Xây dựng quy trình xác định đồng, chì, cadimi trong mẫu huyết thanh bằng phương pháp quang phổ plasma ghép nối khối phổ (ICP-MS)

Xây dựng quy trình xác định đồng, chì, cadimi trong mẫu huyết thanh bằng phương pháp quang phổ plasma ghép nối khối phổ (ICP-MS)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-LƯƠNG THỊ LOAN

Xây dựng quy trình xác định đồng, chì, cadimi trong mẫu huyết thanh bằng

phương pháp quang phổ plasma ghép nối khối phổ (ICP-MS)

Chuyên ngành: Hóa phân tích

Hà Nội – Năm 2009

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn cô TS Nguyễn Thị Huệ đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện cho

em hoàn thành luận văn này.

En xin chân thành cảm ơn PGS.TS Tạ Thị Thảo cùng các thầy cô trong bộ môn Hóa phân tích đã luôn tạo điều kiện và giúp đỡ em trong quá trình học tập và nghiên cứu.

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến ThS Vũ Văn Tú, ThS Phạm Hải Long cùng các anh chị trong phòng phân tích chất lượng môi trường – Viện công nghệ môi trường – Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam, đã luôn động viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm thực nghiệm

Hà Nội, ngày 30 tháng 11 năm 2009

Học viên LƯƠNG THỊ LOAN

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

PHẦN I: TỔNG QUAN 3

1.1 Trạng thái tự nhiên, một vài tính chất và ứng dụng của đồng, chì và cadimi 3

1.1.1.Trạng thái thiên nhiên của các nguyên tố đồng, chì và cadimi 3

1.1.2 Một vài tính chất và ứng dụng của đồng, chì và cadimi 3

1.1.3.Vai trò sinh học của đồng, chì và cadimi 7

1.2 Các phương pháp xác định đồng, chì và cadimi 16

1.2.1 Phương pháp trắc quang 16

1.2.2 Phương pháp chuẩn độ 16

1.2.3 Phương pháp cực phổ 16

1.2.4 Phương pháp Vôn –Ampe hòa tan 17

1.2.5 Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử 18

1.2.6 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử 18

1.2.7 Phương pháp quang phổ plasma ghép nối khối phổ (ICP – MS) 20

1.3 Các phương pháp xử lý mẫu 22

1.3.1 Phương pháp vô cơ hóa 23

1.3.2 Phương pháp chiết 25

1.3.3 Phương pháp pha loãng mẫu bằng dung môi thích hợp 25

1.3.4 Phương pháp điện phân 26

1.3.5 Phương pháp phân hủy mẫu bằng lò vi sóng 26

1.4 Phương pháp xác định độ lặp lại và độ chính xác 28

1.4.1 Độ lặp lại 28

1.4.2 Độ chính xác 29

PHẦN II THỰC NGHIỆM 31

2.1 Đối tượng nghiên cứu 31

2.2 Phương pháp nghiên cứu 31

2.2.1 Phương pháp nghiên cứu tài liệu 31

2.2.2 Phương pháp nghiên cứu xây dựng quy trình phân tích đồng, chì và cadimi trong huyết thanh trên thiết bị ICP-MS 31

2.2.3 Phương pháp xử lý số liệu 31

2.3 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị 31

2.3.1 Hóa chất 31

2.3.2 Dụng cụ 32

2.3.3.Thiết bị phân hủy mẫu và phân tích mẫu 32

2.3.3.1 Thiết bị phân hủy mẫu 32

2.3.3.2 Thiết bị phân tích mẫu 33

2.4 Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu huyết thanh 34

PHẦN III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35

3.1 Các phương pháp phân hủy mẫu 35

3.1.1.Phương pháp pha loãng bằng HNO3 36

3.1.2 Phương pháp pha loãng bằng hỗn hợp HNO3 (1%) và Triton X-100 .37

3.1.3 Phương pháp phân hủy bằng lò vi sóng 39

3.1.4 So sánh các phương pháp phân hủy mẫu 40

3.2 Khảo sát các điều kiện tối ưu trong quá trình phân tích mẫu trên thiết bị ICP-MS 41

3.2.1 Chuẩn hóa số khối (Tunning) 41

3.2.2 Tối ưu tốc độ khí mang tạo sol khí 42

3.2.3 Khảo sát nguồn năng lượng (ICP) 43

3.2.4 Khảo sát thế điều khiển thấu kính điện tử - ion 44

3.2.5 Khảo sát thời gian phân tích mẫu 45

3.2.6 Khảo sát thời gian rửa sạch mẫu 46

3.3 Xây dựng đường chuẩn 47

3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của các nguyên tố đến quá trình xác định hàm lượng đồng, chì và cadimi trong huyết thanh 50

3.4.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của các nguyên tố đi kèm 50

3.4.1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của canxi 50

3.4.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của magie 51

3.4.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của thủy ngân 52

3.4.1.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của kẽm 52

3.4.1.5.Nghiên cứu ảnh hưởng của mangan 53

3.4.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của các nguyên tố lẫn nhau 54

3.4.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của đồng đến quá trình xác định cadimi và chì 54

3.4.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của cadimi đến quá trình xác định đồng và chì 55

3.4.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của chì đến quá trình xác định đồng và cadimi 55

3.5 Xác định độ lặp lại và độ chính xác của phương pháp 56

3.6 Xây dựng quy trình phân tích xác định đồng, chì và cadimi trong mẫu huyết thanh 57

3.7 Áp dụng các điều kiện tối ưu trong phân tích mẫu thực tế 58

PHẦN IV KẾT LUẬN 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO

MỞ ĐẦU

Cho đến nay có hàng trăm công trình khoa học trên thế giới đã công bốcác kết quả nghiên cứu về chức năng và ảnh hưởng của một số kim loại nặngđối với sức khỏe con người Các nguyên tố vi lượng như đồng, chì và cadimi làthành phần rất cần trong cơ thể Nếu dư thừa hoặc thiếu hụt sẽ gây ra một sốbệnh như bệnh Schizophrenia, bệnh Willson đó là do sự dư thừa lượng đồngtrong cơ thể, hiện tượng tím tái người ngất xỉu đột ngột do nhiễm độc chì,…

Để đánh giá mức độ nhiễm các nguyên tố này trong cơ thể, người tathường định lượng chúng trong máu hoặc trong huyết thanh Nhưng tronghuyết thanh, hàm lượng kim loại thường rất nhỏ, vì vậy cần sử dụng các thiết

bị phân tích có độ nhạy, độ chính xác cao để xác định chúng Phù hợp với các

loại mẫu này là phép đo quang phổ plasma ghép nối khối phổ (Inductively

Coupled Plasma-Mass Spectrometer, ICP-MS) ICP-MS thể hiện tính ưu việt

hơn các phương pháp khác như quang phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửadùng lò grafit (AAS-G), quang phổ phát xạ plasma (ICP-OES),… về khả năngphân tích nhanh và phát hiện với nồng độ thấp (ppt) Dựa vào phần mềm lựachọn đồng vị, có thể tìm nồng độ tối ưu của nguyên tố đó trong mẫu, loại trừảnh hưởng trong quá trình phân hủy mẫu

Để xác định thật chính xác hàm lượng các ion kim loại đồng, chì vàcadimi trong huyết thanh, việc xây dựng một quy trình phân tích hoàn thiện

từ quá trình chuẩn bị, xử lý mẫu và phép phân tích là hết sức cần thiết

Chính vì vậy “ Xây dựng quy trình xác định đồng, chì, cadimi trong huyết

thanh bằng phương pháp quang phổ plasma ghép nối khối phổ MS)” là mục đích của luận văn đề ra Đây là hướng nghiên cứu mới mang

(ICP-tính thực tiễn cao nhằm đưa ra quy trình phân tích chính xác hàm lượng một

số kim loại trong huyết thanh Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là tài liệu hỗtrợ trong quá trình chuẩn đoán, điều trị bệnh tại một số bệnh viện như bệnhviện nhi trung ương

Nội dung chính của luận văn gồm những phần sau:

- Nghiên cứu các điều kiện tối ưu trong quá trình xử lý mẫu huyếtthanh nhằm đưa ra quy trình xử lý mẫu tối ưu nhất để định lượng các kim loạiđồng, chì và cadimi trong huyết thanh

- Nghiên cứu các điều kiện tối ưu trong quá trình phân tích các kimloại đồng, chì và cadimi trên thiết bị ICP-MS để kết quả phân tích đạt độchính xác cao

- Nghiên cứu các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình phân tích cácnguyên tố kim loại nói trên

- Xây dựng quy trình phân tích một số kim loại như đồng, chì vàcadimi trong mẫu huyết thanh bằng phương pháp ICP-MS

- Áp dụng phân tích một số mẫu thực tế

PHẦN I: TỔNG QUAN

1.1 Trạng thái tự nhiên, một vài tính chất và ứng dụng của đồng, chì và cadimi

1.1.1.Trạng thái thiên nhiên của các nguyên tố đồng, chì và cadimi[20]

Đồng là nguyên tố được con người biết đến và sử dụng sớm nhất.Những công cụ lao động bằng đồng được làm cách đây 6000 năm Trongthiên nhiên, đồng là nguyên tố tương đối phổ biến Trữ lượng đồng trongthạch quyển của vỏ trái đất chiếm khoảng 10-2 % về khối lượng Nhữngkhoáng vật chính của đồng là: cancosin (Cu2S) chứa 79,8% đồng; cuprit(Cu2O) chứa 88,8% đồng; covelin (CuS) chứa 66,5% đồng; cancopirit(CuFeS2) chứa 34,57% đồng và malachit (CuCO3.Cu(OH)2)

Cadimi được tìm thấy trong tạp chất của cacbonat kẽm (calamin).Trong thạch quyển của vỏ trái đất cadimi chiếm khoảng 5×10-5 % về khốilượng Khoáng vật chủ yếu của cadimi là quặng grinokit (CdS) Trong quặngblen kẽm và calamine có chứa khoảng 3% cadimi

Chì đã được con người biết đến từ thời thượng cổ Chì trong vỏ trái đấtứng với thành phần thạch quyển chiếm 1,6×10-3 % về khối lượng Galen (PbS)

là quặng chì quan trọng nhất trong công nghiệp, ngoài ra còn gặp chì trongquặng xeruzit (PbCO3)

1.1.2 Một vài tính chất và ứng dụng của đồng, chì và cadimi

* Tính chất vật lý

Đồng là kim loại nặng, mềm, màu ánh đỏ, có độ dẫn điện và dẫn nhiệtcao Đồng có 11 đồng vị từ 58Cu đến 68Cu, trong đó có 2 đồng vị thiên nhiên là

63Cu (chiếm 70,13%) và 65Cu (chiếm 29,87%) Hai đồng vị phóng xạ bềnnhất của đồng là 67Cu (chu kỳ bán hủy là 2,21 ngày-đêm) và 64Cu (chu kỳ bánhủy là 0,541 ngày-đêm)

Cadimi là kim loại có màu trắng ánh xanh, mềm, dễ uốn, có thể cắtbằng dao Cadimi có 19 đồng vị, trong đó có 8 đồng vị gặp trong thiên nhiên

106Cd (chiếm 1,215%), 108Cd (chiếm 1,215%), 110Cd (chiếm 12,39%), 111Cd(chiếm 12,7%), 112Cd (chiếm 24,07%), 113Cd (chiếm 12,26%), 114Cd (chiếm28,86%), và 116Cd (chiếm 7,58%) Trong các đồng vị phóng xạ thì đồng vị

100Cd có chu kỳ bán hủy 470 ngày đêm là bền nhất

Chì là kim loại có mầu xám, có khối lượng riêng lớn nhất Chì có 18đồng vị, trong đó có 4 đồng vị thiên nhiên là 204Pb (chiếm 1,48%), 206Pb(chiếm 23,6%), 207Pb (chiếm 22,6%) và 208Pb (chiếm 52,3%) Đồng vị phóng

xạ bền nhất của chì là 202Pb có chu kỳ bán hủy là 3.105 năm

Một số tính chất vật lý của đồng, chì và cadimi được tổng kết trong bảng 1

Bảng 1: Một số tính chất vật lý của các nguyên tố đồng, chì và cadimi

* Tính chất hóa học của đồng, chì và cadimi[16; 20].

Tác dụng với oxi

Ở nhiệt độ thường và trong không khí, đồng bị bao phủ bởi một lớpmàng đỏ gồm Cu và Cu2O

2Cu + O2 + 2H2O  2Cu(OH)2

Cu(OH)2 + Cu  Cu2O + H2ONếu trong không khí có CO2 thì đồng bị bao phủ bởi một lớp màu lụcgồm cacbonat bazơ Cu(OH)2CO3

Cadimi bền trong điều kiện không khí ẩm và ở nhiệt độ thường nhờ cómàng oxit bảo vệ Nhưng ở nhiệt độ cao cadimi cháy mãnh liệt tạo thành oxit,cho ngọn lửa màu sẫm

loại Khi đun nóng trong không khí, chì bị oxi hóa dần đến hết tạo ra PbO

2Pb + O2  t0 2PbO

Tác dụng với các phi kim khác

Ở nhiệt độ thường đồng không tác dụng với Flo do hình thành một lớpCuF2 rất bền bên ngoài bảo vệ Với Clo, đồng tác dụng tạo thành CuCl2 Khiđun nóng đồng tác dụng với lưu huỳnh, cacbon, photpho, asen tạo thành cácmuối tương ứng

Halogen, lưu huỳnh, photpho tác dụng với cadimi tạo muối tương ứng Chì tác dụng được với các halogen, lưu huỳnh tạo thành muối

Pb + S → PbS

Pb + Cl2 → PbCl2

Tác dụng với nước

Đồng, chì và cadimi không tác dụng được với nước ở nhiệt độ thường.Nhưng ở nhiệt độ cao cadimi khử hơi nước biến thành oxit Còn chì phản ứngchậm với nước khi có mặt của oxi tạo ra hidroxit:

2Pb + O2 + 2H2O → 2Pb(OH)2

Tác dụng với axit

Với axit không có tính oxi hóa (như HCl, H2SO4 loãng,…) thì đồngkhông tác dụng (trừ HI do tạo thành CuI ít tan và HCN nhờ tạo thành anionphức bền [Cu(CN)2]-)

2Cu + 4HCN  2H[Cu(CN)2] + H2↑Nhưng khi có mặt oxi không khí, đồng có thể tan được trong dung dịch HCl

2Cu + 4HCl + O2  2CuCl2 + 2H2ONgược lại cadimi và chì lại có thể tác dụng, giải phóng khí hidro

Cd + 2HCl → CdCl2 + H2↑Tuy nhiên, khi chì tan trong HCl lại tạo ra lớp PbCl2 khó tan làm cho chìkhông tan thêm được nữa; nhưng với HCl đặc chì lại dễ tan hơn do tạo thànhhợp chất dễ tan dạng H2[PbCl4]

PbCl2 + 2HCl → H2[PbCl4]Với các axit có tính oxi hóa (như HNO3, H2SO4 đặc) thì đồng, cadimi

và chì đều hoạt động mạnh

Cd + 2H2SO4 đ → CdSO4 + SO2 ↑ + 2H2OĐồng tan trong H2SO4 đặc và HNO3 theo phương trình

3Cu + 8HNO3  3Cu(NO3)2 + 2NO ↑+ 4H2O

Cu + 2H2SO4  CuSO4 + SO2 ↑+ 2H2OChì chỉ tác dụng trên bề mặt với dung dịch H2SO4 có nồng độ thấp hơn80% tạo ra lớp muối khó tan, người ta đã lợi dụng tính chất này để chế tạo ắcquy chì Còn với H2SO4 đặc chì rất dễ tan do tạo hợp chất dễ tan Pb(HSO4)2

không bảo vệ được chì khỏi bị axit tiếp tục tác dụng:

Pb + H2SO4 → PbSO4 + SO2↑+ 2H2OPbSO4 + H2SO4 → Pb(HSO4)2

Nhưng với axit HNO3, chì tác dụng ở bất kỳ nồng độ nào đều tạo ra Pb(NO3)2.Tuy nhiên do Pb(NO3)2 khó tan trong HNO3 đặc, dễ tan trong nước nên chì dễtan trong HNO3 loãng, khó tan trong HNO3 đặc

3Pb + 8HNO3 → 3Pb(NO3)2 + 2NO + 4H2OChì cũng tan được trong axit axetic và một số axit hữu cơ khác khi có mặt oxi

2Pb + 4CH3COOH + O2 → 2Pb(CH3COO)2 + 2H2O Đặc biệt, chì còn có thể tan được trong dung dịch kiềm đặc nóng

Pb + 2KOH + 2H2O → K2[Pb(OH)4] + H2 ↑

*Ứng dụng của đồng, chì và cadimi

Đồng, chì và cadimi có rất nhiều ứng dụng quan trọng Các sản phẩmđược chế tạo từ đơn chất và hợp chất của ba kim loại trên đóng vai trò khôngthể thiếu trong đời sống con người Đồng được sử dụng để sản xuất dây điện,que hàn, nam châm điện, mạch IC,.… Các hợp chất của đồng như dung dịchFeling có ứng dụng trong phân tích hóa học Còn đồng (II) sulfat được sửdụng như là thuốc bảo vệ thực vật và chất làm sạch nước

Cadimi được dùng để sản xuất các loại pin (đặc biệt là pin Ni-Cd).Ngoài ra cadimi còn dược dùng trong các chất màu, lớp sơn phủ, các tấm mạ

và làm chất ổn định cho nhựa Các sử dụng khác bao gồm: sản xuất hợp kim,lưới kiểm soát trong lò phản ứng hạt nhân Các hợp chất chứa cadimi được sửdụng trong các ống hình của ti vi đen trắng hay ti vi màu, thiết bị phát sánghay pin mặt trời,…

Còn chì lại là thành phần chính tạo nên ắc quy sử dụng cho xe, chấtnhuộm trắng trong sơn Chì được sử dụng như thành phần màu trong trángmen, được dùng làm các tấm ngăn để chống phóng xạ hạt nhân…

1.1.3.Vai trò sinh học của đồng, chì và cadimi

Trong cơ thể con người, đồng là nguyên tố vi lượng rất cần thiết Đồngđược tìm thấy trong một số loại enzym như cytochrom coxidas, enzym chứaCu-Zn superoxid dismutas Đồng cũng là kim loại trung tâm trong chấtchuyên chở ôxy hemocyanin

Đồng có vai trò liên quan chặt chẽ với quá trình oxi hóa xảy ra trong cơthể Đồng là thành phần của nhiều men oxi hóa quan trọng nhưpolyphenonoloxydaza, axcobinoxydaza, laccaza, dehydrogenaza vàbutyrylco-fecmen A Tất cả những men chứa đồng này đều đã thực hiện phảnứng oxi hóa khử bằng cách chuyển điện tử từ nền đến oxi phân tử là chất nhậnđiện tử và trong quá trình đó hóa trị của đồng đã thay đổi từ trạng thái hóa trị

II sang trạng thái hóa trị I và ngược lại Các phản ứng oxi hóa đó đã xảy ratheo một trong các phương trình sau:

OH[nền]H2 + O2 = [nền] (1)

OH

OH[nền]H2 + O2 + 2e + 2H+ = [nền] (2)

OH

[nền]H2 + O2 = [nền] + H2O2 (3)

Đồng được vận chuyển chủ yếu trong máu bởi protein trong huyếttương gọi là ceruloplasmin Đồng được hấp thụ trong ruột non và được vậnchuyển tới gan bằng cách liên kết với albumin

Khi thiếu đồng, hoạt động của các men oxi hóa bị yếu đi rất nhiều Tuynhiên, khi hàm lượng đồng cao sẽ gây tổn thương cho đường tiêu hóa, gan,thận và niêm mạc

Đồng kết hợp với một số protein tạo ra enzym xúc tác cho hoạt độngcủa cơ thể Đồng cũng tham gia tạo ra năng lượng cung cấp cho các phản ứngsinh hóa Đồng cũng liên quan đến sự biến đổi hắc tố của da giúp chuyển hóacác dạng colagen và elastin hình thành mô tế bào rất quan trọng với tim vàđộng mạch Do đó sự thiếu hụt đồng là một nhân tố làm tăng nguy cơ bị bệnhmạch vành tim ở người cao tuổi[12]

Bệnh Wilson ở người sinh ra do cơ thể giữ lại đồng, mà không bài tiết

ra khỏi gan vào trong mật Do cơ thể bị rối loạn một số chức năng hoặc do độtbiến của gien nên ở người mắc bệnh Wilson, lượng đồng vào cơ thể khôngthải ra được mà đọng lại hết trong cơ thể Theo thống kê mỗi năm tại bệnhviện nhi trung ương có khoảng 5 trẻ mắc bệnh Wilson

Đồng tích tụ dần và gây nhiễm độc tại những cơ quan mà nó lắng đọngnhư gan, não, máu, mắt, khớp,…,nếu không được điều trị sớm sẽ dẫn tới cáctổn thương về não và gan Khi chất đồng lắng đọng ở cơ quan thần kinh, trẻ sẽcó những biểu hiện như tự nhiên khó nói, chảy nước miếng, những vận độngkhéo léo của bàn tay bị mất đi, viết chữ chậm, xấu, nặng hơn trẻ sẽ bị co cứngtay, chân hoặc có những biểu hiện tâm thần như trầm cảm, những rối loạn tâmthần, khó nuốt

Sự tích tụ lượng đồng ở mắt sẽ gây ra bệnh Keyer-Fleischer, ở tim gâybệnh cơ tim và ở thận sẽ gây bệnh thận Đặc biệt, khi đồng phóng thích độtngột vào máu sẽ gây tán huyết (vỡ hồng cầu dữ dội) Trong trường hợp này,nếu bệnh trường diễn sẽ dẫn đến suy gan tối cấp, nếu không được ghép gan

thì bệnh nhân sẽ bị tử vong Theo WHO lượng đồng cần cho một ngày đốivới nam là 12mg và 10mg đối với nữ[14]

Đối với cơ thể con người thì cadimi và các hợp chất của cadimi đều rấtđộc Cadimi có thể xâm nhập vào cơ thể con người bằng nhiều con đườngkhác nhau như tiếp xúc với bụi cadimi, ăn uống các nguồn có sự ô nhiễmcadimi Sự kiện bị ngộ độc cadimi trên thế giới là sự kiện xảy ra ở Nhật Bảnvới bệnh Itai - là một bệnh có liên quan đến ô nhiễm nguồn nước bởi cadimi.Người khi hít phải bụi chứa cadimi có thể bị các bệnh về hô hấp và thận Nếu

ăn phải một lượng đáng kể cadimi sẽ bị ngộ độc, có thể dẫn đến tử vong Đãcó bằng chứng chứng minh rằng cadimi tích tụ trong cơ thể gây nên chứngbệnh giòn xương Ở nồng độ cao, cadimi gây đau thận, thiếu máu và phá hủytủy xương Người bị nhiễm độc cadimi, tùy theo mức độ sẽ bị ung thư phổi,thủng vách ngăn mũi, đặc biệt là bị tổn thương thận, ảnh hưởng đến nội tiết,máu và tim mạch Mặt khác, cadimi còn là chất gây ung thư qua đường hôhấp Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy mối quan hệ giữa cadimi vớichứng bệnh loãng xương, nứt xương Sự hiện diện của cadimi trong cơ thểkhiến cho việc cố định canxi trở nên khó khăn dẫn đến những tổn thương vềxương gây đau đớn ở vùng xương chậu và hai chân Ngoài ra, tỷ lệ ung thưtiền liệt tuyến vú và ung thư phổi cũng khá lớn ở nhóm người thường xuyêntiếp xúc với chất độc này

Cadimi trong thận chiếm khoảng 1% lượng cadimi trong cơ thể Cácmetallotionetin chỉ có ở thận là do cadimi tạo liên kết với các protein Phần cònlại được giữ lại trong các bộ phận khác của cơ thể và tích lũy dần cùng tuổi tác.Khi lượng cadimi được tích lũy đủ lớn, nó có thể thay thế chỗ ion Zn2+ trong cácenzim quan trọng, gây rối loạn chức năng thận, thiếu máu, tăng huyết áp, pháhủy tủy xương gây ung thư… Cadimi cũng có thể can thiệp vào quá trình sinhhọc có chứa magie và canxi theo cách thức tương tự như đối với kẽm

Cơ quan nghiên cứu ung thư quốc tế (IARC) đã xếp cadimi và hợp chấtcủa nó vào nhóm 2A theo thứ tự sắp xếp về mức độ độc hại của các nguyên tốtrong ngành y tế Lượng cadimi đưa vào cơ thể hàng tuần cơ thể có thể chịuđựng được là 7g/kg thể trọng[14].

Chì và các hợp chất của chì đều được xếp vào nhóm độc tố đối với cơthể người Khi hàm lượng chì tích lũy lại vượt quá ngưỡng cho phép thì chì sẽ

ức chế một số enzym quan trọng trong quá trình tổng hợp máu dẫn đến khôngtạo được hồng cầu Bởi vì chì đã ức chế một số sản phẩm trung gian trong quátrình tổng hợp máu dẫn đến không tạo được hồng cầu như delta-aminolevulinic axit hay còn gọi là ALA-dehidraza enzym I (HOOC-(CH)-CO-CH(NH2)-COOH), là một chất trung gian quan trọng để tổng hợpporphobilinogen[5]

HOOC - CH2 - CH2 -C C - CH2 - CH2 – COOH

H2N - CH2 - C C – H

NChì gây ức chế ALA-dehidraza enzym I, do đó giai đoạn tiếp theo hìnhthành porphobilinogen II không xảy ra được Tổng quát chung thì chì phá hủyquá trình tổng hợp hemoglobin và các sắc tố cần thiết cho máu nhưcytochoromes Khi hàm lượng chì trong máu khoảng 0,3ppm thì nó ngăn cảnquá trình sử dụng oxy để oxi hóa glucoza tạo năng lượng cho quá trình sống,

do đó làm cho cơ thể mỏi mệt Nồng độ cao hơn 0,8ppm có thể gây thiếuhemoglobin, gây rối loạn chức năng thận và phá hủy não[5; 14]

Đối với sức khỏe con người, nhiễm độc chì gây ra bệnh về tai, mũi,họng, phế quản, máu, gan, xương và các bệnh ngoài ra Khi ngộ độc chì,người lớn hay than phiền, đau tê ở đầu ngón chân, tay, bắp thịt mỏi yếu, nhứcđầu, đau bụng, tăng huyết áp, thiếu máu, giảm trí nhớ, thay đổi tâm trạng, sảythai, kém sản xuất tinh trùng Lâu ngày, bệnh trở thành mạn tính, đưa tới suy

thận, tổn thương thần kinh ngoại vi, giảm chức năng não bộ (do chì có khảnăng tạo thành các hợp chất alkyl ái lipit)[9].

Trẻ em thường bị tác hại của chì trầm trọng hơn người trưởng thành,đặc biệt là trẻ dưới 6 tuổi vì hệ thần kinh còn non yếu và khả năng thải độcchất của cơ thể chưa hoàn chỉnh Trong khi trẻ em có mức hấp thụ chì gấp4-5 lần người lớn và thời gian bán phân hủy chì ở trẻ em cũng lâu hơnnhiều so với người lớn Một số trẻ em có thể bị nhiễm ngay từ khi còn ởtrong bụng mẹ, do người mẹ bị nhiễm chì, qua nhau thai từ tuần thứ 20 củathai kỳ và tiếp diễn suốt thời kỳ mang thai, hoặc bú sữa mẹ có hàm lượngchì cao Tới khi lớn, các em có thể ăn thực phẩm có chứa chì, nuốt chì lẫntrong đất, bụi khi bò chơi trên mặt đất hoặc ăn các mảnh vụn sơn tường nhà

cũ Do đó trẻ từ 6 tuổi trở xuống và phụ nữ có thai là những đối tượng mẫncảm với những ảnh hưởng nguy hại đến sức khỏe do chì gây ra Gần đây,các phương tiện thông tin đại chúng trong nước và quốc tế đều đưa tin hai

vụ nhiễm độc chì ở trẻ em Trung Quốc trong vòng một tháng qua, với sốnạn nhân lên đến 1.300 bé tại tỉnh Hồ Nam và trên 600 bé ở tỉnh ThiểmTây Theo trung tâm kiểm soát bệnh tật Hoa Kỳ (CDC), hơn 250.000 trẻ

em 1-5 tuổi ở quốc gia này có lượng chì trong máu lớn hơn 100microgam/lít, mức được cho là nhiễm độc chì

Ở trẻ em, nhiễm độc chì cấp tính khiến các em trở nên cáu kỉnh, kémtập trung, ói mửa, dáng đi không vững, lên cơn kinh phong Trường hợp mãntính, các em có dấu hiệu chậm trí, hay gây gổ, lên kinh thường xuyên, đaubụng, thiếu máu, suy nhược cơ bắp, suy thận, đôi khi có thể đưa tới tử vong

Ngoài ra, chì có thể thay thế một phần canxi trong Ca2(PO4)2 củaxương, tác dụng gây ra vành xám ở lợi răng và hệ thần kinh, các bệnh vềđường ruột và bệnh thiếu máu Chì và các hợp chất của chì có thể vào cơ thểngười thông qua việc ăn uống, hô hấp và tích lũy lại, gây ra các bệnh nguyhiểm đặc biệt là ung thư và biến đổi gen rất nguy hiểm

WHO đã thiết lập giá trị tạm thời cho hàm lượng chì đưa vào cơ thểhàng tuần có thể chịu đựng được đối với trẻ sơ sinh và thiếu nhi là 25g/kgthể trọng[14].

Chính vì vậy, việc kiểm soát và xác định chính xác hàm lượng kim loạiđồng, chì và cadimi trong cơ thể con người là rất quan trọng Kiểm soát đượchàm lượng các kim loại này trong cơ thể sẽ giúp chúng ta phòng ngừa bệnhtật, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng Xác định hàm lượng các kim loạinày trong cơ thể giúp cho y học có thể chuẩn đoán một số bệnh có liên quanđến các kim loại này

Xuất phát từ ý nghĩa to lớn đó mà trên thế giới đã có nhiều công trìnhnghiên cứu xác định hàm lượng các kim loại nặng nói chung, và kim loạiđồng, chì và cadimi nói riêng trong các đối tượng mẫu khác nhau (như đất,nước, không khí, thực phẩm,…) với nhiều phương pháp khác nhau

Để xác định hàm lượng các kim loại trong cơ thể con người, người tathường tiến hành phân tích chúng trong tóc, móng tay, nước tiểu, máu vàhuyết thanh

Trong huyết thanh, các kim loại này chủ yếu tồn tại ở dạng phức proteinvận chuyển (hay dự trữ) và ion kim loại tự do Hàm lượng kim loại này tronghuyết thanh chỉ cỡ vài g/L, rất nhỏ so với trong máu Sự tồn tại đồng thời cácnguyên tố này trong huyết thanh gây ra những ảnh hưởng qua lại lẫn nhau.Điều này đã được khẳng định trong một số công trình nghiên cứu, ví dụ nhưcadimi cạnh tranh với đồng, chiếm chỗ của đồng trong liên kết với sulfhydry.Điều này đã giải thích cho tác dụng đối kháng của cadimi trong việc hấp thuđồng Cadimi có khả năng đuổi kẽm khỏi một số emzym và gây bệnh máuheamatopoiesis Nếu trong cơ thể hàm lượng kẽm lớn sẽ ngăn cản việc hấp thuđồng qua ruột, làm thiếu đồng trong cơ thể, mặc dù lượng đồng được cung cấpthích hợp Và thiếu đồng sẽ gây thiếu sắt, dẫn tới thiếu máu,…[39]

Chính vì vậy mà hàm lượng của các nguyên tố này trong huyết thanhkhông cố định, khác nhau tùy theo lứa tuổi, giới tính và có thể thay đổi tùytheo các điều kiện khác nhau của môi trường sống Các kết quả nghiên cứu đãchỉ ra rằng hàm lượng kim loại đồng và chì trong huyết thanh của nữ thườngcao hơn của nam Trẻ em có độ hấp thụ chì cao hơn người lớn, trong khi hàmlượng đồng trong huyết thanh lại tăng theo độ tuổi Những người sống ởnhững vùng bị ô nhiễm kim loại đồng, chì, cadimi thường có hàm lượng cáckim loại này trong huyết thanh cao hơn so với người sống ở khu vực không bị

ô nhiễm Các bệnh nhân bị mắc các những bệnh có liên quan đến hàm lượngcác kim loại đồng, chì, cadimi như bệnh Willson, bệnh giòn xương,…,thườngcó hàm lượng các kim loại này trong huyết thanh tăng đột biến Do đó có thểnói rằng hàm lượng các kim loại trong huyết thanh phản ánh tình trạng ônhiễm kim loại của môi trường sống và tình trạng sức khỏe của con ngườisống trong môi trường đó

Tuy nhiên, trên thế giới số lượng công trình nghiên cứu xác định cáckim loại này trong máu tương đối nhiều, còn trong huyết thanh thì rất hạn chế

Y.E.R.Von Suhirnding, thuộc tổ chức y tế thế giới (WHO) đã nghiêncứu xác định hàm lượng chì trong máu của trẻ em ở Johanesbus bao gồm cáckhu vực nội và ngoại thành của Alexandra và Westbury, phía bắc và phía tâycủa trung tâm thành phố Kết quả chỉ ra rằng hàm lượng chì trung bình ở trẻ

em là 11,9 g/dL, trong đó 78% số trẻ có hàm lượng chì bằng hoặc vượt quá

10 g/dL so với quy định của quốc tế hiện nay (theo trung tâm phòng chốngung thư thế giới,1991)[17]

Angela Mathee thuộc đại học Witwatersrand, Johanesbus, Nam Phi vàcác cộng sự nghiên cứu về sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các kim loại chì vàmangan trong máu của trẻ đang trong độ tuổi đến trường của ba thành phố lớnở Nam Phi là Cape Town (11 trường), Johanesbus (10 trường) và Kimberley(6 trường) với tổng số mẫu máu là 1282 mẫu Kết quả nghiên cứu đã rút ra kết

luận không có sự ảnh hưởng đáng kể của mangan đến việc xác định hàmlượng chì trong máu[26]

Shungin Wang và Jinliang Zhang – Trung tâm khoa học sức khỏe, BắcKinh, Trung Quốc đã nghiên cứu hàm lượng chì trong máu của trẻ em TrungQuốc, và đã đưa ra giá trị trung bình của hàm lượng chì trong máu trẻ emTrung Quốc là 92,2 g/L Trong đó có 9 trong số 27 tỉnh và thành phố đượcchọn để nghiên cứu có hàm lượng chì trong máu của trẻ là cao hơn 100 g/L.Trong đó, trẻ em nam có hàm lượng chì cao hơn trẻ em nữ Trẻ em sống ởven vùng công nghiệp có hàm lượng chì cao hơn trẻ ở các vùng khác[40]

Waelin I Mortada, Mohamed A Sobh, Mohamed M El-Defrawy vàSami E Farahat ở đại học Mansoura-Ai Cập đã nghiên cứu hàm lượng cadimi,chì, thủy ngân trong máu, nước tiểu, tóc, móng tay của 68 nam và 25 nữ Kếtquả thu được cho thấy giới tính, thói quen hút thuốc ảnh hưởng đáng kể đếnhàm lượng các nguyên tố này trong máu, nước tiểu, tóc, móng tay[43]

Ebba Bárány - đại học khoa học nông nghiệp Thụy Điển và các đồng

sự đã tiến hành nghiên cứu sự phụ thuộc giữa hàm lượng vết của 13 kim loạitrong máu và huyết thanh vào giới tính, độ tuổi, vùng dân cư và vùng kinh tế.Đối tượng trong nghiên cứu này là thanh thiếu niên Thụy Điển ở hai độ tuổi là

15 và 17, thuộc hai khu vực môi trường tự nhiên và kinh tế - xã hội khácnhau Kết quả cho thấy theo độ tuổi hàm hượng chì giảm còn cadimi lại tăng

Nữ có hàm lượng chì cao hơn trong khi hàm lượng coban và đồng thấp hơn sovới nam Điều kiện kinh tế - xã hội ảnh hưởng đến hàm lượng của tất cả cácnguyên tố này trong huyết thanh[22]

Jean-Pierre Goulle và các cộng sự đã tiến hành phân tích hàm lượngkim loại trong máu, huyết thanh, nước tiểu, tóc bằng phương pháp ICP-MS.Kết quả phân tích hàm lượng của 27 nguyên tố trong 100 mẫu máu và 100mẫu huyết thanh, 30 nguyên tố trong 100 mẫu nước tiểu, 32 nguyên tố trong

100 mẫu tóc cho thấy hàm lượng của các kim loại trong các đối tượng mẫu

khác nhau là khác nhau tùy thuộc vào từng nguyên tố Jean-Pierre đã đưa rađược khoảng nồng độ của một số kim loại trong huyết thanh như đồng (794-

2023 g/l); chì (0,014-0,25 g/l); cadimi (0,01-0,05 g/l) và trong máu nhưchì (11,4-62,8g/l); cadimi (0,15-2,04g/l), mangan (5-12,8g/l); thủy ngân(0,94-8,13g/l);…[30]

Ở Việt Nam, do hạn chế về mặt kỹ thuật nên việc xác định hàm lượngcác kim loại trong máu nói chung và trong huyết thanh nói riêng rất ít Có thểđưa ra một số công trình tiêu biểu sau

Nguyễn Văn Nhiên và các cộng sự đã nghiên cứu xác định lượng vếtcủa các kim loại kẽm, selen, magie trong máu của 243 trẻ em từ 12 đến 72tháng tuổi ở vùng nông thôn Việt Nam, trong đó có 137 nam và 106 nữ, bằngthiết bị ICP-MS Kết quả chỉ ra được hàm lượng trung bình của kẽm, đồng,selen, mangan lần lượt là 514 g/l; 1067 g/l; 65,3 g/l và 18 g/l Đồng thờicũng chỉ ra được mối quan hệ giữa sự thiếu hụt selen với bệnh thiếu máu[37]

Tiến sĩ Lương Thúy Quỳnh – khoa sinh hóa, viện lão khoa Trung ương

đã nghiên cứu xác định hàm lượng đồng, kẽm trong huyết thanh người có tuổiở Việt Nam bằng thiết bị AAS Kết quả thu được cho thấy hàm lượng trungbình của đồng và kẽm lần lượt là 1,06 mg/l; 1,05 mg/l Từ 75 tuổi trở lên hàmlượng đồng tăng lên, trong khi hàm lượng kẽm lại giảm Kẽm huyết thanh ởnam cao hơn ở nữ Trong huyết thanh của bệnh nhân ung thư và nhồi máu cơtim hàm lượng đồng tăng còn hàm lượng kẽm giảm[12]

Các nước phát triển từ lâu đã có chương trình phòng chống nhiễm độccác kim loại nặng nói chung và các kim loại đồng, chì, cadimi nói riêng Tổchức y tế thế giới (WHO) cũng đã đưa ra khoảng nồng độ của gần 30 kim loạitrong huyết thanh được cho là an toàn với sức khỏe con người, trong đó đồng

là 794-2023 g/l; chì là 0,014-0,25 g/l; cadimi là 0,01-0,05 g/l [30] Đây là

cơ sở khoa học để đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại nặng nói chung, và ônhiễm đồng, chì, cadimi nói riêng Còn trong lĩnh vực y tế, hàm lượng kim

loại đồng, chì và cadimi trong huyết thanh là cơ sở cho việc chuẩn đoán vàđiều trị các bệnh có liên quan đến ô nhiễm bởi các kim loại này.

Trong khi nước ta chưa có một chương trình như vậy và cũng không cóthống kê đủ tin cậy về tình trạng nhiễm độc đồng, chì và cadimi ở người dân.Tuy nhiên, không ai dám đoan chắc tỉ lệ nhiễm độc các kim loại này ở ngườidân là thấp, do ở Việt Nam hiện nay chưa có tài liệu chính thức nào cho biếthàm lượng các kim loại đồng, chì, cadimi trong huyết thanh của người ViệtNam Vì vậy trong thời gian tới cần phải xây dựng quy trình xác định hàmlượng các kim loại nặng trong huyết thanh nói chung, và của đồng, chì,cadimi nói riêng, tiến tới đưa ra được khoảng nồng độ đồng, chì và cadimiđược cho là an toàn đối với thể trạng của người Việt Nam

1.2 Các phương pháp xác định đồng, chì và cadimi

Để xác định hàm lượng đồng, chì và cadimi trong huyết thanh, có rấtnhiều phương pháp như phương pháp trắc quang, phương pháp cực phổ,phương pháp hấp thụ nguyên tử dùng lò grafit hay ngọn lửa AAS,…

1.2.1 Phương pháp trắc quang[3]

Nguyên tắc của phương pháp là dựa trên sự tạo phức mầu của các ionvới thuốc thử Nồng độ của các ion trong phức thay đổi sẽ tạo ra màu khácnhau, dẫn đến độ hấp thụ quang khác nhau Độ hấp thụ quang được xác địnhtheo định luật Lamber-Beer theo phương trình:

A = .l.CTrong đó:

: Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào bản chất màu và bước sóng của ánh sáng tới l: Chiều dày cu vet

C: Nồng độ chất phân tích

Khi l và  không đổi, độ hấp thụ quang phụ thuộc tuyến tính vào nồng

độ Vì vậy, khi xây dựng được đường chuẩn biểu thị mối quan hệ giữa độ hấp

thụ và nồng độ C trong từng trường hợp cụ thể sẽ dễ dàng xác định được nồng

độ chưa biết của một chất thông qua độ hấp thụ quang

Giới han phát hiện của phương pháp cỡ 10-5M – 10-6M

1.2.2 Phương pháp chuẩn độ[16]

Dựa trên sự tạo phức bền của các ion kim loại với EDTA trong môitrường pH ổn định với chỉ thị axit sunfosalixilic Phương trình phản ứng được

mô tả như sau

H

1.2.3 Phương pháp cực phổ[6]

Phương pháp cực phổ là phương pháp phân tích điện hóa Phương phápnày do một nhà bác học người Tiệp Khắc phát minh vào năm 1922

*Nguyên tắc của phương pháp

Phương pháp cực phổ dựa trên việc nghiên cứu và sử dụng các đườngdòng thế được ghi trong các điều kiện đặc biệt Trong đó các chất điện phâncó nồng độ khá nhỏ từ 10-3 đến n.10-6 M còn chất điện ly trơ có nồng độ lớn,gấp hơn 100 lần Do đó, chất điện phân chỉ vận chuyển đến điện cực bằng conđường khuếch tán

Điện cực làm việc (còn gọi là điện cực chỉ thị) là điện cực phân cực có

bề mặt rất nhỏ, khoảng một vài mm2 Trong cực phổ cổ điển người ta dùngđiện cực chỉ thị là điện cực giọt thủy ngân Điện cực so sánh là điện cựckhông phân cực Đầu tiên người ta dùng điện cực đáy thủy ngân có diện tích

bề mặt tương đối lớn, sau đó thay bằng điện cực Calomen hay điện cựcAg/AgCl Đặt vào điện cực làm việc điện thế một chiều biến thiên liên tụcnhưng tương đối chậm để có thể coi là không đổi trong quá trình đo dòng I.Cực phổ hiện đại bao gồm cực phổ sóng vuông, cực phổ xung và cực phổxung vi phân đã đạt tới độ nhạy 10-5-5.10-7 M

*Ưu điểm của phương pháp

Trang thiết bị tương đối đơn giản, tốn ít hóa chất mà có thể phân tíchnhanh với độ nhạy và độ chính xác khá cao Trong nhiều trường hợp có thể xácđịnh hỗn hợp các chất vô cơ và hữu cơ mà không cần tách riêng chúng ra Do đóphương pháp này phù hợp để phân tích hàm lượng các chất trong mẫu sinh học.

1.2.4 Phương pháp Vôn –Ampe hòa tan[6]

Phương pháp này có thể xác định được gần 30 kim loại trong khoảngnồng độ 10-6 -10-9M với độ chính xác khá cao có thể định lượng đồng thời 3-4ion kim loại cùng có trong cùng dung dịch

Phương pháp này được thực hiện qua giai đoạn

- Điện phân làm giàu chất cần phân tích lên bề mặt điện cực tại thếkhông đổi, đo dưới dạng một kết tủa ( kim loại, hợp chất khó tan )

- Hòa tan kết tủa đã được làm giàu và ghi đo đường hòa tan Nồng độcủa chất tương ứng với chiều cao pic hòa tan

*Ưu điểm của phương pháp

Phương pháp có độ nhạy và độ chính xác cao, kỹ thuật phân tích vàtrang thiết bị không quá phức tạp, kết quả ổn định Chính vì vậy, phạm viứng dụng của phương pháp này rất rộng như phân tích môi trường, xácđịnh lượng vết kim loại trong nước biển và các loại nước thiên nhiên.Ngoài ra phương pháp này còn sử dụng để phân tích kim loại trong cácmẫu lâm sàng (máu, tóc, nước tiểu,…) và trong mẫu thực phẩm (sữa, rauquả, gạo, thịt…)

1.2.5 Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử[7]

*Nguyên tắc của phương pháp

Mẫu phân tích được chuyển thành hơi của nguyên tử hay ion tự dotrong môi trường kích thích bằng cách dùng nguồn năng lượng phù hợp Thu,phân li và ghi toàn bộ phổ phát xạ của mẫu nhờ máy quang phổ Đánh giá phổ

đã ghi về mặt định tính và định lượng theo những yêu cầu đã đặt ra

*Đối tượng của phương pháp

Xác định hàm lượng các kim loại trong các các đối tương mẫu khácnhau như địa chất, hóa học, nông nghiệp, thực phẩm, y dược,…thuộc các loạimẫu rắn, mẫu dung dịch, mẫu bột, mẫu quặng, mẫu khí.

*Ưu điểm của phương pháp

Có độ nhạy rất cao (10-5-10-8 M) và độ chính xác cao (sai số dưới10%).Phân tích đồng thời nhiều nguyên tử trong một mẫu mà không cần táchriêng, tiêu tốn ít mẫu, có thể kiểm tra được độ đồng nhất về thành phần củavật mẫu ở những vị trí khác nhau Kết quả phổ thu được ghi trên phim ảnh cóthể lưu trữ, khi cần thiết có thể đánh giá hay xem xét lại mà không cần phảicó mẫu phân tích

1.2.6 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử[7]

*Nguyên tắc của phương pháp

Mẫu phân tích được chuyển thành hơi của nguyên tử hay ion tự dotrong môi trường kích thích bằng cách dùng nguồn năng lượng phù hợp Thu,phân li và ghi toàn bộ phổ hấp thụ của nguyên tố cần nghiên cứu nhờ máyquang phổ Đánh giá phổ đã ghi về mặt định tính và định lượng theo nhữngyêu cầu đặt ra

*Giới hạn phát hiện của phương pháp

Gần 60 nguyên tố hóa học có thể được xác định bằng phương pháp vớigiới hạn phát hiện thấp 10-4 đến 10-5 ppm Đặc biệt nếu sử dụng kĩ thuậtkhông ngọn lửa thì có thể hạ giới hạn phát hiện xuống 10-7 ppm

*Ưu nhược điểm của phương pháp

Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử có độ nhạy và độ chọn lọc cao, nêntrong nhiều trường hợp không phải làm giàu nguyên tố cần xác định trước khiphân tích Do đó tốn ít nguyên liệu mẫu, tốn ít thời gian, không cần phải dùngnhiều hóa chất tinh khiết cao khi làm giàu, nên cũng tránh được sự nhiễm bẩnkhi xử lí mẫu qua các giai đoạn phức tạp Kết quả phân tích ổn định, sai sốnhỏ, có thể lưu lại đường chuẩn cho các lần sau

Bên cạnh những ưu điểm, phép đo phổ hấp thụ nguyên tử cũng có hạnchế như trang thiết bị rất đắt tiền, rất tinh vi, phức tạp nên cần các cán bộphân tích có trình độ cao để vận hành máy Phương pháp này chỉ cho ta biếtthành phần nguyên tố của chất mà không chỉ ra được trạng thái liên kết củanguyên tố trong mẫu.

*Đối tượng của phương pháp

Phương pháp này thích hợp để xác định lượng vết của kim loại, đặc biệt

là xác định các nguyên tố vi lượng trong các mẫu y học, sinh học, nôngnghiệp, kiểm tra các hóa chất có độ tinh khiết cao

*Phạm vi ứng dụng của phương pháp

Do phương pháp có độ nhạy và độ chính xác cao nên nó được sử dụngrất phổ biến trong các phòng thí nghiệm trên toàn thế giới Tuy nhiên ở ViệtNam, có rất ít các phòng thí nghiệm được trang bị thiết bị đo quang phổ hấpthụ nguyên tử do hạn chế về kinh tế và trình độ cán bộ

1.2.7 Phương pháp quang phổ plasma ghép nối khối phổ (ICP – MS)[2, 4, 23]

Kỹ thuật ICP – MS là một trong những kỹ thuật phân tích hiên đại cókhả năng phân tích trên 60 nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn với độnhạy cao Kỹ thuật này được nghiên cứu và phát triển mạnh trong những nămgần đây Chính vì có những ưu điểm vượt trội hơn hẳn các phương pháp phântích trước đó nên kỹ thuật này được nghiên cứu và ứng dụng rất rộng rãitrong nhiều đối tượng khác nhau, đặc biệt là trong lĩnh vực phân tích vết vàsiêu vết, phục vụ nghiên cứu vật liệu bán dẫn, vât liệu hạt nhân, mẫu địa chất,nông nghiệp, sinh học, môi trường

Điểm mạnh của phương pháp này là có thể phân tích đồng thời nhiềunguyên tố kim loại trong một mẫu, có thể phân tích định lượng, bán địnhlượng Ngoài ra kỹ thuật này còn có thể phân tích xác định các đồng vị củamột nguyên tố trong cùng một đối tượng mẫu Vì vậy nó được sử dụng mạnh

mẽ trong phân tích, đánh giá mức độ phơi nhiễm độc tố kim loại trong nhiềuđối tượng sinh học và môi trường

Hai phương pháp phân tích ICP phổ biến hiện nay là phương phápquang phổ phát xạ Plasma (ICP-AES) và ICP – MS Ưu điểm của hai phươngpháp này so với các phương pháp thông thường khác là sử dụng nguồnplasma có thể tạo ra nhiệt độ từ 5000-10000K Với nhiệt độ này có thểnguyên tử hóa hoàn toàn các nguyên tố các nguyên tố cần phân tích So vớiICP-AES thì kỹ thuật ICP-MS có khả năng phân tích tốt hơn bởi vì nó có thểphân tích chính xác các ion khác nhau, xác định các đồng vị trong mẫu dựatrên giá trị tỷ lệ m/z và được tính toán theo các đường chuẩn độc lập Hiệuquả phân tích của ICP-MS so với các kỹ thuật phân tích khác như quang phổhấp thụ nguyên tử (AAS), ICP-OES, … đã được nhiều nhà khoa học nghiêncứu Bảng sau cho thấy khả năng phát hiện của ICP-MS hơn so với các kỹthuật khác

Bảng 2: So sánh khả năng phát hiện của các kỹ thuật phân tích

STT Nguyên tố ICP-MS (ppb) ICP-AES (ppb) F-AAS (ppb) GFA-AAS (ppb)

(KPH : không phát hiện được)

*Phương pháp ICP-MS có ưu điểm

- Phân tích nhanh và đồng thời nhiều nguyên tố

- Giới hạn phát hiên thấp thích hợp phân tích lượng vết và siêu vết

- Khả năng phân tích định lương và bán định lượng

- Có thể phân tích và đưa ra đầy đủ thông tin về các đồng vị của một nguyên

tố trong một mẫu

*Nhược điểm của phương pháp

Kết quả phân tích thường bị ảnh hưởng bởi các khí: Argon, O2, H2 vàcác axit dùng để chuẩn bị mẫu vì ở nhiệt độ cao chúng bị phản úng với cácnguyên tố trong mẫu để tạo ra các oxit, các hạt ion có cùng khối lượng vớicác nguyên tố cần phân tích Tuy nhiên ảnh hưởng này có thể được loại bỏ

dựa vào các kỹ thuật phân tích của ICP-MS và lựa chọn đồng vị thích hợp

để phân tích

*Nguyên tắc chung của phương pháp

Mẫu phân hủy tới dạng đồng nhất bằng các phương pháp phân hủy mẫuthích hợp, sau đó được đưa vào phân tích trên thiết bị ICP-MS Mẫu ở dạngđồng nhất được sol hóa thành sol khí và đưa tới tâm ngọn lửa ICP, ở đây xảy

ra quá trình nguyên tử hóa và ion hóa Các ion kim loại được thu nhận qua hệthống phân giải phổ theo số khối (tỉ số khối lượng /điện tích ion m/z) và đượcthu nhận các tín hiệu qua bộ nhân quang điện Pic phổ hoặc số hạt thu nhậnđược lưu giữ trong máy tính

*Các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo ICP-MS

- Nồng độ muối ảnh hưởng từ 0,1 – 0,4%

- Đồng vị của các nguyên tố khác nhau có số khối trùng nhau Sự kết hợpgiữa các nguyên tử tạo ra một phân tử mới có số khối trùng với số khối củanguyên tố cần phân tích

- Các nguyên tử khi ion hóa bậc 1 hoặc bậc 2 sẽ cho các số khối khác nhautrùng với số khối của nguyên tố cần phân tích

- Ảnh hưởng của mẫu phân tích trước

*Phạm vi ứng dụng của phương pháp ICP-MS

Ở Việt Nam, thiết bị ICP-MS đã được lắp đặt và sử dụng trong một sốviện nghiên cứu như Viện xạ hiếm, Viện nghiên cứu địa chất-khoáng sản, Việncông nghệ môi trường, Khoa Hóa học-Đại học khoa học tự nhiên Hà Nội,

Do có khả năng phân tích hàng loạt các nguyên tố kim loại cùng mộtlúc với độ nhạy và độ chính xác cao, nên ICP-MS được ứng dụng trong nhiềungành nghề khác nhau như công nghệ luyện kim, chế tạo máy, địa chất, lĩnhvực môi trường,…

1.3 Các phương pháp xử lý mẫu[8]

Xử lý mẫu phân tích là một quá trình phức tạp, có hóa học, có vật lý,hay vật lý và hóa học kết hợp, để phân hủy mẫu chuyển các chất, hay cácnguyên tố, hay các ion cần xác định có trong mẫu phân tích ban đầu về dạngtan trong một dung môi thích hợp như nước hay dung môi hữu cơ,…để sau đócó thể xác định được nó theo một phương pháp thích hợp Tuy nhiên việc xử

lý mẫu phân tích lại được thực hiên theo rất nhiều kỹ thuật có nguyên lý, cơchế vật lý và hóa học có khi rất khác nhau, tùy theo mỗi loại mẫu và yêu cầucủa phương pháp phân tích

Các phương pháp xử lý mẫu đã và đang được sử dụng bao gồm

1.3.1 Phương pháp vô cơ hóa

1.3.1.1 Phương pháp vô cơ hóa ướt

*Xử lý bằng axit mạnh đặc nóng

Dùng axit mạnh đặc và nóng (ví dụ HCl, H2SO4), hay axit mạnh, đặc vànóng có tính oxi hóa mạnh (HNO3, HClO4), hoặc hỗn hợp 2 axit (HNO3 +

H2SO4), hay 3 axit (HNO3 + H2SO4 + HClO4), hoặc là 1 axit đặc và 1 oxy hóamạnh (H2SO4 + KMnO4)…để phân hủy mẫu trong điều kiện đun nóng trongbình Kendan, trong ống nghiệm, trong cốc hay lò vi sóng

Lượng axit cần dùng để phân hủy mẫu thường gấp 10-15 lần lượngmẫu, tùy thuộc mỗi loai mẫu và cấu trúc vật lý, hóa học của nó

Thời gian phân hủy mẫu trong các hệ hở, bình Kendan, ống nghiệm,cốc, thường từ vài giờ đến hàng chục giờ tùy loại mẫu và bản chất của cácchất, còn nếu trong lò vi sóng thì chỉ cần 50-90 phút

Ưu - nhược điểm

Hầu như không bị mất các chất phân tích, nhất là trong lò vi sóng.Nhưng thời gian phân hủy mẫu rất dài, trong điều kiện thường, tốn nhiều axitđặc tinh khiết cao, nhất là trong các hệ hở Dễ bị nhiễm bẩn khi xử lý trong hệhở, do môi trường hay axit dùng và phải đuổi axit dư lâu, nên dễ bị nhiễmbẩn, bụi vào mẫu

*Xử lý bằng dung dịch kiềm mạnh đặc nóng

Dùng dung dịch kiềm mạnh đặc nóng (NaOH, KOH 15-20%), hay hỗnhợp của kiềm mạnh và muối kim loại kiềm (NaOH + NaHCO3), hay một kiềmmạnh và peroxit (KOH + Na2O2) nồng độ lớn (10-20%), để phân hủy mẫuphân tích trong điều kiện đun nóng trong bình Kendan hay trong hộp kín,hoặc trong lò vi sóng.

Lượng dung dịch phân hủy: cần lượng lớn từ 8-15 lần lượng mẫu

Thời gian phân hủy mẫu: từ 4-10 giờ trong hệ hở Còn trong trong hệ lò

vi sóng kín chỉ cần thời gian 1-2 giờ

Nhiệt độ phân hủy là nhiệt độ sôi của dung dịch kiềm Nó thường nằmtrong khoảng 150-200oC

Ưu - nhược điểm

Ưu điểm là hầu như không làm mất chất phân tích, nhất là các nguyên

tố có hợp chất dễ bay hơi và các nền của mẫu dễ tan trong kiềm

Nhược điểm là tốn rất nhiều kiềm tinh khiết cao, khả năng gây nhiễmbẩn dễ xảy ra, loại kiềm dư rất khó khăn và mất nhiều thì giờ

1.3.1.2 Phương pháp vô cơ hóa khô

Kỹ thuật xử lý khô (tro hóa khô) là kỹ thuật nung để xử lý mẫu trong lònung ở một nhiệt độ thích hợp (450-750oC), song thực chất đây chỉ là bướcđầu tiên của quá trình xử lý mẫu Vì sau khi nung, mẫu bã còn lại phải đượchòa tan (xử lý tiếp) bằng dung dịch muối hay dung dịch axit phù hợp, thì mớichuyển các chất cần phân tích trong tro mẫu vào dung dịch để sau đó xác địnhnó theo một phương pháp đã chọn Khi nung, các chất hữu cơ của mẫu sễ bịđốt cháy thành CO2 và nước Thời gian nung có thể từ 5-12 giờ tùy thuộc vàomỗi loại chất phân tích, cấu trúc, dạng liên kết của các chất trong mẫu

*Ưu - nhược điểm

Thao tác và cách làm đơn giản, không phải dùng nhiều axit đặc tinhkhiết cao đắt tiền, xử lý được triệt để nhất là các mẫu nền hữu cơ, đốt cháy hếtcác chất hữu cơ, vì thế làm dung dịch mẫu thu được sạch

Nhưng có nhược điểm là có thể mất một số chất dễ bay hơi, ví dụ như:

Cd, Pb, Zn, Sn, Sb,….nếu không có chất phụ gia và chất bảo vệ

1.3.1.3 Phương pháp vô cơ hóa khô-ướt kết hợp

Nguyên tắc của kỹ thuật này là mẫu được phân hủy trong chén hay cốcnung Trước tiên người ta xử lý ướt sơ bộ bằng một lượng nhỏ axit và chấtphụ gia, để phá vỡ cấu trúc ban đầu của các hợp chất mẫu và tạo điều kiện giữmột số nguyên tố có thể bay hơi khi nung Sau đó nung ở nhiệt độ thích hợp

Vì thế lượng axit dùng để xử lý thường chỉ bằng 1/4 hay 1/5 lượng cần dùngcho xử lý ướt Sau đó nung sẽ nhanh hơn và quá trình xử lý sẽ triệt để hơn xử

lý ướt, đồng thời hạn chế được sự mất của một số kim loại khi nung Do đó đãtận dụng được ưu điểm của cả hai kỹ thuật xủ lý ướt và khô, nhất là giảm bớtđược các loại hóa chất (axit, kiềm tinh khiết cao) khi xử lý ướt, sau đó hòa tantro mẫu sẽ thu được mẫu trong, vì không còn chất hữu cơ và sạch hơn tro hóaướt thông thường

*Ưu và nhược điểm

Hạn chế được sự mất của một số chất phân tích dễ bay hơi Sự tro hóatriệt để, sau khi hòa tan tro còn lại có dung dịch mẫu trong Không phải dùngnhiều axit tinh khiết cao tốn kém, thời gian xử lý nhanh hơn tro hóa ướt.Không phải đuổi axit dư, nên hạn chế được sự nhiễm bẩn Do đó phù hợp chonhiều loại mẫu khác nhau để xác định kim loại

1.3.2 Phương pháp chiết

Chiết là phương pháp dựa trên cơ sở sự phân bố (hay hòa tan) khácnhau của chất phân tích vào trong hai pha (hai dung môi) không trộn lẫn vàonhau Nhờ đó mà chúng ta lấy được chất cần phân tích ra khỏi pha mẫu banđầu, chuyển nó vào pha thứ hai (dung môi) mà chúng ta mong muốn

Các kiểu chiết trong xử lý mẫu phân tích:

- Kỹ thuật chiết lỏng – lỏng

- Kỹ thuật chiết pha rắn

- Kỹ thuật chiết hấp phụ pha khí (rắn – khí)

- Kỹ thuật vi chiết pha rắn (SPME)

- Kỹ thuật chiết Soxhlet

- Kỹ thuật chiết siêu âm

1.3.3 Phương pháp pha loãng mẫu bằng dung môi thích hợp

Nguyên tắc ở đây là chọn dung môi thích hợp hòa tan tốt chất mẫu, đểpha loãng chất mẫu trong một tỷ lệ nhất định, ví dụ từ 50-500 lần Sau đó xácđịnh chất phân tích theo phương pháp đã chọn Kỹ thuật này đơn giản, hầunhư không cần trang bị gì hết, lại dễ thực hiện và nhanh Nhưng nó chỉ thíchhợp cho một số trường hợp chất phân tích có nồng độ tương đối lớn, mà khipha loãng mẫu nhiều lần bằng dung môi thích hợp, chúng ta vẫn xác định nótốt trong các điều kiện cho phép, và các chất khác có mặt trong mẫu, khi phaloãng trong một tỷ lệ nhất định thì không cản trở và không ảnh hưởng đến kếtquả xác định chất phân tích Đồng thời pha loãng chúng ta có thể loại bỏ đượccác cặn không tan có trong mẫu, nhất là các mẫu dầu hay chất hữu cơ

1.3.4 Phương pháp điện phân

Trong bình điện phân, tại thế một chiều, các ion kim loại chạy về điệncực âm, bị điện phân (nhận electron của điện cực) trở thành các phân tử trunghòa (các nguyên tử) và bám vào điện cực Do đó ta được chất phân tích bámtên điện cực âm Sau đó ta có thể xác định chất trên điện cực bằng phươngpháp khối lượng hay hòa tan chất trên điện cực rồi xác định nó theo một cáchphù hợp Đây là cách làm giầu chất phân tích của phương pháp phân tích cựcphổ có tên là phương pháp Von–Ampe

1.3.5 Phương pháp phân hủy mẫu bằng lò vi sóng

*Nguyên tắc: Dùng năng lượng của lò vi sóng để đun nóng mẫu được

đựng trong bình kín Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, mẫu được hòa tan

dễ dàng Đây là phương pháp xử lý mẫu hiện đại nhất hiện nay, làm giảm đáng

kể thời gian xử lý mẫu, không mất mẫu và vô cơ hóa mẫu được triệt để Có thể

vô cơ hóa cùng một lúc được nhiều mẫu, Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏithiết bị rất đắt tiền mà nhiều cơ sở phân tích không đủ điều kiện trang bị.

*Cơ chế của sự phân hủy mẫu trong lò vi sóng[8]

Các tác nhân phân hủy mẫu bao gồm axit [có tác dụng phá hủy và hòatan các hạt (phân tử) mẫu], năng lượng nhiệt (có tác dụng làm tan rã các hạtmẫu cùng với axit), sự khuếch tán đối lưu, chuyển động nhiệt và va chạm củacác hạt mẫu với nhau làm cho chúng bị bào mòn dần Ngoài ra, trong lò visóng còn có sự phá vỡ từ trong lòng hạt mẫu ra ngoài, do các phân tử nướchấp thụ (90%) năng lượng vi sóng và có động năng rất lớn, nên chúng cóchuyển động nhiệt rất mạnh, làm căng và xé các hạt mẫu từ trong ra Thêmvào đó, vì là hệ kín nên có áp suất cao, sẽ làm cho nhiệt độ sôi lại cao hơn,đây là tác nhân phân hủy mạnh nhất, do đó thúc đẩy quá trình phân hủy mẫurất nhanh từ trong ra và từ ngoài vào Vì thế nên việc xử lý mẫu trong lò visóng chỉ cần thời gian rất ngắn (30-70 phút) mà lại triệt để

*Các quá trình xảy ra khi phân hủy mẫu bằng lò vi sóng

Dưới tác dụng của axit, năng lượng nhiệt (nhiệt độ) và năng lượng visóng các quá trình vật lý và hóa học sau đây sẽ xảy ra:

- Sự phá vỡ mạng lưới cấu trúc của hạt mẫu, giải phóng các chất phân tích, đểđưa chúng vào dung dịch dưới dạng các muối tan

- Quá trình oxi hóa khử làm thay đổi hóa trị, chuyển đổi dạng, làm tan vỡ cáchạt mẫu, để giải phóng chất phân tích về dạng muối tan

- Nếu xử lý mẫu hữu cơ phân tích kim loại, thì có sự đốt cháy, phá hủy cáchợp chất hữu cơ và mùn tạo ra khí CO2 và nước, để giải phóng các kim loạitrong chất hữu cơ về dạng muối vô cơ tan trong dung dịch

- Tạo hợp chất dễ bay hơi làm mất đi các anion trong phân tử chất mẫu, làmmẫu bị phân hủy tạo ra các hợp chất tan trong dung dịch

- Sự tạo thành các hợp chất muối hay phức tan trong dung dịch

- Cơ chế tách chất phân tích ra khỏi mẫu ban đầu ở dạng kết tủa không tan vànhờ đó người ta tách được các chất phân tích và làm giầu chúng.

Như vậy, trong quá trình xử lý mẫu ở đây cũng có thể có các phảnứng hóa học xảy ra như phản ứng oxy hóa khử, phản ứng thủy phân, phảnứng tạo phức, phản ứng hòa tan, phản ứng kết tủa, ….của các phân tử chấtmẫu với các axit dùng để phân hủy mẫu và các chất có trong mẫu vớinhau Trong đó, quá trình nào là chính, quá trình nào là phụ được quyếtđịnh bởi thành phần chất nền, bản chất của chất mẫu và các loại axit dùng

để phân hủy và hòa tan mẫu

1.4 Phương pháp xác định độ lặp lại và độ chính xác[10; 13]

Độ lặp và độ chính xác là hai đại lượng quan trọng để đánh giá mộtphương pháp phân tích

1.4.1 Độ lặp lại

Độ lặp lại là đại lượng đặc trưng cho mức độ gần nhau giữa các giá trịriêng lẻ xi của cùng một mẫu phân tích, được tiến hành bằng một phươngpháp phân tích, trong cùng một điều kiện thí nghiệm (người phân tích, trangthiết bị, phòng thí nghiệm) trong khoảng thời gian ngắn

*Các đại lượng đặc trưng cho độ lặp lại

Khoảng biến thiên R: là hiệu số giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất

trong một tập số liệu

R = xmax - xmin

Độ lớn của R phụ thuộc vào kích thước mẫu Với cùng sai số ngẫunhiên, khi số phép đo tăng R sẽ tăng Do đó, khoảng biến thiên được dùng đểđặc trưng cho độ phân tán của tập số liệu khi phép đo nhỏ

Phương sai (2 và S2): là giá trị trung bình của tổng bình phương sự saikhác giữa các giá trị riêng rẽ trong tập số liệu so với giá trị trung bình.Phương sai không cùng thứ nguyên với các đại lượng đo

x x

N

i i

) (

N

i i

N

x x

N N

x x S

1

1 2 1

2 2

1 1 )

x x S

2 (với N là tổng tất cả các thí nghiệm N = m.k)

Nếu phương sai càng lớn thì độ tản mạn của các giá trị đo lặp lại cànglớn hay độ lặp lại càng kém

Độ lệch chuẩn (f hoặc Sf): Độ lệch chuẩn của một tập số liệu kết quảnghiên cứu đặc trưng cho độ phân tán các số liệu trong tập hợp so với giá trịtrung bình và được xác định theo phương trình

N

x x

N

i i

N

i i

hay S f  S2 (với N là số thí nghiệm trong

mẫu thống kê được rút ra từ tập hợp Số bậc tự do trong trường hợp này là

f = N – 1)

Độ lệch chuẩn tương đối (RSD) và hệ số biến thiên (CV)

RSD là tỉ số giữa độ lệch chuẩn và giá trị trung bình

% 100 (%)

x

S RSD  f

RSD(%) còn được gọi là hệ số biến thiên Đại lượng này được dùng đểđánh giá độ chính xác tương đối của phép phân tích

1.4.2 Độ chính xác

Độ chính xác là đại lượng đặc trưng cho mức độ gần nhau của giá trịphân tích (thường là giá trị trung bình x) với giá trị thực hay giá trị đã đượcchấp nhận xt hay 

Khi không có sai số hệ thống thì giá trị trung bình tiến tới giá trị thựcnếu số phép đo rất lớn (N→) Vì vậy, có thể nói độ chính xác tùy thuộc vào

số phép đo

Độ chính xác được biểu diễn dưới dạng sai số tuyệt đối hoặc sai sốtương đối Trong đó sai số tuyệt đối (EA) là sự sai khác giữa giá trị đo được(xi) với giá trị thật hay giá trị đã biết trước (xt hay )

EA = xi - Còn sai số tương đối (ER) là tỷ số giữa sai số tuyệt đối và giá trị thật hay giátrị đã biết trước

E