Tổng quan : xác định tổng ARSEN vô cơ bằng tổng ARSEN hữu cơ trong thủy hải sản

Tổng quan: xác định tổng ARSEN vô cơ bằng tổng ARSEN hữu cơ trong thủy hải sản

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

1.1 Tóm tắt lịch sử của nguyên tố Arsen [20]

Nguyên tố Arsen được học giả kiêm nhà giả kim người Đức Albertus Magnus (1193-1280) phát hiện đầu tiên Một số dạng hóa học khác của Arsen cũng bắt đầu được phát hiện khi nền hóa học tách khỏi thuật giả kim vào giữa thế kỷ 18

Arsen có lẽ là nguyên tố lập kỷ lục có mối liên hệ tệ nhất với con người do nó được dùng như một chất độc khi con người bắt đầu quan tâm đến hóa học Lý do arsen được dùng phổ biến do tính sẵn có, rẻ tiền, không màu, không mùi Đến cuối thế kỷ 19, arsen không còn được dùng làm độc dược nhiều nữa do sự phát triển của phương pháp xác định Arsen có độ nhạy và độ tin cậy cao do Marsh thực hiện năm

1836

1.2 Tính chất của Arsen [20]

Arsen tồn tại ở nhiều dạng vô cơ và hữu cơ khác nhau Những dạng quan trọng nhất để đánh giá sức khỏe của con người được trình bày ở bảng 1.1 Arsen là nguyên tố có mặt khắp nơi, có tính chất á kim Hóa học của arsen phức tạp và có nhiều hợp chất khác nhau của arsen hữu cơ và arsen vô cơ Trong tự nhiên, nó tồn tại ở một số dạng khoáng, chủ yếu là dạng arsenide của đồng, kẽm, nickel, sắt, hay

ở dạng arsenic sulfide hay oxide Trong nước, arsen thường tồn tại ở dạng arsenite hay arsenate Các hợp chất arsen bị methyl hóa xuất hiện tự nhiên trong môi trường

là kết quả của các hoạt động sinh học Hợp chất phổ biến nhất, arsenic (III) oxide, là sản phẩm phụ trong quá trình nóng chảy quặng đồng hay quặng chì

1.2.1 Hợp chất arsen vô cơ

Hợp chất phổ biến nhất là arsenic (III) oxide, công thức phân tử chung là

As4O6, chịu được nhiệt độ đến 1073 0C, là sản phẩm phụ trong quá trình sản xuất đồng Arsen trong arsenide kim loại hay arsenic sulfide bị bay hơi và oxy hóa trong

quá trình đốt nóng quặng và ngưng tụ ở dạng trioxide Than chứa arsen khi đốt nóng cũng sinh ra oxide arsen (III)

Oxide arsen có điểm sôi thấp (465 0C) và thăng hoa ở nhiệt độ thấp hơn Áp suất hơi khí quyển ở nhiệt độ thường khá lớn là một đặc điểm quan trọng ảnh hưởng đến sự phân bố và di chuyển của arsen trong môi trường

Khả năng hòa tan của As2O3 khá chậm, khoảng 2 % ở 25 0C và 8.2 % ở 98 0C, dung dịch có tính acid nhẹ và chứa acid arsenous (H3AsO3) As2O3 dễ hòa tan trong acid HCl hay dung dịch kiềm Ở dạng dung dịch, arsen thường ở dạng arsenate hay arsenite

Arsen vô cơ hóa trị 5 bao gồm As2O5, acid arsenic và hợp chất arsenate như chì arsenate, calcium arsenate Sodium arsenite và sodium arsenate rất dễ tan trong nước Trạng thái chuyển đổi hóa trị có thể xảy ra trong dung dịch nước, tùy thuộc vào độ pH và sự có mặt của các chất khác mà arsen có thể bị oxy hóa hay khử

Kim loại kiềm thổ kết hợp với anion arsenate tạo thành dạng muối ít tan, do đó arsen có khuynh hướng tạo thành kết tủa khi kết hợp với phosphate

1.2.2 Hợp chất arsen hữu cơ

Hóa học về arsen hữu cơ rất phong phú và đa dạng Liên kết C-As khá ổn định ở điều kiện pH và trạng thái oxy hóa của môi trường Một số hợp chất methylarsenic như dimethylarsine, trimethylarsine là kết quả của những hoạt động sinh học Trong nước, các chất này bị oxy hóa thành các acid methylarsenic tương ứng Những hợp chất arsen hữu cơ khác như arsenobetaine, arsenocholine, thường tìm thấy trong hải sản có khả năng chịu được suy biến hóa học

Acid methylarsonic là acid hai chức, tạo thành muối dễ tan với kim loại kiềm Các acid alkylarsenic tham gia phản ứng khử tạo thành arsine tương ứng, một phản ứng quan trọng trong phân tích

Bảng 1.1 – Một số hợp chất arsen vô cơ và hữu cơ thông dụng

2AsH

(CH3)xAsH3-x (x=0-3)

(x=0-3)

Hình 1.1 – Một số hợp chất arsen hữu cơ được phát hiện trong môi trường biển

Dạng in mờ có thể được phát hiện ở môi trường trên cạn

1.3 Các nguồn gốc gây ô nhiễm môi trường [20]

1.3.1 Công nghiệp

Hai nền công nghiệp chủ yếu làm arsen bị nhiễm vào không khí, nước và đất

là quá trình làm nóng chảy kim loại màu và sản xuất năng lượng từ nhiên liệu hình thành từ xác động vật bị phân hủy Các nguồn gây nhiễm khác là sản xuất và tiêu thụ thuốc trừ sâu chứa arsen và chất bảo quản gỗ Một nguyên nhân gây nhiễm arsen vào đất, tiếp theo là vào hệ thống nước ngầm, đó chính là phế phẩm từ công nghiệp khai thác mỏ kim loại

lá được dùng trong chiến tranh Việt Nam

1.4 Sự phân bố của arsen trong môi trường [25]

Có 3 dạng biến đổi sinh học chủ yếu của arsen trong môi trường:

- Quá trình oxy hóa giữa arsenite và arsenate

- Quá trình khử và methyl hóa arsen

- Quá trình tổng hợp sinh học của các dạng arsen hữu cơ

Arsen phân bố chủ yếu trong môi trường nước Đối với nước bị oxy hóa, arsen tồn tại chủ yếu ở dạng arsenate, nhưng ở môi trường khử, ví dụ như trong nước giếng sâu, dạng arsenite chiếm ưu thế Sự methyl hóa arsen vô cơ thành acid methylarsenic và acid dimethylarsenic liên quan đến các hoạt động sinh học trong môi trường nước Một số loài sinh vật biển tham gia vào quá trình chuyển đổi arsen

vô cơ thành hợp chất hữu cơ phức tạp như arsenobetaine, arsenocholine, arsoniumphospholipid

Trong môi trường đất bị oxy hóa, arsen vô cơ tồn tại ở dạng arsen (V), trong môi trường khử tồn tại dạng arsen (III) Có nhiều bằng chứng về sự methyl hóa sinh học trong đất và quá trình giải phóng methylarsine vào không khí Hợp chất arsen methyl hóa cũng được phát hiện trong khí nhà kính Tuy nhiên arsen dạng khí tồn tại chủ yếu ở dạng vô cơ Hóa học của arsen vô cơ trong môi trường nước, đặc biệt

là pH và oxygen rất phức tạp Một đặc điểm quan trọng, ở điều kiện lượng khí CO2

cao, muối arsenate phân ly thành 4 acid arsenic [As(V)]: H3AsO4, H2AsO4-, HAsO42-, AsO43- Tuy nhiên, trong môi trường khử nhẹ sẽ hình thành dạng acid arsenous [As (III)]: H3AsO3, H2AsO3-, HAsO32- Acid arsenic ít độc nhất trong các dạng arsen vô cơ, acid arsenous độc hơn và không được phép tồn tại trong cơ thể sống

Một số lớn các phản ứng sinh học và hóa học, như oxy hóa khử, hấp phụ, kết tủa, methyl hóa và hóa hơi tham gia tích cực vào chu kỳ hoạt động của nguyên tố này (Hình 1.2) Các phản ứng này kiểm soát sự có mặt của arsen trong môi trường

Do đó, arsen gây hại cho con người chỉ từ một số dạng arsen chứ không phải do tổng dạng arsen

Hình 1.2 – Chu trình của Arsen trong môi trường

Các phản ứng hóa học và các quá trình vật lý trong đất – nước và cặn bùn – đá

ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển, phân bố của arsen trong môi trường Lượng

oxy kiểm soát các phản ứng oxy hóa khử arsenate – arsenite Sự hấp thu và kết tủa

arsenate và arsenite ngăn chặn hoạt động của các arsen hòa tan Sự giải phóng

arsenic dần dần từ đá và bùn lắng hay sự hòa tan do quá trình oxy hóa của

arsenopyrite (FeAsS) chuyển hóa arsen vào trong môi trường Sự methyl hóa

arsenite thành monomethylarsonic acid (MMA) hay dimethylarsinic acid (DMA)

hình thành hợp chất arsen hữu cơ đóng góp vào những phản ứng sinh học chủ yếu

trong chu trình arsen

1.5 Nguồn gốc của arsen trong hải sản [13]

Trong nước biển thường chứa arsen với hàm lượng khoảng 1 – 2 μg/L (WHO, 2001) Hàm lượng này gần như không đổi ở mực nước biển sâu, trong khi ở nước

bề mặt hàm lượng này thay đổi theo mùa Quá trình khử và methyl hóa bởi các vi sinh vật xảy ra ở vùng có nhiều ánh sáng, ở những tầng đại dương mà ánh sáng mặt trời có thể xuyên qua để thực hiện quá trình quang hợp

Hầu hết arsen vô cơ có trong cơ thể sinh vật biển không phải từ nước biển Ngược lại, nguồn arsen này chủ yếu từ thức ăn, một quá trình tích lũy tương ứng với một chuỗi trao đổi chất xảy ra khi arsen tham gia vào trong chuỗi thức ăn

Chuỗi trao đổi chất bắt đầu từ những sinh vật phù du (rong rêu, tảo) hấp thu arsenate từ nước biển qua hệ thống màng trao đổi chất Sau khi hấp thu, tảo nhanh chóng khử độc arsenate thông qua phản ứng khử và methyl hóa tạo thành dạng đường chứa arsen và một lượng nhỏ DMA cùng các hợp chất arsen khác Lượng arsen trong tảo lớn hơn gấp 1000 đến 10 000 lần so với trong nước biển

Trong sinh vật biển, dạng arsen chủ yếu là arsenobetaine, hợp chất As(V) chứa

3 nhóm methyl AB có khắp nơi trong môi trường biển, đặc biệt ở các loài hải sản

mà con người dùng làm thực phẩm Các nghiên cứu cho thấy sinh vật biển cấp cao hơn không tổng hợp arsenobetaine từ arsenate Đó là do các loài tảo khi chết và bị phân hủy sẽ giải phóng arsenosugar vào môi trường nước và trầm tích, nhờ loài vi khuẩn sẽ chuyển hóa thành arsenobetaine, từ đó đi vào cơ thể sinh vật biển Các thí nghiệm cũng cho thấy vi khuẩn trong nước biển có thể chuyển hóa MMA và DMA (trừ arsenate) thành AB

và glycerophosphate của dimethylarsinylriboside Dạng arsen độc hại nhất trong thực phẩm là arsen vô cơ Các dạng arsen hữu cơ khác có độ độc thấp hơn nhiều, một số trong đó gần như là không độc hại As(III) tồn tại trong cơ thể sống ở dạng liên kết với nhóm –SH của các protein và các đại phân tử, làm ức chế các enzyme trao đổi chất gây ra ngộ độc cấp tính Triệu chứng ngộ độ arsen không phụ thuộc vào dạng arsen vô cơ nào tồn tại, có lẽ là do kết quả của quá trình chuyển đổi qua lại giữa As(III) và As(V) bởi các phản ứng oxy hóa khử trong cơ thể sống Do đó, việc phân biệt hai dạng arsen vô cơ là không cần thiết Kết quả là, việc dự đoán mối nguy sức khỏe của con người từ việc dùng hải sản phụ thuộc vào lượng arsen vô cơ

đã tiêu thụ qua thức ăn [24]

Arsen có thể gây ra các bệnh về tim mạch, da liễu, huyết học, gan, thận Arsen cũng có thể gây ra ung thư bộ phận sinh dục, bộ phận tiết niệu, cơ quan hô hấp và da.[22]

Liều độc gây chết LD50 (g/kg thể trọng) của một số dạng arsen trong môi trường được thể hiện ở bảng 1.2

Dạng trimethyl hầu như không độc Arsenocholine và trimethylarsine oxide ít độc hơn As(III) 200 đến 300 lần Arsenobetaine thường được tìm thấy trong hải sản

và là dạng ít độc nhất, không thể xác định chính xác LD50 vì độc tính quá thấp (> 10

g kg-1) Độc tính của As(III) được chứng minh là do liên kết với nhóm thiol của các protein hoạt động sinh học làm ức chế enzyme trao đổi chất

Bảng 1.2 – Giá trị LD 50 của 8 dạng arsen phổ biến [20]

Sự có mặt của các dạng arsen trên là do quá trình methyl hóa sinh học arsen vô

cơ Sự methyl hóa có thể xảy ra trong đất, trầm tích, động vật và thực vật dưới nước hoặc trên cạn, gồm cả con người thông qua gián tiếp là những vi sinh vật Sự methyl hóa sinh học arsen gồm các bước lặp lại của quá trình khử, methyl hóa và oxy hóa (Hình 1.3)

Hình 1.3 – Quá trình khử và methyl hóa sinh học arsen vô cơ

1.7 Tổng quát về phương pháp phân tích các dạng arsen [20]

1.7.1 Phương pháp xác định tổng hàm lượng arsen

Hầu hết các phương pháp xác định As đều phải chuyển mẫu từ dạng rắn sang dạng lỏng Dạng lỏng chứa tất cả các dạng arsen trong đó Để phá mẫu ta thường dùng 2 phương pháp sau:

- Phương pháp vô cơ hóa mẫu khô: chất trợ nung là chất oxy hóa dạng vô cơ

- Phương pháp vô cơ hóa mẫu ướt: thuốc thử là HNO3

Trong vô cơ hóa mẫu ướt, phá mẫu bằng lò vi sóng gia nhiệt là một phương pháp khá hữu hiệu được dùng trong thời gian gần đây Lợi ích của phương pháp này

là nhanh chóng, giảm nguy cơ nhiễm bẩn hay mất mẫu, tiết kiệm thuốc thử phá mẫu Phá mẫu bằng lò vi sóng có 2 dạng: dạng kín và dạng hở Dạng kín thuận lợi hơn do ở áp suất cao có thể đạt được nhiệt độ cần thiết để phá mẫu với acid có điểm sôi thấp, ví dụ như acid nitric

™ Kỹ thuật tạo hydride

Hydride là quá trình tạo dẫn xuất hóa học sinh ra các chất hydride dễ bay hơi dựa trên phản ứng hóa học với một tác nhân khử, thường là sodium tetrahydroborate (NaBH4)

NaBH4 trong môi trường acid trung bình là điều kiện chung để tạo hydride NaBH4 phân hủy hoàn toàn tạo thành hydro khử chất phân tích về hydride:

Acid arsenous, acid arsenic, MMA, DMA, TMAO bị khử trong môi trường acid bởi NaBH4 tạo thành arsine AsH3, CH3AsH2, (CH3)2AsH, (CH3)3As Arsenosugar, các dạng arsen chính trong các loài thủy hải sản cũng tạo thành

hydride Arsenobetaine, arsenocholine, cation tetramethylarsonium không thể tạo

thành hydride nếu không có các bước xử lý thêm

Các hệ có thể ghép cặp với kỹ thuật hydride là phổ hấp thu nguyên tử (AAS),

phổ phát xạ nguyên tử (AES), phổ huỳnh quang nguyên tử (AFS), khối phổ plasma

ghép cặp cảm ứng (ICP-MS), phổ phát xạ plasma ghép cặp cảm ứng (ICP-AES)

Các phương pháp phổ nguyên tử có ưu điểm độ nhạy cao, giới hạn phát hiện

thấp Tuy nhiên, kỹ thuật này lại có hạn chế như khoảng tuyến tính nhỏ, chỉ áp dụng

được đối với nguyên tố có khả năng tạo hydride và không thể xác định đồng thời

nhiều nguyên tố

Bảng 1.3 – Phương pháp xác định tổng arsen

(theo National Research Council of Canada, 1999) [20]

Kỹ thuật tạo hydride

Phương pháp phổ

1.7.2 Phương pháp xác định các dạng arsen

Ngày nay, với sự phát triển các kỹ thuật kết hợp định tính và định lượng các

dạng arsen, các hợp chất này được dùng để dự đoán độc tính của arsen trong mẫu

Hầu hết trường hợp cần phải tách trước khi xác định Các phương pháp định tính và

định lượng arsen được thể hiện ở hình 1.4

Hình 1.4 – Phương pháp định danh và định lượng các dạng arsen [20]

1.7.2.1 Phương pháp chiết các dạng arsen

Quy trình chiết được thực hiện sao cho hợp chất arsen không bị phân hủy hay chuyển đổi hóa học Các kỹ thuật hiện nay chưa thể tách hết tất cả các dạng arsen trong một bước, do đó cần thiết phải có sự kết hợp các phương pháp tách với nhau Các dung môi chiết arsen phổ biến là methanol, hỗn hợp methanol/nước, acid phosphoric

Dùng hỗn hợp methanol/ nước hay methanol làm dung dịch chiết có nhiều thuận lợi vì các dạng hợp chất khác ít bị chiết cùng methanol, dung môi dễ bay hơi khi làm giàu mẫu Do đó, hiệu suất chiết có thể đạt được 90% khi chiết arsen trong sản phẩm thủy sản chứa nhiều arsenobetaine Tuy nhiên, methanol không được dùng để chiết arsen vô cơ vì hiệu suất rất kém

Phương pháp chiết chủ yếu là lắc, siêu âm, chiết có kiểm soát áp suất

1.7.2.2 Hệ sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) [36]

HPLC là một phương pháp tách hữu hiệu chỉ cần một lượng mẫu nhỏ và có thể liên kết với các hệ thống phát hiện khác Hai dạng sắc ký lỏng thường dùng để tách arsen là sắc ký ghép cặp ion và sắc ký trao đổi ion

™ Sắc ký ghép cặp ion

Sắc ký ghép cặp ion được dùng để phân tích arsen trung tính và arsen dạng ion Cả hai kỹ thuật sắc ký ghép cặp anion và sắc ký ghép cặp cation đều được phát triển để tách rời các dạng arsen

Tetrabutylammonium (TBA, dạng hydroxide và phosphate) là cation ghép cặp phổ biến để tách As(III), As(V), MMA và DMA Độ phân giải của những arsen này tùy thuộc vào nồng độ của cation ghép cặp, tốc độ dòng, pH của pha động Khoảng

pH tối ưu để tách bốn hợp chất arsen này là 5-7

Đối với sắc ký ghép cặp anion, tác nhân ghép cặp là tetraethylammonium hydroxide (TEAH) dùng để tách AB và arsenosugar Phương pháp này được ứng dụng phân tích các dạng chuyển hóa của arsen trong nước tiểu sau khi dùng thực phẩm là các loài rong biển hay tảo biển và nghiên cứu các dạng arsen trong môi trường

™ Sắc ký trao đổi ion

Cả hai phương pháp sắc ký trao đổi cation và sắc ký trao đổi anion đều có thể dùng để phân tích các dạng arsen Tùy thuộc vào đặc điểm ion của hợp chất arsen, sắc ký trao đổi anion dùng phân tích As(III), As(V), MMA, DMA, trong khi trao đổi cation dùng phân tích AB, AC, trimethylarsine oxide (TMAO) và Me4As+

1.8 Kỹ thuật phổ phát xạ plasma ghép cặp cảm ứng (ICP) [1,5,9]

1.8.1 Giới thiệu

Phương pháp phổ phát xạ plasma ghép cặp cảm ứng là một trong những phương pháp tối ưu để phân tích đa nguyên tố Đây là một công cụ rất hữu hiệu cho phép phát hiện ở mức nồng độ thấp