ii
MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn i
Mục lục ii
Danh mục các từ viết tắt v
Danh mục hình vi
Danh mục bảng viii
Mở đầu 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 2
1.1. Một số vấn đề các anion Cl
-
, NO
3
-
, NO
2
-
, SO
4
2-
, PO
4
3-
trong môi trường nước 2
1.1.1. Khái quát về các anion Cl
-
, NO
3

4
D) 14
2.2.2. Phương pháp xử lý mẫu 14 iii
2.3. Hóa chất, thiết bị 14
2.3.1. Hóa chất 14
2.3.2. Chuẩn bị các dung dịch hóa chất 14
2.3.3. Thiết bị và dụng cụ 15
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 16
3.1. Nghiên cứu lựa chọn các điều kiện phân tích anion (Cl
-
, NO
3
-
, NO
2
-
,
SO
4
2-
, H
2
PO
4
-
) 166
3.1.1. Khảo sát thành phần dung dịch đệm điện di 166

, NO
2
-
, SO
4
2-
, H
2
PO
4
-
) 300
3.3. Đánh giá phương pháp phân tích với anion Cl
-
, NO
3
-
, SO
4
2-
, NO
2
-
,
H
2
PO
4
-
322

AC: Dòng điện xoay chiều (alternating current)
ANOVA:
Phân tích phương sai (Analysis of Variance)
ATP: Adenozin triphotphat
C
4
D: Detecto đo độ dẫn không tiếp xúc kết nối kiểu tụ điện (capicitively
coupled contactless conductivity detection)
CAPS: Axit 3(xyclohexylamino)-1-propansunphonic
CE: Điện di mao quản (capillary electrophoresis)
CTAB: Hexadexyltrimetyl amoni bromit
CV: Hệ số biến thiên (coefficient variation)
CZE: Điện di mao quản vùng (capillary zone electrophoresis)
DC: Dòng điện một chiều (direct current)
EOF: Dòng điện di thẩm thấu (electroosmotic flow)
HĐBM: Chất hoạt động bề mặt
HPCE: Điện di mao quản hiệu năng cao (High performance capillary
electrophoresis)
LOD: Giới hạn xác định (limit of detection)
LOQ: Giới hạn định lượng (limit of quantity)
MS: Khối phổ (Mass spectrophotometry)
RSD: Độ lệch chuẩn tương đối (Relative standard evition)
SD: Độ lệch chuẩn (standard deviation)
TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam
UNICEF:

Quỹ Nhi Đồng Liên Hợp Quốc (United Nations International
Children's Emergency Fund)
UV-Vis: Quang phổ hấp thụ phân tử vùng tử ngoại và khả kiến


-
sử dụng
các hệ đệm khác nhau 17
Hình 3.2. Điện di đồ phân tích các anion Cl
-
, SO
4
2-
, NO
3
-
, NO
2
-
, H
2
PO
4
-
ở các giá
trị pH của dung dịch đệm khác nhau 18
Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của diện tích pic vào van chia dòng 199
Hình 3.4. Sự biến đổi diện tích pic theo độ mở van chia 20
Hình 3.5. Giản đồ điện di khảo sát sự ảnh hưởng của vị trí van chia dòng đến sự
phân tách các pic 20
Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của diện tích pic vào thể tích vòng mẫu . 211
Hình 3.7. Sự biến đổi diện tích pic Cl
-
theo thể tích vòng mẫu 211
Hình 3.8. Sự biến đổi diện tích pic NO

theo thời gian bơm mẫu vào mao quản. 277
Hình 3.18. Sự biến đổi diện tích pic NO
3
-
theo thời gian bơm mẫu vào mao quản. 28
Hình 3.19. Sự biến đổi diện tích pic SO
4
2-
theo thời gian bơm mẫu vào mao quản. 28
Hình 3.20. Sự biến đổi diện tích pic NO
2
-
theo thời gian bơm mẫu vào mao quản. 29
Hình 3.21. Sự biến đổi diện tích pic H
2
PO
4
-
theo thời gian bơm mẫu vào mao quản 29
Hình 3.22. Điện di đồ phân tích các anion trong mẫu chuẩn khi thay đổi thời
gian bơm mẫu 300
Hình 3.23. Điện di đồ khảo sát sự ảnh hưởng của Br
-
đến sự phân tách các pic 311
Hình 3.24. Điện di đồ khảo sát sự ảnh hưởng của F
-
đến sự phân tách các pic 311
Hình 3.25. Điện di đồ khảo sát sự ảnh hưởng của SCN
-
đến sự phân tách các pic 322

khác nhau 17
Bảng 3.2. Độ phân giải giữa píc SO
4
2-
và NO
2
-
theo pH của dung dịch đệm. Sự
biến đổi diện tích píc H
2
PO
4
-
199
Bảng 3.3. Khoảng tuyến tính, giới hạn phát hiện (LOD), giới hạn định lượng
(LOQ) và hệ số tương quan R
2
của các đường chuẩn tương ứng 333
Bảng 3.4. Đánh giá độ thu hồi đường chuẩn của các anion 355
Bảng 3.5. Độ lặp lại về diện tích pic và thời gian lưu đối với các anion 366
Bảng 3.6. So sánh các kết quả phân tích các mẫu so sánh các mẫu giữa phương
pháp điện di mao quản(CE) và phương pháp IC 377
Bảng 3.7. Nồng độ của các anion trong các mẫu so sánh thu được từ hai phương
pháp và sai số tương ứng 39

-
, đặc biệt là ion NO
3
-
và NO
2
-
cần được
giám sát định kì một cách nghiêm ngặt để đảm bảo chất lượng nước đến người tiêu
thụ.
Việc xác định các chỉ tiêu này được thực hiện bằng phương pháp phổ hấp thụ
tử ngoại khả biến (phân tích từng chỉ tiêu), phương pháp sắc kí ion (phân tích một
số chỉ tiêu đồng thời). Tuy nhiên, vì số lượng các chỉ tiêu cần được xác định nhiều
nên việc phân tích từng chỉ tiêu bằng phương pháp quang là tốn kém nhân lực, thời
gian và kinh phí, còn phương pháp sắc kí ion cần thiết bị đắt tiền, phải thay các cột
chuyên dụng và chương trình hoạt động nếu muốn phân tích cả nhóm cation và
anion. Việc nghiên cứu, phát triển quy trình phân tích các anion trong mẫu nước
mặt và ứng dụng trong quan trắc chất lượng nước mặt sử dụng hệ thiết bị điện di
mao quản xách tay cho phép phân tích đồng thời các anion có ý nghĩa lớn cho kiểm
soát chất lượng nước, cũng giúp các cơ quan chức năng trong quá trình giám sát
chất lượng môi trường. Do đó em chọn đề tài “Nghiên cứu xây dựng quy trình phân
tích một số anion quan trọng trong môi trường nước trên cơ sở sử dụng thiết bị điện
di mao quản xách tay”
2
Chương 1 . TỔNG QUAN
1.1. Một số vấn đề các anion Cl
-
, NO
3
-

- Chứa nhiều chất rắn lơ lửng (riêng trường hơp nước trong các ao, đầm, hồ,
chứa ít chất rắn lơ lửng và chủ yếu ở dạng keo)
- Có hàm lượng chất hữu cơ cao
- Có sự hiện diện của nhiều loại tảo
- Chứa nhiều vi sinh vật
Để đánh giá khả năng ô nhiễm nguồn nước, cần cân nhắc thêm các yếu tố
sau đây:
1.1.1.1. Các hợp chất nitơ
Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ tạo ra amoniac (NH
4
+
), nitrit (NO
2
-
) và
nitrat (NO
3
-
). Do đó các hợp chất này thường được xem là những chất chỉ thị dùng
để nhận biết mức độ nhiễm bẩn của nguồn nước. Khi mới bị nhiễm bẩn, ngoài các
chỉ tiêu có giá trị cao như độ oxy hoá, amoniac, trong nước còn có một ít nitrit và
nitrat. Sau một thời gian NH
4
+
, NO
2
-
bị oxy hoá thành NO
3
-

Photphat không thuộc loại hóa chất độc hại đối với con người, nhưng sự tồn
tại của chất này với hàm lượng cao trong nước sẽ gây cản trở cho quá trình xử lý,
đặc biệt là hoạt chất của các bể lắng. Đối với những nguồn nước có hàm lượng chất
hữu cơ, nitrat và photphat cao, các bông cặn kết cặn ở bể tạo bông sẽ không lắng
được ở bể mà có khuynh hướng tạo thành đám nổi lên mặt nước, đặc biệt vào những
lúc trời nắng trong ngày.
1.1.1.3. Ion Clorua
Clorua làm cho nước có vị mặn. Ion này thâm nhập vào nước qua sự hoà tan
các muối khoáng hoặc bị ảnh hưởng từ quá trình nhiễm mặn các tầng chứa nước
ngầm hay ở đoạn sông gần biển. Việc dùng nước có hàm lượng clorua cao có thể gây
ra bệnh về thận. Ngoài ra, nước chứa nhiều clorua có tính xâm thực đối với bêtông.
1.1.1.4. Ion Sunfat
Ion sunfat thường có trong nước có nguồn gốc khoáng chất hoặc nguồn gốc
hữu cơ. Với hàm lượng sunfat cao hơn 400 mg/l, có thể gây mất nước trong cơ thể và
làm tháo ruột. Ngoài ra, nước có nhiều ion clorua và sunfat sẽ làm xâm thực bêtông.
4
1.1.2. Các phương pháp xác định
- Phương pháp điện cực chọn lọc ion: điện cực dùng trong phương pháp điện
thế để xác định nồng độ của một loại ion trong dung dịch hỗn hợp nhiều loại ion
dựa trên nguyên tắc là điện thế ở cực chỉ thay đổi với nồng độ ion cần phân tích mà
không chịu ảnh hưởng của nồng độ ion khác. Tuy nhiên phương pháp này có độ lặp
lại kém.
- Phương pháp sắc kí ion (IC): Đây là phương pháp tiêu chuẩn để phân tích
các anion trong các mẫu nước ngầm và nước mặt. Cho kết quả rất chính xác nhưng
do yêu cầu nghiêm ngặt của việc chuẩn bị mẫu để phân tích IC tránh việc gây tắc
cột tách rất đắt tiền. Nên để phân tích các mẫu nước thì rất tốt nhưng không tiết
kiệm kinh tế.
- Phương pháp điện di mao quản (CE): Mức độ tương quan giữu các kết quả
thu được của hai phương pháp đều tốt. Có ưu điểm vượt trội so với phương pháp IC
về khả năng phân tích hiện trường, giá thành đầu tư thiết bị ban đầu, giá phân tích

Hình 1.1. Sơ đồ hệ điện di mao quản
5
Điện di mao quản gồm nhiều các kỹ thuật tách khác nhau, mỗi kỹ thuật tách
đều có 1 cơ chế riêng:
- Điện di mao quản vùng (CZE)
- Sắc ký mao quản Gel (CGE)
- Sắc ký mao quản điện động học mixen(MEKC)
- Sắc ký điện di mao quản (CEC)
- Điện di mao quản điểm đẳng điện (CIEF)
- Điện di mao quản đẳng tốc độ (CITP) [5]
Trong đó kỹ thuật điện di mao quản vùng (CZE) được sử dụng nhiều bởi đặc
tính đơn giản và hiệu quả [11, 19].
1.2.2. Độ linh động điện di
Trong điện di, tốc độ di chuyển của các hạt tích điện (v) tỉ lệ thuận với cường
độ điện trường E: V
i
= μ
i
; E = μ
i
. V/L
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 quả
L: chiều dài mao quản

của các hạt mang điện trong mao quản vì lý do đó dòng điện thẩm trở thành pha
động có ích trong điện di mao quản. Vận tốc của dòng điện di được xác định bởi
biểu thức:
ʋ = µ
EOF
. E (1.1)
Trong đó, μ
EOF
: là độ linh động dòng điện thẩm [21]
Việc điều khiển tốc độ dòng EOF có thể giúp làm giảm thời gian phân tách
và làm hình ảnh pic trở lên sắc nét hơn. Do đó các yếu tố ảnh hưởng đến dòng EOF
thường được khảo sát trong các nghiên cứu. Dưới đây là một số các yếu tố có thể
được điều chỉnh để thay đổi dòng EOF [4]:
- Điện trường E: tỉ lệ thuận với dòng EOF trong mao quản tức là điện trường
càng lớn thì dòng EOF sẽ càng lớn và ngược lại. Tuy nhiên nếu điện trường quá lớn
sẽ làm giảm độ phân giải, hiệu lực tách và làm nóng mao quản.
- pH của dung dịch đệm: là một yếu tố thường được dùng để điều chỉnh
dòng EOF trong mao quản vì nó dễ thực hiện. Dòng EOF sẽ giảm ở pH thấp và
tăng ở pH cao.
7
- Nồng độ dung dịch đệm: cường độ dòng EOF sẽ tăng khi nồng độ của dung
dịch đệm tăng và ngược lại. Nhưng nó cũng làm nóng mao quản và độ nét của pic bị
ảnh hưởng khi ở nồng độ cao.
- Các chất hoạt động bề mặt (HDBM): là các chất được thêm vào dung dịch
đệm thì chúng sẽ bám lên thành mao quản và tạo ra hiệu ứng ion (hay hiệu ứng kị
nước). Nếu chất HDBM phân li ra anion thì làm tăng cường độ dòng EOF còn nếu
là cation thì sẽ làm giảm và có thể đảo ngược chiều dòng EOF .
1.2.4. Mao quản điện di
Mao quản là một bộ phận quan trọng trong hệ điện di mao quản. Đây chính
là một trong các yếu tố quyết định sự điện di hỗn hợp của các chất mẫu. Mao quản

các ion mang điện vào trong mao quản theo nguyên tắc của điện di và dòng điện
thẩm. Phương pháp này cho phép đưa một lượng lớn các ion linh động vào mao
quản. Ngược lại các ion kém linh động hơn sẽ được đưa vào với lượng nhỏ hơn. Do
vậy kỹ thuật bơm mẫu này có sự phân biệt đối với các ion khác nhau về điện tích
cũng như kích thước. Tuy nhiên điều này lại có thể coi là một ưu điểm của phương
pháp trong việc phân tích lượng vết của các ion nhỏ và có điện tích lớn [21, 22].
+ Phương pháp thủy động học
Bơm syphon (sử dụng lực trọng trường) là phương pháp mà một đầu mao
quản chứa dung dịch đệm được nhúng vào lọ mẫu và được nâng lên một độ cao
9
chênh lệch so với đầu còn lại của mao quản. Mẫu sẽ tự động đi vào mao quản theo
nguyên tắc ông syphon. Lượng mẫu bơm vào mao quản phụ thuộc vào độ cao chênh
lệch và thời gian bơm mẫu [12].

Hình 1.6. Các nguyên tắc bơm mu trong điện di mao quản
Bơm mẫu sử dụng chênh lệch áp suất có thể được thực hiện bằng cách hút
chân không hoặc dùng piston hay khí nén để tạo áp suất đẩy. Tương tự như kỹ thuật
bơm mẫu syphon, lượng mẫu bơm vào mao quản phụ thuộc vào độ nhớt của dung
dịch [8]. Vì vậy việc đảm bảo sự tương đồng độ nhớt giữa dung dịch mẫu và dung
dịch chuẩn đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật bơm mẫu này. Do đó nhiệt độ có
ảnh hưởng lớn đến lượng mẫu do độ nhớt dung dịch tỉ lệ nghịch với nhiệt độ. Vì
vậy để đảm bảo tính lặp lại của phép phân tích, nhiệt độ cần được giữ ổn định trong
quá trình thực hiện [22].
Kỹ thuật bơm mẫu syphon khá khó để có thể tự động hóa và dễ có sự sai
khác trong chiều cao cũng như thời gian bơm mẫu. Ngược lại các kỹ thuật bơm mẫu
10
sử dụng piston, khí nén hay dùng chân không tương đối dễ dàng tự động hóa, giúp
cho các yếu tố trong quá trình bơm mẫu được đảm bảo bao gồm cả nhiệt độ.
1.2.6. Các detecto thông dụng trong CE
- Nguyên tắc định lượng

detecto đo độ dẫn kiểu cũ [7].
11

Hình 1.7. Sơ đồ detecto đo độ dn không tiếp xúc
(A) không sử dụng màng chắn.
(B) có sử dụng màng chắn.
(C) mạch điện của detecto đo độ dẫn không có màng chắn
Nguyên tắc cơ bản của detecto đo độ dẫn không tiếp xúc là sử dụng hai điện
cực hình ống đặt vòng quanh và không tiếp xúc với mao quản. Khi áp một hiệu điện
thế xoay chiều, hai điện cực sẽ tạo với thành mao quản hai tụ điện, và khối dung
dịch trong mao quản giữa hai điện cực sẽ đóng vai trò như một điện trở [10]. Hình
trên là sơ đồ mạch của detecto đo độ dẫn không tiếp xúc. Tại đầu ra của điện cực
thứ hai, tín hiệu sẽ được thu nhận đưa đến bộ khuếch đại và xử lý cho ra tín hiệu
phân tích. Detecto đo độ dẫn không tiếp xúc có thể áp dụng với hầu hết các ion vô
cơ và hữu cơ. Do đó đây là lựa chọn hợp lý cho việc phân tích và quan trắc môi
trường đặc biệt là quan trắc môi trường nước.
12
1.2.7. Hệ điện di mao quản một kênh bơm mu bằng khí nén và sử dụng detecto
đo độ dn không tiếp xúc

Hình 1.8. Sơ đồ hệ thiết bị điện di mao quản bơm mu t động bằng kh nén
Hệ thiết bị điện di thông thường bao gồm 3 bộ phận chính: bộ phận bơm
mẫu, mao quản tách và detecto thu nhận tín hiệu. Trong nghiên cứu này, hệ thiết bị
điện di được sử dụng là hệ điện di một kênh với bộ bơm mẫu bằng khi nén do nhóm
tự lắp đặt. Bộ phân bơm mẫu gồm có bình khí N
2


3-
bằng thiết bị CE-C
4
D xách tay. Trong đó các ion NO
3
-
, NO
2
-
trong
nước mặt và nước ngầm thường ở nồng độ thấp, việc xác định các ion này bằng
thiết bị CE-C
4
D tương đối khó khăn để đạt được giới hạn phát hiện đáp ứng quy
chuẩn Việt Nam cho phép đối với các loại nước này. Việc phân tích anion này trên
thiết bị CE-C
4
D đòi hỏi dung dịch đệm riêng đặc thù và tại pH thích hợp khác nhau
với quy trình phân tích các anion nói trên.
2.1.2. Nội dung nghiên cứu
- Khảo sát và lựa chọn các điều kiện tối ưu để phân tích các anion (Cl
-
, NO
3
-
,
NO
2
-
, SO

3-
trong mẫu nước thực tế tại hiện trường.

14
2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp điện di mao quản sử dụng detecto đo độ dn không tiếp xúc
(CE – C
4
D)
- Phương pháp điện di mao quản vùng (CZE) được áp dụng để tách và
xác định anion Cl
-
, NO
3
-
, NO
2
-
, SO
4
2-
, PO
4
3-
trong mẫu nghiên cứu, và các mẫu
nước tại hiện trường dựa trên các điều kiện tối ưu đã khảo sát ở trên [18, 20].
- Các số liệu thu thập được sẽ được xử lý và đánh giá theo các phương
pháp thống kê [3, 6].
2.2.2. Phương pháp xử lý mu
Mẫu được lọc qua giấy lọc cỡn 0,45µm trước khi được bơm vào hệ.

2
HPO
4
.2H
2
O, pA, Merk
 Axit axetic 100%, pA, Merk
2.3.2. Chuẩn bị các dung dịch hóa chất
* Pha dung dịch gốc chuẩn
Dung dịch gốc được pha từ muối rắn tương ứng, trừ NO
2
-
được sử dụng
bằng dung dịch chuẩn 1000ppm (Merck). Cách pha cụ thể như sau:
Cân chính xác 0,5844g NaCl, 3,8012g Na
3
PO
4
, 1,4204g Na
2
SO
4
, 0,8501g
NaNO
3
mỗi loại chuyển vào các bình định mức 250 ml tương ứng. Sau đó định
mức tới vạch bằng nước đề-ion thu được dung dịch gốc của mỗi loại có nồng độ
15
100 mM. Dung dịch được bảo quản trong tủ lạnh từ 2- 8
o

16
Chương 3 . KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Nghiên cứu lựa chọn các điều kiện phân tích anion (Cl
-
, NO
3
-
, NO
2
-
, SO
4
2-
,
H
2
PO
4
-
)
Để tìm được điều kiện điện di phân tích các anion (Cl
-
, NO
3
-
, NO
2
-
, SO
4

Trên hình 3.1 là các điện di đồ phân tích các anion sử dụng 4 hệ đệm nói trên
17

Hình 3.1. Điện di đồ phân tích các anion Cl
-
, SO
4
2-
, NO
3
-
, NO
2
-
, H
2
PO
4
-

sử dụng các hệ đệm khác nhau
Nồng độ của các ion Cl
-
, SO
4
2-
, NO
3
-
, NO

2
-
,
cao hơn so với hệ đệm Tris/MOPS. Do đó đệm Histidin/axetic axit được lựa
chọn để tiếp tục được nghiên cứu.
Bảng 3.1. Diện tích pic và thời gian lưu của các anion ở các điều kiện đệm
khác nhau

Chiều cao pic (mV)
Thời gian lưu (s)
His/Axe
Tris/MOPS
His/Axe
Tris/MOPS
Cl
-

55
53,69
261
238
NO
3
-

63,76
44,66
284
257
SO

3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch đệm tới s phân tách pic của các
ion phân tích
H
3
PO
4
là một axit yếu với pK
a1
= 2,12. Do đó ở pH thấp ion H
2
PO
4
-
sẽ
chuyển về dạng H
3
PO
4
. Chính vì thế dung dịch điện li cần được khảo sát trong điều
kiện pH không quá thấp. Trong trường hợp này, pH của dung dịch đệm có ảnh
hưởng đến sự phân ly của các chất phân tích, đặc biệt là anion H
2
PO
4
-Hình 3.2. Điện di đồ phân tích các anion Cl
-
, SO

2
PO
4
-
hoàn toàn không xuất hiện nữa do hầu hết các anion H
2
PO
4
-
đã bị chuyển về
dạng H
3
PO
4
không phân ly nên không phát hiện được. Độ phân giải píc tăng có thể
là do sự thay đổi về độ dẫn của dung dịch điện ly nền gây ra.
Trong số các tín hiệu được tách ra trước độ phân giải pic giữa tín hiệu của
SO
4
2-
và NO
2
-
là đặc biệt biến đổi nhiều nhất vì ở pH cao hơn hai píc này chồng lên
nhau như trong trường hợp pH = 4,3 còn trong điều kiện pH càng thấp thì độ phân
giải càng lớn . Sự biến đổi diện tích píc H
2
PO
4
-