chế tạo một số bộ phận trong hệ thống phân tích dòng chảy xác định nitrit trong nước nuôi trồng thuỷ sản

1

BÁO CÁO NGHIỆM THU
Tên đề tài:
CHẾ TẠO MỘT SỐ BỘ PHẬN TRONG HỆ THỐNG PHÂN TÍCH DÒNG CHẢY
XÁC ĐỊNH NITRIT TRONG NƯỚC NUÔI TRỒNG THỦY SẢN
Chủ nhiệm đề tài: Ths. NGUYỄN MINH TRÚC
Cơ quan chủ trì: Trung Tâm Phát Triển Khoa Học Công Nghệ Trẻ
Thời gian thực hiện đề tài: 12 tháng
Kinh phí được duyệt: 50 triệu đồng
Kinh phí đã cấp: 50 triệu đồng theo TB số : 174 TB-SKHCN ngày 01/11/2006
Mục tiêu:
 Chế tạo được hệ thống phân tích nitrit theo nguyên lý tiêm dòng chảy dựa
vào một số thiết bị có sẵn và thiết kế hệ thống điện tử bằng linh kiện trong
nước.
 Từng bước nghiên cứu khả năng chế tạo trong nước một số bộ phận của hệ
thống: tế bào đo dòng chảy theo nguyên lý quang học.
Nội dung:
Công việc dự kiến Công việc đã thực hiện
 Chế tạo cell quang học và bộ
phối trộn
 Viết phần mềm
 Láp ráp và điều chỉnh hoạt động
của hệ FIA
 Tối ưu hóa quy trình phân tích
 Kiểm định hệ thống
 Chế tạo cell quang học và bộ
phối trộn
 Viết phần mềm
 Thiết kế mạch nhận tín hiệu
 Nghiên cứu tối ưu và kiểm định

quy trình phân tích
Sản phẩm cần đạt:
Tên sản phẩm Yêu cầu khoa học, kinh tế
 Hệ thống phối trộn  Vật liệu: ống teflon
 Đường kính trong: 1,0mm
 Cell Quang học  Vật liệu trơ, dán bằng epoxy.
 Đường kính trong: 1,0mm
 Đầu dò nitrit
 Giới hạn phát hiện cho nitrit ≤
0.025mg/L
 Phần mềm xử lý tín hiệu  Đơn giản, chính xác dễ sử dụng
 Báo cáo phân tích và bảng số
liệu
 Trung thực, khách quan, các số
liệu được tối ưu hóa

2

TÓM TẮT

CHẾ TẠO MỘT SỐ BỘ PHẬN TRONG HỆ THỐNG PHÂN TÍCH DÒNG CHẢY
XÁC ĐỊNH NITRIT TRONG NƯỚC NUÔI TRỒNG THỦY SẢN
Trong đề tài này, hệ thống phân tích nitrit hoạt động theo nguyên tắc tiêm dòng chảy
được chế tạo với các thiết bị và linh kiện trong nước. Hệ thống này bao gồm một đầu
dò cho nitrit hoạt động theo nguyên lý quang học và một bộ phối trộn. Tế bào dòng
chảy trong đầu dò được chế tạo với vật liệu mica có chiều dài 3,5cm và đường kính
trong 1,0mm; bộ phối trộn làm bằng ống teflon; nguồn sáng được cấp bởi một đèn
LED có bước sóng phát xạ cực đại tại 560nm; bộ phận phát hiện và mạch khuếch đại
được thực hiện với photodiode BPW21 và IC TL081. Đầu dò này được láp ráp với một
bơm nhu động có sẵn và thực hiện sự phân tích nitrit bằng thuốc thử N-

Naptyletylendiamin và acid sulfanilic. Các điều kiện phân tích được tối ưu. Một số
mẫu nước thực tế được áp dụng. Kết quả cho thấy hệ thống tự chế tạo này cho độ nhạy
đạt 0.00312 mg N/L ở chế độ FIA và 0.00561 mg N/L ở chế độ SFIA. .
SUMMARY
MAKING OF SOME PARTS IN FLOW INJECTION MANIFOLD FOR NITRITE IN
AQUATIC SAMPLE
In this project, a flow injection analysis manifold was made from domestic
components. It consists of a nitrite optic detector and reaction coil. The flow cell in this
detector was made from mica plastic with 3,50 cm in long and 1,0mm i.d. The reaction
coil was made from teflon tube. Light source was supplied by a light emitted diode
(LED) with emission maxima at 560nm; amplification circuit was made with BPW21
photodiode and operational amplifier TL081. This detector was reassembled with a
peristaltic pump. The determination of nitrite was carried out by using N-
Napthylethylenediamin and sulfanilic acid. Experimental conditions were optimized.
Some real samples were analyzed. The result showed very good sensitivity with LOD
in FIA mode and SFIA mode was 0.00312 mg N/L and 0.00561 mg/L respectively.
3

Mục lục
Tóm tắt đề tài 2
Mục lục 3
Danh sách các chữ viết tắt 5
Danh sách bảng 6
Danh sách hình 7
Chương 1: Tổng quan 10
1. Sự tồn tại của nitrit trong môi trường nước 10
2. Các phương pháp phân tích nitrit 11
3. Phương pháp phân tích tiêm dòng chảy 12
4. Tổng quan về tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài này 17
4.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước 17

4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước 17
5. Mục đích nghiên cứu – Ý nghĩa của đề tài 19
5.1. Mục đích nghiên cứu 19
5.2. Ý nghĩa của đề tài 19
Chương 2: Nội dung nghiên cứu 20
1. Sản phẩm cần đạt 20
2. Thiết kế tế bào đo dòng chảy và bộ phối trộn 20
2.1. Tế bào đo dòng chảy 20
2.2. Bộ phối trộn 22
2.3. Độ phân tán 22
3. Thiết kế mạch nhận tín hiệu 22
4. Viết phần mềm 25
5. Nghiên cứu tối ưu và kiểm định quy trình phân tích 27
5.1. Ảnh hưởng của bản chất acid dùng làm môi trường phản ứng 27
5.2. Tỉ lệ pha trộn thuốc thử 27
5.3. Tốc độ của bơm nhu động 28
5.4. Đường chuẩn – giới hạn phát hiện 28
5.5. Ảnh hưởng của nền 28
5.6. Đánh giá quy trình phân tích trên một mẫu thật 28
Chương 3: Kết quả và thảo luận 30
1. Tế bào đo dòng chảy và bộ phối trộn 30
1.1. Tế bào đo dòng chảy 30
1.2. Bộ phối trộn 33
1.3. Độ phân tán và độ bành rộng 37
2. Mạch điện tử nhận tín hiệu 38
4.1. Photodiod và LED 38
4.2. Mạch lọc nhiễu (active low – pass filter) 40
4.3. Modun biến đổi tương tự/số và ngược lại 40
3. Phần mềm 41
5.1. Phần mềm thu nhận tín hiệu 41

5.2. Phần mềm xử lý tín hiệu 48
4

4. Tối ưu và kiểm định quy trình phân tích 54
4.1. Ảnh hưởng của acid dùng làm môi trường 54
4.2. Tỉ lệ pha trộn thuốc thử 55
4.3. Tốc độ của bơm nhu động 56
4.4. Khoảng tuyến tính – giới hạn phát hiện 57
4.5. Ảnh hưởng của nền 58
4.6. Phân tích một số mẫu thật 59
Chương 4: Kết luận và kiến nghị 62
1. Kết luận 62
2. Kiến nghị 64
Tài liệu tham khảo 65
5

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

FIA Flow Injection Analysis: phân tích tiêm dòng chảy liên tục

SFIA Stop-Flow Injection Analysis: phân tích tiêm dòng chảy không liên tục

LED Diod phát quang

SUL acid sulfanilic

NED N-Naptyletylendiamin

FFT Fast Fourier Transform: Thuật toán biến đổi Fourier nhanh

HPLC Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao

D Hệ số phân tán

A Độ hấp thu

S/N Tỉ lệ tín hiệu/ồn

LOD Giới hạn phát hiện

AD/DA

Chuyển mạch tương tự/số

VDC Điện thế một chiều

6

DANH SÁCH CÁC BẢNG

STT

Tên bảng Trang

1

Bảng 1: Các loại thuốc thử dùng trong phương pháp trắc quang xác
định nitrit.

2

Bảng 2: Các loại ống dùng trong bơm nhu động

3

Bảng 3: Sản phẩm cần đạt của đề tài

4

Bảng 4: Diễn giải tác dụng của menu/file

5

Bảng 5: Diễn giải tác dụng của menu/setup

6

Bảng 6: Diễn giải tác dụng của menu/method

7

Bảng 7: Diễn giải tác dụng của các menu/method

8

Bảng 8: Diễn giải chức năng của menu/file

9

Bảng 9: Diễn giải chức năng của menu/view

10

Bảng 10: Diễn giải chức năng của menu/math

11

Bảng 11: Diễn giải chức năng của popup menu

12

Bảng 12: Cài đặt các thông số cho phân tích mẫu nước nuôi tôm sú

13

Bảng 13: So sánh kết quả phân tích nitrit mẫu nước nuôi tôm sú bằng
hai phương pháp TCVN và phương pháp SFIA trong một số mẫu.

14

Bảng 14: Chi phí linh kiện phần cứng cho một đầu dò nitrit

15

Bảng 15: Các thông kỹ thuật và vận hành của đầu dò nitrit

7

DANH SÁCH CÁC HÌNH
STT

Tên hình Trang

1

Hình 1: Cấu tạo một hệ thống FIA một kênh

2

Hình 2: cấu tạo nguyên lý hoạt động của một bơm nhu động.

3

Hình 3: Sơ đồ hoạt động của một van tiêm mẫu

4

Hình 4: A – tế bào đo theo nguyên lý quang học kiểu chữ Z; B – Tế
bào đo theo nguyên lý quang học kiểu chữ U; C – Tế bào đo theo
nguyên lý điện hóa kiểu bản mỏng (thin layer); D- nguyên lý điện hóa
kiểu tường phản lực (wall-jet).

5

Hình 5: Cấu tạo một hệ thống FIA để phân tích nitrit đã từng nghiên
cứu trước đây [2 – 5].

6

Hình6: Cấu tạo cắt ngang của tế bào đo dòng chảy tự chế tạo

7

Hình 7: Cấu hình hệ FIA trong thực nghiệm.

8

Hình 8: Sồ đồ mạch điện khuếch đại tín hiệu.

9

Hình 9: Sơ đồ mạch điện điều khiển bơm nhu động

10

Hình 10: Cấu tạo ngoài và sơ đồ chân của USB1208LS

11

Hình 11: Sơ đồ chân của USB1208LS gắn vào board mạch nhận tín
hiệu.

12

Hình 12: Giao diện chính của phần mềm thu nhận tín hiệu

13

Hình 13: Giao diện chính của phần mềm xử lý tín hiệu

14

Hình 14: Tín hiệu của dầu dò nitrit với tế bào dòng chảy có các kích
thước khác nhau. (Nitrit 2000ppb, thời gian hút mẫu 20s).

15

Hình 15: So sánh độ tăng của chiều cao pic và độ bành rộng pic khi
tăng chiều dài tế bào dòng chảy.

16

Hình 16: Sự phân tán trong hệ thống FIA nghiên cứu (chiều dài bộ phối
trộn: 250cm, thời gian hút mẫu 30s, tốc độ 1,90ml/phút.).

17

Hình 17: Ảnh hưởng của chiều dài bộ phối trộn đến chiều cao của pic
(Nitrit 1000ppb, thời gian tiêm mẫu 60s, tốc độ 1,90ml/phút).

18

Hình 18: Ảnh hưởng của đường kính trong của bộ phối trộn đến chiều
cao và độ bành rộng pic (Nitrit 1000ppb, thời gian hút mẫu 60s x
1,90ml/phút, chiều dài bộ phối trộn 100cm)

19

Hình 19: So sánh chiều cao của pic khi thay đổi cấu tạo hình học của
bộ phối trộn (nitrit 500ppb, thời gian tiêm mẫu 30s x 1,90ml/phút,

chiều dài bộ phối trộn 100cm).

20

Hình 20: Tín hiệu khi thay đổi hình dạng của bộ phối trộn (nitrit
500ppb, thời gian tiêm mẫu 30s x 1,85ml/phút, chiều dài bộ phối trộn
100cm).

21

Hình 21: Hình dạng của pick hi thay đổi cấu tạo hình học của bộ phối
trộn (trích từ tài liệu tham khảo [2]).

22

Hình 22: Ảnh hưởng của thời gian tiêm mẫu tới độ phân tán (coil:
100cm x 1,0mm id, tốc độ 1,90ml/phút)

8

23

Hình 23: Phổ phát xạ của LED EL383-2SGYC và phổ hấp thu của
photodiode BPW21, và mắt người

24

Hình 24: Độ tuyến tính của dòng điện thu được theo cường độ chiếu xạ
vào BPW21

25

Hình 25: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên dòng quang điện của BPW21

26

Hình 26: Tín hiệu sau khi có tụ lọc và không có tụ lọc (nitrit 200ppb,
thời gian hút mẫu 10, 20, 30s x 1,90ml/phút)

27

Hình 27: menu file của phần mềm thu nhận tín hiệu

28

Hình 28: menu setup của phần mềm thu nhận tín hiệu

29

Hình 29: menu method của phần mềm thu nhận tín hiệu

30

Hình 30: menu help của phần mềm thu nhận tín hiệu

31

Hình 31: popup menu của đồ thị

32

Hình 32: Mô tả cách tính tỉ lệ S/N

33

Hình 33: Tỉ lệ tín hiệu/ồn khi thay đổi giá trị tính trung bình với tốc độ
lấy mẫu 2 mẫu/giây

34

Hình 34: Sự biến dạng của pic khi thay đổi tẩn số cắt nhiểu lần lượt là
3, 5, 7, 10, 15, 20, tốc độ lấy mẫu 2 mẫu/giây

35

Hình 35: Sự biến dạng của cường độ pic khi thay đổi tốc độ lấy mẫu

36

Hình 36: Trang giao diện chính của phần mềm xử lý tín hiệu

37

Hình 37: Menu file của phần mềm thu nhận tín hiệu

38

Hình 38: Menu View của chương trình xử lý tín hiệu

39

Hình 39: Menu Math trong phần mềm xử lý tín hiệu

40

Hình 40: Menu Help của chương trình xử lý tín hiệu

41

Hình 41: Popup menu của đồ thị

42

Hình 42: Hộp thoại phân tích định lượng

43

Hình 43: Minh họa việc xử lý tín hiệu bằng thuật toán FFT

44

Hình 44: Sự làm nhẵn tín hiệu của thuật toán biến đổi Fourier nhanh

45

Hình 45: Ảnh hưởng của bản chất các loại acid khác nhau sử dụng để
làm môi trường phản ứng (trường hợp không acid sử dụng acid
sulfanilic).

46

Hình 46: Ảnh hưởng của tỉ lệ pha trộn thuốc thử đến chiều cao của pic
nitrit (1000ppb, thể tích tiêm mẫu 400µl, tốc độ bơm 2,4ml/phút)

47

Hình 47: Ảnh hưởng của thành phần chất mang tới chiều cao và hình
dạng của pic (nitrit 81ppb, thể tích tiêm mẫu 400µl, tốc độ bơm
2,4ml/phút).

48

Hình 48: Ảnh hưởng của tốc độ bơm nhu động lên cường độ pic
(80ppb N-NO
2
, thể tích tiêm mẫu 350 µl, 100cm coil)

49

Hình 49: Đường chuẩn của chế độ tiêm dòng chảy liên tục. Chiều dài
coil 250cm, tốc độ 1,50ml/phút, thời gian tiêm mẫu 90s

50

Hình 50: Đường chuẩn của chế độ tiêm dòng chảy liên tục. Chiều dài
coil 100cm, tốc độ 1,50ml/phút, thời gian tiêm mẫu 30s, thời gian dừng
100s

9

51

Hình 51: Ảnh hưởng độ mặn và Fe(III) đến độ hấp thu.

52

Hình 52: Đường chuẩn và mẫu nước nuôi tôm sú và các mẫu thêm
chuẩn.

53

Hình 53: Đường chuẩn và mẫu máy và các mẫu thêm chuẩn.




10

Chương
1
Tổng quan
1. Sự tồn tại của nitrit trong môi trường nước:
Nguyên nhân chính sản sinh ra nitrit trong tự nhiên bắt nguồn từ các sản phầm phân
hủy từ động thực vật. Protein của động thực vật bị phân hủy bởi nhiều loại vi sinh vật
và được chuyển hóa thành các amin tự do, sau đó các amin này bị khử kị khí để giải
phóng NH
4
+
và NH
3

có thể biểu diễn theo phương trình hóa học như sau:
−+
++ →+
334222
2)( HCONHNHOHNHCO
Urease
(1)
Trong đất tồn tại loại vi khuẩn nitrosomonas có khả năng oxid hóa NH
4
+
/NH
3
thành
NO
2
-
theo phương trình:
+−+
++ →+ HOHNOONH
asNitrosomon
22/3
2224
(2)
Thành phần nitrit trong nước bề mặt rất ít vì nó bị oxid hóa tự nhiên bởi oxy trong
không khí thành nitrat. Do vậy sự cao lên bất thường của hàm lượng nitrit trong nước
có liên quan đến các hoạt động của con người, mà nguyên nhân chính là từ việc sử
dụng phân bón chứa các muối amoni, ure, hoặc nước thải sinh hoạt, nước thải công
nghiệp. Trong nước sông, hàm lượng nitrit rất ít, chỉ khoảng dưới 0.01µg/ml, trong
trường hợp nitrit trong nước sông ở hàm lượng khoảng 0.05 µg/ml là có thể xem nước
đó đã bị ô nhiễm. Trong các ao nuôi trồng thủy hải sản, nitrit có nguồn gốc chủ yếu từ

thức ăn thừa, lượng thức ăn thừa này ở tầng đáy bị khử thành amoni, sau đó thành nitrit
theo các phương trình (1, 2). Nitrit là một chất độc cho tôm cá vì nó tấn công vào hồng
11

cầu của máu làm tê liệt hệ thần kinh và hô hấp. Do vậy, kiểm tra hàm lượng nitrit là
một thông số để đánh giá chất lượng môi trường nước cũng như môi trường nuôi trồng
thủy hải sản.
2. Các phương pháp phân tích nitrit:
Mặc dù nitrit có thể phân tích bằng các phương pháp như sắc ký ion, von-
ampe…Nhưng có thể nói rằng, phương pháp kinh điển và chủ đạo để xác định nitrit
trong tất cả các mẫu là phương pháp trắc quang VIS với cơ chế tạo thành phẩm màu
azo của nitrit theo sơ đồ tổng quát như sau:
NO
2
-
+
H
+
HNO
2
HNO
2
+
H
2
N R N RNHO
N RNHO R
2
+
N RNR

2
Sản phẩm diazo cuối cùng thường có màu hồng (bước sóng hấp thu khoảng 520-
560nm) tùy thuộc vào các nhóm chức R và R
2
sử dụng. Đã có nhiều công trình nghiên
cứu cải tiến, nội dung chính là tìm ra và thay thế các nhóm chức R và R
2
khác nhau,
nhằm nâng cao độ nhạy đồng thời làm cho các thuốc thử bền hơn, thân thiện với môi
trường và con người hơn. Bảng 1 tóm tắt các loại thuốc thử đã được phát minh cho tới
nay.
Bảng 1: Các loại thuốc thử dùng trong phương pháp trắc quang xác định nitrit.
H
2
N R

R
2

λ
λλ
λ (nm)
Acid 4-amino-1-naphtalen 1-sulfonic 1-Naptol 530
Naptalen-2,3-diamin Sulphanilamid N-(1-Naptyl etylen diamin) 555
Sulphanilamid N-(1-Naptyl) etylen diamin hydrolorua 542
Acid Sulfanilic N-(1-Naptyl) etylen diamin hydrolorua 541
4-Nitroanilin N-(1-Naptyl) etylen diamin hydrolorua 542
4-Aminoactophenon 1-Naptol 542
12

4-Nitroanilin 8-quinolinol 550
4-Nitroanilin 2-Metyl-8- quinolinol 585
4-Nitroanilin N-(1-Naptyl) etylen diamin hydrolorua 525
o-Nitroanilin Acid 8-Amino-naptylen-2-sulfonic 525
Acid Sulfanilic Naptol-1-1-ol 520
Acid 4-Amino Salicylic Pesorcinol 426
Acid orthanilic Pesorcinol 435
p-Aminophenol N-Etyl naptylamin 537
Acid Anilin-4-Sulphonic Acid N-Phenyl-1-naptylamin-8-Sulphonic 554
Trong các loại thuốc thử nói trên, cặp thuốc thử acid sulfanilic hoặc sulfanilamid và N-
(1-Naptyl) etylen diamin hydrolorua cho độ nhạy tốt nhất và thân thiện với môi trường
nhất. Đó cũng chính là sự lựa chọn thuốc thử của đề tài này.
Giới hạn cho phép của nitrit trong nước uống là dưới 0.01mg/l.
3. Phương pháp phân tích tiêm dòng chảy:
3.1. Nguyên tắc và cấu tạo:
Phần này sẽ không trình bày sâu về lý thuyết của kỹ thuật FIA mà sẽ trình bày
nghiêng về khía cạnh kỹ thuật của nó. Lý thuyết của FIA tương đối hoàn thiện, thực ra
là sự kết hợp của lý thuyết phản ứng hóa học và các quá trình động lực học chất lỏng.
Một trong những tác phẩm tiêu biểu có thể tìm hiểu về phương pháp phân tích này là
cuốn sách “Flow Injection Analysis” của chính những người sáng lập phương pháp là
tác giả được nêu trong tài liệu tham khảo [2]. Một nguồn tài liệu tham khảo khác có
trực tiếp trên internet có thể truy nhập miễn phí tại địa chỉ www.fialab.com là công ty
do Giáo sư Elo H. Hansen sáng lập.
Phương pháp phân tích tiêm dòng chảy (Flow Injection Analysis – FIA) được hai
nhà khoa học người Đan Mạch Jarda Ruzicka và Elo H. Hansen phát minh vào khoảng
đầu những năm 1970 (công trình đánh dấu đầu tiên được công bố vào năm 1975). Đây
là kỹ thuật phân tích kết hợp đồng thời sự tự động hóa vận chuyển mẫu đến đầu dò
(detector) và các phản ứng hóa học diễn ra ngay trong quá trình vận chuyển mẫu [1 -2].
Một sơ đồ đơn giản của hệ thống FIA có thể được thấy trong hình 1.
13

Hình 1: Cấu tạo một hệ thống FIA một kênh
Mẫu phân tích được tiêm vào dòng chất mang được bơm nhu động đẩy tới bộ phối
trộn, trong chất mang có chứa sẵn các thuốc thử sẽ phản ứng với chất cần phân tích,
sản phẩm của phản ứng thường là những chất có tín hiệu nhạy với một đầu dò đặt phía
cuối hệ thống, đầu dò sẽ cho tín hiệu dạng pic và hiển thị trên máy tính. Việc định
lượng sẽ dựa trên việc xây dựng đường chuẩn giữa nồng độ chất phân tích với diện tích
hay chiều cao của pic.
Cấu tạo của một hệ FIA bao gồm các bộ phận sau đây:
1. Bơm nhu động (peristaltic pump): gồm nhiều trục quay đồng thời, các trục
này tỳ lên một ống bằng silicon đàn hồi tốt, khi quay sẽ tạo ra một áp lực hút
đẩy dung dịch chạy trong lòng ống silicon. Tùy thuộc vào kích thước của
ống và vận tốc quay của trục mà tốc độ chảy của chất lỏng trong ống sẽ
nhanh hay chậm.

Hình 2: cấu tạo nguyên lý hoạt động của một bơm nhu động.
Ống dẫn chất lỏng trong của bơm nhu động là một ống làm bằng chất
liệu silicon, chịu hóa chất, chịu áp lực cao. Màu sắc của các đai trên ống cho


Bơm
Van tiêm
mẫu
Mẫu
Bộ
Phối trộn
Đ
i t
ớ

i
bình th
ả
i

Dòng
mang
Hiển thị
dữ liệu
14

phép biết được đường kính trong cũng như tốc độ bơm tối đa của ống. Bảng
2 cho thấy màu sắc của ống tương ứng với đường kính và tốc độ bơm tối đa
theo các nhà sản xuất (nguồn từ hãng FIALabs):
Bảng 2: Các loại ống dùng trong bơm nhu động
Mã màu sắc Đường kính trong

(inc)

Thể tích bơm tối đa

(ml/phút)

Ống lớn


Đen 0.030

0.32

Cam 0.035

0.42

Không màu 0.040

0.60

Đỏ 0.045

0.80

Xám 0.050

1.00

Vàng 0.056

1.20

Vàng-xanh (hai
màu)
0.060

1.40

Xanh dương 0.065

1.60

Xanh lục 0.073

2.00

Tím 0.081

2.50

Tím – đen (hai màu) 0.090

2.90

Tím – cam (hai
màu)
0.100

3.40

Tím – không màu 0.110

3.90

Ống bé


Cam - đen 0.005

0.015

Cam – đỏ 0.0075

0.030

Cam – dương 0.010

0.048

Cam – lục 0.015

0.096

Cam – vàng 0.020

0.159

Cam – trắng 0.025

0.235

2. Van tiêm mẫu: Bộ phận này cho phép tiêm lượng mẫu chính xác giữa các
lần tiêm. Một van tiêm mẫu tiêu biểu gồm sáu kênh như hình 3.
15


Hình 3: Sơ đồ hoạt động của một van tiêm mẫu.
Khi van tiêm mẫu ở vị trí nạp mẫu (LOAD) dòng chất mang được bơm
nhu động đẩy vào hệ thống phối trộn theo kênh 1, lúc này chưa có phản ứng
diễn ra giữa chất phân tích trong mẫu và thuốc thử, trong khi đó mẫu được
hút vào một vòng mẫu (gọi là vòng loop), sau khi nạp đầy vòng mẫu, lượng
thừa dung dịch mẫu chảy ra ngoài theo kênh 5.

Khi van tiêm mẫu ở vị trí tiêm (INJECT), các kênh được đổi chỗ, dòng
chất mang được bơm nhu động đẩy qua vòng mẫu đưa hết mẫu sau khi tiêm
ở vị trí nạp, lúc này bắt đầu có các phản ứng hóa học diễn ra trong lòng ống
dẫn giữa chất cần phân tích và thuốc thử trong chất mang.
Với thiết kế như vậy, lượng mẫu được tiêm vào trong hệ thống FIA luôn
luôn chính xác giữa các lần tiêm.
3. Bộ phận phát hiện (Detector): Có hai nhóm bộ phận phát hiện chính là
nhóm quang học và nhóm điện hóa. Nhóm quang học có thể là các thiết bị
đo phổ hấp thu phân tử UV/VIS, quang phổ IR, huỳnh quang kế…Nhóm
điện hóa có thể là máy đo điện thế với điện cực màng chọn lọc ion hoặc các
sensor chọn lọc khác, thiết bị đo von-ampe, đo độ dẫn, đo điện lượng…
Trong bộ phận phát hiện có một chi tiết gọi là tế bào dòng chảy (flow
cell). Tùy thuộc nguyên lý phát hiện là điện hóa hay quang học mà cấu tạo
của tế bào dòng chảy cũng khác nhau. Hình 4 cho thất cấu tạo tiêu biểu của
tế bào dòng chảy đo theo nguyên lý quang học (A, B) và nguyên lý điện hóa
(C, D).
16


Hình 4: A – tế bào đo theo nguyên lý quang học kiểu chữ Z; B – Tế bào đo theo nguyên
lý quang học kiểu chữ U; C – Tế bào đo theo nguyên lý điện hóa kiểu bản mỏng (thin
layer); D- nguyên lý điện hóa kiểu tường phản lực (wall-jet).
So sánh với các detector cho hệ thống sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC),
detector cho một hệ FIA được đơn giản hơn nhiều. Detector của HPLC phải
giảm thiểu một cách tối đa hiện tượng bành rộng pic để tăng độ phân giải.
Tuy nhiên, một detector của FIA không cần giảm thiểu độ bành rộng của pic
mà cần phải giữ cho độ bành rộng này lặp lại giữa các lần thí nghiệm. Những
tính chất về động học, vật lý của detector cho HPLC đều có thể áp dụng cho
detector cho FIA. Do vậy, một detector trong HPLC hoàn toàn có thể sử
dụng trong FIA tuy nhiên điều ngược lại không đúng. Một điểm khác nhau

quan trọng giữa detector HPLC và FIA là sự khác nhau về tốc độ đọc tín
hiệu của mạch khuyếch đại tín hiệu giữa hai loại detector này. Detector của
FIA có tốc độ đọc dữ liệu nhanh hơn nhiều so với detector của HPLC.
Nói chung, những detector với cấu tạo kiểu dòng chảy đều thích hợp để
sử dụng cho FIA. Tuy nhiên, detector UV/VIS với nhiều bước sóng là loại
được sử dụng nhiều nhất trong hệ thống FIA. Cấu tạo của cell dòng chảy
trong detector này có hình dạng chữ Z hoặc chữ U (hình 4 A, B). Cách cấu
17

tạo như vậy để loại bỏ bọt khí bị bơm vào hệ thống. Đường kính bên trong
của cell dòng chảy loại này thông thường từ 0.5 – 1.0mm và chiều dài có thể
đạt 40.0mm. Chiều dài tiêu chuẩn là 10,0mm [2].
4. Tổng quan về tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài này:
4.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước:
Có thể nói rằng, kỹ thuật FIA được nghiên cứu và cải tiến kỹ thuật rất nhanh. Từ
lúc mới phát minh là phương pháp tiêm dòng chảy liên tục, đến tiêm dòng chảy gián
đoạn và nhiều cải tiến kỹ thuật cả về hệ thống tiêm mẫu, bộ phối trộn và các thiết bị
phát hiện cho tới ngày nay. Các nghiên cứu này có thể tìm thấy trong tài liệu tham
khảo [6 – 17] và việc trình hết các cải tiến đó sẽ vượt xa khỏi bản báo cáo này.
Ngay từ lúc kỹ thuật FIA ra đời, một trong những ứng dụng đầu tiên của nó là
phương pháp tự động hóa để xác định hàm lượng nitrit [1-2]. Có thể xem đây là một
trong những ví dụ kinh điển nhất. Phương pháp sử dụng để xác định nitrit là sử dụng
phản ứng tạo phẩm màu azo và sử dụng phương pháp quang phổ VIS để xác định. Các
phản ứng với thuốc thử diễn ra theo sơ đồ dưới đây:
NO
2
-
+
H
+

HNO
2
HNO
2
HSO
3
NH
2
+
N NOH
+
NH CH
2
CH
2
NH
2
NHCH
2
CH
2
NH
2
NNHSO
3
HSO
3
N NOHHSO
3
5

2
0
n
m
Axit Sulfanilic
NED

Một hệ thống phân tích nitrit được thiết lập trước đây có thể thấy trong hình 5 [2-5].
18


Hình 5: Cấu tạo một hệ thống FIA để phân tích nitrit đã từng nghiên cứu trước đây
[2 – 5].
Với cấu hình trên, khoảng tuyến tính khi phân tích nitrit có thể thực hiện với nồng
độ từ 0.01 - 2.0 mg (N)/L. Quy trình này có thể phân tích nitrit với độ nhạy khoảng
0.005mg N/L và độ lặp lại rất tốt, RSD < 2%. Hệ thống như trên có thể được gắn thêm
cột khử Cu-Cd để khử nitrat thành nitrit.
Hãng FIAlab cũng cơng bố mở trên trang web của họ quy trình phân tích nitrit.
Theo quy trình đó, độ nhạy có thể đạt được mức 0.010mg/L và khoảng tuyến tính trong
0.4 - 10.0 mg N/L cho nitrat và 0.015 - 2.0 mg N/L cho nitrit [18].
Ngồi phương pháp sử dụng đầu dò UV/VIS, đầu dò điện hóa cũng có thể sử dụng
để phân tích nitrit với điện cực màng chọn lọc ion nitrit [2].
4.2. • Tình hình nghiên cứu trong nước:
Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5942: 1995, hàm lượng nitrit trong nước mặt loại
A khơng vượt qúa 0.01mg/l, loại B khơng vượt q 0.05 mg/l. Ở nước ta, phương pháp
xác định nitrit bằng tay được cụ thể hóa trong các tiêu chuẩn như TCVN 5501:1991,
TCVN 6178: 1996, TCVN 6268: 1999. Trong TCVN 6178: 1996, độ nhạy có thể đạt
từ 0.001 đến 0.002 mg N/L với cuvet có chiều dài 40mm [19].
FIA đã có mặt ở Việt Nam từ nhiều năm và đã có một vài ứng dụng để phân
tích tự động hóa các chỉ tiêu dinh dưỡng nước như nitrit [20-22]. Một số nghiên cứu

của GS. Chu Xn An khoảng những năm 1993 – 1995 cũng ứng dụng kỹ thuật FIA để
phân tích nitrit [21] và một số ngun tố đất hiếm [20]. Viện Khoa Học Thủy lợi Nam
Bộ trong một chương trình hợp tác với tổ chức SIDA Thụy Điển cũng đã ứng dụng
C
R1
R2
540nm
C: 0.1M NH
4
Cl, R1: sulfanilamid, R2: Naptyletylendiamin
ml/min
Van tiêm m
ẫu
,
200
µ
l

30/0.5
60/0.5
Th
ả
i
2,0

0,8

0,8

19

FIA trong phân tích nitrit/nitrat [22], độ nhạy của hệ thống này đạt 12ppb cho nitrat và
8ppb cho nitrit. Nhìn chung các nghiên cứu này khá lẻ tẻ, các công trình và các ứng
dụng này vẫn còn dựa vào các thiết bò nước ngoài, việc chế tạo một hệ thống phân
tích dòng chảy ở nước ta cho tới hiện nay vẫn chưa được thực hiện.
Từ thực tế này cho thấy việc tự chế tạo từng phần tiến tới chế tạo tồn bộ thiết bị
trong hệ thống phân tích dòng chảy là một hướng đi phù hợp với thực tế hiện nay. Đó
cũng là nội dung chính của đề tài này.
5. Mục đích nghiên cứu – Ý nghĩa của đề tài:
5.1. Mục đích nghiên cứu:
Chế tạo được hệ thống phân tích nitrit theo ngun lý tiêm dòng chảy dựa vào một
số thiết bị có sẵn và thiết kế hệ thống điện tử bằng linh kiện trong nước.
Từng bước nghiên cứu khả năng chế tạo trong nước một số bộ phận của hệ thống:
tế bào đo dòng chảy theo ngun lý quang học.
5.2. Ý nghĩa của đề tài:
Hiện nay nhu cầu về thiết bị đo lường trong các lĩnh vực mơi trường, sản xuất thực
phẩm, cơng nghiệp,…ở nước ta rất lớn, nhưng việc trang bị cho một phòng thí nghiệm
phân tích đòi hỏi chi phí rất cao. Trong khi đó việc chế tạo thiết bị phân tích trong nước
thì còn nhiều hạn chế. Do vậy, đề tài này đặt ra tháo gỡ một phần khó khăn về thiết bị
cho các phòng thí nghiệm.
Vì dầu dò nitrit chế tạo bản thân nó cũng có thể hoạt động như một máy trắc quang
phân tử vùng bước sóng hẹp, do vậy có thể dùng trang bị cho các phòng thí nghiệm
thực tập trong cơng tác giáo dục thực hành tại các trường đại học.
Việc chế tạo thành cơng một hệ thống phân tích dòng chảy giá thành thấp cho riêng
nitrit về ngun tắc có thể chế tạo hoặc ứng dụng cho nhiều chỉ tiêu hoặc thơng số đo
lường khác. Do vậy, do đó đề tài này sẽ mở ra một triển vọng cho một ngành sản xuất
mới đó là sản xuất thiết bị phân tích dòng chảy giá thành thấp.

20

Chương
2
Nội Dung Nghiên Cứu
1. Sản phẩm cần đạt
Bảng 3 trích phụ lục 2 của hợp đồng số 149/HĐ-SKHCN tóm tắt những sản phẩm mà
đề tài này đã đăng ký.
Bảng 3: Sản phẩm cần đạt của đề tài
STT

Tên sản phẩm Yêu cầu khoa học, kinh tế Ghi chú
1 Hệ thống phối trộn
- Vật liệu: ống teflon
- Đường kính trong: 1,0mm

2 Cell Quang học
- Vật liệu trơ, dán bằng epoxy
- Đường kính trong: 1,0mm

3 Đầu dò nitrit
- Giới hạn phát hiện cho nitrit ≤
0.025mg/L

4
Phần mềm xử lý tín
hiệu
- Đơn giản, chính xác dễ sử
dụng

5
Báo cáo phân tích và

bảng số liệu
- Trung thực, khách quan, các
số liệu được tối ưu hóa


2. Thiết kế tế bào đo dòng chảy và bộ phối trộn:
2.1. Tế bào đo dòng chảy:
21

Tế bào đo dòng chảy được thiết kế theo dạng chữ U (dạng 4B). Các loại vật liệu
PVC, mica, teflon được khảo sát để chế tạo điện cực. Chiều dài của tế bào đo được
khảo sát thành 10,0mm, 20,0mm, 35,0mm. Đường kính trong của tế bào được khảo sát
ở 1,0mm. hai mặt của tế bào đo dòng chảy được dán miếng kính thủy tinh bằng nhựa
epoxy chuyên dụng. Sau khi tế bào đo đã chế tạo xong, nguồn sáng và photodiod được
ép sát vào bề mặt của tế bào (Hình 6).

Hình6: Cấu tạo cắt ngang của tế bào đo dòng chảy tự chế tạo
Sau khi chế tạo xong, tế bào dòng chảy được gắn vào đầu dò nitrit để kiểm tra tín
hiệu thu nhận được. Thành phần thuốc thử để khảo sát là hỗn hợp gồm: 50ml dung dịch
SUL 10mg/mL và 50ml NED 1mg/mL. Cấu hình hệ thống FIA lắp ráp như có thể thấy
trong hình 7.


B
ơ
m
SUL:NED

−
2

NO

Det.
Nitrit

Bình th
ả
i
B
ộ
ph
ố
i tr
ộ
n
PMD12
08LS

22

Hình 7: Cấu hình hệ FIA trong thực nghiệm.
Trong cấu hình này, ta sử dụng bơm nhu động có 2 kênh. Một kênh cho hỗn hợp
thuốc thử (chất mang), kênh còn lại dùng để hút các dung dịch nitrit chuẩn hoặc mẫu.
Ống silicon sử dụng là loại lớn có đường kính trong 0.045inch (đai đỏ). Cách vận hành
phần mềm và thao tác thực hiện quy trình phân tích được mô ta chi tiết trong cuốn sổ
tay hướng dẫn sử dụng phần mềm đính kèm báo cáo nghiệm thu này.
Phần nghiên cứu này nhằm chế tạo được tế bào đo có kích thước và hình dạng phù
hợp với những yêu cầu về độ nhạy, độ ổn định.
2.2. Bộ phối trộn:
Bộ phối trộn được làm bằng vật liệu teflon. Một số loại ống teflon có đường kính

trong khác nhau cũng được nghiên cứu khảo sát gồm các loại 1,0mm, 2,0mm, 3,0mm.
Đây là những loại ống teflon thông thường sử dụng cho máy HPLC. Hình dạng và
chiều dài của ống teflon cũng được nghiên cứu nhằm mục đích tìm ra được hình dạng
tối ưu và kích thước phù hợp để có được độ nhạy tốt nhất. Cấu hình hệ thống FIA trong
phần nghiên cứu này cũng được sử dụng tương tự như trong phần 2.1.
2.3. Đo độ phân tán:
Để đo lường độ phân tán của hệ thống này, chúng tôi tiến hành đo lường độ phân
tán với chính sản phẩm diazo tạo thành bằng cách tiến hành phản ứng tạo thành hợp
chất diazo giữa nitrit và các thuốc thử bên ngoài hệ thống, sau đó tiến hành tiêm vào hệ
FIA. Cách tiến hành như sau: Nitrit 200ppb, SUL 5g/ml: 10ml, NED 1mg/ml: 10ml,
chờ khoảng 30 phút để bảo đảm phản ứng hóa học xảy ra hoàn toàn. Cho hai kênh của
bơm nhu động hút dung dịch trên vào hệ thống FIA, đo lường tín hiệu thu được, tính ra
nồng độ C
0
. Sau đó thay một kênh để hút hỗn hợp thuốc thử, kênh còn lại để hút sản
phẩm diazo với tốc độ hút 1,90ml/phút, thời gian hút 30s, tương ứng với lượng mẫu hút
vào là 850µl, đo lường tín hiệu và tính ra nồng độ C
max
. Hệ số phân tán D được tính
như sau:
max
C
C
D
o
=
(3)
3. Thiết kế mạch nhận tín hiệu:
23

Mạch nhận tín hiệu được thiết kế với một khuếch đại thuật toán TL081CN. Sơ đồ
mạch điện này được cho như hình 8. LED phát quang mã số 2SYG560 được sử dụng
có cực đại phát xạ tại bước sóng 560nm gần với bước sóng hấp thu của sản phẩm azo.
Photodiod được sử dụng là loại BPW21 có cường độ hấp xạ cực đại 550nm. Nguồn
cho LED được lấy trực tiếp từ modun chuyển đổi tương tự/số USB1208LS (cổng 13).
Nhờ vậy cường độ phát xạ của LED được điều khiển trực tiếp từ phần mềm qua
USB1208LS.
Nguyên tắc hoạt động của mạch: Khi LED phát sáng, cường độ ánh sáng phát ra
được photodiode chuyển thành dòng diện i
p
, dòng điện này được biến đổi tương ứng
thành điện thế E
p
qua TL081CN:
pp
iRE
1
−=
. Điện thế này được biến đổi thành số qua
USB1208LS và hiển thị trên máy tính. Cường độ ánh sáng phát ra bị giảm bớt khi có
một chất hấp thụ đặt chính giữa LED và photodiode. Theo định luật Lamber – Beer, độ
hấp thu tỉ lệ với nồng độ của chất hấp thu.

Để giảm nhiễu từ nguồn điện bên ngoài, nguồn cấp cho mạch khuếch đại được lấy
trực tiếp từ cổng USB của máy tính (+5VDC) được chuyển đổi thành ±12VDC với IC
đảo điện áp DC/DC TRACO TEL 3 – 1222. Công suất tối đa của nguồn là 3W.

24

Hình 8: Sồ đồ mạch điện khuếch đại tín hiệu.

Mạch điều khiển định thời bơm nhu động được thiết kế với một rờ-le tinh thể rắn
(solid state relay) như hình 9.

Hình 9: Sơ đồ mạch điện điều khiển bơm nhu động
Nguồn kích hoạt cho rờ-le được điều khiển bằng phần mềm qua USB1208LS
(port30).
USB1208LS là một board tích hợp 4 tính chất: modun đọc tương tự sang số (analog to
digital input), modun xuất số ra tương tự (digital to analog output), modun số đọc/xuất
(Digital I/O). Với 4 kênh tương tự sang số, 2 kênh số sang tương tự, 4 kênh digital
input, 4 kênh digital output. Hình 10 là sơ đồ các chân của modun USB1208LS:

25


Hình 10: Cấu tạo ngoài và sơ đồ chân của USB1208LS
Sơ đồ chân của modun USB1208LS gắn vào board mạch được cho trong sơ đồ dưới
đây (hình 11):


Hình 11: Sơ đồ chân của USB1208LS gắn vào board mạch nhận tín hiệu.
4. Viết phần mềm
Phần mềm thu nhận tín hiệu và xử lý tín hiệu được viết bằng ngôn ngữ lập trình
Delphi 7.0. Phần mềm được viết với mục tiêu chính xác, đơn giản, dễ sử dụng. Giao
diện chính của phần mềm thu nhận tín hiệu có thể thấy trên hình 12. Giao diện chính
của phần mềm xử lý tín hiệu có thể thấy trong hình 13.