Tiền xử lý mẫu môi trường được thực hiện để làm gì?

Một mẫu ngoài môi trường thường là hệ phức tạp: chất cần xác định có thể hòa tan, bám trên hạt, liên kết với chất hữu cơ hoặc nằm trong một pha mà thiết bị không thể đo trực tiếp. Vì vậy, mẫu có thể phải được đồng nhất, lọc, nghiền, phân hủy, chiết, làm sạch, cô đặc hoặc pha loãng tùy chỉ tiêu và phương pháp. Quy trình đúng phải đồng thời giữ được tính đại diện của mẫu, hạn chế mất chất phân tích và không tạo thêm nhiễm bẩn.

Điểm quan trọng là không tồn tại một quy trình tiền xử lý chung cho mọi mẫu môi trường. Cách xử lý phải được lựa chọn từ tổ hợp: loại mẫu chất cần phân tích dạng tồn tại cần xác định kỹ thuật đo cuối cùng.

Tiền xử lý mẫu môi trường tạo ra mẫu phù hợp với phép phân tích

Thiết bị phân tích không đo được mọi thành phần trực tiếp trong trạng thái mà chúng tồn tại ngoài môi trường. Phép đo thường yêu cầu mẫu phải có dạng vật lý, thành phần pha, khoảng nồng độ và mức nhiễu nhất định. Tiền xử lý là bước tạo ra sự tương thích đó.

Ví dụ, kim loại trong đất hoặc bùn có thể nằm trong pha rắn nên không thể đơn giản đưa mẫu nguyên trạng vào một phép đo dung dịch. Mẫu cần được xử lý để đưa phần kim loại cần xác định vào dung dịch theo đúng định nghĩa của phương pháp. Với hợp chất hữu cơ trong nước, chất phân tích có thể cần được chuyển từ pha nước sang dung môi thích hợp rồi cô đặc trước khi phân tích sắc ký.

Các hệ thống phương pháp chuẩn cũng thể hiện rõ mối liên hệ này. Trong EPA SW-846, những quy trình như phân hủy axit đối với đất, bùn và trầm tích hoặc chiết lỏng–lỏng đối với các hợp chất hữu cơ trong mẫu nước được xếp vào nhóm chuẩn bị mẫu trước phương pháp xác định. Điều đó cho thấy tiền xử lý không phải thao tác phụ tách rời mà là một phần của toàn bộ phương pháp phân tích.

Tiền xử lý giúp chất cần phân tích trở thành dạng có thể đo được

Một chất có mặt trong mẫu chưa có nghĩa là thiết bị có thể nhận biết toàn bộ lượng chất đó. Khả năng đo còn phụ thuộc vào dạng tồn tại của chất và cách phương pháp định nghĩa đại lượng cần xác định.

Với mẫu rắn, chất phân tích có thể bị giữ trong cấu trúc hạt hoặc liên kết với các thành phần của nền. Phân hủy mẫu bằng axit, gia nhiệt hoặc những kỹ thuật thích hợp có thể phá vỡ nền và chuyển chất cần xác định vào dung dịch. Với chất hữu cơ, chiết bằng dung môi dựa trên sự khác biệt về khả năng phân bố giữa các pha để tách chất phân tích khỏi nền ban đầu.

Cơ chế này cũng giải thích vì sao không thể tùy ý thay một quy trình tiền xử lý bằng quy trình khác. Hai cách xử lý khác nhau có thể giải phóng những phần khác nhau của cùng một chất. Kết quả khi đó không còn đại diện cho cùng một đại lượng phân tích, dù thiết bị cuối cùng giống nhau.

Do đó, câu hỏi cần đặt ra không chỉ là “phương pháp có thu được chất hay không”, mà còn là phần chất thu được có đúng với đại lượng mà phương pháp cần xác định hay không.

Tiền xử lý kiểm soát ảnh hưởng của nền mẫu

Mẫu môi trường thường chứa nhiều thành phần không phải chất phân tích. Muối hòa tan, chất hữu cơ, hạt lơ lửng, dầu mỡ, khoáng vật và các hợp chất đồng tồn tại có thể ảnh hưởng đến quá trình tách hoặc tín hiệu của thiết bị.

Tiền xử lý có thể giảm tác động này theo nhiều cơ chế. Lọc hoặc ly tâm tách các pha khi phương pháp chỉ yêu cầu một pha nhất định. Chiết chuyển chất phân tích sang môi trường thuận lợi hơn. Làm sạch loại bớt những chất gây nhiễu trong dịch chiết. Pha loãng làm giảm tải nền hoặc đưa nồng độ về khoảng làm việc của phép đo. Trong trường hợp ngược lại, cô đặc giúp tăng lượng chất phân tích trên một đơn vị thể tích khi nồng độ ban đầu quá thấp.

Tuy nhiên, loại bỏ nền càng nhiều không đồng nghĩa với kết quả càng tốt. Mỗi thao tác bổ sung đều có thể gây mất chất phân tích, nhiễm bẩn hoặc thay đổi dạng hóa học cần xác định. Vì vậy, mức tiền xử lý thích hợp là mức đủ để phép đo đáp ứng yêu cầu mà không làm sai bản chất mẫu.

Đồng nhất mẫu giúp phần mẫu đem phân tích đại diện cho mẫu ban đầu

Tính không đồng nhất đặc biệt quan trọng với đất, bùn và trầm tích. Chỉ một lượng nhỏ mẫu thường được lấy từ mẫu phòng thí nghiệm để thực hiện phân tích; nếu các thành phần phân bố không đều, phần được cân có thể khác đáng kể so với phần còn lại.

Các thao tác như trộn, nghiền hoặc giảm kích thước hạt được sử dụng khi phù hợp để giảm biến thiên giữa các phần mẫu. Mục tiêu của chúng là làm cho phần mẫu thực sự đi vào quá trình phân tích phản ánh tốt hơn vật liệu cần đánh giá.

Nhưng đồng nhất cũng có giới hạn. Sấy, nghiền hoặc để mẫu tiếp xúc lâu với môi trường có thể không phù hợp với những chất dễ bay hơi hoặc những dạng hóa học dễ biến đổi. Vì vậy, một thao tác hữu ích cho phân tích kim loại không mặc nhiên phù hợp cho hợp chất hữu cơ dễ bay hơi.

Tính đại diện phải được ưu tiên hơn sự thuận tiện trong thao tác.

Quy trình tiền xử lý phụ thuộc vào mẫu, chỉ tiêu và phương pháp đo

Không thể lựa chọn tiền xử lý chỉ dựa vào việc mẫu là “nước” hay “đất”. Cùng một mẫu nước nhưng quy trình có thể khác nhau hoàn toàn khi xác định kim loại, hợp chất hữu cơ hoặc một thông số lý–hóa khác.

Đối với mẫu nước, một phương pháp có thể yêu cầu phân tích trực tiếp, lọc để xác định phần hòa tan, phân hủy để xác định một phần kim loại rộng hơn hoặc chiết để thu các hợp chất hữu cơ. Với đất và trầm tích, quá trình có thể gồm đồng nhất mẫu trước khi lấy phần thử, sau đó phân hủy hoặc chiết tùy chất cần xác định.

Đây cũng là lý do điều kiện tiền xử lý nên được lấy từ phương pháp phân tích đã lựa chọn thay vì xây dựng độc lập. Các tiêu chuẩn và phương pháp chuyên ngành quy định thao tác khác nhau vì chúng đang đo những đại lượng khác nhau và phải kiểm soát những nguồn sai số khác nhau.

Không có một ngưỡng nhiệt độ, thời gian, lượng mẫu, pH hay thể tích thuốc thử duy nhất có thể áp dụng cho mọi trường hợp. Các thông số này là điều kiện riêng của từng phương pháp; thay đổi chúng có thể làm thay đổi hiệu suất thu hồi, mức nhiễu hoặc chính đại lượng được xác định.

Tiền xử lý sai có thể làm kết quả không còn phản ánh mẫu thực tế

Sai số không chỉ xuất hiện ở thiết bị đo. Một phần đáng kể rủi ro có thể phát sinh trước khi mẫu được đưa vào thiết bị.

Mất chất phân tích có thể xảy ra khi chất bay hơi trong quá trình làm khô, bị giữ lại trên vật liệu lọc hoặc không được chiết, phân hủy đầy đủ. Ngược lại, dụng cụ, thuốc thử hoặc thao tác giữa các mẫu có thể đưa thêm chất cần xác định vào mẫu và gây nhiễm bẩn. Thành phần hóa học cũng có thể thay đổi nếu điều kiện xử lý làm biến đổi dạng tồn tại mà phép phân tích cần bảo toàn.

Điểm dễ nhầm là cho rằng tiền xử lý càng mạnh thì càng thu được kết quả “tổng” chính xác hơn. Thực tế, mức phân hủy hoặc chiết phải phù hợp với định nghĩa của phương pháp. Một phép phân hủy không phá hủy hoàn toàn mọi khoáng vật vẫn có thể hoàn toàn thích hợp nếu đại lượng được phương pháp quy định chính là phần có thể thu hồi bằng quy trình đó.

Vì vậy, chất lượng tiền xử lý cần được đánh giá theo khả năng bảo toàn mục tiêu của phép phân tích, không phải theo mức độ mẫu đã bị biến đổi nhiều hay ít.

Cần phân biệt tiền xử lý với bảo quản mẫu

Bảo quản và tiền xử lý có quan hệ chặt chẽ nhưng không hoàn toàn đồng nghĩa.

Bảo quản chủ yếu nhằm hạn chế sự thay đổi của mẫu từ lúc lấy mẫu đến thời điểm phân tích, chẳng hạn kiểm soát nhiệt độ, ánh sáng, thời gian lưu hoặc sử dụng điều kiện ổn định phù hợp. Các tiêu chuẩn thuộc bộ ISO 5667 về lấy mẫu, bảo quản và xử lý mẫu nước thể hiện rõ yêu cầu duy trì trạng thái mẫu trước phân tích.

Tiền xử lý tập trung nhiều hơn vào việc biến mẫu thành dạng mà quy trình phân tích có thể sử dụng. Trong thực tế, ranh giới đôi khi giao nhau: điều chỉnh pH hoặc thêm hóa chất có thể vừa giúp ổn định chất phân tích vừa là điều kiện chuẩn bị cho bước tiếp theo.

Điều cần giữ nhất quán là mục tiêu. Bảo quản cố gắng ngăn mẫu thay đổi ngoài ý muốn; tiền xử lý tạo ra những thay đổi có kiểm soát cần thiết cho phép phân tích.

Tiền xử lý mẫu môi trường được thực hiện để chuyển một mẫu thực tế, thường phức tạp và không đồng nhất, thành mẫu thử phù hợp với phương pháp phân tích mà không làm mất ý nghĩa của đại lượng cần xác định. Công đoạn này có thể giúp đồng nhất mẫu, giải phóng hoặc tách chất phân tích, giảm ảnh hưởng của nền và điều chỉnh mẫu về điều kiện mà phép đo yêu cầu.

Vì vậy, một quy trình tiền xử lý tốt không được đánh giá bằng việc mẫu trở nên “sạch” hay xử lý càng nhiều càng tốt. Tiêu chí quan trọng hơn là phần mẫu sau xử lý vẫn đại diện cho mục tiêu phân tích, chất cần xác định được bảo toàn hoặc thu hồi đúng theo phương pháp và các nguồn mất mẫu, nhiễm bẩn hay biến đổi ngoài ý muốn được kiểm soát.