Luận văn thạc sĩ khoa học phân tích các dạng asen trong mẫu môi trường bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử kết hợp với chemometrics

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ PHƢƠNG THÙY PHÂN TÍCH CÁC DẠNG ASEN TRONG MẪU MÔI TRƢỜNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ KẾT HỢP VỚI CHEMOMETRICS LuËn v¨n th[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ PHƯƠNG THÙY

PHÂN TÍCH CÁC DẠNG ASEN TRONG MẪU MÔI TRƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ KẾT HỢP VỚI

CHEMOMETRICS

LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc

Hà Nội - 2012

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ PHƯƠNG THÙY

PHÂN TÍCH CÁC DẠNG ASEN TRONG MẪU MÔI TRƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ KẾT HỢP VỚI

CHEMOMETRICS

Chuyªn ngµnh: Hãa ph©n tÝch

M· sè: 60.44.29

LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc

Ng-êi h-íng dÉn khoa häc: GS TS Trần Tứ Hiếu

Hà Nội - 2012

Bình phương tối thiểu nghịch đảo

Hồi qui cấu tử chính (Principal

Phương pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Sơ đồ thực nghiệm mô tả quá trình đo phổ hấp thụ nguyên tử

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Một số dạng As trong các đối tượng sinh học và môi trường 5 Bảng 2.1: Tóm tắt các điều kiện tối ưu xác định As(III) bằng phương

Bảng 3.1: Hiệu suất khử các dạng asen trong các môi trường phản ứng (%) 26

Bảng 3.6: Khoảng tuyến tính và đường chuẩn xác định riêng các dạng As 33 Bảng 3.7: Kết quả đo độ hấp thụ quang lặp 8 mẫu trắng ở các môi trường

Bảng 3.8: Kết quả tính LOD và LOQ theo phương pháp hồi qui đa biến PCR 36 Bảng 3.9: Giá trị LOD và LOQ khi phân tích đồng thời các dạng As 36 Bảng 3.10: Kết quả kiểm tra độ cộng tính tín hiệu đo khi xác định các dạng As 37

Bảng 3.14 : Nồng độ các dạng asen trong mẫu thực và lượng asen thêm vào 41

Bảng 3.16: Ảnh hưởng của vật liệu bình chứa đến sự chuyển dạng asen 42

Bảng 3.17: Giá trị Abs khảo sát ảnh hưởng của pH 44

Bảng 3.19 : Giá trị Abs khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian 46

Bảng 3.25 : Giá trị Abs khảo sát ảnh hưởng của Fe3+ khi có mặt EDTA 55

Bảng 3.30 Nồng độ thêm chuẩn các dạng As vào các mẫu trong dung

Bảng 3.32 Hiệu suất thu hồi của phương pháp HVG-AAS sử dụng mô

Bảng 3.33: Hàm lượng các dạng As trong các mẫu tính theo phương

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 2

1.1 SƠ LƯỢC TÌNH HÌNH Ô NHIỄM ASEN TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 3

1.2 CÁC DẠNG TỒN TẠI TRONG MÔI TRƯỜNG CỦA ASEN 5

1.2.1 Các dạng asen tồn tại trong môi trường 5

1.2.2 Độc tính các dạng Asen 6

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DẠNG ASEN 8

1.3.1 Các phương pháp xác định Asen có sử dụng kĩ thuật hidrua hóa (HVG) 9

1.3.2 Phương pháp sử dụng hệ tách HPLC kết hợp với một detector 10

1.4 ỨNG DỤNG CHEMOMETRICS TRONG PHÂN TÍCH DẠNG ASEN 11

1.4.1 Thuật toán hồi qui đa biến tuyến tính 11

1.4.2 Phân tích các dạng As bằng phương pháp HVG – AAS sử dụng Chemometrics 17

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 18

2.1 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19

2.1.1 Cơ sở của phương pháp 19

2.1.2 Nội dung nghiên cứu 19

2.2 HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 20

2.2.1 Hóa chất 20

2.2.2 Dụng cụ và trang thiết bị đo 21

2.2.3 Các phần mềm tính toán và xử lí 21

2.3 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 21

2.3.1 Các điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử của Asen 21

2.3.2 Qui trình phân tích 23

2.3.2.1 Qui trình phân tích riêng As(III) 23

2.3.2.2 Qui trình phân tích đồng thời các dạng As 23

2.3.3 Các thuật toán hồi qui đa biến 23

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25

3.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỒI QUY ĐA BIẾN TUYẾN TÍNH PHÂN TÍCH DẠNG ASEN 26

3.1.1 Đường chuẩn xác định các dạng asen riêng rẽ trong môi trường HCl 6M 26

3.1.2 Giới hạn phát hiện(LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) khi xác định đồng thời các dạng asen 34

3.1.3 Kiểm tra tính cộng tính của các dạng As 36

3.2 NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CHUYỂN DẠNG ASEN 41

3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của vật liệu bình chứa đến sự chuyển dạng As 41

3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến sự chuyển dạng của As trong quá trình bảo quản mẫu 43

3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian bảo quản mẫu đến quá trình chuyển dạng 46

3.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của oxi hòa tan đến quá trình chuyển dạng 48

3.2.5 Khảo sát ảnh hưởng của các ion đến quá trình bảo quản các dạng As 49

3.2.6 Khảo sát ảnh hưởng của Fe3+ khi có mặt EDTA 54

3.3 ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 57

3.4 ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH MẪU THỰC TẾ 58

3.4.1 Lấy mẫu nước ngầm và xử lí sơ bộ mẫu 58

3.4.2 Xác định hàm lượng các dạng As trong mẫu thực 59

KẾT LUẬN 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

1

MỞ ĐẦU

Trong đời sống hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường ngày nay đang trở thành mối quan tâm hàng đầu của nhân loại Cùng với sự phát triển của nền công nghiệp thì số lượng các chất độc phân tán trong môi trường ngày một nhiều hơn do các hoạt động sản xuất và tiêu thụ đa dạng của con người Đặc biệt phải kể đến sự phân tán của các kim loại nặng vào môi trường gây nên sự ô nhiễm Một trong số những nguyên tố gây ô nhiễm mang độc tính cao nhất là asen (As) đã và đang được phân tán nhanh trong môi trường theo nhiều con đường [1, 8] Asen là một nguyên

tố vi lượng rất cần thiết cho quá trình sinh trưởng và phát triển của động vật và thực vật Tuy nhiên ở hàm lượng cao asen gây tác hại to lớn đối với hệ sinh thái Asen cản trở quá trình quang hợp, gây hiện tượng rụng lá, sự thiếu sắt ở thực vật Asen

có thể gây ra nhiều căn bệnh nguy hiểm cho con người như: Ung thư, đột biến, tổn thương nội tạng, các căn bệnh về hệ thần kinh, về da, phổi và bàng quang [ 2,4] Asen có khả năng tích lũy cao trong cơ thể sinh vật và xâm nhập vào cơ thể qua nhiều đường, mặt khác, y học hiện nay vẫn chưa có phác đồ điều trị hiệu quả cho bệnh nhân nhiễm độc As Do đó, hàm lượng As trong môi trường được qui định rất nghiêm ngặt

Để xác định hàm lượng asen, ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau như phổ phát xạ (AES), phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), phổ phát xạ plasma cảm ứng(ICP-AES), phương pháp trắc quang, phương pháp điện hóa…Tuy nhiên các phương pháp trên hầu hết chỉ xác định được tổng hàm lượng asen Đối với quá trình phân tích xác định lượng vết từng dạng asen mới chỉ có một số ít các công trình nghiên cứu và chủ yếu tập trung ở các nghiên cứu trên hệ kết hợp sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC) kết nối với bộ phận phát hiện như AAS, AES, AFS, MS, [6, 27] Các hệ đo này cho phép tách và định lượng đồng thời các dạng As một cách hiệu quả trên nhiều đối tượng, đặc biệt là đối tượng sinh học Nhưng chi phí cho quá trình phân tích khá lớn do đòi hỏi trang thiết bị đắt tiền nên không phải phòng thí nghiệm nào cũng có thể trang bị được Vì vậy cần tìm một phương pháp có thể

sử dụng các thiết bị phổ biến hơn để định dạng As mà không cần công đoạn tách

2

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành toán học thống kê và tin học ứng dụng, Chemometrics - một nhánh của hóa học phân tích hiện đại - đã phát triển nhanh chóng và được ứng dụng ngày một rộng hơn Một mảng quan trọng trong Chemometrics đang được nghiên cứu và sử dụng hiệu quả là kĩ thuật hồi qui đa biến – thuật toán xác định đồng thời nhiều cấu tử trong hỗn hợp mà không cần tách loại Thuật toán này đã được ứng dụng rộng rãi để giải quyết nhiều bài toán định dạng phức tạp Đối với vấn đề xác định các dạng As trong hỗn hợp, hiện nay chưa có nhiều công trình nghiên cứu theo hướng này tuy ưu điểm của nó là rất lớn so với các hướng nghiên cứu khác

Trong dung dịch asen tồn tại ở các dạng khác nhau Trong đó, chúng ta quan tâm chủ yếu đến bốn dạng là As(III), As(V), DMA, MMA Tùy thuộc vào thành phần nền mẫu và từng điều kiện cụ thể của quá trình bảo quản mẫu, các dạng asen

có thể chuyển hóa lẫn nhau Vì vậy một yêu cầu cấp thiết đặt ra là phải nghiên cứu quá trình bảo quản mẫu, tránh sự chuyển đổi giữa các dạng asen trong quá trình bảo quản từ đó mới xác định chính xác từng dạng asen, đánh giá đúng mức độ ô nhiễm của môi trường nước để có biện pháp xử lí, hạn chế sự ảnh hưởng của nó đến sức khỏe con người

Vì vậy, chúng tôi đã lựa chọn đề tài : ‘‘ Phân tích các dạng asen trong mẫu môi trường bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử kết hợp với chemometrics’’ với mục tiêu đặt ra là nghiên cứu quá trình chuyển các dạng asen

trên cơ sở những nghiên cứu trước đó về xác định các dạng asen bằng kĩ thuật HVG

- AAS và hồi qui đa biến để định lượng các dạng asen trong mẫu nước

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 SƠ LƯỢC TÌNH HÌNH Ô NHIỄM ASEN TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, làm cho nguy cơ ô nhiễm asen ngày càng cao As được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như dược, sản xuất kính, chất nhuộm, chất độc ăn mòn, thuốc trừ sâu, thuốc diệt nấm, thuộc da, hoặc ngành công nghiệp sử dụng nhiên liệu hóa thạch như công nghiệp xi măng, nhiệt điện, công nghệ đốt chất thải rắn cũng là nguồn gây ô nhiễm không khí, nước bởi As [10, 12] Các ngành công nghiệp khai thác và chế biến các loại quặng, nhất là quặng sunfua, luyện kim tạo ra nguồn ô nhiễm As do việc khai đào ở các mỏ nguyên sinh đã phơi lộ các quặng sunfua, làm gia tăng quá trình phong hóa, bào mòn và tạo ra khối lượng lớn đất đá thải có lẫn asenopyrit ở lân cận khu mỏ Tại các nhà máy tuyển quặng, asenopyrit được tách ra khỏi các khoáng vật

có ích và phơi ra không khí Asenopyrit bị rửa trôi, dẫn đến hậu quả là một lượng lớn As được đưa vào môi trường xung quanh Những người khai thác tự do khi đãi quặng đã thêm vào axit sunphuric, xăng dầu, chất tẩy Asenopyrit sau khi tách khỏi quặng sẽ thành chất thải và được chất đống ngoài trời và trôi vào sông suối, gây ô nhiễm tràn lan Bên cạnh đó, các quá trình tự nhiên như địa chất, địa hóa, sinh địa hóa, đã làm cho As nguyên sinh có mặt trong một số thành tạo địa chất (các phân

vị địa tầng, các biến đổi nhiệt dịch và quặng hóa sunphua chứa As) tiếp tục phân tán hay tập trung gây ô nhiễm môi trường sống [1, 23, 28]

Rất nhiều nghiên cứu thủy địa hóa về asen đã được tiến hành nhằm giải thích một cách đầy đủ cơ chế hình thành, giải phóng của asen, cũng như để đề xuất ra các

biện pháp loại trừ ô nhiễm một cách có hiệu quả và khả thi.[5]

Vấn đề ô nhiễm asen đang là một vấn đề thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học, nhiều tổ chức trong và ngoài nước Sự ô nhiễm asen đặc biệt là trong nước ngầm đã được phát hiện ở nhiều nơi trên thế giới như Achentina, Mêhico, Chile, Mỹ, Canada, Trung Quốc, Đài Loan, Ấn Độ, Băngladet và Việt Nam Một

4

phần lớn người dân đã bị nhiễm độc asen mãn tính do sự có mặt của asen trong nước ngầm Ở Mêhico, Chile, Đài Loan, Ấn Độ, Băngladet hàm lượng Asen trong nước cao từ vài trăm đến hơn 1000 μg/L Ở một số bang phía Tây nước Mỹ, người dân đang phải sử dụng asen cao hơn giới hạn tối đa cho phép 50g/L[5] ( Tổ chức

Y tế Thế giới đã đưa ra giới hạn cho phép về hàm lượng asen trong nước ăn là 10

g/L từ năm 1993)

Ở Châu Á, những vùng nhiễm độc asen cao như Băngladet và Ấn Độ, nồng độ asen trong tóc và nước tiểu được sử dụng phổ biến làm chỉ thị cho sự phơi nhiễm asen mãn tính và tạm thời (Awanar et al, 2002)

Đặc biệt là ở Băngladet, qua khảo sát 8000 giếng khoan ở 60 tỉnh trên tổng

số 64 tỉnh ở nước này người ta thấy rằng có khoảng 51% số giếng khoan có hàm lượng asen lớn hơn 0,05 mg/L Theo ước tính ở dây có khoảng 50 triệu dân sử dụng nước bị ô nhiễm Asen[1]

Một cuộc điều tra bởi Chakraborti và cộng sự đã cho thấy trong tổng số 35.000 mẫu tóc và nước tiểu thu thập từ bệnh nhân bị ảnh hưởng trên da sống ở khu vực ô nhiễm asen nặng nề, có 90% số mẫu vượt quá mức bình thường(Chakraborti et al, 2002,2003) Khi nghiên cứu ở một số tỉnh thuộc Băngladet hàm lượng asen trong nước, tóc và nước tiểu lần lượt là: 0,01-9 mg/L, 1,1-19,84 mg/Kg và 0,05-9,42 mg/L

Ở Việt Nam, theo một vài báo cáo cho thấy, hàm lượng asen lấy từ các giếng khoan tại vùng châu thổ sông Hồng khá cao Nồng độ asen trung bình tìm thấy là

159 g/L[5] Hà Nội, Hà Nam, Hưng Yên, Nam Định, Ninh Bình, Thái Bình, Hải Dương là những vùng bị ô nhiễm asen nặng nề nhất Ở đồng bằng sông Cửu Long, các nhà khoa học cũng đã phát hiện ra các giếng khoan có hàm lượng asen cao ở các tỉnh Đồng Tháp và An Giang[12]

Hiện nay, ở các vùng đô thị mới và nông thôn tỉ lệ người dân sử dụng nước ngầm (nước giếng khoan) có hàm lượng asen làm nước ăn vẫn còn nhiều Vì vậy cần phải theo dõi tiến hành điều tra tình trạng ô nhiễm asen và tác động của nó đến môi trường và sức khỏe người dân, tìm biện pháp giảm thiểu

5

1.2 CÁC DẠNG TỒN TẠI TRONG MÔI TRƯỜNG CỦA ASEN

1.2.1 Các dạng asen tồn tại trong môi trường

Asen có mặt trong cả 3 thành phần môi trường: Môi trường đất, môi trường nước và môi trường không khí Phần lớn asen tồn tại trong địa quyển ở dạng khoáng phân tán Do các quá trình tự nhiên như phong hóa, núi lửa hay do các hoạt động của con người như khai khoáng, luyện kim, đốt nhiên liệu hóa thạch, công nghiệp điện tử bán dẫn, khai thác nước ngầm làm một phần asen phân tán vào môi trường Sau khi phát tán vào môi trường, As tồn tại ở nhiều dạng khác nhau tùy theo bản chất của nguồn phát tán, điều kiện phát tán và điều kiện của môi trường tồn tại

Bảng 1.1 Một số dạng As trong các đối tượng sinh học và môi trường

(2-trimetylasonietanol)

Me3As+CH2CH2OH

6

Các dạng chủ yếu của As trong môi trường nước là bốn dạng As(III), As(V),

DMA và MMA, trong đó hai dạng vô cơ có độc tính cao hơn [2, 4]

1.2.2 Độc tính các dạng Asen

Asen về tính chất hóa học rất giống với nguyên tố đứng trên nó là phốtpho Tương tự như phốtpho, nó tạo thành các ôxít kết tinh, không màu, không mùi như

As2O3 và As2O5 là những chất hút ẩm và dễ dàng hòa tan trong nước để tạo thành các dung dịch có tính axít, axít asenic (V), tương tự như axít phốtphoric, là một axít yếu Asen tạo thành hiđrua dạng khí và không ổn định, đó là arsin (AsH3) Sự tương tự lớn đến mức Asen sẽ thay thế phần nào cho phốtpho trong các phản ứng hóa sinh học và

vì thế nó gây ra ngộ độc Tuy nhiên, ở các liều thấp hơn mức gây ngộ độc thì các hợp chất Asen hòa tan lại đóng vai trò của các chất kích thích và đã từng phổ biến với các liều nhỏ như là các loại thuốc chữa bệnh cho con người vào giữa thế kỷ 18.[13]

Độ độc của asen phụ thuộc vào trạng thái oxi hóa của asen, phụ thuộc vào dạng tồn tại vô cơ hay hữu cơ As(III) độc hơn nhiều so với As(V), asen vô cơ độc hơn rất nhiều so với asen hữu cơ Qua nhiều nghiên cứu người ta thấy rằng độ độc giảm dần theo thứ tự: Asin > asenit > asenat > monometyl asenat > dimetyl asenat Dạng xâm nhập chính vào cơ thể là asen dạng vô cơ, đặc biệt là Asen(III) dễ hấp thụ vào cơ thể con người qua đường ăn uống Các hợp chất asenit và asenat vô cơ bền, có khả năng hòa tan trong nước đều dễ dàng hấp thụ vào dạ dày và các tế bào của cơ thể As(V) được bài tiết (chủ yếu qua nước tiểu) nhanh hơn As(III) vì ái lực với nhóm thiol (-SH) kém hơn As(III) cản trở nhóm (-SH) gắn vào các enzym và giữ lại trong các protein tế bào của cơ thể như keratin đisunfua trong tóc, móng và

da As(V) không độc bằng As(III) và không gây ức chế đối với hệ enzym Tuy nhiên As(V) lại ngăn cản sự tổng hợp ATP[4,17]

Asen và các hợp chất của nó là tác nhân gây 19 bệnh ung thư, đột biến và dị thai trong tự nhiên Đối với thực vật, asen cản trở quá trình trao đổi chất, làm giảm mạnh năng suất, đặc biệt trong môi trường thiếu photpho Đó là một tai họa môi trường đối với sức khỏe con người