Chia sẻ bài viết
Ngoài việc phân tích giá trị pH, khối lượng và chuẩn độ axit-bazơ, Karl Fischer xác định hàm lượng nước là một trong những phép xác định phổ biến nhất trong các phòng thí nghiệm trên toàn thế giới. Việc xác định độ ẩm là quan trọng đối với hầu hết mọi ngành, ví dụ, đối với dầu nhờn, thực phẩm và thức ăn chăn nuôi, và dược phẩm.
Đối với dầu nhờn, nồng độ nước là rất quan trọng cần biết vì độ ẩm dư thừa sẽ làm hao mòn máy móc. Đối với thực phẩm và thức ăn chăn nuôi, độ ẩm phải nằm trong phạm vi hẹp để thức ăn không bị khô, ôi thiu, cũng như là nơi sinh sản của vi khuẩn và nấm, dẫn đến hư hỏng. Đối với dược phẩm, hàm lượng nước ở dạng bào chế rắn (viên nén) và các sản phẩm đông khô được giám sát chặt chẽ. Đối với loại thứ hai, các quy định nêu rõ rằng độ ẩm cần phải dưới 2%.
Bài viết gồm những chủ đề sau:
1. Chuẩn độ Karl Fischer xác định hàm lượng nước.
Phương pháp chuẩn độ Karl Fischer (KF) để xác định nước đã được giới thiệu từ những năm 1930, và cho đến ngày nay vẫn là một trong những phương pháp được thử nghiệm và tin cậy nhất. Đây là một phương pháp nhanh và có tính chọn lọc cao, nghĩa là xác định được nước và chỉ nước. Chuẩn độ KF dựa trên hai phản ứng oxi hóa khử sau đây.
Trong phản ứng đầu tiên, metanol và lưu huỳnh đioxit phản ứng để tạo thành este tương ứng. Khi thêm iốt, este bị ôxy hóa thành dạng sunfat trong một phản ứng tiêu tốn nước. Phản ứng kết thúc khi không còn nước.
Chuẩn độ KF có thể được sử dụng để xác định hàm lượng nước trong tất cả các loại mẫu: chất lỏng, chất rắn, bùn hoặc thậm chí cả khí. Đối với nồng độ từ 0,1% đến 100%, chuẩn độ KF thể tích là phương pháp được lựa chọn, trong khi đối với độ ẩm thấp hơn từ 0,001% đến 1%, nên chuẩn độ KF bằng phương pháp coulometric.
Tùy thuộc vào loại mẫu, hàm lượng nước và khả năng hòa tan của nó trong thuốc thử KF, mẫu có thể được thêm trực tiếp vào bình chuẩn độ hoặc trước tiên cần được hòa tan trong dung môi thích hợp. Dung môi thích hợp là những dung môi không phản ứng với thuốc thử KF - do đó anđehit và xeton bị loại trừ. Trong trường hợp mẫu được hòa tan trong dung môi, cũng cần thực hiện hiệu chỉnh mẫu trắng bằng dung môi nguyên chất. Đối với phép đo, mẫu được bơm trực tiếp vào bình chuẩn độ bằng cách sử dụng một ống tiêm và kim (Hình 2). Điểm cuối được phát hiện bởi một điện cực Pt kép phân cực, và từ đó nồng độ nước được tính trực tiếp.
Các mẫu không hòa tan hoặc hút ẩm có thể được phân tích bằng kỹ thuật chiết hơi ẩm bằng KF dùng lò gia nhiệt. Tại đây, mẫu được đậy kín trong lọ nhỏ, và nước được làm bay hơi bằng nhiệt sau đó được đưa đến cell chuẩn độ (Hình 3).
Tìm hiểu thêm về kỹ thuật KF dùng lò gia nhiệt
Oven method for sample preparation in Karl Fischer titration
Tìm hiểu thêm về những phân tích và ứng dụng sau:
Coulometric water content determination according to Karl Fischer
Tìm hiểu những kiến thức chuyên sâu:
2. Quang phổ cận hồng ngoại (NIRS) xác định hàm lượng nước
Quang phổ cận hồng ngoại (NIRS) là một kỹ thuật đã được sử dụng cho vô số ứng dụng trong lĩnh vực thực phẩm và thức ăn chăn nuôi, polyme và dệt kể từ những năm 1980. Một thập kỷ sau, các ngành công nghiệp khác bắt đầu sử dụng kỹ thuật này, chẳng hạn như dược phẩm, chăm sóc cá nhân và các sản phẩm dầu mỏ.
Quang phổ cận hồng ngoại NIRS dò tìm các overtones và các dải kết hợp của dao động phân tử. Trong số các dao động điển hình trong phân tử hữu cơ đối với các nhóm chức như -CH, -NH, -SH và -OH thì gốc -OH là chất hấp thụ tia cận hồng ngoại đặc biệt mạnh. Đó cũng là lý do tại sao định lượng độ ẩm là một trong những ứng dụng quan trọng của quang phổ cận hồng ngoại - NIR.
Để được giải thích thêm, hãy đọc mục blog trước của chúng tôi về chủ đề này:
Benefits of NIR spectroscopy: Part 2
Quang phổ cận hồng ngoại - NIR được sử dụng để định lượng nước ở mẫu dạng rắn, lỏng và bùn. Giới hạn phát hiện đối với độ ẩm trong chất rắn là khoảng 0,1%, trong khi đối với chất lỏng thì nằm trong khoảng 0,02% (200 mg / L). Tuy nhiên, giới hạn phát hiện độ ẩm là 40–50 mg / L đã đạt được trong các trường hợp đặc biệt (ví dụ: nước trong THF).
Kỹ thuật này không yêu cầu bất kỳ sự chuẩn bị mẫu nào, có nghĩa là các mẫu có thể được sử dụng nguyên trạng ban đầu. Mẫu rắn được đo trong vial đựng mẫu dùng một lần chất lượng cao, trong khi chất lỏng được đo trong cuvet, flow cell, vial hoặc trong slurry cup. Hình 4 hiển thị cách các mẫu khác nhau được định vị trên máy phân tích để thực hiện phép đo.
Thông tin chi tiết về kỹ thuật quang phổ cận hồng ngoại - NIRS đã được mô tả trong bài viết blog trước của chúng tôi:
Quang phổ cận hồng ngoại - NIRS là một kỹ thuật thứ cấp, có nghĩa là nó chỉ có thể được sử dụng để phân tích thông thường để định lượng độ ẩm sau khi mô hình dự đoán đã được phát triển. Điều này có thể được hiểu tương tự như HPLC, trong đó sử dụng các mẫu chuẩn để tạo đường chuẩn là một trong các bước ban đầu. Điều tương tự cũng áp dụng cho thiết bị quang phổ cận hồng ngoại - NIRS: đầu tiên, phải đo phổ với độ ẩm đã biết và sau đó tạo mô hình dự đoán.
Sự phát triển của các mô hình dự đoán đã được mô tả chi tiết trong bài viết blog trước của chúng tôi:
Benefits of NIR spectroscopy: Part 3
Sơ đồ được thể hiện trong Hình 5.
Để tạo ra bộ hiệu chuẩn, khoảng 30-50 mẫu cần được đo bằng cả chuẩn độ KF và thiết bị quang phổ cận hồng ngoại, và các giá trị thu được từ chuẩn độ KF phải được liên kết với phổ cận hồng ngoại - NIR. Các bước tiếp theo là phát triển và thẩm định mô hình (bước 2 và 3 trong Hình 5), khá đơn giản để phân tích độ ẩm. Nước là chất hấp thụ quang phổ cận hồng ngoại - NIR mạnh, và các đỉnh của nó luôn nằm trong khoảng 1900–2000 nm (dải kết hợp) và 1400–1550 nm (Overtone thứ nhất). Điều này được thể hiện trong Hình 6 bên dưới.
Sau khi tạo và thẩm định mô hình dự đoán, phương pháp quang phổ cận hồng ngoại có thể được sử dụng để xác định độ ẩm thông thường của chất đó. Kết quả về độ ẩm sẽ nhận được trong vòng 1 phút mà không cần chuẩn bị mẫu hoặc sử dụng hóa chất. Ngoài ra, nhà phân tích không cần phải là một nhà hóa học, vì tất cả những gì họ cần làm là đặt một mẫu lên thiết bị và nhấn start.
Bạn có thể tìm thêm thông tin về xác định độ ẩm bằng quang phổ cận hồng ngoại trong polyamit, caprolactam, sản phẩm đông khô, phân bón, chất bôi trơn và hỗn hợp etanol/hydrocarbon bên dưới bằng cách tải xuống ứng dụng miễn phí của chúng tôi.
3. Lựa chọn của bạn cho cách xác định độ ẩm: chuẩn độ KF, thiết bị quang phổ cận hồng ngoại - NIRS, hoặc cả hai
Như tóm tắt trong Bảng 1, chuẩn độ KF và quang phổ NIR đều có những ưu điểm của chúng. Chuẩn độ KF là một phương pháp linh hoạt với mức độ phát hiện thấp. Ưu điểm chính của nó là nó sẽ luôn hoạt động, bất kể bạn có loại mẫu mà bạn đo lường thường xuyên hay đó là loại mẫu mà bạn gặp lần đầu tiên.
Bảng 1. Tổng quan về các đặc điểm của xác định độ ẩm thông qua chuẩn độ và quang phổ cận hồng ngoại NIR
| Chuẩn độ | Quang phổ cận hồng ngoại |
|---|---|
| Versatile – suitable in case of varying samples | Suitable when always measuring same substance |
| Direct / primary method can be used directly | Indirect / secondary method requires prediction method development |
| Detection limit ~10 mg/L | Detection limit 100 mg/L |
| Results within 10 minutes | Results within 1 minute |
| Sample is consumed during measurement | Sample can be reused |
| Requires solvents | No solvents needed, pure samples used |
Quang phổ cận hồng ngoại NIR yêu cầu một quá trình phát triển phương pháp, có nghĩa là nó không phù hợp với các loại mẫu luôn thay đổi (ví dụ: các loại viên nén khác nhau, các loại dầu khác nhau). Tuy nhiên, thiết bị quang phổ cận hồng ngoại - NIRS là một phương pháp rất tốt đối với các loại mẫu luôn giống nhau, ví dụ đối với độ ẩm trong các sản phẩm đông khô hoặc đối với độ ẩm trong hóa chất, chẳng hạn như phân bón.
Để thực hiện phương pháp xác định đổ ẩm bằng quang phổ cận hồng ngoại - NIR, yêu cầu các mẫu phải được đo bằng phương pháp chuẩn độ KF là phương pháp chính để phát triển mô hình. Ngoài ra, trong quá trình sử dụng thường ngày với phương pháp cận hồng ngoại, điều quan trọng là thỉnh thoảng phải thẩm định lại một lần (ví dụ: cứ 50 hoặc 100 mẫu một lần) bằng cách đo lại mẫu với chuẩn độ KF , để đảm bảo rằng mô hình đường chuẩn trên thiết bị quang phổ cận hồng ngoại vẫn đúng và để chắc chắn rằng sai số không tăng. Nếu nhận thấy sự thay đổi, cần thêm các mẫu bổ sung này vào mô hình dự đoán để bao gồm sự thay đổi mẫu quan sát được.
Kết luận, cả chuẩn độ KF và quang phổ cận hồng ngoại - NIR đều là những kỹ thuật mạnh mẽ để đo độ ẩm mẫu. Việc sử dụng kỹ thuật nào phụ thuộc vào ứng dụng và sở thích cá nhân của người dùng.
Your knowledge take-aways
Monograph: Water determination by Karl Fischer Titration
White Paper: Karl Fischer titration and near-infrared spectroscopy in perfect synergy
