Kỹ Thuật Xử Lý Mẫu Trong Phân Tích Hóa Học môn Hoá sinh | Trường Đại Học Y Dược Thái Bình

lOMoAR cPSD| 22014077
XỬ LÝ MẪU TRONG PHÂN TÍCH
Xử lý mẫu trong phân tích là khâu hết sức quan trọng, một trong những
yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả phân tích.
Tuỳ từng đối tượng mẫu, tuỳ từng chỉ tiêu phân tích mà phải có cách xử lý khác nhau.
1. Yêu cầu chung của các kỹ thuật xử lý mẫu phân tích
1.1. Xử lý mẫu là gì
- Xử lý mẫu là quá trình hoà tan (dissolution) và phân huỷ (digestion), phá
huỷ cấu trúc mẫu ban đầu lấy từ đối tượng cần phân tích, để giải phóng và
chuyển các chất cần xác định về một dạng đồng thể phù hợp (ví dụ dạng dung
dịch) cho một phép đo đã chọn để xác định hàm lượng của chất mà chúng ta mong muốn.
Ví dụ hòa tan mẫu hợp kim Al trong axit HNO 45% để được dung dịch xác 3
định Al và các tạp kim loại trong hợp kim Al. - Xử lý mẫu có hai quá trình xẩy ra đồng thời là:
• Phá huỷ cấu trúc ban đầu của chất mẫu (digestion of Sample Matrix),
• Hòa tan giải phóng chất cần xác định về dạng dung dịch đồng thể.
1.2. Tại sao phải xử lý mẫu phân tích.
- Để đưa các chất cần xác định về một trạng thái thích hợp cho phép đo,
theophương pháp phân tích đã chọn.
- Các kết quả phân tích phải phản ánh và đại diện đúng cho đối tượng cần nghiên cứu, theo dõi.
- Với bất kỳ một phương pháp xác định, mỗi chất phân tích chỉ có thể đượcxác
định chính xác khi nó tồn tại ở một trạng thái nhất định và đồng nhất phù
hợp với kỹ thuật phân tích.
Ví dụ: Để xác định các kim loại (ví dụ: Fe, Cu, Mn, ..) trong mẫu thịt, chúng
ta không thể bỏ ngay mẫu thịt vào máy quang phổ hấp thụ nguyên tử để đo, lOMoAR cPSD| 22014077
cần phải đưa các kim loại tồn tại trong mẫu về trạng thái ion hay hợp chất tan
được trong dung dịch nước, sau đó míi xác định được chúng trong dung dịch này.
- Mẫu phân tích có nhiều chủng loại, đa dạng, có thành phần đơn giản đếnloại
có thành phần phức tạp. Chúng có thể tồn tại ở các trạng thái khác nhau như
rắn từng cục, từng mảnh, hay lỏng, khí, và huyền phù. Không thể cho nguyên
mẫu như thế vào các máy để đo và xác định được. phải xử lý để đưa các
chất cần phân tích (cần xác định) về trạng thái phù hợp nhất cho một phương
pháp đã được chọn để xác định nó.
- Các chất cần xác định tồn tại ở trạng thái liên kết hoá học khác nhau,
trongcác hợp chất vô cơ, hữu cơ khác nhau, có khi rất bền vững, lượng chất
ở mỗi vị trí trong mẫu cũng không đồng đều, nên không thể xác định đúng
hàm lượng của nó trong một tổ hợp phức tạp, bền vững và bị các nguyên tố,
các chất liên kết khác cản trở, do đó cần phải xử lý mẫu để phá vỡ các hợp
chất mà chất phân tích đang tồn tại, đưa chúng sang một dạng phù hợp để
định lượng tốt và đúng theo phương pháp đã chọn.
Vậy muốn phân tích một đối tượng nào, chúng ta phải lấy mẫu, xử lý
phù hợp để có được một trạng thái hay một dung dịch mẫu phân tích xác định các chất mong muốn.
- Việc xử lý mẫu theo cách nào, là tuỳ thuộc vào:
+ Đối tượng mẫu, matrix của mẫu.
+ Bản chất, tính chất của các chất cần phân tích.
+ Trạng thái tồn tại, cấu trúc vật lý hoá học của các chất trong mẫu.
+ Phương pháp phân tích được lựa chọn để xác định chúng.
+ Hàm lượng của chất cần xác định ở mức nào trong mẫu. 2/45
Trên cơ sở các yếu tố đó chúng ta chọn cách xử lý phù hợp cho chất phân tích. lOMoAR cPSD| 22014077
Ngày nay các kỹ thuật xử lý mẫu phân tích đã và đang được dùng đó là:
• Kỹ thuật vô cơ hoá khô (xử lý khô),
• Kỹ thuật vô cơ hoá ướt (xử lý ướt).
• Kỹ thuật vô cơ hoá khô- ướt kết hợp,
• Các kỹ thuật chiết (lỏng-lỏng, chiết rắn-lỏng, chiết rắn-khí,..),
• Các kỹ thuật sắc ký, v.v.
Tuy nhiên trong quá trình lấy mẫu một số đối tượng cần phải xử lý sơ bộ ngay
trước khi mang mẫu về phòng thí nghiệm. 2. Kỹ thuật vô cơ hóa ướt (xử lý ướt)
2.1. Vô cơ hóa ướt bằng axit mạnh đặc nóng
2.1.1. Nguyên tắc và bản chất Nguyên tắc chung •
Dùng axit mạnh đặc và nóng (ví dụ HCl, H ), hay axit mạnh, đặc 2SO4
và nóng có tính ôxy hoá mạnh (HNO
), hoặc hỗn hợp 2 axit ( HNO 3, HClO4 3 + H
), hoặc là 1 axit đặc và một chất
2SO4), hay 3 axit (HNO3 + H2SO4 + HClO4 ôxy hoá mạnh (H
), v.v. để phân huỷ mẫu trong điều kiện đun 2SO4 + KMnO4
nóng trong bình Kendan, trong ống nghiệm, trong cốc hay trong lò vi sóng. •
Lượng axit cần dùng để phân huỷ mẫu thường gấp 10 - 15 lần lượng
mẫu,tuỳ thuộc mỗi loại mẫu và cấu trúc vật lý hoá học của nó. •
Thời gian phân huỷ mẫu (xử lý) trong các hệ hở, bình Kendan,
ốngnghiệm, cốc, .. thường từ vài giờ đến hàng chục giờ, cũng tuỳ loại mẫu,
bản chất của các chất. Còn nếu trong lò vi sóng hệ kín thì chỉ cần 50 - 90 phút.
Các dung dịch axit dùng để hoà tan và xử lý mẫu
Trong cách xử lý ướt người ta thường dùng các loại dung dịch axit đặc và có
tính oxy hoá mạnh, song tất nhiên chọn loại axit nào là tuỳ thuộc vào bản chất
của chất nền (matrix) của mẫu và chất phân tích tồn tại trong mẫu đó, ví dụ:
+ Dùng 1 axit đặc: HCl, HF, H3PO4, H2SO4,
+ Dùng 1 axit có tính oxy hoá: HNO3, H2SO4, HClO4, lOMoAR cPSD| 22014077
+ Hỗn hợp 2 axit: Cường thuỷ, (HCl+HNO3),(HNO3+H2SO4),(HF+H2SO4),
+ Hỗn hợp 3 axit: (HCl + HNO3 + H2SO4), ( HNO3 + H2SO4 + HClO4),
+ Hỗn hợp 1 axit và chất ôxy hoá: (H2SO4+ KMnO4), (HNO3+H2O2), +
Hỗn hợp 2 axit và 1 chất oxy hoá mạnh (HNO3+ H2SO4+ KMnO4),
+ Dung dịch muối có pH nhất định (KCl 1M, pH=5, NH4Ac 1M pH-6,.. ).
Nhiệt độ dung dịch phân huỷ mẫu
Nhiệt độ sôi của hỗn hợp mẫu khi xử lý mẫu là phụ thuộc vào nhiệt độ sôi của
dung dịch axit dùng để phân huỷ mẫu. Khi cần nhiệt độ sôi cao thì phải dùng
axit có nhiệt độ sôi cao (bảng 2.1). Trong các hệ kín áp suất cao sẽ tạo ra nhiệt
độ sôi cao, tuỳ thuộc vào loại axit dùng để phân huỷ mẫu. Bảng 2.1. Nhiệt độ
sôi của các dung dịch axit đặc Với axit đơn: Axit HCl HNO3 H2SO4 H3PO4 HClO4 HF Ng độ(%) 36 65 98 78 72 40 T(sôi) oC 110 121 280 213 203 120
Với hỗn hợp axit:
Loại hỗn hợp của
Thành phần (V/V) Nhiệt độ sôi oC
Cường thuỷ (HCl/HNO3): 3/1 116-118 (HNO3+ H2SO4): 4/1 130-135 (HNO3+ H2SO4 ): 3/2 150-155 4/45 (HNO3+ H2SO4 + HclO4 ): 4/2/2 137-140 (HF+ H2SO4 ): 2/1 130-150 (HNO3+ H2SO4 + HF ) 2/1/1 120-130
Tất nhiên khi dùng hỗn hợp, thì nhiệt độ sôi của dung dịch axit hỗn hợp là tuỳ
thuộc vào thành phần của 2 hay 3 axit ta dùng trộn vào nhau và nhiệt độ sôi
của dung dịch phân huỷ sẽ nằm giữa nhiệt độ của hai axit được trộn với nhau. lOMoAR cPSD| 22014077
Vì thế với các chất mẫu khó phân huỷ (khó xử lý) chúng ta phải dùng các axit
và hỗn hợp axit có nhiệt độ sôi cao và tính oxy hoá mạnh.
2.1.2. Các kiểu vô cơ hóa ướt
Việc xử lý mẫu theo phương pháp ướt, có thể được thực hiện trong các trang
bị và dụng cụ khác nhau, tuỳ thuộc phòng thí nghiệm có loại nào, ví dụ:
Trong điều kiện thường:
+ Xử lý trong cốc thuỷ tinh, khi đun nóng trên bếp điện hay nồi cách thuỷ.
+ Xử lý trong bình Kendan thường khi đun nóng
+ Xử lý trong bình Kendan có ống sinh hàn hồi lưu dung môi, v.v.
Trong hộp kín. Mẫu để trong hộp kín, thêm dung dịch axit để phân
huỷ mẫu, đậy kín, sau đó thực hiện phân huỷ bằng cách:
+ Sấy trong tủ sấy, trên bếp cát, hoặc trong lò nung ở nhiệt độ thích hợp.
+ Ngâm hay luộc hộp mẫu trong nồi nước sôi, hay trong dầu sôi, v.v.
Xử lý mẫu trong lò vi sóng (trong hệ kín và hở), như:
a/ Trong các hệ lò vi sóng đơn giản và điều khiển bằng tay: + Hệ bình mẫu hở,
+ Hệ bình mẫu đóng kín (có áp suất cao), b/ Trong các hệ
nhiều bình và hoạt động theo chương trình:
+ Hệ bình mẫu hở có khống chế nhiệt độ. lOMoAR cPSD| 22014077
+ Hệ bình mẫu đóng kín (áp suất cao), có khống chế nhiệt độ, áp suất, v.v.
Trong các kiểu xử lý ướt này, hiện nay kỹ thuật xử lý ướt với axit đặc có tính
oxy hoá mạnh trong bình kendan và trong lò vi sóng hệ kín đang được dùng
nhiều nhất. Với các nước phát triển, phổ biến hiện nay là cách xử lý trong lò
vi sóng, vì nó triệt để, nhanh và lại không lo ngại mất chất phân tích.
2.1.3. Cơ chế và các tác nhân phân huỷ mẫu
2.1.3.1. Cơ chế của sự phân huỷ mẫu
• Trong điều kiện thường của hệ hở, thì tác nhân phân huỷ mẫu là:
+ Tác dụng phá huỷ và hoà tan các hạt (phần tử) mẫu của axit,
+ Tác nhân năng lượng nhiệt, làm tan rã các hạt mẫu cùng với axit, + Sự
khuyếch tán đối lưu, chuyển động nhiệt và va chạm của các hạt mẫu với nhau
làm chúng bị bào mòn dần.
Các tác nhân này tấn công và bào mòn dần các hạt mẫu từ ngoài vào, làm cho
các hạt mẫu bị mòn dần dần, bé dần rồi tan mất hết, khi chúng ta đun mẫu
trong bình Kendan hay trong cốc trong một thời gian nhất định.
• Trong lò vi sóng:
Ngoài các tác nhân phân huỷ như trên, trong lò vi sóng còn có sự phá vỡ từ
trong lòng hạt mẫu ra ngoài, do các phân tử nước hấp thụ (>90%) năng lượng
vi sóng và nó có động năng rất lín, nên chúng có chuyển động nhiệt rất mạnh,
làm căng và xé các hạt mẫu từ trong ra. Thêm vào đó lại là hệ kín, nên có áp
suất cao và sẽ làm nhiệt độ sôi lại cao hơn và đây là tác nhân phân huỷ mạnh
nhất, do đó thúc đẩy quá trình phân huỷ mẫu rất nhanh từ trong ra và từ ngoài
vào. Vì thế nên việc xử lý mẫu trong lò vi sóng chỉ cần thời gian ngắn (30-70
phút) mà lại triệt để. lOMoAR cPSD| 22014077
2.1.3.2. Các quá trình xẩy ra khi phân huỷ mẫu: Dưới tác dụng của axit
đặc và năng lượng nhiệt (nhiệt độ), cả năng lượng vi sóng, các quá trình vật
lý và hoá học sau đây sẽ xẩy ra: •
Sự phá vỡ mạng lưới cấu trúc của hạt chất mẫu, giải phóng các chất
phântích, để đưa chúng vào dung dịch dưới dạng các muối tan. •
Quá trình ôxy hoá khử làm thay đổi hoá trị, chuyển đổi dạng, làm tan
vỡcác hạt vật chất mẫu, để giải phóng chất phân tích về dạng muối tan. •
Nếu xử lý mẫu hữu cơ phân tích kim loại, thì có sự đốt cháy, phá huỷ
cáchợp chất hữu cơ và mùn tạo ra khí CO và nước, 2 để giải phóng các kim
loại trong chất mẫu hữu cơ về dạng muối vô cơ tan trong dung dịch. •
Tạo ra hợp chất dễ bay hơi, làm mất đi các anion trong phân tử chất
mẫu,làm mẫu bị phân huỷ tạo ra các hợp chất tan trong dung dịch. • Sự tạo
thành các hợp chất hay muối phức tan trong dung dịch. •
Có thể tách chất phân tích ra khỏi mẫu ban đầu ở dạng kết tủa không
tan vànhờ đó người ta tách được các chất phân tích và làm giầu chúng.
Như vậy trong trong quá trình xử lý mẫu ở đây cũng có thể có các phản ứng
hoá học xẩy ra, như phản ứng oxy hoá khử, phản ứng thuỷ phân, phản ứng tạo
phức, phản ứng hoà tan, phản ứng kết tủa, v.v. của các phần tử chất mẫu với
các axit dùng để phân huỷ mẫu và các chất có trong mẫu với nhau. Trong đó
quá trình nào là chính hay phụ là được quyết định bởi thành phần, chất nền,
bản chất của chất mẫu và các loại axit dùng để phân huỷ và hoà tan mẫu.
2.1.4. Ví dụ theo cách xử lý ướt
♦ Ví dụ 1: Xử lý mẫu rau quả bằng hỗn hợp 2 axit (HNO3 + H2O2), trong
bình Kendan, để xác định các kim loại nặng (Cd, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn).
Lấy 5,00 g. mẫu đã nghiền mịn và trộn đều vào bình Kendan, thêm 60 mL lOMoAR cPSD| 22014077 HNO
30%, cắm phễu nhỏ vào bình kendan, lắc đều và đun 3 65%, 5 mL H2O2
sôi nhẹ cho mẫu phân huỷ, đến khi được dung dịch trong không mầu (6-8 giờ
tuỳ loại mẫu). Chuyển mẫu sang cốc 250 mL, làm bay hơi hết axit bằng đèn
IR đến còn muối ẩm, để nguội, định mức bằng dung dịch HCl 2% thành 25
mL. Trong quá trình xử lý này các nguyên tố kim loại ở dạng các hợp chất cơ
kim của mẫu rau quả, sẽ bị axit đặc oxy hoá các chất hữu cơ, đưa các kim loại
về các muối vô cơ tan trong dung dịch nước. Quá trình hoá học chính: (Mẫu) +HNO → Me 3 + H2O2 n(NO3)m + H2O + CO2+ NO2
(muối tan của kim loại )
Tất cả các ví dụ từ 1 đến 3 có thể xử lý trong lò vi sóng hệ kín, và lượng axit
sẽ bít đi đến 1/3. Thời gian xử lý chỉ trong 40 - 50 phút. Còn xử lý như trên
trong hệ hở bình thường, thì phải mất từ 4-8 giờ, mà lại không triệt để bằng xử lý trong lò vi sóng.
2.1.5. Các ưu nhược điểm và ứng dụng
Các ưu và nhược điểm chính của kỹ thuật này là:
+ Hầu như không bị mất các chất phân tích, nhất là trong lò vi sóng,
+ Nhưng thời gian phân huỷ mẫu rất dài, trong điều kiện thường,
+ Tốn nhiều axit đặc tinh khiết cao, nhất là trong các hệ hở,
+ Dễ bị nhiễm bẩn khi xử lý trong hệ hở, do môi trường hay axit dùng, +
Phải đuổi axit dư lâu, nên dễ bị nhiễm bẩn, bụi vào mẫu, v.v.
Ứng dụng chủ yếu của kỹ thuật xử lý ướt này là để xử lý mẫu:
♦ Xác định các kim loại và một số phi kim, hay anion vô cơ, như Cl-. Br-, I-, AsO 3- 2- 3-
2, .. trong các mẫu sinh học, mẫu hữu cơ, mẫu vô cơ, 4 , SO4 , PO4 , SiO3
mẫu môi trường, mẫu đất, mẫu nước, mẫu bụi không khí, mẫu kim loại, hợp
kim, rau quả và thực phẩm, v.v. lOMoAR cPSD| 22014077
2.2. Xử lý ướt bằng dung dịch kiềm mạnh đặc nóng
2.2.1. Nguyên tắc chung
Trong phương pháp này người ta thường dùng các dung dịch kiềm mạnh đặc
nóng (NaOH, KOH 15-20%), hay hỗn hợp của kiềm mạnh và muối kim loại
kiềm (NaOH +NaHCO ), hay một kiềm mạnh và peroxit (KOH + Na 3 2O2),
nồng độ lín (10 -20%), để phân huỷ mẫu phân tích trong điều kiện đun nóng
trong bình Kendan hay trong hộp kín, hoặc trong lò vi sóng. Lượng dung dịch
phân huỷ: cần lượng lín từ 8-15 lần lượng mẫu.
Thời gian phân huỷ: từ 4 - 10 giờ trong hệ hở. Còn trong hệ lò vi sóng kín chỉ cần thời gian 1-2 giờ.
Nhiệt dộ phân huỷ: Là nhiệt độ sôi của dung dịch kiềm. Nó thường trong vùng 150 -200 oC.
Các quá trình xẩy ra khi phân huỷ mẫu
Dưíi tác dụng của kiềm và nhiệt độ, cả năng lượng vi sóng, có thể xẩy ra các quá trình sau:
+ Phá vỡ cấu trúc của chất mẫu, chuyển các chất của mẫu vào dung dịch,
+ Các chất của mẫu tương tác với kiềm tạo ra các sản phẩm tan được,
+ Có thể sinh ra các khí bay ra, giúp sự tan của mẫu tốt hơn,
+ Có thể tạo ra các hợp chất bền ít phân li và tan trong dung dịch,
+ Tạo ra các sản phẩm kết tủa míi khác của chất phân tích để tách nó ra khỏi mẫu ban đầu.
2.2.2. Các cách hoà tan và dung dịch hoà tan
Chất phân huỷ: Theo kỹ thuật xử lý ướt này chúng ta có thể dùng các dung
dịch của các chất sau đây để xử lý mẫu: • Dung dịch kiềm đặc (20-25 % NaOH, hay KOH),
• Dung dịch kiềm đặc nóng có chất ôxy hoá mạnh (NaOH + Na2O2), lOMoAR cPSD| 22014077
• Hỗn hợp kiềm đặc nóng có chất khử (KOH+NaHSO3),
• Hỗn hợp kiềm mạnh và một muối (NaOH + NaHCO3), (KOH+Na2CO3),
• Hỗn hợp kiềm, một muối và peroxit (KOH+ NaHCO3+ H2O2),
• Hỗn hợp kiềm, một muối và peroxit kiềm (KOH+ NaHCO3+ Na2O2), v.v.
Quá trình phân huỷ •
Quá trình phân huỷ được thực hiện khi đun sôi dung dịch mẫu, trong
mộtthời gian nhất định trong bình Kendan hay trong ống nghiệm, thường là
từ 6 -10 giờ trong bình kenđan hở, trong lò vi sóng hệ kín (có áp suất cao) thì
chỉ mất khoảng 40 - 70 phút, tuỳ loại mẫu. •
Cơ chế phá vỡ (phân huỷ) mẫu theo cách này cũng tương tự như
trongtrường hợp dùng các axit ở trên, trong hệ hở hay hệ kín, nhưng ở đây tác
nhân phân huỷ là dung dịch kiềm mạnh nóng.
Nhiệt độ phân huỷ: Nhiệt độ sôi của các dung dịch kiềm là tuỳ thuộc vào
thành phần và nồng độ của dung dịch kiềm ta sử dụng để xử lý mẫu. Nói
chung trong vùng từ 115 – 230 oC, tuỳ thuộc nồng độ của kiềm và muối có
trong dung dịch phân huỷ mẫu và đây là một yếu tố thúc đẩy sự phân huỷ xẩy
ra nhanh hơn. Nghĩa là tác nhân phân huỷ mẫu ở đây là kiềm và nhiệt độ (năng
lượng nhiệ ) và năng lượng vi sóng, nếu dùng lò vi sóng.
2.2.3. Ví dụ ứng dụng kỹ thuật này
♦ Ví dụ 1: Hoà tan oxit nhôm bằng dung dịch NaOH 10% nóng. Lấy 0,5g.
mẫu dạng bột vào bình kendan, tẩm ướt bằng vài giọt nước cất, thêm 10 mL
NaOH 10%, đun sôi để hoà tan mẫu. Cơ chế ở đây là: Chuyển trạng thái tinh
thể rắn ôxit sang ion tan trong dung dịch là muối NaAlO2 và khí hydro theo phản ứng:
Al2O3 + NaOH → H2 + NaAlO2 + H2O lOMoAR cPSD| 22014077
2.2.4. Các ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng
Kỹ thuật xử lý ướt trong dung dịch kiềm đặc nóng cũng có ưu điểm là hầu như
không làm mất các chất phân tích, nhất là các nguyên tố có hợp chất dễ bay
hơi và các nguyên tố và các matrix của mẫu dễ tan trong kiềm.
Nhưng cách này có một nhược điểm lon là tốn rất nhiều kiềm tinh khiết cao,
thường phải dùng gấp từ 10 – 15 lượng mẫu, khả năng gây nhiễm bẩn dễ xẩy
ra. Lượng kiềm dư nhiều, sau khi xử lý xong thường phải loại hết, nhưng rất
khó, chỉ bằng cách trung hoà bằng axit, song lại làm loãng mẫu và dễ dàng
nhiễm bẩn, mất thời gian cô đặc mẫu. Đây là một công việc rất khó khăn và
mất nhiều thì giờ và cũng lại hay làm nhiễm bẩn mẫu. Đây chính là một nhược
điểm lín của kỹ thuật này.
Vì thế cách này chỉ được dùng cho một số trường hợp, mà cách xử lý axit cho
kết quả không tốt. Ví dụ phân huỷ mẫu xác định một số anion vô cơ, phi kim
hay á kim, như các chất: Cl1-, Br1-, NO 1- 2-
3-,v.v. trong các đối tượng 3 , SO4 , PO4
mẫu sinh học và một số mẫu thực phẩm không xử lý được bằng phương pháp axit. Cách này thích hợp cho:
+ Các hợp chất hay các mẫu tan tốt trong kiềm.
+ Phân huỷ các chất hữu cơ để lấy các phi kim.
Các ví dụ khác có thể xem thêm ở chương 3 và 4 ở phần II.
3. Kỹ vô cơ hóa khô
3.1. Nguyên tắc và các quá trình xẩy ra khi vô cơ hóa mẫu
3.1.1. Nguyên tắc: Kỹ thuật xử lý khô (vô cơ hóa khô) là kỹ thuật nung để xử
lý mẫu trong lò nung ở một nhiệt độ thích hợp (450-750 oC), song thực chất
đây chỉ là bưíc đầu tiên của quá trình xử lý mẫu. Vì sau khi nung, mẫu bã còn
lại phải được hoà tan (xử lý tiếp) bằng dung dịch muối hay dung dịch axit phù lOMoAR cPSD| 22014077
hợp, thì mới chuyển được các chất cần phân tích trong tro mẫu vào dạng dung
dịch, để sau đó xác định nó theo một phương pháp đã chọn. Khi nung các chất
hữu cơ của mẫu sẽ bị đốt cháy thành CO và nước. 2
3.1.2. Nhiệt độ nung: Nhiệt độ nung xử lý mẫu thường trong vùng 450 -750
oC, tuỳ thuộc vào mỗi loại mẫu (chất nền và cấu trúc của nó) và các chất cần
phân tích và đó là yếu tố quyết định. Nhưng phải đảm bảo đốt cháy được hết
các chất hữu cơ và không làm mất chất phân tích. Ví dụ khi nung xử lý các
mẫu rau quả và thực phẩm ở nhiệt độ từ 500 –550oC, để xác định các kim loại
nặng, các kim loại kiềm và kiềm thổ. Song nếu không có chất phụ gia bảo vệ
thì thường các nguyên tố Cd, Pb, Zn,.. có thể bị mất từ 10 - 15%, mà chúng ta
không khống chế được. Nhiệt độ nung thường phụ thuộc vào:
+ Bản chất của chất mẫu và chất phân tích,
+ Cấu trúc, dạng liên kết, loại hợp của các chất trong mẫu,
3.1.3. Thời gian nung: Có thể từ 5 – 12 giờ, hoacj tuỳ thuộc vào: + Môĩ loại chất mẫu, + Mỗi chất phân tích,
+ Cấu trúc, dạng liên kết, loại hợp của các chất trong mẫu,
3.1.4. Các loại chất phụ trợ (phụ gia)
+ Kỹ thuật tro hoá khô thường được dùng cho các mẫu hữu cơ, xử lý để xác
định các kim loại, và các mẫu quặng vô cơ có cấu trúc bền vững rất khó tan
trong các axit mạnh. Việc tro hoá cũng có thể được thực hiện khi có thêm chất
phụ gia, chất bảo vệ hay chất chảy. Các chất bảo vệ và chất chảy thường hay được dùng là: + Các axit: HNO
, với nồng độ phù hợp, 3, H2SO4, H3PO4
+ Một số muối: KNO3, Ca(NO3)2, Mg(NO3)2, LiBO2, Na2B4O7,
+ Hỗn hợp axit và muối: (Mg(NO3)2+ HNO3), (HNO3 + H2SO4), lOMoAR cPSD| 22014077
+ Hỗn hợp kiềm và muối: (KOH + NaHCO3), (KOH+ Na2SO4), +
Hỗn hợp muối và peroxit: (KHCO3 + Na2O2), (NaHCO3 + Na2O2), +
Hỗn hợp kiềm mạnh và peroxit: (NaOH + Na2O2), (KOH + Na2O2).
+ Hỗn hợp kiềm, muối và chất oxyhóa (KOH+NaHCO3+Na2O2).
+ Hỗn hợp kiềm và muối pyrosnphat (KOH + Na2S4O7), v.v.
Các chất phụ gia này có hai tác dụng:
+ Bảo vệ các chất phân tích không bị mất,
+ Góp phần làm cho mẫu được phân huỷ nhanh và triệt để hơn,
3.1.5. Các quá trình xẩy ra: Trong quá trình nung xử lý mẫu có thể có nhiều
quá trình vật lý và hoá học xẩy ra, tuỳ theo bản chất, thành phần của mỗi loại
mẫu và chất phụ gia được thêm vào, đó là các quá trình:
+ Trước tiên làm bay hơi mất nước hấp thụ và nước kết tính trong chất mẫu,
+ Sự tro hoá, đốt cháy các chất mùn và các chất hữu cơ của mẫu,
+ Phá vỡ cấu trúc ban đầu của chất mẫu,
+ Chuyển dạng các hợp chất phức tạp của chất mẫu về dạng đơn giản hơn, +
Quá trình oxy hoá khử thay đổi hoá trị của nguyên tố trong các chất mẫu, +
Giải phóng ra một số khí, như CO, CO2, SO2,..
+ Có một số tương tác hoá học của các chất với nhau, tương tác với chất phụ
gia thêm vào,.. tạo ra các chất lúc đầu không có.
Tất cả các quá trình đó đều góp phần làm tan vỡ cấu trúc ban đầu của các hạt
mẫu tạo ra tro bã mẫu, để sau đó hoà tan chất phân tích vào dung dịch axit.
Bảng 2.2 sau đây là vài ví dụ về sự nung một số mẫu phân tích trong điều kiện
có phụ gia và không có phụ gia.
Đó là những quá trình có thể xẩy ra, tất nhiên là đa dạng và phức tạp, nó xẩy
ra như thế nào là tuỳ thuộc vào các yếu tố sau đây:
• Thành phần, chất nền và trạng thái liên kết của chất mẫu và chất phân tích,
• Các chất phụ gia, chất chẩy và chất bảo vệ thêm vào mẫu, lOMoAR cPSD| 22014077
• Các điều kiện nung, trong đó nhiệt độ là yếu tố chính, sau đó là môi
trườngnung là không khí, hay trong khí trơ (Ar, N2, He,..).
Kết quả của sự nung có thể xẩy ra các quá trình tạo ra các sản phẩm có thành
phần đơn giản hơn, ví dụ trong bảng 2.2, nên chúng dễ hoà tan được trong axit hay kiềm loãng.
3.2. Các loại trang bị và dụng cụ để xử lý khô
Các trang bị để xử lý mẫu theo phương pháp khô thường không có nhiều.
Thông thường mẫu được cho vào chén hay bát nung (thạch anh, sứ, Ni, Fe,
hay Pt, hoặc Au, hay W,..) có dung tích khác nhau (từ 30 - 200 mL). Sau đó
được nung tại nhiệt độ phù hợp trong lò nung.
Dụng cụ chứa đựng mẫu để nung:
+ Các loại chén nung thạch anh, sứ, graphit, platin, vàng, zirconi, v.v.
+ Các loại bát nung thạch anh, sứ, kim loại (platin, vàng, zirconi), v.v.
+ Các loại chén và bát Teflon chịu nhiệt.
Thiết bị để nung mẫu có hai loại chính:
1. Trang bị thông thường: Tủ sấy và lò nung các loại.
2. Trang bị hiện đại: Các loại lò vi sóng và lò cao tần, v.v.
Bảng 2.2. Ví dụ về các quá trình trong xử lý khô trong lò nung Loại mẫu Phụ gia
Nhiệt độ Sản phẩm sau khi nung Đất sét KOH+Na2O2 550-650 Na2SiO3+K2SiO3+H2O Quặng KOH+Na2O2
500-600 Na2SiO3+K2SiO3+H2O+MeX Silicat Quặng Ferrit 550-600 FeO+Fe2O3+SO2+H2O Quặng CuS 550-600 CuO+SO2+H2O + MenXm Dolomit 550-650 CaO+MgO+H2O+CO2+ MenXm LnCO3FxH2O 550-650 Ln2O3+CO2+HF+H2O +MenXm Nhựa đường 550-650 MexOy+CO2+SO2+H2O+MenXm lOMoAR cPSD| 22014077 Thực phẩm
KNO3+HNO3 500-550 MexOy+CO2+H2O+ KxXy+NO Rau quả
KNO3+HNO3 500-550 MexOy+CO2+H2O+ KxXy+NO Rau quả 500-550 MexOy+CO2+H2O+MenXm Chất hữu cơ 500-600 MexOy + CO2 + H2O + (NOx)
3.3. Tro hoá khô không có phụ gia và chất bảo vệ
Nung để xử lý mẫu không có phụ gia và chất bảo vệ là quá trình xử lý
mẫu sơ bộ nhờ tác dụng chỉ của năng lượng nhiệt (nhiệt độ) thích hợp trong
một thời gian nhất định, để phá vỡ cấu trúc tinh thể dạng ban đầu của mẫu
phân tích, đốt cháy chất hữu cơ, để chuyển nó sang một dạng các hợp chất
khác đơn giản, dễ hoà tan tiếp bằng dung dịch axit hay bằng dung dịch kiềm,
để lấy các chất phân tích vào dung dịch, sau đó có thể xác định được chúng
theo một phương pháp nhất định. Sau đây là một số ví dụ.
♦ Ví dụ 1: Tro hoá khô mẫu rau quả để xác định các kim loại (Na, K, Ca,
Mg, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn). Cân lấy 5 g. mẫu đã nghiền mịn
vào trong chén thạch anh, đem sấy từ từ cho đến khi mẫu khô đen, rồi đem
nung 3 giờ đầu ở nhiệt độ 450 oC, sau đó nâng lên 550 oC, cho đến khi mẫu
hết than đen, sẽ được tro mẫu trắng. Sau đó hoà tan tro thu được trong 12-15
mL dung dịch HCl 18% (1/1), và có 0,5 mL HNO 65%, đun nhẹ cho tan hết, 3
đuổi hết axit dư đến còn muối ẩm và định mức thành 25 mL bằng dung dịch
HCl 2%. Các nguyên tố Cd, Cu, Pb, Zn sẽ bị mất một ít (10 15%) khi nung.
Cách này thích hợp cho xác định các kim loại kiềm, kiềm thổ và Fe, Mn, Ni.
+ Theo cách này, thông thường một số nguyên tố trong mẫu sẽ có thể bị mất
khi nung, như Cd (10-15%), Cu (7-12%), Pb (15-20%),.. Và hàm lượng mất
bị mất đi này lại không kiểm soát và không khống chế được trong quá trình
nung. Sự mất này càng nhiều khi nung mẫu ở nhiệt độ càng cao, hay thời gian lOMoAR cPSD| 22014077
nung càng lâu. Như ví dụ 1 ở trên, nếu nung mẫu ở nhiệt độ 550 oC, Cd, và
Pb sẽ mất từ 12-10%, khi ở 600 oC, thì Cd và Pb sẽ mất đến 18-20%, v.v.
Đó là vấn đề cần phải chú ý.
3.4. Tro hoá khô có phụ gia và chất bảo vệ
Tro hoá khô có phụ gia và chất bảo vệ cũng là quá trình xử lý mẫu sơ
bộ nhờ tác dụng của nhiệt độ thích hợp (500-600oC ), có thêm tương tác hỗ
trợ của chất phụ gia để hạn chế sự mất một số nguyên tố như cách nung không
phụ gia ở trên. Các chất phụ gia thường là các chất chảy, muối kiềm, axit đặc
để phá vỡ cấu trúc tinh thể dạng ban đầu của mẫu phân tích, để chuyển nó
sang một dạng khác dễ hoà tan tiếp bằng axit.
Khi có chất chảy và chất phụ gia nhiệt độ nung thường thấp hơn khi không có
chất chảy, thời gian ngắn hơn, song lại triệt để hơn, mà lại không mất chất
phân tích. Nhất là các mẫu có cấu trúc bền, chịu nhiệt, hay mẫu matrix hữu
cơ, thì tác dụng của chất bảo vệ là rất quan trọng. Như hai ví dụ trên, nhưng
khi xử lý có chất bảo vệ, thì không bị mất một số nguyên tố phân tích đã nêu.
♦ Ví dụ 2: Tro hoá mẫu sữa để xác định các kim loại (Na, K, Ca, Mg, Cd,
Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn). Lấy 5 gam mẫu vào chén thạch anh, thêm chất phụ gia ( 8 mL H )), trộn đều, sấy
2SO4 45% và 2g. KNO3 (hay 2 g. LiBO3
khô cẩn thận cho mẫu khô (mẫu dễ sùi bọt và bắn, cẩn thận và đun nhẹ ) và
thành than đen, sau đó đem nung 3 giờ đầu ở nhiệt độ 400-450 oC, rồi sau đó
ở 550 oC, đến khi hết than đen, được tro mẫu trắng. Sau đó hoà tan tro thu
được trong 15 mL dung dịch HCl 18% và 1 mL HNO 65%, đun nhẹ cho mẫu 3
tan hết, đun nhẹ làm bay hơi axit đến còn muối ẩm, định mức thành 25 mL
bằng dung dịch axit HCl 2%. Đó là dung dịch để xác định các nguyên tố kim loại nói trên. lOMoAR cPSD| 22014077
3.5. Các ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng
♦ Các ưu và nhược điểm chính của kỹ thuật xử lý mẫu này là:
+ Thao tác và cách làm đơn giản,
+ Không phải dùng nhiều axit đặc tinh khiết cao đắt tiền, +
Xử lý được triệt để, nhất là các mẫu nền hữu cơ.
+ Đốt cháy hết các chất hữu cơ, vì thế làm dung dịch mẫu thu được sạch, +
Nhưng có nhược điểm là có thể mất một số chất dễ bay hơi, ví dụ như Cd, Pb,
Zn, Sn, Sb, v.v. nếu không có chất phụ gia và chất bảo vệ.
Bảng 2.3. So sánh kết quả tro hoá ướt và khô lOMoAR cPSD| 22014077 Ng CX Cách tro hoá Phụ gia
Nh.độ oC % tìm tố ppm Bảo vệ được Pb 10 Ướt: Không 450 97-100 HNO 550 93- 98 3+HClO4 H2SO4 HNO 650 90 - 94 97- 3+HClO4+H2SO4 HNO3 HNO 450 100 3H2SO4 Mg(NO3)2 Khô: Mg(Ac) 550 93-95 2 650 71-83 450 97-99 550 95-97 650 90-96 450 97-99 550 97-99 650 70-84 450 98-99 550 92-95 650 91-96 97-98 95-98 92-94 Hg 10 Ướt: Không 450 78-80 HNO 550 90-94 3+HClO4 HNO 92-94 3+HClO4+H2SO4 HNO 0 3+H2SO4+K2Cr2O7 Khô: 0 lOMoAR cPSD| 22014077 Zn 10 Ướt: Không 550 97-100 HNO 550 94-102 3+HClO4 HNO3 HNO 550 96-100 3+HClO4+H2SO4 H2SO4 HNO 550 87-96 3+H2SO4 Khô: Mg(NO3)2 93-97 97-100 98-99 As 10 Ướt: Không 550 96-98 HNO 550 97-99 3+HClO4 HNO3 HNO 550 91-98 3+HClO4+H2SO4 H2SO4 HNO 550 80-88 3+H2SO4 Khô: Mg(NO3)2 80-84 90-96 92-99 Cu 10 Ướt: Không 550 99-100 HNO 550 99-101 3+HClO4 HNO3 HNO 550 99-100 3+HClO4+H2SO4 H2SO4 HNO 550 86-92 3+H2SO4 Khô: Mg(NO3)2 94-96 95-97 97-99 Cd 10 Ướt: Không 550 98-100 HNO 550 98-100 3+HClO4 HNO3 HNO 550 97-100 3+HClO4+H2SO4 H2SO4 HNO 550 86-94 3+H2SO4 Khô: Mg(NO3)2 82-91 93-97 94-97 lOMoAR cPSD| 22014077 Sb 10 Ướt: Không 550 94-98 HNO 550 95-98 3+HClO4 HNO3 HNO 550 97-99 3+HClO4+H2SO4 H2SO4 HNO 550 90-94 3+H2SO4 Khô: Mg(NO3)2 92-96 94-98 96-97 Cr 10 Ướt: Không 550 97-100 HNO 550 98-100 3+HClO4 HNO3 HNO 550 98-100 3+HClO4+H2SO4 H2SO4 HNO 550 94-98 3+H2SO4 Mg(NO3)2 Khô 95-98 97-99 95-98 Fe 10 Ướt: Không 550 96-100 HNO 550 98-100 3+HClO4 HNO3 HNO 550 97-100 3+HClO4+H2SO4 H2SO4 HNO 550 94-98 3+H2SO4 Khô: Mg(NO3)2 96-99 97-100 98-100