do cân bằng phân bố chất tan giữa hai pha xảy ra nhiều lần nên chỉ cần có sự khác nhau hợp lý về khả năng chiết là có thể tách hoàn toàn hai chất tan ra khỏi nhau. Việc lựa chọn dung môi đối với SPE đơn giản hơn LLE. Hơn nữa, kỹ thuật LLE cần phải sử dụng dung môi không trộn lẫn nên việc lựa chọn dung môi khó 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 môi trường [1],[2],[3],[5] Kỹ thuật SPE có thể áp dụng cho phân tích các hợp chất hữu cơ và hợp chất vô cơ (ion kim loại) trong các mẫu môi trường. Trong phần này, chúng tôi chỉ trình bày phần ứng dụng của kỹ thuật SPE trong phân tích siêu vết các ion kim loại trong các đối tượng môi 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 đó, 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 vòng khó phân huỷ (Polycyclic aromatic hydrocarbons – PAHs),… trong các loại mẫu nước. 5.2. Ứng dụng kỹ thuật chiết pha rắn trong phân tích chất vô 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 môi trường (bảng 2). Có 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 có 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... có thể trao đổi với ion OH- của nhựa trao đổi anion và được lưu giữ trên nhựa. Dựa vào những tính chất đó người ta có thể vừa làm giàu vừa tách chúng ra khỏi một số ion cản trở khác. Ngoài ra, theo phương pháp này có thể rửa giải chọn lọc các ion kim loại bằng các tác nhân tạo phức hữu cơ hoặc vô 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 môi trường HCl 10 - 12 M, CoII và FeIII bị giữ lại trên nhựa trao đổi anion dưới dạng CoCl42- và FeCl4-; NiII không tạo phức âm nên đi ra khỏi cột. Sau đó dùng dung dịch HCl loãng 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 không 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 hoá, đồng phân của thuốc, dược phẩm phân cực.   Silica  Pha thường, pha trung hoà, phân cực  Tách các dạng phân cực (từ thấp đến trung bình) ra khỏi dung môi không 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 môi không 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 môi không nước; Tách các chất trao đổi cation yếu.   Nhựa trao đổi cation  Trao đổi cation  Tách các chất định phân cation trong dung môi nước hoặc không nước; Phân chia các protein và enzim có tính bazơ yếu.   Nhựa trao đổi anion  Trao đổi anion  Tách các chất định phân anion trong dung môi nước hoặc không 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 có 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 hoá của nó 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 môi hữu cơ; Dược phẩm và các dạng chuyển hoá.   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 vòng 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 bón  F-AAS   3-Aminopropyltriethoxysilane  CuII, CdII  Nước biển  F-AAS   Polypropylene  CdII  Nước sông, nước máy và nước uống đóng 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, tóc, 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 có thể tạo phức với chất phân tích và phức tạo thành có thể được giữ lại trên vật liệu hấp phụ khi cho mẫu qua cột. Theo phương pháp này, có 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 hoà điện. Sau đó, cho dung dịch chảy qua các cột SPE. - Tiến hành hoạt hóa 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 có 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 vòng càng Nguyên tắc của phương pháp là các ion kim loại sẽ bị giữ lại bởi các nhóm chức tạo vòng càng trên các tiểu phần pha rắn (nhựa vòng càng) trong khi các ion khác đi ra khỏi cột cùng môi trường mẫu. Sau đó, cho dung dịch axit hoặc tác nhân tạo phức khác (dung dịch rửa giải) có nồng độ thích hợp đi qua để phá vỡ phức vòng càng giữa ion kim loại và nhóm chức trên pha rắn. Một số dạng nhựa vòng càng thương mại thường được sử dụng như: a. Nhựa có nhóm chức IminoDiacetic Acid Loại nhựa có chứa nhóm chức IminoDiacetic Acid (IDA) được sử dụng phổ biến với tên thương phẩm như: Dowex A-1, Chelex 100, Muromac A1,… Chúng đều có cấu trúc chung là có nhóm IDA. Cấu tạo của nhóm IDA như sau:
Nhóm chức IDA liên kết được với nhiều kim loại thông qua nguyên tử nitơ và hai nhóm carboxyl. Hiện nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu sử dụng các loại nhựa này để tách và làm giàu lượng vết các nguyên tố kim loại trong môi trường. Các dạng tồn tại khác nhau của nhựa Chelex 100 được xác định qua cân bằng (1). Dựa vào các dạng tồn tại, có thể giải thích cơ chế hình thành phức ở các giá trị pH khác nhau giữa các ion kim loại với nhóm chức IDA.
Đối với các loại nhựa vòng càng, quá trình hấp phụ chất phân tích lên nhựa là quá trình tạo phức vòng càng của chất phân tích với nhóm chức IDA và bị giữ lại trên cột khi cho mẫu qua cột. Sau đó, khi dùng môi trường axit để rửa giải, axit sẽ bẻ gãy liên kết vòng càng và giải phóng 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 nhóm chất phân tích. Mặt khác, để thuận lợi cho quá trình hấp phụ chất phân tích, nhóm 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 có thể được giải thích qua ví dụ phản ứng giữa ion CuII và Dowex-100 được mô tả như phương trình (2) (cấu trúc bát diện) Dạng tổng quát của phức giữa kim loại với nhóm 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 nhóm chức có 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 có chứa nhóm IDA.
b. Nhựa biến tính với các nhóm chức khác nhau Các loại nhựa kiểu này được tổng hợp bằng cách gắn các nhóm chức khác nhau lên cấu trúc của vật liệu hấp phụ. Chẳng hạn như: - Nhựa hydroxamic axit được tổng hợp bằng cách gắn nhóm chức hydroxamic axit vào vòng benzen trong các hạt nhựa XAD-4. Công thức cấu tạo của hạt nhựa có thể biểu diễn như sau:
- Đối với nhựa vòng càng có chứa nhóm thiol (—SH) dễ tạo phức với ion AgI, HgII, PbII là các ion kim loại có ái lực đối với lưu huỳnh. Điển hình trong số các loại nhựa này là các loại nhựa có chứa nhóm thioglycolate (—OCOCH2S) gắn vào vòng benzen của nhựa XAD-4. - Các chất trao đổi ion cellulose phosphate: chứa nhóm 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 môi 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:
Ngoài các kiểu biến tính vật liệu hấp phụ như được trình bày còn 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; (-nitroso-(-naphthol; 1-(2-pyridilazo)-2-naphtol; 3,4-dihydroxybenzoic acid; pyrocatechol,… Chính vì vậy, việc biến tính nhựa bằng các nhóm chức khác nhau là một hướng rất đáng quan tâm để có thể xác định được dạng tồn tại của ion kim loại. Tóm 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 môi trường rất có nhiều triển vọng và có tính khả thi trong việc xác định siêu vết hoặc nhỏ hơn các chất hữu cơ và các chất vô cơ. 5.3. Một số ứng dụng chiết pha rắn trong thực tế.[4],[5],[6],[7] 1) Nghiên cứu xác định một số hợp chất clo trong mặt nước và đất trên địa bàn thành phố Đà Nẵng( Tạp chí khoa học công nghệ –Đà Nẵng). Trong đề tài tác giả dùng cột chiết C18. Kết quả như sau: Kết quả tính toán 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 , Tô 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 có thể phân tích mẫu ở hàm lượng vài ppb. Tất cả các chất trên ñều có giới hạn ñịnh lượng thấp hơn quy ñịnh 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 Đỗ Quang Trung). Trong đề tài tác giả hệ 2 cột nhựa vòng càng Chelex-100 và nhựa trao đổi 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 một số đối tượng với kế quả như sau: Phụ lục 1 . Công dụng một số loại cột Phụ lục 2. Sơ đồ lựa chọn cột phân tích TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Luận Giáo trình môi trường và quan trắc môi trường Đại học khoa học tự nhiên Đại học quốc gia Hà Nội 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 quốc gia Hà Nội. 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 Đông, Tô 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