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
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.
Nguyễn Duy Chiến
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
2+
, Ca
2+
, Ba
2+
bằng phương pháp điện di mao quản
sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc kết nối kiểu tụ điện (CE-C
4
D)
trên hệ điện di bằng tay 27
3.1.2. Khảo sát các điều kiện tối ưu phân tích đồng thời các cation:
NH
4
+
, Na
+
, K
+
, Mg
2+
, Ca
2+
, Ba
2+
trên hệ SIA-CE-C
4
D 34
3.1.3. Kết luận chung 47
3.2. Thẩm định phương pháp nghiên cứu 47
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 NH
4
+
, Na
+
, K
+
, Mg
2+
, Ca
2+
, Ba
2+
sử
dụng các hệ đệm khác nhau 28
Hình 9. Giản đồ điện di khi phân tách các cation NH
4
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
Bảng 12. Nồng độ các cation trong các mẫu so sánh giữa phương pháp SIA-CE-C
4
D
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-C
4
D 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
C
4
D: 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)
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
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 Mg
2+
, Ca
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 NH
4
+
, Na
+
, K
+
, Mg
2+
, Ca
2+
[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
4
D 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
. V/L (1.1)
Trong đó: v
i
: tốc độ di chuyển của ion
μ
i
: 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 (f
e
) và lực ma sát của phần tử tích điện với thành mao
quản (f
f
).
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)
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
D
= ( εkT)/(8πe
2
I
i
) (1.8)
Trong đó: e: điện tích của proton
k: hằng số Bolzơman
T: nhiệt độ Kenvil
I
i
: 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 R
D
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:
v
EOF
= E.(ε. ζ)
+ µ
EOF
) (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
Copyright: Tài liệu đại học ©