Nghiên cứu xây dựng quy trình phân tích một số anion quan trọng trong môi trường nước trên cơ sở sử dụng thiết bị điện di mao quản xách tay

ii
MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn i
Mục lục ii
Danh mục các từ viết tắt v
Danh mục hình vi
Danh mục bảng viii
Mở đầu 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 2
1.1. Một số vấn đề các anion Cl
-
, NO
3
-
, NO
2
-
, SO
4
2-
, PO
4
3-
trong môi trường nước 2
1.1.1. Khái quát về các anion Cl
-
, NO
3

-
, SO
4
2-
, NO
2
-
, PO
4
3-
2
1.1.2. Các phương pháp xác định 4
1.2. Phương pháp điện di mao
quản
4
1.2.1. Nguyên tắc tách chất trong điện di mao quản 4
1.2.2. Độ linh động điện di 5
1.2.3. Dòng điện thẩm (EOF) 5
1.2.4. Mao quản điện di 7
1.2.5. Phương pháp bơm mẫu 8
1.2.6. Các detecto thông dụng trong CE 10
1.2.7. Hệ điện di mao quản một kênh bơm mẫu bằng khí nén và sử dụng
detecto đo độ dẫn không tiếp xúc 12
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM 13
2.1. Đối tượng, mục tiêu và nội dung nghiên cứu 13
2.1.1. Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu 13
2.1.2. Nội dung nghiên cứu 13
2.2. Phương pháp nghiên cứu 14
2.2.1. Phương pháp điện di mao quản sử dụng detecto đo độ dẫn không tiếp
xúc (CE – C

4
D) 14
2.2.2. Phương pháp xử lý mẫu 14


iii
2.3. Hóa chất, thiết bị 14
2.3.1. Hóa chất 14
2.3.2. Chuẩn bị các dung dịch hóa chất 14
2.3.3. Thiết bị và dụng cụ 15
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 16
3.1. Nghiên cứu lựa chọn các điều kiện phân tích anion (Cl
-
, NO
3
-
, NO
2
-
,
SO
4
2-
, H
2
PO
4
-
) 166
3.1.1. Khảo sát thành phần dung dịch đệm điện di 166

3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch đệm tới sự phân tách pic của các
ion phân tích 18
3.2. Khảo sát các điều kiện dẫn lỏng của hệ điện di mao quản tự động để
phân tích đồng thời các anion Cl
-
; NO
3
-
; NO
2
-
, SO
4
2-
và H
2
PO
4
-
199
3.2.1. Khảo sát lựa chọn sự thay đổi độ mở van chia 199
3.2.2. Khảo sát lựa chọn sự thay đổi thể tích vòng mẫu 211
3.2.3. Khảo sát lựa chọn sự thay đổi điện thế tách 244
3.2.4. Khảo sát lựa chọn sự thay đổi thời gian bơm mẫu vào mao quản 277
3.2.5. Khảo sát ảnh hưởng của anion nền tới việc phân tích các anion (Cl
-
,
NO
3
-

, NO
2
-
, SO
4
2-
, H
2
PO
4
-
) 300
3.3. Đánh giá phương pháp phân tích với anion Cl
-
, NO
3
-
, SO
4
2-
, NO
2
-
,
H
2
PO
4
-
322

3.3.1. Giới hạn định lượng và giới hạn phát hiện của phương pháp 32
3.3.2. Độ đúng 355
3.3.3. Độ lặp 355
3.3.4. So sánh kết quả phân tích thu được từ phương pháp CE – C
4
D với các
kết quả phân tích thu được từ phương pháp sắc kí ion 377
3.3.5. So sánh kết quả phân tích các mẫu thật thu được từ phương pháp CE-
C
4
D với các kết quả phân tích thu được từ phương pháp sắc kí ion 38




iv
KẾT LUẬN 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO 45
PHỤ LỤC 48







v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AAS: Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử

AC: Dòng điện xoay chiều (alternating current)
ANOVA:
Phân tích phương sai (Analysis of Variance)
ATP: Adenozin triphotphat
C
4
D: Detecto đo độ dẫn không tiếp xúc kết nối kiểu tụ điện (capicitively
coupled contactless conductivity detection)
CAPS: Axit 3(xyclohexylamino)-1-propansunphonic
CE: Điện di mao quản (capillary electrophoresis)
CTAB: Hexadexyltrimetyl amoni bromit
CV: Hệ số biến thiên (coefficient variation)
CZE: Điện di mao quản vùng (capillary zone electrophoresis)
DC: Dòng điện một chiều (direct current)
EOF: Dòng điện di thẩm thấu (electroosmotic flow)
HĐBM: Chất hoạt động bề mặt
HPCE: Điện di mao quản hiệu năng cao (High performance capillary
electrophoresis)
LOD: Giới hạn xác định (limit of detection)
LOQ: Giới hạn định lượng (limit of quantity)
MS: Khối phổ (Mass spectrophotometry)
RSD: Độ lệch chuẩn tương đối (Relative standard evition)
SD: Độ lệch chuẩn (standard deviation)
TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam
UNICEF:

Quỹ Nhi Đồng Liên Hợp Quốc (United Nations International
Children's Emergency Fund)
UV-Vis: Quang phổ hấp thụ phân tử vùng tử ngoại và khả kiến

vi
DANH MỤC HÌNH
TT
Tên hình
Trang
Hình 1.1. Sơ đồ hệ điện di mao quản 4
Hình 1.2. Hình ảnh dòng điện thẩm trong điện di mao quản 5
Hình 1.3. Mặt cắt ngang của mao quản 7
Hình 1.4. Lớp điện tích kép trên bề mặt mao quản 7
Hình 1.5. Ảnh hưởng của dòng EOF đến tốc độ của các ion trong quá trình điện di 8
Hình 1.6. Các nguyên tắc bơm mẫu trong điện di mao quản 9
Hình 1.7. Sơ đồ detecto đo độ dẫn không tiếp xúc 11
Hình 1.8. Sơ đồ hệ thiết bị điện di mao quản bơm mẫu tự động bằng khí nén 12
Hình 3.1. Điện di đồ phân tích các anion Cl
-
, SO
4
2-
, NO
3
-
, NO
2
-
, H
2
PO
4

-
sử dụng
các hệ đệm khác nhau 17
Hình 3.2. Điện di đồ phân tích các anion Cl
-
, SO
4
2-
, NO
3
-
, NO
2
-
, H
2
PO
4
-
ở các giá
trị pH của dung dịch đệm khác nhau 18
Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của diện tích pic vào van chia dòng 199
Hình 3.4. Sự biến đổi diện tích pic theo độ mở van chia 20
Hình 3.5. Giản đồ điện di khảo sát sự ảnh hưởng của vị trí van chia dòng đến sự
phân tách các pic 20
Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của diện tích pic vào thể tích vòng mẫu . 211
Hình 3.7. Sự biến đổi diện tích pic Cl
-
theo thể tích vòng mẫu 211
Hình 3.8. Sự biến đổi diện tích pic NO

3
-
theo thể tích vòng mẫu 222
Hình 3.9. Sự biến đổi diện tích pic SO
4
2-
theo thể tích vòng mẫu 222
Hình 3.10. Sự biến đổi diện tích pic NO
2
-
theo thể tích vòng mẫu 233
Hình 3.11. Sự biến đổi diện tích pic H
2
PO
4
-
theo thể tích vòng mẫu 233
Hình 3.12. Điện di đồ khảo sát sự ảnh hưởng của thể tích vòng mẫu đến sự phân
tách các pic 24
Hình 3.13. Điện di đồ khảo sát sự ảnh hưởng của điện thế tách đến sự phân tách
các pic 25
Hình 3.14. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của diện tích pic vào điện thế tách 25
Hình 3.15. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của diện tích các pic theo điện thế tách.266


vii
Hình 3.16. Biến đổi diện tích píc của các ion chất phân tích khi thay đổi thời
gian bơm mẫu 277
Hình 3.17. Sự biến đổi diện tích pic Cl
-

theo thời gian bơm mẫu vào mao quản. 277
Hình 3.18. Sự biến đổi diện tích pic NO
3
-
theo thời gian bơm mẫu vào mao quản. 28
Hình 3.19. Sự biến đổi diện tích pic SO
4
2-
theo thời gian bơm mẫu vào mao quản. 28
Hình 3.20. Sự biến đổi diện tích pic NO
2
-
theo thời gian bơm mẫu vào mao quản. 29
Hình 3.21. Sự biến đổi diện tích pic H
2
PO
4
-
theo thời gian bơm mẫu vào mao quản 29
Hình 3.22. Điện di đồ phân tích các anion trong mẫu chuẩn khi thay đổi thời
gian bơm mẫu 300
Hình 3.23. Điện di đồ khảo sát sự ảnh hưởng của Br
-
đến sự phân tách các pic 311
Hình 3.24. Điện di đồ khảo sát sự ảnh hưởng của F
-
đến sự phân tách các pic 311
Hình 3.25. Điện di đồ khảo sát sự ảnh hưởng của SCN
-
đến sự phân tách các pic 322

Hình 3.26. Độ lặp về diện tích píc theo thời gian của các anion nghiên cứu 366
Hình 3.27. Điện di đồ phân tích một số mẫu nước ngầm và nước mặt sử dụng
quy trình phân tích do tôi đề xuất 38
Hình 3.28. Đồ thị thể hiện sự tương quan giữa nồng độ Cl
-
thu được từ phương
pháp CE và IC 400
Hình 3.29. Đồ thị thể hiện sự tương quan giữa nồng độ NO
3
-
thu được từ
phương pháp CE và IC 400
Hình 3.30. Đồ thị thể hiện sự tương quan giữa nồng độ NO
2
-
thu được từ
phương pháp CE và IC 40
Hình 3.31. Đồ thị thể hiện sự tương quan giữa nồng độ SO
4
2-
thu được từ
phương pháp CE và IC 41


viii
DANH MỤC BẢNG
TT
Tên bảng
Trang
Bảng 3.1. Diện tích pic và thời gian lưu của các anion ở các điều kiện đệm

khác nhau 17
Bảng 3.2. Độ phân giải giữa píc SO
4
2-
và NO
2
-
theo pH của dung dịch đệm. Sự
biến đổi diện tích píc H
2
PO
4
-
199
Bảng 3.3. Khoảng tuyến tính, giới hạn phát hiện (LOD), giới hạn định lượng
(LOQ) và hệ số tương quan R
2
của các đường chuẩn tương ứng 333
Bảng 3.4. Đánh giá độ thu hồi đường chuẩn của các anion 355
Bảng 3.5. Độ lặp lại về diện tích pic và thời gian lưu đối với các anion 366
Bảng 3.6. So sánh các kết quả phân tích các mẫu so sánh các mẫu giữa phương
pháp điện di mao quản(CE) và phương pháp IC 377
Bảng 3.7. Nồng độ của các anion trong các mẫu so sánh thu được từ hai phương
pháp và sai số tương ứng 39

1
MỞ ĐẦU

Ô nhiễm nước ở Việt Nam đang là vấn đề thời sự và thu hút sự quan tâm,
chú ý của nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước, đặc biệt trong bối cảnh luật môi
trường đang được thực thi một cách mạnh mẽ, nhiều công ty xả thẳng nước thải
chưa xử lý ra môi trường gây ô nhiễm nghiêm trọng. Trong lĩnh vực nước cấp, gần
đây nhiều nhà nhà máy nước đã chuyển sang sử dụng nước mặt làm nguồn nước để
sản xuất nước sinh hoạt thay cho nguồn nước truyển thống do nguồn nước mặt có
ưu điểm là ít bị ô nhiểm asen và các nguyên tố độc hại khác có nguồn gốc tự nhiên
từ trong trầm tích. Tuy nhiên, nguồn nước này bị ô nhiễm vi sinh, và các thành phần
có trong nước thải sinh hoạt khi nguồn thải này không được sử lý triệt để trước khi
xả ra các hệ thống sông, hồ. Trong số các chỉ tiêu nước mặt thì các chỉ tiêu anion
như SO
4
2-
, NO
3
-
, PO
4
3-
, Cl
-
, NO
2
-
, CN
-
, F

-
, đặc biệt là ion NO
3
-
và NO
2
-
cần được
giám sát định kì một cách nghiêm ngặt để đảm bảo chất lượng nước đến người tiêu
thụ.
Việc xác định các chỉ tiêu này được thực hiện bằng phương pháp phổ hấp thụ
tử ngoại khả biến (phân tích từng chỉ tiêu), phương pháp sắc kí ion (phân tích một
số chỉ tiêu đồng thời). Tuy nhiên, vì số lượng các chỉ tiêu cần được xác định nhiều
nên việc phân tích từng chỉ tiêu bằng phương pháp quang là tốn kém nhân lực, thời
gian và kinh phí, còn phương pháp sắc kí ion cần thiết bị đắt tiền, phải thay các cột
chuyên dụng và chương trình hoạt động nếu muốn phân tích cả nhóm cation và
anion. Việc nghiên cứu, phát triển quy trình phân tích các anion trong mẫu nước
mặt và ứng dụng trong quan trắc chất lượng nước mặt sử dụng hệ thiết bị điện di
mao quản xách tay cho phép phân tích đồng thời các anion có ý nghĩa lớn cho kiểm
soát chất lượng nước, cũng giúp các cơ quan chức năng trong quá trình giám sát
chất lượng môi trường. Do đó em chọn đề tài “Nghiên cứu xây dựng quy trình phân
tích một số anion quan trọng trong môi trường nước trên cơ sở sử dụng thiết bị điện
di mao quản xách tay”
2
Chương 1 . TỔNG QUAN
1.1. Một số vấn đề các anion Cl
-
, NO
3
-

, NO
2
-
, SO
4
2-
, PO
4
3-
trong môi trường
nước
1.1.1. Khái quát về các anion Cl
-
, NO
3
-
, SO
4
2-
, NO
2
-
, PO
4
3-

Nước mặt: bao gồm các nguồn nước trong các hồ chứa, sông suối. Do kết
hợp từ các dòng chảy trên bề mặt và thường xuyên tiếp xúc với không khí nên các
đặc trưng của nước mặt là [1]
- Chứa khí hoà tan, đặc biệt là oxy

- Chứa nhiều chất rắn lơ lửng (riêng trường hơp nước trong các ao, đầm, hồ,
chứa ít chất rắn lơ lửng và chủ yếu ở dạng keo)
- Có hàm lượng chất hữu cơ cao
- Có sự hiện diện của nhiều loại tảo
- Chứa nhiều vi sinh vật
Để đánh giá khả năng ô nhiễm nguồn nước, cần cân nhắc thêm các yếu tố
sau đây:
1.1.1.1. Các hợp chất nitơ
Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ tạo ra amoniac (NH
4
+
), nitrit (NO
2
-
) và
nitrat (NO
3
-
). Do đó các hợp chất này thường được xem là những chất chỉ thị dùng
để nhận biết mức độ nhiễm bẩn của nguồn nước. Khi mới bị nhiễm bẩn, ngoài các
chỉ tiêu có giá trị cao như độ oxy hoá, amoniac, trong nước còn có một ít nitrit và
nitrat. Sau một thời gian NH
4
+
, NO
2
-
bị oxy hoá thành NO
3
-

. Phân tích sự tương
quan giá trị các đại lượng này có thể dự đoán mức độ ô nhiễm nguồn nước.
Nitrit được hấp thu trong máu và hemoglobin (các thành phần oxy trong
máu) được chuyển thành methemoglobin, chất này mang oxy hiêu quả tới nguồn
cung cấp oxy giảm đến tế bào quan trọng như não. Nếu nghiêm trọng có thể dẫn
đến tổn thương não và tử vong.
Việc sử dụng rộng rãi các loại phân bón cũng làm cho hàm lượng nitrat trong
nước tự nhiên tăng cao. Ngoài ra do cấu trúc địa tầng tăng ở một số đầm lầy, nước
thường nhiễm nitrat.
3
Nồng độ NO
3
-
cao là môi trường dinh dưỡng tốt cho tảo, rong phát triển, gây
ảnh hưởng đến chất lượng nước dùng trong sinh hoạt. Trẻ em uống nước có nồng
độ nitrat cao có thể ảnh hưởng đến máu (chứng methaemoglo binaemia). Theo quy
định của Tổ chức Y tế thế giới, nồng độ NO
3
-
trong nước uống không được vượt
quá 10 mg/l (tính theo N). Những người khỏe mạnh có thể tiêu thụ một lượng khá
lớn của Nitrat với ít tác dụng tới sức khỏe. Tuy nhiên nếu hàm lượng lớn và kéo dài
có liên quan tới vấn đề dạ dày do sự hình thành của chất nitrosamine. Các hợp chất
nitrosamine đã được chứng minh là gây ung thư ở động vật thử nghiệm.
1.1.1.2. Các hợp chất photpho
Trong nước tự nhiên, thường gặp nhất là photphat. Đây là sản phẩm của quá
trình phân huỷ sinh học các chất hữu cơ. Cũng như nitrat là chất dinh dưỡng cho sự
phát triển của rong tảo. Nguồn photphat đưa vào môi trường nước là từ nước thải
sinh hoạt, nước thải một số ngành công nghiệp và lượng phân bón dùng trên đồng
ruộng [2].

Photphat không thuộc loại hóa chất độc hại đối với con người, nhưng sự tồn
tại của chất này với hàm lượng cao trong nước sẽ gây cản trở cho quá trình xử lý,
đặc biệt là hoạt chất của các bể lắng. Đối với những nguồn nước có hàm lượng chất
hữu cơ, nitrat và photphat cao, các bông cặn kết cặn ở bể tạo bông sẽ không lắng
được ở bể mà có khuynh hướng tạo thành đám nổi lên mặt nước, đặc biệt vào những
lúc trời nắng trong ngày.
1.1.1.3. Ion Clorua
Clorua làm cho nước có vị mặn. Ion này thâm nhập vào nước qua sự hoà tan
các muối khoáng hoặc bị ảnh hưởng từ quá trình nhiễm mặn các tầng chứa nước
ngầm hay ở đoạn sông gần biển. Việc dùng nước có hàm lượng clorua cao có thể gây
ra bệnh về thận. Ngoài ra, nước chứa nhiều clorua có tính xâm thực đối với bêtông.
1.1.1.4. Ion Sunfat
Ion sunfat thường có trong nước có nguồn gốc khoáng chất hoặc nguồn gốc
hữu cơ. Với hàm lượng sunfat cao hơn 400 mg/l, có thể gây mất nước trong cơ thể và
làm tháo ruột. Ngoài ra, nước có nhiều ion clorua và sunfat sẽ làm xâm thực bêtông.
4
1.1.2. Các phương pháp xác định
- Phương pháp điện cực chọn lọc ion: điện cực dùng trong phương pháp điện
thế để xác định nồng độ của một loại ion trong dung dịch hỗn hợp nhiều loại ion
dựa trên nguyên tắc là điện thế ở cực chỉ thay đổi với nồng độ ion cần phân tích mà
không chịu ảnh hưởng của nồng độ ion khác. Tuy nhiên phương pháp này có độ lặp
lại kém.
- Phương pháp sắc kí ion (IC): Đây là phương pháp tiêu chuẩn để phân tích
các anion trong các mẫu nước ngầm và nước mặt. Cho kết quả rất chính xác nhưng
do yêu cầu nghiêm ngặt của việc chuẩn bị mẫu để phân tích IC tránh việc gây tắc
cột tách rất đắt tiền. Nên để phân tích các mẫu nước thì rất tốt nhưng không tiết
kiệm kinh tế.
- Phương pháp điện di mao quản (CE): Mức độ tương quan giữu các kết quả
thu được của hai phương pháp đều tốt. Có ưu điểm vượt trội so với phương pháp IC
về khả năng phân tích hiện trường, giá thành đầu tư thiết bị ban đầu, giá phân tích

đối với một mẫu, thời gian phân tích ngắn và dễ vận hành. Tại trung tâm Cetasd đã
thực hiện một số đề tài phân tích hàm lượng các anion Cl
-
, NO
3
-
, SO
4
2-
, NO
2
-
,
H
2
PO
4
-
theo phương pháp điện di mao quản sử dụng thiết bị điện di mao quản xách
tay và kết quả thu được rất khả quan.
1.2. Phương pháp điện di mao
quản

1.2.1. Nguyên tắc tách chất trong điện di mao quản
Điện di mao quản là một kỹ thuật tách các chất dựa trên sự di chuyển khác
nhau của các phân tử chất (chủ yếu là các ion mang điện tích) trong dung dịch chất
điện ly có chất đệm pH và trong tác dụng của điện trường (E) nhất định do thế (V)
đặt vào hai đầu mao quản sinh ra, do độ linh động điện di khác nhau, chúng di
chuyển với tốc độ khác nhau và tách khỏi nhau [5, 13].

Hình 1.1. Sơ đồ hệ điện di mao quản
5
Điện di mao quản gồm nhiều các kỹ thuật tách khác nhau, mỗi kỹ thuật tách
đều có 1 cơ chế riêng:
- Điện di mao quản vùng (CZE)
- Sắc ký mao quản Gel (CGE)
- Sắc ký mao quản điện động học mixen(MEKC)
- Sắc ký điện di mao quản (CEC)
- Điện di mao quản điểm đẳng điện (CIEF)
- Điện di mao quản đẳng tốc độ (CITP) [5]
Trong đó kỹ thuật điện di mao quản vùng (CZE) được sử dụng nhiều bởi đặc
tính đơn giản và hiệu quả [11, 19].
1.2.2. Độ linh động 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
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 quả
L: chiều dài mao quản

Độ linh động điện di tỉ lệ thuận với điện tích của phần tử tích điện (q), 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 [3,5].
1.2.3. Dòng điện thẩm (EOF)
Một điểm đặc trưng của điện di mao quản là dòng điện thẩm (electroosmotic
flow - EOF).

Hình 1.2. Hnh ảnh dòng điện thẩm trong điện di mao quản
6
Dòng điện thẩm hay chính là dòng của khối dung dịch di chuyển về phía
catốt xảy ra khi một điện thế cao được áp giữa hai đầu mao quản silica chứa dung
dịch đệm [14]. Tốc độ của dòng điện thẩm có thể ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ di
chuyển của các chất trong dung dịch. Ví dụ một dung dịch đệm nồng độ 50 mM với
pH= 8 chảy trong một mao quản dài 50 cm về phía catốt với vận tốc khoảng 5
cm/phút ở hiệu điện thế +25 kV [17].
Nguyên nhân của dòng điện thẩm là do sự hình thành của lớp điện kép. Trên
bề mặt của mao quản silica luôn tồn tại các nhóm silanol. Tại điều kiện pH lớn hơn
4, các nhóm SiOH này có thể bị đề proton theo phương trình: ≡Si–OH -> ≡Si–O
-
+
H
+
và tạo thành lớp điện tích âm. Từ đó, các cation trong dung dịch đệm liên kết
với lớp điện tích âm ở thành silica tạo thành lớp điện kép. Các ion dương trong
dòng dung dịch do đó sẽ bị kéo về phía catốt, vì chúng hòa tan trong dung dịch nên
chúng sẽ kéo theo cả khối dung dịch cùng về phía điện cực âm [8,9].
Thông thường tốc độ của dòng điện thẩm cao hơn đáng kể so với tốc độ di cư

của các hạt mang điện trong mao quản vì lý do đó dòng điện thẩm trở thành pha
động có ích trong điện di mao quản. Vận tốc của dòng điện di được xác định bởi
biểu thức:
ʋ = µ
EOF
. E (1.1)
Trong đó, μ
EOF
: là độ linh động dòng điện thẩm [21]
Việc điều khiển tốc độ dòng EOF có thể giúp làm giảm thời gian phân tách
và làm hình ảnh pic trở lên sắc nét hơn. Do đó các yếu tố ảnh hưởng đến dòng EOF
thường được khảo sát trong các nghiên cứu. Dưới đây là một số các yếu tố có thể
được điều chỉnh để thay đổi dòng EOF [4]:
- Điện trường E: tỉ lệ thuận với dòng EOF trong mao quản tức là điện trường
càng lớn thì dòng EOF sẽ càng lớn và ngược lại. Tuy nhiên nếu điện trường quá lớn
sẽ làm giảm độ phân giải, hiệu lực tách và làm nóng mao quản.
- pH của dung dịch đệm: là một yếu tố thường được dùng để điều chỉnh
dòng EOF trong mao quản vì nó dễ thực hiện. Dòng EOF sẽ giảm ở pH thấp và
tăng ở pH cao.
7
- Nồng độ dung dịch đệm: cường độ dòng EOF sẽ tăng khi nồng độ của dung
dịch đệm tăng và ngược lại. Nhưng nó cũng làm nóng mao quản và độ nét của pic bị
ảnh hưởng khi ở nồng độ cao.
- Các chất hoạt động bề mặt (HDBM): là các chất được thêm vào dung dịch
đệm thì chúng sẽ bám lên thành mao quản và tạo ra hiệu ứng ion (hay hiệu ứng kị
nước). Nếu chất HDBM phân li ra anion thì làm tăng cường độ dòng EOF còn nếu
là cation thì sẽ làm giảm và có thể đảo ngược chiều dòng EOF .
1.2.4. Mao quản điện di
Mao quản là một bộ phận quan trọng trong hệ điện di mao quản. Đây chính
là một trong các yếu tố quyết định sự điện di hỗn hợp của các chất mẫu. Mao quản

được chế tạo chủ yếu là silica được gọi là mao quản silica. Trong một số trường
hợp người ta cũng dùng mao quản teflon, khi mao quản silica không phù hợp, ví dụ
mẫu có ion F
-
và tách ở pH thấp [4].


Hình 1.3. Mặt cắt ngang của mao quản
Trong quá trình điện di, lớp điện kép và thế của chúng (thế Zêta) xuất hiện
ở sát thành mao quản, nó phụ thuộc vào lực ion của dung dịch pha động điện di.

Hình 1.4. Lớp điện tích kép trên bề mặt mao quản
8
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.

Hình 1.5. Ảnh hưởng của dòng EOF đến tốc độ của các ion
trong quá trình điện di
Do vậy, để có được hiệu quả tách cao cần tìm được dòng EOF có cường độ
phù hợp với chất phân tích, có nghĩa là phải tối ưu hóa các điều kiện của quá trình
điện di.
1.2.5. Phương pháp bơm mu
Hai nguyên tắc bơm mẫu cơ bản thường được sử dụng trong điện di là bơm
mẫu thủy động học, bơm mẫu điện động học.
+ Phương pháp bơm điện động học
Trong phương pháp này, đầu mao quản được nhúng vào dung dịch mẫu cùng
điện cực platinum. Một hiệu điện thế một chiều được áp vào hai đầu điện cực đẩy

các ion mang điện vào trong mao quản theo nguyên tắc của điện di và dòng điện
thẩm. Phương pháp này cho phép đưa một lượng lớn các ion linh động vào mao
quản. Ngược lại các ion kém linh động hơn sẽ được đưa vào với lượng nhỏ hơn. Do
vậy kỹ thuật bơm mẫu này có sự phân biệt đối với các ion khác nhau về điện tích
cũng như kích thước. Tuy nhiên điều này lại có thể coi là một ưu điểm của phương
pháp trong việc phân tích lượng vết của các ion nhỏ và có điện tích lớn [21, 22].
+ Phương pháp thủy động học
Bơm syphon (sử dụng lực trọng trường) là phương pháp mà một đầu mao
quản chứa dung dịch đệm được nhúng vào lọ mẫu và được nâng lên một độ cao
9
chênh lệch so với đầu còn lại của mao quản. Mẫu sẽ tự động đi vào mao quản theo
nguyên tắc ông syphon. Lượng mẫu bơm vào mao quản phụ thuộc vào độ cao chênh
lệch và thời gian bơm mẫu [12].

Hình 1.6. Các nguyên tắc bơm mu trong điện di mao quản
Bơm mẫu sử dụng chênh lệch áp suất có thể được thực hiện bằng cách hút
chân không hoặc dùng piston hay khí nén để tạo áp suất đẩy. Tương tự như kỹ thuật
bơm mẫu syphon, lượng mẫu bơm vào mao quản phụ thuộc vào độ nhớt của dung
dịch [8]. Vì vậy việc đảm bảo sự tương đồng độ nhớt giữa dung dịch mẫu và dung
dịch chuẩn đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật bơm mẫu này. Do đó nhiệt độ có
ảnh hưởng lớn đến lượng mẫu do độ nhớt dung dịch tỉ lệ nghịch với nhiệt độ. Vì
vậy để đảm bảo tính lặp lại của phép phân tích, nhiệt độ cần được giữ ổn định trong
quá trình thực hiện [22].
Kỹ thuật bơm mẫu syphon khá khó để có thể tự động hóa và dễ có sự sai
khác trong chiều cao cũng như thời gian bơm mẫu. Ngược lại các kỹ thuật bơm mẫu
10
sử dụng piston, khí nén hay dùng chân không tương đối dễ dàng tự động hóa, giúp
cho các yếu tố trong quá trình bơm mẫu được đảm bảo bao gồm cả nhiệt độ.
1.2.6. Các detecto thông dụng trong CE
- Nguyên tắc định lượng

Nguyên tắc của việc phát hiện hay định lượng các chất tan dựa trên cơ sở của
mối quan hệ tín hiệu đo của chất phân tích và nồng độ C
x
của nó theo biểu thức cơ
bản sau đây [4]:
H = k.C
x
hoặc A = k.C
x

Trong đó: H là chiều cao
A là diện tích pic điện di của chất phân tích.
- Sự phát hiện chất trong phương pháp điện di mao quản
Quá trình tách chất dựa trên sự khác nhau về độ linh động điện di của các
chất tan. Do độ linh động điện di của các chất tan khác nhau thì tốc độ di chuyển
của các chất tan (chất tan là ion) trong mao quản khác nhau. Sự phát hiện chất trong
quá trình phân tách điện di được thực hiện một cách trực tiếp hay gián tiếp, tùy
thuộc vào bản chất của các chất phân tích. Nói chung dựa trên cơ sở tính chất hóa
học, hóa lí hay vật lí của các chất phân tích sẽ có các loại detecto tương ứng để phát
hiện [15, 16].
+ Detecto đo phổ hấp phụ phân tử UV-VIS
+ Detecto đo phổ huỳnh quang phân tử
+ Detecto đo phổ phát xạ và hấp phụ nguyên tử
+ Detecto điện hóa
+ Detecto đo chỉ số chiết suất của chất
+ Detecto đo dẫn nhiệt, hay đo độ hấp phụ nhiệt
+ Detecto khối phổ
Trong các loại detecto kể trên, detecto độ dẫn không tiếp xúc tuy ra đời sau
nhưng đã nhận được nhiều sự quan tâm do thiết kế đơn giản, không yêu cầu nguồn
phát quang và không làm thay đổi thành phần đệm do quá trình điện phân như các

detecto đo độ dẫn kiểu cũ [7].
11

Hình 1.7. Sơ đồ detecto đo độ dn không tiếp xúc
(A) không sử dụng màng chắn.
(B) có sử dụng màng chắn.
(C) mạch điện của detecto đo độ dẫn không có màng chắn
Nguyên tắc cơ bản của detecto đo độ dẫn không tiếp xúc là sử dụng hai điện
cực hình ống đặt vòng quanh và không tiếp xúc với mao quản. Khi áp một hiệu điện
thế xoay chiều, hai điện cực sẽ tạo với thành mao quản hai tụ điện, và khối dung
dịch trong mao quản giữa hai điện cực sẽ đóng vai trò như một điện trở [10]. Hình
trên là sơ đồ mạch của detecto đo độ dẫn không tiếp xúc. Tại đầu ra của điện cực
thứ hai, tín hiệu sẽ được thu nhận đưa đến bộ khuếch đại và xử lý cho ra tín hiệu
phân tích. Detecto đo độ dẫn không tiếp xúc có thể áp dụng với hầu hết các ion vô
cơ và hữu cơ. Do đó đây là lựa chọn hợp lý cho việc phân tích và quan trắc môi
trường đặc biệt là quan trắc môi trường nước.



12
1.2.7. Hệ điện di mao quản một kênh bơm mu bằng khí nén và sử dụng detecto
đo độ dn không tiếp xúc

Hình 1.8. Sơ đồ hệ thiết bị điện di mao quản bơm mu t động bằng kh nén
Hệ thiết bị điện di thông thường bao gồm 3 bộ phận chính: bộ phận bơm
mẫu, mao quản tách và detecto thu nhận tín hiệu. Trong nghiên cứu này, hệ thiết bị
điện di được sử dụng là hệ điện di một kênh với bộ bơm mẫu bằng khi nén do nhóm
tự lắp đặt. Bộ phân bơm mẫu gồm có bình khí N
2

được nối trực tiếp với một hộp kín
bên trong có bình nhựa chứa đệm. Ngoài ra bình chứa đệm được nối với van chia ba
cổng V1 nối với bình đựng mẫu. Đầu ra van V1 nối tiếp van V2 qua một vòng. Van
V2 có một cổng nối ra cốc đựng thải và đầu còn lại nối với một giao diện chia ra có
một đầu cắm mao quản, một đầu cắm điện cực và cổng ra van V3, V4. Đầu còn lại
của mao quản nối với detecto C
4
D và cắm vào cốc đựng đệm cùng với điện cực còn
lại. Tín hiệu ra sẽ chuyển vào máy tính để xử lí.



13
Chương 2 . THỰC NGHIỆM
2.1. Đối tượng, mục tiêu và nội dung nghiên cứu
2.1.1. Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu và tối ưu hóa phương pháp phân tích các anion Cl
-
, NO
3
-
, NO
2
-
,
SO
4
2-
, PO
4

3-
bằng thiết bị CE-C
4
D xách tay. Trong đó các ion NO
3
-
, NO
2
-
trong
nước mặt và nước ngầm thường ở nồng độ thấp, việc xác định các ion này bằng
thiết bị CE-C
4
D tương đối khó khăn để đạt được giới hạn phát hiện đáp ứng quy
chuẩn Việt Nam cho phép đối với các loại nước này. Việc phân tích anion này trên
thiết bị CE-C
4
D đòi hỏi dung dịch đệm riêng đặc thù và tại pH thích hợp khác nhau
với quy trình phân tích các anion nói trên.
2.1.2. Nội dung nghiên cứu
- Khảo sát và lựa chọn các điều kiện tối ưu để phân tích các anion (Cl
-
, NO
3
-
,
NO
2
-
, SO

4
2-
, PO
4
3-
) bằng thiết bị điện di mao quản xách tay
+ Thành phần và pH dung dịch đệm
+ Khảo sát ảnh hưởng nền (nếu có)
* Thẩm định phương pháp
- Khảo sát khoảng tuyến tính và xây dựng đường chuẩn
 Độ lặp lại
 Độ đúng
- Xác định giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của phép đo
 Giới hạn phát hiện (LOD)
 Giới hạn định lượng (LOQ)
- Khảo sát quy trình xử lý mẫu thực tế và xác định hiệu suất thu hồi.
- Ứng dụng phương pháp đã tối ưu để phân tích anion Cl
-
, NO
3
-
, NO
2
-
, SO
4
2-
,
PO
4

3-
trong mẫu nước thực tế tại hiện trường.

14
2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp điện di mao quản sử dụng detecto đo độ dn không tiếp xúc
(CE – C
4
D)
- Phương pháp điện di mao quản vùng (CZE) được áp dụng để tách và
xác định anion Cl
-
, NO
3
-
, NO
2
-
, SO
4
2-
, PO
4
3-
trong mẫu nghiên cứu, và các mẫu
nước tại hiện trường dựa trên các điều kiện tối ưu đã khảo sát ở trên [18, 20].
- Các số liệu thu thập được sẽ được xử lý và đánh giá theo các phương
pháp thống kê [3, 6].
2.2.2. Phương pháp xử lý mu
Mẫu được lọc qua giấy lọc cỡn 0,45µm trước khi được bơm vào hệ.

2.3. Hóa chất, thiết bị
2.3.1. Hóa chất
 Chất hoạt động bề mặt CTAB C19H42BrN, pA, Fluka
 Kiềm dạng viên NaOH, pA, Merck
 Đệm CAPS C
9
H
19
NO
3
S, pA, Sigma
 Axit amin L-Histidin (His) C
6
H
9
N
3
O
2
, pA, Fluka
 Muối NaNO
3
, pA, Fluka
 Muối Na
2
SO
4
, pA, Fluka
 Muối KCl, pA, Merk
 Muối Na

2
HPO
4
.2H
2
O, pA, Merk
 Axit axetic 100%, pA, Merk
2.3.2. Chuẩn bị các dung dịch hóa chất
* Pha dung dịch gốc chuẩn
Dung dịch gốc được pha từ muối rắn tương ứng, trừ NO
2
-
được sử dụng
bằng dung dịch chuẩn 1000ppm (Merck). Cách pha cụ thể như sau:
Cân chính xác 0,5844g NaCl, 3,8012g Na
3
PO
4
, 1,4204g Na
2
SO
4
, 0,8501g
NaNO
3
mỗi loại chuyển vào các bình định mức 250 ml tương ứng. Sau đó định
mức tới vạch bằng nước đề-ion thu được dung dịch gốc của mỗi loại có nồng độ
15
100 mM. Dung dịch được bảo quản trong tủ lạnh từ 2- 8
o

C, tránh ánh sáng và có
thể sử dụng trong vòng 1 năm.
Từ dung dịch chuẩn trên ta có thể pha các dung dịch chuẩn làm việc có các
nồng độ khác nhau. Các dung dịch làm việc được pha hàng ngày.
*Pha dung dịch đệm
Các dung dịch đệm điện di được cân và pha trực tiếp vào bình định mức
bằng nước đề-ion. Tất cả các dung dịch đều được rung siêu âm và chuẩn lại giá trị
pH trước khi sử dụng. Dung dịch đệm được pha mới hàng ngày.
2.3.3. Thiết bị và dụng cụ
 Máy điện di mao quản tích hợp với detecto đo độ dẫn không tiếp xúc theo
kiểu tụ điện, đây là thiết bị do GS Peter Hauser, khoa Hóa học, trường Đại
học Basel, Thụy Sĩ lắp đặt.
 Mao quản silica đường kính trong 50 µm, tổng chiều dài 60 cm, chiều dài
hiệu dụng 53 cm.
 Máy phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử AA-6800 Shimadzu.
 Máy siêu âm.
 Máy đo pH.
 Máy rung vortex.
 Cân phân tích (độ chính xác là 1mg).
 Các micropipet 10, 100, 1000, 5000 μL.
 Các bình định mức thủy tinh 10, 25, 50, 100, 250 mL.
 Các lọ nhựa để đựng mẫu cho phân tích bằng thiết bị CE-C
4
D.
 Các lọ polypropylen (P.P) đựng dung các dịch chuẩn.
 Màng lọc Whatman cỡ lỗ 0,45 μm.
 Chai nhựa polyetylen (P.E) (đã được rửa sạch và tráng bằng nước cất) để
đựng mẫu.

16
Chương 3 . KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Nghiên cứu lựa chọn các điều kiện phân tích anion (Cl
-
, NO
3
-
, NO
2
-
, SO
4
2-
,
H
2
PO
4
-
)
Để tìm được điều kiện điện di phân tích các anion (Cl
-
, NO
3
-
, NO
2
-
, SO
4

2-
,
H
2
PO
4
-
), trước hết tôi sử dụng thiết bị điện di mao quản vận hành tự động, điện thế
tách được giữ cố định ở giá trị +15 kV, để tối ưu các yếu tố như: thành phần dung
dịch đệm, pH của dung dịch đệm, nồng độ của các cấu tử trong dung dịch đệm, loại
mao quản sử dụng làm cột tách. Sau đây là các kết quả khảo sát chi tiết về ảnh
hưởng của từng yếu tố.
3.1.1. Khảo sát thành phần dung dịch đệm điện di
Thành phần của dung dịch đệm điện di là một trong những yếu tố quan trọng
nhất quyết định hiệu quả tách của phép phân tách bằng phương pháp điện di. Tôi đã
khảo sát bốn hệ đệm có thành phần như sau:
 Histidine/axit axetic ở pH 4,0: Histidine được pha và điều chỉnh thêm
axit axetic cho đến pH 4,0 và dung dịch sau khi điều chỉnh ở nồng độ 12
mM.
 Axit 3-(N-morpholino) propanesulfonic/Histidine ở pH 6,5 (MOPS/His):
MOPS và Histidine được cân và pha đều ở nồng độ 10 mM. Sau đó
CTAB (hexadecyltrimethylammonium bromide) được thêm vào để điều
chỉnh dòng EOF.
 Axit 2-(N-morpholino) ethanesulfonic/Histidine ở pH 5,8 (MES/His):
MES và Histidine được cân và pha đều ở nồng độ 10 mM sau đó CTAB
được thêm vào để điều chỉnh dòng EOF.
 Tris(hydroxymethyl)aminomethane/axit3-(N-morpholino)
propanesulfonic ở pH 7,7 (Tris/MOPS): Tris và MOPS được pha ở cùng
nồng độ 70 mM. Tương tự hai đệm trên CTAB 10 µM được thêm vào để
điều chỉnh dòng EOF.

Trên hình 3.1 là các điện di đồ phân tích các anion sử dụng 4 hệ đệm nói trên
17

Hình 3.1. Điện di đồ phân tích các anion Cl
-
, SO
4
2-
, NO
3
-
, NO
2
-
, H
2
PO
4
-

sử dụng các hệ đệm khác nhau
Nồng độ của các ion Cl
-
, SO
4
2-
, NO
3
-
, NO

2
-
lần lượt là (3,55 mg_Cl
-
/L;
4,60 mg_NO
2
-
/L; 6,20mg_NO
3
-
/L; 9,61 mg_SO
4
2-
/L)và của HPO
4
2-
là
23,75mg_PO
4
3-
/L. Có thể thấy rằng trong số các hệ đệm nghiên cứu chỉ có hai hệ
đệm Histidin/axetic và Tris/MOPS có khả năng phân tách tốt cả 5 anion nghiên
cứu. Trong đó, đệm Histidin/axetic cho tín hiệu của các anion SO
4
2-
, NO
3
-
, NO

2
-
,
cao hơn so với hệ đệm Tris/MOPS. Do đó đệm Histidin/axetic axit được lựa
chọn để tiếp tục được nghiên cứu.
Bảng 3.1. Diện tích pic và thời gian lưu của các anion ở các điều kiện đệm
khác nhau

Chiều cao pic (mV)
Thời gian lưu (s)
His/Axe
Tris/MOPS
His/Axe
Tris/MOPS
Cl
-

55
53,69
261
238
NO
3
-

63,76
44,66
284
257
SO

4
2-

88,42
68,35
302
284
NO
2
-

59,51
44,62
311
250
HPO
4
2-/
H
2
PO
4
-

-38,42*
65,78
736
442
*dấu “-“ thể hiện đây là pic ngược (pic quay xuống dưới trong khi pic của các anion khác quay lên)
18

3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch đệm tới s phân tách pic của các
ion phân tích
H
3
PO
4
là một axit yếu với pK
a1
= 2,12. Do đó ở pH thấp ion H
2
PO
4
-
sẽ
chuyển về dạng H
3
PO
4
. Chính vì thế dung dịch điện li cần được khảo sát trong điều
kiện pH không quá thấp. Trong trường hợp này, pH của dung dịch đệm có ảnh
hưởng đến sự phân ly của các chất phân tích, đặc biệt là anion H
2
PO
4
-


Hình 3.2. Điện di đồ phân tích các anion Cl
-
, SO

4
2-
, NO
3
-
, NO
2
-
, H
2
PO
4
-
ở các giá
trị pH của dung dịch đệm khác nhau
Khi pH của dung dịch đệm càng giảm thì độ phân giải giữa các píc liền nhau
của 4 píc đầu càng tăng lên đặc biệt là pic NO
2
-
càng cách xa SO
4
2-
nhưng chiều cao
pic của ion H
2
PO
4
-
lại giảm. Khi pH của dung dịch đệm giảm đến 3,34 thì píc của
H

2
PO
4
-
hoàn toàn không xuất hiện nữa do hầu hết các anion H
2
PO
4
-
đã bị chuyển về
dạng H
3
PO
4
không phân ly nên không phát hiện được. Độ phân giải píc tăng có thể
là do sự thay đổi về độ dẫn của dung dịch điện ly nền gây ra.
Trong số các tín hiệu được tách ra trước độ phân giải pic giữa tín hiệu của
SO
4
2-
và NO
2
-
là đặc biệt biến đổi nhiều nhất vì ở pH cao hơn hai píc này chồng lên
nhau như trong trường hợp pH = 4,3 còn trong điều kiện pH càng thấp thì độ phân
giải càng lớn . Sự biến đổi diện tích píc H
2
PO
4
-

và độ phân giải giữa píc SO
4
2-
và
NO
2
-
được biểu diễn trong bảng sau: