CHƯƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT CHUẨN BỊ MẪU TRONG PHÂN TÍCH THỰC PHẨM
3.2 KỸ THUẬT VÔ CƠ HÓA ƯỚT (XỬ LÝ ƯỚT)
3.2.1 Vô cơ hóa ướt bằng axit mạnh đặc nóng
3.2.1.1 Nguyên tắc và bản chất Nguyên tắc chung
BM Quản lý Chất lượng Thực phẩm Trang 30 Dùng axit mạnh đặc và nóng (ví dụ HCl, H
2SO4), hay axit mạnh, đặc và nóng có tính oxy hoá mạnh (HNO3, HClO4), hoặc hỗn hợp 2 axit (HNO
3 + H2SO
4), hay 3 axit (HNO
3 + H
2SO
4 + HClO
4), hoặc là 1 axit đặc và một chất oxy hoá mạnh (H
2SO
4 + KMnO
4), v.v. để phân huỷ mẫu trong điều kiện đun 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, ống nghiệm, 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
Khi 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. Chẳng hạn như:
▪ Dùng 1 axit đặc: HCl, HF, H3PO4, H2SO4,
▪ Dùng 1 axit có tính oxy hoá: HNO3, H2SO4, HClO4,
▪ 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 oxy 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 phụ thuộc vào nhiệt độ sôi của dung dịch axit dùng để phân huỷ mẫu. Khi cần nhiệt độ sôi cao thì phải dùng dung dịch axit có nhiệt độ sôi cao (bảng 2.1). Trong hệ kín áp suất cao sẽ tạo ra nhiệt độ sôi cao, tuỳ thuộc vào loại axit dùng để phân huỷ mẫu.
Tất nhiên khi dùng hỗn hợp, thì nhiệt độ sôi của dung dịch axit hỗn hợp sẽ phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp axit ta dùng và nhiệt độ sôi của dung dịch phân huỷ sẽ nằm giữa nhiệt độ sôi của hai axit được trộn với nhau. 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.
Bảng 3.1Nhiệt độ sôi của các dung dịch axit đặc Với axit đơn
Axit HCl HNO
3 H
2SO
4 H
3PO
4 HClO
4 HF
Nồng 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
(HCl + HNO3) 3/1 116-118
(HNO3+ H2SO4) 4/1 130-135
(HNO3+ H2SO4 ) 3/2 150-155
(HNO3+ H2SO4 + HclO4 ) 4/2/2 137-140
(HF+ H2SO4 ) 2/1 130-150
(HNO3+ H2SO4 + HF) 2/1/1 120-130
BM Quản lý Chất lượng Thực phẩm Trang 32 3.2.1.2 Các kỹ thuật vô cơ hóa ướt
Việc xử lý mẫu theo phương pháp ướt, có thể được thực hiện trong các thiết bị và dụng cụ khác nhau.
a. 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.
b. 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.
c. Xử lý mẫu trong lò vi sóng (trong hệ kín và hở) 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),
Trong các hệ nhiều bình và hoạt động theo chương trình lập trình:
▪ Hệ bình mẫu hở có khống chế nhiệt độ.
▪ Hệ bình mẫu đóng kín (áp suất cao), có khống chế nhiệt độ, áp suất...
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.
3.2.1.3 Cơ chế và các tác nhân phân huỷ mẫu
❖ Cơ chế của sự phân huỷ mẫu
Trong điều kiện thường hệ hở, thì tác nhân phân huỷ mẫu là:
▪ Tác dụng phá huỷ và hoà tan mẫu của axit,
▪ Tác nhân năng lượng nhiệt, làm tan rã các hạt mẫu cùng với axit,
▪ Sự khuếch 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 lớn, 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.
❖ Các quá trình xảy 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 xảy ra:
▪ Sự phá vỡ mạng lưới cấu trúc của hạt chất mẫu, giải phóng các chất phân tích, để đưa chúng vào dung dịch dưới dạng các muối tan.
▪ Quá trình oxy hoá khử làm thay đổi hoá trị, chuyển đổi dạng, làm tan vỡ các 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 các hợp chất hữu cơ và mùn tạo ra khí CO2 và nước, để giải phóng các kim loại trong chất mẫu hữu cơ về dạng muối vô cơ tan trong dung dịch.
BM Quản lý Chất lượng Thực phẩm Trang 34
▪ 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 và nhờ đó người ta tách được các chất phân tích và làm giàu chúng.
Như vậy, trong quá trình xử lý mẫu ở đây cũng có thể có các phản ứng hoá học xảy 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 do thành phần, chất nền, bản chất của chất mẫu và các loại axit dùng để phân huỷ và hoà tan mẫu quyết định.
❖ Ví dụ về kỹ thuật xử lý ướt
Xử lý mẫu rau quả bằng hỗn hợp 2 axit (HNO
3 + H2O2 trong bình Kendanđể xác định hàm lượng các kim loại nặng (Cd, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn). Quá trình được thực hiện như sau:
▪ Lấy 5.00 g mẫu đã nghiền mịn và trộn đều vào bình Kendan
▪ Bổ sung thêm 60 mL HNO
3 65%, 5 mL H
2O
2 30%
▪ Cắm phễu nhỏ vào bình kendan, lắc đều và đun sôi nhẹ cho mẫu phân huỷ, đến khi được dung dịch trong không màu (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, các nguyên tố kim loại ở dạng các hợp chất cơ kim của mẫu rau quả, sẽ bị axit đặc oxy hoá đưa các kim loại về các
muối vô cơ tan trong dung dịch nước theo phương trình tổng quát như sau:
(Mẫu) + HNO3 + H2O2 → Men(NO3)m + H2O + CO2+ NO2 (muối tan của kim loại )
3.2.1.4 Ưu nhược điểm và ứng dụng
❖ Ưu và nhược điểm:
▪ Hầu như không bị tổn thất các chất phân tích, nhất là trong lò vi sóng,
▪ Nhưng thời gian phân huỷ mẫu rất dài khi xử lýở điều kiện thường – hệ hở,
▪ 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 khi kết thúc quá trình xử lý nên dễ làm nhiễm bẩn, bụi vào mẫu, v.v.
❖ Ứng dụng:
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
4
3-, SO
4 2-, PO4
3-, SiO
3
2… trong các mẫu sinh học, mẫu hữu cơ, mẫu vô cơ, mẫu môi trường, mẫu đất, mẫu nước, mẫu bụi không khí, mẫu kim loại, hợp kim, rau quả và thực phẩm, v.v.