Lựa chọn kỹ thuật phân tích nguyên tố: AAS, ICP-OES, hay ICP-MS

Mô tả

Khi nhắc đến kỹ thuật phân tích nguyên tố (elemental analysis), đặc biệt các nguyên tố có hàm lượng thấp hoặc dạng vết, thì có 03 kỹ thuật phổ biến là Quang phổ hấp thu nguyên tử (Atomic Absorption Spectrometry – AAS), Quang phổ phát xạ plasma (Induced Coupled Plasma – Optical Emission Spectrometry – ICP-OES), hay Quang phổ plasma ghép nối khối phổ (Induced Couple Plasma-Mass Spectrometry – ICP-MS). Với AAS, sẽ có 02 chế độ nguyên tử hóa mẫu bằng cách dùng Ngọn lửa (Flame AAS – FAAS), và dùng Lò graphit (Graphite Furnace AAS – GFAAS)

Tuy nhiên, đôi khi việc lựa chọn kỹ thuật nào để phù hợp nhất với nhu cầu ứng dụng của phòng thí nghiệm lại là một bài toán khó bởi cả 03 kỹ thuật AAS, ICP-OES hay ICP-MS đều có khả năng phân tích nguyên tố chính xác và đáng tin cậy. Bài viết này hy vọng sẽ đưa ra một số câu hỏi gợi ý, cũng như tóm tắt tổng quan các khía cạnh chính cần cân nhắc khi đưa ra quyết định.

Bảng bên dưới so sánh một số khía cạnh cơ bản về AAS, ICP-OES, và ICP-MS.

Một số câu hỏi mà các phòng thí nghiệm có thể tự đánh giá để có gợi ý sơ bộ ban đầu:

– Ứng dụng cần phân tích là gì?

– Số lượng nguyên tố cần phân tích trên một mẫu?

– Nền mẫu cần phân tích là gì? Có đa dạng nền mẫu không?

– LoD cho các nguyên tố đó trong các nền mẫu trên là bao nhiêu?

– Số lượng mẫu cần phân tích trung bình một ngày là bao nhiêu?

– Phương pháp có phải theo tiêu chuẩn kỹ thuật nào không?

– Ngân sách cho đầu tư ban đầu và vận hành?

Về ứng dụng

Tất cả các kỹ thuật đều có thể có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như dược phẩm, môi trường, luyện kim và khai khoáng, nông nghiệp, bán dẫn, sản xuất, thực phẩm, hóa dầu, nghiên cứu lâm sàng, …

Nhưng có một số ứng dụng sẽ phù hợp tốt hơn cho một loại kỹ thuật nhất định. Ví dụ, phân tích nguyên tố đất hiếm (rare earth element), hoặc phân tích lưu huỳnh (S), thường ICP-MS sẽ là lựa chọn tốt hơn.

Về giới hạn phát hiện

Cho LoD thấp nhât vẫn là ICP-MS (thường từ 1-10 ppt, thấp hơn nữa với HR-ICP-MS: ICP-MS độ phân giải cao), sau đó đến GFAAS (có thể xuống ppb, hoặc sub-ppb). ICP-OES thì thường cho LoD ở mức ppb, còn FAAS thì ở mức ppm đến sub-ppm. Dù hạn chế nhiều về thông lượng mẫu đó được, nhưng nhờ khả năng cho LoD cực thấp là một trong những lí do chính vì sao GFAAS vẫn được lựa chọn trong một số trường hợp, nhất là khi ngân sách hạn chế để đầu tư được ICP-OES hoặc ICP-MS.

Về thông lượng mẫu và số lượng nguyên tố đo được cùng lúc

Từ bảng ở trên, có thể thấy AAS sẽ có hạn chế nhiều hơn về thông lượng mẫu, nghĩa là số lượng mẫu và số lượng nguyên tố cần đo trên một mẫu ít hơn vì bản chất mỗi lần đo chỉ phát hiện được một nguyên tố. Trong khi đó, ICP-OES và ICP-MS lại cho kết quả nhiều nguyên tố cùng lúc chỉ trong một lần đo.

Khi số lượng nguyên tố cần phân tích trên một mẫu < 5, FAAS có vẻ là lựa chọn tốt hơn, tất nhiên cần xem xét thêm số lượng mẫu cần đo trên một ngày vì thời gian đo trên AAS lâu hơn. Khi số lượng nguyên tố cần đo trên một mẫu nhiều hơn 5, đặc biệt nếu trên 15 nguyên tố, thì ICP-OES và ICP-MS là lựa chọn tốt nhất. GFAAS là kỹ thuật có thời gian phân tích lâu nhất do quá trình làm khô và tro hóa mẫu.

Về việc vận hành

FAAS dễ lắp đặt và sử dụng. Nó có tùy chọn bộ tiêm mẫu tự động nên có thể hỗ trợ tự động hóa, tuy nhiên vẫn cần người dùng có mặt trong quá trình đo mẫu vì lí do an toàn (FAAS dùng ngọn lửa để nguyên tử hóa mẫu và sử dụng khí dễ cháy nổ). Việc phát triển phương pháp cũng đơn giản, và có sẵn các thư viện phương pháp, như bộ Cookbook trong hệ AAS của Thermo Scientific. Thư viện gợi ý tất cả các thông số cần thiết cho từng nguyên tố.

Ngược lại, GFAAS lại có phần khó hơn FAAS khi thiết lập đo và phát triển phương pháp và cũng đòi hỏi người vận hành có kỹ năng nhất định. Nhưng đổi lại, vẫn có các thư viện phương pháp sẵn để hộ trợ người dùng.

ICP-OES thì dễ thiết lập, và ít khi yêu cầu việc thay đổi phần thiết lập, nên dễ sử dụng và không yêu cầu người vận hành có kỹ năng quá cao. Việc phát triển phương pháp cũng khá dễ, trừ trường hợp gặp nhiều chất gây nhiễu quang phổ thì việc phát triển phương pháp sẽ phức tạp hơn. Thư viện phương pháp không nhiều như AAS, nhưng đổi lại ICP-OES tự động hóa nhiều hơn, nên không yêu cầu người dùng có mặt khi thiết bị phân tích mẫu.

ICP-MS thì nhìn chung sử dụng khá dễ. Tuy nhiên, có một số phần linh kiện cần người dùng để ý cho quá trình vệ sinh và bảo trì hơn như các đầu cone. Phát triển phương pháp trên ICP-MS đòi hỏi người dùng cần có kĩ năng và kinh nghiệm nhất định, nhưng tương tự ICP-OES, khi thiết bị vận hành đo mẫu, người dùng không cần phải có mặt.

Chi phí đầu tư và vận hành

Nếu xét về chi phí đầu tư thiết bị, thứ tự sẽ là: FAAS < GF-AAS < F&GF-AAS ≈ ICP-OES < ICP-MS.

Bên cạnh đó cần xem xét chi phí lắp đặt. Chi phí này chủ yếu liên quan đến việc lắp đặt các hệ thống khí thải. Ngoài ra đối với ICP-MS hoặc GF-AAS, do khả năng có thể phát hiện xuống đến mức ppt, nên đôi khi có thể sẽ có yêu cầu về phòng sạch.

Chi phí sử dụng hóa chất/ chất chuẩn. Kỹ thuật có khả năng phát hiện càng thấp, thì yêu cầu về độ tinh khiết của hóa chất/ chất chuẩn càng cao. Ví dụ, chuẩn cho AAS thường sẽ có chứa một ít tạp chất, nên sẽ không phù hợp để dùng cho ICP, đặc biệt ICP-MS.

Chi phí sử dụng khí cũng nên được cân nhắc. Cả GFAAS, ICP-OES và ICP-MS đền dùng khí Argon, nhưng GFAAS dùng ít hơn, khoảng 3 L/phút, trong khi ICP sử dụng nhiều hơn (tổng khoảng 16 L/phút) do cần tạo plasma. Tuy nhiên, đổi lại ICP cho kết quả đo mẫu nhanh hơn GFAAS và đo được tất cả nguyên tố trong một lần. Đối với FAAS, khí sử dụng là acetylene, N₂O, và khí nén. Lượng khí sử dụng cho FAAS cũng không quá nhiều, nên FASS có lợi thế hơn về chi phí sử dụng khí.

Ngoài ra, một số yếu tố khác cũng cần xem xét khi quyết định là phương pháp có cần tuân theo các tiêu chuẩn hay không vì một số tiêu chuẩn sẽ chỉ định kỹ thuật phân tích. Nền mẫu có đa dạng không vì nó sẽ liên quan đến việc loại chất gây nhiễu và dãy tuyến tính. Càng đa dạng loại nền mẫu thì càng cần kỹ thuật cao vì chúng có khả năng hỗ trợ loại nhiễu tốt hơn và cũng như khoảng tuyến tính rộng hơn. Khi thiết bị cho khoảng tuyến tính rộng, nghĩa là có thể dùng cùng một đường chuẩn cho nguyên tố cần đo trên nhiều nền mẫu khác nhau mà không cần phải pha loãng mẫu quá nhiều.

Như vậy, việc lựa chọn kỹ thuật nào cho phù hợp sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Nhưng nhìn chung, các câu hỏi đầu tiên vẫn là nguyên tố cần đo là gì và LoD cần là bao nhiêu, số lượng mẫu cần phân tích có nhiều hay không, nền mẫu có đa dạng không, và ngân sách hiện tại. Và khi trả lời các câu hỏi đó rồi mà vẫn chưa tìm được kỹ thuật phù hợp, thì có thể tìm các nguồn hỗ trợ tư vấn thêm về kỹ thuật.

Thông tin bổ sung