phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử xác định hàm lượng cadimi và chì trong chè xanh ở thái nguyên

Các phương pháp xác định Cadimi và Chì Hiện nay, có nhiều phương pháp khác nhau để xác định Cd và Pb như phương pháp phân tích khối lượng, phân tích thể tích, điện hoá, phổ phân tử UV-VI

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGUYỄN NHƯ LÂM

PHƯƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ

XÁC ĐỊNH CADIMI VÀ CHÌ TRONG CHÈ XANH Ở THÁI NGUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC

Thái Nguyên - Năm 2011

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGUYỄN NHƯ LÂM

PHƯƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ

XÁC ĐỊNH CADIMI VÀ CHÌ TRONG CHÈ XANH Ở THÁI NGUYÊN

Chuyên ngành: Hóa phân tích

Mã số: 60.44.29

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS TS NGUYỄN ĐĂNG ĐỨC

Thái Nguyên - Năm 2011

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực Những kết luận của luận văn chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Lời cảm ơn

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Nguyễn Đăng Đức đã

trực tiếp giao cho em đề tài, tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện cho em

hoàn thành luận văn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Hoá học, Khoa Sau

đại học – ĐHSPTN, các thầy cô giáo, các cán bộ nhân viên phòng thí nghiệm

Khoa Hoá học – ĐHKH – ĐHTN, Ban lãnh đạo, các cô chú anh (chị) khoa

xét nghiệm Trung tâm y tế dự phòng tỉnh Thái Nguyên đã giúp đỡ tạo điều

kiện cho em hoàn thành bản luận văn này

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 6 năm 2011

Học viên

Nguyễn Như Lâm

MỤC LỤC

Lời cam đoan ii

Lời cảm ơn iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ x

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu chung về cây chè 3

1.1.1 Đặc điểm và thành phần 3

1.1.2 Công dụng của cây chè 3

1.2 Giới thiệu chung về nguyên tố Cadimi và Chì [17], [23], [25] 4

1.3 Tính chất của Cadimi và Chì [17], [23], [25] 4

1.3.1 Tính chất vật lí 4

1.3.2 Tính chất hoá học [16], [17] 5

1.4 Vai trò và sự nhiễm độc của Cd và Pb [6], [7] 10

1.4.1 Vai trò và sự nhiễm độc của Cd 10

Cadimi là nguyên tố rất độc Giới hạn tối đa cho phép của Cadimi: [24] 10 Trong nước: 0,01 mg/l (hay 10ppb), 10

Trong không khí: 0,001 mg/m3, 10

Trong thực phẩm: 0,001 – 0,5 mg/kg. 10

1.5 Các phương pháp xác định Cadimi và Chì 13

1.5.1 Phương pháp phân tích hoá học [15] 13

1.5.2 Phương pháp phân tích công cụ [4], [15] 15

1.6 Các phương pháp tách và làm giàu hàm lượng vết các kim loại 22

1.6.1 Phương pháp kết tủa, cộng kết 22

1.6.2 Phương pháp chiết lỏng - lỏng 23

1.6.3 Phương pháp tách và làm giàu bằng điện hoá 24

1.6.4 Phương pháp chiết pha rắn (SPE) 24

1.7 Phương pháp xử lý mẫu phân tích xác định Cd và Pb [26], [30] 25

1.7.1 Phương pháp xử lý ướt (bằng axit đặc oxi hóa mạnh) 25

1.7.2 Phương pháp xử lý khô 25

Chương 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27

2.1 Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu 27

2.1.1 Đối tượng và mục tiêu 27

2.1.2 Phương pháp nghiên cứu 27

2.1.3 Nội dung và nhiệm vụ nghiên cứu 28

2.2 Giới thiệu về phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử [13], [27], [29] 28

2.2.1 Nguyên tắc của phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) 28

2.2.2 Hệ trang bị của phép đo AAS 30

2.3 Giới thiệu về phương pháp xử lý ướt mẫu 33

2.3.1 Nguyên tắc và bản chất 33

2.3.2 Cơ chế phân huỷ 33

2.4 Hóa chất và dụng cụ 34

2.4.1 Hóa chất 34

2.4.2 Dụng cụ 34

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35

3.1 Khảo sát điều kiện đo phổ GF- AAS của Cd và Pb 35

3.1.1 Khảo sát chọn vạch đo 35

3.1.2 Khảo sát khe đo của máy phổ hấp thụ nguyên tử 36

3.1.3 Khảo sát cường độ dòng đèn catot rỗng (HCL) 36

3.1.4 Khảo sát các điều kiện nguyên tử hoá mẫu 38

3.1.5 Các điều kiện khác 43

3.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo GF-AAS 44

3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ axit và loại axit 44

3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của chất cải biến nền 45

3.2.3 Khảo sát sơ bộ thành phần mẫu 47

3.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của các cation và anion 48

3.3 Phương pháp đường chuẩn đối với phép đo GF - AAS 54

3.3.1 Khảo sát xác định khoảng tuyến tính 54

3.3.2 Xây dựng đường chuẩn 56

3.3.3 Đánh giá sai số, độ lặp lại, giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của phép đo 60

3.4 Tóm tắt các điều kiện đo phổ GF - AAS của Cd và Pb 63

3.5 Xác định Cd và Pb trong chè xanh 64

3.5.1 Địa điểm lấy mẫu thời gian lấy mẫu và ký hiệu mẫu 64

3.5.2 Chuẩn bị mẫu phân tích 66

3.5.3 Kết quả phân tích các mẫu chè xanh 66

3.5.4 Kiểm tra quá trình xử lý mẫu 67

KẾT LUẬN 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT

AAS : Atomic Absorption Spectrometry ( Phổ hấp thụ nguyên tử) Abs : Absorbance (Độ hấp thụ)

AES : Atomic Emission Spectrometry (Phổ phát xạ nguyên tử)

ETA-AAS : Electro Thermal Atomization – Atomic Absortion spectrometry

(Phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa) F-AAS : Flame- Atomic Absorption Spectrometry

(Phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa) GC-MS : Gas Chromatography Mas Spectroscopy

(Sắc kí khí ghép khối phổ) GF-AAS : Graphite Furnace- Atomic Absorption Spectrometry

(Phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa) HCL : Hollow Cathode Lamp (Đèn catot rỗng)

HG-AAS : Hyđrie Generation- Atomic Absorption Spectrometry

(Phổ hấp thụ nguyên tử kỹ thuật Hidrua hóa) HPLC : High Performance Liquid Chromatography

(Sắc kí lỏng hiệu năng cao) ICP-AES : Inductively Coupled Plasma Mass- Atomic Emission Spectrometry

(Phổ phát xạ nguyên tử dùng năng lượng plasma cao tần cảm ứng) ICP-MS : Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry

(Phổ khối lượng dùng năng lượng Plasma cao tần cảm ứng) LOD : Limit of detection

(Giới hạn xác định) LOQ : Limit of quantitation

(Giới hạn định lượng)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Một số hằng số vật lý quan trọng của Cadimi và Chì 5

Bảng 1.2 Tiêu chuẩn Việt Nam về hàm lượng Cd, Pb trong chè xanh (Tiêu chuẩn Việt Nam 2007) 12

Bảng 3.1 Khảo sát vạch đo của Cd 35

Bảng 3.2 Khảo sát vạch đo của Pb 36

Bảng 3.3 Khảo sát cường độ dòng đèn đối với Cd 37

Bảng 3.4 Khảo sát cường độ dòng đèn đối với Pb 38

Bảng 3.5 Kết quả khảo sát nhiệt độ tro hoá của Cd 40

Bảng 3.6 Kết quả khảo sát nhiệt độ nguyên tử hoá mẫu 42

Bảng 3.7 Ảnh hưởng của nồng độ axit đối với Cd 44

Bảng 3.8 Ảnh hưởng của nồng độ axit đối với Pb 45

Bảng 3.9 Khảo sát ảnh hưởng của chất cải biến hóa học 46

Bảng 3.10 Khảo sát nồng độ Mg(NO3)2 47

Bảng 3.11 Kết quả khảo sát sơ bộ thành phần mẫu 48

Bảng 3.12 Ảnh hưởng của kim loại kiềm 49

Bảng 3.13 Ảnh hưởng kim loại kiềm thổ 49

Bảng 3.14 Ảnh hưởng của kim loại nhóm III 49

Bảng 3.15 Ảnh hưởng của nhóm kim loại nặng 50

Bảng 3.16 Ảnh hưởng của nhóm kim loại màu 50

Bảng 3.17 Ảnh hưởng của tổng cation 51

Bảng 3.18 Ảnh hưởng của nhóm anion 52

Bảng 3.19 Ảnh hưởng của tổng cation và anion đến phép đo phổ hấp thụ của Cd và Pb 53

Bảng 3.20 Khảo sát khoảng tuyến tính của Cd 54

Bảng 3.21 Kết quả khảo sát tuyến tính của Pb 55

Bảng 3.22 Xác định đường chuẩn của Cd 59

Bảng 3.23 Xác định đường chuẩn của Pb 60

Bảng 3.24 Kết quả sai số và độ lăp lại của phép đo Cd 61

Bảng 3.25 Kết quả sai số và độ lăp lại của phép đo Pb 62

Bảng 3.26 Tổng kết các điều kiện đo phổ GF - AAS của Cd và Pb 64

Bảng 3.27 Địa điểm lấy mẫu thời gian lấy mẫu và kí hiệu mẫu 65

Bảng 3.28 Hàm lượng kim loại Cd, Pb tính theo mg/kg 66

Bảng 3.29 Kết quả phân tích đối với các mẫu lặp 68

Bảng 3.30 Mẫu thêm chuẩn .69

Bảng 3.31 Kết quả phân tích mẫu thêm chuẩn Cd. 69

Bảng 3.32 Kết quả phân tích mẫu thêm chuẩn Pb 70

Bảng 3.33 Kết quả xác định Cd bằng hai phương pháp GF – AAS và ICP - MS 71

Bảng 3.34 Kết quả xác định Pb bằng hai phương pháp GF – AAS và ICP – MS 72

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

Hình 2.1 Đèn catot rỗng 30

Hình 2.2 Đèn D2 30

Hình 2.3 Cuvet Graphite 31

Hình 2.4 Bộ phận nguyên tử hoá mẫu 31

Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống máy quang phổ hấp thụ nguyên tử 32

Hình 2.6 Hệ thống máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AA-6300 32

Hình 3.1 Đồ thị kết quả khảo sát nhiệt độ tro hoá của Cd 40

Hình 3.2 Đồ thị kết quả khảo sát nhiệt độ tro hoá của Pb 41

Hình 3.3 Đồ thị kết quả khảo sát nhiệt độ nguyên tử hoá của Cd 42

Hình 3.4 Đồ thị kết quả khảo sát nhiệt độ nguyên tử hoá của Pb 43

Hình 3.5 Đồ thị khảo sát khoảng tuyến tính của Cd 55

Hình 3.6 Đồ thị khảo sát khoảng tuyến tính của Pb 56

Hình 3.7 Phổ hấp thụ của Cd 58

Hình 3.8 Phổ hấp thụ của Pb 58

Hình 3.9 Đồ thị đường chuẩn của Cd 59

Hình 3.10 Đồ thị đường chuẩn của Pb 60

MỞ ĐẦU

Trong đời sống, người ta đã khẳng định được rằng nhiều nguyên tố kim loại có vai trò cực kỳ quan trọng đối với cơ thể sống và con người Tuy nhiên nếu hàm lượng lớn chúng sẽ gây độc hại cho cơ thể Trên thực tế, do trình độ

và chạy theo lợi nhuận nên việc sử dụng phân bón hóa học, thuốc bảo vệ thực vật, thuốc trừ sâu, diệt cỏ, chất thải cuả các nhà máy, khu công nghiệp đã dẫn đến sự ô nhiễm nguồn đất, nguồn nước và bầu khí quyển… khi con người sử dụng lương thực và thực phẩm này sẽ bị ngộ độc có thể dẫn đến chết người và gây những căn bệnh ung thư và hiểm nghèo khác Do đó việc nghiên cứu và phân tích các kim loại nặng trong môi trường sống, trong thực phẩm và tác động của chúng tới cơ thể con người nhằm đề ra các biện pháp tối ưu bảo vệ

và chăm sóc sức khoẻ cộng đồng là một việc vô cùng cần thiết.Trong giới hạn

về thời gian và đề tài nghiên cứu chúng tôi chỉ tập trung nghiên cứu, xác định hàm lượng cadimi và chì trong cây chè trên khu vực Thái Nguyên

Chè có tác dụng thanh nhiệt, lợi tiểu, giải độc, trừ phong thấp, làm bền mạch máu, trị hoại huyết, sát trùng, làm lành những thương tổn Theo y học hiện đại, chè xanh chứa những chất có khả năng tăng cường miễn dịch khử gốc tự do, chống oxy hóa, bảo vệ sức khỏe, thích nghi tốt với môi trường sống

và xã hội Nên chè là loại thức uống khá phổ biến và đã có thương hiệu riêng Nhưng nếu trong chè chứa một lượng lớn kim loại nặng thì sẽ gây hại cho con người Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và nền công nghiệp hoá làm cho môi trường ô nhiễm chủ yếu là do nguồn phế thải chưa được xử lý hoặc

xử lý chưa đạt yêu cầu Phế thải công nghiệp, phế thải sinh hoạt, hoá chất nông nghiệp tồn dư đi vào trong nước vào không khí rồi tích tụ trong đất, làm cho đất bị thoái hoá, làm giảm chất lượng sản phẩm Đặc biệt là các loại cây trồng trên khu vực đất bị ô nhiễm có thể trở thành độc hại cho người sử dụng

Thái Nguyên là khu vực sản xuất chè và có nhiều khu công nghiệp, khai

thác khoáng sản Trong đó, nguồn đất, nước sản xuất nông nghiệp gần khu

công nghiệp, khai thác khoáng sản thường bị ô nhiễm kim loại nặng Vì vậy,

để sản xuất chè an toàn cần khảo sát đánh giá hiện trạng một số chỉ tiêu về

kim loại nặng trong chè sản xuất trên khu vực này Do đó, trong luận văn này

chúng tôi nghiên cứu „„Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử xác định hàm

lượng cadimi và chì trong chè xanh ở Thái Nguyên‟‟ Với nhiệm vụ cụ

thể là:

1 Tìm các điều kiện tối ưu cho phép đo Cd, Pb

2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo; tìm khoảng tuyến tính,

xây dựng đường chuẩn; đánh giá sai số và độ lặp lại, giới hạn phát

hiện, giới hạn định lượng của phép đo Cd, Pb

3 Ứng dụng xác định hàm lượng Cd, Pb trong một số mẫu chè ở các

huyện, tỉnh Thái Nguyên

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung về cây chè

1.1.1 Đặc điểm và thành phần

Cây chè thường được trồng lấy lá tươi sắc nước uống hoặc chế biến theo

những quy trình nhất định thành trà để pha nước uống Cây chè có màu xanh,

cao 1- 6m, lá mọc so le, hình trái xoan, dài 4 - 10cm, rộng 2 - 2,5cm, nhọn

gốc, nhọn tù có mũi ở đỉnh, phiến lá lúc non có lông mịn, khi già thì dày,

bóng, mép khía răng cưa rất đều Hoa to với 5-6 cánh hoa màu trắng, mọc

riêng lẻ ở nách lá, có mùi thơm, nhiều nhị Quả nang thường có ba van, chứa

một hạt gần tròn, đôi khi nhăn nheo

Thành phần hoá học: trong lá chè có tinh dầu, các dẫn xuất polyphenolic

(flavonoid, catechol, tanin) các alcaloid cafein, theophyllin, theobromin,

xanthin Còn có các vitamin C, B1, B2, B3, B6 và các men

Cây chè được sử dụng cả cành lá nấu nước uống gọi là chè xanh Chè hái

búp và lá non sao, vò rồi sao để làm chè hương pha nước uống gọi là trà

Hoặc để cho chè lên men sau đó phơi sấy khô làm chè mạn hay chế thành chè đen

1.1.2 Công dụng của cây chè

Do có cafein và theophyllin, chè là một chất kích thích não, tim và hô

hấp Nó tăng cường sức làm việc trí óc và của cơ, làm tăng hô hấp, tăng

cường và điều hoà nhịp đập của tim, lợi tiểu, làm dễ tiêu hoá Sự có mặt của

các dẫn xuất polyphenolic làm cho tác dụng của chè đỡ hại hơn và kéo dài

hơn là cafein Chè còn có tác dụng phòng và trị được nhiều loại bệnh khác

nhau, đặc biệt là các bệnh về tim mạch, ung thư Tuy vậy, nếu sử dụng kéo

dài với liều cao, chè có thể gây nhiễm độc mãn tính, biểu hiện bởi sự mất ngủ,

sự gầy yếu, mất cảm giác ngon miệng, có rối loạn thần kinh

Công dụng của cây chè: thanh nhiệt giải khát, tiêu cơm, lợi tiểu, định thần, làm cho đầu não được thư thái, da mát mẻ, khỏi chóng mặt, bớt mụn nhọt, và cầm tả lị Chè thường được dùng trong các trường hợp: Tâm thần mệt mỏi, ngủ nhiều, đau đầu, mắt mờ, sốt khát nước, tiểu tiện không lợi, ngộ độc rượu Hoặc nấu nước rửa vết bỏng, lở loét nhanh ra da và lên da non

1.2 Giới thiệu chung về nguyên tố Cadimi và Chì [17], [23], [25]

Trong tự nhiên, Cadimi được tìm thấy chủ yếu cùng với Kẽm trong quặng Cabonat và Sunfua, Cadimi ít tồn tại dưới dạng đơn chất, mà thường tồn tại trong các hợp chất Cd(II) như: cadmium oxide, cadmium chloride, cadmium sulfate, và cadmium sulfite Trữ lượng của cadmi trong vỏ Trái Đất

là 7,6.10-6% tổng số nguyên tử(tương ứng) Khoáng vật chính của Cadimi là grenokit (CdS), khoáng vật này hiếm khi ở riêng mà thường ở lẫn với khoáng vật của kẽm, và của thủy ngân là xinaba hay thần sa(HgS) [8]

Chì trong tự nhiên chiếm khoảng 1,6.10-4

% khối lượng vỏ Trái Đất và đa

số tồn tại trong các dạng khoáng kết hợp với sắt, oxi, lưu huỳnh, cacbon Chì được phân bố trong khoảng 170 khoáng vật khác nhau, nhưng khoáng vật chính của chì là galen (PbS), anglesite (PbSO4) và ceussite (PbCO3) trong đó hàm lượng của Chì lần lượt là 88%, 68%, và 77% [14]

1.3 Tính chất của Cadimi và Chì [17], [23], [25]

1.3.1 Tính chất vật lí

Cadimi và chì đều là các kim loại nặng, có ánh kim Cadimi là kim loại mềm, dễ nóng chảy, có màu trắng bạc nhưng trong không khí ẩm, nó dần bị bao phủ bởi lớp màng oxit nên mất ánh kim, còn chì kim loại có màu xám xanh, mềm, bề mặt chì thường mờ đục do bị oxi hóa

Bảng 1.1 Một số hằng số vật lý quan trọng của Cadimi và Chì

Ở nhiệt độ thường Cd và Pb bị oxy hóa tạo thành lớp oxit bền, mỏng

bao phủ bên ngoài kim loại

2Cd + O2 → 2CdO

2Pb + O2 → 2PbO

Cd và Pb tác dụng được với các phi kim như halogen tạo thành đihalogen, tác dụng với lưu huỳnh và các nguyên tố không kim loại khác như photpho, selen

Cd + X2 → CdX2

Pb + X2 → PbX2

Ở nhiệt độ thường Cd và Pb bền với nước do có màng oxit bảo vệ Nhưng ở nhiệt độ cao Cd khử hơi nước biến thành oxit, còn khi có mặt oxi thì

Pb có thể tương tác với nước tạo ra hidroxit:

Cd + H2O → CdO + H22Pb + O2 + 2H2O → 2Pb(OH)2

Cd tác dụng dễ dàng với axit không phải là chất oxi hóa (vì thế điện cực khá âm) giải phóng H2

Cd + 2HCl → CdCl2 + H2Trong dung dịch thì: Cd + 2H3O+ + H2O → [Cd(H2O)4]2+ + H2

Về nguyên tắc, Pb tan được trong axit do có thế điện cực âm.Tuy nhiên

nó chỉ tương tác trên bề mặt với dung dịch axit HCl loãng và H2SO4 < 80% vì

bị bao bọc bởi lớp muối khó tan(PbCl2 và PbSO4).Tuy nhiên với dung dịch đậm đặc hơn Pb có thể tan vì muối khó tan của lớp bảo vệ đã chuyển thành hợp chất tan:

PbCl2 + 2HCl → H2PbCl4PbSO4 + H2SO4→ Pb(HSO4)2 Với axit có tính oxy hóa mạnh như HNO3, H2SO4 đặc thì Pb tỏ ra khá hoạt động:

3Pb + 8HNO3 → 3Pb(NO3)2 + 2NO + 4H2O

Với dung dịch kiềm, Pb chỉ phản ứng khi đun nóng, giải phóng H2:

CdO + 2 KOHnc → K2CdO2 + H2O (Kali cadimiat) CdO có thể được điều chế bằng cách đốt cháy kim loại trong không khí hoặc nhiệt phân hidroxit hay các muối cacbonat, nitrat

CdO + O2 → 2CdO Cd(OH)2 → CdO + H2O CdCO3 → CdO + CO2

b Chì oxit

Chì có hai loại oxit chính là PbO, PbO2 và hai oxit hỗn hợp là Pb2O3, Pb3O4

* Monooxit PbO là chất rắn có hai dạng: PbO-α màu đỏ và PbO-β màu

vàng Tinh thể α thuộc hệ tứ phương và β thuộc hệ tà phương

PbO-α có kiến trúc lớp khác thường, mỗi nguyên tử kim loại liên kết với bốn nguyên tử oxi tạo thành nhóm PbO4 hình chóp ngũ giác PbO tan ít trong nước, có thể tương tác với nước khi có mặt oxi Khi đun nóng trong không khí nó dễ dàng chuyển thành oxit cao hơn

PbO → Pb3O4 PbO tan trong axit và kiềm mạnh

* Đioxit PbO2 là chất rắn màu nâu đen Tinh thể PbO2 có kiến trúc kiểu rutin trong đó mỗi nguyên tử kim loại được sáu nguyên tử oxi bao quanh kiểu tam giác PbO2 khi đun nóng mất dần oxi biến thành các oxit, trong đó chì có

số oxi hóa thấp hơn

Những chất dễ cháy như S, P khi nghiền nát với bột PbO2 sẽ bốc cháy Dựa vào đây PbO2 được dùng để làm một thành phần của thuốc đầu diêm Khi tương tác với axit sunphuric đậm đặc, PbO2 giải phóng oxi; với axit clohidric giải phóng khí clo:

2PbO2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O + O2PbO2 + HCl → PbCl2 + 2H2O + Cl2Trong môi trường axit đậm đặc, PbO2 oxi hóa Mn(II) đến Mn(VII), ở môi trường kiềm mạnh oxi hóa Cr(III) đến Cr(VI)

5PbO2 + 2MnSO4 + 6HNO3 → 2HMnO4 +3Pb(NO3)2 +2H2O+2PbSO43PbO2 + 2Cr(OH)3 + 10KOH → 2K2CrO4 + 3K2[Pb(OH)4]

Trong thực tế, lợi dụng khả năng oxi hóa mạnh của PbO2 người ta chế ra

Pb3O4, không tan trong nước, tác dụng với dung dịch kiềm nóng tạo nên PbO2

* Chì orthoplombat (Pb3O4) hay còn gọi là minium là hợp chất của Pb có các số oxi hóa +2 và +4 Nó là chất bột màu đỏ da cam Minium ít tan trong nước và độc đối với con người.Khi đun nóng, nó phân hủy ở nhiệt độ 5500

C thành PbO và O2 Nó là chất oxi hóa mạnh, được dùng chủ yếu để sản xuất thủy tinh, pha lê, đồ men sứ và đồ sắt, làm chất màu cho sơn ( sơn trang trí và sơn bảo vệ cho kim loại không bị gỉ)

1.3.2.3 Các hidroxit

a Cadimi hidroxit: Cd(OH)2 là kết tủa nhầy ít tan trong nước và có màu trắng Khi đun nóng chúng dễ mất nước và biến thành oxit

Cd(OH)2 không thể hiện rõ tính lưỡng tính, tan trong axit tạo muối Cd2+

, không tan trong dung dịch kiềm mà tan trong kiềm nóng chảy Cd(OH)2 tan trong dung dịch NH3 tạo thành hợp chất phức:

Cd(OH)2 + 2HCl → CdCl2 + H2O Cd(OH)2 + 4 NH3 → [Cd(NH3)4](OH)2

b Chì hidroxit: Pb(OH)2 là kết tủa rất ít tan trong nước có màu trắng Khi đun nóng, Pb(OH)2 rất dễ mất nước biến thành oxit PbO

Pb(OH)2 là chất lưỡng tính tan trong axit tạo nên muối của cation Pb2+:

Pb(OH)2 + 2HCl → PbCl2 + 2H2O Pb(OH)2 có thể tan trong dung dịch kiềm mạnh:

Pb(OH)2 + 2KOH → 2K2[Pb(OH)4] ( hidroxoplombit )

Muối hidroxoplombit dễ tan trong nước và bị thủy phân mạnh nên chỉ bền với dung dịch kiềm dư

1.3.2.4 Các muối

a Muối của cadimi

Các đihalogenua của cadmi là chất ở dạng tinh thể màu trắng, có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi khá cao

Các muối halogen (trừ florua), nitrat, sunfat, peclorat và axetat của Cd2+đều tan trong nước Còn các muối sunfua, cacbonat hay ortho photphat là muối bazơ ít tan

Trong dung dịch nước các muối Cd2+

dễ bị thủy phân:

Cd2+ + 2H2O → Cd(OH)2 + 2H+ Tích số tan của Cd(OH)2 là T = 10-14

Cd2+ có khả năng tạo phức mạnh với các phối tử hữu cơ và vô cơ, ví dụ [CdX ]2- trong đó X- là: Cl-, Br-, CN-,

Các đihalogenua của cadimi là chất ở dạng tinh thể màu trắng, có nhiệt

độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao

PbI2 + 2KI → K2[PbI4] PbCl2 + 2HCl → H2[PbCl4] Ion Pb2+ có thể tạo phức với nhiều hợp chất hữu cơ, ví dụ như dithizon

ở pH = 5,5 ÷ 9,5 tạo phức màu đỏ Người ta lợi dụng phản ứng này để chiết chì

1.4 Vai trò và sự nhiễm độc của Cd và Pb [6], [7]

1.4.1 Vai trò và sự nhiễm độc của Cd

Cadimi là nguyên tố rất độc Giới hạn tối đa cho phép của Cadimi: [24] Trong nước: 0,01 mg/l (hay 10ppb),

Trong không khí: 0,001 mg/m3,

Trong thực phẩm: 0,001 – 0,5 mg/kg

Cadimi chỉ tồn tại ở dạng vết trong tổ chức của động vật và thực vật (khoảng 1ppm) và vai trò sinh học của nó vẫn còn là một vấn đề đang được tranh cãi Tuy nhiên các nghiên cứu gần đây thường tập trung vào xác định độc tính của cadimi đối với cơ thể Ở mọi dạng tồn tại , cadimi đều rất nguy hiểm, chỉ cần một lượng nhỏ 30 – 40 mg cũng có thể gây chết người Do mỗi lần lượng cadimi thải ra khỏi cơ thể con người rất chậm (0,1% /1 ngày đêm)

nên diễn ra quá trình thải độc mạn tính Những triệu chứng sớm nhất của nó là những tổn thất ở hệ thần kinh vầ thận , rối loạn chức năng các cơ quan sinh dục và rối loạn các chức năng phổi Đặc biệt, cadimi còn phá hủy tủy xương dẫn đến ung thư

Trong cơ thể , cadimi tích tụ trước hết là ở thận , gan, phổi, móng chân , tóc trong đó, lượng cadimi trong tóc được sử dụng như một chỉ tiêu đánh giá nhiễm độc cadimi

Lượng cadimi xâm nhập vào cơ t hể con người chủ yếu qua đường ăn uống những thực phẩm chứa cadimi Tuy nhiên , lượng cadimi mà chúng ta nhận được nhiều nhất là thực phẩm có nguồn gốc thực vật Vấn đề là ở chỗ cadimi rất dễ dàng chuyển từ đất lên cây cố i, thực vật hấp thụ tới 70% cadimi từ đất, còn 30% trong không khí Do cadimi ngày càng được sử dụng nhiều trongcông nghiệp nên sự ô nhiễm cadimi hiện nay đã bằng đúng giới hạn cho phép Như vậy nhờ khả năng thâm nhập vào th ực vật qua đất và rễ mà cadimi dễ dàng lọt vào chuỗi thực phẩm gây nhiễm độc , nguy hại nghiêm trọng đến sức khỏe con người Chính vì vậy , chúng ta nhận thấy vấn đề cấp bách hiện nay là phân tích , xác định hàm lượng cad imi trong những sản phẩm nông nghiệp, qua đó góp phần kiểm tra đảm bảo chất lượng thực phẩm , tránh sự nhiễm độc cadimi

1.4.2 Vai trò và sự nhiễm độc của Pb [12]

Chì là kim loại nặng có nhiều ứng dụng trong đời sống Nó không chỉ cần thiết trong lao động kinh tế sản xuất mà còn có vai trò sinh học rất lớn đối với cơ thể động thực vật và con người Từ trước tới giờ, chì chỉ được sử dụng nhiều trong các công việc như sản xuất sơn, đạn, pin, vỏ dây cáp, đúc kim loại

và các mối hàn Ngoài ra còn được sử dụng để sản xuất ăcquy Pb hàn mạ bằng hợp kim Pb, đúc chữ in Đặc biệt là Pb(C2H5)4 và Pb(CH3)4 được sử dụng rộng rãi làm chất chống kích nổ và tăng chỉ số octan của xăng

Khi hàm lượng Pb trong máu khoảng 0,3 ppm thì nó ngăn cản quá trình

sử dụng oxi để oxi hóa glucoza tạo ra năng lượng cho quá trình sống, do đó làm cho cơ thể mệt mỏi Ở nồng độ cao hơn ( >0,8 ppm) có thể gây nên thiếu máu do thiếu hemoglobin Hàm lượng chì trong máu nằm trong khoảng ( >0,5 – 0,8 ppm) gây ra sự rối loạn chức năng của thận và phá hủy não Xương là nơi tàng trữ, tích tụ chì trong cơ thể, ở đó chì tương tác với photphat trong xương rồi truyền vào các mô mềm của cơ thể và thể hiện độc tính của nó [22]

Chì cũng kìm hãm chuyển hóa canxi bằng cách trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua kìm hãm sự chuyển hóa vitamin D Chì gây độc cả hệ thống thần kinh trung ương, thần kinh ngoại biên, tác dụng lên hệ thống enzym vận chuyển hydro Khi bị nhiễm độc, người bệnh có thể có một số rối loạn cơ thể, trong đó chủ yếu là rối loạn bộ phận tạo huyết (tủy xương) Tác dụng hóa sinh chủ yếu của chì gây ảnh hưởng đến sự tổng hợp máu, phá vỡ hồng cầu Chì và hơi chì làm mặt, cổ họng, mũi đau rát khi tiếp xúc Chì gây ra hiện tượng cáu kỉnh, nhức đầu, giảm trí nhớ, mất ngủ Tiếp xúc thường xuyên gây ngộ độc chì Biểu hiện của nhiễm độc chì là ăn không ngon, sụt cân, buồn nôn, đau bụng, co cơ, tăng huyết áp, thiếu máu Lượng chì trong máu bình thường dao động khoảng 0,2 ÷ 0,5 mg/100ml và chì được thải qua đường nước tiểu tới 100mg/24h Biểu hiện nhiễm độc chì trong máu > 0,8 mg/l sẽ gây thiếu máu,

từ 0,5 đến 0,8 mg/l gây rối loạn chức năng thận, phá hủy não

Nồng độ chì cho phép trong nước uống của các quốc gia là 10 – 40 µg/l, trong không khí là 0,5 – 1 µg/m3, nơi làm việc là 30 – 60 µg/m3

Bảng 1.2 Tiêu chuẩn Việt Nam về hàm lƣợng Cd, Pb trong chè xanh

(Tiêu chuẩn Việt Nam 2007)

Đối tượng Đơn vị Giới hạn tối đa

Chè xanh mg/kg

1.5 Các phương pháp xác định Cadimi và Chì

Hiện nay, có nhiều phương pháp khác nhau để xác định Cd và Pb như phương pháp phân tích khối lượng, phân tích thể tích, điện hoá, phổ phân tử UV-VIS, sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC), phổ phát xạ nguyên tử (AES), phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F-AAS) và không ngọn lửa (GF-AAS)… Sau đây là một số phương pháp xác định Cadimi và Chì

1.5.1 Phương pháp phân tích hoá học [15]

Nhóm các phương pháp này dùng để xác định hàm lượng lớn (đa dạng) của các chất, thông thường lớn hơn 0,05%, tức là mức độ mg Các thiết bị và

dụng cụ cho các phương pháp này đơn giản và không đắt tiền

1.5.1.1 Phương pháp phân tích khối lượng

a Nguyên tắc: Đây là phương pháp dựa trên sự kết tủa chất cần phân tích

với thuốc thử phù hợp, sau đó lọc, rửa, sấy hoặc nung rồi cân chính xác sản phẩm và từ đó xác định được hàm lượng chất phân tích

b Cách tiến hành: Với Cadimi , người ta thường cho tạo kết tủa dưới

dạng CdS màu vàng trong môi trường axit yếu Còn chì có thể tạo kết tủa

dưới dạng PbSO4, PbCrO4 hay PbMoO4 Sau đó lọc lấy kết tủa, rửa, sấy hoặc

nung rồi cân chính xác sản phẩm, xác định hàm lượng chất phân tích

Phương pháp này đơn giản không đòi hỏi máy móc hiện đại, đắt tiền, có

độ chính xác cao, tuy nhiên đòi hỏi nhiều thời gian, thao tác phức tạp và chỉ phân tích hàm lượng lớn, nên không dùng để phân tích lượng vết

1.5.1.2 Phương pháp phân tích thể tích

a Nguyên tắc: Dựa trên sự đo thể tích dung dịch thuốc thử đã biết nồng

độ chính xác (dung dịch chuẩn), được thêm vào dung dịch chất định phân để tác dụng đủ toàn bộ lượng chất định phân đó Thời điểm thêm lượng thuốc thử tác dụng vừa đủ với chất định phân gọi là điểm tương đương

Để nhận biết điểm tương đương, người ta dùng chất gây ra hiện tượng đổi màu hay kết tủa để có thể quan sát bằng mắt gọi là các chất chỉ thị Tuỳ thuộc vào loại phản ứng chính được dùng mà người ta chia phương pháp phân tích thành các nhóm phương pháp trung hoà, phương pháp oxi hoá khử, phương pháp kết tủa, phương pháp complexon

H6F + Cd2+  H4FCd + 2H+

H4FCd + H2Y2-  CdY2- + H6F (đỏ) (vàng)

Đối với chì ta có thể chuẩn độ trực tiếp bằng EDTA hay chuẩn độ ngược bằng Zn2+

hoặc chuẩn độ thay thế với ZnY2- với chất chỉ thị ETOO

- Cách 1: Chuẩn độ trực tiếp Pb2+ bằng EDTA ở pH trung tính hoặc kiềm (pH khoảng 8 -12), với chỉ thị ET-OO

Pb2+ + H2Y2- → PbY2- + 2H+ Tuy nhiên, chì rất dễ thuỷ phân nên trước khi tăng pH phải cho Pb2+

tạo phức kém bền với tactrat hoặc trietanolamin

- Cách 2: Chuẩn độ ngược Pb2+ bằng Zn2+: cho Pb2+ tác dụng với một lượng dư chính xác EDTA đã biết nồng độ ở pH = 10 Sau đó chuẩn độ EDTA dư bằng Zn2+

với chỉ thị là ET-OO

Pb2+ + H2Y2- → PbY2- + 2H+

H2Y2- (dư) + Zn2+

→ ZnY2- + 2H+ZnInd- + H2Y2- → ZnY2- + HInd2- + H+ (đỏ nho) (xanh)

- Cách 3: Chuẩn độ thay thế dùng ZnY2-, chỉ thị ET-OO

2-Ưu điểm của phương pháp: nhanh chóng và dễ thực hiện

Nhược điểm của phương pháp: không được sử dụng phân tích lượng vết

vì phải thực hiện quá trình làm giàu phức tạp

1.5.2 Phương pháp phân tích công cụ [4], [15]

1.5.2.1 Phương pháp điện hoá

a Phương pháp cực phổ

Nguyên tắc: Người ta thay đổi liên tục và tuyến tính điện áp đặt vào 2

cực để khử các ion kim loại, do mỗi kim loại có thế khử khác nhau Thông qua chiều cao của đường cong Von-Ampe có thể định lượng được ion kim loại trong dung dịch ghi cực phổ Vì dòng giới hạn Igh ở các điều kiện xác định tỉ

lệ thuận với nồng độ ion trong dung dịch ghi cực phổ theo phương trình:

Igh = k.C

Phương pháp này sử dụng điện cực giọt thuỷ ngân rơi làm cực làm việc, trong đó thế được quét tuyến tính rất chậm theo thời gian (thường 1 – 5 mV/s) đồng thời ghi dòng là hàm của thế trên cực giọt thuỷ ngân rơi Sóng cực phổ thu được có dạng bậc thang, dựa vào chiều cao có thể định lượng được chất phân tích Tuy nhiên phương pháp cực phổ bị ảnh hưởng rất lớn của dòng tụ điện, dòng cực đại, lượng oxi hoà tan hay bề mặt điện cực nên giới hạn phát hiện kém khoảng 10-5

– 10-6 M [13]

Phương pháp này có khá nhiều ưu điểm: Nó cho phép xác định cả chất

vô cơ và hữu cơ với nồng độ 10-5 10-6M tuỳ thuộc vào cường độ và độ lặp lại

của dòng dư Sai số của phương pháp thường là 23% với nồng độ khoảng

10-310-4M, là 5% với nồng độ 10-5M (ở điều kiện nhiệt độ không đổi)

Đối với Cd và Pb, phương pháp cực phổ xác định Cd và Pb chưa phát huy hết tính ưu việt của nó, vì vậy phải kết hợp với làm giàu thì mới tăng được độ nhạy

Tuy nhiên, phương pháp này cũng có những hạn chế như ảnh hưởng của dòng tụ điện, dòng cực đại, của oxi hoà tan, bề mặt điện cực…

Nhằm loại trừ ảnh hưởng trên đồng thời tăng độ nhạy, hiện nay đã có các phương pháp cực phổ hiện đại: cực phổ xung vi phân(DPP), cực phổ sóng vuông (SQWP)… chúng cho phép xác định lượng vết của nhiều nguyên tố

b Phương pháp Von-ampe hoà tan [1], [3]

Về bản chất, phương pháp Von-Ampe hoà tan cũng giống như phương pháp cực phổ là dựa trên việc đo cường độ dòng để xác định nồng độ các chất trong dung dịch Nguyên tắc gồm hai bước:

Bước 1: Điện hoá làm giàu chất cần phân tích trên bề mặt điện cực làm việc trong khoảng thời gian xác định, tại thế điện cực xác định

Bước 2: Hoà tan kết tủa đã được làm giàu bằng cách phân cực ngược cực làm việc, đo và ghi dòng hoà tan Trên đường Von-Ampe hoà tan xuất hiện pic của nguyên tố cần phân tích Chiều cao pic tỉ lệ thuận với nồng độ

Ưu điểm của phương pháp: Xác định được cả những chất không bị khử

trên điện cực với độ nhạy khá cao 10-6 10-8M

Nhược điểm của phương pháp: Độ nhạy bị hạn chế bởi dòng dư, nhiều

yếu tố ảnh hưởng như: điện cực chỉ thị, chất nền, tốc độ quét…

Sử dụng phương pháp này để xác định kim loại nặng trong lương thực, thực phẩm, các tác giả Lê Lan Anh, Lê Trường Giang, Đỗ Việt Anh và Vũ Đức Lợi đã thu được kết quả trong mẫu thức ăn của gà (Gà – HMG) dưới giới hạn xác định, còn trong mẫu ngô hàm lượng Cd 0,196 ppm [1]

Tác giả Phan Diệu Hằng đã xác định Pb trong mẫu nước ngọt giải khát Sprite bằng phương pháp Von – ampe hòa tan và kết quả hàm lượng Pb là (2,70 – 0,06 µg/l) [5]

1.5.2.2 Phương pháp quang phổ [4], [11]

a Phương pháp trắc quang

Phương pháp này chính là phương pháp phổ hấp thụ phân tử trong vùng UV-VIS Ở điều kiện thường, các phân tử, nhóm phân tử của chất bền vững và nghèo năng lượng Đây là trạng thái cơ bản Nhưng khi có một chùm sáng với năng lượng thích hợp chiếu vào thì các điện tử hoá trị trong các liên kết (л, ∂ , n)

sẽ hấp thụ năng lượng chùm sáng, chuyển lên trạng thái kích thích với năng lượng cao hơn Hiệu số giữa hai mức năng lượng (cơ bản EO và kích thích Em) chính là năng lượng mà phân tử hấp thụ từ nguồn sáng để tạo ra phổ hấp thụ phân tử của chất [9], [17]

Nguyên tắc: Dựa trên việc đo độ hấp thụ ánh sáng của một dung dịch

phức tạo thành giữa ion cần xác định với một thuốc thử vô cơ hoặc hữu cơ trong môi trường thích hợp khi được chiếu bởi chùm sáng Phương pháp định lượng theo phương trình cơ bản

10-7M và là một trong các phương pháp được dùng khá phổ biến

Cd2+ không có phổ hấp thụ phân tử UV – VIS, do đó ta phải chuyển nó

về dạng hợp chất phức Để xác định Cd người ta có thể cho nó tạo phức với Dithizon Sau đó đo độ hấp thụ quang của phức ở bước sóng 520 nm Phức của Cd với dithizon có thể được chiết bằng CHCl3, phứccó màu đỏ và có thẻ

xác định bằng phương pháp so màu Giới hạn phát hiện của phương pháp là 0,02mg/l Ngoài dithizon còn có một số loại thuốc thử khác được dùng trong phân tích trắc quang Cd Để phân tích định lượng Cd theo phổ UV – VIS ta có thể

sử dụng 2 phương pháp đường chuẩn và phương pháp thêm tiêu chuẩn

Tương tự ta có thể xác định Pb bằng cách chuyển nó về dạng Chì- dithizonat trong môi trường pH=56 Sau đó, chiết phức này với dung môi hữu cơ CHCl3 hoặc CCl4 rồi đem đo mật độ quang tại =510 nm Giới hạn của phương pháp này đối với Pb là 0,05 ppm

Gao Hong Wen (Trung Quốc) sử dụng Dithizon kết hợp với sử dụng màng lọc tế bào tách Cd để xác định vi lượng Cd(II) trong nước biển Giới hạn phát hiện là 0,006 ppm [31]

Tác giả Phạm Thị Xuân Lan đã xác định Pb bằng phương pháp trắc quang dùng thuốc thử Xylen da cam có độ nhạy cao và kết quả thu được khá chính xác ở điều kiện tối ưu của phép đo là 12ml urotropin 10%, 8 ml HCl 0,5N, 1,2 ml thuốc thử Xylen da cam 0,05% định mức 25ml và đo bằng cuvet

50 mm với lọc sáng màu lục [7]

Ưu điểm của phương pháp: Độ nhạy, độ ổn định và độ chính xác khá

cao, được sử dụng nhiều trong phân tích vi lượng

Nhược điểm của phương pháp: Không chọn lọc, một thuốc thử có thể tạo

nhiều phức với nhiều ion

b Phương pháp phổ phát xạ nguyên tử (AES) [10]

Ở điều kiện bình thường, nguyên tử không thu hay không phát xạ năng lượng, nhưng nếu bị kích thích thì các electron sẽ nhận năng lượng chuyển lên trạng thái có năng lượng cao hơn Trạng thái này không bền, chúng có xu hướng giải phóng năng lượng để trở về trạng thái ban đầu bền vững dưới dạng các bức xạ Các bức xạ này gọi là phổ phát xạ nguyên tử

Nguyên tắc: Là dựa trên sự xuất hiện phổ phát xạ của nguyên tử tự do

của nguyên tố phân tích ở trạng thái khi có sự tương tác với nguồn năng lượng phù hợp Một số nguồn năng lượng thường dùng để kích thích phổ AES như: ngọn lửa đèn khí, hồ quang điện, tia lửa điện…

Ưu điểm: Phương pháp AES có độ nhạy cao (thường từ n.10-3

đến n.10-4%), ít tốn mẫu, có thể phân tích đồng thời nhiều nguyên tố trong cùng một mẫu.Vì vậy, đây là phương pháp dùng để kiểm tra đánh giá hóa chất, nguyên liệu tinh khiết, phân tích được lượng vết ion kim loại độc trong nước, lương thực, thực phẩm

Nhược điểm: Chỉ cho biết thành phần nguyên tố trong mẫu mà không chỉ

ra được trạng thái liên kết của nó trong mẫu

Các tác giả [28] đã sử dụng nguồn Plasma cao tần cảm ứng kích thích phổ AES để xác định hàm lượng Cd, Cu, Pb trong mẫu nước, đạt hiệu xuất thu hồi cao (>97%)

c Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS [13]

Khi nguyên tử tồn tại tự do ở thể khí và ở trạng thái năng lượng cơ bản, thì nguyên tử không thu hay không phát ra năng lượng Tức là nguyên tử ở trạng thái cơ bản Song nếu nguyên tử đang tồn tại ở trạng thái này mà chúng

ta kích thích nó bằng một chùm tia sáng đơn sắc có năng lượng phù hợp, có độ dài sóng trùng với các vạch phổ phát xạ đặc trưng của nguyên tố đó, thì chúng

sẽ hấp thụ các tia sáng đó sinh ra một loại phổ của nguyên tử Phổ này được gọi là phổ hấp thụ của nguyên tử [9]

Thực tế cho thấy phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử có nhiều ưu việt

hơn các phương pháp khác như: Độ nhạy, độ chính xác cao, lượng mẫu tiêu thụ ít, tốc độ phân tích nhanh Với ưu điểm này, AAS được thế giới dùng làm phương pháp tiêu chuẩn để xác định lượng nhỏ và lượng vết các kim loại trong nhiều đối tượng khác nhau Để xác định Asen trong chè xanh người ta

thường dùng hai phương pháp: Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ

thuật Hydrua hoá (HG-AAS) và phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử không

ngọn lửa (GF- AAS, dùng lò nhiệt điện ) Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử

dùng kỹ thuật hydrua hoá là phương pháp đặc trưng Mặc dù vậy phương pháp

AAS dùng lò nhiệt điện đơn giản và không bị nhiễu cũng thường được

sử dụng

* Phép đo phổ F-AAS

Đây là kỹ thuật dùng năng lượng nhiệt của ngọn lửa đèn khí để hóa hơi

và nguyên tử hóa mẫu phân tích Vì thế mọi quá trình xảy ra trong khi nguyên

tử hóa mẫu phụ thuộc vào các đặc trưng và tính chất của ngọn lửa đèn, nhưng

chủ yếu là nhiệt độ của ngọn lửa Đó là yếu tố quyết định hiệu suất nguyên tử

hóa mẫu phân tích, và mọi yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ của ngọn lửa đèn

khí đều ảnh hưởng đến kết quả phương pháp phân tích

Khi ứng dụng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F – AAS),

Phạm Luận và các cộng sự đã phân tích và xác định một số kim loại nặng

trong máu, huyết thanh và tóc của công nhân khu gang thép Thái Nguyên và

công nhân nhà máy in

* Phép đo phổ GF-AAS

Kĩ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa ra đời sau kĩ thuật nguyên tử hoá

trong ngọn lửa Nhưng kĩ thuật này được phát triển rất nhanh và hiện nay

đang được ứng dụng rất phổ biến vì kĩ thuật này có độ nhạy rất cao (mức

ppb) Do đó, khi phân tích lượng vết kim loại trong trường hợp không cần

thiết phải làm giàu sơ bộ các nguyên tố cần phân tích

Về nguyên tắc, kĩ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa là quá trình

nguyên tử hoá tức khắc trong thời gian rất ngắn nhờ năng lượng nhiệt của

dòng điện có công suất lớn và trong môi trường khí trơ Quá trình nguyên tử

hoá xảy ra theo ba giai đoạn kế tiếp nhau: sấy khô, tro hoá luyện mẫu, nguyên

tử hoá để đo phổ hấp thụ và cuối cùng làm sạch cuvet Nhiệt độ trong cuvet graphit là yếu tố chính quyết định mọi sự diễn biến của quá trình nguyên tử hoá mẫu

GS Phạm Luận và các cộng sự thuộc trường ĐHKHTN Hà Nội đã nghiên cứu xác định kim loại trong lá cây và cây thuốc Đông Y ở Việt Nam, trong thực phẩm tươi sống bằng phổ hấp thụ nguyên tử [8], [9]

GS Nakashima và các cộng sự thuộc trường ĐHTH Okayama (Nhật Bản) đã phân tích xác định hàm lượng kim loại nặng trong nước bằng phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa phát hiện đạt cỡ vài ng/ml [30]

Tác giả Nguyễn Ngọc Sơn [20] trong khoá luận tốt nghiệp của mình cũng đã sử dụng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa GF – AAS để xác định lượng vết một số kim loại trong đất hiếm tinh khiết (99,5%)

có so sánh với kĩ thuật ICP – MS và có đưa ra nhận xét: phương pháp GF – AAS có thể xác định tạp chất trong đất hiếm tinh khiết với độ nhạy và độ chính xác cao Sự sai khác giữa hai phương pháp GF – AAS và ICP – MS là rất nhỏ

Những ưu - nhược điểm của phép đo:

Cũng như các phương pháp phân tích khác, phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử cũng có những ưu, nhược điểm nhất định đó là:

Ưu điểm:

Đây là phép đo có độ nhạy cao và độ chọn lọc tương đối cao Gần 60 nguyên tố hoá học có thể xác định bằng phương pháp này với độ nhạy từ 1.10-4 – 1.10-5 % Đặc biệt, nếu sử dụng kỹ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa thì có thể đạt tới độ nhạy n.10-7

% Chính vì có độ nhạy cao nên phương pháp phân tích này đã được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực để xác định lượng vết các kim loại

Một ưu điểm lớn của phép đo là: trong nhiều trường hợp không phải làm giàu nguyên tố cần xác định trước khi phân tích Do đó, tốn ít mẫu, ít thời gian cũng như hoá chất tinh khiết để làm giàu mẫu Tránh được sự nhiễm bẩn khi xử lý mẫu qua các giai đoạn phức tạp, kết quả phân tích lại rất ổn định, sai số nhỏ

Nhược điểm:

Bên cạnh những ưu điểm phép đo AAS cũng có nhược điểm là chỉ cho biết thành phần nguyên tố của chất ở trong mẫu phân tích mà không chỉ ra trạng thái liên kết của nguyên tố ở trong mẫu

1.6 Các phương pháp tách và làm giàu hàm lượng vết các kim loại

Trong thực tế phân tích, hàm lượng các chất có trong mẫu đặc biệt là hàm lượng các ion kim loại nặng trong nước thường rất nhỏ, nằm dưới giới hạn phát hiện của các công cụ phân tích Vì vậy, trước khi xác định chúng thì cần thông qua quá trình tách và làm giàu

Để tách, làm giàu kim loại nặng trong nước thường dùng một số phương pháp thông dụng như phương pháp kết tủa và cộng kết, phương pháp chiết pha rắn SPE, phương pháp chiết lỏng – lỏng, phương pháp tách và làm giàu bằng điện hoá…

một số sunfua hay một số chất hữu cơ làm chất góp [17]

Khi sử dụng chất hữu cơ để cộng kết có thể kết tủa được những hàm lượng vết tới 10-3

– 10-5 M Việc dùng chất hữu cơ kết tủa có ưu điểm hơn so

với chất vô cơ vỡ kết tủa dễ lọc rửa Bằng cách thay đổi pH của dung dịch có thể tiến hành kết tủa lần lượt và tách được nhiều cation kim loại khác nhau với cùng một chất kết tủa hữu cơ Hơn nữa phân tử hữu cơ dễ dàng bị phân huỷ khi nung kết tủa từ đó thu được nguyên tố cần xác định ở trạng thái đó làm giàu, tinh khiết Mặt khác, chất góp hữu cơ cũng có khả năng cộng kết được hàm lượng vết nguyên tố khi có mặt lượng lớn nguyên tố khác

Phương pháp cộng kết có ưu điểm: Đơn giản, hiệu quả cao nền mẫu phân tích được chuyển từ phức tạp sang đơn giản hơn Tuy nhiên nhược điểm chính của phương pháp là mất nhiều thời gian nên phương pháp này ít được sử dụng

1.6.2 Phương pháp chiết lỏng - lỏng

* Nguyên tắc: Phương pháp dựa trên sự phân bố chất tan khi được tạo thành ở dạng phức liên hợp hay ion phức vòng càng không mang điện tích giữa hai pha không trộn lẫn, thường là các dung môi hữu cơ và nước

Tách và làm giàu chất bằng phương pháp chiết lỏng - lỏng có nhiều ưu điểm hơn so với một số phương pháp làm giàu khác và sự kết hợp giữa phương pháp chiết với các phương pháp xác định tiếp theo (trắc quang, cực phổ ) có ý nghĩa rất lớn trong phân tích

Để xác định riêng từng dạng As nhất thiết phải chiết, ví dụ: As(III) và As(V) trong đất có thể xác định riêng biệt sau khi chiết bằng CCl4 và HCl (theo Chappell et al 1995)

Một số hệ chiết thường dùng trong tách, làm giàu Cd và Pb

- Hệ chiết Cd, Pb – dithizonat trong CCl4 hoặc CHCl3 sau đó xác định chúng bằng phương pháp phổ hấp thụ phân tử (UV – VIS)

- Có thể chiết phức halogenua hoặc thioxianat cadimi bằng các dung môi hữu cơ; xiclohexano, metyl isobutyl xeton (MIBK), dietyl ete

- Tạo phức chelat với NaDDC (natridietyldithiocacbamat) từ dung dịch đệm amoni xitrat ở pH = 9,5 dung môi chiết là MIBK

1.6.3 Phương pháp tách và làm giàu bằng điện hoá

Nguyên tắc của phương pháp là dựa vào việc tách chất cần xác định trên các điện cực trơ dưới dạng nguyên tố hoặc kết tủa không tan khi cho dòng điện một chiều đi qua Qúa trình này phụ thuộc rất nhiều vào điện thế, cường

độ dòng, cấu tạo điện cực và nồng độ dung dịch

Ngày nay các phương pháp điện hoá được dùng để tách hợp chất của đa

số các nguyên tố hoá học và là phương pháp hữu hiệu vì chúng không đòi hỏi phải đưa chất lạ vào đối tượng phân tích Hơn nữa, khi dùng các phương pháp kết tủa điện hoá khác nhau với sử dụng các điện cực có thể tách các hỗn hợp phức tạp gồm nhiều ion

Nghiên cứu điều kiện tách Pb ra khỏi dung dịch bằng phương pháp điện phân, tác giả Hoàng Văn Thượng thu được hiệu suất điện phân khi có mặt NaCl đạt 84%, không có mặt NaCl chỉ đạt 65%

1.6.4 Phương pháp chiết pha rắn (SPE)

Chiết pha rắn SPE (Solid - Phase Extraction) là quá trình phân bố chất tan giữa hai pha lỏng - rắn Pha rắn có thể là các hạt silicagen xốp, các polime hữu cơ hoặc các loại nhựa trao đổi ion hay than hoạt tính Phương pháp này tách, làm giàu được chất phân tích có lượng vết ra khỏi mẫu ban đầu bằng cách hấp phụ chúng vào một cột chiết pha rắn, sau đó rửa giải chất phân tích với dung môi thích hợp cho phân tích công cụ Chiết pha rắn thay thế cho chiết lỏng – lỏng rất tốt do chuẩn bị mẫu tiện lợi, có các ưu điểm như: thu hồi các chất phân tích với hiệu suất cao, chiết chất phân tích và làm sạch tạp chất

dễ dàng, phương pháp tiến hành đơn giản, giảm lượng dung môi hữu cơ dẫn đến giá thành hạ Hiện nay, chiết pha rắn SPE được ứng dụng rất rộng rãi trong phân tích mẫu môi trường, mẫu thuốc, mẫu lâm sàng

1.7 Phương pháp xử lý mẫu phân tích xác định Cd và Pb [26], [30]

Để xác định hàm lượng Cd và Pb trong chè xanh, trước hết ta phải tiến hành xử lý mẫu nhằm chuyển các nguyên tố cần xác định có trong mẫu từ trạng thái ban đầu (dạng rắn) về dạng dung dịch Đây là công việc rất quan trọng vì nó có thể dẫn đến những sai lệch trong kết quả phân tích do sự nhiễm bẩn mẫu hay làm mất chất phân tích nếu thực hiện không tốt Hiện nay có nhiều kĩ thuật xử lí mẫu phân tích, với đối tượng chè xanh thì hai kĩ thuật chính dùng để phá mẫu gồm kĩ thuật tro hoá ướt bằng axit đặc oxi hoá mạnh (phương pháp xử lí ướt) và kĩ thuật tro hoá khô (phương pháp tro hoá khô)

1.7.1 Phương pháp xử lý ướt (bằng axit đặc oxi hóa mạnh)

Nguyên tắc chung: Dùng axit đặc có tính oxi hoá mạnh (HNO3, HClO4…), hay hỗn hợp các axit đặc có tính oxi hoá mạnh (HNO3 + HClO4) hoặc hỗn hợp một axit mạnh và một chất oxi hoá (HNO3 + H2O2)… để phân huỷ hết chất hữu cơ và chuyển các kim loại ở dạng hữu cơ về dạng ion trong dung dịch muối vô cơ Lượng axit thường phải dùng gấp từ 10 - 15 lần lượng mẫu, tuỳ thuộc mỗi loại mẫu và cấu trúc vật lý hoá học của nó Thời gian phân huỷ mẫu trong bình Kendan, ống nghiệm, cốc… thường từ vài giờ đến hàng chục giờ, cũng tuỳ loại mẫu, bản chất của các chất Khi phân huỷ xong phải đuổi hết axit dư trước khi định mức và tiến hành đo phổ

Ưu điểm: không bị mất các chất phân tích

Nhược điểm: Thời gian phân hủy mẫu rất dài, tốn nhiều axit đặc tinh

khiết cao, dễ bị nhiễm bẩn do môi trường hay axit và phải đuổi axit dư nên dễ

bị nhiễm bụi bẩn vào mẫu

1.7.2 Phương pháp xử lý khô

Nguyên tắc: Đối với các mẫu hữu cơ trước hết phải được xay hay nghiền

thành bột, vữa hay thể huyền phù Sau đó dùng nhiệt để tro hóa mẫu, đốt cháy chất hữu cơ và đưa các kim loại về dạng oxit hay muối của chúng Cụ thể là:

Cân lấy một lượng mẫu nhất định (5-10 gam) vào chén nung Nung chất mẫu

ở một nhiệt độ thích hợp, để đốt cháy hết các chất hữu cơ, và lấy bã vô cơ còn

lại của mẫu là các oxit, các muối,… Sau đó hòa tan bã thu được này trong

axit vô cơ, như HCl (1/1), HNO3 (1/2), … để chuyển các kim loại về dạng các

ion trong dung dịch Quyết định việc tro hóa ở đây là nhiệt độ nung và thời

gian nung (nhiệt độ tro hóa và thời gian tro hóa) và các chất phụ gia thêm vào

mẫu khi nung Nhiệt độ tro hóa các chất hữu cơ thường được chọn thích hợp

trong vùng từ 400 - 550oC, nó tùy theo mỗi loại mẫu và chất cần phân tích

Ưu điểm của phương pháp:

+ Tro hóa triệt để được mẫu, hết các chất hữu cơ,

+ Đơn giản, dễ thực hiện, quá trình xử lý không lâu như phương pháp ướt,

+ Không tốn nhiều axit tinh khiết cao và không có axit dư,

+ Hạn chế được sự nhiễm bẩn do dùng ít hóa chất,

+ Mẫu dung dịch thu được sẽ sạch và trong

Nhược điểm của phương pháp:

+ Một số nguyên tố như Cd, Pb, Zn,… nếu không dùng chất bảo vệ và

chất chảy dễ bị mất mẫu phân tích

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu

2.1.1 Đối tượng và mục tiêu

Từ xưa đến nay, chè là loại thức uống quen thuộc đối với mọi người, và được xem là một loại thức uống mang tính toàn cầu Chè xanh có thể bị nhiễm các chất độc hại từ môi trường trong đó có ô nhiễm kim loại nặng Do

đó, ngoài việc nghiên cứu những hoạt tính sinh học của chè ta cũng cần phải kiểm tra hàm lượng của các chất có hại ảnh hưởng đến chất lượng chè và có hại cho sức khỏe con người không Đặc biệt phải kiểm tra hàm lượng các kim loại nặng, bởi vì một lượng rất nhỏ của chúng cũng có thể gây độc hại đối với con người

Chính vì vậy, đối tượng và mục tiêu của luận văn này là nghiên cứu xác định hàm lượng Cadimi và Chì trong chè xanh bằng phép đo phổ hấp thụ nguyên tử GF - AAS

2.1.2 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử là phương pháp xác định đặc hiệu đối với hầu hết các nguyên tố kim loại, giới hạn định lượng của phương pháp ở mức ppm đối với kỹ thuật ngọn lửa (F – AAS) và ở mức ppb đối với

kỹ thuật không ngọn lửa (GF – AAS) Các tác giả ở Viện kiểm nghiệm đã xây dựng phương pháp phân tích xác định Cu, Pb (2001), As (2003) trong các chế phẩm đông dược bằng phép đo AAS [6] Do đó trong luận văn này chúng tôi chọn phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử kỹ thuật không ngọn lửa để xác định hàm lượng Cd và Pb trong chè xanh

Đối với phương pháp xử lý mẫu, chúng tôi lựa chọn phương pháp vô cơ hóa ướt để xử lý mẫu

2.1.3 Nội dung và nhiệm vụ nghiên cứu

Để thực hiện đề tài “Xác định hàm lượng Cadimi và Chì trong chè

xanh” Chúng tôi chọn phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (GF-AAS) vì hàm

lượng Cd và Pb trong chè ở dạng vết và vì những ưu điểm của phương pháp này, chúng tôi tiến hành nghiên cứu một cách có hệ thống các vấn đề sau:

- Khảo sát chọn các điều kiện phù hợp để đo phổ GF – AAS của Cd và Pb

- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến phép xác định Cd và Pb trong phép đo

- Khảo sát khoảng tuyến tính và xây dựng đường chuẩn phép đo

- Xác định giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của phép đo

- Đánh giá sai số và độ lặp lại của phương pháp

- Ứng dụng phương pháp xác định hàm lượng Cd và Pb trong các mẫu chè tại Thái Nguyên

- Từ việc nghiên cứu các vấn đề trên, chúng tôi sẽ lựa chọn các điều kiện

đo phù hợp và xây dựng một phương pháp xác định lượng vết Cd và Pb trong chè bằng kỹ thuật GF-AAS

2.2 Giới thiệu về phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử [13], [27], [29]

2.2.1 Nguyên tắc của phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)

Khi nguyên tử tồn tại tự do ở thể khí và ở trạng thái năng lượng cơ bản, thì nguyên tử không thu hay không phát ra năng lượng Tức là nguyên tử ở trạng thái cơ bản Song nếu nguyên tử đang tồn tại ở trạng thái này mà chúng

ta kích thích nó bằng một chùm tia sáng đơn sắc có năng lượng phù hợp, có

độ dài sóng trùng với các vạch phổ phát xạ đặc trưng của nguyên tố đó, thì chúng sẽ hấp thụ các tia sáng đó sinh ra một loại phổ của nguyên tử Phổ này được gọi là phổ hấp thụ của nguyên tử

Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử dựa trên sự xuất hiện của phổ hấp thụ nguyên tử khi nguyên tử tồn tại ở trạng thái khí tự do và trong mức năng

lượng cơ bản.Vì vậy, muốn thực hiện được phép đo phổ AAS cần phải thực hiện các công việc sau:

- Chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu (rắn, dung dịch) thành trạng thái hơi Đó là quá trình hóa hơi mẫu

- Nguyên tử hóa đám hơi đó, phân li các phân tử, tạo ra đám hơi nguyên

tử tự do của các nguyên tố cần phân tích trong mẫu để chúng có khả năng hấp thụ bức xạ đơn sắc Đây là giai đoạn quan trọng nhất và quyết định đến kết quả của phép đo AAS

- Chọn nguồn phát tia sáng có bước sóng phù hợp với nguyên tố phân tích và chiếu vào đám hơi nguyên tử đó Phổ hấp thụ sẽ xuất hiện

- Nhờ một hệ thống máy quang phổ, người ta thu toàn bộ chùm sáng sau khi đi qua môi trường hấp thụ, phân li chúng thành phổ và chọn một vạch phổ cần đo của nguyên tố phân tích hướng vào khe đo để đo cường độ của nó Trong một giới hạn nhất định của nồng độ, giá trị cường độ này phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ của nguyên tố cần phân tích theo phương trình:

Aλ = k.C.L Trong đó Aλ: Cường độ vạch phổ hấp thụ

k: Hằng số thực nghiệm L: Chiều dài môi trường hấp thụ C: Nồng độ nguyên tố cần xác định trong mẫu đo phổ

- Thu và ghi lại kết quả đo cường độ vạch phổ hấp thụ

Tác giả Nguyễn Ngọc Sơn [20] đã sử dụng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa GF-AAS để xác định lượng vết chì trong đất hiếm tinh khiết (≥ 99,5%) có so sánh với kỹ thuật ICP-MS và có đưa ra nhận xét: phương pháp GF-AAS có thể xác định tạp chất trong đất hiếm tinh khiết với

độ nhạy và độ chính xác cao Sự sai khác giữa hai phương pháp GF-AAS và ICP-MS là rất nhỏ, dưới 9% đối với Pb