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 tắc bơm mẫu tuần tự

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

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)

Chuyên ngành: Hóa Phân tích
Mã số: 60440118


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS. TS. PHẠM HÙNG VIỆT


Hà Nội – Năm 2013
LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo, GS. TS. Phạm
Hùng Việt đã giao đề tài, nhiệt tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi
trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn, đồng thời em cũng xin chân thành cảm ơn
ThS. Phạm Thị Thanh Thủy là người đã trực tiếp chỉ bảo em trong quá trình sử dụng
các hệ thiết biết điện di mao quản và đưa ra những giải thích đúng đắn khi em gặp
khó khăn trong quá trình thực hiện luận văn.
E
m cũng xin chân thành cảm ơn các cán bộ trong Trung tâm Nghiên cứu Môi

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

1.2.6. Độ phân giải trong phương pháp điện di mao quản 16
1.2.7. Detector thông dụng trong phương pháp điện di mao quản 17
Chương 2 - MỤC TIÊU – NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 21
2.1. Mục tiêu nghiên cứu 21
2.2. Nội dung nghiên cứu 21
2.3. Trang thiết bị - hóa chất 21
2.3.1. Trang thiết bị, dụng cụ 21
2.3.2. Hóa chất 22
2.3.3. Chuẩn bị các dung dịch chuẩn và hóa chất thí nghiệm 23

2.4. Lấy mẫu và phương pháp phân tích các mẫu đối chứng 23
2.4.1. Lấy mẫu 23
2.4.2. Phương pháp phân tích các mẫu đối chứng 24
2.5. Các thông số đánh giá phương pháp phân tích 25
2.5.1. Giới hạn phát hiện - giới hạn định lượng 25
2.5.2. Khoảng tuyến tính 25
2.5.3. Độ chính xác 25
2.5.4. Độ lặp lại 26
Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27
3.1. Khảo sát các điều kiện tối ưu các cation 27
3.1.1. Khảo sát các điều kiện tối ưu phân tích đồng thời các cation:
NH
4
+
, Na
+
, K
+
, Mg

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

3.2.1. Đường chuẩn phân tích các cation 47
3.2.2. Độ lặp lại 48
3.2.3. Độ chính xác 49
3.2.4. Độ đúng 50
3.2.5. So sánh phương pháp nghiên cứu với các phương pháp tiêu
chuẩn trong việc phân tích các cation: NH
4
+
, Na
+
, K
+
, Mg
2+
, Ca
2+
, Ba
2+

trong mẫu nước mặt 51

3.3. Áp dụng quan trắc chất lượng nước mặt 53
3.3.1. Biến thiên nồng độ các cation theo thời gian 53
3.3.2. So sánh kết quả phân tích với các kết quả thu được từ các phương
pháp tiêu chuẩn 57


KẾT LUẬN 62
ĐỀ XUẤT CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

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

+
, Na
+
, K
+
, Mg
2+
, Ca
2+
, Ba
2+
nồng độ 100µM sử dụng đệm His/ace có nồng độ 18-crown-6 khác nhau. 30

Hình 10. Sự phụ thuộc của diện tích pic vào nồng độ 18-crown-6 31
Hình 11. Giản đồ điện phân tách đồng thời các cation cơ bản ở các nồng độ đệm khác
nhau 33

Hình 12. Độ phân giải giữa các pic phụ thuộc vào nồng độ đệm 34
Hình 13. Sơ đồ biểu diễn các bước phân tích trên hệ SIA-CE-C
4
D 35
Hình 14. Sơ đồ biểu diễn quá trình đẩy mẫu vào mao quản 35
Hình 15. Giản đồ điện di khảo sát sự ảnh hưởng của thể tích bơm mẫu đến sự phân
tách các pic; pha động điện di: histidine 12mM, 18-crown-6 2mM thêm axit axetic
đến pH 4,0; tốc độ đẩy mẫu: SP 15; vị trí van chia dòng: 16/50 vòng thứ nhất; điện
thế tách: -15kV. 37

Hình 16. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của diện tích pic vào thể tích bơm mẫu 38
Hình 17. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ phân giải giữa các pic vào thể tích bơm
mẫu 38

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

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Các cơ chế tách khác nhau trong CE 7

Bảng 2. Một số phương pháp điều chỉnh EOF 15
Bảng 3. Nồng độ các dung dịch đệm khảo sát 32
Bảng 4. Mã tốc độ đẩy mẫu (SP) của bơm Teacan 39
Bảng 5. Đường chuẩn phân tích các cation 47
Bảng 6. Đánh giá độ lặp lại 48
Bảng 7. Độ chụm thực hiện với mẫu HN1 49
Bảng 8. Hiệu suất thu hồi của các cation. 50
Bảng 9. Các kết quả phân tích nồng độ các cation trong một số mẫu nước mặt bằng
phương pháp SIA-CE-C
4
D và các phương pháp tiêu chuẩn 52
Bảng 10. 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 53
Bảng 11. 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 59

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)

EOF: Dòng điện di thẩm thấu (electroosmotic flow)
HIS: Histidine
TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam
LOD: Giới hạn phát hiện (limits of detection)
LOQ: Giới hạn định lượng (limits of quantity)
MES: Axit 2-(N-morpholino)ethanesulfonic
MOSP: Axit 3-(N-morpholino)propanesulfonic
RSD: Độ lệch chuẩn tương đối (relative standard deviation)
SD: Độ lệch chuẩn (Standard deviation)
TRIS: Tris(hydroxymethyl)aminomethane
UV – Vis: Quang phổ hấp thụ vùng tử ngoại và khả kiến
ζ: Thế của lớp điện tích kép
CETASD Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển
Bền vững
SP Mã tốc độ đẩy mẫu
VP Vị trí van chia dòng
VS Thể tích bơm mẫu
EC Độ dẫn

HPLC Sắc kí lỏng hiệu năng cao
IC Sắc kí ion

MỞ ĐẦU
Ô nhiễm nước trong những năm gần đây là một vấn đề đang nhận được nhiều
sự quan tâm của các nhà khoa học ở Việt Nam và thế giới. Các kết quả điều tra cho
thấy, thực trạng ô nhiễm nước ở nước ta rất đáng báo động, đặc biệt ở những lưu vực
sông gần các thành phố lớn như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh . Trong khi đó, hầu
hết người dân vẫn sinh hoạt và sản xuất dựa trên những nguồn nước này. Điều này
làm ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và chất lượng cuộc sống của mỗi người dân.
Do vậy, những đánh giá liên tục, kịp thời về mức độ ô nhiễm của các lưu vực sông là

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

khai thác một tấn dầu mỏ cần 10m
3
nước, muốn tạo ra một nhà máy nhiệt điện hiện
đại 1 triệu kW cần tới 1,2 ÷ 1,6 tỉ m
3
nước trong một năm. [2]
Tuy nước có vai trò quan trọng không thể thiếu được cho sự sống tồn tại trên
trái đất, là máu sinh học của Trái Đất nhưng nước khi không đảm bảo chất lượng
cũng là nguồn gây tử vong cho con người. Vì vậy, chúng ta cần có những biện pháp
để bảo vệ và sử dụng hợp lý tài nguyên nước.
1.1.2. Hiện trạng tài nguyên nước
Trái Đất có khoảng 361 triệu km
2
diện tích các đại dương. Trữ lượng tài
nguyên nước có khoảng 1,5 tỉ km
3
, trong đó nước nội địa chiếm 91 triệu km
3
(6,1%),
còn 93,9% là nước biển và đại dương. Tài nguyên nước ngọt chiếm 28,25 triệu km
3

2

(1,88% thủy quyển) nhưng phần lớn ở dạng đóng băng ở hai cực Trái Đất. Lượng
nước thực tế con người có thể sử dụng được là 4,2 triệu km
3
(0,28% thủy quyển) [2].
Tuy nhiên, do tác động của sự bùng nổ dân số và phát triển kinh tế kém bền
vững đã làm cho tài nguyên nước ngày càng suy thoái. Đối với một nước đang phát

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

2+
, Ba
2+
hấp thụ bước sóng cực đại lần lượt là: 285,3;
422,7; 553,6nm với giới hạn phát hiện rất tốt: ≤ 0,03mg/L. Phương pháp này cho độ
chính xác cao, độ lặp lại tốt, tuy nhiên hạn chế là: hệ thiết bị đắt tiền, cồng kềnh, chi
phí cho mỗi lần phân tích lớn, ngoài ra hệ thiết bị chỉ có khả năng phân tích trong
phòng thí nghiệm.
Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử AES
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, sau đó phát ra các tia xạ, từ đó sinh ra phổ phát xạ nguyên tử. Phương
pháp này thích hợp cho việc phân tích các cation Na
+
, K
+
trong nước. Các cation này
sau khi nguyên tử hóa sẽ hấp thụ năng lượng thích hợp và phát ra các tia phát xạ có
bước sóng cực đại lần lượt là: 589; 766,6nm với giới hạn phát hiện 0,002mg/L. Tuy
nhiên, phương pháp này cũng có hạn chế đó là: hệ thiết bị đắt tiền, cồng kềnh, chi phí
cho mỗi lần phân tích lớn, ngoài ra hệ thiết bị chỉ có khả năng phân tích trong phòng
thí nghiệm.
Tóm lại các phương pháp phân tích trên cho độ chính xác cao, độ lặp lại tốt, tuy
nhiên có hạn chế là không có khả năng phân tích được nhiều chỉ tiêu trong nước, do
đó, để đánh giá được một mẫu nước thì cần phân tích nhiều chỉ tiêu riêng rẽ, tiêu tốn
nhiều thời gian, hóa chất, chi phí mới thu được kết quả cuối cùng. Do vậy cần có
những phương pháp mới có khả năng phân tích được nhiều chỉ tiêu cùng một lúc để
thu được hiệu quả kinh tế cao.
1.1.3.2. Các phương pháp phân tích đồng thời các cation trong nước
Phương pháp sắc khí trao đổi ion:

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

trong nước [24, 26]. Tuy nhiên, phương pháp này tương đối hạn chế về đối tượng
phân tích cũng như giới hạn phát hiện do việc sử dụng mao quản có đường kính trong
nhỏ gây khó khăn trong vấn đề chế tạo tế bào dòng chảy và mao quản dễ vỡ khi bỏ
lớp polyme phía ngoài.
Sự kết hợp của phương pháp CE với các phương pháp xác định tiên tiến như
quang phổ phát xạ (ICP OES) và phổ khối (ICP MS) cho phép phân tích lượng vết
một số cation trong mẫu máu thu được giới hạn phát hiện rất nhỏ cỡ µg/L [10, 17].
Tuy nhiên các phương pháp này chỉ thích hợp cho việc phân tích trong phòng thí
nghiệm vì điều kiện bảo quản thiết bị nghiêm ngặt, mặt khác thiết bị khá cồng kềnh
và chi phí đầu tư ban đầu cao.
5

Phương pháp CE rất thích hợp với mục đích phân tích hiện trường và có thể
đặt ở những vị trí có diện tích không lớn lắm vì hệ thiết hệ thiết bị tương đối nhỏ gọn,
tiêu tốn ít hóa chất. Mặt khác hệ thiết bị có khả năng được tiếp tục thu nhỏ và tự động
hóa do không cần bơm cao áp như một số phương pháp khác.
Vấn đề là để thu nhỏ được hệ thiết bị thì phải đồng bộ hóa các bộ phận cấu
tạo, trong đó bộ phận khó nhất là detector. Đối với detector UV thì điều này là không
thể do cấu tạo của detector UV khá phức tạp, một số bộ phận không thể thu nhỏ đươc.
Với ICP OES hay ICP MS là không thể thu nhỏ do các thiết bị này quá cồng kềnh.
Trong những năm gần đây, detector độ dẫn, trong đó nổi bật là detector độ dẫn
không tiếp xúc kết nối kiểu tụ điện (C
4
D) đang là một hướng nghiên cứu rất có tiềm
năng và triển vọng trong việc thu nhỏ hệ thiết bị phục vụ mục đích phân tích hiện
trường và quan trắc liên tục [18, 21]. Mặt khác, nguyên tắc hoạt động của detector
này dựa trên sự dẫn điện của các chất phân tích, vì vậy, C
4
D có phổ phân tích rộng,
đặc biệt thích hợp với các đối tượng là ion. Không những thế detector C

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

vùng mẫu
Sắc ký mao quản điện động
học micellar
MEKC
Sự tương tác Ionic hay Hydrophobic
với Micelle
7

Điện di mao quản gel
Gel-CE
Theo kích thước và điện tích chất tan
Điện di hội tụ đẳng điện mao
quản
CIEFC
Tính chất điểm đẳng điện tích của
vùng mẫu
Điện di đẳng tốc mao quản
CITEC
Tính chất đẳng tốc độ nhất thời
Trong các kiểu CE trên thì CZE là cơ chế tách chất đơn giản nhất, thường được
sử dụng nhất, đặc biệt thích hợp cho việc phân tích các ion.
1.2.2. Độ điện di, tốc độ điện di và thời gian 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 (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)

Ở trạng thái cân bằng, ta có:
f
e
= f
f
(1.4)
Tử các cồng thức trên suy ra:
μ
i
=
6 . . . r
q
πη
(1.5)
Như vậy, độ linh động điện di tỉ lệ thuận với điện tích của phần tử tích điện, tỉ
lệ nghịch với độ nhớt của dung dịch pha động điện di và độ lớn (bán kính hydrat r)
của phần tử tích điện. Ngoài ra, độ linh động điện di còn phụ thuộc vào nhiệt độ và
dòng EOF.
1.2.3. Hiệu ứng nhiệt Jun
Trong kĩ thuật CE, một điện áp cao được áp vào hai đầu mao quản trong suốt
quá trình phân tích đã tạo ra hiệu ứng nhiệt (định luật Jun - Lenxơ). Lượng nhiệt phát
ra được tính theo công thức 1.6:
H = VIt (1.6)
Trong đó: H: lượng nhiệt tỏa ra
V: hiệu điện thế áp vào hai đầu mao quản
I: cường độ dòng chạy qua mao quản
t: thời gian phân tích
Do sự khuếch tán nhiệt không đều, lớp dung dịch sát thành mao quản khuếch
tán nhiệt tốt hơn lớp phía trong gây ra sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai lớp. Do đó,
trong mao quản xảy ra sự di chuyển khác nhau giữa hai lớp dung dịch, lớp phía trong

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

phương pháp điện di mao quản
Trên bề mặt mao quản silic chứa các nhóm silanol (Si-OH) có khả năng bị
deproton theo phương trình:
≡Si-OH → ≡Si-O
-
+ H
+
pK = 6,8 ± 0,5
Khi các nhóm silanol bị deproton, lớp sát bề mặt mao quản tích điện âm liên
kết chặt chẽ với thành mao quản gọi là lớp ion cửa. Theo lực hút tĩnh điện, các ion
cửa hút các cation trong dung dịch về phía mình tạo thành lớp mang điện tích dương.
Lớp này có thể di chuyển gọi là lớp khuếch tán. Do hai lớp ion cửa và lớp khuếch tán
tích điện trái dấu, do đó giữa hai lớp luôn tồn tại một giá trị thế ζ.
11


Hình 4. Lớp điện tích kép trên bề mặt mao quản
Sự hình thành, tồn tại và độ lớn của thế ζ phụ thuộc vào lực ion, pH, thành
phần pha động điện di và cấu tạo bề mặt mao quản. Độ lớn của thế ζ được xác định
gần đúng theo công thức:
ζ = (4πR
D
.q )/ε (1.7)
Trong đó: ε: hằng số điện môi của pha động điện di
q: tổng điện tích dung dịch theo 1 đơn vị thể tích
R
D
: bán kính hydrat của ion (bán kính Debye)
Bán kính hydrat của ion được tính theo biểu thức sau:
R

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)

/η (1.9)
Hay tốc độ điện di của dòng EOF được tính theo công thức:
µ
EOF
= (ε. ζ/η) (1.10)
Tính chất đặc trưng hay tiêu biểu của dòng EOF trong ống mao quản là một
dòng điện di, hay chuyển khối phẳng đồng đều của chất lỏng (hình 5). Lực làm cho
dòng EOF này di chuyển hầu như được phân bố đồng đều trên toàn tiết diện của mao
quản. Chỉ có một sự khác rất nhỏ về tốc độ ở vùng sát thành mao quản, nếu không có
sự nén đẩy dung dịch trong ống mao quản bằng áp suất. Trong điều kiện này, trong
ống mao quản chỉ có tồn tại dòng EOF là chính. Vì thế sự di chuyển của vùng chất
mẫu là đồng đều và tốt theo tiết diện mao quản. Khi chỉ có dòng EOF này là chính,
thì sự phân tán của vùng mẫu là nhỏ nhất và như thế chúng ta thu được pic của sự
tách các chất là gọn và sắc nét nhất, hiệu quả tách cao (số N
ef
cao). Đây cũng chính
là ưu điểm của phương pháp CE so với phương pháp HPLC.
13


Hình 5. Hình dạng dòng chảy trong CE và HPLC
Nhưng vì các ion đều nằm trong dòng EOF, do đó độ điện di của nó phải là
tổng đại số (toàn phần) của cả hai, tức là giá trị µ
tot
:
µ
tot
= ( µ
ef

+ 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