Nghiên cứu xác định các dạng asen vô cơ trong nước ngầm bằng phương pháp điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc

mục lục

Trang
Mở đầu
1
Chơng 1. Tổng quan
3
1.1. Phơng pháp điện di mao quản
3
1.1.1. Giới thiệu chung về phơng pháp điện di mao quản 3
1.1.2. Các quá trình xảy ra trong mao quản 4
1.1.3. Độ điện di, tốc độ điện di và thời gian điện di 5
1.1.4. Mao quản (cột tách) trong phơng pháp điện di mao
quản
7
1.1.5. Lớp điện kép trên thành mao quản và dòng điện di thẩm
thấu trong phơng pháp điện di mao quản
8
1.1.6. Độ phân giải trong phơng pháp điện di mao quản 12
1.1.7. Các kỹ thuật làm giàu chất phân tích trong phơng pháp
điện di mao quản
12
1.1.7.1. Các kỹ thuật làm giàu động học 13
1.1.7.2. Dòng điện di thẩm thấu và quá trình làm giàu chất
phân tích trên cột mao quản
16
1.1.8. Các detector thông dụng trong phơng pháp điện di mao
quản
22
1.1.8.1. Nguyên tắc định lợng 22
1.1.8.2. Sự phát hiện chất trong phơng pháp điện di mao

quản
22
1.1.9. Dung dịch đệm pH và pha động trong phơng pháp điện
di mao quản
23
1.1.10. Các kiểu bơm mẫu sử dụng trong phơng pháp điện di 24
mao quản
1.1.10.1. Kỹ thuật bơm mẫu thủy động lực học dùng áp suất 25
1.1.10.2. Kỹ thuật bơm mẫu thủy động lực học kiểu
xiphông
25
1.1.10.3. Kỹ thuật bơm mẫu điện động học 26
1.2. Ô nhiễm asen trong nớc ngầm và các phơng pháp xác
định asen
27
1.2.1. Khái quát về nguyên tố asen 27
1.2.2. Vấn đề ô nhiễm asen trong nớc ngầm ở Việt Nam 28
1.2.3. Các phơng pháp xác định asen 29
1.3. Phơng pháp điện di mao quản xác định asen và tình hình
phát triển các thiết bị phân tích hiện trờng trên cơ sở
phơng pháp điện di mao quản
31
1.4. Kết luận chung phần tổng quan
34
Chơng 2. Nội dung và phơng pháp nghiên cứu
35
2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
35
2.1.1. Mục tiêu nghiên cứu 35
2.1.2. Nội dung nghiên cứu 35

2.2. Phơng pháp nghiên cứu
36
2.2.1. Nguyên tắc cơ bản của detector độ dẫn 36
2.2.2. Detector độ dẫn kiểu tiếp xúc 36
2.2.3. Detector độ dẫn kiểu không tiếp xúc 37
2.2.2. Detector độ dẫn không tiếp xúc dùng cho mao quản 38
2.3. Trang thiết bị và hóa chất
40
2.3.1. Thiết bị
40
2.3.1.1. Thiết bị điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn
không tiếp xúc kết nối theo kiểu tụ điện
40
2.3.1.2. Các dụng cụ và thiết bị khác 42
2.3.2. Vật liệu và hóa chất 42
2.3.3. Các nguồn mẫu 44
2.4. Các thông số đánh giá độ tin cậy của phơng pháp phân
tích
45
2.4.1. Độ lặp lại 45
2.4.2. Độ đúng 45
2.4.3. Độ nhạy 45
2.4.4. Giới hạn phát hiện và giới hạn định lợng 45
2.5. Kết luận chung chơng 2
46
Chơng 3. Kết quả và thảo luận
47
3.1. Khảo sát các điều kiện tối u phân tích đồng thời As(III)
và As(V) bằng phơng pháp điện di mao quản sử dụng
detector độ dẫn không tiếp xúc kết nối theo kiểu tụ điện

(CE-C
4
D)
47
3.2. Khảo sát các điều kiện tối u phân tích As(V) bằng
phơng pháp điện di mao quản CE-C
4
D
54
3.2.1. Khảo sát lựa chọn dung dịch pha động điện di 54
3.2.2. Khảo sát lựa chọn thời gian bơm mẫu 60
3.2.3. Khảo sát ảnh hởng của các anion nền cơ bản 64
3.2.3.1. Khảo sát ảnh hởng của nitrat và sunphat 64
3.2.3.2. Khảo sát ảnh hởng của cacbonat 65
3.2.3.3. Khảo sát ảnh hởng của clorua 66
3.2.3.4. Khảo sát ảnh hởng của anion các nguyên tố nằm
gần asen trong bảng Hệ thống tuần hoàn
68
3.2.4. Đờng chuẩn phân tích As(V) và đánh giá phơng pháp
nghiên cứu

70
3.2.4.1. Đờng chuẩn phân tích As(V) 70
3.2.4.2. Độ lặp lại 72
3.2.4.3. Đánh giá hiệu suất thu hồi As(V) 72
3.2.4.4. So sánh phơng pháp CE-C
4
D với phơng pháp
quang phổ hấp thụ nguyên tử (HVG-AAS) trong việc
xác định As(V)

73
3.3. Khảo sát các điều kiện tối u phân tích As(III) bằng
phơng pháp điện di mao quản CE-C
4
D
74
3.3.1. Khảo sát lựa chọn dung dịch pha động điện di 74
3.3.2. Khảo sát lựa chọn thời gian bơm mẫu 81
3.3.3. Khảo sát ảnh hởng của các ion nền cơ bản 83
3.3.4. Nghiên cứu xác định As(III) bằng cách oxy hóa lên
As(V)

85
3.3.4.1. Nghiên cứu ôxy hóa As(III) lên As(V) bằng H
2
O
2
86
3.3.4.2. Nghiên cứu ôxy hóa As(III) lên As(V) bằng MnO
4
-
86
3.3.4.3. Nghiên cứu ôxy hóa As(III) lên As(V) bằng Cr
2
O
7
2-
87
3.3.4.4. Nghiên cứu ôxy hóa As(III) lên As(V) bằng hỗn
hợp Cr

2
O
7
2-
và MnO
4
-

88
3.3.5. Phân tích riêng rẽ As(III) và As(V) trong mẫu nớc
ngầm bằng phơng pháp điện di mao quản CE-C
4
D
91
3.4. Tối u hóa hệ thiết bị điện di mao quản CE-C
4
D nhằm
mục đích phân tích hiện trờng
95
3.4.1. Sự cần thiết của việc phân tích tại hiện trờng và mô
hình hệ thiết bị CE-C
4
D
95
3.4.2. Detector độ dẫn không tiếp xúc và bộ xử lý số liệu dùng
ắc quy
99
3.4.3. Các hoạt động cơ bản của hệ thiết bị hiện trờng 100
3.4.3. Thử nghiệm hoạt động của thiết bị CE-C
4

D cho mục 101
®Ých ph©n tÝch asen t¹i hiÖn tr−êng
3.5. KÕt luËn chung ch−¬ng 3
104
KÕt luËn
106
®Ò xuÊt c¸c h−íng nghiªn cøu tiÕp theo
109
Danh môc c¸c c«ng tr×nh ®−îc c«ng bè liªn
quan ®Õn luËn ¸n
110
TμI liÖu tham kh¶o
111
Phô lôc
124



Danh mục các bảng

Trang
Bảng 1.1
Ví dụ về độ điện di
e
và
tot
của các ion
7
Bảng 1.2 Các cách kiểm tra và khống chế dòng điện di thẩm
thấu (EOF)

11
Bảng 1.3 Hệ số làm giàu và giới hạn phát hiện đạt đợc khi sử
dụng kỹ thuật khuếch đại điện trờng
18
Bảng 1.4 Các chất thờng dùng làm pha động trong CE 24
Bảng 3.1 Kết quả khảo sát tính chất điện di của As(III) và
As(V) 10 M trong dung dịch pha động điện di kết
hợp giữa Arg 15 mM và axit ascobic hoặc aspatic 7,5
mM
49
Bảng 3.2 Kết quả khảo sát sự phân tách giữa As(V) và
photphat 5 M trong dung dịch pha động điện di Arg
- axit ascobic ở các pH khác nhau
52
Bảng 3.3 Kết quả khảo sát sự phân tách giữa As(V) và
photphat 5 M trong dung dịch pha động điện di
histidin - axit axetic ở các pH khác nhau
56
Bảng 3.4 Kết quả khảo sát ảnh hởng của pH pha động điện di
chỉ dùng axit axetic đến tín hiệu pic As(V) 1,3 M
57
Bảng 3.5 Kết quả khảo sát ảnh hởng của thành phần pha động
điện di
60
Bảng 3.6 Kết quả khảo sát ảnh hởng của thời gian bơm mẫu
với nồng độ As(V) là 1,3 M
63
Bảng 3.7 Kết quả khảo sát ảnh hởng của nitrat và sunphat 65
Bảng 3.8 Kết quả khảo sát ảnh hởng của clorua 66
Bảng 3.9 Bán kính ion của một số nguyên tố 68

Bảng 3.10 Đờng chuẩn phân tích As(V) 71
Bảng 3.11
Độ lặp lại thực hiện với nồng độ As(V) 25 g/L
72
Bảng 3.12 Kết quả hệ số thu hồi của As(V) 73
Bảng 3.13 Kết quả so sánh phân tích As(V) bằng phơng pháp
CE-C
4
D và HVG-AAS
74
Bảng 3.14 Kết quả khảo sát các dung dịch pha động điện di
dùng trong phân tích As(III) bằng phơng pháp điện
di mao quản CE-C
4
D
76
Bảng 3.15 Kết quả khảo sát ảnh hởng của Mn
2+
84
Bảng 3.16 Kết quả khảo sát ảnh hởng của Fe
2+
84
Bảng 3.17 Hiệu suất thu hồi As(III) sau phản ứng ôxy hóa lên
As(V)
91
Bảng 3.18 Kết quả phân tích asen trong mẫu nớc ngầm so sánh
với phơng pháp HVG-AAS hoặc ICP-MS
92
Bảng 3.19 Kết quả phân tích As(III) và As(V) trong mẫu nớc
ngầm tại hiện trờng và trong phòng thí nghiệm

102
Bảng 3.20 Các thông số kỹ thuật của thiết bị CE-C
4
D 105


Danh mục các hình

Trang
Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo của một hệ phân tích điện di mao quản 4
Hình 1.2 Mặt cắt ngang của mao quản 7
Hình 1.3 Dòng EOF và lớp điện kép trong mao quản 8
Hình 1.4 Cấu trúc lớp điện kép trên thành mao quản 9
Hình 1.5 Các kiểu dòng chảy và pic sắc ký trong CE 10
Hình 1.6 Mô hình minh họa giai đoạn làm giàu mẫu đẳng điện
trong CE
14
Hình 1.7 Mô hình minh họa giai đoạn làm giàu mẫu theo kiểu
khuếch đại điện trờng trong CE
16
Hình 1.8 Mô hình minh họa giai đoạn làm giàu mẫu sử dụng
đảo phân cực
17
Hình 1.9 Mô hình minh họa giai đoạn làm giàu mẫu sử dụng
các chất làm thay đổi dòng điện di thẩm thấu với tác
dụng nh một bơm đẩy
19
Hình 1.10 Mô hình minh họa giai đoạn tập trung mẫu sử dụng
dòng cân bằng thủy động lực học
21

Hình 1.11 Mô tả các kỹ thuật bơm mẫu 26
Hình 1.12 Giản đồ phân bố các dạng asen theo Eh-pH 27
Hình 2.1 Mô hình detector đo độ dẫn tiếp xúc và mạch điện
tơng đơng
37
Hình 2.2 Mô hình detector đo độ dẫn không tiếp xúc dùng cho
mao quản và mạch điện tơng đơng
38
Hình 2.3 Mô hình nguyên tắc cấu tạo của thiết bị điện di mao
quản và detector đo độ dẫn không tiếp xúc kết nối
41
theo kiểu tụ điện (C
4
D)
Hình 3.1
Tính chất điện di của As(III) và As(V) 10 M trong
dung dịch pha động điện di Arg 15 mM - axit
ascobic 7,5 mM
48
Hình 3.2
Tính chất điện di của As(III) và As(V) 10 M trong
dung dịch pha động điện di Arg 15 mM - axit aspatic
7,5 mM
48
Hình 3.3
Sự phân tách của As(V) và photphat 10 M trong
dung dịch pha động điện di Arg - axit ascobic với các
nồng độ khác nhau
50
Hình 3.4

Sự phân tách của As(V) và photphat 5 M khi thay
đổi pH của dung dịch pha động điện di Arg - axit
ascobic
51
Hình 3.5
Sự phân tách của As(V) và photphat 20 M khi giảm
đờng kính trong của mao quản
53
Hình 3.6 Điện di đồ minh họa phân tích asen trong nền mẫu
thực tế (nớc ngầm)
54
Hình 3.7
Sự phân tách của As(V) và photphat 5 M khi thay
pH của dung dịch pha động điện di histidin - axit
axetic
55
Hình 3.8 Đồ thị thể hiện mối tơng quan giữa tín hiệu chiều
cao pic của As(V) 5 M và độ phân giải R giữa hai
pic As(V) và photphat phụ thuộc vào pH dung dịch
pha động điện di histidin - axit axetic
56
Hình 3.9 Khảo sát ảnh hởng của pH pha động điện di chỉ
dùng axit axetic đến tín hiệu pic As(V) 1,3 M
58
Hình 3.10 Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của chiều cao pic As(V) 58
1,3 M vào pH của dung dịch pha động điện di axit
axetic
Hình 3.11 Khảo sát ảnh hởng của thành phần pha động điện di 59
Hình 3.12 Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của chiều cao pic As(V)
1,3 M vào thời gian bơm mẫu

62
Hình 3.13
Điện di đồ phân tích As(V) 1,3 M đợc thêm vào
nền mẫu nớc ngầm trong sự có mặt của photphat với
thời gian bơm mẫu 120 s
63
Hình 3.14
Điện di đồ phân tích As(V) 1,3 M trong các dung
dịch có nồng độ NO
3
-
khác nhau
64
Hình 3.15
Điện di đồ phân tích As(V) 1,3 M trong các dung
dịch có nồng độ cacbonat khác nhau
65
Hình 3.16
Điện di đồ phân tích As(V) 1,3 M trong các mẫu
khi thêm các thể tích khác nhau của dung dịch HCl
0,1 M
67
Hình 3.17 Khảo sát ảnh hởng của Si(IV), Ge(IV) và Se(VI) 69
Hình 3.18 Điện di đồ thể hiện sự phân giải giữa pic của As(V)
và photphat
70
Hình 3.19 Đờng chuẩn phân tích As(V) trong khoảng từ 10 -
100 g/L
71
Hình 3.20 So sánh phân tích As(V) bằng hai phơng pháp

HVG-AAS và CE-C
4
D
74
Hình 3.21
Tính chất điện di của As(III) 100 M trong dung
dịch pha động điện di Arg-TAPS ở các pH khác nhau
77
Hình 3.22
Tính chất điện di của As(III) 100 M trong dung
dịch pha động điện di Arg-MES ở các pH khác nhau
78
Hình 3.23
Tính chất điện di của As(III) 100 M trong dung
78
dịch pha động điện di Arg-MOPS ở các pH khác
nhau
Hình 3.24
Tính chất điện di của As(III) 100 M trong dung
dịch pha động điện di Arg-CHES ở các pH khác nhau
79
Hình 3.25
Tính chất điện di của As(III) 100 M trong dung
dịch pha động điện di Arg-CAPS ở các pH khác nhau
79
Hình 3.26
So sánh tính chất điện di của As(III) 100 M trong
các dung dịch pha động điện di khác nhau ở pH = 9,0
80
Hình 3.27 Khảo sát thời gian bơm mẫu trong khoảng từ 10s đến

120s đối với dung dịch chuẩn As(III) 100 M và từ
60s đến 120s thực hiện trên nền mẫu nớc ngầm
82
Hình 3.28 Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của chiều cao pic
As(III) vào nồng độ Mn
2+

83
Hình 3.29 Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của chiều cao pic
As(III) vào nồng độ Fe
2+

84
Hình 3.30
Điện di đồ của mẫu chứa As(III) 0,3M và 300L
H
2
O
2
30% trong 2 mL HCl 2 mM
86
Hình 3.31
Điện di đồ phân tích As(III) 0,7 M bằng cách oxy
hóa lên As(V) bằng MnO
4
-
3,5.10
-5
M với các lần đo
khác nhau

87
Hình 3.32
Điện di đồ phân tích As(III) 1,3 M bằng cách oxy
hóa lên As(V) bằng Cr
2
O
7
2-
10
-5
M
88
Hình 3.33 Điện di đồ phân tích As(III) ở các nồng độ khác nhau
sử dụng hỗn hợp chất oxy hóa Cr
2
O
7
2-
10
-5
M và
MnO
4
-
3,5.10
-5
M
89
Hình 3.34 Điện di đồ phân tích As(V) trong một số mẫu nớc
ngầm

94
Hình 3.35 So sánh việc phân tích asen trong mẫu nớc ngầm
giữa phơng pháp CE-C
4
D và HVG-AAS hoặc ICP-
MS
95
Hình 3.36 Mô hình hệ thiết bị điện di mao quản cho mục đích
phân tích hiện trờng
97
Hình 3.37 Mô hình mạch điện của hệ thiết bị CE-C
4
D có khả
năng thực hiện phân tích tại hiện trờng
99
Hình 3.38 Hình ảnh minh họa việc thực hiện phân tích sử dụng
thiết bị phân tích hiện trờng CE-C
4
D tại xã Vạn
Phúc (Thanh Trì - Hà Nội)
103
Hình 3.39 Quy trình phân tích các dạng asen vô cơ trong nớc
ngầm bằng phơng pháp CE-C
4
D
104

Danh mục những ký hiệu v chữ viết tắt
dùng trong luận án

Ký hiệu Diễn giải nghĩa
AC : dòng điện xoay chiều
ACES : axit 2-axetamido-2-aminosulfonic
ADN : axit deoxyribonucleic
AFS : quang phổ huỳnh quang nguyên tử
Arg : L-arginin
BES : axit N,N-bis(2- hydroxyetyl)-2-aminoetansulfonic
C
air
: điện dung của tụ điện tạo thành giữa hai điện cực bên ngoài mao
quản
C
w
: điện dung của tụ điện tạo thành giữa điện cực và dung dịch đo
CAPS : axit 3-(cyclohexylamin)-1-propansulfonic
CCD : detector độ dẫn không tiếp xúc
C
4
D : detector độ dẫn không tiếp xúc kết nối kiểu tụ điện
CE : phơng pháp điện di mao quản
CHES : axit 2-(cyclohexylamin)etansulfonic

CTAB : cetyltrimetylamoni bromua
CZE : điện di mao quản vùng
DC : dòng điện một chiều
DETA : dietylentriamin
DIPSO : axit 3-amino-2-hydroxypropansulfonic
DMA : axit dimetylasinic
EOF : dòng điện di thẩm thấu
HEPES : axit 4-(2-hydroxyetyl)piperazin-1-etansulfonic
HEPPSO : axit [2-hydroxyetyl-1-piperazinyl]propansulfonic
HPCE : điện di mao quản hiệu năng cao
HPLC : sắc ký lỏng hiệu năng cao
HVG-AAS : quang phổ hấp thụ nguyên tử kết hợp với thiết bị hyđrua hóa
IC : sắc ký ion
ICP-MS : kỹ thuật plasma cảm ứng ghép nối với khối phổ
ITP : kỹ thuật làm giàu đẳng điện
LE : chất điện phân dẫn
L
eff
: tổng chiều dài mao quản
L
tot
: chiều dài hiệu dụng của mao quản
MEKC : điện di mao quản điện động học Mixen
MES : axit 2-mopholinetansulfonic
MMA : axit monometylasonic
MOPS : axit 3-mopholinpropansulfonic
MOPSO : axit 2-hydroxy-3-mopholinpropansulfonic
PGD : kỹ thuật phát hiện gradien thế
R
sol

: trở kháng của dung dịch
RSD : độ lệch chuẩn tơng đối
SD : độ lệch chuẩn
TAPS : axit N-[tris(hydroxymetyl)metyl]-3-aminopropansulfonic
TB : giá trị trung bình
TE : chất điện phân cuối
UNICEF : Quỹ Nhi đồng Liên Hiệp Quốc
UV-Vis : quang phổ hấp thụ phân tử
V
pp
: thế giữa các pic


1
Mở đầu

Phơng pháp điện di mao quản đã và đang đợc phát triển mạnh mẽ
trong những năm gần đây. Phơng pháp này có u điểm là thiết bị tơng đối
đơn giản, chi phí thấp và đặc biệt có thể chế tạo thu nhỏ phục vụ cho mục đích
phân tích tại hiện trờng. Ngoài ra, thiết bị điện di mao quản có thể tích hợp
với nhiều loại detector khác nhau nh detector quang phổ hấp thụ phân tử
(UV-Vis), huỳnh quang, khối phổ, điện hóa (đo dòng, đo thế và độ dẫn), nên
sẽ có khả năng nhận dạng và định lợng các chất một cách khá chọn lọc.
Phơng pháp điện di mao quản đã đợc ứng dụng từ khá lâu để phân tích các
hợp phần sinh học nh axit amin, protein, và gần đây có rất nhiều ứng dụng
trong phân tích các hợp chất hữu cơ và cô cơ [16, 43, 52, 91].
Trong hơn một thập kỷ vừa qua, một kỹ thuật phát hiện mới dùng cho
phơng pháp điện di mao quản đã đợc công bố là detector độ dẫn không tiếp
xúc (CCD) [54, 55, 82, 103]. Detector này đơn giản hơn detector đo quang nói
chung, ít phức tạp và chi phí tơng đối thấp so với kỹ thuật plasma cảm ứng

ghép nối với khối phổ (ICP-MS). Detector này cũng cho độ nhạy tơng đối tốt
với hầu hết các hợp phần vô cơ, hơn nữa, các ứng dụng của nó không giới hạn
chỉ cho các hợp phần vô cơ mà còn ứng dụng khá nhiều cho các hợp phần hữu
cơ và sinh học. Phơng pháp điện di mao quản với detector độ dẫn không tiếp
xúc kiểu kết nối tụ điện (CE-C
4
D) cũng đã đợc áp dụng thành công cho việc
phân tích các kim loại nói chung [16, 52, 61] và phân tích riêng rẽ các dạng
selen [60] và crom [59] nói riêng. Điều này mở ra khả năng ứng dụng của
phơng pháp trong việc phân tích tổng hàm lợng hoặc riêng rẽ các dạng của
các nguyên tố nói chung và phân tích asen trong nớc ngầm nói riêng - một
vấn đề hiện đang là mối quan tâm không chỉ của Việt Nam mà còn của nhiều
quốc gia trên thế giới [8, 18, 31, 41, 62, 66, 83]. Việc phân tích riêng rẽ các
dạng asen (bao gồm các dạng asen vô cơ As(III), As(V) và asen hữu cơ nh

2
axit monometylasonic (MMA), axit dimetylasinic (DMA), ) rất có ý nghĩa
khi đánh giá khả năng tác động của ô nhiễm asen trong nớc ngầm tới sức
khỏe của ngời sử dụng vì các dạng asen vô cơ trong tự nhiên chiếm tỷ lệ cao
hơn, đồng thời cũng có độc tính cao hơn so với các dạng asen hữu cơ [41, 83].
Từ đó, có thể giúp các nhà quản lý đề ra các biện pháp nhằm ngăn ngừa và
giảm thiểu nguy cơ phơi nhiễm asen của ngời dân do sử dụng nguồn nớc
ngầm bị ô nhiễm asen.
Với đề tài Nghiên cứu xác định các dạng asen vô cơ trong nớc
ngầm bằng phơng pháp điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn không
tiếp xúc, bản luận án chủ yếu tập trung vào việc nghiên cứu tối u hóa quy
trình phân tích các dạng asen vô cơ là As(III) và As(V) trong nớc ngầm
bằng phơng pháp điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc,
sao cho đạt độ nhạy đáp ứng đợc hàm lợng asen trong nớc ngầm (50 g/L)
theo QCVN 09: 2008/BTNMT [1], hoặc tốt hơn nữa là đáp ứng yêu cầu chất

lợng nớc cấp sinh hoạt về hàm lợng asen cho phép (10 g/L) theo TCVN
5502: 2003 [2]. Mục tiêu tiếp theo là tối u hóa thiết bị phân tích điện di mao
quản để tiến hành phân tích trong phòng thí nghiệm, đồng thời có thể thực
hiện phân tích tại hiện trờng bằng cách sử dụng các ắc quy có thể nạp lại
đợc. Từ đó, hy vọng sẽ mở rộng khả năng ứng dụng của phơng pháp phân
tích điện di mao quản, góp phần làm phong phú thêm các phơng pháp phân
tích công cụ hiện đại ở Việt Nam.

3
Chơng 1. Tổng quan

1.1. Phơng pháp điện di mao quản
1.1.1. Giới thiệu chung về phơng pháp điện di mao quản [3, 4, 97]
Điện di mao quản (CE) là một kỹ thuật tách các chất dựa trên cơ sở sự
di chuyển khác nhau của các phần tử chất (chủ yếu là các ion mang điện tích)
trong dung dịch chất điện ly dới tác dụng của điện trờng (E) nhất định, do
thế (V) đặt vào hai đầu mao quản sinh ra. Kỹ thuật tách này lần đầu tiên đợc
Tiselius (1937) nghiên cứu và phát triển, trên cơ sở nghiên cứu tách và phân
tích các hỗn hợp protein, amin, amino axit bằng kỹ thuật điện thế thấp (110 -
220V) (ngày nay đợc gọi là điện di cổ điển). Điện di mao quản hiệu năng
cao (HPCE) đã đợc nghiên cứu và phát triển trên cơ sở sự phát triển của điện
di cổ điển kết hợp với tính chất của cột mao quản, và các detector có độ nhạy
cao của kỹ thuật sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC). Hiện nay kỹ thuật phân
tích HPCE đã và đang phát triển ở mức độ cao và đợc sự ứng dụng rất hiệu
quả trong nhiều lĩnh vực khác nhau của khoa học, công nghệ, y dợc và sinh
học. Hình 1.1 minh họa mô hình cấu tạo của một hệ phân tích điện di mao
quản.
Tuy có một tên chung là HPCE, nhng tùy theo cơ chế, bản chất, và đặc
điểm của sự tách (sự điện di) xảy ra trong ống mao quản mà có thể phân chia
thành các loại hay các kiểu điện di với các tên gọi riêng khác nhau. Cụ thể

nh sau:
1. Điện di mao quản (Capillary Electrophoresis: CE),
2. Điện di mao quản vùng (Capillary Zone Electrophoresis: CZE),
3. Sắc ký điện di mao quản điện động học Mixen (Micellary Capillary
Electro-Kinetic Chromatography: MEKC hay MCEKC),
4. Sắc ký điện di mao quản gel (Capillary Gel Electrophoresis
Chromatography: Gel-CEC),

4
5. Sắc ký điện di mao quản hội tụ đẳng điện (Capillary Iso-electric
Focusing Chromatography: CIEFC).
6. Sắc ký điện di mao quản đẳng tốc độ (Capillary Iso-Tacho-Phoresis
Chromatography: CITPC).

Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo của một hệ phân tích điện di mao quản
1.1.2. Các quá trình xảy ra trong mao quản [3, 4, 97]
Trong quá trình điện di, dới tác dụng của điện trờng E tạo ra do điện
thế V đặt vào hai đầu mao quản, các quá trình dới đây sẽ xảy ra trong mao
quản:
1. Sự xuất hiện lớp điện kép sát thành mao quản,
2. Trong mao quản có dòng điện i ( 5 - 200 A),
3. Xuất hiện dòng điện di thẩm thấu (EOF),
4. Sự tơng tác của các chất trong mẫu và pha động với thành mao
quản,
5. Sự khuếch tán, hay hội tụ của vùng mẫu các chất, khi di chuyển,

5
6. Sự phân bố của các chất giữa hai pha (pha động và pha tĩnh), khi mao
quản có pha tĩnh thật (SP) hay pha tĩnh giả (các mixen trong hệ
MEKC),

7. Hiệu ứng nhiệt Jun, làm mao quản nóng lên,
8. Sự phân tán, građien và truyền nhiệt từ tâm mao quản ra xung quanh,
9. Sự di chuyển (sự điện di) của các chất (các ion âm, ion dơng, và
phần tử trung hòa) trong mao quản. Đây là quá trình chính tạo ra
sự điện di của các chất.
Trong các quá trình nêu trên, chỉ có quá trình thứ 9 là dẫn đến sự tách
của các chất, nhng các quá trình trên (từ 1-8) lại có tơng tác và ảnh hởng
trực tiếp hoặc gián tiếp đến quá trình 9. Vì thế, muốn có kết quả phân tách
điện di tốt, nhất thiết phải luôn xem xét tất cả các quá trình và các yếu tố có
liên quan đến các quá trình đó trong mao quản. Tức là phải tối u hóa các điều
kiện điện di cho chất cần xác định trong một đối tợng cụ thể, nhằm đạt đợc
hiệu quả tách cao.
1.1.3. Độ điện di, tốc độ điện di và thời gian điện di [3, 4, 97]
Trong điện di, tốc độ di chuyển (v) của các hạt tích điện (ion chất phân
tích) tỷ lệ thuận với cờng độ điện trờng (E):
v = .E (1.1)
Trong đó, là hệ số, phụ thuộc vào độ linh động điện di của hạt tích
điện, gọi là độ điện di. Trong điều kiện tốc độ của dòng ổn định, lực tác động
lên tiểu phân tích điện từ phía điện trờng ngoài và lực ma sát sẽ cân bằng:
q.E = f
c
.v (1.2)
Trong đó, q là điện tích của hạt tích điện, E là điện trờng ngoài và f
c
là
lực ma sát:
f
c
= 6...r (1.3)
Trong đó, là độ nhớt của dung dịch, r là bán kính ion. Từ các công

thức trên có thể suy ra công thức tính độ linh động của ion nh sau:

6
= v/E = q/(6...r) (1.4)
Nh vậy, độ linh động tỷ lệ thuận với điện tích q của ion chất phân
tích, và tỷ lệ nghịch với độ nhớt của dung dịch pha động điện di và độ lớn
(bán kính

hyđrat r) của ion chất phân tích. Nghĩa là, trong một điện trờng E
nhất định, thì phần tử nào có điện tích lớn và kích thớc nhỏ sẽ di chuyển
nhanh. Các ion có cùng điện tích, thì ion nào kích thớc nhỏ cũng sẽ di
chuyển nhanh hơn. Nếu các ion có cùng bán kính, ion nào có điện tích lớn sẽ
di chuyển nhanh hơn.
Tơng tự với khái niệm thời gian lu trong phơng pháp sắc ký, thời
gian điện di (t
i
) của chất tan i là thời gian cần thiết để cho một chất tan (chất
phân tích) di chuyển từ lúc nó đợc nạp vào đầu ống mao quản cho đến khi nó
đến vị trí phát hiện của detector, đợc phát hiện ở vị trí pic cực đại. Giá trị t
i

này đợc tính theo biểu thức sau:
t
i
= (L
eff
/v
i
) = (L
tot

. L
eff
)/(V.
i
) (1.5)
Nhng vì chất tan di chuyển trong dòng điện di thẩm thấu EOF, nên
thời gian điện di và các thông số thực nghiệm khác có thể đợc dùng để tính
toán độ điện di phải là giá trị tổng số
tot
của các phần tử chất tan (ion dơng,
âm và phần tử không mang điện). Cụ thể, độ điện di toàn phần (tổng số) trong
mao quản của một chất tan i sẽ là:

tot(i)
= (
i
+
EOF
) = L
eff
/(t
i
.E) = (L
tot
. L
eff
)/(t
i
.V) (1.6)
Thời gian lu của chất tan i là:

t
i
= (L
tot
.L
eff
)/(V.
tot(i)
) (1.7)
Trong đó,
tot(i)
= (
ef
+
EOF
) là độ điện di toàn phần của chất tan, V là
điện thế đặt vào hai đầu ống mao quản (tính theo kV), L
eff
là chiều dài hiệu
dụng, L
tot
là chiều dài tổng cộng của mao quản, E là điện trờng trong mao
quản do thế V tạo ra. Điện trờng E này do thế V (kV) đặt vào hai đầu ống

7
mao quản, là lực chính điều khiển quá trình điện di của các chất và cả dòng
EOF trong ống mao quản.
Bảng 1.1. Ví dụ về độ điện di

e

và

tot
của các ion [4]
Chất tan

Thời gian lu
(s)

tot
(cm
2
/V.s)
ef
(cm
2
/V.s)
Cation 38,40 3,05.10
-3
7,40.10
-4

Trung tính 50,70 2,31.10
-3
2,31.10
-3

Anion 93,10 1,26.10
-3
1,05.10

-3

1.1.4. Mao quản (cột tách) trong phơng pháp điện di mao quản [4, 97]
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 thờng là silic, đợc gọi là mao quản
silica. Trong một số trờng hợp ngời ta cũng dùng mao quản teflon, khi mao
quản silica không phù hợp, ví dụ mẫu có ion F
-
và tách ở pH thấp.

Hình 1.2. Mặt cắt ngang của mao quản
Mao quản trong CE thờng có đờng kính trong (ID) từ 25 đến 150 m
và có thành dày từ 80-120 m. Còn chiều dài của mao quản là tùy thuộc vào
hỗn hợp chất mẫu cần tách. Nhìn chung, hiện nay hay đợc dùng là các mao

8
quản có tổng chiều dài (L
tot
) từ 30 đến 120 cm, với chiều dài hiệu dụng (L
eff
)
từ 20 đến 100 cm. Trong đó, chiều dài hiệu dụng đợc tính từ điểm mẫu đợc
nạp vào cho đến vị trí trung tâm phát hiện của detector mới có ý nghĩa trong
sự tách chất. Chiều dài hiệu dụng thờng ngắn hơn chiều dài tổng (L
tot
) từ 5
đến 15 cm. Mao quản đợc làm bằng silica, phủ bên ngoài một lớp polyme (ví
dụ polyimit, PVC) có độ dày từ 200 đến 350 m, làm cho mao quản có độ
dẻo, có thể uốn lại đợc mà không gãy (tơng tự nh cột mao quản trong sắc

ký khí). Tuy nhiên, chính lớp polyme này lại làm cho mao quản có nhợc
điểm là sự truyền nhiệt từ trong mao quản ra môi trờng bên ngoài kém đi,
ảnh hởng đến quá trình điện di.
1.1.5. Lớp điện kép trên thành mao quản và dòng điện di thẩm thấu trong
phơng pháp điện di mao quản [3, 4, 97]
Cơ chế chính về sự di chuyển của các phần tử chất tan (các ion) trong
mao quản là cơ chế di chuyển của ion dới tác dụng của lực điện trờng E.
Nhng bản chất chính của sự hoạt động trong ống mao quản của kỹ thuật
HPCE là dòng điện di thẩm thấu (EOF) (hình 1.3).

Hình 1.3. Dòng EOF và lớp điện kép trong mao quản


9
Dòng EOF là một loại của dòng chảy khối của chất lỏng trong mao
quản. Nó có quan hệ mật thiết với lớp điện tích trên thành mao quản. Dòng
EOF đợc quyết định bởi thế V đặt vào hai đầu mao quản, pH của dung dịch
pha động điện di, chất điện giải (thành phần và nồng độ) và bị ảnh hởng bởi
lớp điện kép (hay thế zeta, V
zet
) (hình 1.4), độ nhớt của dung dịch pha động,
hằng số điện môi của pha động, loại mao quản, và cả độ xốp, cỡ hạt của chất
nhồi trong mao quản (nếu mao quản có nhồi pha tĩnh). Dòng EOF đóng vai
trò quan trọng trong việc xác định thời gian tồn tại của chất tan ở trong ống
mao quản. Do đó, cần phải lựa chọn các điều kiện hay các yếu tố đó phù hợp
nhất, để có tốc độ dòng EOF phù hợp cho quá trình sắc ký một hỗn hợp chất
phân tích.

Hình 1.4. Cấu trúc lớp điện kép trên thành mao quản
Tính chất đặc trng của dòng EOF trong ống mao quản là một dòng

điện di, hay chuyển khối phẳng đồng đều của chất lỏng (hình 1.3). Khi đó,
trong ống mao quản chỉ tồn tại dòng EOF, vì thế sự di chuyển của vùng chất
mẫu là đồng đều và tốt theo tiết diện mao quản, cho kết quả pic của các chất
Lớp khuếch tán
Lớp
điện kép
Chiều dày
lớp điện kép
Khoảng cách (nm)
Thành mao quản silica với nhóm silanol
V
zet

10
gọn và sắc nét, tức là hiệu quả tách cao (số N
ef
cao). Nhng nếu bơm dung
dịch qua ống mao quản với một áp lực nhất định, thì dòng chảy EOF phẳng sẽ
chuyển sang kiểu dòng chảy parabon lồi ở tâm ống mao quản, đợc gọi là
dòng Laminar (hình 1.5B). Trong thực tế của phân tích CE, dạng dòng chảy
này là không tốt và thờng phải hạn chế.

Hình 1.5. Các kiểu dòng chảy và pic sắc ký trong CE.
A- Kiểu dòng chảy không có áp suất (dòng EOF); B- Kiểu dòng chảy có áp
suất (dòng Laminar)
Vì dòng EOF là một yếu tố ảnh hởng rất nhiều và đóng vai trò quan
trọng trong kỹ thuật CE, nên cần phải hiểu biết, kiểm tra và khống chế với
những mức độ phù hợp cho mục đích phân tích. Việc kiểm tra và khống chế
dòng EOF đợc mô tả trong bảng 1.2. Tuy nhiên, cần chú ý rằng các điều kiện
làm thay đổi điện tích bề mặt thành của mao quản silica, cũng thờng có thể

làm ảnh hởng cả đến quá trình điện di của các chất tan (chất phân tích), ví dụ
nh sự thay đổi pH, có thể làm ảnh hởng đến trạng thái tồn tại của chất phân
tích. Quá trình phân tách hiệu quả thờng chỉ nhận đợc khi tối u hóa các
điều kiện cho cả dòng EOF và các quá trình di chuyển của chất tan trong mao
quản thông qua việc lựa chọn loại và nồng độ chất đệm, pH của chất đệm,
chất điện giải và chất hoạt động bề mặt,
A
B

11
Bảng 1.2: Các cách kiểm tra và khống chế dòng điện di thẩm thấu [4]
Cách thức
thay đổi
Kết quả Nhận xét chung

Từ trờng
điện E (điện
thế V)
Sự thay đổi tỷ lệ với
dòng EOF
+ Độ phân giải và hiệu lực tách
(N
ef
) sẽ giảm
+ Làm nóng mao quản
Giá trị pH của
dung dịch
đệm (pha
động) điện di
EOF sẽ giảm ở pH

thấp và tăng ở pH
cao
+ Thờng đợc dùng
+ Cách tiện lợi để thay đổi EOF
+ Thay đổi đợc cả điện tích và
cấu trúc của chất tan
Lực ion, hay
nồng độ dung
dịch đệm
Làm giảm thế zeta
và EOF khi tăng
nồng độ đệm và lực
ion
+ Lực ion lớn, tạo ra dòng điện
cao và có hiệu ứng nhiệt Jun lớn
+ Lực ion thấp xảy ra sự hấp phụ
chất mẫu
+ Độ nét của pic bị ảnh hởng
+ Hạn chế lợng mẫu nạp
Nhiệt độ Làm thay đổi độ
nhớt (2 3%)/
o
C
Đợc dùng khi kiểm tra và khống
chế nhiệt độ tự động
Dùng các chất
phụ gia, dung
môi hữu cơ
Thay đổi thế zeta,
độ nhớt, EOF cũng

giảm
+ Thay đổi phức, đợc xác định dễ
dàng bằng thực nghiệm
+ Có thể làm thay đổi độ chọn lọc
Các chất hoạt
động bề mặt
Hấp thụ lên thành
mao quản qua tơng
tác ionic hay hiệu
ứng kị nớc
+ Chất hoạt động bề mặt là:
- Anion: làm tăng EOF
- Cation: làm giảm EOF, có thể
đổi chiều dòng EOF
+ Thay đổi độ chọn lọc
Dùng các chất
polyme trung
tính, a nớc
Hấp thụ lên thành
mao quản qua tơng
tác kị nớc
+ Làm giảm EOF qua sự thay đổi
điện tích bề mặt
+ Làm tăng độ nhớt.