đại học quốc gia hà nội
trờng đại học khoa học tự nhiên
*

Nguyễn Thị ánh Hờng
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

luận án tiến sĩ hóa học
Hà Nội - 2010
đại học quốc gia hà nội
trờng đại học khoa học tự nhiên
*


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
quản
22
1.1.9. Dung dịch đệm pH và pha động trong phơng pháp điện
di mao quản
23

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
(CE-C
4
D)
47
3.2. Khảo sát các điều kiện tối u phân tích As(V) bằng

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
2
O
7
2-
và MnO

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
1

A. Giới thiệu luận án
1. Tính cấp thiết của luận án
Phơng pháp điện di mao quản đã và đang đợc phát triển mạnh mẽ
trong những năm gần đây. Phơng pháp này có u điểm là thiết bị tơng đối
đơn giản, chi phí thấp và đặc biệt có thể chế tạo thu nhỏ phục vụ cho mục
đích phân tích tại hiện trờng. Ngoài ra, thiết bị điện di mao quản có thể tích
hợp với nhiều loại detector khác nhau nh detector quang phổ hấp thụ phân
tử (UV-Vis), huỳnh quang, khối phổ, điện hóa (đo dòng, đo thế và độ
dẫn), nên sẽ có khả năng nhận dạng và định lợng các chất một cách khá
chọn lọc. Phơng pháp điện di mao quản đã đợc ứng dụng từ khá lâu để
phân tích các hợp phần sinh học nh axit amin, protein, và gần đây có rất
nhiều ứng dụng trong phân tích các hợp chất hữu cơ và cô cơ [16, 43, 52,
91].
Trong hơn một thập kỷ vừa qua, một kỹ thuật phát hiện mới dùng
cho phơng pháp điện di mao quản đã đợc công bố là detector độ dẫn

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 lợng nớc cấp sinh hoạt về hàm lợng asen cho phép (10
g/L) theo TCVN 5502: 2003 [2]. Mục tiêu tiếp theo là tối u hóa thiết bị
phân tích điện di mao quản để tiến hành phân tích trong phòng thí nghiệm,
đồng thời có thể thực hiện phân tích tại hiện trờng bằng cách sử dụng các
ắc quy có thể nạp lại đợc. Từ đó, hy vọng sẽ mở rộng khả năng ứng dụng
của phơng pháp phân tích điện di mao quản, góp phần làm phong phú thêm
các phơng pháp phân tích công cụ hiện đại ở Việt Nam.
2. Nội dung của luận án
Để đạt đợc mục tiêu đề ra, các nội dung nghiên cứu cần thực hiện
nh sau:
- Tổng quan tài liệu về phơng pháp điện di mao quản, các ứng dụng
của phơng pháp trong việc phân tích các dạng asen vô cơ (As(III) và
3

As(V)), cũng nh các nghiên cứu liên quan đến việc phát triển thiết bị phân
tích hiện trờng theo nguyên lý của phơng pháp điện di mao quản.
- Nghiên cứu khảo sát các điều kiện tối u xác định các dạng asen
As(III) và As(V) trong nớc ngầm bằng phơng pháp điện di mao quản tích
hợp với detector độ dẫn không tiếp xúc kết nối theo kiểu tụ điện (lựa chọn
dung dịch pha động điện di, mao quản, các thông số của máy đo, các yếu tố
ảnh hởng của nền mẫu, )
- Đánh giá độ tin cậy và khả năng ứng dụng của phơng pháp trong
việc phân tích các dạng asen vô cơ trong nớc ngầm: phân tích mẫu thực tế
và có so sánh với phơng pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử kết hợp với
thiết bị hyđrua hóa (HVG-AAS) hoặc plasma cảm ứng ghép nối với khối
phổ (ICP-MS).
- Nghiên cứu phát triển thiết bị CE-C

Chơng 1. tổng quan
Chơng này đề cập đến nội dung nh sau:
Tổng quan về phơng pháp điện di mao quản: giới thiệu chung, các
quá trình xảy ra trong mao quản, các thông số liên quan đến cơ chế điện di,
các kỹ thuật làm giàu mẫu, các detector sử dụng, các kỹ thuật bơm mẫu
trong phơng pháp điện di mao quản.
Giới thiệu chung về nguyên tố asen và vấn đề ô nhiễm asen trong
nớc ngầm, cũng nh các phơng pháp xác định asen thờng đợc sử dụng.
Phơng pháp điện di mao quản xác định asen và tình hình phát triển
các thiết bị phân tích hiện trờng trên cơ sở phơng pháp điện di mao quản.
chơng 2.
Nội dung v phơng pháp nghiên cứu
* Mục tiêu của luận án: Mục tiêu của luận án là nghiên cứu xác định các
dạng asen vô vơ (As(III) và As(V)) trong mẫu nớc ngầm (với độ nhạy thỏa
mãn QCVN 09: 2008/BTNMT về hàm lợng asen trong nớc ngầm (50
g/L)) bằng phơng pháp điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn không
tiếp xúc theo kiểu kết nối tụ điện (CE-C
4
D). Tiến tới, thiết bị điện di CE-C
4
D
đợc phát triển thành một công cụ có khả năng mang đi phân tích tại hiện
trờng.
* Phơng pháp nghiên cứu
- Phơng pháp phân tích: phơng pháp điện di mao quản sử dụng
5

detector độ dẫn không tiếp xúc kết nối kiểu tụ điện (CE-C
4
D)

pic giữa As(V) và photphat (một thành phần thờng xuất hiện trong nớc tự
nhiên nói chung và nớc ngầm nói riêng). Để giải quyết vấn đề này, các giải
pháp đã đợc áp dụng là thay đổi thành phần và/hoặc pH của dung dịch pha
động điện di Arg-axit ascobic, tăng chiều dài mao quản từ 50 cm lên 60 cm,
giảm giảm đờng kính trong của mao quản từ 50 M xuống 25 M, từ đó đã
có thể tách hoàn toàn pic của As(V) khỏi pic của photphat nh minh họa ở
hình 3.5.
6

80
70
60
x10
-3

215210205200195
Thời gian (s)
10 mV
photphat
As(V)
B
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
3002001000
Thời gian (s)
50 mV
A

2
AsO
4
-
. Kết
quả khảo sát các pH khác nhau trên cơ sở thay đổi tỷ lệ thành phần pha động
điện di histidin - axit axetic cho thấy khi càng tăng tỷ lệ axit axetic trong
thành phần pha động điện di, tức là pH càng giảm thì độ phân tách giữa pic
của As(V) và photphat càng tốt và tín hiệu chiều cao pic của As(V) cũng
tăng. Kết quả này cũng đợc kiểm chứng bằng phần mềm mô phỏng quá
trình điện di PeakMaster [39] và cũng từ đây cho thấy nếu chỉ dùng axit
axetic trong thành phần dung dịch pha động điện di thì xu hớng sẽ cho kết
quả thậm chí tốt hơn. Kết quả khảo sát ảnh hởng của pH pha động điện di
khi chỉ dùng axit axetic từ 1 ữ 30 mM ứng với pH nằm trong khoảng 3,6 ữ
4,8 (hình 3.10) cho thấy dung dịch pha động điện di có pH = 4,6 ứng với
nồng độ axit axetic 5 mM cho kết quả tốt nhất. ở pH này, nồng độ As(V) ở
dạng anion H
2
AsO
4
-
đạt cực đại vì khi đó axit H
3
AsO
4
phân ly triệt để nhất,
đồng thời các anion H
2
AsO
4

3.2.2. Khảo sát lựa chọn thời gian bơm mẫu
Nhằm nâng cao độ nhạy cho việc phân tích asen, phơng pháp điện di
CE-C
4
D sử dụng kết hợp với kỹ thuật bơm mẫu l-ợng lớn và
không kèm theo quá trình chuyển phân cực. Kết quả khảo
sát khi thay đổi thời gian bơm mẫu trong khoảng từ 10 s đến 120 s cho thấy
với thời gian bơm mẫu dài hơn sẽ cho tín hiệu pic của As(V) lớn hơn. Tuy
nhiên, trong đối tợng mẫu phân tích là nớc ngầm có chứa hàm lợng cao
gấp nhiều lần của các anion cơ bản (Cl
-
, NO
3
-
, SO
4
2-
, HCO
3
-
, ) và tín hiệu
của chúng cũng tăng cùng với việc tăng thời gian bơm mẫu làm ảnh hởng
đến tín hiệu của As(V). Do đó, thời gian bơm mẫu tối u là 120 s đợc lựa
chọn vừa để đảm bảo tăng độ nhạy mà vẫn có đợc sự phân tách tốt giữa tín
hiệu pic của As(V) và photphat, cũng nh pic của các anion cơ bản có trong
nền mẫu.
3.2.3. Khảo sát ảnh hởng của các anion nền cơ bản
9

3.2.3.1. Khảo sát ảnh hởng của nitrat và sunphat

1 mM
2 mM
5 mM
10 mM

Hình 3.15. Điện di đồ phân tích As(V) 1,3

M trong các dung dịch có
nồng độ cacbonat khác nhau
ảnh hởng của cacbonat có thể đợc khắc phục bằng cách thêm HCl
vào để trung hòa cacbonat (sẽ đợc đề cập kỹ hơn ở phần khảo sát ảnh
hởng của Cl
-
). Ngoài ra, nếu các mẫu có nồng độ cacbonat quá cao thì có
thể dùng cách pha loãng mẫu. Trong trờng hợp này, giả sử mẫu có độ kiềm
10

cao (nồng độ cacbonat khoảng 10 mM) thì mẫu cần pha loãng tối đa là 5
lần.
3.2.3.3. Khảo sát ảnh hởng của clorua
Kết quả khảo sát sơ bộ cho thấy với nồng độ trong nớc ngầm
(thờng nhỏ hơn 0,08 mM [74]) thì Cl
-
không gây ảnh hởng đến phép xác
định As(V) bằng phơng pháp CE-C
4
D. Do đó, trớc những ảnh hởng của
cacbonat nh đã khảo sát ở trên, chúng tôi đề xuất sử dụng axit HCl để trung
hòa bớt nồng độ kiềm trong dung dịch mẫu. Ngỡng nồng độ cacbonat cần
xử lý để không ảnh hởng đến phép xác định As(V) là dới 2 mM.

HCl 0,1 M vào 2 mL dung dịch mẫu mà vẫn không ảnh hởng đến tín hiệu
pic As(V). Từ đó, cũng có thể kết luận rằng nồng độ anion Cl
-
nhỏ hơn hoặc
bằng 2 mM không gây ảnh hởng đến phép xác định As(V). Cũng từ các kết
quả khảo sát này cho thấy, chiều cao tín hiệu pic của As(V) tăng đáng kể khi
thêm HCl vào trong mẫu phân tích (tăng khoảng 2 lần). Điều này có thể giải
thích theo phơng pháp II của kỹ thuật làm giàu đẳng điện. Nh vậy, khi
11

thêm HCl vào mẫu phân tích không những có tác dụng khắc phục đợc ảnh
hởng của cacbonat mà còn tạo ra hiệu ứng làm giàu chất phân tích rất đợc
mong muốn khi phân tích asen. Do đó, HCl 2 mM sẽ đợc thêm vào tất cả
các dung dịch phân tích, bao gồm cả đờng chuẩn khi phân tích As(V).
3.2.3.4. Khảo sát ảnh hởng của anion các nguyên tố nằm gần asen trong
bảng Hệ thống tuần hoàn
Các nguyên tố nằm gần As trong bảng Hệ thống tuần hoàn gồm: Si,
Ge, Sn, P, Sb, Bi, Se, Te (nguyên tố S đã khảo sát ảnh hởng dới dạng SO
4
2-
). Từ các thông tin về bán kính ion của các nguyên tố này có thể thấy các
nguyên tố có tiềm năng ảnh hởng đến việc xác định As(V) trong nớc
ngầm là Ge, Si, P và Se. Từ các kết quả khảo sát ảnh hởng của các anion
Si(IV), Ge(IV) và Se(VI) 100 g/L pha trong HCl 2 mM cho thấy cả ba pic
của Si(IV), Ge(IV) và Se(VI) đều xuất hiện trớc và ở khoảng cách an toàn
so với pic của As(V) nên không ảnh hởng đến việc xác định As(V). Với
photphat, khác với trong môi trờng kiềm, ở điều kiện pH thấp lại cho kết
quả phân tách tơng đối tốt giữa pic của As(V) và photphat.
Nh vậy, điều kiện tối u cho phân tích As(V) bằng phơng pháp điện
di mao quản CE-C

200
300
400
y = 3,538x - 3,335
R
2
= 0,9973 ; SD = 2,605
Diện tích pic của As(V) (V.s)
Nồng độ As(V) ( g/L)

Hình 3.19. Đờng chuẩn phân tích As(V)
Từ các kết quả của đờng chuẩn có thể tính đợc giới hạn phát hiện
và giới hạn định lợng của phơng pháp đối với As(V) nh sau:
Giới hạn phát hiện (LOD):
)L/g(2,2
538,3
605,2
3
b
S
3LOD
b
===

Giới hạn định lợng (LOQ):
)L/g(4,7
538,3
605,2
10
b

= 0,98. Điều này chứng tỏ phơng pháp nghiên cứu là
hoàn đáng tin cậy.
3.3. Khảo sát các điều kiện tối u phân tích As(III) bằng phơng pháp
điện di mao quản CE-C
4
D
3.3.1. Khảo sát lựa chọn dung dịch pha động điện di
Tính chất điện di của As(III) đã đợc khảo sát với mỗi hệ dung dịch
pha động điện di kết hợp giữa Arg và một trong số các axit thông dụng trong
phơng pháp điện di nh MES, CHES, MOPS, TAPS, CAPS ở các pH khác
nhau (trong khoảng từ 8 đến 10) trên cơ sở thay đổi tỷ lệ thành phần axit và
14

bazơ hợp lý. Kết quả thu đợc cho thấy, giá trị pH tối -u cho
phân tích As(III) trong tr-ờng hợp này sẽ là 9,0 và
dung dịch pha động điện di tối u cho việc phân tích As(III) ở đây là
CAPS/Arg.
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
160140120100806040200
Thời gian (s)
EOF
As(III)
As(III)
As(III)
As(III)
As(III)


CAPS 50 mM có thêm 30 M CTAB để làm thay đổi dòng điện di thẩm
thấu, pH = 9,0; điều kiện bơm mẫu: thủy động lực học kiểu xiphông ở độ
cao 20 cm trong 60 s; mao quản silica có đờng kính trong 50 m và tổng
chiều dài L
tot
= 60 cm (chiều dài hiệu dụng: L
eff
= 53 cm); điện thế tách: -15
kV.

3.3.3. Khảo sát ảnh hởng của các ion nền cơ bản
Ngoài các anion nền cơ bản thờng có trong nớc ngầm khảo sát ở
phần As(V) (clorua, cacbonat, nitrat, sunphat, ), hai cation khác cũng cần
quan tâm là sắt và mangan. Trong đó, tuy sắt và mangan (các cation) xét về
mặt phân tích điện di thì không ảnh hởng đến việc xác định asen dới dạng
anion nhng do As(III) phân tích trong môi trờng kiềm (pH 9,0) nên sẽ
có khả năng sắt và mangan có trong mẫu nớc ngầm tạo thành dạng
hydroxit kết tủa ảnh hởng đến kết quả phân tích.
ảnh hởng của sắt và
mangan đợc khảo sát bằng cách thay đổi hàm lợng của các ion Fe
2+
và
Mn
2+
tơng ứng trong khoảng nồng độ 0,1 ữ 10,0 mg/L và 0,01 ữ 5,0 mg/L
(khoảng nồng độ thờng thấy trong nớc ngầm) trong khi giữ cố định nồng
độ As(III) ở 10 M.
Từ các kết quả khảo sát cho thấy Mn
2+

2
O
7
2-
.
3.3.4.1. Nghiên cứu oxy hóa As(III) lên As(V) bằng H
2
O
2

Chất oxy hóa đầu tiên đợc lựa chọn cho nghiên cứu này là H
2
O
2
vì về
mặt lý thuyết thì sản phẩm phản ứng là nớc sẽ không gây ảnh hởng đến
phép xác định As(V). Tuy nhiên, kết quả khảo sát lại cho thấy một tín hiệu
lạ (pic không xác định) luôn xuất hiện ở đúng vị trí của tín hiệu As(V) với
cờng độ tăng khi tăng lợng H
2
O
2
sử dụng. Do đó, việc sử dụng H
2
O
2
cho
mục đích oxy hóa As(III) lên As(V) trong trờng này là không phù hợp.
3.3.4.2. Nghiên cứu oxy hóa As(III) lên As(V) bằng MnO
4

O
7
2-

dùng d 78 lần tính theo phơng trình phản ứng. Tuy nhiên, với chất oxy
hóa này, tín hiệu của Cr
2
O
7
2-
d xuất hiện ngay sau tín hiệu Cl
-
và cách tín
hiệu As(V) một khoảng khá an toàn. Ngoài ra, khác với trờng hợp KMnO
4
-
,
17

tín hiệu đờng nền của điện di đồ rất ổn định giữa các lần đo. Đây chính là
những u điểm lớn khi sử dụng tác nhân oxy hóa Cr
2
O
7
2-
.
3.3.4.4. Nghiên cứu oxy hóa As(III) lên As(V) bằng hỗn hợp Cr
2
O
7

thêm MnO
4
-
3,5.10
-5
M. Ngoài ra, tín hiệu đờng nền trong trờng hợp này
cũng vẫn ổn định giữa các lần đo.
Kết quả hiệu suất oxy hóa (bảng 3.17) thu đợc từ 96,8 đến 100,2 %
cho thấy việc dùng hỗn hợp chất oxy hóa nêu trên để oxy hóa As(III) lên
As(V) rất hiệu quả và đáng tin cậy.
Bảng 3.17. Hiệu suất thu hồi As(III) sau phản ứng oxy hóa lên As(V)
Nồng độ As(III)
(

g/L)
Nồng độ As(V) tơng ứng phân
tích đợc (

g/L)
Hiệu suất oxy hóa
(%)
25
25,0 1,7
100,0
50
50,1 0,9
100,2
75
72,6 0,9
96,8

As(V)
As(V)
As(V)
As(V)
QT27
QT16
QT13
QT52
QT41
QT24

Hình 3.34. Điện di đồ phân tích As(V) trong một số mẫu nớc ngầm
R
2
= 0.949
0
100
200
300
400
500
0 100 200 300 400 500
Phng phỏp HVG-AAS hoc ICP-MS (

g/L)
Phng phỏp CE-C4D (

g/L)