Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa 31/46 • Pha rắn hay chất chiết (dạng cột chiết hay đĩa chiết) phải có tính chất hấp thụ hay trao đổi chọn lọc với một chất, hay một nhóm chất phân tích nhất định, tức là tính chọn lọc của pha tĩnh chiết. • Các chất chiết và dung môi rửa giải phải có độ sạch cao theo yêu cầu của cấp hàm lượng phân tích. • Hệ số phân bố nhiệt động K fb của cân bằng chiết phải lín, để có được hiệu suất chiết cao. • Quá trình chiết phải xẩy ra nhanh và nhanh đạt cân bằng, nhưng không có tương tác phản ứng hoá học làm mất hay hỏng pha rắn và chất phân tích. • Quá trình chiết phải có tính thuận nghịch, để còn có thể rửa giải được tốt chất phân tích ra khỏi pha chiết bằng một pha động phù hợp. • Không làm nhiễm bẩn thêm chất phân tích trong quá trình chiết bởi bất kỳ từ nguồn nào. • Sự chiết phải được thực hiện trong điều kiện nhất định phù hợp, phải lặp lại được tốt và tất nhiên là càng đơn giản dễ thực hiện thì càng tốt. 5.3.3. Các kiểu chiết và cơ chế chiết pha rắn 5.3.3.1. Chiết theo cơ chế hấp phụ pha thường Trong kiểu này, chất chiết (pha tĩnh) là các Silica trung tính, có bề mặt xốp phân cực. Nó tác dụng tốt với các chất mẫu không phân cực và ít phân cực. Đó là sự tương tác hấp phụ. Tuỳ theo bản chất và cấu trúc phân tử của mỗi nhóm chất phân tích, bản chất hấp phụ của Silica trung tính và các điều kiện thực hiện chiết, mà nhóm chất phân tích nào bị pha tĩnh hấp phụ và giữ lại trên cột chiết và hoàn toàn tương tự như sự tương tác hấp phụ trong cột sắc ký NP-HPLC. Dung môi để giải chiết chất phân tích trong loại này thường là các dung môi hữu cơ không phân cực hay ít phân cực và kị nước (không tan vào nước ), hay hỗn hợp của chúng với nhau theo tỷ lệ thích hợp. Ví dụ n-Hexane, n- Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa 32/46 Heptane, CCl 4 , CHCl 3 , Benzen, Diclo-Etan, Ethyaxetat, v.v. Các dung môi này được gọi là pha động (MP) và nó phải hoà tan tốt chất phân tích, để lấy được các chất phân tích ra khỏi pha tĩnh (chất chiết rắn). ♦ Ví dụ 1: Chiết để xử lý mẫu xác định nhóm hợp chất Clo-phenol trong nước. Lấy 250 mL mẫu vào phễu chiết, axit hoá đến pH=2 bằng H 2 SO 4 2%, lọc bỏ cặn (nếu có) sau đó dội dung dịch mẫu này qua cột chiết ( loại LASi- 5) với tốc độ 2-4 mL/phút cho đến khi mẫu chảy hết qua cột chiết. Dội qua cột chiết 5 ml nước cất, để yêu 5 phút. Sau đó giải chiết lấy chất phân tích bằng 10 mL dung môi acetonitril (hay dichlomethane) và xác định chất phân tích trong pha hữu cơ này bằng HPLC hay GC. 5.3.3.2. Chiết theo cơ chế hấp phụ pha ngược Trong kiểu chiết này, chất chiết (pha tĩnh) là các Silica pha ngược, có bề mặt hầu như không phân cực. Nó tác dụng tốt với các chất mẫu không phân cực và phân cực. Đó là sự tương tác hấp phụ của pha tĩnh (chất chiết ). Tuỳ theo bản chất và cấu trúc phân tử mỗi nhóm chất phân tích và các điều kiện thực hiện chiết, mà nhóm chất phân tích nào bị pha tĩnh hấp phụ và giữ lại trên cột tách chiết. Cơ chế chiết ở đây là sự tương tác hoàn toàn tương tự như sự tương tác hấp phụ trong cột sắc ký lỏng hiệu năng cao hấp thụ pha ngược (RP-HPLC ). Kiểu chiết này dễ thực hiện, đơn giản và được ứng dụng nhiều. Vì do tính tiện lợi của hệ dung môi rửa giải tan trong nước, dung môi chứa chất phân tích. Chúng ta có minh hoạ sự tương tác này như mô hình sau. ♦ Ví dụ: Chiết để xử lý mẫu xác định một số hoá chất BVTV trong nước. Lấy 250 mL mẫu nước, chỉnh pH=5, lọc bỏ cặn. Lấy dung dịch dội qua cột chiết (loại LR-C18 ) với tốc độ 2-4 mL/phút. Sau đó rửa cột bằng 5 mL nước cất, hút chân không cho cột 3 phút. Rửa giải chất BVTV trong cột Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa 33/46 bằng 20 mL dung môi Etyl-axetat. Lấy dung dịch rửa giải này dội qua cột hấp phụ thứ hai ( cột có: Na 2 SO 4 + Al 2 O 3 + than hoạt tính) để làm sạch và làm khô mẫu. Sau đó lại rửa giải chất BVTV trong cột này bằng 10 mL Etyl- Axtat. Thu dung dịch, làm bay hơi bằng dòng khí nitơ sạch ( tốc độ 0,8 mL/phút) đến còn dung dịch sánh, định mức thành 2 mL bằng Etyl-Axetat, làm khô bằng Na 2 SO 4 khan. Lấy dung dịch mẫu này để xác định các hoá chất BVTV (Metyl-parathion, Diazinon & Sumithion) bằng phương pháp GC/ECD, hay GC-MS. 5.3.3.3. Chiết theo cơ chế trao đổi iôn và cặp ion Chiết theo cơ chế trao đổi ion ♦ Nguyên tắc: Dựa trên cơ sở của quá trình trao đổi ion của chất phân tích với ion đối (ion trao đổi) của chất chiết (pha tĩnh trao đổi iôn) để hấp thu (giữ) chất phân tích lại trên pha tĩnh (cột chiết). Sau đó dùng một pha động (dung dịch) phù hợp để rửa giải chất phân tích vào dung môi đó và sau đó tiến hành xác định nó theo một phương pháp phân tích thích hợp đã chọn. Dung môi rửa giải ở đây là dung dịch nước của các muối tan của kim loại kiềm, amoni có pH phù hợp, hay dung dịch axit loãng và có thể có thêm chất tạo phức. ♦ Chất trao đổi iôn của kiểu chiết này có thể là hai loại sau đã và đang được sử dụng hiện nay, đó là: + Trao đổi Cation axit mạnh (R-SO 3 Na) và axit yếu (R-COONa). + Trao đổi Anion Bazơ mạnh (R-N + (-OH)), bazơ yếu (R-NH 2 OH), v.v. ♦ Cơ chế của sự trao đổi iôn a) Loại trao đổi Cation Tổng quát quá trình trao đổi Cation: nMat-SO 3 Na + Me n+ → (Mat-SO 3 ) n -Me + nNa + Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa 34/46 ( Chất chiết ) ( chất PT ) Trong đó: Mat: Mạng rắn của chất trao đổi ion; Me n+ : Cation của chất phân tích. Na + : Cation trao đổi của chất chiết. -SO 3 Na: Nhóm chức trao đổi ion. b). Loại trao đổi Anion Tổng quát quá trình trao đổi Anion: nMat-OH + X n- → (Mat) n -X + nOH - hay nMat-Cl + X n- → (Mat) n -X + nCl - ( chất chiết ) ( Chất PT ) Trong đó: Mat: Là mạng rắn của chất trao đổi ion; X n- : Anion của chất phân tích. OH - và Cl - là anion trao đổi. Trong quá trình trao đổi ion, tuỳ thuộc vào mỗi loại chất phân tích và chất pha tĩnh (chủ yếu là nhóm chức trao đổi ion thuộc loại axit yếu hay mạnh, hoặc bazơ mạnh hay yếu) , mà quá trình có thể được thực hiện tốt trong một vùng pH (môi trường axit) nhất định. Vì thế sự chiết theo cơ chế này cần phải được thực hiện trong môi trường pH (hay axit) phù hợp. Chiết theo cơ chế trao đổi cặp ion Cùng với sự trao đổi cation và anion, trong sự chiết pha rắn còn có cơ chế chiết theo kiểu cặp ion. Đây cũng là bản chất trao đổi của ion của chất phân tích thông qua chất trung gian- chất tạo cặp ion, nó cho ion trao đổi với chất phân tích. Nó cũng hoàn toàn tương tự như sắc ký cặp iôn của hệ pha ngược hấp phụ (hệ RP-HPLC). Chất chiết ở đây thường là chất hấp phụ pha ngược.Ví dụ Silica LiChrosorb RP-8, RP- 18 hay là Hypersil ODS. Và ở đây cũng có hai kiểu trao đổi cặp ion. 5.3.3.4. Các ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng Chiết pha rắn là một kĩ thuật chiết mới ra đời, đang phát triển và được ứng dụng trong khoảng chục năm trở lại đây, nhất là ở các nước tiên tiến và nó Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa 35/46 míi vào Việt nam ta từ năm 1997. Hiện nay đã có một số hãng sản xuất và cung cấp ra thị trường nhiều loại chất chiết và dụng cụ chiết khác nhau cho nhiều đối tượng rất tiện dụng. Chất chiết thường là các chất Silica được hoạt hoá để chúng có khả năng hấp thụ cao và chọn lọc các chất theo từng nhóm. Kỹ thuật chiết này có các ưu và nhược chính điểm sau đây: • Có tính chọn lọc đối với một nhóm hợp chất phân tích, • Cân bằng chiết nhanh đạt được và có tính thuận nghịch, • Thích hợp cho mẫu lượng nhỏ và phân tích lượng vết các chất, • Thao tác đơn giản và nhanh hơn các kỹ thuật chiết khác, • Trong quá trình chiết luôn luôn có cả sự làm giầu chất phân tích, • Chất chiết pha rắn không đắt (khoảng 50.000 đ.VN/1cột chiết). Chính vì thế mà nó đang được sử dụng rất phổ biến trong phân tích, đặc biệt là phân tích đối tượng môi trường các chất vi lượng độc hại. 5.4. Kỹ thuật chiết hấp phụ pha khí (rắn-khí) 5.4.1. Nguyên tắc chung Kỹ thuật này dựa trên cơ sở là ở một nhiệt độ nhất định thích hợp, khi thổi một dòng khí trơ nóng (argon hay hêli) dẫn mẫu ở dạng khí vào cột chiết, thì một nhóm các chất phân tích bị pha tĩnh rắn trong cột hấp phụ giữ lại, còn các chất khác thì đi qua. Vì thế về bản chất nó cũng là sự chiết giữa hai pha khí và rắn (pha chiết là rắn, chất phân tích được chiết ở dạng khí) không tan vào nhau. Sự chiết ở đây là theo cơ chế hấp phụ. Sau đó có thể: • Người ta lại làm nóng cột hấp phụ và cũng dùng dòng khí trơ nóng để giải hấp các chất phân tích đưa trực tiếp chúng vào hệ cột của máy GC hay cho chúng tan vào một dung môi hữu cơ phù hợp để xác định bằng cách khác, như HPLC hay phổ UV-VIS. • Hay cũng có thể giải chiết chất phân tích ra khỏi cột chiết bằng một dung môi hữu cơ thích hợp hoà tan tốt chất và xác định chúng bằng HPLC hay IR. Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa 36/46 Phương pháp chiết này được ứng dụng cho cả mẫu rắn và lỏng, hay bùn, hay bã thải, nhưng chỉ cho các chất phân tích là các hợp chất hữu cơ có nhiệt độ bay híi thấp (dưíi 150 o C) và dễ bay hơi. Cách này rất thích hợp cho việc chiết các chất hữu cơ trong môi trường khí, hay các mẫu rắn, mẫu bột, hay mẫu bùn và mẫu nhão. Tất nhiên, việc trưíc tiên là phải nhũ hoá các mẫu này bằng một dung môi thích hợp, như nước hay dung môi hữu cơ có nhiệt độ sôi cao. Còn chất hấp phụ ở đây là các hạt silica rắn xốp được nhồi vào cột chiết đóng kín. Nó cũng thường là các silica trung tính xốp hay silica đã được thế hoá (alkyl hoá), tương tự như trong hệ chiết NP-HPLC và RP- HPLC. Kỹ thuật chiết này rất thích hợp cho việc xử lý các loại mẫu để xác định các chất hữu cơ có nhiệt độ sôi thấp (dưíi 150 o C) và dễ bay hơi trong các loại mẫu rắn, mẫu bùn, các mẫu bã thải và các mẫu khí. Nó có ưu điểm là chọn lọc cao, thích hợp cho các phương pháp phân tích HPLC, GC, hay GC-MS, để xác định lượng nhỏ các chất hữu cơ, một số hợp chất cơ kim và một số chất vô cơ, như H 2 S, HCN, v.v. 5.4.2. Các kiểu trang thiết bị và một số ví dụ Theo kỹ thuật này trang thiết bị cũng có hai loại là các hệ đơn giản và hệ hoàn chỉnh tự động theo chương trình. Khí mang trơ ở đây là khí argon, hêli hay nitơ tính khiết (> 99,9%). Cụ thể trang bị là gồm các bộ phận: + Hệ cột chiết kín và buồng cột chiết có gia nhiệt được, + Khí trơ mang mẫu, cũng như để rửa giải chất phân tích (Ar, N 2 , hay He). + Hệ máy bơm khí và nén khí mẫu vào cột chiết. Các loại trang bị này hiện nay đều đã có cung cấp trên thị trường do các hãng sản xuất các dụng cụ phân tích. Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa 37/46 ♦ Ví dụ 2: Chiết lấy một số hợp chất pesticide dễ bay hơi trong các loại nước hay mẫu rắn, bùn (Method 502.2b. EPA). Cột hấp phụ là chất chiết pha rắn loại LC2-25x1 cm. Mẫu được giữ ở 150 o C và dòng khí trơ Argon thổi qua bình mẫu với tốc độ 0,8-1,0 mL/phút để đưa chất phân tích vào cột hấp phụ. Các chất phân tích sẽ được hấp phụ vào cột này. Sau đó cũng giải hấp các chất trong cột hấp phụ bằng dòng khí trơ đó nhưng ở 200 o C, để dẫn vào máy GC/MS để tách và xác định các chất. 5.5. Kỹ thuật vi chiết pha rắn (SPME) Kỹ thuật này cũng vẫn dựa trên cơ sở sự phân bố của chất phân tích X giữa hai pha không hoà tan vào nhau, trong đó pha mẫu chứa chất X là lỏng, còn pha chiết là chất rắn. Song ở đây pha chiết (que chiết) là các hạt chất rắn xốp cỡ hạt vài micromet (àm) được tẩm lên thanh que nhỏ kim loại hay PE (1x4 mm) tạo thành líp màng chất chiết dầy khoảng 0,3-0,5 mm bao xung quanh tạo ra que chiết. Que chiết được để trong hệ xy lanh và kim tiêm, để có thể cắm qua chiết vào qua nút cao su của bình chứa mẫu cần chiết. Quá trình chiết xẩy ra khi ta nhúng que chiết vào trong bình mẫu theo một trong hai kiểu: + Không gian mẫu (chất ở dạng lỏng). Với cách này pha mẫu phải được lắc đều (hay khuấy) liên tục khi chiết và qua chiết chìm trong pha mẫu. + Không gian hơi (chất dễ hoá hơi). Với cách này, pha mẫu là hơi, que chiết nằm trong không gian hơi của bình mẫu, và mẫu phải được gia nhiệt phù hợp, để cho các chất bay hơi đạt đến trạng thái cân bằng giữa pha mẫu ban đầu (lỏng hay huyền phù) và pha hơi của mẫu. Thời gian chiết: 20- 30 phút. Trang bị của kỹ thuật chiết này: Bao gồm (hình ): Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa 38/46 + Bình chưa mẫu để chiết (dung tích 50 mL, nút cao su), + Bộ Xylanh, kim tiêm và que chiết, + Máy khuấy và gia nhiệt cho bình mẫu.  Cơ chế của sự chiết: Chỉ có hai kiểu là: + Hấp phụ pha thường (chất chiết pha thường), + Hấp phụ pha ngược (chất chiết pha ngược), Vấn đề này xem trong mục chiết pha rắn đã trình bày ở trên. Ưu nhược điểm và ứng dụng Kỹ thuật chiết này: + Đơn giản, dễ thực hiện, + Thích hợp cho xác định các chất vi lượng, + Làm giầu được chất, + Chủ yếu cho xác định các chất hữu cơ và một số kim loại nặng. Kỹ thuật này míi ra đời và còn đang phát triển. Song cũng đã được ứng dụng có hiệu quả, nhất là trong lĩnh vực phân tích các hoá chất bảo vệ thực vật và thuốc trừ sâu. 5.6. Kỹ thuật chiết Soxhlet 5.6.1. Nguyên tắc chung Chiết Soxhlet là một kiểu chiết liên tục đặc biệt được thực hiện nhờ một loại trang bị chiết riêng. Kiểu chiết này cũng như kiểu chiết lỏng lỏng, nên về bản chất của sự chiết nó vẫn là dựa trên cơ sở quy luật phân bố chất trong hai pha không trộn vào nhau. Song ở đây pha mẫu là ở trạng thái lỏng, bột, hạt hay dạng mảnh, hay dạng lá đều được cả. Còn dung môi chiết (chất hữu cơ) là ở dạng lỏng. Ví dụ như chiết lấy dầu melton từ lá cây bạc hà bằng dung môi hữu cơ n-Hexan, hay benzen. Chiết các thuốc trừ sâu hay HCBVTV trong mẫu rau quả, mẫu đất bằng n-Hexan. Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa 39/46 Vì thế đây là kiểu chiết của hệ chiết có thể cả đồng thể và dị thể. Trong thực tế được dùng chủ yếu là hệ dị thể, mà chất phân tích ở trong mẫu rắn, bột, lá, sợi, v.v mà các kỹ thuật chiết đã nêu ở trên không làm được tốt, đặc biệt là chiết các chất hữu cơ trong các mẫu không ở dạng lỏng (hệ chiết dị thể). 5.6.2. Các trang thiết bị và ví dụ Trang thiết bị của kỹ thuật chiết này có hai loại là: 1. Các hệ chiết Soxhlet thường và đơn giản. 2. Các hệ chiết Soxhlet tự động (Auto-Soxhlet). Cách chiết theo hệ loại 1 là đơn giản, vận hành bằng tay, còn cách chiết theo hệ máy loại 2 là vận hành một cách tự động theo chương trình. Kỹ thuật chiết này chủ yếu được sử dụng để chiết tách các chất hữu cơ nằm trong mẫu ở dạng rắn, hay dạng bột, hay mảnh nhỏ, hay các vật liệu mẫu khô (như lá cây, dược liệu, ). Vì thế nó là các hệ chiết dị thể. ♦ Ví dụ 1: Chiết Soxhlet thường lấy một số hoá chất BVTV từ mẫu rau quả. Lấy 10 g. mẫu đã được nghiền nhỏ và trộn đều vào cốc đựng mẫu của hệ chiết, thêm 25-30 g. Na 2 SO 4 khan, trộn đều, 50 mL dung môi chiết n- Hexan có 20 % Cl 2 CH 2 . Sau đó tiến hành chiết trong vòng 5-6 giờ liên tục, để yên 10 phút, tách lấy pha hữu cơ n-Hexan có chứa chất phân tích và xác định chúng trong pha hữu cơ này bằng phương pháp phù hợp đã chọn. 5.6.3. Các ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng Kỹ thuật chiết này có ưu điểm là chiết triệt để, song các điều kiện chiết phải nghiêm ngặt và thời gian chiết cũng dài, thì mới có kết quả chiết tốt. Vì thế hệ thống vận hành tự động (auto-Soxlet) cho kết quả tốt hơn. Nó thích hợp cho việc chiết lượng vết các chất hữu cơ, nhất là các chất độc hại từ các đối tượng mẫu khác nhau, chất phân tích có trong mẫu ở trạng thái rắn, bột, vật Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa 40/46 mẫu xốp khô (lá cây), v.v. Kỹ thuật chiết này được ứng dụng chủ yếu để chiết các HCBVTB từ các mẫu cây, lá, rau quả, thực phẩm, mẫu đất. 5.7. Kỹ thuật chiết Siêu âm 5.7.1. Nguyên tắc chung Quá trình chiết siêu âm cũng vẫn dựa trên cơ sở chung của sự chiết là sự phân bố của chất vào hai pha không trộn lẫn vào nhau, chỉ có khác là được thực hiện trong môi trường có thêm tác dụng của năng lượng sóng siêu âm (năng lượng tia Vi sóng). Pha chứa mẫu phân tích cần chiết là pha nước và pha lỏng để chiết chất phân tích là dung môi hữu cơ (pha thứ hai) đều . các đối tượng mẫu khác nhau, chất phân tích có trong mẫu ở trạng thái rắn, bột, vật Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa 40 /46 mẫu xốp khô (lá cây), v.v. Kỹ thuật chiết này. pha mẫu ban đầu (lỏng hay huyền phù) và pha hơi của mẫu. Thời gian chiết: 20- 30 phút. Trang bị của kỹ thuật chiết này: Bao gồm (hình ): Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa. trình trao đổi Cation: nMat-SO 3 Na + Me n+ → (Mat-SO 3 ) n -Me + nNa + Tài liệu giảng môn kỹ thuật xử lý mẫu phân tích hóa 34/ 46 ( Chất chiết ) ( chất PT ) Trong đ : Mat: Mạng rắn của chất