Kiến thức Milestone

Nguyên lý và công nghệ

Phá mẫu vi sóng trong bình kín (ETHOS, ETHOS LEAN)

Phá mẫu vi sóng trong bình kín là kỹ thuật được thừa nhận rộng rãi để chuyển mẫu rắn, mẫu hữu cơ thành dung dịch trước khi phân tích kim loại bằng GF-AAS, ICP-OES và ICP-MS. Năng lượng vi sóng được hấp thụ trực tiếp bởi hỗn hợp axit (thường là HNO₃, có thể thêm HCl, H₂O₂ hoặc HF), làm dung dịch nóng lên nhanh và đồng đều. Vì bình được đóng kín, axit có thể vận hành ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với điểm sôi ở áp suất khí quyển, nên khả năng oxy hóa nền hữu cơ mạnh hơn hẳn so với block gia nhiệt hở. Bình kín cũng loại bỏ nhiễm chéo giữa các mẫu và tránh thất thoát nguyên tố dễ bay hơi như Hg, As, Se.

Trên hệ ETHOS, mẫu được đặt trong bình PTFE-TFM tinh khiết cao, bên ngoài là vỏ PEEK gia cường chịu áp. Công nghệ vent-and-reseal giữ bình kín trong suốt quá trình; chỉ khi áp suất vượt giới hạn, lò xo an toàn cho phép xả khí có kiểm soát rồi tự đóng lại. Nhiệt độ được điều khiển bằng easyTEMP – cảm biến không tiếp xúc đo nhiệt độ thực của dung dịch trong mọi bình – cùng phần mềm easyCONTROL 3 liên tục điều chỉnh công suất bám theo chương trình nhiệt. Hãng cung cấp nhiều loại rotor: SK-15 (15 bình TFM 100 mL, áp suất và nhiệt độ cao, cho mẫu khó phá, mẫu phản ứng mạnh hoặc khối lượng lớn), MAXI-44 (44 bình 100 mL cho mẻ lớn như đất, trầm tích, mẫu nước) và MAXI-24 HP (24 vị trí, giới hạn áp suất cao hơn rotor năng suất cao thông thường). ETHOS LEAN là phiên bản nhỏ gọn, kinh tế cho phòng thí nghiệm có số mẫu vừa phải.

Công nghệ buồng phản ứng đơn SRC (ultraWAVE, ultraCLAVE)

Phá mẫu bằng rotor có vài hạn chế với phòng thí nghiệm năng suất cao: phải rửa bình trước mỗi lần dùng, lắp và tháo bình tốn công, phải chuyển dung dịch sang ống khác, và mọi bình trong một mẻ nên có cùng nền mẫu, khối lượng và loại axit. Công nghệ SRC (Single Reaction Chamber) giải quyết các điểm này bằng một buồng thép không gỉ chịu áp có lớp lót PTFE-TFM, đóng vai trò đồng thời là khoang vi sóng và bình phá mẫu. Mẫu và axit cho vào các ống có nắp đậy lỏng, xếp lên giá rồi hạ vào lớp lót chứa dung dịch nền gốc nước giúp đồng đều nhiệt. Buồng được nạp trước khí trơ (nitơ) để axit không sôi, không thất thoát nguyên tố và không nhiễm chéo; sau khi gia nhiệt, hệ làm mát bằng nước hạ nhiệt nhanh rồi xả áp tự động.

Do áp suất trong và ngoài ống cân bằng, ống không cần cấu tạo phức tạp – có thể dùng ống PTFE-TFM, thạch anh hoặc thủy tinh dùng một lần, loại bỏ khâu rửa bình. Điều kiện khắc nghiệt hơn (tới khoảng 300 °C và 199–200 bar) giúp phá hoàn toàn mẫu bền hóa học, giảm lượng carbon dư (giảm nhiễu đa nguyên tử trên ICP-MS), cho phép dùng ít axit hoặc axit loãng hơn để hạ mẫu trắng và hệ số pha loãng. ultraWAVE 3 có các giá 7, 20, 27 và 40 ống; ultraCLAVE với buồng phản ứng trên 4 lít xử lý tới 77 mẫu mỗi chu trình, phù hợp phòng thí nghiệm dịch vụ có khối lượng mẫu lớn.

Phân tích thủy ngân trực tiếp (DMA-80 evo, DMA-1 evo)

Phương pháp phân tích thủy ngân trực tiếp được mô tả trong US EPA Method 7473 (phân hủy nhiệt – hỗn hống – quang phổ hấp thụ nguyên tử). Mẫu được cân vào thuyền mẫu, sau đó phân hủy nhiệt trong dòng không khí hoặc oxy. Khí sinh ra đi qua ống xúc tác, nơi các chất gây nhiễu bị loại bỏ và các dạng thủy ngân được khử về Hg nguyên tố, rồi bị giữ lại trên bộ hỗn hống vàng. Bộ hỗn hống được gia nhiệt nhanh để giải phóng toàn bộ Hg vào các cuvet đo đặt dọc đường quang, và thủy ngân được định lượng bằng hấp thụ nguyên tử ở bước sóng 253,7 nm. Cuvet được giữ ở khoảng 120 °C để tránh ngưng tụ và giảm hiệu ứng nhớ.

Vì không qua phá mẫu ướt, phương pháp tránh được thất thoát Hg, nhiễm bẩn từ hóa chất và tạo ra rất ít chất thải. Một đường chuẩn duy nhất (bằng dung dịch chuẩn hoặc mẫu chuẩn rắn) dùng được cho nhiều nền mẫu trên dải nồng độ từ ppt đến ppm. Chức năng Autoblank tự động chạy chu trình trắng khi một mẫu có Hg cao vượt ngưỡng cài đặt, tránh sai số dương cho mẫu kế tiếp. DMA-80 evo có bộ nạp mẫu tự động dạng mâm xoay; DMA-1 evo nhỏ gọn, phù hợp kiểm tra tại hiện trường hoặc phòng thí nghiệm di động. Cả hai tuân thủ EPA 7473, ASTM D6722-01 (than và phụ phẩm đốt than) và ASTM D7623-10 (dầu thô).

Hóa học sạch – kiểm soát mẫu trắng

Ở phân tích siêu vết bằng ICP-MS, mẫu trắng quyết định giới hạn phát hiện thực tế. Ba nguồn chính là độ tinh khiết của hóa chất, độ sạch của vật liệu tiếp xúc với mẫu và bản thân phương pháp chuẩn bị mẫu. Chưng cất dưới điểm sôi (sub-boiling) dùng đèn hồng ngoại làm bay hơi bề mặt chất lỏng ở nhiệt độ thường thấp hơn điểm sôi khoảng 20 °C; không có sôi sục nên không tạo giọt bắn mang tạp chất sang phần cất. duoPUR và subPUR là hệ thạch anh cho HNO₃, HCl; subCLEAN là hệ PTFE dùng được cho HF, ngưng tụ bằng quạt gió nên không cần nước làm mát. traceCLEAN làm sạch dụng cụ TFM, thạch anh, thủy tinh bằng hơi axit, thay cho ngâm axit nóng nhiều giờ. Kỹ thuật vessel-inside-vessel (bình phụ nhỏ đặt trong bình chính) giúp giảm thể tích axit, giảm hệ số pha loãng và mẫu trắng.

Tro hóa, chiết và tổng hợp vi sóng

Lò tro hóa vi sóng PYRO thay lò nung truyền thống trong các phép xác định hàm lượng tro, cặn sau nung (residue on ignition) và mất khi nung (LOI). Vật liệu gốm trong suốt với vi sóng cách nhiệt tốt, buồng gia nhiệt nhanh và có hệ hút khói tích hợp. Cấu hình tro sulfat cho phép thêm H₂SO₄ rồi đưa chén nung thẳng vào lò mà không cần bước than hóa sơ bộ.

Chiết vi sóng (MAE) trên ETHOS X gia nhiệt dung môi trong bình kín vượt điểm sôi khí quyển, tăng độ tan của chất phân tích và rút ngắn thời gian so với Soxhlet; hệ tuân thủ US EPA 3546 cho chiết chất ô nhiễm hữu cơ từ mẫu rắn. Với tổng hợp hóa học, flexiWAVE hỗ trợ phản ứng trong dụng cụ thủy tinh, áp suất cao và pha rắn; synthWAVE dùng nguyên lý buồng phản ứng đơn, chạy song song nhiều phản ứng ở cùng nhiệt độ và áp suất (tới 300 °C, 199 bar), thuận lợi cho sàng lọc xúc tác, dung môi và nâng quy mô.

Cách chọn thiết bị phù hợp

• Số mẫu và độ đa dạng nền mẫu: phòng thí nghiệm ít mẫu, nền mẫu ổn định có thể chọn ETHOS LEAN; nhiều mẫu cùng loại (đất, nước) phù hợp ETHOS với rotor MAXI-44; nhiều nền mẫu khác nhau mỗi ngày nên cân nhắc ultraWAVE 3 hoặc ultraCLAVE để phá chung một mẻ.
• Loại mẫu khó: mẫu hữu cơ khối lượng lớn, phản ứng mạnh (dược chất, polymer, dầu) hoặc khó tan (đá, gốm) cần dải áp suất cao: rotor SK-15 hoặc công nghệ SRC.
• Giới hạn phát hiện: phân tích ICP-MS siêu vết nên đi kèm hệ tinh chế axit, traceCLEAN và bình/ống thạch anh hoặc TFM thay vì ống thủy tinh dùng một lần.
• Yêu cầu tuân thủ: phòng thí nghiệm GMP cần cấu hình phần mềm hỗ trợ 21 CFR Part 11 (terminal Plus của ETHOS) và phương pháp phù hợp USP <232>/<233>.
• Thủy ngân: nếu chỉ cần tổng Hg trong nhiều mẫu rắn (cá, đất, than), máy DMA nhanh và ít tốn kém hơn phá mẫu kết hợp hơi lạnh (CV-AAS); DMA-80 evo cho năng suất cao, DMA-1 evo cho ngân sách hạn chế hoặc đo tại hiện trường.
• Chuẩn bị mẫu hữu cơ và hàm lượng tro: chọn ETHOS X cho chiết dung môi, PYRO cho tro hóa và tro sulfat.

Vận hành và bảo trì

• Không vượt khối lượng mẫu khuyến nghị cho từng loại rotor/giá và từng nền mẫu, đặc biệt với mẫu hữu cơ; nên bắt đầu từ thư viện phương pháp có sẵn rồi tối ưu dần.
• Theo dõi đường nhiệt độ của từng mẻ: tăng nhiệt đột ngột là dấu hiệu phản ứng tỏa nhiệt, cần giảm khối lượng mẫu hoặc thêm bước tiền phản ứng ở nhiệt độ phòng.
• Bình PTFE-TFM và vỏ PEEK là vật tư tiêu hao: kiểm tra biến dạng, vết nứt, bề mặt làm kín định kỳ; làm sạch bình bằng chu trình axit trắng hoặc traceCLEAN để giảm hiệu ứng nhớ.
• Hệ SRC: kiểm tra lớp lót, nắp PTFE-TFM, nguồn khí nitơ và hệ nước làm mát; bảo trì phòng ngừa theo số chu trình sử dụng.
• Máy DMA: kiểm tra đường chuẩn bằng mẫu chuẩn được chứng nhận (CRM) theo tần suất của phòng thí nghiệm; theo dõi tình trạng ống xúc tác, bộ hỗn hống vàng và thuyền mẫu (niken, thạch anh); dùng khí mang không khí nén hoặc oxy sạch, khô.
• Hệ tinh chế axit: định kỳ kiểm tra mẫu trắng của axit đã cất bằng ICP-MS và vệ sinh bình chứa PFA.