Chiết Pha Rắn Phân tán (Dispersive Solid-Phase Extraction)

Nguyên tắc hoạt động

dSPE hoạt động dựa trên sự tương tác và phân bố của chất phân tích (analyte) giữa pha lỏng (mẫu) và pha rắn (chất hấp phụ – sorbent). Khi được phân tán, các hạt hấp phụ với diện tích bề mặt lớn sẽ liên kết chọn lọc với các chất mục tiêu hoặc các chất gây nhiễu. Quá trình này thường bao gồm các bước chính sau:

• • Phân tán chất hấp phụ: Một lượng nhỏ chất hấp phụ rắn (thường từ vài miligam đến vài trăm miligam) được thêm trực tiếp vào mẫu lỏng chứa chất phân tích.
  • Trộn/Lắc: Hỗn hợp được khuấy trộn mạnh hoặc lắc (ví dụ: bằng máy vortex) để tăng diện tích tiếp xúc giữa chất phân tích và chất hấp phụ, thúc đẩy quá trình hấp phụ diễn ra nhanh và hiệu quả để đạt trạng thái cân bằng.
  • Ly tâm: Sau khi quá trình hấp phụ đạt cân bằng, hỗn hợp được ly tâm để tách hoàn toàn pha rắn (chứa các chất đã được hấp phụ) ra khỏi pha lỏng (thường chứa các thành phần không mong muốn của nền mẫu).
  • Rửa (tùy chọn): Pha rắn sau khi tách có thể được rửa bằng một dung môi thích hợp để loại bỏ các tạp chất còn sót lại mà không làm mất mát đáng kể chất phân tích.
  • Giải hấp: Chất phân tích được thu hồi khỏi pha rắn bằng một dung môi giải hấp thích hợp. Dung môi này có ái lực mạnh với chất phân tích, giúp tách chúng ra khỏi chất hấp phụ, tạo thành một dung dịch chứa chất phân tích có nồng độ cao và sạch hơn.

–

• Phân tích: Dung dịch thu được sau bước giải hấp sẽ được phân tích bằng các kỹ thuật như sắc ký khí (GC), sắc ký lỏng (LC), hoặc khối phổ (MS).

Các loại chất hấp phụ thường dùng

Việc lựa chọn chất hấp phụ phụ thuộc vào bản chất của chất phân tích và các thành phần gây nhiễu trong nền mẫu. Sự kết hợp nhiều loại chất hấp phụ thường được sử dụng để đạt hiệu quả làm sạch tối ưu.

• Silica gel biến tính: Đây là nhóm chất hấp phụ phổ biến nhất.
  • Pha đảo (ví dụ: C18, C8): Sử dụng để loại bỏ các tạp chất không phân cực hoặc ít phân cực như chất béo, lipid. Cơ chế dựa trên tương tác kỵ nước.
  • Chất trao đổi ion (ví dụ: PSA, SAX, SCX): PSA (Primary Secondary Amine) là chất trao đổi anion yếu, rất hiệu quả trong việc loại bỏ các axit béo, axit hữu cơ, đường và các hợp chất phân cực có tính axit khác.
• Than hoạt tính graphit hóa (GCB): Có ái lực mạnh với các hợp chất có cấu trúc phẳng như sắc tố (chlorophyll, carotenoid) và các hợp chất vòng thơm đa vòng (PAHs). Tuy nhiên, cần cẩn trọng vì GCB cũng có thể hấp phụ một số loại thuốc trừ sâu có cấu trúc phẳng, gây thất thoát chất phân tích.
• Magnesium sulfate ($MgSO_4$): Được sử dụng chủ yếu ở dạng khan để loại bỏ lượng nước còn sót lại trong dịch chiết hữu cơ. Đây là bước quan trọng, đặc biệt trước khi phân tích bằng sắc ký khí (GC), vì nước có thể ảnh hưởng xấu đến cột sắc ký và quá trình phân tích.
• Các vật liệu tiên tiến: Các vật liệu mới với diện tích bề mặt lớn và độ chọn lọc cao đang được nghiên cứu và ứng dụng, bao gồm Graphene, ống nano carbon (CNTs) với tương tác π-π mạnh mẽ, và polyme in dấu phân tử (MIPs) được “thiết kế” để liên kết chọn lọc với một phân tử mục tiêu duy nhất.

Ưu điểm

• Đơn giản và nhanh chóng: Quy trình dSPE loại bỏ các bước cân bằng và rửa cột tốn thời gian của SPE truyền thống, giúp giảm đáng kể thời gian chuẩn bị mẫu.
• Tiêu thụ ít dung môi: Lượng dung môi sử dụng trong dSPE thường ít hơn nhiều, giúp tiết kiệm chi phí và giảm tác động đến môi trường, phù hợp với xu hướng hóa học xanh.
• Hiệu quả cao: Sự tương tác trực tiếp và phân tán trong toàn bộ thể tích dung dịch giúp cân bằng hấp phụ được thiết lập nhanh chóng, dẫn đến hiệu quả loại bỏ tạp chất tốt và độ thu hồi chất phân tích cao trong thời gian ngắn.
• Linh hoạt: Người dùng có thể dễ dàng tùy chỉnh và kết hợp các loại chất hấp phụ khác nhau trong cùng một ống nghiệm để xử lý các nền mẫu phức tạp chứa nhiều loại tạp chất.
• Chi phí thấp: Việc sử dụng lượng nhỏ chất hấp phụ dạng bột thay vì các cột SPE được đóng gói sẵn giúp giảm đáng kể chi phí cho mỗi lần phân tích.

Nhược điểm

• Khó tự động hóa: Các bước thủ công như thêm bột hấp phụ, lắc, ly tâm và chuyển dịch nổi làm cho quá trình dSPE khó tích hợp vào các hệ thống tự động hóa hoàn toàn so với SPE dạng cột.
• Nguy cơ nhiễm bẩn và thất thoát mẫu: Trong quá trình chuyển phần dịch lỏng sau khi ly tâm, các hạt hấp phụ rất nhỏ có thể bị hút theo, gây nhiễm bẩn extrait cuối cùng và có thể làm hỏng hệ thống phân tích. Ngược lại, nếu để lại quá nhiều dịch lỏng để tránh hút phải cặn, sự thất thoát chất phân tích sẽ xảy ra, làm giảm độ thu hồi.
• Độ chọn lọc có thể thấp hơn: Vì chất hấp phụ tiếp xúc với toàn bộ nền mẫu cùng một lúc, sự cạnh tranh hấp phụ giữa chất phân tích và các chất nền có nồng độ cao có thể xảy ra, làm giảm hiệu suất liên kết của chất phân tích. Điều này đôi khi làm cho dSPE kém chọn lọc hơn so với SPE cột, nơi các bước rửa có thể được kiểm soát chặt chẽ hơn.

Ứng dụng

dSPE là một bước làm sạch không thể thiếu trong nhiều quy trình phân tích hiện đại, nổi bật nhất là phương pháp QuEChERS. Kỹ thuật này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:

• Phân tích dư lượng thuốc trừ sâu trong thực phẩm: Đây là ứng dụng phổ biến và quan trọng nhất của dSPE, đặc biệt trong phương pháp QuEChERS (Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged, and Safe). Sau khi chiết ban đầu bằng acetonitrile, dSPE được dùng để loại bỏ các thành phần nền phức tạp (chất béo, đường, sắc tố) từ rau, củ, quả, ngũ cốc.
• Phân tích các chất ô nhiễm hữu cơ trong môi trường: dSPE được dùng để xử lý mẫu nước, đất, trầm tích nhằm xác định các chất ô nhiễm như hydrocarbon thơm đa vòng (PAHs), polychlorinated biphenyls (PCBs), và các chất gây rối loạn nội tiết.
• Phân tích trong lĩnh vực y sinh và dược phẩm: Làm sạch các mẫu sinh học (máu, huyết tương, nước tiểu) để xác định nồng độ thuốc, chất chuyển hóa của thuốc hoặc các dấu ấn sinh học.
• Phân tích độc tố và các chất phụ gia trong thực phẩm: dSPE hiệu quả trong việc làm sạch mẫu để phân tích các độc tố nấm (mycotoxin), kháng sinh, hoặc các chất cấm như melamine.

So sánh dSPE và SPE truyền thống

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả dSPE

• Loại và sự kết hợp của chất hấp phụ: Đây là yếu tố quan trọng nhất. Việc lựa chọn phải dựa trên tính chất của chất phân tích và các chất gây nhiễu. Ví dụ, C18 loại bỏ tạp chất không phân cực, trong khi PSA (chất trao đổi anion yếu) được dùng để loại bỏ các hợp chất có tính axit như axit hữu cơ, axit béo, đường.
• Lượng chất hấp phụ: Lượng quá ít sẽ không đạt được hiệu quả làm sạch mong muốn do không đủ khả năng hấp phụ (adsorption capacity). Lượng quá nhiều có thể hấp phụ luôn cả chất phân tích, gây thất thoát và khó khăn trong việc tách cặn sau khi ly tâm.
• pH của dung dịch: pH ảnh hưởng đến trạng thái ion hóa của cả chất phân tích và bề mặt chất hấp phụ, từ đó tác động mạnh đến tương tác hấp phụ. Việc điều chỉnh pH phù hợp có thể tối ưu hóa hiệu suất chiết, được mô tả bởi phương trình Henderson-Hasselbalch: $pH = pK_a + \log_{10}(\frac{[A^{-}]}{[HA]})$.
• Loại và thể tích dung môi giải hấp: Dung môi phải có khả năng hòa tan tốt chất phân tích nhưng phải đủ mạnh để phá vỡ liên kết giữa chất phân tích và chất hấp phụ. Thể tích dung môi cũng cần được tối ưu để đảm bảo giải hấp hoàn toàn mà không làm loãng mẫu quá mức.
• Thời gian và cường độ trộn/lắc: Phải đủ để đảm bảo sự tiếp xúc tối đa và thiết lập cân bằng hấp phụ giữa pha rắn và pha lỏng.
• Lực và thời gian ly tâm: Lực ly tâm đủ mạnh và thời gian đủ dài là cần thiết để đảm bảo tách hoàn toàn pha rắn khỏi pha lỏng, giúp thu hồi dịch chiết sạch và không bị nhiễm các hạt hấp phụ.

Cải tiến và các biến thể của dSPE

• dSPE sử dụng vật liệu từ tính (Magnetic dSPE – m-dSPE): Đây là một cải tiến vượt bậc. Bằng cách sử dụng các hạt nano từ tính được bao phủ bởi một lớp hấp phụ (ví dụ: $Fe_3O_4$@Silica-C18), quá trình tách pha rắn-lỏng được thực hiện nhanh chóng chỉ bằng một nam châm bên ngoài, loại bỏ hoàn toàn bước ly tâm tốn thời gian và phức tạp.
• dSPE sử dụng vật liệu nano: Các vật liệu có diện tích bề mặt cực lớn như graphene, ống nano carbon (CNTs) cung cấp khả năng hấp phụ vượt trội, cho phép sử dụng một lượng rất nhỏ vật liệu mà vẫn đạt hiệu quả cao.
• dSPE dựa trên Polyme in dấu phân tử (MIP-dSPE): Sử dụng các hạt polyme được “thiết kế” đặc biệt với các “khuôn” có hình dạng và tương tác hóa học phù hợp để liên kết chọn lọc cao với một phân tử mục tiêu duy nhất, giúp tăng cường đáng kể độ chọn lọc của quy trình.
• dSPE kết hợp với vi chiết: Tích hợp dSPE với các kỹ thuật vi chiết pha rắn (SPME) hoặc vi chiết pha lỏng (LPME) để tăng hệ số làm giàu và giảm thiểu hơn nữa lượng mẫu và dung môi cần dùng, hướng tới phân tích các chất ở nồng độ vết.