xử lý mẫu xác định kim loại nặng trong mẫu đồ hộp

Đối với các yếu tố nhiễm bẩn do kim loại có sẵn trong bản thân cácdụng cụ phá mẫu bị thôi nhiễm trong quá trình đun nóng với acid và sự tích tụ kim loạinặng có sẵn trong hóa chất xử lý m

Abstract: In this review, some methods of sample preparation to determinate six heavy

metals in canned food were presented and compared These methods include the researches from scientific journals, applications of manufacturers of ICP-MS system and analytical methods of Association of Analytical Communities The purpose of this comparison is to find out what is the best method of practical application are explained.

MỤC LỤC

1.Giới thiệu 1

1.1 Thức ăn đóng hộp 1

1.1.1 Quy trình chế biến 1

1.1.2 Các kim loại trong vỏ đồ hộp 2

1.2 Các kim loại cần khảo sát 4

1.3 Quy ước lấy mẫu theo Codex Sampling Plans For Prepackaged Foods (Aql 6.5) 4

1.4 Các quy trình xử lý mẫu 6

2 Các quy trình 6

2.1 Vô cơ hóa ướt 6

2.1.1 Xác định Pb,Cd,Sn 6

2.1.1.1.Nguyên lý 6

2.1.1.2 Một số quy trình 9

2.1.2Xác định Hg 11

2.1.2.1.Nguyên lý 11

2.1.2.1 Quy trình theo AOAC 977.15 Mercury in fish 14

2.1.3 Xử lý trong hệ kín bằng lò vi sóng kết hợp với hệ xử lý kín 15

2.2 Vô cơ hóa khô 16

2.3.Phương pháp chiết 18

2.3.1 Arsen vô cơ 18

2.3.2.Methyl Thủy Ngân 18

3.Kết luận 20

Đóng hộp

Hình 1: Sơ đồ chế biến cá hộp và thịt hộp

Để chống lại sự ăn mòn của thực phẩm lên vật liệu tạo thành vỏ hộp, một số loại lớpphủ gọi chung là vecni được phun hay in vào bên trong vỏ lon đồ hộp Các loại vậtliệu đều phải thỏa mãn các tiêu chí sau để sử dụng làm lớp phủ trong vỏ đồ hộp:

Không tạp chất

Chịu uốn gấp trênmiếng sắt dày 1mmChịu được vật rơi 1kgđặt ở độ cao 50cm códiện tích tiếp xúc 80mm

mà không trócVẫn tốt trong dung dịchacid axetic 3% đun sôitrong 2h

Trắng troNửa trong suốt50-70s

<25µm

Tương tựTương tự

Vẫn tốt trong dungdịch Na2S.9H2O 1%

đun sôi trong 2h hay

Bảng 1: Các yêu cầu chung của vật liệu phủ bên trong vỏ đồ hộp

Từ bảng trên cho thấy rằng các loại vật liệu được phủ lên mặt trong của đồ hộp có khảnăng chống ăn mòn và va đập cơ học rất cao cho nên khả năng thôi nhiễm của kim loại từ

vỏ kim loại ra bên ngoài là thấp Tuy nhiên trong những trường hợp đặc biệt như mẫu đồhộp bị móp do va đập hay thực phẩm có môi trường pH thấp thì khả năng thôi nhiễm kimloại mà đặc biệt là thiếc vào thực phẩm là đáng lưu ý, bên cạnh đó các vật liệu này còn cókhả năng bị nhiễm các kim loại nặng và có thể thôi nhiễm ra thực phẩm chứa bên trong

1.1.2. Các kim loại trong vỏ đồ hộp (2)

Để bảo quản được lâu, thực phẩm thường được đóng gói vào những hộp kim loại làmbằng hợp kim thiếc với thành phần phần trăm các kim loại có mặt trong hợp kim như sau

Hình 2: Hàm lượng thôi nhiễm của một số kim loại trong vài loại đồ hộp theo thời

1.2 Các kim loại cần khảo sát

Theo định nghĩa thì kim loại nặng là những kim loại có tỷ trọng ≥ 5g/cm3 tuy nhiên ngàynay khái niệm kim loại nặng còn bao hàm cả ý nghĩa kim loại độc hại trong đó Do đó dẫnđến việc một số kim loại được xem là kim loại nặng do tính độc của mình chứ không phải

do tỷ trọng

Có rất nhiều kim loại nặng có thể tồn tại trong mẫu thịt hoặc cá, tuy nhiên chỉ một số ítkim loại trong số đó có hàm lượng cao đến mức gây độc và cần phải được kiểm trathường xuyên nhằm đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng Bảng sau đây trình bày một số

kim loại nặng cần phải xác định trong mẫu thực phẩm theo Coddex standard 193-1995 : Codex general standard for contaminants and toxins in food and feed và QCVN 8- 2:2011/BYT : Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia đối với giới hạn ô nhiễm kim loại nặng trong thực phẩm

Đối với mức nghi ngờ II: những mẫu không nằm trong mức I

Khối lượng 1 đơn vị

mẫu (kg)

Số lượng mẫu trong 1

lô

Số mẫu cần lấyMức I

Số mẫu cần lấyMức II

mà quá trình xử lý mẫu cần được quan tâm đặc biệt để có thể vô cơ hóa mẫu hoàn toàn

mà không làm mất mẫu hay nhiễm bẩn mẫu

Có nhiều phương pháp xử lý mẫu khác nhau, tuy nhiên trong giới hạn của bài seminar nàychỉ trình bày một số phương pháp chính là

Vô cơ hóa ướt Vô cơ hóa khô Chiết

Bảng 3: So sánh hiệu suất thu hồi giữa các phương pháp xử lý khác nhau

Từ bảng trên cho thấy, một số hợp chất dễ bay hơi như As, Se và đặc biệt là Hg thì cầnphải có mặt acid H2SO4 trong dung dịch phá mẫu để đảm bảo các nguyên tố này khôngbay hơi trong quá trình xử lý Trường hợp của Se khá đặc biệt do đặc tính dễ bị khử về

Se0 và bay hơi nên trong điều kiện xử lý mẫu xác định Se thì cần dùng đến acid HClO4 đểđảm bảo tạo ra môi trường oxi hóa thật mạnh

Đối với quá trình xử lý mẫu thì sự nhiễm bẩn mẫu do môi trường bên trong và bên ngoài

hệ phản ứng cũng cần phải chú trọng và giảm thiểu Sự nhiễm bẩn do bụi từ môi trườngngoài hệ phản ứng có thể được loại trừ bằng cách đậy nắp hệ phản ứng bằng mặt kínhđồng hồ có rãnh Đối với các yếu tố nhiễm bẩn do kim loại có sẵn trong bản thân cácdụng cụ phá mẫu bị thôi nhiễm trong quá trình đun nóng với acid và sự tích tụ kim loạinặng có sẵn trong hóa chất xử lý mẫu khi dùng một lượng hóa chất lớn thì khó giải quyết

hơn bởi vì khi lựa chọn một vật liệu ít nhiễm tạp chất thì giá thành sẽ tăng lên đáng kể.Bảng sau đây thể hiện thành phần các kim loại có trong hóa chất và dụng cụ xử lý mẫu

Bảng 4: Hàm lượng kim loại trong một số loại vật liệu xử lý mẫu

Bảng 5: Hàm lượng các kim loại có trong một số acid thường dùng

Như vậy có thể thấy rằng quá trình xử lý mẫu theo phương pháp vô cơ hóa ướt gặp phảinhững khó khăn như thải ra môi trường một lượng lớn các hóa chất độc hại bên cạnh đóquá trình đun nóng và sử dụng một lượng lớn các acid để phá mẫu còn làm gia tăng nguy

cơ nhiễm bẩn mẫu Tuy nhiên do thiết bị phá mẫu khá đơn giản chỉ cần bình phá mẫu vàmột nguồn nhiệt thường là hot plate cùng với ưu điểm là thời gian phá mẫu khá ngắn (8-

12 giờ) so với phương pháp vô cơ hóa khô ( 1-2 ngày) cho nên phương pháp này hoàntoàn có thể áp dụng trong điều kiện xử lý một số lượng mẫu ít với khối lượng mỗi mẫunhỏ

2.1.1.2. Một số quy trình

AOAC 973.34 Cadimi in food (xác định bằng F-AAS) Cân 50g mẫu vào becher 1.5L,

thêm đá bọt và đậy lại Thêm 25ml nitric, đun nhẹ, đến khi phản ứng chậm dần, thêm tiếp25ml nitric, lặp lại đến khi dùng hết 100ml nitric, đun tiếp đến khi bay hết NO Để loại bỏbéo thấy được trong dung dịch nóng: làm lạnh becher trong nước đá, chuyển phần dungdịch ra khỏi becher, thêm 100ml nước vào becher chứa béo, đun nóng rồi tiến hành tươngtự.Thêm vào dung dịch 20ml sulfuric, pha loãng đến 300ml, đun bay hơi đến khi mẫu bịthan hóa, thêm peroxid 50%1ml, đợi cho hết phản ứng mới thêm tiếp peroxid, tiếp tục đếnkhi dung dịch không màu, đun tiếp để loại peroxid

Nhận xét: Vì phương pháp xác định là F-AAS có giới hạn phát hiện trong khoảng

ppm cho nên lượng mẫu cần phải xử lý khá lớn dẫn đến một lượng lớn acid cần phảidùng, để khắc phục nhược điểm này ta có thể áp dụng phương pháp GF-AAS để giảmgiới hạn phát hiện xuống trong khoảng ppb Như đã trình bày ở phần 2.1.1.1, acid

H2SO4 được dùng để than hóa mẫu và kết hợp với H2O2 để oxi hóa dạng than sinh ra,tuy nhiên vì lượng mẫu khá lớn nên cần phải tách béo trước khi xử lý với acid H2SO4

để giúp cho quá trình vô cơ hóa mẫu diễn ra nhanh và xử lý mẫu được hoàn toàn

AOAC 972.25 Pb in food (xác định bằng F-AAS) Khoảng 10g mẫu cho vào bình

Kjeldahl 500ml, 1 ml SrCl2 2%, đá bọt, 15ml dung dịch 120ml sulfuric (1-5), 100mlnitric, 40ml perchloric, ngâm trong >2h, đun nóng đến khi chỉ còn sulfuric Để nguội bớt,tráng bằng nước và cho vào ống ly tâm 40-50ml, loại bỏ nước, rửa lại ống ly tâm bằng

20ml nước và 1ml sulfuric 0.5M đun nóng Chuyển toàn bộ dung dịch và kết tủa vào ống

ly tâm, ly tâm lấy kết tủa Rửa kết tủa bằng 25ml (NH4)2CO3 20%, để yên trong 1h, ly tâmloại nước Đổ kết tủa ra phễu lọc có giấy lọc, để ráo nước rồi dội 5ml HNO3 1M để hòatan, đánh siêu âm để loại CO2

Nhận xét: Vì sử dụng quá trình đồng kết tủa với Sr (PbSO4 + SrSO4) nên khối lượngmẫu xử lý tương đối ít hơn so với quy trình xác định Cd phía trên tuy nhiên do khốilượng mẫu vẫn còn khá lớn dẫn đến quá trình xử lý trải qua nhiều giai đoạn nhằm loại

bỏ các chất béo khó xử lý làm tăng nguy cơ nhiễm bẩn mẫu và mất mẫu Để oxi hóahoàn toàn các dạng hữu cơ, trong quy trình này đã dùng acid HClO4 có tính oxi hóamạnh, tuy nhiên đây là một loại acid có khả năng phát nổ cao khi phản ứng với nềnmẫu có nhiều chất hữu cơ, do đó mà quy trình xử lý này phải được thực hiện hết sứccẩn thận và khó có thể áp dụng với các mẫu có hàm lượng chất béo cao vì khả nănggây nổ rất lớn

985.16 Tin in Canned food (xác định bằng F-AAS) Cân khoảng 20g mẫu vào erlen

250ml, đun khan ở 1200C, thêm 15ml nitric, ngâm 15 phút, đun nhẹ đến khi chỉ còn 3-6mlacid, không để mẫu bị than hóa Thêm 25ml HCl, đun nhẹ trong 15min đến khi không cònbọt khí Clo Tăng nhiệt đến khi còn 10-15ml, thêm 40ml nước khuấy đều rồi chuyển sangbình mức 100ml, với sự có mặt của HCl giúp dung dịch bền vững qua đêm hoặc lâu hơn.Thêm 1ml KI 10mg/ml vào bình mức định mức đến vạch, nếu có béo thì không tính phầnnày vào dung dịch

Nhận xét: Do dạng Sn(II) khó bay hơi hơn dạng Sn(IV) vì vậy trong dung dịch cuối

cùng cần dùng chất khử là KI, tuy nhiên do KI phản ứng với HNO3 nên cần phải loạiHNO3 bằng phản ứng HNO3 + HCl = NOCl + Cl2 + H2O Vì Sn có khả năng bay hơicao hơn Pb và Cd cho nên phải luôn duy trì một lượng acid nitric trong mẫu giúp cho

Sn tồn tại trong dung dịch chứ không phải tạo thành dạng muối dễ bay hơi trongtrường hợp bị đun đến khan

2.1.2. Xác định Hg

2.1.2.1. Nguyên lý (4)

Vì Hg có đặc tính dễ bay hơi do đó hầu hết các qui trình xử lý mẫu đều dùng phươngpháp vô cơ hóa ướt và sử dụng H2SO4 kết hợp với đun trong hệ kín hoặc hệ mở có hệthống ống sinh hàn nhằm hạn chế sự thất thoát thủy ngân

Một số phương pháp xử lý áp dụng trên 1g mẫu với phương pháp đo hóa hơi lạnh gồm cóHF-HNO3 tỷ lệ 3-10 (v-v) đun đến 1100C trong bom PTFE (1), HNO3-H2SO4 10-5 (v-v)đun trong 600C đến bóc khói (2) Từ dung dịch được xử lý sơ bộ theo cách (1) hoặc (2)mẫu được oxi hóa hoàn toàn chất hữu cơ bằng những tác nhân oxi hóa mạnh theo cácphương pháp sau: thêm 2ml H2SO4 1-1, 10ml KMnO4 5%, lắc trong 16h ở 600C, loạiKMnO4 bằng 5ml NH4OCl (a) hay thêm 2ml H2SO4đđ, 2.5ml H2O2, đun đến bóc khói, đểnguội thêm vài giọt KMNO4 rồi khử lại bằng một lượng vừa đủ NH4OCl 5% để tránh sựkhử Hg2+ thành Hg0 dễ bay hơi (b) Một cách nhanh hơn là thêm từ đầu 2mg V2O5, HNO3-

H2SO4 10-5 đun trong 600C đến bóc khói nâu, thêm 10ml H2O2, đun đến 800C đến bóckhói SO3, làm lạnh, thêm 2ml KMnO4 khử lại bằng một lượng vừa đủ NH4OCl 5% đểtránh sự khử Hg2+ thành Hg0 dễ bay hơi Mỗi phương pháp trên có một phạm vi ứng dụng

và hạn chế khác nhau dựa trên yêu cầu là oxi hóa hoàn toàn dạng hữu cơ ( tránh hiệntượng tạo bọt trong khi đo theo kỹ thuật tiêm dòng chảy) và có hiệu suất thu hồi cao đượctrình bày trong các bảng sau

Bảng 6: So sánh kết quả phân tích hàm lượng Thủy Ngân theo các cách xử lý khác nhau

Từ kết quả trên cho thấy việc xử lý bằng hỗn hợp HNO3/H2SO4 không loại bỏ đượcphần chất béo làm cho mẫu BCR-62 (dầu oliu) xảy ra hiện tượng sủi bọt khi đo, trongkhi đó giai đoạn vô cơ hóa trong điều kiện HF/HNO3 dùng bom PTFE và phân hủymẫu bằng KMnO4/HNO3/H2SO4 là tối ưu nhất, tuy nhiên do acid HF nguy hiểm khidùng và hệ thống phá mẫu kín dùng bom PTFE có giá thành khá cao, lượng mẫu xử lý

có khối lượng giới hạn ( thường ít hơn 1g), khó áp dụng để xử lý hàng loạt mẫu chonên khó áp dụng trong điều kiện thực tế Phương pháp dùng hỗn hợp HNO3/H2SO4 dù

có hạn chế tuy nhiên bằng cách sử dụng các điều kiện oxi hóa mạnh hơn thì phươngpháp này vẫn có thể áp dụng tốt, các thí nghiệm nhằm cải tiến phương pháp này đượctrình bày trong bảng sau

Bảng 7: So sánh kết quả phân tích hàm lượng Thủy Ngân theo các

cách xử lý khác nhau

Nhận xét: Khả năng oxi hóa của H2O2 kém hơn hẳn KMnO4 nên không phá được mẫuBCR-61, đối với BCR-62 chỉ có phương pháp photolysis sử dụng chất oxi hóa là gốc

tự do *OH sinh ra do phản ứng của mẫu với tia UV mới có thể phân hủy được mẫu

Do hệ thống photolysis khá phức tạp và hiệu suất phá mẫu (thời gian và lượng mẫu)không cao nên một cách khác là dùng V2O5 làm xúc tác để phân hủy nền béo, kết quảkhảo sát được trình bày trong bảng sau

Bảng 7: So sánh kết quả phân tích hàm lượng Thủy Ngân theo các cách xử lý khác nhau

kết hợp dùng xúc tác V2O5

Nhận xét: Vanadium là kim loại có nhiều vân đạo hóa trị trống giúp tăng khả năng tạo

hợp chất cơ kim kém bền với các chất hữu cơ có nối đôi, nhờ đặc tính này mà cácthành phần béo bị loại bỏ hoàn toàn nên phương pháp dùng H2O2 vẫn xử lý tốt cácmẫu BCR-61 và 62 tuy nhiên có thể do tính oxi hóa yếu nên không thể oxi hóa hoàntoàn nền mẫu nên không giải phóng hết Hg kim loại làm cho kết quả phân tích thấphơn so với dùng KMnO4

2.1.2.2. Quy trình theo AOAC 977.15 Mercury in fish

5g mẫu vào bình, 10-20mg V2O5, 20ml H2SO4-HNO3 1-1, cắm ống sinh hàn, đun từ từđến sôi, đảo đều bình trong quá trình phản ứng Khi phản ứng xong, tắt nguồn nhiệt, rửaống sinh hàn bằng 15ml nước, thêm 2 giọt peroxide, làm lạnh bình bằng cách ngâm nước,định mức đến 100ml

Nhận xét: Quy trình trên thực hiện đúng theo những nghiên cứu của phần 2.1.2.1,

trong trường hợp này chất oxi hóa được dùng la H2O2 thay cho KMnO4 có thể do nềnmẫu là cá nên không cần điều kiện oxi hóa quá mạnh, bên cạnh đó H2O2 còn có những

ưu điểm so với KMnO4 như: tự phân hủy nên không cần thêm NH4OCl làm tăng nguy

cơ khử Hg2+ khi chất khử dư quá nhiều, tác dụng với khí NO2 ( là sản phẩm của quátrình oxi hóa của acid HNO3 và có khả năng tan được trong dung dịch mẫu sau khi xử

lý, khí NO2 tan trong dung dịch mẫu sẽ bay lên trong quá trình đo gây mất tín hiệu đo)theo phương trình sau 2NO2 + H2O2  2HNO3

Phương pháp xử lý bằng vi sóng kết hợp với hệ kín có nhiều ưu điểm như thời gian hoànthành một mẻ xử lý nhanh (1-2 giờ), không làm mất hay nhiễm bẩn mẫu, phân hủy mẫuhoàn toàn Tuy nhiên một số nhược điểm của phương pháp này đó là giá thành khá cao,mỗi nền mẫu cần có một chu trình nhiệt riêng để đảm bảo an toàn cho thiết bị, lượng mẫu

xử lý thường không quá 1 gram nên đòi hỏi đi kèm với phương pháp xử lý này là mộtphương pháp xác định có độ nhạy khá cao dẫn đến tăng thêm chi phí

2.2 Vô cơ hóa khô

Bằng cách sử dụng nhiệt độ cao (450-5000C) để oxi hóa nền mẫu, giúp cho việc oxi hoáccác chất hữu cơ khó oxi hóa bằng acid như chất béo, acid amin hay Arsen hữu cơ đượcoxi hóa hoàn toàn Đối với phương pháp này lượng acid sử dụng rất hạn chế, chỉ với mụcđích là hòa tan cặn sau khi xử lý nên giảm thiểu các khí độc thoát ra và sự nhiễm bẩn mẫubên cạnh đó có thể xử lý một khối lượng mẫu lớn và áp dụng cùng một quy trình cho một

số nền mẫu khác nhau Tuy nhiên vẫn còn một số nhược điểm như thời gian xử lý chậm(1-2 ngày), có thể xử lý cùng một lúc nhiều mẫu ( tùy thuộc vào kích thước lò nung )nhưng tăng khả năng nhiễm chéo giữa các mẫu, một số nguyên tố kim loại dễ bay hơi nênlàm tăng khả năng mất mẫu, khi áp dụng cho các mẫu có nhiều chất béo hoặc đường cần

có giai đoạn tiền xử lý trước khi cho vào lò nung để giảm thiểu hiện tượng sôi trào

986.15 As,Cd,Pb,Se,Zn in human food Cân 0.3g mẫu (tính theo lượng khô) vào vessel

thêm 5ml acid nitric, đóng chặt nắp đun ở 1500C, chuyển dung dịch thu được vào bìnhmức 10ml Để xác định Pb,Cd: lấy một thể tích thích hợp vào chén nung, thêm 2mlmagnesium nitrate, nung khan trên bếp sau đó tăng nhiệt tới cực đại, đem vào lò nung ở

4500C trong 10-20min Hòa tan trong 1ml nitric 1-1 đun đến khô để loại carbonate, nitrit,loại bớt acid Hòa tan bằng 5ml nitric 0.5ml/L As,Se: Lấy một thể tích thích hợp dungdịch trên cho vào chén nung, thêm 1ml Mg(NO3)2 75mg/ml, đun nóng đến khan nước, sau

đó tăng dần đến cực đại, chuyển vào lò nung ở 4500C để loại HCHC và phân hủy nitrat.Hòa tan bằng 2ml HCl 8M

Nhận xét: Vì áp dụng kết hợp xử lý theo cả hai phương pháp vô cơ hóa khô và ướt mà

trong đó phương pháp ướt sử dụng hệ kín nên khối lượng mẫu bị giới hạn khá nhiềutrong phương pháp này Do hàm lượng As hữu cơ chiếm lượng lớn trong thực phẩm

do đó để xác định hàm lượng As tổng cần thiết phải oxi hóa hoàn toàn nền mẫu Đốivới phương pháp vô cơ hóa ướt, để oxi hóa hoàn toàn dạng As hữu cơ cần phải sửdụng acid có tính oxi hóa mạnh như HClO4 kết hợp với acid H2SO4 để tăng nhiệt độphản ứng, trong khi đó phương pháp khô đơn giản hơn và lượng hóa chất sử dụng íthơn đồng thời đảm bảo oxi hóa hoàn toàn dạng As hữu cơ Chất trợ nung thường đượcthêm vào mẫu để đảm bảo các kim loại không bị bay hơi trong quá trình gia nhiệt nhờvào khả năng tạo ra dung dịch rắn (giúp giam các kim loại cần phân tích trong mạng