Phân tích xác định hàm lượng pb, cd và zn trong sữa bằng phương pháp pha loãng đồng vị ICP MS

Để đánh giá chính xác hiện tượng này trong các sản phẩm về sữa, người ta phải sử dụng một số thiết bị đo có độ chính xác cao để phân tích như AAS, AES, ICP-AES, UV-VIS, ICP-MS … vì hàm l

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ……… 1

Chương 1 TỔNG QUAN ……… 3

1.1 Thành phần hóa học chính trong sữa ……… 3

1.2 Tình hình ô nhiễm kim loại Pb, Cd và Za trong các sản phẩm tiêu dùng (thực phẩm) ở Việt Nam ……… 5

1.3 Trạng thái tự nhiên và một số tính chất lý, hóa của Pb, Cd và Zn 6

1.3.1 Trạng thái tự nhiên của các kim loại Pb, Cd và Zn ……… 6

1.3.2 Một số tính chất lý, hóa của Pb, Cd và Zn……… 7

1.3.2.1 Tính chất vật lý của Pb, Cd và Zn……… 7

1.3.2.2 Một số tính chất hóa học của Pb, Cd và Zn ……… 8

1.4 Vai trò của các nguyên tố Pb, Cd và Zn đối với con người ……… 9

1.4.1 Độc tính của Pb ……… 9

1.4.2 Độc tính của Cd ……… 11

1.4.3 Chức năng sinh học của Zn ……… 12

1.4.4 Giới hạn tối đa cho phép các kim loại trong thực phẩm ……… 13

1.5 Các phương pháp phân tích lượng vết kim loại nặng ……… 17

1.5.1 Các phương pháp phân tích quang học ……… 17

1.5.1.1 Phương pháp huỳnh quang ……… 17

1.5.1.2 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS ……… 18

1.5.1.3 Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử AES ……… 19

1.5.1.4 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS ……… 20

1.5.2 Các phương pháp phân tích điện hoá ……… 21

1.5.2.1 Phương pháp cực phổ ……… 21

1.5.2.2 phương pháp Von-Ampe hòa tan ……… 22

1.5.3 Phương pháp phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS) ……… 23

1.5.4 Kỹ thuật pha loãng đồng vị ……… 28

1.6 Các phương pháp sử lý mẫu thực phẩm để xác định kim loại ……… 32

1.6.1 Nguyên tắc sử lý mẫu ……… 32

1.6.2 Phương pháp tách chiết, làm giàu bằng dung môi 33

1.6.3 Một số phương pháp sử lý mẫu sữa xác định hàm lượng kim loại nặng … 34 Chương 2: THỰC NGHIỆM 36

2.1 Mục tiêu nghiên cứu ……… 36

2.2 Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu ……… 36

2.2.1 Đối tượng nghiên cứu ……… 36

2.2.2 Nội dung nghiên cứu 36

2.2.3 Phương pháp nghiên cứu ……… 37

2.3 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị ……… 38

2.4 Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu ……… 42

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43

3.1 Khảo xát và lựa chọn các điều kiện tối ưu trên thiết bị ICP-MS ……… 43

3.1.1 Chuẩn hóa số khối – Tunning ……… 43

3.1.2 Tối ưu tốc độ khí mang tạo sol khí ……… 44

3.1.3 Khảo sát nguồn năng lượng (ICP) ……… 45

3.1.4 Khảo sát thế điều khiển thấu kính điện tử - ion ……… 46

3.1.5 Khảo sát thời gian phân tích mẫu ……… 46

3.1.6 Khảo sát thời gian rửa sạch mẫu ……… 48

3.2 Nghiên cứu phân hủy mẫu ……… 49

3.2.1 Nghiên cứu hỗn hơ ̣p chất phân hủy mẫu sữa ……… 49

3.2.2 Nghiên cứu lươ ̣ng hỗn hợp chất phân hủy mẫu sữa ……… 53

3.2.3 Nghiên cứu nhiê ̣t đô ̣ phân hủy mẫu sữa ……… 54

3.3 Khảo sát lượng đồng vị thêm vào phù hợp cho phân tích mẫu sữa ………… 55

3.4 Đánh giá sự ảnh hưởng của các ion kim loại khác trong nền mẫu đến quá trình xác định Pb, Cd và Zn 58

3.5 Đánh giá phương pháp phân tích ……… 61

3.5.1 Khoảng tuyến tính và đường chuẩn ……… 61

3.5.2 Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng ……… 62

3.5.3 Đánh giá hiệu suất thu hồi và độ lập lại của phương pháp ……… 63

3.6 So sánh các kết quả phân tích mẫu chuẩn và mẫu thực giữa ba kỹ thuật …… 65

3.7 Phân tích mẫu chuẩn được công nhận ……… 66

3.8 Quy trình phân tích mẫu thực tế ……… 66

3.9 Kết quả phân tích mẫu thực tế ……… 67

Chương 4: KẾT LUẬN 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Một số tính chất vật lý của các nguyên tố chì, cadimi và kẽm ………… 7

Bảng 1.2 Mức giới hạn tối đa cho phép các kim loại trong thực phẩm ……… 14

Bảng 1.3 Giới hạn cho phép của một số kim loại nặng trong sữa ……… 16

Bảng 1.4 Giới hạn rủi ro đối với một số kim loại nặng 17

Bảng 1.5 So sánh khả năng phát hiện của các kỹ thuật phân tích ……… 28

Bảng 1.6 Nguyên tố, số khối, tỷ lệ đồng vị và các yếu tố ảnh hưởng do trùng số khối 30 Bảng 3.1 Kết quả khảo sát tốc độ khí sol hóa mẫu ……… 44

Bảng 3.2 Kết quả khảo sát công suất máy phát cao tần ……… 45

Bảng 3.3 Kết quả khảo sát thời gian phân tích ……… 47

Bảng 3.4 Kết quả khảo sát thời gian rửa sạch mẫu ……… 48

Bảng 3.5 Các điều kiện phân tích tối ưu trên thiết bị ICP-MS ……… 49

Bảng 3.6 Kết quả khảo sát các loại axit cho quá trình xử lí mẫu hệ hở ……… 50

Bảng 3.7 Kết quả khảo sát các loại axit cho quá trình xử lí mẫu hệ kín ………… 52

Bảng 3.8 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lượng hỗn hợp phân hủy ……… 54

Bảng 3.9 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiê ̣t đô ̣ phân hủy ……… 55

Bảng 3.10 Kết quả phân tích mô ̣t số mẫu sữa trên ICP-MS ……… 55

Bảng 3.11 Kết quả khảo sát lượng đồng vi ̣ ……… 57

Bảng 3.12 Kết quả phân tích các thành phần ảnh hưởng của nền mẫu ……… 58

Bảng 3.13 Nồng độ các ion ảnh hưởng ……… 59

Bảng 3.14 Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của các ion kim loại trong nền mẫu … 60 Bảng 3.15 Kết quả xác định LOD và LOQ của Pb, Cd và Zn ……… 63

Bảng 3.16 Kết quả đánh giá hiệu suất thu hồi của phương pháp ……… 64

Bảng 3.17 Kết quả đánh giá độ lập lại của phương pháp ……… 64

Bảng 3.18 Kết quả phân tích mẫu chuẩn so sánh giữa 3 kỹ thuật ……… 65

Bảng 3.19 Kết quả phân tích mẫu thực giữa 3 kỹ thuật ……… 66

Bảng 3.20 Kết quả phân tích mẫu chuẩn được công nhận ……… 66

Bảng 3.21 Kết quả phân tích hàm lượng các kim loại nặng trong mẫu sữa bột 68 Bảng 3.22 Kết quả phân tích hàm lượng các kim loại nặng trong mẫu sữa nước 69 Bảng 3.23 Danh sách các mẫu có hàm lượng Pb vượt quy định 69

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

QCVN Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia Việt Nam

ICP-MS Phương pháp cảm ứng cao tần ghép nối khối phổ (Inductively Coupled Plasma emission Mass Spectrometry)

ID-ICP-MS Phương pháp pha loãng đồng vị trên thiết bị cảm ứng cao tần ghép nối khối phổ (Isotope Dilution Inductively Coupled Plasma emission

Mass Spectrometry) GFA-AAS Phương pháp hấp thụ nguyên tử sử du ̣ng kỹ thuâ ̣t nguyên tử hóa lò

nhiệt điện (Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry) F-AAS Phương pháp hấp thu ̣ nguyên tử sử dụng kỹ thuật nguyên tử hóa ngọn

lửa (Flame Atomic Absorption Spectrometry) UV-VIS Phương pháp trắc quang (Ultraviolet Visible Spectrometry)

AAS Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption

Spectrometry) ICP-AES Phương pháp quang phổ phát xạ plasma (Inductively Coupled Plasma atomic Emission Spectroscopy) AES Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử (Atomic Emission Spectrometry) LOD Giới hạn phát hiện (Limit of Detection)

LOQ Giới hạn định lượng (Limit of Quantitation)

RSD Độ lặp lại tương đối (Relative Standard Deviation)

WHO Tổ chức Y tế Thế giới (World Health Organization)

FAO Tổ chức nông lương thế giới (Food and Agriculture Organization)

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, đã có sự gia tăng ô nhiễm các kim loại nặng độc hại như chì, cadimi, kẽm, thủy ngân, đồng … trong lương thực và thực phẩm Ô nhiễm do các chất hóa học, hóa chất bảo vệ thực vật, phân bón, chất phụ gia liên quan đến các sản phẩm tiêu dùng đã ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe con người và môi trường Các nguyên

tố vi lượng như chì, cadimi, đồng, kẽm là thành phần rất cần trong cơ thể, nhưng nếu dư thừa hoặc thiếu hụt sẽ gây ra một số bệnh như bệnh Schizophrenia, bệnh Willson hay biểu hiện tím tái người ngất xỉu đột ngột do nhiễm độc chì,…

Sữa là một thực phẩm quan trọng có nguồn gốc từ động vật, nó có hầu hết các chất dinh dưỡng cần thiết cho cơ thể, đặc biệt cho trẻ sơ sinh và người già Tuy nhiên do nhu cầu tiêu thụ sản phẩm về sữa ngày càng gia tăng nên đã có một số loại sữa không đủ chất lượng, hàm lượng một số kim loại nặng trong sữa cao hơn mức cho phép Để đánh giá chính xác hiện tượng này trong các sản phẩm về sữa, người ta phải sử dụng một số thiết

bị đo có độ chính xác cao để phân tích như AAS, AES, ICP-AES, UV-VIS, ICP-MS …

vì hàm lượng của chúng khá nhỏ (dạng vết) Trong đó ICP-MS có tính ưu việt hơn các phương pháp khác về khả năng phân tích nhanh, phân tích đồng thời được nhiều nguyên

tố kim loại ở dạng vết trong cùng một mẫu với độ chính xác cao, ít bị ảnh hưởng bởi các nguyên tố khác Bằng kĩ thuật pha loãng đồng vị ICP-MS có thể xác định chính xác hơn nồng độ các kim loại trong mẫu Để xác định thật chính xác lượng vết các ion kim loại chì, cadimi và kẽm trong sữa, việc xây dựng một quy trình phân tích hoàn thiện từ quá trình chuẩn bị mẫu, xử lý mẫu và phép phân tích là hết sức cần thiết Chính vì vậy đề tài

“Phân tích xác định hàm lượng Pb, Cd và Zn trong sữa bằng phương pháp pha loãng đồng ICP-MS” được lựa chọn

Nội dung chính của luận văn gồm những phần sau:

 Nghiên cứu và lựa chọn các điều kiện tối ưu trong quá trình xử lý mẫu để định lượng các kim loại chì, cadimi và kẽm trong sữa

 Nghiên cứu và lựa chọn các điều kiện tối ưu trên thiết bị ICP-MS để kết quả phân tích nồng độ chì, cadimi và kẽm đạt độ chính xác cao bằng phương pháp pha loãng đồng vị

 Nghiên cứu khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình phân tích các nguyên

tố kim loại nói trên

 Đưa ra quy trình phân tích chì, cadimi và kẽm trong sữa bằng phương pháp pha loãng đồng vị trên thiết bị ICP-MS

 Áp dụng phân tích một số đối tượng mẫu thực tế

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Thành phần hóa học chính trong sữa [14, 18].

Trong sữa có một số thành phần như: lipit, gluxit, protein, chất khoáng, vitamin, ngoài ra còn có chất màu và nhiều chất khác

Chất béo: Chất béo là một trong những thành phần quan trọng nhất của sữa Hàm

lượng chất béo của sữa thay đổi trong một phạm vi khá rộng Có loại sữa ít béo, khoảng 3g/100ml sữa, có loại sữa nhiều chất béo khoảng 5-6g/100ml sữa Khoảng 98% chất béo trong sữa là một hỗn hợp của triacyl glycerides Ngoài ra còn có chất béo trung tính, các vitamin tan trong chất béo và các chất màu (ví dụ như carotene cho bơ màu vàng của nó), sterol và sáp Chất béo cung cấp cho cơ thể một nguồn tập trung năng lượng: quá trình oxy hóa của chất béo trong cơ thể mang lại 9 calo/g Ngoài ra chất béo làm dung môi hòa tan các vitamin A, D, E, K trong chất béo và cũng cung cấp các axit béo thiết yếu (linoleic, linolenic và arachidonic)

Protein: Nhóm hợp chất hữu cơ quan trọng nhất cửa sữa là protein Hàm lượng

protein của các loại sữa không chênh lệch nhiều, chúng thường nằm trong giới hạn 4.6% Các protein của sữa là những protein hoàn thiện Trong thành phần protein của sữa

3.0-có đến 19 loại axit amin khác nhau, trong đó 3.0-có đầy đủ các acid amin không thay thế được như: valin, lơxin, izolơxin, metionin, treonin, phenylalanin, triptophan và lyzin

Trong sữa có 3 loại protein chủ yếu: Casein chiếm khoảng 80%, lactalbumin chiếm 12% và lactoglobulin chiếm 6% trong toàn bộ lượng protein có trong sữa và còn một vài loại protein khác nhưng hàm lượng không đáng kể

Casein là nhóm protein chủ yếu trong protein của sữa Nó bao gồm nhiều loại

casein khác nhau, -casein, -casein, -casein, -casein là thể phức hợp phosphoryl gồm

có S1, S2 , S3, S4, S5, S6–casein -casein là thành phần chủ yếu có trong sữa bò nhưng lại là thứ yếu trong sữa người -casein là một glycoprotein và nó hiện diện khắp nơi trong thể mixen casein Chính vì vậy mà mixen ở trạng thái ổn định -casein và -casein không tan trong sữa tươi Các protein này chứa nhóm photphat (photpho chiếm khoảng 0.8% trong toàn casein) và nhóm photphat này kết hợp với ion Ca2+ Sự trung hòa một phần lớn các điện tích âm ngăn ngừa -casein và -casein kết khối và kết tủa

Mỗi hạt casein chứa khoảng 70% nước và 30% chất khô Trong thành phần chất khô casein chiếm khoảng 93% và muối (chủ yếu là canxi photphat) chiếm khoảng 7%

Lactoglobulin còn gọi là globulin của sữa Hàm lượng lactoglobulin trong sữa

khoảng 0,1% theo khối lượng và chiếm tỉ lệ 3% so với lượng protein chung Globulin sữa

có nhiều trong sữa non, thuộc loại protein đơn giản và là protein hoàn thiện Trong sữa, globulin tồn tại dưới dạng keo và có độ phân tán kém hơn so với albumin sữa khoảng 18.000 Globulin có 3 dạng đồng phân: -glactoglobulin, epglobulin và pseudogglobulin Chúng khác nhau về khả năng hòa tan nước và tính kháng trùng -lactoglobulin không tan trong nước, hòa tan tốt trong dung dịch muối loãng, epglobulin tan trong nước khi có mặt muối Pseudoglobulin hòa tan trong nước nguyên chất

Lactoalbumin còn gọi là albumin của sữa Hàm lượnglactoalbumin trong sữa

không nhiều khoảng 0.5-1.0% tùy từng loại sữa Trong sữa non có nhiều lactoalbumin hơn sữa thường Khác với casein, lactoalbumin ở trong sữa dưới dạng hòa tan Dưới tác dụng của nhiệt độ cao lactoalbumin bị đông tụ Trong môi trường acid, khi tăng nhiệt độ thì mức

độ đông tụ nhanh và mau Các enzim làm đông tụ casein không có khả năng làm đông tụ lactoalbumin Sau khi đông tụ, lactoalbumin mất khả năng hòa tan lại trong nước, nó chỉ có thể hòa tan lại trong một vài loại dung môi

Carbohydrate: Carbohydrate có ở trong sữa chủ yếu là lactose Hàm lượng

lactose trong sữa khoảng 4.5-5.1% tùy theo từng loại sữa Lactose ở trong sữa dưới dạng

hòa tan Lactose khó bị thủy phân hơn các loại đường khác Khi bị thủy phân sẽ cho một

phân tử glucose và một phân tử galactose:

Chất khoáng: Nhiều công trình nghiên cứu đã xác nhận lượng chất khoáng của

sữa có thể thỏa mãn đầy đủ nhu cầu về chất khoáng cho cơ thể

Hàm lượng chất khoáng trong sữa khoảng 0.6-0.8% tùy từng loại sữa, tồn tại ở dạng hòa tan hoặc dung dịch keo Các loại muối khoáng ở trong sữa có nhiều loại, phổ biến là muối photphat, clorua, citrat, caseinat… chứa các nguyên tố đa lượng như Ca, K,

Na, Mg, P …trong đó nhiều nhất là Ca Ngoài ra sữa cũng chứa nguyên tố vi lượng như

Zn, Si, Al, Fe, Cu, I, Mn, F, Se, Cr, Co …

Vitamin: Sữa có chứa rất nhiều loại vitamin cần thiết cho cơ thể, bao gồm nhóm

vitamin tan trong chất béo như vitamin A, D, E và K gắn với phần chất béo, nhóm vitamin tan trong nước như vitamin B1, B2,B12, C, PP …

1.2 Tình hình ô nhiễm kim loại Pb, Cd và Zn trong các sản phẩm tiêu dùng (thực phẩm) ở Việt Nam

Các nhà chuyên môn về vệ sinh an toàn thực phẩm cảnh báo rằng nhiều loại rau sinh trưởng trong vùng đất thấp, ao hồ, kênh rạch như rau muống, rau rút, rau cần, ngó sen dễ tích tụ những kim loại nặng như đồng, chì, kẽm, thủy ngân Các chất này có trong nước thải chưa được xử lý triệt để từ các nhà máy, xí nghiệp, cơ sở sản xuất

Đề tài nghiên cứu hàm lượng kim loại nặng trong bùn đáy, trong nước và trong một

số loại rau thủy sinh, của TS Bùi Cách Tuyến, Hiệu trưởng ĐH Nông Lâm TP HCM, thực hiện trong 2 năm (1999-2000) tại TP HCM cho thấy, nhiều mẫu rau được lấy phân tích không an toàn, rất nhiều loại bị ô nhiễm nặng Hàm lượng kẽm trong mẫu rau muống ở Bình Chánh cao gấp 30 lần mức cho phép, tại các ao rau muống ở Thạnh Xuân cao gấp 2-4 đến 12 lần Hai mẫu rau rút ở Thạnh Xuân có hàm lượng chì gấp 8,4-15,3 lần mức cho phép, mẫu rau muống ở Thạnh Xuân có hàm lượng chì cao gấp 2,24 lần, mẫu rau muống ở Bình Chánh có hàm lượng chì cao gấp 3,9 lần, mẫu ngó sen ở Tân Bình có hàm lượng chì cao gấp 13,65 lần Hàm lượng kim loại đồng tại một ruộng rau muống ở Thạnh Xuân cao gấp 2 lần mức cho phép [15]

24-36 tháng tuổi ở các phường thuộc 4 quận nội thành Hà Nội, gồm: Ba Đình, Hoàn Kiếm, Đống Đa và Hai Bà Trưng Kết quả cho thấy, 12 loại thực phẩm như: gạo, thịt lợn, rau muống… có tỷ lệ nhiễm chì và asen rất cao Theo kết quả xét nghiệm 12 mẫu thực phẩm cho thấy, nhóm thực phẩm ăn hàng ngày bị nhiễm chì cao nhất là ở gạo, thịt lợn, rau muống, tôm dảo, cam, quýt… [6] Thực phẩm vượt quy định của Bộ Y tế về cadimin nhiều nhất cũng có ở gạo, thịt lợn, thịt bò Cadimin cũng xuất hiện tại các thực phẩm khác như trứng gà

Nhóm nghiên cứu cũng cho rằng, lượng cadimin trong gạo chiếm tới 358%, trong sữa bột là 31% và trong cam là 15,6% lượng tối đa cho phép ăn vào hàng ngày của trẻ

dưới hai tuổi (cân nặng trung bình 13kg) Còn trong thịt lợn đã lên tới 177,5%, thịt bò là 60,58%, tôm rảo là 35,73% và thịt gà là 6,84% so với lượng tối đa cho phép ăn hàng tuần của trẻ Theo quy định của bộ Y tế, giới hạn chì tối đa trong các loại quả là < 0,1 mg/kg, ngũ cốc, đậu < 0,2 mg/kg, trong sữa thậm chí còn rất thấp 0,02 mg/kg …[2]

Theo báo cáo tại hội nghị thường niên Hội y tế Công cộng Việt Nam lần thứ 10 diễn ra vào 11/2014 tại Hà Nội Nhóm các tác giả đến từ Trường Đại học Y tế công cộng, Cục An toàn thực phẩm và Viện Chăn nuôi quốc tế về đề tài Đánh giá về sự ô nhiễm chì

và Cadimi trong cá và rau muống ở sông Nhuệ tại hội nghị cho thấy 100% mẫu rau muống khai thác từ sông Nhuệ bị ô nhiễm chì (Pb) Tỷ lệ nhiễm chì và Cadimi (Cd) của

cá rô phi khai thác tại đây lần lượt là 100% và 96,3% Tuy nhiên, hàm lượng Pb và Cd trong mẫu rau muống và cá rô phi đều nằm trong mức cho phép của Bộ Y tế

Nhóm tác giả đã nghiên cứu áp dụng khung đánh giá nguy cơ sức khỏe đối với môi trường của hội đồng sức khỏe môi trường Australia năm 2004, với 27 mẫu nước, 27 mẫu rau và 27 mẫu cá được lấy từ sông Nhuệ từ tháng 11/2013 - 6/2014, tại Kim Bảng,

Hà Nam Các tác giả cho biết, qua nghiên cứu, đánh giá mức tiêu thụ rau muống và cá rô phi của người dân sống tại lưu vực sông Nhuệ thì thấy, 98,6% người dân có ăn rau muống với khối lượng ăn trung bình là 108,9 g/người/bữa, với tần suất ăn trung bình là

75 lần/năm 90,9% người dân được hỏi có ăn cá rô phi, khối lượng ăn trung bình là 132 g/người/ngày, tần suất ăn trung bình 65 lần/năm

Với mức ô nhiễm Pb và Cd (mặc dù vẫn ở trong giới hạn cho phép), thực trạng tiêu thụ rau muống và cá rô phi khai thác tại sông Nhuệ của người dân, các tác giả nhóm nghiên cứu khẳng định, người dân có thể có nguy cơ nhiễm Pb, Cd qua đường ăn uống từ những thực phẩm này [7]

1.3 Trạng thái tự nhiên và một số tính chất lý, hóa của Pb, Cd và Zn [16, 21, 22, 29] 1.3.1 Trạng thái tự nhiên của các kim loại Pb, Cd và Zn

Chì đã được con người biết đến từ thời thượng cổ Chì là nguyên tố phân bố khá rộng trong tự nhiên ở dạng kết hợp với các kim loại khác đặc biệt là với Ag và Zn Chì trong vỏ trái đất ứng 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 trong quặng xeruzit (PbCO3), anglebit (PbSO4)

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 khối lượng Khoáng vật chủ yếu của cadimi là quặng grinokit (CdS) Trong quặng blen kẽm (ZnS) và calamine (ZnCO3)

có chứa khoảng 3% cadimi

Kẽm trong thạch quyển của vỏ quả đất chiếm khoảng 5.10-3% về khối lượng, tồn tại ở dạng các khoáng vật chủ yếu là quặng blen kẽm (ZnS), calamin (ZnCO3), phranclinit hay ferit kẽm (Zn(FeO2)2), ngoài ra còn có zincit ZnO Trong tự nhiên các khoáng vật của Zn đều có lẫn khoáng vật của Pb, Ag và Cd

1.3.2 Một số tính chất lý, hóa của Pb, Cd và Zn

1.3.2.1 Tính chất vật lý của Pb, Cd và Zn

Chì là kim loại có mầu xám thẫm và mềm, có khối lượng riêng lớn nhất Chì có

18 đồng vị, trong đó có 4 đồng vị thiên nhiên là 204Pb (1,48%), 206Pb (23,6%), 207Pb (22,6%) và 208Pb (52,3%) Đồng vị phóng xạ bền nhất của chì là 202Pb có chu kỳ bán hủy

là 3.105 năm

Cadimi là kim loại mầu trắng bạc, mềm, có thể cắt bằng dao, dễ dát mỏng và dễ mất ánh kim trong môi trường không khí ẩm do tạo màng oxit Cadimi có 19 đồng vị, trong đó có 8 đồng vị gặp trong thiên nhiên 106Cd (1,215%), 108Cd (0,875%), 110Cd (12,39%), 111Cd (12,7%), 112Cd (24,07%), 113Cd (12,26%), 114Cd (28,86%), và 116Cd (7,58%) Trong các đồng vị phóng xạ thì đồng vị 100Cd có chu kỳ bán hủy 470 ngày đêm

là bền nhất

Kẽm là kim loại mầu trắng bạc, mềm Ở trong không khí bị phủ lớp màng hidroxit – cacbonat bền Kẽm có 15 đồng vị, trong đó có 5 đồng vị thiên nhiên là 64Zn (48,89%),

66Zn (27,81%), 67Zn (4,11%), 68Zn (18,56%) và 70Zn (0,62%) Trong các đồng vị phóng

xạ thì động vị 65Zn bền nhất có chu kỳ bán hủy 245 ngày đêm

Một số tính chất vật lý của chì, cadimi và kẽm được tổng kết trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Một số tính chất vật lý của các nguyên tố chì, cadimi và kẽm

3 Cấu hình electron [Kr]6s26p2 [Kr]4d105s2 [Ar]3d104s2

4 Năng lượng ion hóa (eV) I1= 7,42 I1= 8,99 I1= 9,39

Ở nhiệt độ thường và trong không khí ẩm, kẽm bị bao phủ bởi lớp màng hdiddroxxit – cacbonat bền

2Zn + 2H2O + O2   2Zn(OH)2

2Zn + H2O + O2 + CO2   Zn2CO3(OH)2

Khi đốt nóng kẽm cháy trong oxi tạo ra oxit: ZnO

* Tác dụng với các phi kim khác

Chì tác dụng được với các halogen, lưu huỳnh tạo thành muối

Pb + S → PbS

Pb + Cl2 → PbCl2Cadimi, kẽm tác dụng với halogen, lưu huỳnh, photpho, selen tạo muối tương ứng

* Tác dụng với nước

Chì, cadimi và kẽm không tác dụng được với nước ở nhiệt độ thường Nhưng ở nhiệt độ cao cadimi và kẽm khử hơi nước tạo thành oxit Còn chì phản ứng chậm 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,…) chì, cadimi và kẽm đều tác dụng, giải phóng khí hiđro

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

H2[PbCl4]

PbCl2 + 2HCl → H2[PbCl4] Với các axit có tính oxi hóa (như HNO3, H2SO4 đặc) thì chì, cadimi và kẽm đều phản ứng, sẩn phẩm không có hiđro:

Cd + 2H2SO4 đ → CdSO4 + SO2 ↑ + 2H2O Chì chỉ tác dụng trên bề mặt với dung dịch H2SO4 có nồng độ thấp hơn 80% tạo ra lớp muối khó tan, người ta đã lợi dụng tính chất này để chế tạo ắc quy 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↑+ 2H2O PbSO4 + 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 dễ tan trong HNO3loãng, khó tan trong HNO3 đặc

3Pb + 8HNO3 → 3Pb(NO3)2 + 2NO + 4H2O Chì 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 và kẽm còn có thể tan được trong dung dịch kiềm giải phóng hiđro:

Pb + 2KOH + 2H2O → K2[Pb(OH)4] + H2 ↑ Riêng kẽm còn có thể tan được trong dung dịch NH3:

Chì và các hợp chất của chì đều được xếp vào nhóm độc tố đối với cơ thể người Trong môi trường nó bị thải ra từ hoạt động của các ngành công nghiệp, nông nghiệp … gây ô nhiễm Nó có thể xâm nhập vào cơ thể con người qua chu trình chuyển hóa thức ăn hay quá trình trao đổi chất như: nước uống, không khí, thức ăn (động vật, thực vật) nhiễm chì 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 không tạo được hồng cầu Bởi vì chì đã ức chế một số sản phẩm trung gian trong quá trình 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 hợp

porphobilinogen:

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

H2N - CH2 - C C – H

N Chì gây ức chế ALA-dehidraza enzym, do đó giai đoạn tiếp theo hình thành porphobilinogen không xảy ra được Tác dụng chung là chì phá hủy quá trình tổng hợp hemoglobin và các sắc tố cần thiết cho máu như cytochoromes Hàm lượng chì trong máu khoảng 0,3 ppm thì nó ngăn cản quá trình sử dụng oxy để oxy hóa glucoza tạo ra năng lượng cho quá trình sống, do đó làm 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 khoảng 0,5 đến 0,8 ppm gây ra rối loạn chức năng của thận và phá hủy não

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, nhức đầu, đau bụng, tăng huyết áp, thiếu máu, giảm trí nhớ, thay đổi tâm trạng, sảy thai, 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 khả năng ta ̣o thành các hợp chất alkyl ái lipit)

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 độc chất của cơ thể chưa hoàn chỉnh Trong khi trẻ em có mức hấp thụ chì gấp 4-5 lần người lớn và thời gian bán phân hủy chì ở trẻ em cũng lâu hơn nhiều so với người lớn Một số trẻ em có thể

bị nhiễm ngay từ khi còn ở trong bụng mẹ, do người mẹ bị nhiễm chì, qua nhau thai từ

tuần thứ 20 của thai kỳ và tiếp diễn suốt thời kỳ mang thai, hoặc bú sữa mẹ có hàm lượng chì cao Tới khi lớn, các em có thể ăn thực phẩm có chứa chì, nuốt chì lẫn trong 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 mẫn cảm 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 số nạn nhân lên đến 1.300 bé tại tỉnh Hồ Nam và trên 600 bé

ở tỉnh Thiểm Tây 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 100g/lít, mức được cho

là nhiễm độc chì

Ở trẻ em, nhiễm độc chì cấp tính khiến các em trở nên cáu kỉnh, kém tập trung, ói mửa, dáng đi không vững, lên cơn kinh phong Trường hợp mãn tính, các em có dấu hiệu chậm trí, hay gây gổ, lên kinh thường xuyên, đau bụng, 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 Ca3(PO4)2 của xương, tác dụng gây ra vành xám ở lợi răng và hệ thần kinh, các bệnh về đường ruột và bệnh thiếu máu Chì và các hợp chất của chì có thể vào cơ thể người thông qua việc ăn uống, hô hấp và tích lũy lại, gây ra các bệnh nguy hiểm 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 thể hàng tuần có thể chịu đựng được đối với trẻ sơ sinh và thiếu nhi là 25g/kg thể trọng

1.4.2 Độc tính của Cd [17, 19, 29]

Kim loại nặng cadimi, cũng như các kim loại khác, xâm nhập vào các hệ sinh thái đất, nước, không khí từ nhiều nguồn khác nhau: khói bụi, nước thải của các xí nghiệp sản xuất chì, thiếc, sắt, thép…nước thải trong ngành đúc điện, trong phân lân bón cho cây trồng, trong bùn thải các trạm làm sạch nước, trong sự bào mòn lốp xe ô tô, trong các nhiên liệu diezel làm ô nhiễm lương thực, trong phân lân bón cho cây trồng, trong bùn thải các trạm làm sạch nước, trong sự bào mòn lốp xe ô tô, trong các nhiên liệu diesel làm

ô nhiêm lương thực, thực phẩm và nước uống

Cadimi có thể xâm nhập vào cơ thể con người bằng nhiều con đường khác nhau như tiếp xúc với bụi cadimi, ăn uống các nguồn có sự ô nhiễm cadimi Sự kiện bị ngộ độc cadimi trên thế giới là sự kiện xảy ra ở Nhật Bản với bệnh itai-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 Đã có bằng chứng chứng minh rằng cadimi tích tụ trong cơ thể gây nên chứng bệnh giòn xương Ở nồng độ cao, cadimi gây đau thận, thiếu máu và phá hủy tủy 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 hô hấp Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy mối quan hệ giữa cadimi với chứng bệnh loãng xương, nứt xương Sự hiện diện của cadimi trong cơ thể khiến cho việc cố định canxi trở nên khó khăn dẫn đến những tổn thương về xương gây đau đớn ở vùng xương chậu và hai chân Ngoài ra, tỷ lệ ung thư tiền liệt tuyến vú và ung thư phổi cũng khá lớn ở nhóm người thường xuyên tiếp xúc với chất độc này

Phần lớn Cadimi thâm nhập vào cơ thể được đào thải ra ngoài, còn giữ lại ở thận khoảng 1% do Cadimi liên kết với protein tạo thành metallotion có ở thận Phần còn lại được giữ trong cơ thể và dần dần được tích tụ theo thời gian Khi lượng Cd2+ được tích tụ

đủ lớn, nó có thể thế chỗ Zn2+ trong các enzyme quan trọng và gây rối loạn tiêu hóa và các chứng bệnh rối loạn chức năng của thận, gây thiếu máu, tăng huyết áp, phá hủy tủy xương gây ung thư … Cadimi cũng có thể can thiệp vào quá trình sinh học 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 chất của nó vào nhóm 2A theo thứ tự sắp xếp về mức độ độc hại của các nguyên tố trong ngành y tế Lượng cadimi đưa vào cơ thể hàng tuần cơ thể có thể chịu đựng được là 7g/kg thể trọng

1.4.3 Chức năng sinh học của Zn [38, 39, 40, 42]

Kẽm đóng vai trò sinh học không thể thiếu đối với sức khỏe con người cho dù kẽm chỉ chiếm khoảng vài phần triệu trọng lượng khô của cơ thể Người ta cũng đã phát hiện được nhiều căn bệnh liên quan tới sự thiếu thừa nguyên tố này Theo các nhà khoa học, lượng kẽm cần thiết cho người trưởng thành hàng ngày là 10-15mg Nhưng nhu cầu về kẽm còn tùy thuộc vào tuổi và trạng thái sinh lý của cơ thể Ví dụ trẻ em dưới 1 tuổi cần 8mg, trẻ từ 1-10 tuổi ần 20-25mg kẽm 1 ngày

Kẽm được đưa vào cơ thể chủ yếu qua đường tiêu hóa, được hấp thụ phầnlớn ở ruột non Vì vậy, những người có bệnh ở đường tiêu hóa thường bị thiếu kẽm Nó được thải ra ngoài với lượng lớn qua dịch ruột, dịch tụy (2-5mg), còn lại qua nước tiểu (0,5-0,8 mg) và mồ hôi (0,5 mg) Khi vào cơ thể, phần lớn kẽm tập trung trong tế bào, chỉ một lượng nhỏ trong huyết tương, dạng gắn kết với albumin và 2- macropolysaccarite Kẽm tham gia vào thành phần cấu trúc tế bào và đặc biệt là tác động đến hầu hết các quá trình sinh học trong cơ thể Kẽm có trong thành phần của hơn 80 loại enzyme khác nhau, đặc biệt có trong hệ thống enzym vận chuyển, thủy phân, đồng hành xúc tác phản ứng gắn kết với các chuỗi trong phân tử AND, xúc tác phản ứng oxy hóa cung cấp năng lượng, ngoài

ra kẽm còn hoạt hóa nhiều enzym khác nhau như amylase, pencreatinase… Đặc biệt, kẽm

có vai trò sinh học rất quan trọng là tác động chọn lọc lên quá trình tổng hợp, phân giải axit nucleic và protein- những thành phần quan trọng nhất của sự sống Vì vậy các cơ quan như hệ thần kinh trung ương, da và niêm mạc, hệ tiêu hóa, hệ tuần hoàn rất nhạy cảm với sự thiếu hụt kẽm

Sự thiếu hụt kẽm để lại những hiệu ứng rõ nét trong việc tăng trọng của động vật Kẽm tìm thấy trong insualin, các protein chứa kẽm và các enzyme như superoxit dismutase Thị giác¸vị giác, khứu giác và trí nhớ có liên quan đến kẽm và sự thiếu hụt kẽm có thể gây ra hoạt động của các cơ quan này Lượng kẽm trong cơ thể có liên quan chặt chẽ với môi trường sống và chế độ dinh dưỡng Thiếu kẽm sẽ ảnh hưởng tới sự phát triển bình thường của cơ thể và hơn nữa có thể là nguyên nhân gây nên nhiều bệnh nguy hiểm, ảnh hưởng lâu dài tới cuộc sống va sinh mạng của con người Trẻ em nếu cơ thể thiếu kẽm sẽ biếng ăn, suy dinh dưỡng và kém phát triển về chiều cao, phát dục trễ, dễ nhiễm trùng và tiêu chảy Ngược lại việc tiêu thụ quá mức kẽm có thể gây ra một số chứng như hôn mê, bất động cơ và thiếu đồng

1.4.4 Giới hạn tối đa cho phép các kim loại trong thực phẩm

Được sự quan tâm của các cấp có thẩm quyền, một loạt các tiêu chuẩn, quy chuẩn

kỹ thuật về môi trường và an toàn thực phẩm đã được ban hành Trong Quy chuẩn kỹ thuật Quốc Gia đối với giới hạn ô nhiễm kim loại nặng (QCVN 8-2:2011 BYT), hàm lượng cho phép đối với các nguyên tố trong thực phẩm là rất thấp như trong bảng 1.2 [2]

Bảng 1.2 Mức giới hạn tối đa cho phép các kim loại trong thực phẩm

TT Tên sản phẩm

Mức giới hạn tối đa cho phép (mg/kg hoặc mg/L)

Arsen (As)

Cadimi (Cd)

Chì (Pb)

Thủy ngân (Hg)

Methyl thủy ngân

(MeHg)

Thiếc (Sn)

5 Gan trâu, bò, lợn, cừu, gia cầm, ngựa - 0,5 - - - -

6 Thận trâu, bò, lợn, cừu, gia cầm, ngựa - 1,0 - - - -

7 Phụ phẩm của trâu, bò, lợn, gia cầm - - 0,5 - - -

12 Rau họ đậu - 0,1 0,2 - - -

Bảng 1.3 Giới hạn cho phép của một số kim loại nặng trong sữa

Kim loại Giới hạn cho phép mg/kg

Theo quy định của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và Tổ chức Nông lương Thế giới (FAO) từ năm 1999 đã đưa ra giới hạn tối đa ăn vào hàng ngày và hàng tuần tính theo trọng lượng cơ thể, nhằm đảm bảo an toàn sức khỏe của con người như trong bảng 1.4

Bảng 1.4 Giới hạn rủi ro đối với một số kim loại nặng (WHO và FAO 1999)

Kim loại Giới hạn rủi ro

1.5 Các phương pháp phân tích lượng vết kim loại nặng

Có rất nhiều phương pháp khác để phân tích, xác định lượng vết kim loại nặng như các phương pháp điện hóa, trắc quang, quang phổ hấp thụ nguyên tử (F-AAS, GF-AAS, CV-AAS), huỳnh quang tia X (XRF), kích hoạt nơtron (NAA), quang phổ phát xạ plasma cảm ứng (ICP-AES), quang phổ plasma ghép nối khối phổ (ICP – MS)…Các phương pháp được sử dụng tùy thuộc theo từng đối tượng mẫu phân tích, mức hàm lượng kim loại nặng trong mẫu, điều kiện cụ thể của phòng thí nghiệm và yêu cầu mức độ tin cậy của kết quả phân tích

1.5.1 Các phương pháp phân tích quang học

1.5.1.1 Phương pháp huỳnh quang

Một chất khi hấp thụ một năng lượng ở giới hạn nào đó sẽ làm kích thích hệ electron của phân tử Khi ở trạng thái kích thích, phân tử chỉ tồn tại ≤ 10-8s, nó lập tức trở về trạng thái cơ bản ban đầu và giải phóng năng lượng đã hấp thụ Khi năng lượng giải toả được phát ra dưới dạng ánh sáng thì gọi là hiện tượng phát quang Hoá học phân tích sử dụng hiện tượng này để định tính và định lượng các chất và gọi là phương pháp phân tích huỳnh quang

Dong Yan-Jie và Ke Gai [31] sử dụng phương pháp huỳnh quang để xác định lượng vết Pb trên cơ sở cho Pb2+ tạo phức với axit gibberellic theo tỉ lệ Pb2+: axit là 1: 2 với pH

=7-8 Bước sóng kích thích và phát xạ lớn nhất là 205,0nm và 308,8 nm Phương pháp cho giới hạn phát hiện là 0,52 ng Pb/ml

Chongqiu Jiang, Hongjian Wang, Jingzheng Wang [30] đã xác định lượng vết Cr với thuốc thử 2-hydroxy-1-naphtaldehyene-8-aminoquinoline (HNAAQ) bằng phương pháp huỳnh quang Độ nhạy của phép xác định tăng lên trong môi trường nước-ancol với tỉ lệ 4/1 theo thể tích, pH =9,4 Trong điều kiện đó phức Cr-HNAAQ bị kích thích và phát xạ

ở bước sóng từ 397-450nm Giới hạn phát hiện của phương pháp là 77ng/ml Khoảng tuyến tính của phương pháp lên đến 25µg/ml Phương pháp này được áp dụng để xác định lượng vết Cr trong thịt và gan lợn

B.W.Bailey, R.M.Donagall and T.S West [28] sử dụng phương pháp huỳnh quang

để xác định siêu vi lượng Cu(II) Các tác giả đã sử dụng thuốc thử [Cu(phen)2Rose Bengal], phức này được chiết vào cloroform và pha loãng bằng axeton Bước sóng kích thích là 560µm và bước sóng phát xạ là 570µm Giới hạn định lượng của phương pháp là

10-3-6.10-3ppm

1.5.1.2 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS

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

A = .l.C Trong 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

Các tác giả Trần Thúc Bình, Trần Tứ Hiếu, Phạm Luận [3] đã xác định Cu, Ni, Mn,

Zn bằng phương pháp UV-VIS với thuốc thử PAN trong cùng một hỗn hợp cho sai số nhỏ hơn 4% ở các bước sóng khác nhau

Angeline M.Stoyanova [26] đã xác định Cr(VI) bằng phương pháp trắc quang xúc tác, phương pháp này chủ yếu dựa trên hiệu ứng xúc tác của Cr(VI) đến phản ứng oxi hoá axit sunfanilic (SA) bằng H2O2 khi có mặt của p-Aminobenzoic axit (PABA) Sau khi cho thuốc thử 15 phút, đo độ hấp thụ quang tại bước sóng 360nm Điều kiện tối ưu của phương pháp đã được thiết lập: nồng độ SA là 4,3.10-3M, nồng độ PABA là 1,0.10-3M, nhiệt độ phản ứng 500C, hệ đệm axit axetic- axit boric-axit orthophotphoric có pH=6,6 Giới hạn phát hiện của phương pháp là 10ng/ml Độ lệch chuẩn tương đối từ 2,9 đến 5,8% Phương pháp này áp dụng thành công để xác định Cr trong nước thải

1.5.1.3 Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử AES

*Nguyên tắc của phương pháp: Mẫu phân tích được chuyển thành hơi của nguyên

tử hay ion tự do trong môi trường kích thích bằng cách dùng nguồn năng lượng phù hợp

Thu, phân li và ghi toàn bộ phổ phát xạ của nguyên tố cần phân tích 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 khác nhau như địa chất, hóa học, nông nghiệp, thực phẩm, y dược,…thuộc các loại mẫu 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 dưới 10%) Phân tích đồng thời nhiều nguyên tố trong một mẫu mà không cần tách riêng, tiêu tốn ít mẫu, có thể kiểm tra được độ đồng nhất về thành phần của vật mẫu

ở những vị trí khác nhau Kết quả phổ thu được ghi trên phim ảnh có thể lưu trữ, khi cần thiết có thể đánh giá hay xem xét lại mà không cần phải có mẫu phân tích

Tác giả Phạm Luận và cộng sự [10] đã ứng dụng phương pháp AES phân tích một

số kim loại trong nước, đối với Na cho giới hạn phát hiện 0,05ppm, K và Li là 0,5ppm và với Pb là 0,1ppm

Sergio Luis Costa Ferreira, Hilda Costa dos Santos….[49] đã sử dụng phương pháp ICP-AES xác định Cu, Zn trong nước sau khi cho tạo phức và hấp thu trên nhựa

Amberlite XAD-2 và đã đưa ra giới hạn phát hiện của Cu (ở 324.8nm) là 2g/l; của Zn (213.8 nm) là 5g/l

Cũng với phương pháp ICP-AES các tác giả: S.García Salgado, M.A.Quijano Nieto va M.M Bonilla Simón [51] đã phân tích hàm lượng As trong mẫu tảo và dịch chiết của nó, nhằm mục đích tìm điều kiện tối ưu để bảo quản mẫu Kết quả chỉ ra rằng với mẫu tảo bảo quản bằng chai nhựa polystiren ở nhiệt độ +20°C thì As và các hợp chất của nó có thể bảo quản ít nhất 12 tháng Mặt khác với dịch chiết từ loài tảo Sargasso, As tổng và As(V) có thể bảo quản ít nhất 15 ngày nếu đựng trong chai polystiren và nhiệt độ -18°C, còn dịch chiết của loài tảo Hijiki thì có thể bảo quản trong vòng 10 ngày ở nhiệt

độ +4°C trong chai polystiren

1.5.1.4 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS

*Nguyên tắc của phương phá: Mẫu phân tích được chuyển thành hơi của nguyên tử

hay ion tự do trong 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 máy quang

phổ Đánh giá phổ đã ghi về mặt định tính và định lượng theo những yêu cầu đặt ra Gần 60 nguyên tố hóa học có thể được xác định bằng phương pháp với giới hạn phát hiện thấp 10-4 đến 10-5 ppm Đặc biệt nếu sử dụng kĩ thuật không ngọn lửa thì có thể

hạ giới hạn phát hiện xuống 10-7 ppm

*Ưu điểm của phương phá: Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử có độ nhạy và độ chọn

lọc cao, nên trong nhiều trường hợp không phải làm giàu nguyên tố cần xác định trước khi phân tích Do đó tốn ít nguyên liệu mẫu, tốn ít thời gian, không cần phải dùng nhiều hóa chất tinh khiết cao khi làm giàu, nên cũng tránh được sự nhiễm bẩn khi xử lí mẫu qua các giai đoạn phức tạp Kết quả phân tích ổn định, sai số nhỏ, có thể lưu lại đường chuẩn cho các lần sau

*Đối tượng của phương phá: 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,

nông nghiệp, kiểm tra các hóa chất có độ tinh khiết cao

Ykbal Kojuncu và cộng sự [53] đã sử dụng phép đo F-AAS và ET-AAS để phân tích lượng vết các kim loại Cd, Cu, Fe, Ni, Pb, Zn và Tl trong nước biển, giới hạn phát hiện của ET-AAS với Cd là 0.010g/L, Cu là 0.034g/L, Ni là 0.305g/L, Pb là 0.290g/L, và Tl là 0.032g/L Của F-AAS với Fe là 0.890g/L và Zn là 0.994g/L

N.Pourreza và K.Ghanemi [46] đã phân tích Hg trong nước và cá bằng phương pháp hấp thụ nguyên tử hoá hơi lạnh (CV-AAS) Đường chuẩn được xây dựng trong khoảng nồng độ từ 0,040 đến 2,40 ng.mL−1 với hệ số tương quan 0,9994 Giới hạn phát hiện dựa trên tính toán là 0,02 ng.mL−1 Hệ số biến thiên khi xác định Hg(II) ở nồng độ 0,4 và 2,0 ng.mL−1 lần lượt là 2,6 và 1,9% Các tác giả cũng đã kết luận phương pháp này

có thể ứng dụng để phân tích hàm lượng Hg(II) trong các mẫu nước, nước thải và cá Abdulkhaliq A và cộng sự [24] đã sủ dụng phép đo G-AAS xác định hàm lượng kim loại Cd, Pb, Cu và Fe trong trong sữa bò, sản phẩm từ sữa và trứng gà từ Bờ Tây, Palestine kết quả chỉ ra rằng: Nồng độ trung bình của các kim loại (g/g) trong sữa và các mẫu đã phân tích dao động giữa 0,022-0,057 với Cd, ND-0.93 với Pb, 0,62-0,85 với

Cu và 3,2-12,91 với Fe Kết quả cho thấy nồng độ cao của Pb và Cd đặc biệt là trong các mẫu sữa bột Nồng độ thấp nhất của kim loại đã được tìm thấy trong pho mát trắng theo sau là sữa nước Hàm lượng kim loại (mg/g) trong trứng gà là 0,021-0,049 với Cd, 0,06-0,48 với Pb, 2,29-3,26 với Cu và 15,25-33,52 với Fe Trứng gà đã được phát hiện có chứa đáng kể Fe và Cu hơn sữa hoặc các sản phẩm sữa nhưng thường ít Pb và Cd

1.5.2 Các phương pháp phân tích điện hoá

1.5.2.1 Phương pháp cực phổ

*Nguyên tắc của phương pháp: Phương pháp cực phổ dựa trên việc nghiên cứu và

sử dụng các đường dòng thế được ghi trong các điều kiện đặc biệt Trong đó các chất điện phân có 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 con đường 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 dùng điện cực chỉ thị là điện cực giọt thủy ngân Điện cực so sánh là điện cực không 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 cực Ag/AgCl Đặt vào điện cực làm việc điện thế một chiều biến thiên liên tục nhưng 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 phổ xung 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 tích nhanh với độ nhạy và độ chính xác khá cao Trong nhiều trường hợp có thể xác định hỗn hợp các chất vô cơ và hữu cơ mà không cần tách riêng chúng ra Do đó phương pháp này phù hợp để phân tích hàm lượng các chất trong mẫu sinh học

Các tác giả Từ Văn Mạc, Trần Thị Sáu đã sử dụng phương pháp cực phổ ngược xung vi phân xoay chiều xác định vết Cu, Pb, Cd trong bia ở khu vực Hà Nội cho độ nhạy rất cao tới 1 ppb [13]

1.5.2.2 Phương pháp Von-Ampe hòa tan

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

Phương pháp này được thực hiện qua hai giai đoạn:

- Điện phân làm giàu chất cần phân tích lên bề mặt điện cực ta ̣i thế không đổ i, 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 đô ̣ của 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 và trang thiết bị không quá phức tạp, kết quả ổn định Chính vì vậy , phạm vi ứng dụng của phương pháp này rất rộng như phân tích môi trường , xác định 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 các mẫu lâm sàng (máu, tóc, nước

tiểu,…) và trong mẫu thực phẩm (sữa, rau quả, gạo, thịt…)

Các tác giả Lê Lan Anh, Vũ Đức Lợi, Đặng Minh Ngọc, Ngô Thị Bích Hà… [1]

dùng phương pháp von-ampe hoà tan trên điện cực màng Hg, giọt Hg treo đã xác định hàm lượng Pb trong tóc, trong nước tiểu của người để phục vụ cho chẩn đoán lâm sàng Khi nồng độ Pb trong tóc  30 g/g thì được coi là có dấu hiệu tiếp xúc quá mức Pb Kết quả phân tích như sau:

+ Với mẫu tóc của 61 người bình thường thì hàm lượng Pb trung bình là 15.15  2g/g

+ Với người tiếp xúc thường xuyên với xăng dầu (90 người) thì hàm lượng trung bình: 49.8  71.9 g/g

+ Mẫu của những bệnh nhân nhiễm Pb thì hàm lượng trung bình của 32 mẫu là: 86.0412.7 g/g

Mónica Cecilia Vargas Mamani và cộng sự [45] sử dụng phương pháp này để phân tích hàm lượng Pb và Cd trong mẫu dược liệu Giới hạn phát hiện của phương pháp

là 0,12 và 0,010 mg/kg với Pb và Cd Kết quả được áp dụng để phân tích chì và cadmi trong 4 loài: Hypericum perforatum, Mikania guaco, Mikania glomerata và Peamus boldus

Gil Ho Hwang, Won Kyu Han, Joon Shik Park và Sung Goon Kang [33] sử dụng phương pháp Von-Ampe hoà tan anốt với điện cực màng Bi để xác định lượng vết các kim loại Pb, Cd và Zn Khoảng tuyến tính của phương pháp từ 2 đến 100μg/L Giới hạn phát hiện của phương pháp là 1,3 μg/L với Pb; 0,7 μg/L với Cd và 12μg/L với Zn

1.5.3 Phương pháp phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS) [11]

Thuật ngữ ICP (Inductively Coupled Plasma) dùng để chỉ ngọn lửa plasma tạo thành bằng dòng điện có tần số cao (cỡ MHz) được cung cấp bằng một máy phát Radio Frequency Power (RFP) Ngọn lửa plasma có nhiệt độ rất cao có tác dụng chuyển các nguyên tố trong mẫu cần phân tích thành dạng ion

MS (Mass Spectrometry) là phép ghi phổ theo số khối hay chính xác hơn là theo tỷ

số giữa số khối và điện tích (m/Z)

Từ khi xuất hiện plasma cảm ứng với các tính năng và ưu điểm về vận hành hơn hẳn các nguồn hồ quang và tia điện thì một công cụ mới đã dần dần được phát triển thành một

tổ hợp ICP ghép với một khối phổ kế Hai ưu điểm nổi bật của ICP-MS là có độ phân giải cao và dễ tách các nhiễu ảnh hưởng lẫn nhau do đó có thể phát hiện được hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoàn Phương pháp phân tích này dựa trên các nguyên tắc của

sự bay hơi, phân tách, ion hóa của các nguyên tố hóa học khi chúng được đưa vào môi trường plasma có nhiệt độ cao Sau đó các ion này được phân tách ra khỏi nhau theo tỷ số khối lượng / điện tích (m/z) của chúng, bằng thiết bị phân tích khối lượng có từ tính và độ phân giải cao phát hiện, khuyếch đại tín hiệu và đếm bằng thiết bị điện tử kĩ thuật số Phương pháp ICP – MS ra đời vào đầu những năm 80 của thế kỉ trước và ngày càng chứng tỏ là kĩ thuật phân tích có ưu điểm vượt trội so với các kĩ thuật phân tích khác như quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), quang phổ phát xạ plasma cảm ứng (ICP-AES

hay ICP-OES)…Phương pháp ICP-MS hơn hẳn các kĩ thuật phân tích kim loại nặng khác

ở các điểm sau: có độ nhạy cao, độ lặp lại cao, xác định đồng thời được hàng loạt các kim loại trong thời gian phân tích ngắn

 Sự xuất hiện và bản chất của phổ ICP-MS

Dưới tác dụng của nguồn ICP, các phân tử trong mẫu phân tích được phân li thành các nguyên tử tự do ở trạng thái hơi Các phần tử này khi tồn tại trong môi trường kích thích phổ ICP năng lượng cao sẽ bị ion hóa, tạo ra đám hơi ion của chất mẫu (thường có điện tích +1) Nếu dẫn dòng ion đó vào buồng phân cực để phân giải chúng theo số khối (m/Z) sẽ tạo ra phổ khối của nguyên tử chất cần phân tích và được phát hiện nhờ các detector thích hợp

ICP-MS sư dụng nguồn năng lượng cao tần, nhiệt địên lên đến

6.000-100000C cho phép hóa hơi, nguyên tử hóa và ion hóa tất cả các chất với hiệu suất cao và ổn định Tách loại các ion nhờ hệ từ trường tứ cực

 Các quá trình xảy ra trong nguồn ICP:

- Hóa hơi chất mẫu, nguyên tử hóa các phân tử, ion hóa các nguyên tử, sự phân giải của các ion theo số khối sẽ sinh ra phổ ICP-MS:

Hóa hơi: MnXm(r)  Mnxm(k)

Phân li: MnXm(k)  nM(k) + mX(k)

Ion hóa: M(k)0 + Enhiệt  M(k)+

- Thu toàn bộ đám hơi ion của mẫu, lọc và phân ly chúng thành phổ nhờ hệ thống phân giải khối theo số khối của ion, phát hiện chúng bằng detector, ghi lại phổ

- Đánh giá định tính, định lượng phổ thu được

Như vậy thực chất phổ ICP - MS là phổ của các nguyên tử ở trạng thái khí tự do đã

bị ion hóa trong nguồn năng lượng cao tần ICP theo số khối các chất

 Ưu điểm của phương pháp phân tích bằng ICP-MS

Phép đo phổ ICP - MS là một kỹ thuật mới, ra đời cách đây không lâu nhưng được phát triển rất nhanh và sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như :quá trình sản xuất nhiên liệu hạt nhân, xác định đồng vị phóng xạ, nước làm lạnh sơ cấp trong ngành hạt nhân (chiếm tỷ trọng 5%); phân tích nước uống, nước biển, nước bề mặt, đất,

bùn, đất hoang, phân tích định dạng Hg, As, Pb và Sn trong nghiên cứu và bảo vệ môi

trường (48%); quá trình hoá học, chất nhiễm bẩn trong Si Wafers trong công nghiệp sản

xuất chất bán dẫn (33%); máu, tóc, huyết thanh, nước tiểu, mô trong y tế (6%); đất, đá,

trầm tích, nghiên cứu đồng vị phóng xạ độc trong khoa học hình sự (1%) và phân tích

thực phẩm (1%) trong địa chất (2%); hoá chất (4%); dấu vết đạn, đặc trưng vật liệu,

nguồn gốc, chất

Hình 1.1: Ứng dụng phương pháp phân tích ICP-MS trong các lĩnh vực

- Nguồn ICP là nguồn năng lượng kích thích phổ có năng lượng cao, nó cho phép phân

tích hơn 70 nguyên tố từ Li – U và có thể xác định đồng thời chúng với độ nhạy và độ

chọn lọc rất cao (giới hạn phát hiện từ ppb-ppt đối với tất cả các nguyên tố)

- Khả năng phân tích bán định lượng rất tốt do không cần phải dùng mẫu chuẩn mà vẫn

đạt độ chính xác cao; có thể phân tích các đồng vị và tỷ lệ của chúng

- Tuy có độ nhạy cao nhưng nguồn ICP lại là nguồn kích thích phổ rất ổn định, nên phép

đo ICP - MS có độ lặp lại cao và sai số rất nhỏ

- Phổ ICP - MS ít vạch hơn phổ ICP - AES nên có độ chọn lọc cao, ảnh hưởng thành

phần nền hầu như ít xuất hiện, nếu có thì cũng rất nhỏ, dễ loại trừ

- Vùng tuyến tính trong phép đo ICP - MS rộng hơn hẳn các kỹ thuật phân tích khác, có

thể gấp hàng trăm lần và khả năng phân tích bán định lượng rất tốt do không cần dùng

mẫu chuẩn mà vẫn cho kết quả tương đối chính xác

- Ngoài ra ICP-MS còn được sử dụng như là một detector cho LC, CE, GC

Với nhiều ưu điểm vượt trội, kỹ thuật phân tích ICP - MS được ứng dụng rộng rãi

để phân tích nhiều đối tượng khác nhau đặc biệt là trong các lĩnh vực phân tích vết và siêu vết phục vụ nghiên cứu sản xuất vật liệu bán dẫn, vật liệu hạt nhân, nghiên cứu địa chất và môi trường Ở Việt Nam, thiết bị ICP-MS đã được lắp đặt và sử dụng trong một số viện nghiên cứu như Viện xạ hiếm, Viện nghiên cứu địa chất-khoáng sản, Viện công nghệ môi trường, Khoa Hóa ho ̣c-Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội, …

 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 hợp giữa các nguyên tử tạo ra một phân tử mới có số khối trùng với số khối của nguyên tố cần phân tích

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

- Ảnh hưởng của mẫu phân tích trước

 Một số công trình nghiên cứu xác định kim loại nặng bằng phương pháp

ICP-MS

Các tác giả Trần Tứ Hiếu, Lê Hồng Minh, Nguyễn Viết Thức đã xác định được lượng vết của 6 kim loại nặng: Cu, Zn, As, Ag, Cd, Pb bằng phương pháp ICP-MS trong các loài trai, ốc ở Hồ Tây-Hà Nội với mẫu đông khô và mẫu tươi Căn cứ theo cách phân loại chất lượng môi trường nước dựa trên hàm lượng các kim loại vết trong trai, ốc các tác giả kết luận nước Hồ Tây bị ô nhiễm nhẹ bởi đồng, bạc, asen, cacdimi, bị ô nhiễm ở

mức bình thường bởi các nguyên tố như kẽm, chì [5]

Tác giả Nguyễn Thị Nga đã xác định 11 kim loại nặng: Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu,

Zn, As, Cd, Hg, Pb trong các mẫu rau, củ, quả và mẫu thịt bằng phương pháp ICP-MS Kết quả phân tích cho thấy Pb và Hg là 2 kim loại nhiễm ở nhiều mẫu nhất so với các kim loại khác Cu và Zn không bị quá ở bất cứ mẫu nào Các kim loại khác bị nhiễm ở một số mẫu [15]

Peter Heiland và Helmut D Koster [48] ứng dụng phương pháp ICP-MS để xác định lượng vết 30 nguyên tố Cu, Pb, Zn, Cd, As, Cr, … trong mẫu nước tiểu của trẻ em

và người trưởng thành

Marcos Pérez-López và cộng sự [42] phân tích Pb, Cd, Zn và As có trong thịt một số loài chim hoang dã ở vùng Galicia (Tây Bắc Tây Ban Nha) bằng phương pháp ICP-MS Kết quả cho thấy hàm lượng Zn trong khoảng 1,47 -2,98ppm, hàm lượng As trong khoảng 1,21 đến 6,88ppm Hàm lượng Pb và Cd trong đó tương đối cao, có mẫu lên tới trên 18ppm Pb, và hàm lượng Cd cao nhất thu được lên tới 39ppm

Mohamed Maanan [44], trường đại học Nates, Pháp đã sử dụng phương pháp ICP-MS để phân tích Hg và Pd trong các động vật thân mềm ở vùng biển Kết quả cho thấy hàm lượng Pb là 9,6 mg.kg−1 và hàm lượng Hg là 0,6 mg.kg−1

Simone Griesel và cộng sự [50] đã sử dụng phương pháp ICP-MS để xác định hàm lượng của 23 kim loại (Be, Al, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Rb,

Sr, Mo, Pd, Cd, Sn, Pt, Pb) trong máu của hải cẩu ở vùng biển Wadden, Đức và đảo Danish Kết quả chỉ ra rằng hàm lượng một số nguyên tố như As, Cr, Mn, Mo, Se, V trong máu hải cẩu cao hơn so với trong máu người Một số nguyên tố như Al, Mn, Cu, và

Pt khác nhau đáng kể trong máu hải cẩu ở hai vùng địa lí khác nhau Sự khác biệt này có thể do ảnh hưởng của nguồn thức ăn

A.T.Townsend và I.Snape [27] đã tiến hành xác định hàm lượng Pb trong các mẫu trầm tích ở cửa sông thuộc nam Australia bằng phương pháp ICP-MS Các mẫu trầm tích

ở Brown Bay hàm lượng Pb trong khoảng 18–215 mg.kg− 1, còn ở vùng Broken Hill và

Mt Isa Australian hàm lượng Pb lần lượt từ 35,5 đến 36 và từ 16,0 đến 16,1 mg.kg-1 Còn

ở khu vực Wilkes Station hàm lượng Pb được xác định trong khoảng 13–40 mg.kg− 1 Wenling Hu, Fei Zheng và Bin Hu [52] tách và xác định hàm lượng của As(III), As(V), Cr(III), Cr(VI) trong nước tự nhiên sử dụng kỹ thuật sol-gel và ICP-MS Giới hạn phát hiện của phương pháp là 0,7 và 18 ng/L với As(V) và Cr(VI); 3,4 và 74 ng/L với As(III) và Cr(III) Độ lệch chuẩn là 3,1; 4,0; 2,8 và 3,9% (C= 1 ng.mL-1) tương ứng với As(V), As(III), Cr(VI) và Cr(III) Với nước máy và nước hồ hiệu suất thu hồi đạt được từ

94 đến 105%

Bảng dưới đây cho thấy khả năng phát hiện của ICP-MS hơn so với các kỹ thuật khác:

Bảng 1.5 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)

So sánh giới hạn phát hiện của các phương pháp thì người ta có thấy rõ ưu điểm của ICP-MS với khả năng phân tích được hầu hết các nguyên tố với giới hạn phát hiện tốt nhất Tuy nhiên, do ICP-MS cũng có một ố ảnh hưởng nhất định như ảnh hưởng của tốc

đọ bơm mẫu không đồng đều dẫn tới kết quả phân tích cũng có lệch tương đối CV khoảng 5% đối với mẫu có hàm lượng thấp thì CV có thể lên tới 10-20%, một ảnh hưởng nữa của ICP-MS là sự trùng số khối của một số đồng vị (bảng 5), với mẫu nền phức tạp thì sự trùng số khối có thể xỷ ra Để khắc phục điều này, một kỹ thuật pha loãng đồng vị được phát triển

1.5.4 Kỹ thuật pha loãng đồng vị

Kỹ thuật pha loãng đồng vị là một kỹ thuật mới dựa vào các tỉ số của các đồng vị

để xác định một nguyên tố trong mẫu bằng cách thêm một hàm lượng đồng vị đã biết

trước nồng độ vào mẫu cần phân tích Sau khi thêm, tỉ lệ giữa các đồng vị sẽ không còn

là hằng số Giả sử trong tự nhiên nguyên tố X có hai đồng vị: A1X là x1% và A2X là x2% Trong một mẫu bất kỳ, tỷ lệ đồng vị A2X/A1X được xác định trên ICP-MS là a, khi ta

thêm một lượng đồng vị A2X là b vào mẫu này thì tỷ lệ A2X/A1X được xác định trên

ICP-MS là c Từ đó ta có thể xác định được hàm lượng nguên tố X theo công thức sau:

A2X/A1X = a (1)

(A2X + b)/A1X = c (2)

Từ (1) và (2) ta có: A2X/A1X + b/A1X = c (3)

Từ (1) và (3) ta có: a + b/A1X = c (4)

Trong phương trình (4) thì: a, b, c là các giá trị đã biết từ đó xác định được hàm

lượng đồng vị A1X và tính được hàm lượng X trong mẫu là: A1

1

X

Phương pháp ID-ICP-MS được chứng minh là có độ chính xác cao trong việc xác

đi ̣nh nồng đô ̣ tổng số mô ̣t số kim loa ̣i trong các nền mẫu khác nhau Phương pháp này có

ưu điểm hơn mô ̣t số phương pháp đường chuẩn truyền thống khác Viê ̣c mất nguyên tố sau khi thêm đồng vi ̣ là không ảnh hưởng tới đô ̣ chính xác Mô ̣t số cản trở vâ ̣t lý và các cản trở hóa học là giống nhau đối với các đồng vị của cùng một nguyên tố Tỷ lệ của đồng vi ̣ có thể đo được bằng thiết bi ̣ ICP -MS với đô ̣ chính xác cao , RSD <0,25% Đi ̣nh lươ ̣ng trực tiếp bằng phương trình toán ho ̣c từ tỷ lê ̣ đồng vi ̣ đo được và lượng đồng vi ̣ thêm vào, không phu ̣ thuô ̣c đường chuẩn và đô ̣ thu hồi của mẫu

Tuy nhiên, phương pháp ID -ICP-MS yêu cầu sự đồng nhất giữa đồng vi ̣ thêm vào

và đồng vị tự nhiên Đồng vị thêm vào và mẫu có thể ở dạng khác nhau và chỉ có dạng tổng số đươ ̣c xác đi ̣nh Vì vậy, ID-ICP-MS yêu cầu mẫu phải được phân hủy về da ̣ng đồng nhất, tất cả các đồng vi ̣ đều ở cùng tra ̣ng thái oxi hóa Các mẫu lỏng như nước sạch

có thể thêm đồng vị trực tiếp vào và phân tích Các mẫu nước thải, mẫu rắn, mẫu thức ăn cần phân hủy về tra ̣ng thái đồng nhất trướ c khi phân tích Trong số các nguyên tố Pb , Cd

và Zn thì Pb có 4 đồng vi ̣, trong đó 3 đồng vi ̣ là 206Pb, 207Pb và 208Pb không bi ̣ ảnh hưởng

và chiếm tỷ lệ lớn nên đều có thể sử dụng cho nghiên cứu Trong đề tài này tỷ lê ̣

207Pb/208Pb đươ ̣c nghiên cứu, trong đó 207Pb là đồng vi ̣ thêm vào mẫu ; đối với Zn thì 64Zn tuy chiếm tỷ lê ̣ lớn (48,63%) nhưng la ̣i bi ̣ ảnh hưởng của CaO , ArMg (Ca, Mg thường có

mă ̣t trong sữa) nên không được lựa cho ̣n Hai đồng vi ̣ 67Zn và 69Zn có tỷ lê ̣ thấp (4,1% và

0,62%) và bị ảnh hưởng của ClO2 nên không đươ ̣c cho ̣n Hai đồng vi ̣ 66Zn và 68Zn có tỷ

lê ̣ tương đối trong tự nhiên (27,9% và 18,75%) và ít bị ảnh hưởng của nền mẫu được lựa chọn trong đó đồng vị 68Zn (chiếm 18,75%) làm đồng vị thêm vào mẫu ; Đối với Cd, có 6 đồng vi ̣ 110Cd, 111Cd, 112Cd, 113Cd, 114Cd và 116Cd đều có thể khảo sát Tuy nhiên, tỷ lệ

110Cd/114Cd hoă ̣c 111Cd/114Cd hay đươ ̣c lựa cho ̣n Trong đề tài này, tỷ lệ 110Cd/114Cd đươ ̣c sử du ̣ng

Như vậy, phương pháp pha loãng đồng vị có ưu điểm là không phải xây dựng đường chuẩn (khoảng 5 đến 7 điểm chuẩn) mà thêm vào mẫu cần phân tích một hàm lượng chất đồng vị của nguyên tố đó đã được biết trước, sau đó xác định hai mẫu không cho thêm và cho thêm chất đồng vị Kết quả sẽ được tính toán theo công thức toán học

Ưu điểm của phương pháp là không cần phải xây dựng đường chuẩn, mẫu phân tích trên cùng một nền mẫu nên kết quả đo có độ lặp lại và chính xác rất cao Nhược điểm của phương pháp này là chỉ những nguyên tố nào có từ 2 đồng vị trở lên mới có thể áp dụng được [32]

Bảng 1.4 dưới đây cho biết nguyên tố, số khối, tỷ lệ đồng vị và các yếu tố ảnh hưởng do trùng số khối :

Bảng 1.6 Nguyên tố, số khối, tỷ lệ đồng vị và các yếu tố ảnh hưởng do trùng số khối

Nguyên tố Đồng vị Tỷ lệ đồng vị Yếu tố ảnh hưởng do trúng số khối

Zn 63.9291

65.926 66.9271 67.9249 69.9253

48.63 27.9 4.1 18.75 0.62

Ni,SO2, TiO, PO2,CaO, ArMg, ArCO TiO, VO, SO2, Ba++, ArMg,

ArP, ClO2,VO, TiO, Ba++

ArS, TiO, SO2, VO, ClO2, Ba++

Ce++,Ge, ArS, ClO2, Pr++, Ce++

Cd 105.907

107.904 109.903 110.904 111.903 112.905 113.904 115.905

1.25 0.89 12.49 12.8 24.13 12.22 28.73 7.49

Pd, SrO, ZrO, YO

Pd, SrO, MoO

Pd, MoO, ZrO MoO

Sn, ZrO, MoO

In, MoO

Sn, MoO

Sn, MoO, Th++

Pb 203.937

205.975 206.976 2077.98

1.4 24.1 22.1 52.4

Hg, WO

 Một số công trình nghiên cứu xác định hàm lượng kim loại nặng ở trong nước

và Quốc tế bằng phương pháp pha loãng đồng vị trong phép đo ICP-MS

Trên thế giới, George de Hevesy là chuyên gia hàng đầu về phóng xạ Năm 1918 tại WIEN (Áo), ông đề xuất phương pháp dùng nguyên tử đánh dấu trong nghiên cứu y học, sinh học, là người phát minh ra nguyên tố photpho 32 Năm 1932, ông tìm ra phương pháp pha loãng đồng vị và dùng để xác định hàm lượng chì trong quặng Với sự phát hiện ra photpho 32, ông dùng nó để xác định sự trao đổi chất trong xương, máu, khối

u ác tính Nhờ những phát minh của ông mà kỹ thuật pha loãng đồng vị ngày càng được ứng dụng rộng rãi cho phân tích lượng vết với độ chính xác cao

Năm 1991, Kristine Y và các công sự [41] đã xác định hàm lượng kẽm trong các mẫu sinh học bằng phương pháp pha loãng đồng vị với giới hạn phát hiện 0,06 µg Zn/ mẫu với độ lệch chuẩn tương đối RSD đạt 0,3-0,8 %

Năm 1996, Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (EPA) đã xuất bản phương pháp EPA 6800:1996 hướng dẫn qui trình phân tích một số nguyên tố và đồng vị bằng phương pháp pha loãng đồng vị cho mẫu nước và nước thải [32]

Năm 1997, Jingfeng Wu và Edward A Boyle [37] đã sử dụng kĩ thuật pha loãng đồng vị xác định hàm lượng Pb, Cu và Cd trong mẫu nước biển với giới hạn phát hiện của Pb là 1.3 pM, Cu là 39 pM, và Cd là 5.0pM và blanks của Pb là 0.62pM, Cu là 27pM,

và Cd là 6.0pM

Năm 1999, Hsien-Chung Liao, Shiuh-Jen Jiang [35] sử dụng kỹ thuật bay hơi bằng nhiệt và pha loãng đồng vị xác định Cd, Hg, và Pb trong tro than bùn và xác định được giới hạn phát hiện nằm trong khoảng 24-58; 6-28 và 108-110 ng/g cho Cd, Hg và

Pb, tương ứng

Năm 1999, Hung- Wei Liu và các cộng sự [34] sử dụng kỹ thuật bay hơi bằng nhiệt và pha loãng đồng vị xác định Cd, Hg, và Pb trong nước biển và xác định được giới

hạn phát hiện nằm trong khoảng 0.002, 0.005 và 0.001 ng/ml đối với Cd, Hg và Pb trong nước biển

Năm 2002, Paulo C F C Gardolinski và cộng sự [47] sử dụng kĩ thuật

ID-ICP-MS xác định hàm lượng các kim loại Cd, Pb, Zn và Cu trong mẫu trầm tích cho hiệu suất thu hồi đối với Cd là 96,3%, Pb là 94%, Zn là 102.1% và Cu là 99%

Năm 2003, Ana Paula Packer và cộng sự [25] sử dụng kỹ thuật điện giải và pha loãng đồng vị để xác định Pb trong đồng có độ tinh khiết cao Độ chính xác của phép đo cho một mẫu có chứa 7-70g Pb/g với độ lệch chuẩn tương đối RSD đạt 0,5-4%

Năm 2009, Jens Heilmann và cộng sự [36] sử dụng kỹ thật tách Laser kết hợp với phương pháp ID-ICP-MS xác định các kim loại vi lượng trong mẫu dầu Giới hạn phát hiện của phương pháp trong khoảng 0.02 g/g (V) đến 0,2 g/g (Fe)

Năm 2012, các tác giả Phạm Hải Long, Vũ Văn tú, Nguyễn Thị Huệ [9] ở Viện Công nghệ môi trường cũng đã tiến hành nghiên cứu cấp cơ sở đề tài “Xây dựng quy trình phân tích Chì trong nước tinh khiết bằng phương pháp pha loãng đồng vị trên thiết

bị ICP-MS ” Kết quả nghiên cứu đã xây dựng được quy trình phân tích Pb bằng kỹ thuật pha loãng đồng vị ICP-MS cho mẫu nước tinh khiết với giới hạn định lượng 0,08 µg/L,

độ thu hồi đạt 89 đến 103% độ lệch chuẩn tương đối nhỏ hơn 2% Đây là những kiến thức rát bổ ích và sẽ được đề tài tiếp tục sử dụng cho nghiên cứu đối với mẫu sữa

1.6 Các phương pháp sử lý mẫu thực phẩm để xác định kim loại

1.6.1 Nguyên tắc sử lý mẫu [12]

Xử lý mẫu là quá trình hoà tan (dissolution) và phân huỷ (digestion), phá huỷ cấu trúc mẫu ban đầu lấy từ đối tượng cần phân tích, để giải phóng và chuyển các chất cần xác định về một dạng đồng thể phù hợp (ví dụ dạng dung dịch) cho một phép đo đã chọn

để xác định hàm lượng của chất mà chúng ta mong muốn

Để xác định kim loại trong mẫu thực phẩm phải vô cơ hóa mẫu, chuyển chất phân tích về dạng phù hợp, có ba phương pháp phổ biến hiện nay là sử lý ướt, sử lý khô và sử lý khô-ướt kết hợp

* Kỹ thuật sử lý ướt: Dùng axit mạnh đặc và nóng (ví dụ HCl, H2SO4), hay axit mạnh, đặc và nóng có tính ôxy hoá mạnh (HNO3, HClO4), hoặc hỗn hợp 2 axit (HNO3 +

H2SO4), hay 3 axit (HNO3 + H2SO4 + HClO4), hoặc là 1 axit đặc và một chất ôxy hoá

mạnh (H2SO4 + KMnO4), v.v hoặc dùng các dung dịch kiềm mạnh, đặc nóng (NaOH, KOH 15-20%), hay hỗn hợp của kiềm mạnh và muối kim loại kiềm (NaOH +NaHCO3), hay một kiềm mạnh và peroxit (KOH + Na2O2), nồng độ (10 -20%) để phân huỷ mẫu trong điều kiện đun nóng trong bình Kendan, trong ống nghiệm, trong cốc hay trong lò vi sóng

*Kỹ thuật sử lý khô: Nung mẫu trong lò nung ở một nhiệt độ thích hợp

(450-750oC), mẫu bã còn lại được hoà tan bằng dung dịch muối hay dung dịch axit phù hợp Khi nung các chất hữu cơ của mẫu sẽ bị đốt cháy thành CO2 và nước

*Kỹ thuật sử lý khô-ướt kết hợp: Bằng cách kết hợp hai phương pháp trên chúng

ta có phương pháp khô- ướt kết hợp

Dưới tác dụng phá hủy và hoà tan các hạt (phần tử) mẫu của axit, năng lượng nhiệt cùng axit làm tan rã các hạt mẫu đồng thời do khuếch tán, đối lưu, chuyển động nhiệt và

va chạm của các hạt mẫu với nhau làm chúng bị bào mòn dần, các tác nhân này tấn công

và bào mòn dần các hạt mẫu từ bên ngoài vào, làm cho các hạt mẫu bị mòn dần và tan hết

Ngoài ra, trong lò vi sóng còn có sự phá vỡ từ trong lòng hạt mẫu do các phân tử nước hấp thụ (> 90%) năng lượng vi sóng và do có động năng lớn nên chúng chuyển động nhiệt rất mạnh, làm căng và xé các hạt mẫu từ trong ra Hơn nữa, do xử lý mẫu

trong hệ kín nên áp suất cao sẽ làm nhiệt độ sôi cao hơn, đây là tác nhân phân huỷ mạnh nhất do vậy thúc đẩy quá trình phân huỷ mẫu từ bên trong ra và từ ngoài vào Do đó, xử

lý mẫu trong lò vi sóng chỉ cần thời gian rất ngắn 50 đến 90 phút và rất triệt để

1.6.2 Phương pháp tách chiết, làm giàu bằng dung môi

*) Phương pháp chiết lỏng - lỏng

Nguyên tắc: Dựa vào sự phân bố của chất phân tích vào hai pha lỏng (dung môi)

không trộn lẫn vào nhau, trong hai dung môi này có dung môi chứa chất phân tích Do vậy, hệ số phân bố nhiệt động Kb của cân bằng chiết là yếu tố quyết định hiệu suất của sự chiết Có hai kiểu chiết: chiết tĩnh và chiết theo dòng chảy

- Phương pháp chiết tĩnh: Đơn giản, không cần máy móc phức tạp, chỉ cần một số phễu chiết Việc lắc chiết thao tác bằng tay hay bằng máy Chiết các ion kim loại nặng (Cd, Cu, Pb, Zn, Fe, Cr, Ni, Co, Mn) người ta phải dùng dung môi MIBK và tạo phức với thuốc thử APDC trong môI trường pH=3-4 sau đó xác định các nguyên tố này bằng phương pháp AAS Cách này thường dùng để tách chiết làm giàu lượng vết các kim loại trong mẫu nước thải, nước biển

- Phương pháp chiết dòng chảy liên tục: Khi hai pha lỏng không trộn lẫn vào nhau được bơm liên tục với tốc độ nhất định qua hệ chiết Một pha chuyển động Chất phân tích sẽ được phân bố vào hai dung môi theo tính chất của chúng để đạt trạng thái cân bằng Phương pháp này cho hiệu quả cao, được ứng dụng trong chiết sản xuất công nghệ

*) Phương pháp chiết pha rắn

Chất mẫu ở dạng lỏng, chất chiết ở dạng rắn, hạt nhỏ và xốp ( đường kính cỡ 10um) Chất chiết là các hạt silicagel gọi là pha tĩnh được nhồi vào cột sắc ký nhỏ Dung dịch mẫu được dội qua cột Dựa vào tương tác giữa pha tĩnh và pha động, thu được nhóm chất phân tích Sau đó dùng dung môi thích hợp để rửa giải chúng ra khỏi pha tĩnh Chất chiết pha rắn thường là các chất hấp phụ pha thường (silicagel trung tính), hấp phụ pha ngược (silica được alkyl hoá), trao đổi ion (cation, anion), hấp phụ pha khí-rắn,.v.v

5-1.6.3 Một số phương pháp sử lý mẫu sữa xác định hàm lượng kim loại nặng

Tro hoá mẫu sữa để xác định các kim loại (Na, K, Ca, Mg, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn,

Ni, Pb, Zn) Lấy 5,0 gam mẫu vào chén thạch anh, thêm chất phụ gia (8 mL H2SO4 45%

và 2 gam KNO3 (hay 2 gam LiBO3), trộn đều, sấy khô cẩn thận cho mẫu khô (mẫu dễ sùi bọt và bắn, cẩn thận và đun nhẹ) và thành than đen, sau đó đem nung 3 giờ đầu ở

nhiệt độ 400-450oC, rồi sau đó ở 550oC, đến khi hết than đen, được tro mẫu trắng Sau đó hoà tan tro thu được trong 15 mL dung dịch HCl 18% và 1 mL HNO3 65%, đun nhẹ cho mẫu tan hết, đun nhẹ làm bay hơi axit đến còn muối ẩm, định mức thành 25 mL bằng dung dịch axit HCl 2% Đó là dung dịch để xác định các nguyên tố kim loại nói trên [15]

Michalis Leotsinidisa, Athanasios Alexopoulos, Evangelia Kostopoulou-Farri

[43] đã xác định hàm lượng các nguyên tố vi lương độc hại và cần thiết (Zn, Fe, Cu, Mn,

Cd và Pb) trong sữa mẹ từ phụ nữ cho con bú bằng phương pháp AAS Mẫu được phân hủy bằng axit HNO3 đặc, trong nồi hấp, ở 1500C, trong 3 giờ

A.Ataro, R.I McCrindle, B.M.Botha, C.M.E.McCrindle, P.P.Ndibewu [23]

đã phá mẫu sữa bò nguyên liệu bằng axit HNO3 đặc (65%) trong lo vi sóng để xác định các nguyên tố vi lượng (V, Cr, Mn, Sr, Cd và Pb) bằng phương pháp ICP-MS