mục lục

Trang
Mở đầu
1
Chơng 1. Tổng quan
3
1.1. Phơng pháp điện di mao quản
3
1.1.1. Giới thiệu chung về phơng pháp điện di mao quản 3
1.1.2. Các quá trình xảy ra trong mao quản 4
1.1.3. Độ điện di, tốc độ điện di và thời gian điện di 5
1.1.4. Mao quản (cột tách) trong phơng pháp điện di mao
quản
7
1.1.5. Lớp điện kép trên thành mao quản và dòng điện di thẩm
thấu trong phơng pháp điện di mao quản
8
1.1.6. Độ phân giải trong phơng pháp điện di mao quản 12
1.1.7. Các kỹ thuật làm giàu chất phân tích trong phơng pháp
điện di mao quản
12
1.1.7.1. Các kỹ thuật làm giàu động học 13
1.1.7.2. Dòng điện di thẩm thấu và quá trình làm giàu chất
phân tích trên cột mao quản
16
1.1.8. Các detector thông dụng trong phơng pháp điện di mao
quản
22
1.1.8.1. Nguyên tắc định lợng 22
1.1.8.2. Sự phát hiện chất trong phơng pháp điện di mao

2.2. Phơng pháp nghiên cứu
36
2.2.1. Nguyên tắc cơ bản của detector độ dẫn 36
2.2.2. Detector độ dẫn kiểu tiếp xúc 36
2.2.3. Detector độ dẫn kiểu không tiếp xúc 37
2.2.2. Detector độ dẫn không tiếp xúc dùng cho mao quản 38
2.3. Trang thiết bị và hóa chất
40
2.3.1. Thiết bị
40
2.3.1.1. Thiết bị điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn
không tiếp xúc kết nối theo kiểu tụ điện
40
2.3.1.2. Các dụng cụ và thiết bị khác 42
2.3.2. Vật liệu và hóa chất 42
2.3.3. Các nguồn mẫu 44
2.4. Các thông số đánh giá độ tin cậy của phơng pháp phân
tích
45
2.4.1. Độ lặp lại 45
2.4.2. Độ đúng 45
2.4.3. Độ nhạy 45
2.4.4. Giới hạn phát hiện và giới hạn định lợng 45
2.5. Kết luận chung chơng 2
46
Chơng 3. Kết quả và thảo luận
47
3.1. Khảo sát các điều kiện tối u phân tích đồng thời As(III)
và As(V) bằng phơng pháp điện di mao quản sử dụng
detector độ dẫn không tiếp xúc kết nối theo kiểu tụ điện

73
3.3. Khảo sát các điều kiện tối u phân tích As(III) bằng
phơng pháp điện di mao quản CE-C
4
D
74
3.3.1. Khảo sát lựa chọn dung dịch pha động điện di 74
3.3.2. Khảo sát lựa chọn thời gian bơm mẫu 81
3.3.3. Khảo sát ảnh hởng của các ion nền cơ bản 83
3.3.4. Nghiên cứu xác định As(III) bằng cách oxy hóa lên
As(V)

85
3.3.4.1. Nghiên cứu ôxy hóa As(III) lên As(V) bằng H
2
O
2
86
3.3.4.2. Nghiên cứu ôxy hóa As(III) lên As(V) bằng MnO
4
-
86
3.3.4.3. Nghiên cứu ôxy hóa As(III) lên As(V) bằng Cr
2
O
7
2-
87
3.3.4.4. Nghiên cứu ôxy hóa As(III) lên As(V) bằng hỗn
hợp Cr

D cho mục 101
®Ých ph©n tÝch asen t¹i hiÖn tr−êng
3.5. KÕt luËn chung ch−¬ng 3
104
KÕt luËn
106
®Ò xuÊt c¸c h−íng nghiªn cøu tiÕp theo
109
Danh môc c¸c c«ng tr×nh ®−îc c«ng bè liªn
quan ®Õn luËn ¸n
110
TμI liÖu tham kh¶o
111
Phô lôc
124
Danh mục các bảng

Trang
Bảng 1.1
Ví dụ về độ điện di
e
và
tot
của các ion
7
Bảng 1.2 Các cách kiểm tra và khống chế dòng điện di thẩm
thấu (EOF)

Bảng 3.10 Đờng chuẩn phân tích As(V) 71
Bảng 3.11
Độ lặp lại thực hiện với nồng độ As(V) 25 g/L
72
Bảng 3.12 Kết quả hệ số thu hồi của As(V) 73
Bảng 3.13 Kết quả so sánh phân tích As(V) bằng phơng pháp
CE-C
4
D và HVG-AAS
74
Bảng 3.14 Kết quả khảo sát các dung dịch pha động điện di
dùng trong phân tích As(III) bằng phơng pháp điện
di mao quản CE-C
4
D
76
Bảng 3.15 Kết quả khảo sát ảnh hởng của Mn
2+
84
Bảng 3.16 Kết quả khảo sát ảnh hởng của Fe
2+
84
Bảng 3.17 Hiệu suất thu hồi As(III) sau phản ứng ôxy hóa lên
As(V)
91
Bảng 3.18 Kết quả phân tích asen trong mẫu nớc ngầm so sánh
với phơng pháp HVG-AAS hoặc ICP-MS
92
Bảng 3.19 Kết quả phân tích As(III) và As(V) trong mẫu nớc
ngầm tại hiện trờng và trong phòng thí nghiệm

Hình 1.11 Mô tả các kỹ thuật bơm mẫu 26
Hình 1.12 Giản đồ phân bố các dạng asen theo Eh-pH 27
Hình 2.1 Mô hình detector đo độ dẫn tiếp xúc và mạch điện
tơng đơng
37
Hình 2.2 Mô hình detector đo độ dẫn không tiếp xúc dùng cho
mao quản và mạch điện tơng đơng
38
Hình 2.3 Mô hình nguyên tắc cấu tạo của thiết bị điện di mao
quản và detector đo độ dẫn không tiếp xúc kết nối
41
theo kiểu tụ điện (C
4
D)
Hình 3.1
Tính chất điện di của As(III) và As(V) 10 M trong
dung dịch pha động điện di Arg 15 mM - axit
ascobic 7,5 mM
48
Hình 3.2
Tính chất điện di của As(III) và As(V) 10 M trong
dung dịch pha động điện di Arg 15 mM - axit aspatic
7,5 mM
48
Hình 3.3
Sự phân tách của As(V) và photphat 10 M trong
dung dịch pha động điện di Arg - axit ascobic với các
nồng độ khác nhau
50
Hình 3.4

62
Hình 3.13
Điện di đồ phân tích As(V) 1,3 M đợc thêm vào
nền mẫu nớc ngầm trong sự có mặt của photphat với
thời gian bơm mẫu 120 s
63
Hình 3.14
Điện di đồ phân tích As(V) 1,3 M trong các dung
dịch có nồng độ NO
3
-
khác nhau
64
Hình 3.15
Điện di đồ phân tích As(V) 1,3 M trong các dung
dịch có nồng độ cacbonat khác nhau
65
Hình 3.16
Điện di đồ phân tích As(V) 1,3 M trong các mẫu
khi thêm các thể tích khác nhau của dung dịch HCl
0,1 M
67
Hình 3.17 Khảo sát ảnh hởng của Si(IV), Ge(IV) và Se(VI) 69
Hình 3.18 Điện di đồ thể hiện sự phân giải giữa pic của As(V)
và photphat
70
Hình 3.19 Đờng chuẩn phân tích As(V) trong khoảng từ 10 -
100 g/L
71
Hình 3.20 So sánh phân tích As(V) bằng hai phơng pháp

120s đối với dung dịch chuẩn As(III) 100 M và từ
60s đến 120s thực hiện trên nền mẫu nớc ngầm
82
Hình 3.28 Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của chiều cao pic
As(III) vào nồng độ Mn
2+

83
Hình 3.29 Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của chiều cao pic
As(III) vào nồng độ Fe
2+

84
Hình 3.30
Điện di đồ của mẫu chứa As(III) 0,3M và 300L
H
2
O
2
30% trong 2 mL HCl 2 mM
86
Hình 3.31
Điện di đồ phân tích As(III) 0,7 M bằng cách oxy
hóa lên As(V) bằng MnO
4
-
3,5.10
-5
M với các lần đo
khác nhau

94
Hình 3.35 So sánh việc phân tích asen trong mẫu nớc ngầm
giữa phơng pháp CE-C
4
D và HVG-AAS hoặc ICP-
MS
95
Hình 3.36 Mô hình hệ thiết bị điện di mao quản cho mục đích
phân tích hiện trờng
97
Hình 3.37 Mô hình mạch điện của hệ thiết bị CE-C
4
D có khả
năng thực hiện phân tích tại hiện trờng
99
Hình 3.38 Hình ảnh minh họa việc thực hiện phân tích sử dụng
thiết bị phân tích hiện trờng CE-C
4
D tại xã Vạn
Phúc (Thanh Trì - Hà Nội)
103
Hình 3.39 Quy trình phân tích các dạng asen vô cơ trong nớc
ngầm bằng phơng pháp CE-C
4
D
104


CTAB : cetyltrimetylamoni bromua
CZE : điện di mao quản vùng
DC : dòng điện một chiều
DETA : dietylentriamin
DIPSO : axit 3-amino-2-hydroxypropansulfonic
DMA : axit dimetylasinic
EOF : dòng điện di thẩm thấu
HEPES : axit 4-(2-hydroxyetyl)piperazin-1-etansulfonic
HEPPSO : axit [2-hydroxyetyl-1-piperazinyl]propansulfonic
HPCE : điện di mao quản hiệu năng cao
HPLC : sắc ký lỏng hiệu năng cao
HVG-AAS : quang phổ hấp thụ nguyên tử kết hợp với thiết bị hyđrua hóa
IC : sắc ký ion
ICP-MS : kỹ thuật plasma cảm ứng ghép nối với khối phổ
ITP : kỹ thuật làm giàu đẳng điện
LE : chất điện phân dẫn
L
eff
: tổng chiều dài mao quản
L
tot
: chiều dài hiệu dụng của mao quản
MEKC : điện di mao quản điện động học Mixen
MES : axit 2-mopholinetansulfonic
MMA : axit monometylasonic
MOPS : axit 3-mopholinpropansulfonic
MOPSO : axit 2-hydroxy-3-mopholinpropansulfonic
PGD : kỹ thuật phát hiện gradien thế
R
sol

ghép nối với khối phổ (ICP-MS). Detector này cũng cho độ nhạy tơng đối tốt
với hầu hết các hợp phần vô cơ, hơn nữa, các ứng dụng của nó không giới hạn
chỉ cho các hợp phần vô cơ mà còn ứng dụng khá nhiều cho các hợp phần hữu
cơ và sinh học. Phơng pháp điện di mao quản với detector độ dẫn không tiếp
xúc kiểu kết nối tụ điện (CE-C
4
D) cũng đã đợc áp dụng thành công cho việc
phân tích các kim loại nói chung [16, 52, 61] và phân tích riêng rẽ các dạng
selen [60] và crom [59] nói riêng. Điều này mở ra khả năng ứng dụng của
phơng pháp trong việc phân tích tổng hàm lợng hoặc riêng rẽ các dạng của
các nguyên tố nói chung và phân tích asen trong nớc ngầm nói riêng - một
vấn đề hiện đang là mối quan tâm không chỉ của Việt Nam mà còn của nhiều
quốc gia trên thế giới [8, 18, 31, 41, 62, 66, 83]. Việc phân tích riêng rẽ các
dạng asen (bao gồm các dạng asen vô cơ As(III), As(V) và asen hữu cơ nh

2
axit monometylasonic (MMA), axit dimetylasinic (DMA), ) rất có ý nghĩa
khi đánh giá khả năng tác động của ô nhiễm asen trong nớc ngầm tới sức
khỏe của ngời sử dụng vì các dạng asen vô cơ trong tự nhiên chiếm tỷ lệ cao
hơn, đồng thời cũng có độc tính cao hơn so với các dạng asen hữu cơ [41, 83].
Từ đó, có thể giúp các nhà quản lý đề ra các biện pháp nhằm ngăn ngừa và
giảm thiểu nguy cơ phơi nhiễm asen của ngời dân do sử dụng nguồn nớc
ngầm bị ô nhiễm asen.
Với đề tài Nghiên cứu xác định các dạng asen vô cơ trong nớc
ngầm bằng phơng pháp điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn không
tiếp xúc, bản luận án chủ yếu tập trung vào việc nghiên cứu tối u hóa quy
trình phân tích các dạng asen vô cơ là As(III) và As(V) trong nớc ngầm
bằng phơng pháp điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc,
sao cho đạt độ nhạy đáp ứng đợc hàm lợng asen trong nớc ngầm (50 g/L)
theo QCVN 09: 2008/BTNMT [1], hoặc tốt hơn nữa là đáp ứng yêu cầu chất

nh sau:
1. Điện di mao quản (Capillary Electrophoresis: CE),
2. Điện di mao quản vùng (Capillary Zone Electrophoresis: CZE),
3. Sắc ký điện di mao quản điện động học Mixen (Micellary Capillary
Electro-Kinetic Chromatography: MEKC hay MCEKC),
4. Sắc ký điện di mao quản gel (Capillary Gel Electrophoresis
Chromatography: Gel-CEC),

4
5. Sắc ký điện di mao quản hội tụ đẳng điện (Capillary Iso-electric
Focusing Chromatography: CIEFC).
6. Sắc ký điện di mao quản đẳng tốc độ (Capillary Iso-Tacho-Phoresis
Chromatography: CITPC).

Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo của một hệ phân tích điện di mao quản
1.1.2. Các quá trình xảy ra trong mao quản [3, 4, 97]
Trong quá trình điện di, dới tác dụng của điện trờng E tạo ra do điện
thế V đặt vào hai đầu mao quản, các quá trình dới đây sẽ xảy ra trong mao
quản:
1. Sự xuất hiện lớp điện kép sát thành mao quản,
2. Trong mao quản có dòng điện i ( 5 - 200 A),
3. Xuất hiện dòng điện di thẩm thấu (EOF),
4. Sự tơng tác của các chất trong mẫu và pha động với thành mao
quản,
5. Sự khuếch tán, hay hội tụ của vùng mẫu các chất, khi di chuyển,

5
6. Sự phân bố của các chất giữa hai pha (pha động và pha tĩnh), khi mao
quản có pha tĩnh thật (SP) hay pha tĩnh giả (các mixen trong hệ
MEKC),

thức trên có thể suy ra công thức tính độ linh động của ion nh sau:

6
= v/E = q/(6...r) (1.4)
Nh vậy, độ linh động tỷ lệ thuận với điện tích q của ion chất phân
tích, và tỷ lệ nghịch với độ nhớt của dung dịch pha động điện di và độ lớn
(bán kính

hyđrat r) của ion chất phân tích. Nghĩa là, trong một điện trờng E
nhất định, thì phần tử nào có điện tích lớn và kích thớc nhỏ sẽ di chuyển
nhanh. Các ion có cùng điện tích, thì ion nào kích thớc nhỏ cũng sẽ di
chuyển nhanh hơn. Nếu các ion có cùng bán kính, ion nào có điện tích lớn sẽ
di chuyển nhanh hơn.
Tơng tự với khái niệm thời gian lu trong phơng pháp sắc ký, thời
gian điện di (t
i
) của chất tan i là thời gian cần thiết để cho một chất tan (chất
phân tích) di chuyển từ lúc nó đợc nạp vào đầu ống mao quản cho đến khi nó
đến vị trí phát hiện của detector, đợc phát hiện ở vị trí pic cực đại. Giá trị t
i

này đợc tính theo biểu thức sau:
t
i
= (L
eff
/v
i
) = (L
tot

t
i
= (L
tot
.L
eff
)/(V.
tot(i)
) (1.7)
Trong đó,
tot(i)
= (
ef
+
EOF
) là độ điện di toàn phần của chất tan, V là
điện thế đặt vào hai đầu ống mao quản (tính theo kV), L
eff
là chiều dài hiệu
dụng, L
tot
là chiều dài tổng cộng của mao quản, E là điện trờng trong mao
quản do thế V tạo ra. Điện trờng E này do thế V (kV) đặt vào hai đầu ống

7
mao quản, là lực chính điều khiển quá trình điện di của các chất và cả dòng
EOF trong ống mao quản.
Bảng 1.1. Ví dụ về độ điện di

e

-3

1.1.4. Mao quản (cột tách) trong phơng pháp điện di mao quản [4, 97]
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 thờng là silic, đợc gọi là mao quản
silica. Trong một số trờng hợp ngời ta cũng dùng mao quản teflon, khi mao
quản silica không phù hợp, ví dụ mẫu có ion F
-
và tách ở pH thấp.

Hình 1.2. Mặt cắt ngang của mao quản
Mao quản trong CE thờng có đờng kính trong (ID) từ 25 đến 150 m
và có thành dày từ 80-120 m. Còn chiều dài của mao quản là tùy thuộc vào
hỗn hợp chất mẫu cần tách. Nhìn chung, hiện nay hay đợc dùng là các mao

8
quản có tổng chiều dài (L
tot
) từ 30 đến 120 cm, với chiều dài hiệu dụng (L
eff
)
từ 20 đến 100 cm. Trong đó, chiều dài hiệu dụng đợc tính từ điểm mẫu đợc
nạp vào cho đến vị trí trung tâm phát hiện của detector mới có ý nghĩa trong
sự tách chất. Chiều dài hiệu dụng thờng ngắn hơn chiều dài tổng (L
tot
) từ 5
đến 15 cm. Mao quản đợc làm bằng silica, phủ bên ngoài một lớp polyme (ví
dụ polyimit, PVC) có độ dày từ 200 đến 350 m, làm cho mao quản có độ
dẻo, có thể uốn lại đợc mà không gãy (tơng tự nh cột mao quản trong sắc

điện di, hay chuyển khối phẳng đồng đều của chất lỏng (hình 1.3). Khi đó,
trong ống mao quản chỉ tồn tại dòng EOF, vì thế sự di chuyển của vùng chất
mẫu là đồng đều và tốt theo tiết diện mao quản, cho kết quả pic của các chất
Lớp khuếch tán
Lớp
điện kép
Chiều dày
lớp điện kép
Khoảng cách (nm)
Thành mao quản silica với nhóm silanol
V
zet

10
gọn và sắc nét, tức là hiệu quả tách cao (số N
ef
cao). Nhng nếu bơm dung
dịch qua ống mao quản với một áp lực nhất định, thì dòng chảy EOF phẳng sẽ
chuyển sang kiểu dòng chảy parabon lồi ở tâm ống mao quản, đợc gọi là
dòng Laminar (hình 1.5B). Trong thực tế của phân tích CE, dạng dòng chảy
này là không tốt và thờng phải hạn chế.

Hình 1.5. Các kiểu dòng chảy và pic sắc ký trong CE.
A- Kiểu dòng chảy không có áp suất (dòng EOF); B- Kiểu dòng chảy có áp
suất (dòng Laminar)
Vì dòng EOF là một yếu tố ảnh hởng rất nhiều và đóng vai trò quan
trọng trong kỹ thuật CE, nên cần phải hiểu biết, kiểm tra và khống chế với
những mức độ phù hợp cho mục đích phân tích. Việc kiểm tra và khống chế
dòng EOF đợc mô tả trong bảng 1.2. Tuy nhiên, cần chú ý rằng các điều kiện
làm thay đổi điện tích bề mặt thành của mao quản silica, cũng thờng có thể

thấp và tăng ở pH
cao
+ Thờng đợc dùng
+ Cách tiện lợi để thay đổi EOF
+ Thay đổi đợc cả điện tích và
cấu trúc của chất tan
Lực ion, hay
nồng độ dung
dịch đệm
Làm giảm thế zeta
và EOF 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 hởng
+ Hạn chế lợng mẫu nạp
Nhiệt độ Làm thay đổi độ
nhớt (2 3%)/
o
C
Đợc dùng khi kiểm tra và khống
chế nhiệt độ tự động
Dùng các chất
phụ gia, dung
môi hữu cơ
Thay đổi thế zeta,
độ nhớt, EOF cũng