Kiến thức Metrohm

Nguyên lý và công nghệ

Metrohm có danh mục thiết bị rộng, trải từ chuẩn độ, sắc ký ion, quang phổ, điện hóa đến chuẩn bị mẫu. Mỗi kỹ thuật có nguyên lý đo, giới hạn và tiêu chuẩn áp dụng riêng. Hiểu đúng nguyên lý giúp phòng thí nghiệm chọn đúng phương pháp cho từng chỉ tiêu.

Chuẩn độ điện thế

Trong chuẩn độ điện thế, máy đo hiệu điện thế giữa điện cực chỉ thị và điện cực so sánh (hoặc một điện cực kết hợp chứa cả hai) trong khi thêm dần dung dịch chuẩn. Điểm tương đương là điểm uốn của đường cong thế theo thể tích, được thuật toán xác định khách quan, không phụ thuộc mắt người như khi dùng chất chỉ thị màu. Mỗi loại phản ứng cần một điện cực riêng:

• Axit – bazơ: điện cực thủy tinh pH; với môi trường khan (chỉ số axit, chỉ số bazơ trong dầu theo ASTM D664, ASTM D2896) dùng điện cực chuyên cho dung môi hữu cơ.
• Kết tủa: điện cực bạc cho chuẩn độ bạc nitrat, ví dụ xác định clorua, muối trong thực phẩm.
• Oxi hóa – khử: điện cực platin hoặc vàng, ví dụ chuẩn độ iod, permanganat.
• Tạo phức và chất hoạt động bề mặt: điện cực chọn lọc ion tương ứng.

Ngoài ra còn có chuẩn độ đo quang, chuẩn độ độ dẫn và chuẩn độ nhiệt (theo dõi nhiệt phản ứng). Máy chuẩn độ tự động định lượng chính xác, ghi nhận khối lượng mẫu từ cân, tính kết quả và lưu dữ liệu. Phần mềm có audit trail, đáp ứng FDA 21 CFR Part 11 và EU GMP Annex 11.

Chuẩn độ Karl Fischer: thể tích và điện lượng

Phương pháp Karl Fischer (KF) dựa trên phản ứng của nước với iod và lưu huỳnh đioxit trong môi trường có bazơ và ancol. Phương pháp này đo được cả nước tự do lẫn nước liên kết, nên là phương pháp xác định hàm ẩm được ưu tiên trong các dược điển và nhiều tiêu chuẩn ASTM, DIN. Có hai kỹ thuật:

• KF thể tích: iod được thêm từ buret dưới dạng dung dịch chuẩn. Phương pháp hợp với mẫu có hàm lượng nước từ khoảng 0,01% đến 100%. Cần xác định độ chuẩn (titer) của thuốc thử định kỳ.
• KF điện lượng: iod được sinh ra bằng điện phân ngay trong bình đo, lượng nước tính từ điện lượng theo định luật Faraday. Đây là phương pháp tuyệt đối, không cần xác định titer. Theo Metrohm, kỹ thuật này phù hợp cho hàm lượng nước thấp, khoảng 0,001–1%, tương ứng 10 µg đến 200 mg nước mỗi lần đo. Nếu lượng nước trong mẫu lớn hơn khoảng 10 mg, phép đo kéo dài và có thể vượt dung lượng thuốc thử.

Điện cực sinh iod có màng ngăn được khuyên dùng cho hàm lượng nước rất thấp hoặc khi thuốc thử có chất trợ tan như cloroform. Loại không màng ngăn chỉ cần một thuốc thử và dễ thao tác hơn. Với mẫu rắn khó tan, mẫu phản ứng phụ với thuốc thử hoặc nhựa, dầu nhờn, có thể dùng phương pháp lò: mẫu được gia nhiệt trong lọ kín, khí mang khô đưa hơi nước sang bình chuẩn độ. Cách này giúp bình đo sạch lâu và tránh nhiễu nền.

Sắc ký ion (IC)

Trong sắc ký ion, các ion trong mẫu được tách trên cột trao đổi ion nhờ cạnh tranh với ion của pha động (eluent). Sau đó chúng được phát hiện chủ yếu bằng detector độ dẫn. Với anion, bộ triệt nền (suppressor) chuyển eluent thành chất có độ dẫn thấp và chuyển chất phân tích sang dạng axit có độ dẫn cao, làm tăng độ nhạy đáng kể. Một lần chạy định lượng đồng thời nhiều ion như F⁻, Cl⁻, NO₂⁻, Br⁻, NO₃⁻, PO₄³⁻, SO₄²⁻ hoặc Li⁺, Na⁺, NH₄⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺. Các phương pháp phổ biến gồm ISO 10304-1 (anion trong nước), ISO 14911 (cation), US EPA 300.0/300.1. Trong dược phẩm có chương chung USP <1065>.

Metrohm phát triển các kỹ thuật chuẩn bị mẫu tự động ngay trên dòng (Inline Sample Preparation) như siêu lọc, thẩm tách, pha loãng và MiPT (bơm vòng mẫu từng phần) để hiệu chuẩn bằng một dung dịch chuẩn. Sắc ký ion đốt cháy (CIC) đốt mẫu ở khoảng 1050 °C, hấp thụ khí sinh ra vào nước rồi phân tích halogen và lưu huỳnh, kể cả chỉ tiêu flo hữu cơ hấp phụ (AOF) liên quan đến PFAS.

Quang phổ cận hồng ngoại (NIR)

NIR đo tương tác của ánh sáng với mẫu trong vùng 780–2500 nm, chủ yếu là các dải bội âm và dải tổ hợp của liên kết C–H, O–H, N–H. Phép đo không phá mẫu, không cần hóa chất và cho nhiều chỉ tiêu trong khoảng một phút. NIR là phương pháp thứ cấp: trước khi đo thường quy cần xây dựng mô hình dự đoán bằng hóa học phân tích đa biến (chemometrics). Mô hình được dựng từ bộ mẫu đã có giá trị tham chiếu đo bằng phương pháp sơ cấp như chuẩn độ, KF hoặc HPLC. Metrohm cung cấp các bộ hiệu chuẩn sẵn (pre-calibration) cho polyme, polyol, nhiên liệu, dầu cọ, thực phẩm và thức ăn chăn nuôi, nên có thể bắt đầu đo mà không phải tự xây mô hình. Đầu dò sợi quang cho phép đưa NIR trực tiếp vào dây chuyền.

Quang phổ Raman

Raman đo ánh sáng tán xạ không đàn hồi khi tia laser chiếu vào mẫu. Độ dịch tần so với tia tới phản ánh dao động phân tử, nên phổ Raman là dấu vân tay để định danh chất. Ưu điểm lớn là đo được xuyên qua bao bì trong suốt như túi PE hay chai thủy tinh. Vì vậy Raman cầm tay được dùng rộng rãi để kiểm tra nguyên liệu đầu vào tại kho dược. Máy để bàn có độ phân giải và độ nhạy cao hơn, dùng được cho định lượng. Kỹ thuật SERS (tán xạ Raman tăng cường bề mặt) cho phép phát hiện vết. Các thiết bị Raman của Metrohm do Metrohm Spectro (trước đây là B&W Tek) phát triển.

Von-ampe hòa tan (VA) và CVS

Phương pháp von-ampe hòa tan làm giàu chất phân tích lên bề mặt điện cực, rồi quét thế để hòa tan và đo dòng. Nhờ đó phương pháp đạt giới hạn phát hiện ở mức vết đối với Zn, Cd, Pb, Cu (von-ampe hòa tan anot) hoặc Ni, Co (von-ampe hòa tan hấp phụ), ví dụ theo DIN 38406-16. VA hoạt động tốt với nền muối cao như nước biển, nước muối, là loại mẫu thường gây khó cho ICP-MS. Ngoài điện cực giọt thủy ngân truyền thống, nhiều phép đo nay dùng được điện cực rắn (vàng, bismut, cacbon thủy tinh) hoặc điện cực in.

CVS (Cyclic Voltammetric Stripping, quét vòng hòa tan) là kỹ thuật tiêu chuẩn để kiểm soát phụ gia hữu cơ trong bể mạ đồng axit, gồm chất ức chế (suppressor), chất làm bóng (brightener) và chất san bằng (leveler). Kỹ thuật này dùng nhiều trong sản xuất mạch in PCB, đóng gói bán dẫn và lá đồng.

Độ bền oxy hóa – Rancimat

Trong phương pháp Rancimat, mẫu dầu, mỡ hoặc biodiesel được giữ ở nhiệt độ cao trong dòng không khí liên tục. Các sản phẩm oxy hóa thứ cấp dễ bay hơi (chủ yếu là axit hữu cơ phân tử thấp) bị cuốn sang bình chứa nước khử ion, làm độ dẫn tăng vọt. Thời gian đến điểm tăng đột ngột này là thời gian cảm ứng (chỉ số OSI), dùng để đánh giá độ bền oxy hóa. Các tiêu chuẩn liên quan gồm EN 14112 và EN 15751 cho biodiesel và hỗn hợp, ISO 6886 và AOCS Cd 12b-92 cho dầu mỡ. Nguyên lý tương tự được dùng để đo độ bền nhiệt PVC qua lượng HCl giải phóng.

pH, ion và độ dẫn điện

Điện cực thủy tinh pH có độ dốc lý thuyết 59,16 mV/pH ở 25 °C. Hiệu chuẩn bằng ít nhất hai dung dịch đệm bao quanh vùng đo; độ dốc và điểm không là chỉ số đánh giá tình trạng điện cực. Điện cực chọn lọc ion (ISE) đo trực tiếp hoạt độ của F⁻, NH₄⁺, NO₃⁻ và các ion khác, thường cần thêm dung dịch điều chỉnh lực ion. Đo độ dẫn cần biết chính xác hằng số bình đo và áp dụng bù nhiệt phù hợp với nền mẫu.

Phá mẫu vi sóng và phân tích thủy ngân trực tiếp (Milestone)

Tại Việt Nam, Metrohm cung cấp thêm thiết bị Milestone (Ý) cho khâu chuẩn bị mẫu phân tích kim loại vết. Trong phá mẫu vi sóng bình kín (dòng ETHOS), mẫu được phá bằng axit (HNO₃, HCl, H₂O₂, HF…) ở nhiệt độ và áp suất cao hơn nhiều so với điểm sôi ở áp suất thường. Mẫu được khoáng hóa hoàn toàn trong thời gian ngắn, hạn chế thất thoát nguyên tố dễ bay hơi và giảm nhiễm bẩn, trước khi đo bằng ICP-OES, ICP-MS hoặc AAS. Ví dụ là US EPA 3052 cho trầm tích, đất.

Phân tích thủy ngân trực tiếp (DMA-80 evo, DMA-1 evo) không cần phá mẫu. Mẫu rắn hoặc lỏng được phân hủy nhiệt, thủy ngân được hỗn hống hóa trên bẫy vàng, sau đó giải phóng và đo bằng hấp thụ nguyên tử. Theo Metrohm, mỗi mẫu mất khoảng 6 phút, đạt mức ppt và tuân thủ US EPA 7473, ASTM D6722, ASTM D7623.

Cách chọn thiết bị phù hợp

• Theo chỉ tiêu và khoảng nồng độ: hàm ẩm trên khoảng 1% chọn KF thể tích, hàm ẩm vết chọn KF điện lượng. Anion, cation vô cơ và axit hữu cơ chọn IC. Kim loại vết trong nền muối cân nhắc VA. Thủy ngân chọn DMA.
• Theo trạng thái mẫu: mẫu rắn khó tan, nhựa, dầu cần lò KF. Mẫu có hạt cần lọc hoặc siêu lọc inline cho IC. Mẫu đóng gói cần định danh nhanh thì dùng Raman cầm tay.
• Theo năng suất: vài mẫu mỗi ngày dùng máy độc lập. Hàng chục đến hàng trăm mẫu nên dùng bộ đổi mẫu, robot (OMNIS) hoặc NIR thay một phần phương pháp ướt.
• Theo yêu cầu tuân thủ: phòng QC dược cần phần mềm đáp ứng 21 CFR Part 11, hồ sơ IQ/OQ và phương pháp theo USP/Ph. Eur. Phòng thử nghiệm ISO/IEC 17025 cần phương pháp theo tiêu chuẩn ASTM, ISO, TCVN tương ứng.
• Theo vị trí đo: trong phòng thí nghiệm, tại dây chuyền (at-line) hay trực tuyến bằng máy phân tích quá trình.

Vận hành và bảo trì

• Điện cực: bảo quản trong dung dịch đúng khuyến cáo, không để khô. Định kỳ kiểm tra độ dốc và thời gian đáp ứng, thay chất điện ly so sánh và làm sạch màng ngăn. Điện cực là vật tư tiêu hao, cần thay khi các thông số không còn đạt.
• Buret và bộ định lượng: kiểm tra độ chính xác thể tích định kỳ, tránh bọt khí, thay xi lanh và van khi có dấu hiệu rò.
• Karl Fischer: giữ bình kín, thay rây phân tử hút ẩm. Theo dõi độ trôi (drift) trước mỗi phép đo, thay thuốc thử khi độ trôi cao hoặc gần hết dung lượng. Kiểm tra máy bằng chuẩn nước có chứng nhận.
• Sắc ký ion: dùng nước siêu sạch, lọc mẫu, có cột bảo vệ. Theo dõi áp suất và độ dẫn nền, thay vật tư suppressor và cột theo số lần tiêm.
• NIR/Raman: kiểm tra hiệu năng định kỳ bằng chuẩn bước sóng và chuẩn quang. Cập nhật mô hình khi nguyên liệu hoặc quy trình thay đổi.
• Phá mẫu vi sóng: kiểm tra bình, nắp và màng an toàn sau mỗi chu kỳ. Không vượt khối lượng mẫu hữu cơ khuyến cáo. Làm sạch bình bằng chu trình axit trắng để tránh nhiễm bẩn chéo.