Đại cương chiết pha rắn và ứng dụng của chiết pha rắn

Đại cương chiết pha rắn và ứng dụng của chiết pha rắn
1. Giới thiệu chung [1],[2],[3]
Ô nhiễm môi trường là vấn đề thời sự đang được cả thế giới quan tâm
và lo lắng. Với tình hình phát triển như hiện nay, ngày càng có nhiều chất ô nhiễm
nguy hại được đưa vào môi trường tự nhiên. Trong đó, nhiều chất gây ung thư, gây
tác hại nghiêm trọng cho môi trường và sức khoẻ con người như: các hợp chất hữu cơ
độc hại và đặc biệt là các kim loại độc (Hg, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, As… ). Các chất độc
trong các mẫu môi trường thường tồn tại ở dạng siêu vết (cỡ ppb ≈ μg/l) hoặc nhỏ
hơn. Hiện nay, mặc dù các phương pháp phân tích công cụ hiện đại đã và đang phát
triển, xong việc xác định trực tiếp hàm lượng chất độc trong mẫu môi trường là rất
khó khăn.
Chính vì vậy, việc tách và làm giàu chất phân tích kết hợp với các
phương pháp phân tích hiện đại là rất có ý nghĩa. Các phương pháp tách và làm giàu
như: chiết lỏng-lỏng, chiết pha rắn, kết tủa, cộng kết, sắc ký… thì phương pháp chiết
pha rắn (Solid Phase Extraction – SPE) là có hiệu quả nhất. Ưu điểm của phương
pháp này so với các phương pháp khác là độ chọc lọc, hệ số làm giàu cao, sử dụng ít
dung môi, thao tác đơn giản, dễ tự động hoá và rẻ tiền. Trên thế giới và ở Việt Nam,
các nghiên cứu và sử dụng phương pháp SPE chủ yếu là phân tích các hợp chất hữu cơ.
Với các chất vô cơ, hiện còn chưa nhiều. Do vậy, đây là một hướng còn “mở” đối với
các nhà phân tích. Đặc biệt là việc ứng dụng các loại nhựa vòng càng (chelating resin)
có khả năng tạo phức bền với các ion kim loại độc trong mẫu môi trường như: mẫu
nước – nước biển.
2. Khái niệm chiết pha rắn.
2.1. Khái niệm [1],[2],[3]
Trước đây, quá trình tách và làm giàu lượng vết kim loại trong mẫu môi
trường thường được tiến hành bằng kỹ thuật chiết lỏng - lỏng (LLE). Những
điểm bất lợi của phương pháp này là sử dụng một lượng lớn dung môi và chỉ sử
dụng dung môi không trộn lẫn nên việc lựa chọn dung môi rất khó khăn, thao tác
GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Luyện Người thực hiện: Nguyễn Thanh Bình 1
Đại cương chiết pha rắn và ứng dụng của chiết pha rắn
thí nghiệm phức tạp và hiệu suất làm giàu không cao. Vì vậy, kỹ thuật LLE ít

được sử dụng.
Kỹ thuật chiết pha rắn (SPE) ra đời vào giữa những năm 1970, vừa mới ra
đời kỹ thuật này đã bộc lộ những tính năng ưu việt hơn. Tuy nhiên, mãi đến năm
1998 thuật ngữ khoa học “Chiết pha rắn” mới được công nhận trên toàn thế giới. Từ
đó đến nay, kỹ thuật chiết pha rắn được phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực phân
tích, đặc biệt là phân tích lượng vết các kim loại độc trong mẫu môi trường.
Chiết pha rắn (hay chiết rắn-lỏng) là quá trình phân bố các chất tan giữa hai
pha lỏng và rắn. Trong đó, chất tan ban đầu ở trong pha lỏng (nước hoặc dung môi
hữu cơ), chất để hấp thụ chất tan ở dạng rắn (dạng hạt, nhỏ và xốp) gọi là pha rắn
Pha rắn (còn được gọi là pha tĩnh) thường là các hạt silica gel xốp trung tính,
hạt oxit nhôm, silica gel trung tính đã được ankyl hoá nhóm –OH bằng các gốc
hydrocarbon mạch thẳng -C
2
, -C
4
, -C
8
, -C
18
,… hay nhân phenyl, các polyme hữu cơ,
các loại nhựa hoặc than hoạt tính… Các hạt này được nhồi vào cột chiết nhỏ
(thường là cột có kích thước 5 × 1 cm) hoặc nén ở dạng đĩa dày 1 - 2 mm với đường
kính 3 - 4 cm (đĩa chiết).
Hình 1. Cột chiết pha rắn
Pha lỏng là pha chứa chất cần phân tích, chúng có thể là dung môi hữu cơ,
dung dịch đệm… Khi cho pha lỏng đi qua cột chiết (hoặc đĩa chiết), pha rắn tương
tác với chất phân tích và giữ một nhóm (hoặc một số nhóm) của chất phân tích lại
trên pha rắn, các chất còn lại đi ra khỏi cột cùng với dung môi hòa tan mẫu.
GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Luyện Người thực hiện: Nguyễn Thanh Bình 2
Đại cương chiết pha rắn và ứng dụng của chiết pha rắn

Quá trình rửa giải (giải hấp) chất phân tích được thực hiện bằng một dung
môi thích hợp. Ví dụ: chất hữu cơ phần lớn được rửa giải bằng axeton, axetonitrile,
metanol…, kim loại thường được rửa giải bằng dung dịch axit . Thông thường, thể
tích dung dịch rửa giải nhỏ hơn nhiều lần so với dung dịch mẫu ban đầu, điều này
có nghĩa là chất phân tích đã được làm giàu.
Ngày nay, khái niệm SPE được mở rộng cho cả trường hợp hấp thụ các chất
ở trạng thái khí lên cột chiết rắn như trường hợp hấp thụ khí CO lên vật liệu rắn rồi
bơm trực tiếp vào máy sắc ký để định lượng .
Hinh2. Một máy chiết pha rắn hoàn chỉnh hiện nay
2.2. Nguyên tắc chung của chiết pha rắn. [1],[2],[3]
Nguyên tắc của quá trình chiết pha rắn là các mẫu ở dạng lỏng , còn các chất
chiết ở dạng rắn, hạt nhỏ và xốp ( có đường kính từ 5-10
m
µ
). Chất chiết được gọi
là pha tĩnh và được nhồi vào nột cột sắc ký nhỏ (kích thước 10*1cm hay dung lượng
5-10ml) các hạt chất chiết có độ xốp lớn với diện tích bề mặt thường 50-
100m
2
/gam. Khi xử lý mẫu dung dịch chứa chứa chất mẫu được dội lên pha rắn
trong các cột sắc ký. Lúc này pha tĩnh sẽ tương tác với các chất mẫu và giữ lại một
ít nhóm chất phân tích trên cột ( pha tĩnh) . Còn các nhóm khác sẽ đi ra khỏi cột
cùng với với dung môi hào tan mẫu . Như thế ta sẽ thu được nhóm chất phân tích
GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Luyện Người thực hiện: Nguyễn Thanh Bình 3
Đại cương chiết pha rắn và ứng dụng của chiết pha rắn
tồn tại trên pha tĩnh . Sau đó dùng dung môi thích hợp hòa tan tốt các chất phân tích
để rửa giải chúng ra khỏi pha tĩnh và thu được dung dịch có chất phân tích để xác
định nó. Các chất chiết pha rắn có thể được chế tạo theo các loại sau đây.
- Chất hấp phụ pha thường : Đó là các silica trung tính.
- Chất hấp phụ pha ngược: Là các silica đã được ankyl hóa nhóm OH

- Chất có khả năng trao đổi ion
- Chất rây hay sàng lọc phân tử theo kích thước hay độ lớn
- Chiết hay hấp phụ pha khí rắn.
2.3 Các điều kiện chiết pha rắn. [1],[2],[3]
Quá trình chiết ở đây thực chất cũng là sự phân bố của các chất phân tích
trên 2 pha : pha rắn ( chất chiết) và pha động ( dung dịch chứa chất phân tích).
Trong những điều kiện nhất định :pH, dung môi nhiệt độ , tốc độ chảy của dung môi
qua cột chiết . Vì thế hằng số phân bố nhiệt động K
b
của chất phân tích giữa hai pha
cũng là một yếu tố quyết định hiệu quả của sự chiết.
Ta phải có các điều kiện sau :
- Pha rắn hay pha chiết phải có tính chất hấp phụ hay trao đổi chọn lọc với
một hay một nhóm ion nhất định( tính chọn lọc của pha chiết).
- Hệ số phân bố nhiệt động K
b
của cân bằng chiết phải lớn, để có tính hiệu
quả chiết cao.
- Quá trình chiết phải xảy ra nhanh , nhanh đạt đến cân bằng nhưng không
có tương tác hóa học làm mất hay hỏng chất phân tích
- Quá trình chiết phải có tính thuận nghịch cao để còn có thể rửa giải chất
phân tích ra khỏi pha chiết
- Không làm nhiểm bẩn chất phân tích
GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Luyện Người thực hiện: Nguyễn Thanh Bình 4
Đại cương chiết pha rắn và ứng dụng của chiết pha rắn
- Sự chiết được thực hiện trong một số điều kiện nhất định, phù hợp và lặp
lại được, càng đơn giản càng tốt.
3. Một số kỹ thuật trong chiết pha rắn [3]
Trong chiết pha rắn, các kỹ thuật thường được lựa chọn sử dụng là:
3.1. Kỹ thuật SPE ở điều kiện tĩnh

Quá trình thực hiện bao gồm 3 bước chính sau:
Bước 1: Phân bố chất tan giữa hai pha rắn - lỏng
Dùng cốc thủy tinh, trong đó chứa một thể tích xác định dung dịch hoà tan
chất cần phân tích, sau đó cho vào cốc một lượng pha rắn thích hợp. Điều chỉnh môi
trường, lắc hay khuấy dung dịch trong thời gian nhất định để quá trình phân bố chất
tan giữa hai pha xảy ra hoàn toàn.
Bước 2: Tách hai pha rắn - lỏng
Khi cân bằng phân bố chất tan giữa hai pha được thiết lập, lọc hoặc ly tâm để
tách hai pha rắn - lỏng. Trong bước này có thể thêm giai đoạn lọc rửa pha rắn để
loại bỏ các chất gây cản trở nếu cần.
Bước 3: Giải hấp
Các chất cần phân tích bị hấp thụ trên pha rắn được rửa giải ra khỏi pha rắn
bằng một thể tích dung môi thích hợp và sau đó xác định nồng độ bằng một trong
các phương pháp phân tích công cụ đã được lựa chọn.
Như vậy, cân bằng phân bố giữa hai pha xảy ra một lần. Trong trường hợp vi
chiết pha rắn (Solid Phase Micro Extraction - SPME), pha rắn dạng sợi được nhúng
trực tiếp vào dung dịch mẫu phân tích hoặc đặt ở khoảng không gian ngay trên bề
mặt dung dịch phân tích. Quá trình phân bố chất tan lên pha rắn được trợ giúp bằng
cách khuấy trộn dung dịch. Khi cân bằng phân bố chất tan được thiết lập, các sợi
pha rắn được rút ra khỏi dung dịch, làm khô và đưa trực tiếp vào buồng bay hơi
mẫu của máy sắc ký khí. Cũng có thể hoà tan chất bị hấp thụ trên sợi pha rắn vào
GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Luyện Người thực hiện: Nguyễn Thanh Bình 5
Đại cương chiết pha rắn và ứng dụng của chiết pha rắn
các dung môi thích hợp rồi bơm vào hệ thống sắc ký lỏng hiệu quả cao (HPLC) hay
sắc ký khí (GC).
3.2. Kỹ thuật SPE ở điều kiện động
Trong kỹ thuật SPE ở điều kiện động, các vật liệu pha rắn được nạp trước vào
cột (cartridge) và được cố định bởi 2 tấm ngăn bằng polyetylen xốp. Có khi vật liệu
SPE được cố định trong các mạng lưới polytetrafluoroethylene (PTFE) và ép thành
khối dạng dĩa. Kỹ thuật SPE trong điều kiện động gồm 4 bước chính được mô tả

trên hình 1.3.
Bước 1: Chuyển dạng chất hấp thụ pha rắn
Đầu tiên, vật liệu hấp thụ được chuyển từ dạng ban đầu (của hãng sản xuất)
sang dạng thích hợp cho quá trình hấp thụ (dạng H
+
hoặc OH
-
) bằng cách cho dung
môi chạy qua làm ướt vật liệu, solvat hóa các nhóm chức của chất hấp thụ và đuổi
không khí, lấp đầy các khoảng trống bằng dung môi. Sau đó, cột được làm ướt
bằng dung dịch đệm hoặc nước cất để có hiệu quả hấp thụ tốt đối với các mẫu là
dung dịch nước (chất hấp thụ phải luôn được ngâm trong dung môi). Trong thực
tế, nếu để khô cột thì khả năng hấp thụ xảy ra không hoàn toàn và độ thu hồi chất
phân tích giảm, do vậy phải tiến hành quá trình chuẩn bị cột (pha tĩnh) lại từ đầu.
Trong quá trình chuyển dạng, nếu cần thiết nên có thêm bước làm sạch cột
để loại bỏ các tạp chất.
Bước 2: Quá trình hấp thụ chất phân tích
Dung dịch mẫu chứa chất phân tích được cho qua cột với tốc độ thích hợp.
Chất phân tích được giữ lại trên cột còn các chất khác cùng dung môi đi ra khỏi cột.
Cũng có trường hợp chất gây cản trở bị giữ lại trên cột, còn chất phân tích đi ra khỏi
cột cùng với dung môi. Sau đó chất phân tích được thu hồi và xác định bằng một
phương pháp phân tích công cụ thích hợp đã chọn.
Ở bước này, điều quan trọng nhất là cơ chế lưu giữ chất phân tích trên chất
hấp thụ khi cho mẫu chảy qua cột. Các cơ chế của quá trình lưu giữ bao gồm tương
GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Luyện Người thực hiện: Nguyễn Thanh Bình 6
Đại cương chiết pha rắn và ứng dụng của chiết pha rắn
tác Van der Wall, tương tác lưỡng cực - lưỡng cực, liên kết hydro, trao đổi cation,
trao đổi anion, tạo phức vòng càng,… Quá trình hấp thụ này có thể giữ lại một số
thành phần khác trên cột cùng với chất phân tích.
Bước 3: Rửa cột

Đây là bước loại bỏ các chất gây ảnh hưởng và nền mẫu ra khỏi cột chỉ giữ lại
chất phân tích. Nếu nền của mẫu là dung dịch nước, cần phải sử dụng dung dịch
đệm hoặc dung môi hữu cơ. Nếu mẫu được hòa tan trong dung môi hữu cơ thì khi
rửa cột có thể dùng chính dung môi đó.
Bước 4: Rửa giải
Đây là bước cuối cùng để thu hồi chất phân tích. Dung môi được chọn phải
phá vỡ dễ dàng tương tác giữa chất phân tích và chất hấp thụ. Thể tích dung môi sử
dụng rửa giải càng ít càng tốt nhưng phải đảm bảo rửa sạch chất phân tích ra khỏi
vật liệu hấp thụ, đây chính là ưu điểm của kỹ thuật SPE so với kỹ thuật LLE.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Luyện Người thực hiện: Nguyễn Thanh Bình 7
B1: Nhồi cột và
chuyển dạng nhựa
B2: Bơm mẫu
qua cột
B3: Rửa các chất
ảnh hưởng
B4: Rửa giải chất
phân tích
Các chất ảnh hưởng
được rửa giải
Chất phân tích
Đại cương chiết pha rắn và ứng dụng của chiết pha rắn
Hình 3. Các bước trong kỹ thuật SPE ở điều kiện động
4. So sánh kỹ thuật chiết pha rắn và chiết lỏng - lỏng [1],[2],[3],[7]
4.1 Sự khác nhau giữa chiết lỏng – lỏng , chiết pha rắn và sắc ký.
* Nguyên tắc chiết lỏng-lỏng là sự phân bố của chất phân tích vào hai pha
lỏng (dung môi) không trộn lẫn vào nhau ( trong hai dung môi này có một dung môi
chứa chất phân tích ) để trong một dụng cụ chiết như phễu chiết, bình chiết . Vì thế
hệ số phân bố nhiệt động K

b
của cân bằng chiết là yếu tố quyết định hiệu quả của sự
chiết.
* Quá trình chiết pha rắn ở đây thực chất cũng là sự phân bố của các chất
phân tích trên 2 pha : pha rắn ( chất chiết) và pha động ( dung dịch chứa chất phân
tích). Trong những điều kiện nhất định :pH, dung môi nhiệt độ , tốc độ chảy của
dung môi qua cột chiết . Vì thế hằng số phân bố nhiệt động K
b
của chất phân tích
giữa hai pha cũng là một yếu tố quyết định hiệu quả của sự chiết.
* Sắc kí Trong kĩ thuật sắc kí, hỗn hợp chất phân tích được chuyên chở
trong chất lỏng hoặc khí và các thành phần của nó được tách ra do sự phân bố khác
nhau của các chất tan khi chúng chảy qua pha tĩnh rắn hay lỏng. Nhiều kĩ thuật khác
nhau đã được dùng để phân tích hợp chất phức tạp dựa trên ái lực khác nhau của các
chất trong môi trường động khí hoặc lỏng và đối với môi trường hấp phụ tĩnh mà
chúng di chuyển qua, như giấy, gelatin hay gel magnesium silicate.
4.2 . So sánh kỹ thuật chiết pha rắn (SPE) và chiết lỏng-lỏng (LLE)
Về nguyên tắc và thao tác, kỹ thuật SPE giống với kỹ thuật LLE nhưng về mặt
hiệu quả và ứng dụng thì kỹ thuật SPE có nhiều ưu điểm nổi bật hơn cụ thể như
sau:
- Thao tác nhanh, đơn giản và dễ tự động hoá: mẫu phân tích được cho chảy
qua cột với tốc độ thích hợp (điều khiển bằng máy hút chân không hoặc bơm nhu
động). Chất phân tích được giữ lại trên cột và được rửa giải bằng dung dịch thích
GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Luyện Người thực hiện: Nguyễn Thanh Bình 8
Đại cương chiết pha rắn và ứng dụng của chiết pha rắn
hợp. Tất cả quá trình này có thể tự động hóa một cách dễ dàng. Mặc dù LLE cũng
có vài khâu có thể tự động hóa nhưng nhìn chung các thao tác phức tạp hơn nhiều.
- Sử dụng ít dung môi: mẫu sau khi được xử lý sơ bộ và điều chỉnh môi trường
được cho qua cột trực tiếp. Sau đó chỉ cần một lượng rất nhỏ dung môi rửa giải là
có thể rửa giải chất cần phân tích ra khỏi cột. Ngược lại, trong kỹ thuật LLE đòi hỏi

phải sử dụng một lượng dung môi lớn (chủ yếu là dung môi hữu cơ).
- Điều kiện tách đơn giản: do cân bằng phân bố chất tan giữa hai pha xảy ra
nhiều lần nên chỉ cần có sự khác nhau hợp lý về khả năng chiết là có thể tách hoàn
toàn hai chất tan ra khỏi nhau. Việc lựa chọn dung môi đối với SPE đơn giản hơn
LLE. Hơn nữa, kỹ thuật LLE cần phải sử dụng dung môi không trộn lẫn nên việc lựa
chọn dung môi khó khăn hơn.
- Hệ số làm giàu cao: hệ số làm giàu trong kỹ thuật SPE cao hơn rất nhiều so với
LLE, do hệ số này phụ thuộc vào thể tích của hai pha: rắn và lỏng.
5. Ứng dụng kỹ thuật chiết pha rắn trong phân tích môi trường [1],[2],[3],
[5]
Kỹ thuật SPE có thể áp dụng cho phân tích các hợp chất hữu cơ và hợp chất
vô cơ (ion kim loại) trong các mẫu môi trường. Trong phần này, chúng tôi chỉ trình
bày phần ứng dụng của kỹ thuật SPE trong phân tích siêu vết các ion kim loại trong
các đối tượng môi trường khác nhau.
5.1. Ứng dụng của kỹ thuật chiết pha rắn trong phân tích hợp chất hữu cơ
Trước những năm 2000, kỹ thuật SPE được ứng dụng chủ yếu cho lĩnh vực phân
tích các hợp chất hữu cơ (Bảng 1). Trong đó, kỹ thuật SPE được sử dụng để tách và
làm giàu dư lượng thuốc trừ sâu, các chất hoạt động bề mặt, các hydrocarbon thơm
mạch vòng khó phân huỷ (Polycyclic aromatic hydrocarbons – PAHs),… trong các loại
mẫu nước.
5.2. Ứng dụng kỹ thuật chiết pha rắn trong phân tích chất vô cơ
GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Luyện Người thực hiện: Nguyễn Thanh Bình 9