(LUẬN văn THẠC sĩ) nghiên cứu áp dụng các kỹ thuật làm giàu kết hợp với phương pháp điện di mao quản sử dụng detector đo độ dẫn không tiếp xúc để xác định các dạng asen vô cơ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ======= ĐOÀN THỊ HẢI YẾN NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÁC KỸ THUẬT LÀM GIÀU KẾT HỢP VỚI PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN DI MAO QUẢN SỬ DỤNG DETECTOR

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

=======

ĐOÀN THỊ HẢI YẾN

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÁC KỸ THUẬT LÀM GIÀU KẾT

HỢP VỚI PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN DI MAO QUẢN SỬ DỤNG

DETECTOR ĐO ĐỘ DẪN KHÔNG TIẾP XÚC ĐỂ XÁC

ĐỊNH CÁC DẠNG ASEN VÔ CƠ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI - 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

=======

ĐOÀN THỊ HẢI YẾN

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÁC KỸ THUẬT LÀM GIÀU KẾT

HỢP VỚI PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN DI MAO QUẢN SỬ DỤNG

DETECTOR ĐO ĐỘ DẪN KHÔNG TIẾP XÚC ĐỂ XÁC

ĐỊNH CÁC DẠNG ASEN VÔ CƠ

Chuyên ngành: Hóa phân tích

Mã số: 60440118

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học:

TS NGUYỄN THỊ ÁNH HƯỜNG

HÀ NỘI - 2015

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên cho tôi gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Thị Ánh Hường

đã giao đề tài, đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá

trình thực hiện đề tài và viết luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn GS Peter C Hauser, TS Mai Thanh Đức và

ThS Bùi Duy Anh đã thiết kế lắp đặt và hỗ trợ các trang thiết bị cũng như tư vấn

kỹ thuật trong quá trình thực hiện nghiên cứu này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô giáo giảng dạy tại khoa Hoá, đặc biệt

là các thầy cô trong bộ môn Hoá Phân tích, đã cho tôi những kiến thức quý giá trong

quá trình học tập và thực hiện đề tài này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn các anh chị, bạn bè, các sinh viên của bộ môn hoá

phân tích đã giúp đỡ, chia sẻ những khó khăn trong suốt quá trình tôi học tập và thực

hiện đề tài này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã luôn động viên, chia

sẻ mọi khó khăn cùng tôi

Hà Nội, ngày 09 tháng 11 năm 2015

Học viên

Đoàn Thị Hải Yến

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 3

1.1 Asen và ô nhiễm Asen trong nước ngầm 3

1.1.1 Khái quát chung về Asen 3

1.1.2 Độc tính và cơ chế gây độc của Asen 4

1.1.3 Một số quy định nồng độ giới hạn Asen trong nước uống và nước ngầm……… 7

1.1.4 Vấn đề ô nhiễm Asen trong nước ngầm trên thế giới và Việt Nam 8

1.2 Các phương pháp phân tích Asen 10

1.2.1 Phương pháp trắc quang- Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV- VIS với thuốc thử bạc dietydithiocacbamat (AgDDC) trong cloroform- Xác định Asen tổng 10

1.2.2 Phương pháp ICP- MS ( Inductively coupled plasma- Mass spectrometry) 11

1.2.3 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa (GF- AAS) 11

1.2.4 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử- Kỹ thuật hydrua hóa HG- AAS (hydride generation- atomic absorption spectrometry) 12

1.2.5 Phương pháp điện hóa xác định hàm lượng Asen 13

1.2.6 Phương pháp điện di mao quản xác định hàm lượng Asen 13

1.3 Phương pháp điện di mao quản 14

1.4 Một số kỹ thuật làm giàu trực tiếp trên cột trong phương pháp điện di mao quản 20

1.4.1 Kỹ thuật khuếch đại điện trường 21

1.4.2 Kỹ thuật bơm mẫu lượng lớn 21

1.4.3 Kỹ thuật làm giàu mẫu bằng pH (pH- Mediated stacking) 22

1.4.4 Kỹ thuật làm giàu đẳng điện 23

1.4.5 Kỹ thuật làm giàu sử dụng sự khác biệt về pH giữa hai vùng mẫu (Dynamic pH junction) 24

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 27

2.1 Đối tượng, mục tiêu và nội dung nghiên cứu 27

2.1.1 Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu 27

2.1.2 Nội dung nghiên cứu 27

2.2 Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 27

2.2.1 Thiết bị, dụng cụ 27

2.2.2 Hóa chất 28

2.2.3 Chuẩn bị các dung dịch chuẩn và hóa chất thí nghiệm 29

Comment [TA1]: Xem lại đánh sỗ trang phần

này, đánh theo la mã hoặc bỏ số trang ở phần này đi, để trang 1 là mở đầu

2.2.4 Quy trình xử lý mao quản trước khi sử dụng 29

2.2.5 Phương pháp xử lý mẫu 29

2.3 Các thông số đánh giá độ tin cậy của phương pháp phân tích 30

2.3.1 Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) của phương pháp phân tích 30

2.3.2 Độ chụm ( độ lặp lại) của phương pháp 31

2.3.3 Độ đúng của phương pháp 32

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33

3.1 Nghiên cứu khảo sát tối ưu điều kiện phân tích As(III) trên thiết bị CE- C4D 33

3.1.1 Khảo sát lựa chọn dung dịch đệm điện di 33

3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng pH của dung dịch đệm Arg và CAPS 34

3.1.3 Khảo sát nồng độ axit 39

3.1.4 Khảo sát ảnh hưởng của độ dẫn dung dịch đệm Arg và CAPS ở pH 9,6 41

3.1.5 Khảo sát thời gian bơm mẫu và chiều dài hiệu dụng của mao quản 43

3.1.6 Khảo sát ảnh hưởng của mangan (II) và sắt (II) 46

3.1.7 Khảo sát điện thế tách 48

3.2 Khảo sát khoảng tuyến tính và xây dựng đường chuẩn xác định As(III) 49

3.2.1 Khảo sát khoảng tuyến tính 49

3.2.2 Đường chuẩn phân tích hàm lượng As(III) 50

3.3 Độ lặp lại và hiệu suất thu hồi của phương pháp thêm chuẩn trong phân tích As(III) bằng hệ thiết bị điện di mao quản 53

3.4 Xác định gián tiếp As(V) qua phản ứng khử As(V) về As(III) 54

3.5 Phân tích hàm lượng Asen trong mẫu nước ngầm 54

KẾT LUẬN 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

PHỤ LỤC ……… ……… 62

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Một số tính chất của Asen 3

Bảng 1.2: Hàm lượng Asen trong đá và trầm tích[39] 4

Bảng 1.3: Một số hợp chất của Asen gây độc tính với con người 5

Bảng 1.4: Quy định nồng độ giới hạn Asen trong nước uống[41] 7

Bảng 1.5: Một số quy định nồng độ giới hạn Asen trong nước ở Việt Nam[12, 13] 7

Bảng 3.1: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH của dung dịch đệm đến tín hiệu và hệ số làm giàu của As(III) 40µM bằng phương pháp điện di mao quản CE- C 4 D 35

Bảng 3.3: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của độ dẫn dung dịch đệm Arg và CAPS ở pH 9,6 42

Bảng 3.4: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian bơm mẫu tới tín hiệu Asen khi chiều dài hiệu dụng của mao quản leff= 46 cm 44

Bảng 3.5: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian bơm mẫu tới tín hiệu Asen khi chiều dài hiệu dụng của mao quản leff= 48 cm 44

Bảng 3.6: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian bơm mẫu tới tín hiệu Asen khi chiều dài hiệu dụng của mao quản leff= 50 cm 45

Bảng 3.7: Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Fe(II) đến tín hiệu As(III) 46

Bảng 3.8: Kết quả khảo sát loại bỏ ảnh hưởng của hàm lượng Fe(II) đến tín hiệu As(III) 3200 µg/ l bằng cách tạo phức Fe(II) với 1,10- phenanthrolin 47

Bảng 3.9: Ảnh hưởng của điện thế tách tới tín hiệu As(III) 48

Bảng 3.10: Điều kiện tối ưu cho phân tích As(III) bằng CE- C 4 D 49

Bảng 3.11: Nồng độ và diện tích pic trung bình của As(III) 49

Bảng 3.12: Giới ha ̣n phát hiê ̣n và giới ha ̣n đi ̣nh lương của Asen 51

Bảng 3.13: Kết quả so sánh giữa giá trị a với giá trị 0 của phương trình đường chuẩn As(III) 52

Bảng 3.14: Đánh giá độ lặp lại và hiệu suất thu hồi của phương pháp phân tích As(III) bằng hệ thiết bị điện di mao quản 53

Bảng 3.15: Hiệu suất thu hồi As(V) sau phản ứng khử về As(III) 54

Bảng 3.16: Kết quả hàm lượng As(III) và As(V) của các mẫu nước của CTCP nước sạch số 2, Gia Lâm, Hà Nội 55

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ phân tích hệ điện di mao quản 14

Hình 1.2 Mặt cắt ngang của mao quản 16

Hình 1.3 Lớp điện tích kép trên bề mặt mao quản 16

Hình 1.4 Ảnh hưởng của dòng EOF đến tốc độ của các ion trong quá trình điện di 16

Hình 1.5 Các kĩ thuật bơm mẫu trong phương pháp điện di mao quản 18

Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo độ dẫn không tiếp xúc 19

Hình 1.7 : Cơ chế của kỹ thuật làm giàu khuyếch đại điện trường 21

Hình 1.8: Cơ chế của kỹ thuật làm giàu bơm mẫu lượng lớn 22

Hình 1.9: Cơ chế của kỹ thuật làm giàu trên cơ sở sự chênh lệch về độ pH 23

Hình 1.10: Cơ chế của kỹ thuật làm giàu đẳng điện ITP 24

Hình 1.11: Cơ chế của kỹ thuật làm giàu dựa trên sự khác nhau giữa pH của vùng đệm điện di và mẫu phân tích 25

Hình 2.1: Hệ thiết bị điện di mao quản CE-C 4 D tự chế, bán tự động 28

Hình 2.2: Sơ đồ quy trình xử lý mẫu nước ngầm để phân tích hàm lượng As(III) 30

Hình 3.1: Điện di đồ As(III) 40µM/ axit 15mM với pha động điện di là Arg: CAPS/ MES/ MOPS/ CHES 34

Hình 3.2: Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của hệ số làm giàu As(III) vào độ dẫn của dung dịch đệm điện di Arg: CAPS 35

Hình 3.7: Tín hiệu As(III) 40 µM khi dùng đệm Arg 14: CAPS 60 mM, 38

Hình 3.9: Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của hệ số làm giàu As(III) vào nồng độ axit của nền mẫu 40

Hình 3.10: Tín hiệu As(III) 40 µM pha trong nền axit formic 40

Hình 3.11: Tín hiệu As(III) 40 µM pha trong nền axit axetic 40

Hình 3.12: Tín hiệu As(III) 40 µM pha trong nền axit oxalic 41

Hình 3.13: Tín hiệu As(III) 40 µM pha trong nền axit maleic 41

Hình 3.15: Tín hiệu As(III) 40 µM pha trong nền axit formic 15mM 42

Hình 3.16: Tín hiệu As(III) 40 µM pha trong nền axit axetic 15mM 42

Hình 3.17: Tín hiệu As(III) 40 µM pha trong nền axit oxalic 15mM 43

Hình 3.18: Tín hiệu As(III) 40 µM pha trong nền axit maleic 15mM 43

Hình 3.21: Khảo sát khoảng tuyến tính As(III) 50

Hình 3.22: Đường chuẩn phân tích hàm lượng As(III) 50

Hình 3.23 Đồ thị thể hiện hàm lượng Asen của các mẫu nước ngầm phân tích được so với TCVN về

hàm lượng Asen trong nước uống (10µg/ l) và trong nước ngầm (50µg/ l) 55

MỞ ĐẦU

Tình trạng ô nhiễm Asen trong nước ngầm hiện đang là mối quan tâm không

chỉ Việt Nam mà còn cả trên thế giới Tại một số vùng ở Việt Nam việc sử dụng nguồn

nước ngầm có nguy cơ ô nhiễm asen làm nguồn nước sinh hoạt hàng ngày vẫn còn tiếp

diễn, gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe của con người

Trong nước, Asen tồn tại cả dạng vô cơ và hữu cơ với các hợp chất chủ yếu là

metylasonic, dimetylasinic, asenit (As(III)) và asenat (As(V)) Tỷ lệ As(III) so với

As(V) có thể dao động từ 0,1 : 1 cho đến 10 : 1 tùy vào từng vùng và tỷ lệ này thay đổi

theo mùa [33] Theo các số liệu nghiên cứu được về cơ chế giải phóng As từ trong

trầm tích vào nước ngầm, môi trường nước ngầm ở Việt Nam chủ yếu có tính khử

[31] Do vậy, tiểu phần As vô cơ chủ yếu trong nước ngầm ở Việt Nam là As(III) Mặt

khác, độc tính của asen phụ thuộc vào trạng thái oxi hóa của Asen, phụ thuộc vào dạng

tồn tại vô cơ hay hữu cơ Độc tính của các dạng Asen vô cơ cao hơn so với các dạng

Asen hữu cơ; trong đó, độc tính của các dạng hợp chất của Asen hóa trị III cao hơn các

dạng hợp chất của Asen hóa trị V[25]

Do đó, việc xác định hàm lượng Asen trong nước ngầm, đặc biệt là xác định

các dạng asen vô cơ, trước khi khai thác là yêu cầu cấp thiết, nhằm góp phần cung cấp

nguồn nước sạch, đảm bảo sức khỏe của người dân

Hiện nay, có rất nhiều phương pháp khác nhau để xác định hàm lượng Asen

tổng cũng như các dạng asen như phương pháp trắc quang (UV- VIS), phương pháp

phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa (GF- AAS), phương pháp phổ khối plasma cảm

ứng (ICP- MS), phương pháp điện hóa, phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao,

song các phương pháp này đều được tiến hành trong phòng thí nghiệm với trang thiết

bị phức tạp và đòi hỏi quy trình bảo quản mẫu nghiêm ngặt hoặc phải kết hợp với kỹ

thuật tách ngay tại hiện trường nhằm tránh sự oxi hóa dạng As(III) lên dạng As(V) khi

tiến hành phân tích dạng Asen Trong khi đó, trang thiết bị máy điện di thiết kế tương

đối gọn nhẹ, thao tác đơn giản không chỉ phù hợp cho việc phân tích hàm lượng Asen

trong phòng thí nghiệm mà còn có thể tối ưu hóa thiết bị cho mục đích phân tích các

dạng Asen vô cơ ngay tại hiện trường

Trước đó, nhóm nghiên cứu chúng tôi tác giả Nguyễn Thị Ánh Hường [2, 22]

đã thành công trong việc xây dựng quy trình xác định hàm lượng nhỏ các dạng asen vô

cơ bằng phương pháp điện di mao quản kết hợp với detector độ dẫn không tiếp xúc

kiểu kết nối tụ điện ( CE- C4D); giới hạn phát hiện As(V) là 2µg/ l và giới hạn định

lượng là 7,4 µg/ l; tuy nhiên, giới hạn phát hiện As(III) còn khá cao là 73 µg/l chưa

đáp ứng được quy định về mức cho phép về hàm lượng Asen là 50µg/ l đối với nước

ngầm (QCVN 02: 2009/ BYT)[13] và 10µg/l đối với nước uống (QCVN 01: 2009/

BYT)[12] Do đó, với mục đích làm tăng độ nhạy của phương pháp phân tích Asen,

đặc biệt là tăng độ nhạy của phương pháp đối với phép phân tích trực tiếp As(III),

chúng tôi tiếp tục nghiên cứu sử dụng các kỹ thuật làm giàu trực tiếp với đề tài là:

“Nghiên cứu áp dụng các kỹ thuật làm giàu kết hợp với phương pháp điện di mao

quản sử dụng detector đo độ dẫn không tiếp xúc để xác định các dạng Asen vô cơ ”,

hy vọng sẽ góp một phần nhỏ làm phong phú thêm công cụ kiểm tra hàm lượng các

dạng asen vô cơ trong mẫu nước, đáp ứng nhu cầu thực tế hiện nay

Comment [TA2]: Trích dẫn QCVN của Bộ

TNMT

Comment [TA3]: Trích dẫn quy định về nước

ăn uống

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1 Asen và ô nhiễm Asen trong nước ngầm

1.1.1 Khái quát chung về Asen

Asen là nguyên tố hình thành tự nhiên trong vỏ Trái Đất Asen là nguyên tố á

kim, mang cả tính chất kim loại và phi kim Asen thường được đề cập đến như là một

kim loại Asen nguyên chất tồn tại ở thể rắn, màu xám Asen tồn tại ở 4 trạng thái oxy

dẫn điện, dẫn nhiệt tốt

Độc tính của As phụ thuộc vào dạng tồn tại Asen tan trong nước và hầu như không tồn tại ở dạng nguyên tố mà hình thành

các hợp chất, gọi là các “Arsenicals” Tuy nhiên, asen tồn tại trong môi trường dưới

dạng hợp chất thành asen vô cơ và asen hữu cơ Asen vô cơ là hợp chất của asen với

một số nguyên tố như clo và lưu huỳnh Hợp chất của asen với với cacbon và hydro

được gọi là hợp chất asen hữu cơ Đa số các hợp chất của Asen là dạng bột màu trắng

hoặc không màu, không mùi và hầu hết không vị Asen vô cơ tự nhiên có trong đất và

nhiều loại khoáng vật, đặc biệt là các khoáng của chì hoặc đồng

Asen tồn tại trong tự nhiên chủ yếu trong các loại đá và trầm tích, bảng 1.2

Song Asen thực sự trở thành mối đe dọa đối với sức khỏe con người khi chúng được

thải ra từ đá thuộc tầng chứa nước hoặc từ trầm tích vào nước ngầm và sau đó nguồn

nước ngầm này lại được con người sử dụng cho sinh hoạt hàng ngày, nước uống

Nghiên cứu cũng đã chỉ ra trong hầu hết các trường hợp thì asen trong đá và trầm tích

xâm nhập vào môi trường chỉ xảy ra do điều kiện địa hóa của tự nhiên đẫn đến ô

nhiễm Asen cao trong nước ngầm

Bảng 1.2: Hàm lượng Asen trong đá và trầm tích[39]

Các hợp chất Asen sử dụng trong thương mại và trong công nghiệp như trong

sản xuất bóng bán dẫn, laser, chất bán dẫn cũng như trong chế biến thủy tinh, bột màu,

dệt may, giấy, keo dán kim loại, chất bảo quản gỗ cũng như trong sản xuất đạn dược

Ngoài ra, các hợp chất của Asen còn được sử dụng trong quá trình thuộc da và thuốc

trừ sâu, phụ gia thức ăn, dược phẩm (ở mức hạn chế)[40]

1.1.2 Độc tính và cơ chế gây độc của Asen

 Độc tính của Asen

Độc tính của các As phụ thuộc vào cấu tạo hóa học cuả chúng và được sắp xếp

theo thứ tự sau: arsenite> arsenate> monomethylarsonate> dimethylarsinate As3+ có

độc tính lớn hơn As5+

khoảng 60 lần; các hợp chất As vô cơ có độc tính cao hơn các

As hữu cơ khoảng 100 lần Điều này cũng có thể giải thích là do các hợp chất asenit ,

asenat vô cơ bền hay có khả năng hòa tan trong nước đều dễ dàng hấp thụ vào dạ dày

và các tế bào của cơ thể Mặt khác, dạng xâm nhập chính của Asen vào cơ thể là các

hợp chất dạng asen vô cơ mà trong đó As(III) dễ hấp thụ vào con người qua con đường

ăn uống, trao đổi chất vì dễ hòa tan vào nước hơn so với As(V); hơn nữa, As(V) được

bài tiết (chủ yếu qua nước tiểu) nhanh hơn As(III) [25, 40]

Bảng 1.3: Một số hợp chất của Asen gây độc tính với con người

Arsenite H2AsO3-, HAsO32-, AsO3

Arsenate H2AsO4-, HAsO42-, AsO4

3-Arsanilic acid C6H4NH2AsO(OH)2

Arsenobetaine (CH3)3As+CH2COO-

Arsenocholine (CH3)3AsCH2CH2OH

Dimethylarsinic acid (CH3)2AsO(OH)

Nhiễm độc Asen có thể gây ra hàng loạt các vấn đề nguy hại đe dọa tới sức khỏe

của con người Các triệu chứng khi nhiễm độc Asen bao gồm tổn thương da, ung thư

da, ung thư phổi và bàng quang, các bệnh về dạ dày, ruột và phổi Ngộ độc asen cũng

gây ra chậm phát triển nhận thức ở trẻ em Các triệu chứng phổ biến nhất khi nhiễm

độc Asen mãn tính là thay đổi sắc tố da và hình thành lớp sừng (xơ cứng, lớp dày và

xuất hiện các nốt trên da) và thường xuất hiện ở vùng cơ thể ít tiếp xúc với ánh sáng

như vùng ngực, bụng, lưng Hình thành lớp sừng dày, xơ cứng, các nốt sần chủ yếu ở

lòng bàn tay và lòng bàn chân Các nốt sần dày lên, da có thể bị nứt và dễ bị nhễm

trùng dẫn đến suy nhược và đau đớn

Song không phải bất cứ ai tiếp xúc với hàm lượng asen vượt quá giới hạn cho

phép đều bị nhiễm độc Asen Việc phơi nhiễm Asen tiềm ẩn rủi ro tới sức khỏe của

con người Rủi ro sức khỏe do nhiễm độc Asen không chỉ phụ thuộc vào hàm lượng

Asen mà còn phụ thuộc vào thời gian tiếp xúc; hơn nữa, phụ thuộc vào chế độ ăn

uống, do di truyền

 Cơ chế gây độc của Asen[17]

Asen đi vào cơ thể con người bằng tất cả các con đường có thể như: hít thở, ăn

uống và thẩm thấu qua da Trong đó, uống nước nhiễm Asen là con đường chính để

Asen xâm nhập vào cơ thể con người Khi vào cơ thể, chúng thể hiện độc tính, đặc biệt

là As(III) tấn công vào các nhóm hoạt động –SH của enzym, làm cản trở sự hoạt động

của enzym:

Mặt khác, AsO43- có tính chất tương tự PO43- sẽ thay thế ion PO43- gây ức chế

enzym, ngăn cải tạo ra ATP là chất sản sinh ra năng lượng

Như vậy, tác dụng sinh hóa chính của Asen là làm đông tụ protein, tạo phức với

enzym và phá hủy quá trình photphat hóa tạo ra ATP

1.1.3 Một số quy định nồng độ giới hạn Asen trong nước uống và nước ngầm

Asen ( As) được biết chủ yếu bởi độc tính của nó với sức khỏe con người, đe

dọa nghiêm trọng tới sức khỏe hàng triệu người trên thế giới Đặc biệt, ở một số nước

châu Á việc sử dụng nguồn nước ngầm (nước giếng) dùng trong sinh hoạt thay thế

nguồn nước mặt ô nhiễm khiến cho nguy cơ ô nhiễm Asen càng trở lên trầm trọng

Cục bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (US- EPA) và tổ chức Y tế thế giới (WHO) đã quy

định hàm lượng As trong nước uống là 10µg/ l Trong khi đó, các nước đang phát triển

bởi hạn chế về kinh tế cũng như khó khăn trong việc áp dụng kỹ thuật mới nên vẫn sử

dụng tiêu chuẩn cũ, hàm lượng Asen quy định trong nước uống là 50µg/ l

Bảng 1.4: Quy định nồng độ giới hạn Asen trong nước uống[41]

Bảng 1.5: Một số quy định nồng độ giới hạn Asen trong nước ở Việt Nam[12, 13]

1.1.4 Vấn đề ô nhiễm Asen trong nước ngầm trên thế giới và Việt Nam

1.1.4.1 Vấn đề ô nhiễm Asen trong nước ngầm trên thế giới

Sự phơi nhiễm cao Asen trong nước uống diễn ra trong nhiều thập kỷ ở một số

vùng trên thế giới như Trung Quốc, một số nước thuộc trung tâm và Nam Mỹ và hầu

hết các nước này đều sử dụng nguồn nước ngầm làm nguồn nước uống Một số vùng ô

nhiễm hàm lượng asen cao như Bangladesh, Trung Quốc, Tây Bengal (Ấn Độ),

Argentina, Úc, Chile, Mexico, Mỹ và Việt Nam Một số vùng mỏ, nung chảy và các

hoạt động công nghiệp khác ở Nhật Bản, Mexico, Thái Lan, Brazil, Úc và Mỹ cũng

giải phóng một lượng asen vào nước[41] Phơi nhiễm Asen lớn nhất được biết đến

trong lịch sử xảy ra ở Bangladesh và các vùng cận kề Tây Bengal, Ấn Độ với 35÷ 77

triệu người nhiễm độc Asen khi sử dụng nguồn nước ô nhiễm Asen làm nước uống

Hầu hết nguồn nước uống của người dân thuộc các vùng nông thôn Bangladesh được

lấy từ các giếng khoan nông Hàm lượng Asen trung bình xác định được tại các giếng

nước ngầm phía nam và phía đông Bangladesh là 135 µg/ l Trên 60% số giếng trong

vùng bị ô nhiễm Asen nghiêm trọng với hàm lượng Asen vượt quá 1000 µg/ l[41]

1.1.4.2 Vấn đề ô nhiễm Asen trong nước ngầm ở Việt Nam

Asen là một nguyên tố không chỉ có trong nước mà còn có trong không khí, đất,

thực phẩm và có thể xâm nhập vào cơ thể con người Điều tra sơ bộ đã có thể khẳng

định nguyên nhân chủ yếu khiến nước ngầm ở nhiều vùng thuộc nước ta nhiễm asen là

do cấu tạo địa chất Giống như hầu hết các nước Đông Nam Á các lớp đất Việt Nam

nhận trầm tích từ vùng Hymalaya rửa trôi xuống do mưa và kéo theo đó là các trầm

tích giàu Asen Kết quả asen từ các trầm tích được hấp thụ vào các lớp chưa oxit sắt và

xâm nhập vào các nguồn nước ngầm[3, 4, 41]

Ngoài những nguyên nhân tự nhiên ở trên thì ảnh hưởng của chiến tranh Việt

Nam, chiến dịch “Operation Ranch Hand” (một dự án quân sự của Hoa kỳ từ ngày 10

tháng 8 năm 1961 đến tháng 10 năm 1971 sử dụng hợp chất diệt cỏ có chứa asen) cũng

là nguyên nhân gây ô nhiễm Asen trầm trọng đối với nước ta

Tuy nhiên, cũng không loại trừ ô nhiễm là do tác động của con người như gần

các nhà máy hoá chất, những khu vực dân tự động đào và lấp giếng không đúng tiêu

chuẩn kỹ thuật khiến chất bẩn, độc hại bị thẩm thấu xuống mạch nước Asen được sử

dụng nhiều trong công nghiệp và được sử dụng hạn chế trong thuốc trừ sâu, chất phụ

gia trong thức ăn gia súc và trong các dược phẩm Dạng tồn tại và hàm lượng asen phụ

thuộc vào một số nhân tố, bao gồm sự oxi hóa và các nhân tố sinh học Trong các

nguồn nước tự nhiên dạng Asen thường xuất hiện nhất là Asenite (As3+) hay arsenate

(As5+) Hàm lượng Asen trong nước ngầm trung bình từ 1÷ 2 µg/ l, một số vùng núi

lửa và mỏ khoáng sunfua có hàm lượng asen trong nước ngầm lên tới 3 mg/ l[3, 4, 41]

Theo khảo sát tổ chức Unicef, tại Việt Nam hiện nay, số người có nguy cơ mắc

bệnh do tiếp xúc với thạch tín lên tới 10 triệu người Những nghiên cứu gần đây cho

thấy vùng châu thổ sông Hồng có nhiều giếng khoan có hàm lượng Asen vượt quá tiêu

chuẩn cho phép của Tổ chức Y tế Thế giới cũng như tiêu chuẩn Việt Nam Những

vùng bị nhiễm nghiêm trọng nhất là Hà Nam, Nam Hà Nội, Hà Tây (cũ), Nam Định,

Ninh Bình Mức độ ô nhiễm Asen ở tỉnh Hà Nam là cao nhất so với cả nước (50,2% số

giếng khoan ở Hà Nam có nồng độ Asen trên 0,05 mg/l) [3, 4, 41]

Theo đánh giá của UNICEF, khu vực phía nam Hà Nội ô nhiễm asen nặng nhất,

thậm chí đứng đầu danh sách các địa chỉ ô nhiễm asen trên toàn quốc 34% số mẫu

nghiên cứu tại một địa bàn phía nam Hà Nội có hàm lượng asen vượt quá tiêu chuẩn

cho phép Nghiên cứu được thực hiện tại 500 giếng khoan vào mùa khô tại một số khu

vực thuộc phường Quỳnh Lôi (quận Hai Bà Trưng) do Viện KHCNMT Liên bang

Thụy Sỹ và Liên đoàn Địa chất Thủy văn – Công trình Miền Bắc thực hiện

Đáng chú ý, hàm lượng asen trong nước ở khu vực Hà Nội có xu hướng cao

hơn so với 5 – 6 năm trước Khảo sát trên diện rộng ở 12 tỉnh thực hiện từ tháng 11/

2003 đến tháng 4/ 2004 do UNICEF tài trợ, với 12.461 mẫu phân tích từ các giếng

khoan cho thấy, hàng chục triệu người Việt Nam đang phải sử dụng nước sinh hoạt và

ăn uống lấy từ tầng nước ngầm bị ô nhiễm asen

Thống kê ban đầu của UNICEF cho biết khoảng 10 triệu người ở Việt Nam có

nguy cơ bị bệnh do tiếp xúc với asen Những số liệu thu thập được cho thấy ô nhiễm

asen ở miền Bắc cao hơn miền Nam[3, 4, 41]

Viện Địa lý thuộc Viện Khoa học & Công nghệ Việt Nam thực hiện từ năm

2001 thực hiện một nghiên cứu đánh giá chất lượng nước ngầm tại các huyện Bình

Lục, Lý Nhân, Duy Tiên, Kim Bảng, Thanh Liêm (tỉnh Hà Nam) một cách ngẫu nhiên

Kết quả cho thấy hàm lượng asen trong nước ngầm qua xét nghiệm mẫu nước của 56

giếng khoan của những nơi này có mức độ ô nhiễm asen rất cao

UNICEF khẳng định mức độ ô nhiễm asen của Hà Nam nghiêm trọng như

ở Bangladesh - nơi được đánh giá là có độ ô nhiễm asen cao trên thế giới

Tuy nhiên, khảo sát của các chuyên gia tại ba xã Hòa Hậu, Bồ Đề và Vĩnh Trụ

(tỉnh Hà Nam) phát hiện 28,3% bị các bệnh về da (so với tỷ lệ trung bình cả nước là

3÷ 5%)[3, 4, 41]

Tại ba xã này tỷ lệ ung thư các bộ phận tiêu hoá và tiết niệu cao hơn các dạng

ung thư khác Có 31 trường hợp thiếu máu trong đó 28 người thiếu máu có liên quan

đến nhiễm độc asen mãn tính

Mới đây, tại thôn Thống Nhất (xã ứng Hoà, tỉnh Hà Tây), người ta cũng phát

hiện 22 người bị chết do ung thư trong vòng 10 năm qua mà nguyên nhân đầu tiên

được xem xét đến là do ngưồn nước nhiễm asen cao gấp 17÷ 30 lần mức độ cho phép

1.2 Các phương pháp phân tích Asen

1.2.1 Phương pháp trắc quang- Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV- VIS

với thuốc thử bạc dietydithiocacbamat (AgDDC) trong cloroform- Xác định

Asen tổng

Toàn bộ lượng Asen có trong mẫu sẽ chuyển về dạng asenat bằng dung dịch KI

hoặc NaI, sau đó dưới tác dụng của dòng hidro mới sinh do phản ứng của Zn với axit

HCl, Asenat bị khử thành Asin (AsH3) Khí Asin tạo thành đi qua ống hấp thụ chứa

bạc dietylditiocacbamat trong dung dịch piridin (hoặc cloroform) tạo thành phức chất

màu đỏ Đo quang phổ của phức chất màu đỏ- tím được tạo thành ở bước sóng 510 nm

hoặc 525 nm tương ứng với mỗi dung môi Phương pháp này dùng để xác định nồng

độ Asen trong khoảng từ 0,0001 đến 0,1 ng/ l[16]

Comment [TA4]: Nếu mà chuyển thành phân

tích các dạng asen thì hay hơn Trường hợp ko kịp thì phân làm 2, các PP xác định tổng hàm lượng asen và một số PP xác dịnh các dạng asen,

Chú ý, người ta có thể sử dụng PP xác định tổng kết hợp với 1 kỹ thuật tách tại hiện trường

là cũng xác định được dạng

1.2.2 Phương pháp ICP- MS ( Inductively coupled plasma- Mass spectrometry)

Phương pháp này có thể xác định đồng thời nhiều kim loại trong dung dịch

Mẫu phân tích dạng lỏng được bơm vào nguồn plasma, tại đây xảy ra quá trình hóa

hơi, nguyên tử hóa và ion hóa mẫu Các ion tạo thành được dẫn khỏi buồng plasma

bằng bơm chân không và sau đó được phân tách dựa trên tỷ lệ khối lượng/ điện tích và

được phát hiện bằng nhân quang điện.[38]

Tác giả S Pansamut và G Wattayakorn [35] đã xác định tổng hàm lượng Asen

bằng phương pháp ICP- MS trong các mẫu nước thuộc Tambon Ongpra, Thái Lan từ

58 ÷ 32,961 µg/ l và hàm lượng asen trung bình là 3,944 µg/ l

Các tác giả Z Cheng, Y Zheng, R Mortlock và A van Geen [42] cũng đã sử

dụng phương pháp ICP- MS phân tích hàm lượng tổng Asen (đồng thời với các kim

loại khác) trong 629 mẫu nước ngầm thu thập từ các giếng thuộc Bangladesh (đông

bắc Araiharzar) với giới hạn phát hiện rất thấp của Asen là 0,07 µg/ l

1.2.3 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa (GF- AAS)

Với phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử lò graphit một thể tích mẫu nhỏ

( khoảng 5÷ 50µl) được bơm vào lò graphit Tại đây mẫu được làm khô, hóa hơi và

nguyên tử hóa bằng nguồn điện Chùm sáng đơn sắc của các nguyên tố cần quan tâm

phát ra từ đèn catot rỗng được chiếu vào đám hơi nguyên tử tự do và một đầu dò xác

định lượng tia sáng bị hấp thụ Lượng tia sáng bị hấp thụ này tỷ lệ thuận với lượng

mẫu ban đầu[7, 38]

Phương pháp GF- AAS được các tác giả Lisia Maria Gobbo Santos và Silvana

do Couto Jacob[27] lựa chọn để xác định tổng hàm lượng Asen trong các mẫu nước

với giới hạn phát hiện đạt được rất thấp là 0,13 µg/ l và giới hạn định lượng là 1,04 µg/

l với độ đúng dưới 15%, độ chính xác 96% Các dạng As(III) và As(V) được phân tách

bằng cách sử dụng cột trao đổi ion (Dowex 1X8, Cl- ) và hiệu suất thu hồi với As(III)

là 98% và 90% đối với As(V)

Raad Al Shukry, Christophe Dagot, Jean-Claude Bollinger [32] đã áp dụng

phương pháp GF- AAS phân tích tổng hàm lượng Asen trong mẫu nước ngầm và đạt

giới hạn phát hiệ 0,26 µg/ l Ưu điểm của phương pháp này có thể phân tích 20 mẫu

trong 1 giờ Hiệu suất thu hồi đạt được từ 91 ÷ 105% với độ lệch chuẩn <5% Ảnh

hưởng của cation và các anion trong nước ngầm cũng được các tác giả nghiên cứu Chỉ

anion photphat và anion silicat với hàm lượng 4 và 20 mg/ l tương ứng gây ảnh hưởng

tới tín hiệu Asen thu được (tại mức tổng hàm lượng Asen vô cơ là 4 µg/ l)

1.2.4 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử- Kỹ thuật hydrua hóa HG- AAS

(hydride generation- atomic absorption spectrometry)

Phương pháp HG- AAS là phương pháp phổ biến, đơn giản, hiệu quả để phân

tích tổng hàm lượng Asen trong nước với độ nhạy cao mức µg/ l đến mg/ l, thời gian

phân tích ngắn và giá thành rẻ Nguyên tắc của phương pháp là: khử As(V) về As(III)

Sau đó, As(III) được chuyển thành dạng hydrua hóa asin bằng phản ứng với Zn và axit

clohydric hoặc NaBH4 Khí asin sinh ra được dẫn vào ngọn lửa đền khí Argon- H2 tạo

thành đám hơi nguyên tử tự do Chiếu chùm sáng đơn sắc của nguyên tố cần quan tâm

tạo bởi đèn catot rỗng vào đám hơi nguyên tử này Đầu dò xác định lượng ánh sáng bị

hấp thụ bởi asin [ 7,38]

Tác giả T Tsetsegmaa, TS Darjaa và D Dorj [37] tiến hành xác định hàm

lượng Asen trong mẫu nước ngầm bằng phương pháp HG- AAS đạt được giới hạn

phát hiện thấp 0,3 µg/ l

Các tác giả Shraim, Amjad [34] cùng các cộng sự đã tiến hành định lượng tổng

hàm lượng Asen (arsenit+ arsenate+ axit monomethylarsonic và axit dimethyularsinic

) trong các mẫu nước ngầm thu thập từ các vùng khác nhau thuộc United Arbab

Emirates sử dụng HG- AAS và L- cysteine (thuốc thử của quá trình khử) trong môi

trường nồng độ axit thấp 0,04- 0,06 M HNO3, 2% L- cysteine với giới hạn phát hiện

0,2µg/ l; tổng hàm lượng Asen trong các mẫu này là dưới 5µg/ l

Các tác giả M.A Wahed1, Dulaly Chowdhury cùng cộng sự [28] đã tiến hành

phân tích 13286 mẫu nước giếng ngầm thuộc Matlab, vùng nông thôn của Bangladesh

bằng phương pháp HG- AAS Khoảng tuyến tính của đường chuẩn xác định hàm

lượng Asen từ 1÷ 30 µg/ l Giới hạn phát hiện đạt được từ 0,3÷ 0,5 µg/ l Kết quả 37%

số mẫu chứa hàm lượng Asen tổng dưới 50 µg/ l; 29% số mẫu có hàm lượng Asen

tổng dưới ngưỡng cho phép quy định của WHO về hàm lượng Asen trong nước uống

là 10 µg/ l và 17% số mẫu có mức hàm lượng Asen tổng dưới 1 µg/ l

1.2.5 Phương pháp điện hóa xác định hàm lượng Asen

 Phương pháp von- ampe hòa tan

Nguyên tắc của phương pháp: dựa trên việc điện phân kết tủa làm giàu chất cần

phân tích lên bề mặt điện cực, sau đó ghi tín hiệu hòa tan của chất cần phân tích Do

kết hợp với việc làm giàu lên phương pháp có độ nhạy khá cao

Phương pháp vôn ampe hòa tan catot để xác định tổng hàm lượng Asen được

nghiên cứu bởi nhiều tác giả Giới hạn phát hiện đạt được là 0,05 ng/ ml; 0,52 ng/ l và

121 ng/ ml phụ thuộc vào thời gian và nồng độ chất phân tích trên điện cực

Tác giả Trần Hữu Hoan [1] đã nghiên cứu và xác định Asen bằng phương pháp

điện hóa hòa tan anot dùng điện cực than mềm, giới hạn phát hiện là 10-8 mol/ l

Tác giả Hoàng Thái Long [5] bằng phương pháp von- ampe hòa tan anot xung

vi phân đã xác định được As(III) với độ lặp lại tốt (RSD= 3,5%, n= 20), độ nhạy cao,

giới hạn phát hiện thấp 0,4 ppb và khoảng tuyến tính rộng (2÷80 ppb) As(V) được xác

định gián tiếp qua phản ứng khử về As(III) bằng Na2S2O4 và giới hạn phát hiện của

As(V) là 1,4 ppb

1.2.6 Phương pháp điện di mao quản xác định hàm lượng Asen

Nhóm nghiên cứu của chúng tôi tác giả Nguyễn Thị Ánh Hường [2] đã nghiên

cứu thành công quy trình xác định hàm lượng các dạng asen vô cơ bằng phương pháp

điện di mao quản kết hợp với detector độ dẫn không tiếp xúc kiểu kết nối tụ điện (CE-

C4D)

Quy trình phân tích tối ưu cho phân tích dạng As(V) bao gồm: axit axetic 5 mM

có pH= 4,6 làm dung dịch pha động điện di; bơm mẫu thủy động lực học kiểu

xyphông trong 120s ở độ cao 20 cm; điện thế tách -15 kV; mao quản silica có đường

kính trong 50 µm với tổng chiều dài 60 cm ( chiều dài hiệu dụng 53cm) Giới hạn phát

hiện đạt được cho As(V) với chất chuẩn là 2 µg/ l đáp ứng được QCVN (50 µg/ l đối

với nước ngầm và 10 µg/ l đối với nước uống)

Quy trình phân tích phân tích dạng As(III) bằng CE- C4D cũng được tối ưu hóa

như sau: dung dịch pha động điện di là Arg 2 mM - CAPS 50 mM, CTAB 30 µM,

pH= 9,0; bơm mẫu thủy động lực học kiểu xyphông ở độ cao 20 cm trong 60s; điện

thế tách -20 kV; mao quản silica có đường kính trong 50 µm với tổng chiều dài 75cm

(chiều dài hiệu dụng 68cm) Giới hạn phát hiện đạt được cho As(III) là 21,7 µg/ l Tuy

nhiên giới hạn phát hiện này còn khá cao, do đó, việc phân tích hàm lượng As(III)

được tiến hành gián tiếp thông qua As(V) bằng cách sử dụng hỗn hợp chất oxy hóa là

Cr2O72- 10-5M và MnO4- để oxy hóa As(III) thành As(V)

Đối với mẫu nước ngầm, Asen tồn tại chủ yếu ở dạng Asen vô cơ: As(III) và

As(V) As(III) lại có độc tính cao gấp khoảng 60 lần so với As(V) Trong khi đó, đặc

điểm môi trường nước ngầm của nước ta thường có tính khử nên dạng As(III) chiếm

ưu thế, do đó, việc áp dụng kỹ thuật làm giàu trực tiếp trên cột trong phương pháp CE-

C4D nhằm hạ thấp giới hạn phát hiện phương pháp của phép phân tích trực tiếp As(III)

đáp ứng quy định về mức cho phép về hàm lượng Asen trong nước uống của Bộ y tế

(10 µg/ l) là có ý nghĩa

1.3 Phương pháp điện di mao quản

Điện di mao quản là một kỹ thuật tách các chất dựa trên sự di chuyển khác

nhau của các phân tử chất (chủ yếu là các ion mang điện tích) trong dung dịch chất

điện ly có chất đệm pH và trong tác dụng của điện trường (E) nhất định do thế (V) đặt

vào hai đầu mao quản sinh ra Cấu tạo của hệ điện di được cho trong hình 1.1[6, 14,

24]

Hình 1.1 Sơ đồ phân tích hệ điện di mao quản

Độ điện di, tốc độ điện di và thời gian điện di

Trong điện di, tốc độ di chuyển của các hạt tích điện (v) tỉ lệ thuận với cường

độ điện trường (E):

v = μ E

Trong đó: v: tốc độ di chuyển của ion

μ: là độ diện di E: là điện trường ngoài Trong điều kiện tốc độ của dòng ổn định, lực tác động lên các tiểu phân tích

điện từ phía điện trường ngoài và lực ma sát sẽ cân bằng:

q.E= fe.v Trong đó: q: là điện tích hạt nhân

tỷ lệ nghịch với độ nhớt η của dung dịch pha động điện di và độ lớn (bán kính hydrat)

của ion chất phân tích

 Mao quản

Là một bộ phận quan trọng trong điện di mao quản Đây chính là một trong các

yếu tố quyết định sự điện di hỗn hợp của các chất mẫu Mao quản được chế tạo chủ

yếu là silica được gọi là mao quản silica Trong một số trường hợp người ta cũng dùng

mao quản teflon, khi mao quản silica không phù hợp, ví dụ mẫu có ion F- và tách ở pH

thấp [6, 14, 24]

Hình 1.2 Mặt cắt ngang của mao quản

Lớp điện kép trên thành mao quản và dòng điện di thẩm thấu

Trong quá trình điện di, lớp điện kép và thế của chúng (thế Zêta) xuất hiện ở sát

thành mao quản, nó phụ thuộc vào lực ion của dung dịch pha động điện di

Hình 1.3 Lớp điện tích kép trên bề mặt mao quản

Dòng EOF di chuyển từ cực dương sang cực âm, dưới tác dụng của điện

trường, các cation di chuyển cùng chiều với dòng EOF do đó di chuyển nhanh hơn,

ngược lại các anion di chuyển ngược chiều với dòng EOF do đó di chuyển chậm hơn

còn các phần tử trung hòa không chịu tác động của điện trường nên di chuyển cùng tốc

độ với dòng EOF

Hình 1.4 Ảnh hưởng của dòng EOF đến tốc độ của các ion trong quá trình điện di

Do vậy, để có được hiệu quả tách cao cần tìm được dòng EOF có cường độ phù

hợp với chất phân tích, có nghĩa là phải tối ưu hóa các điều kiện của quá trình điện di

 Dung dịch đệm pH và pha động trong phương pháp điện di mao quản

Dung dịch đệm quyết định độ linh động điện di của các chất phân tích Do yếu

tố pH, loại dung dịch đệm mà trong đó, các ion và phân tử axit hay bazơ trong thành

phần của dung dịch đệm góp phần tạo nên lực ion của chúng Hơn nữa, chúng cũng

ảnh hưởng đến độ tan, tốc độ phản ứng của các chất [6, 14, 24]

Bảng 1.6 Các chất thường dung làm pha động trong CE và giá trị pK của chúng

 Nguồn điện thế cao

Quá trình điện di trong mao quản chỉ xảy ra khi có nguồn thế V một chiều nhất

định đặt vào hai đầu mao quản Thế V này tạo ra lực điện trường E và dòng điện I

trong mao quản, nó điều khiển và duy trì sự điện di của các chất Việc chọn điện thế V

là bao nhiêu tùy thuộc vào bản chất của chất phân tích, chất nền của mẫu, giá trị pH

của pha động điện di…[6, 14, 24]

 Kỹ thuật bơm mẫu trong phương pháp điện di mao quản

Trong điện di mao quản có ba phương pháp thường dùng nạp mẫu phân tích

vào trong mao quản, bao gồm[6, 14, 24]:

- Phương pháp thủy động lực học dùng áp suất

- Phương pháp thủy động lực học theo kiểu xiphông

- Phương pháp điện động học

Hình 1.5 Các kĩ thuật bơm mẫu trong phương pháp điện di mao quản

 Kĩ thuật bơm mẫu kiểu thuỷ động học

Trong kĩ thuật này, mẫu được bơm vào mao quản nhờ áp lực (hình 1.5 A,

B) Khi đó, lượng mẫu bơm vào trong mao quản phụ thuộc vào áp lực sử dụng (áp

suất, lực hút chân không hoặc chiều cao bơm mẫu) và thời gian bơm mẫu

 Kĩ thuật bơm mẫu kiểu điện động học

Kĩ thuật này sử dụng lực điện khi áp thế cao (5 - 10 kV trong vài giây) để bơm

mẫu vào mao quản (Hình 1.5 C) Phương pháp bơm mẫu này cho kết quả các pic

phân tách có độ sắc nét cao Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm rất lớn là

diện tích pic (dùng để định lượng) có độ lặp lại thấp với các nền mẫu khác nhau, do đó

thường chỉ dùng để định tính

 Phương pháp điện di mao quản sử dụng detector đo độ dẫn không tiếp xúc

CE-C 4 D

Trong phương pháp điện di mao quản, detector đo độ dẫn là một trong những

loại detector rất được chú ý, tuy có độ nhạy thấp hơn so với hai kĩ thuật điện hóa khác

nhưng lại có ưu điểm là detector đa năng có thể dùng cho rất nhiều loại chất phân tích

khác nhau Detector này có thể thu nhỏ, thuận lợi khi kết hợp với các mao quản có

đường kính hẹp, thậm chí với các microchip mà không ảnh hưởng đến độ nhạy và các

tính chất khác của detector[6, 14, 24]

 Giới thiệu chung

Cảm biến đo độ dẫn không tiếp xúc (C4D) với thiết kế hai điện cực đồng trục

xuất hiện lần đầu trên thế giới vào năm 1998 Dựa trên thiết kế này, năm 2002

nhóm nghiên cứu của GS Peter Hauser (khoa Hóa, trường đại học Basel, Thụy Sỹ) đã

phát triển thành công dòng sản phẩm C4

D với nguồn điện thế kích thích xoay chiều cao (HV- C4D, 200V) Hãng điện tử eDAQ của Úc sau đó đã phối hợp cùng nhóm

nghiên cứu của GS Peter Hauser để phát triển dòng sản phẩm C4D thương phẩm

dựa trên nghiên cứu này

 Nguyên lý hoạt động C4D

Nguyên lý hoạt động của C4D được minh họa trong hình 1.6

Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo độ dẫn không tiếp xúc

Nguồn điện xoay chiều (V) với tần số (f) được áp vào điện cực thứ nhất Tại

điện cực thứ hai, tín hiệu đo được ở dạng cường độ dòng điện (I) Theo đó, dòng điện

thu được tại điện cực thứ 2 sẽ phụ thuộc vào độ lớn của điện thế V và tần số f

Tín hiệu đầu ra thu được ở dạng cường độ dòng điện (xoay chiều), sau đó sẽ

được chuyển đổi và khuếch đại thành tín hiệu dạng vôn thế (xoay chiều), thông qua

việc sử dụng một điện trở khuếch đại (Rfeedback) Vôn thế xoay chiều sau đó được

chuyển đổi thành vôn thế 1 chiều, lọc nhiễu và khuếch đại, sau cùng chuyển đổi thành

tín hiệu số hóa trước khi được hiển thị và lưu trữ trên máy tính

Như vậy, detector đo độ dẫn không tiếp xúc ngoài ưu điểm là phân tích đa

năng còn có ưu điểm là không nhất thiết phải có sự tiếp xúc trực tiếp của các điện cực

với dung dịch đo nhờ lợi dụng tính chất kết nối tụ điện với dung dịch bên trong mao

quản hoặc ống phản ứng Đây là một cách rất thông minh loại trừ ảnh hưởng của điện

thế cao trong quá trình phân tách điện di đến hệ điện tử của detector và không làm

nhiễm bẩn dung dịch phân tích

1.4 Một số kỹ thuật làm giàu trực tiếp trên cột trong phương pháp điện di mao

quản

Giới hạn phát hiện ( LOD) của phương pháp điện di mao quản còn hạn chế bởi

kích thước mao quản Ví dụ, lượng mẫu được bơm vào mao quản bị hạn chế bởi thể

tích mao quản nhỏ Hơn nữa, chiều dài giảm gây hạn chế giới hạn phát hiện của

phương pháp Nhiều kỹ thuật được phát triển nhằm cải thiện LOD của phương pháp

điện di mao quản Làm giàu trực tiếp trên cột (làm giàu “online” ) là một trong những

hướng phát triển của phương pháp điện di mao quản Việc lựa chọn một nền mẫu thích

hợp có thể cải thiện giới hạn phát hiện và hiệu quả tách chất Nhìn chung các kỹ thuật

này được thiết kế nhằm “tập trung” vùng mẫu chứa chất phân tích trong mao quản, do

đó làm tăng thể tích mẫu được bơm vào mao quản trong CE Các kỹ thuật làm giàu

trực tiếp trên cột mao quản được nghiên cứu như: làm giàu dựa trên sự khác biệt về độ

dẫn của chất phân tích tại ranh giới giữa hai vùng đệm khác nhau về điện trở hay sự

phân bố chất phân tích giữa hai vùng ổn định và vùng ổn định tạm thời

(pseudostationary phase) Một số kỹ thuật làm giàu trực tiếp trên cột mao quản được

phát triển và áp dụng khá hiệu quả như khuếch đại vùng mẫu, tăng thể tích mẫu bơm

vào mao quản, khuếch đại mẫu trong hệ đệm liên tục và kỹ thuật làm giàu đẳng điện

 Hệ số làm giàu đối với As(III) là tỷ lệ chiều cao pic As(III) trong nền mẫu là

axit với chiều cao pic As(III) trong nước với cùng một nồng độ

 Hệ số làm giàu đối với As(III) được tính như sau:

k= a/ b

Trong đó:

k: hệ số làm giàu

a: Tín hiệu As(III) pha trong môi trường axit

b: Tín hiệu As(III) pha trong nước

1.4.1 Kỹ thuật khuếch đại điện trường

Kỹ thuật làm giàu trên cơ sở tăng lượng mẫu bơm vào mao quản đơn giản nhất là

khuếch đại điện trường (Field- amplified sample stacking- FASS) Nguyên tắc chung

của kỹ thuật này là sự di chuyển điện hóa chậm của các ion chất phân tích trong vùng

ranh giới được hình thành giữa hai vùng đệm, một dung dịch có độ dẫn thấp vào một

dung dịch có độ dẫn cao Ví dụ, chất phân tích được hòa tan trong dung dịch có độ dẫn

thấp như nước Lực điện trường tác động lên vùng mẫu có có độ dẫn điện thấp sẽ cao

hơn so với vùng dung dịch đệm điện di có độ dẫn cao hơn Do đó, chất phân tích di

chuyển nhanh trong vùng mẫu tới bề mặt vùng ranh giới giữa hai vùng đệm Khi các ion

chất phân tích vào vùng đệm điện di có độ dẫn cao hơn, chúng di chuyển chậm hơn,

hình thành các dải hẹp của chất phân tích [2, 20, 26, 36], từ đó tập trung được vùng mẫu,

làm giàu chất phân tích ngay trên cột tách của phương pháp điện di mao quản

Hình 1.7 : Cơ chế của kỹ thuật làm giàu khuyếch đại điện trường

1.4.2 Kỹ thuật bơm mẫu lượng lớn

Kỹ thuật bơm mẫu lượng lớn (large volume sample satcking- LVSS) là một kỹ

thuật được đề xuất bởi Chien và Burgi [20, 26, 36], chất phân tích được hòa tan trong

Comment [TA5]: Tín hiệu?

Comment [TA6]: TLTK

nước và bơm mẫu thủy động lực học sao cho lượng mẫu chiếm 1/3 đến 1/2 thể tích

mao quản Tiến hành phân cực ngược với dung dịch đệm diện di được đặt phía cuối

mao quản tại vị trí của detector Kết quả, dòng EOF ngược hướng với chất phân tích ở

dạng anion (chất phân tích di chuyển về phía detector) và hiệu ứng làm giàu đạt được

tại bề mặt ranh giới tiếp xúc với vùng đệm điện di Dòng điện di sẽ được kiểm soát

đến khi đạt 90- 99% giá trị thông thường Ngay sau đó, tiến hành điện di bình thường

và quá trình tách chất xảy ra Với kiểu phân cực ngược có thể loại bỏ được các cation

và các phần tử không mang điện sẽ bị loại khỏi mao quản trước khi quá trình điện di

được tiến hành lại bình thường Tuy nhiên, một số anion chất phân tích cũng sẽ bị loại

bỏ nếu dòng điện di không được kiểm soát chặt chẽ Kỹ thuật này không phân tách

đồng thời các anion và cation và không áp dụng hiệu quả với chất phân tích có độ linh

động điện di thấp Dòng điện di thẩm thấu cần được kiểm soát chặt chẽ để thu được độ

lặp lại tốt CTAB được thêm vào dung dịch đệm điện di cũng là một cách hiệu quả để

cải biến dòng EOF, quá trình thực hiện được minh họa trên hình 1.8

Hình 1.8: Cơ chế của kỹ thuật làm giàu bơm mẫu lượng lớn

1.4.3 Kỹ thuật làm giàu mẫu bằng pH (pH- Mediated stacking)

Cả hai phương pháp làm giàu mẫu FASS và LVSS dều được tiến hành khi mẫu

được hòa tan trong nước hay mẫu được hòa tan trong đệm có độ dẫn thấp Với phương

pháp làm giàu mẫu trên cơ sở chênh lệch về độ pH có thể cải thiện giới hạn phát hiện

của phương pháp điện di ngay cả khi dung dịch mẫu có độ dẫn cao Chất phân tích

được hòa tan trong nền mẫu có lực ion lớn, được bơm vào mao quản bằng phương

pháp điện động học Do điện trở của nền mẫu thấp hơn so với điện trở của dung dịch

đệm điện di nên điện trường tác dụng chủ yếu lên vùng đệm điện di [20, 26, 36]

Nguyên tắc của kỹ thuật này được minh họa trong hình 1.9

Hình 1.9: Cơ chế của kỹ thuật làm giàu trên cơ sở sự chênh lệch về độ pH

1.4.4 Kỹ thuật làm giàu đẳng điện

Phương pháp làm giàu đẳng điện (ITP - isotachophoresis) được thực hiện với

một hệ đệm “không liên tục” Phương pháp ITP được áp dụng với nhiều chất phân tích

từ kích thước nhỏ nhỏ đến kích thước cồng kềnh như protein Kỹ thuật này đặc biệt

hữu ích ngay cả khi mẫu không hòa tan trong nước nhưng tồn tại các ion dẫn, ví dụ các

mẫu sinh học Với ITP, mẫu được đặt giữa hai vùng đệm, dung dịch đệm điện di với

độ linh động điện di cao có vai trò như chất điện phân dẫn “leading electrolyte” và

dung dịch đệm điện di có độ linh động thấp hơn có vai trò là chất điện phân cuối

“terminating electrolyte” ITP được áp dụng với cả cation và anion Khi phân tách

cation, bình đệm chứa chất điện phân dẫn được đặt tại catot và bình chất điện phân

cuối được đặt ở cực còn lại ngay khi bơm mẫu Khi áp thế sẽ hình thành các vùng mẫu

của các chất phân tích có cùng tốc độ điện di và quá trình phân tách được thực hiện

(hình 1.10)[20, 24, 26, 36]

Hình 1.10: Cơ chế của kỹ thuật làm giàu đẳng điện ITP

1.4.5 Kỹ thuật làm giàu sử dụng sự khác biệt về pH giữa hai vùng mẫu (Dynamic

pH junction)

pH của dung dịch đệm điện di có vai trò quan trọng tác động tới khả năng tách

chất trong điện di Giá trị pH được lựa chọn sao cho gần với giá trị pKa của các chất

phân tích Kỹ thuật làm giàu Dynamic pH junction là kỹ thuật làm giàu dựa trên sự

thay đổi trạng thái ion hóa hay độ dẫn của chất phân tích giữa các vùng pH khác nhau

Kỹ thuật này có khả năng làm giàu các chất phân tích có khoảng pKa nhỏ và phương

pháp này rất hiệu quả với chất phân tích là các axit yếu và bazơ yếu [18, 20, 23, 24,

26, 36]

Hình 1.11: Cơ chế của kỹ thuật làm giàu dựa trên sự khác nhau giữa pH của vùng

đệm điện di và mẫu phân tích

Trong số các kỹ thuật làm giàu mẫu trực tiếp trên cột của phương pháp điện di

mao quản, các kỹ thuật bơm mẫu lượng lớn, kỹ thuật làm giàu đẳng điện và kỹ thuật

làm giàu mẫu bằng pH đều không hiệu quả trong quá trình làm giàu phân tích hàm

lượng As(III) Lý do là một trong số các kỹ thuật này cần có quá trình chuyển phân

cực (như kỹ thuật bơm mẫu lượng lớn) rất khó thực hiện để đạt được độ lặp lại tốt đối

với mẫu phân tích và đặc biệt càng khó tiến hành lặp lại tốt đối với các mẫu nước

ngầm khác nhau có thành phần khác nhau Việc chuyển phân cực trong bước làm giàu

còn khó tiến hành với thiết bị điện di mao quản dùng để thực hiện đề tài này vì thiết bị

sử dụng chỉ áp thế 1 chiều Hơn nữa, một số phương pháp làm giàu trên còn sử dụng

một số chất có độ dẫn cao thêm vào dung dịch đệm điện di (như kỹ thuật làm giàu

đẳng điện) hoặc chất có độ dẫn cao được thêm vào dung dịch nền mẫu có khả năng

gây ra nhiễu nền lớn; điều này ảnh hưởng rất lớn tới quá trình phân tích cũng như tín

hiệu As(III)- chất có độ linh động điện di rất kém Trong khi đó, kỹ thuật làm giàu sử

dụng sự khác biệt về pH giữa hai vùng mẫu (dynamic pH junction) tỏ ra ưu thế và dễ

áp dụng trong quá trình làm giàu As(III) Do đó, chúng tôi lựa chọn kỹ thuật này nhằm

làm tăng độ nhạy xác định dạng As(III) trong mẫu nước bằng phương pháp điện di

mao quản Dạng As(V) sẽ được xác định gián tiếp qua dạng As(III)

 Kỹ thuật làm giàu sử dụng sự khác biệt về pH giữa hai vùng mẫu (dynamic pH

junction) trong phân tích As(III) bằng CE- C4D kiểu phân cực ngược

Do axit aseno có pKa= 9,2 nên trong vùng đệm có pH ≥ 9, As(III) tồn tại chủ yếu

dưới dạng anion H2AsO3- có độ linh động điện di kém nên khi tiến hành điện di thông

thường (áp thế âm ở đầu bơm mẫu) thì thời gian di chuyển điện di của As(III) hầu như

chậm nhất trong số các anion khác có mặt trong mẫu và chỉ xuất hiện ngay trước dòng

EOF Từ đó, nếu ta tiến hành phân cực ngược (áp thế dương ở đầu bơm mẫu) thì thứ tự

điện di lần lượt sẽ là: các cation, dòng EOF và anion H2AsO3 xuất hiện trước so với

các anion khác có trong mẫu Do đó, ta có thể tăng thời gain bơm mẫu cũng như áp

dụng một số kỹ thuật làm giàu mẫu mà không bị ảnh hưởng bởi các anion có hàm

lượng rất cao có trong mẫu nước ngầm

Kỹ thuật làm giàu As(III) sử dụng sự khác biệt về pH giữa hai vùng mẫu (dynamic

pH junction) được tiến hành As(III) được pha trong nền mẫu axit có pH thấp và pha

động điện di có pH cao Trong môi trường axit có pH thấp, As(III) tồn tại dưới dạng

phân tử trung hòa nên không bị điện di; khi tiến hành phân cực ngược (áp thế dương

vào đầu bơm mẫu) dưới tác dụng của dòng EOF các phân tử này sẽ bị kéo tới vùng

ranh giới giữa hai vùng (vùng mẫu và vùng đệm) Tại đây, có sự thay đổi trạng thái

oxi hóa của As(III) từ trạng thái phân tử trung hòa sang dạng anion H2AsO3- Như

vậy, tại bề mặt ranh giới giữa hai vùng mẫu không chỉ có sự tập trung chất phân tích

mà còn có sự thay đổi tốc độ điện di của chất phân tích, điều này giúp làm giàu mẫu

Hơn nữa, kỹ thuật này còn hạn chế ảnh hưởng của các anion hàm lượng cao có trong

mẫu nước ngầm khi vùng anion này có thời gian di chuyển điện di sau As(III); đồng

thời loại bỏ các cation ra khỏi vùng mẫu

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM

2.1 Đối tượng, mục tiêu và nội dung nghiên cứu

2.1.1 Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu các kỹ thuật làm giàu và xác

định các dạng Asen vô cơ, đặc biệt tập trung làm tăng độ nhạy của phép xác định dạng

As(III) trong mẫu nước ngầm bằng phương pháp điện di mao quản kết nối với detector

đo độ dẫn không tiếp xúc kiểu kết nối tụ điện (CE- C4

D) với độ nhạy thỏa mãn tiêu chuẩn cho phép của Việt Nam về hàm lượng Asen trong nước uống là 10µg/ l Dạng

As(V) có thể xác định gián tiếp qua As(III)

2.1.2 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu, tổng quan một số kỹ thuật làm giàu trực tiếp trên cột trong

phương pháp điện di mao quản

- Tối ưu hóa các điều kiện của các kỹ thuật làm giàu và phân tích As(III) trong

nước ngầm bao gồm: pha động điện di, nền pha mẫu, thời gian bơm mẫu, hiệu điện thế

tách, thời gian và chiều cao bơm mẫu, các yếu tố ảnh hưởng, quy trình xử lý mẫu

- Nghiên cứu phân tích dạng As(V) gián tiếp thông qua sự khử As(V) về As(III)

bằng KI trong môi trường axit HCl

- Áp dụng phương pháp nghiên cứu để xác định hàm lượng Asen trong một số

mẫu nước ngầm thu thập được

2.2 Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Thiết bị, dụng cụ

 Thiết bị

 Nghiên cứu sử dụng thiết bị điện di mao quản kết nối với detector đo độ dẫn

không tiếp xúc kiểu kết nối tụ điện (CE-C4

D) (hình 2 1) được thiết kế, chế tạo bởi Công ty cổ phần 3SAnalysis tại Việt Nam trên cơ sở hợp tác với nhóm

nghiên cứu của GS Peter Hauser (khoa Hóa, trường Đại học Basel, Thụy Sĩ)

Comment [TA7]: Chưa chuẩn

Thông tin chi tiết về đặc điểm kỹ thuật của hệ thiết bị có thể tham khảo trong

công bố trước đây của nhóm nghiên cứu

Hình 2.1: Hệ thiết bị điện di mao quản CE-C 4 D tự chế, bán tự động

(1: Hộp thế an toàn, 2: Bộ điều khiển thế, 3: Cảm biến đo độ dẫn không tiếp xúc

(C 4 D), 4: Bộ phận kết nối bán tự động, 5: Núm điều chỉnh, 6: Bộ phận điều khiển, 7:

Bình khí nén)

 Bộ lọc nước đêion (Mỹ)

 Máy rung siêu âm, có gia nhiệt của hãng BRANSONIC 521

 Máy đo pH của hãng HANNA với điện cực thủy tinh và các dung dịch pH

chuẩn để hiệu chỉnh điểm chuẩn của máy đo pH

 Cân phân tích của hãng S¢ientech (Mỹ), độ chính xác 0,1mg

 Tủ lạnh Sanaky VH-2899W dùng bảo quản mẫu

 Dụng cụ

 Dụng cụ thủy tinh: bình định mức, ống nghiệm, cốc thủy tinh

 Pipet pasteur với các cỡ khác nhau: 100; 1000 và 5000 µL và đầu tip tương ứng

 Các bình định mức thủy tinh 25 và 50 mL đư+ợc sử dụng để pha các dung dịch

gốc của các chất phân tích và các dung dịch đệm

 Mao quản sử dụng là mao quản silica, chiều dài 60cm, đường kính trong (ID) là

50 µm

 Các dụng cụ thông thường khác của phòng thí nghiệm

2.2.2 Hóa chất

- Muối NaAsO2 (P.A Fluka)

- Muối HAsNa2O4.7H2O (P.A Fluka)

Comment [TA8]: Thêm TLTK vào