Nghiên cứu phương pháp phân tích một số dạng As, Se trong một số đối tượng môi trường

Tuy nhiên các phép xác định thông thường chỉ cho biết tổng hàm lượng các nguyên tố chứ chưa cho biết hàm lượng các nguyên tố ở các dạng cụ thể, trong khi đó để đánh giá tính độc, các quá

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -

PHẠM HỒNG CHUYÊN

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH

MỘT SỐ DẠNG As, Se TRONG MỘT SỐ ĐỐI TƯỢNG MÔI TRƯỜNG

CHUYÊN NGÀNH: HÓA HỌC PHÂN TÍCH

MÃ SỐ: 62 44 01 18

LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS TẠ THỊ THẢO

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thành viên trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận án

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii

MỞ ĐẦU 1

1.1 Phân tích dạng các nguyên tố và vai trò của phân tích dạng trong đánh giá ô nhiễm môi trường 6

1.1.1 Khái niệm về dạng nguyên tố và phân tích dạng nguyên tố 6

1.1.2 Vai trò của phân tích dạng trong nghiên cứu môi trường 7

1.1.3 Ý nghĩa của phân tích dạng As, Se trong các đối tượng môi trường 8

1.2 Các phương pháp phân tích dạng As, Se 13

1.2.1 Nhóm các phương pháp tách riêng từng dạng trước khi phân tích 13

1.2.2 Nhóm các phương pháp sử dụng sắc ký ghép nối với các detector khác nhau 18

1.2.3 Phân tích dạng dựa vào phản ứng xúc tác 23

1.2.4 Phân tích dạng sử dụng Chemometrics 24

1.3 Sơ lược về các thuật toán hồi quy đa biến dùng trong phân tích dạng 26

1.3.1 Phương pháp bình phương tối thiểu nghịch đảo - ILS 28

1.3.2 Phương pháp hồi qui cấu tử chính – PCR 30

1.4 Xử lý và bảo quản mẫu trong phân tích dạng nguyên tố 32

1.4.1 Dụng cụ chứa mẫu và cách bảo quản mẫu 32

1.4.2 Các kỹ thuật tách chiết mẫu trong phân tích dạng 35

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 40

2.1 Hóa chất và thiết bị 40

2.1.1 Thiết bị, dụng cụ 40

2.1.2 Hóa chất 40

2.2 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 41

2.2.1 Mẫu phân tích 41

2.2.2 Phương pháp lấy mẫu và xử lý sơ bộ 41

2.2.3 Phương pháp phân tích 42

2.2.4 Đánh giá phương pháp phân tích dạng As và Se 47

2.2.5 So sánh phương pháp phân tích dạng 49

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 50

3.1 Nghiên cứu xác lập điều kiện phân tích đồng thời các dạng của từng nguyên tố As, Se 50

3.1.1 Khảo sát hiệu suất khử các dạng As, Se thành hợp chất hiđrua 50

3.1.2 Khảo sát điều kiện khử các dạng As, Se thành As(III), Se(IV) 51

3.1.3 Khảo sát điều kiện khử trực tiếp các dạng As, Se thành hợp chất hiđrua trong các môi trường khác nhau 56

3.1.4 Khảo sát ảnh hưởng của các ion có thể có trong dung dịch mẫu đến tín hiệu đo phổ AAS của As, Se 57

3.2 Nghiên cứu xây dựng các mô hình hồi quy đa biến xác định đồng thời các dạng của từng nguyên tố As, Se 60

3.2.1 Khảo sát khoảng tuyến tính của từng dạng As, Se 61

3.2.2 Khảo sát tính cộng tính của các dạng 61

3.2.3 Xây dựng mô hình hồi quy đa biến và đánh giá khả năng ứng dụng 63

3.3 Đánh giá phương pháp phân tích dạng As và Se trong mẫu tự tạo 69

3.3.1 Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của phương pháp 69

3.3.2 So sánh phương pháp HG – AAS - PCR với phương pháp HPLC – HG - AAS 69

3.3.3 Ảnh hưởng của dạng khác đến phép xác định đồng thời 70

3.3.4 Đánh giá độ thu hồi của phương pháp HG – AAS - PCR 71

3.3.5 Độ chụm và độ đúng của phương pháp HG – AAS - PCR 72

3.4 Nghiên cứu các điều kiện bảo quản mẫu phân tích 73

3.4.1 Ảnh hưởng của vật liệu bình chứa 73

3.4.2 Ảnh hưởng của pH 75

3.4.3 Ảnh hưởng khi để dung dịch trong không khí 76

3.5 Nghiên cứu quá trình xử lý mẫu phân tích dạng 79

3.5.1 Khảo sát quá trình chiết rút As, Se với mẫu đất, bùn 79

3.5.2 Khảo sát quá trình chiết rút As, Se với mẫu thực vật 82

3.5.3 Đánh giá độ thu hồi của quá trình xử lý mẫu 85

3.6 Xây dựng quy trình phân tích các mẫu thực tế 86

3.6.1 Quy trình phân tích xác định tổng hàm lƣợng As, Se 86

3.6.2 Quy trình phân tích dạng As, Se 87

3.6.3 Kết quả phân tích mẫu thực tế 88

KẾT LUẬN 92

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

PHẦN PHỤ LỤC 105

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

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

AES Atomic Emission Spectrophotometry Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử

DMDSe Dimetyldiselenite CH3 – Se – Se – CH3 Đimetyl điselenit

GC – MS Gas Chomatography Mass Spectrometer Phương pháp sắc ký khí khối phổ

Hydride Vapor Generator Atomic Absorption Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng

Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt

ICP – MS Inductively Coupled Plasma Mass Spectropetry Phương pháp khối phổ plasma cao tần cảm ứng

MMA Monomethylarsonic acid CH3AsO(OH)2 Axit monometylasonic

IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry Hiệp hội hóa học ứng dụng quốc tế

Se(IV) Selenite (SeO32-) Selen (IV) vô cơ

SeMet Selenomethionine CH3 – Se – (CH2 )2 – CH(NH2)-COO- Selenmethionin

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1 1 Một số dạng As trong các đối tượng sinh học và môi trường 9

Bảng 1 2 Một số dạng tồn tại của selen đã được tìm thấy 11

Bảng 1 3 Dụng cụ chứa dung dịch mẫu và điều kiện bảo quản 33

Bảng 2 1 Các điều kiện đo phổ AAS của As, Se bằng kỹ thuật hiđrua hóa 44

Bảng 2 2 Các thông số của máy HPLC trong phương pháp HPLC- HVG - AAS 49 Bảng 3 1 Hiệu suất khử các dạng As, Se trong môi trường HCl 6M bằng NaBH4 51 Bảng 3 2 Hiệu suất (%) khử các dạng As bằng KI 51

Bảng 3 3 Hiệu suất (%) khử các dạng As thành As(III) bằng hệ khử KI/Ascobic 52 Bảng 3 4 Hiệu suất (%) khử các dạng As thành As(III) bằng NaHSO3 53

Bảng 3 5 Hiệu suất (%) khử các dạng As thành As(III) bằng L-Cystein 53

Bảng 3 6 Hiệu suất khử các dạng Se bằng HCl 54

Bảng 3 7 Hiệu suất khử các dạng Se thành Se(IV) bằng KBr/HCl 4M 55

Bảng 3 8 Hiệu suất khử các dạng Se thành Se(IV) bằng Thioure 55

Bảng 3 9 Hiệu suất khử trực tiếp các dạng As, Se thành khí hiđrua trong các môi trường phản ứng bằng NaBH4 57

Bảng 3 10 Ảnh hưởng của các ion đến tín hiệu đo của As, Se 58

Bảng 3 11 Khảo sát khả năng sử dụng L-Cystein làm chất loại ảnh hưởng của cation đến tín hiệu đo của As 59

Bảng 3 12 Khả năng loại trừ ảnh hưởng của Sb(III) đến tín hiệu đo As(III) bằng tactrat 60

Bảng 3 13 Khoảng tuyến tính và đường chuẩn xác định riêng các dạng As, Se 61

Bảng 3 14 Kết quả kiểm tra tính cộng tính của các dạng As, Se 62

Bảng 3 15 Ma trận nồng độ các mẫu tự tạo 64

Bảng 3 16 Ma trận hệ số hồi qui (P) tính theo thuật toán ILS 64

Bảng 3 18 Ma trận hệ số hồi qui (Fj) tính theo thuật toán PCR 66

Bảng 3 19 Hệ số của các PC tính theo hàm SVD 66

Bảng 3.20 Phương sai của các PC 66

Bảng 3 21 Kết quả phân tích mẫu tự tạo theo mô hình PCR 68

Bảng 3 22 Kết quả xác định giá trị LOD và LOQ theo mô hình hồi quy đa biến 69 Bảng 3 23 Kết quả phân tích mẫu tự tạo theo phương pháp HPLC – HG – AAS và HG – AAS - PCR 70

Bảng 3 24 So sánh kết quả phân tích mẫu tự tạo khi có dạng As khác 71

Bảng 3 25 Kết quả phân tích mẫu thực tế thêm chuẩn 72

Bảng 3 26 Kết quả tính độ đúng của phương pháp HVG – AAS – PCR 72

Bảng 3 38 Độ thu hồi của quá trình xử lý mẫu 85

Bảng 3 39 Hàm lượng As trong các mẫu thực tế 89

Bảng 3 40 Hàm lượng Se trong một số mẫu rau xanh 90

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1 1 Sơ đồ chuyển hóa các dạng As trong cơ thể người 10

Hình 1 2 Sơ đồ phân tích dạng nhờ các quá trình phân tách 13

Hình 1 3 Các phương pháp tách riêng rẽ các chất phân tích 14

Hình 1 4 Sơ đồ phân tách các dạng Se trong mẫu hải sản bằng phương pháp chiết lỏng- lỏng 15

Hình 1 5 Sơ đồ phân tích dạng nhờ các thiết bị ghép nối 18

Hình 1 6 Hệ thống ghép nối HPLC - MS 19

Hình 1 7 Sơ đồ xác định các dạng As bằng hệ ghép nối HPLC – UV – HG – AAS 21

Hình 2 1 Sơ đồ đo độ hấp thụ quang của As, Se bằng phương pháp HG – AAS 44

Hình 2 2 Sơ đồ mô tả quá trình tính toán trong mô hình hồi quy đa biến 45

Hình 3 1 Hiệu suất khử As(V) thành As(III) bằng các hệ khử khác nhau 54

Hình 3 2 Hiệu suất khử Se(VI) thành Se(IV) bằng các chất khử khác nhau 56

Hình 3 3 Ảnh hưởng của vật liệu bình chứa đến hàm lượng các dạng As, Se 74

Hình 3 4 Ảnh hưởng của pH đến sự tồn tại các dạng As, Se 75

Hình 3 6 Ảnh hưởng của không khí đến sự tồn tại các dạng As, Se 76

Hình 3 7 Ảnh hưởng của ion Fe3+ đến sự chuyển dạng của các nguyên tố As, Se 77 Hình 3 8 Độ thu hồi khi sử dụng EDTA loại trừ ảnh hưởng của ion Fe3+ 78

Hình 3 9 Khả năng chiết các dạng As ra khỏi mẫu bùn đất bằng H3PO4 80

Hình 3 10 Khả năng chiết các dạng Se ra khỏi mẫu bùn đất bằng H3PO4 81

Hình 3 11 Khả năng chiết các dạng As ra khỏi mẫu thực vật 83

Hình 3 12 Khả năng chiết các dạng Se ra khỏi mẫu thực vật 84

Hình 3 13 Sơ đồ xác định tổng hàm lượng As, Se trong mẫu thực tế 87

Hình 3 14 Sơ đồ quy trình phân tích dạng As, Se cho mẫu thực tế 88

MỞ ĐẦU

Hiện nay, vấn đề phân tích dạng các nguyên tố đang là nhu cầu rất cấp thiết trong đánh giá ô nhiễm môi trường, trong nghiên cứu các quá trình chuyển hóa và tích lũy sinh học, trong nghiên cứu các quá trình địa hóa Tuy nhiên các phép xác định thông thường chỉ cho biết tổng hàm lượng các nguyên tố chứ chưa cho biết hàm lượng các nguyên tố ở các dạng cụ thể, trong khi đó để đánh giá tính độc, các quá trình chuyển hóa chất trong cơ thể sinh vật, các chất tồn tại trong các tầng địa chất, sự tồn tại của nguyên tố trong môi trường lại cần đến thông tin về hàm lượng

và số lượng của các dạng nguyên tố [20, 37]

Có thể đề cập đến một nguyên tố gây ô nhiễm mang độc tính cao như As, nguyên tố này được coi là chất độc bảng A vì nó gây ra bệnh ung thư nguy hiểm cho con người [13, 65], nó có khả năng xâm nhập và tích lũy cao trong cơ thể, chính vì vậy hàm lượng As trong nước sinh hoạt theo tiêu chuẩn quy định khá thấp

(≤10µg/lít) Trong tự nhiên As đã được tìm thấy dưới nhiều dạng hợp chất khác

nhau như As(III), As(V), MMA, DMA…trong đó dạng As(III) độc hơn dạng As(V); các dạng As vô cơ có độc tính cao hơn các dạng As hữu cơ, các dạng lại có thể chuyển hóa qua lại với nhau nhờ tác động của các yếu tố trong môi trường sống [13, 84, 94]

Một nguyên tố khác nữa như Se, nguyên tố này có nhiều mức oxy hóa khác nhau là + 4, +6 và – 2, đây là nguyên tố vừa có thể đóng vai trò là nguyên tố vi lượng vừa có thể là độc tố khi ở hàm lượng cao, khoảng nồng độ Se được phép có trong cơ thể người mà không gây độc hại là rất hẹp và tùy thuộc vào dạng tồn tại của Se, lượng Se nên đưa vào cơ thể người hàng ngày khoảng 50-200μg/ngày [3] Các dạng hợp chất có độc tính của selen thường gặp là selen đioxit (SeO2), axit selenơ (H2SeO3), muối selenit (SeO32-), axit selenic (H2SeO4), muối selenat (SeO42-) hoặc dạng selenua (Se2-) [72, 75] Các hợp chất selen đáng chú ý trong dinh dưỡng

và sức khỏe là (CH3)2Se, (CH3)2Se+, selennocystein, selennocystin, selenomethionin…[3]

Như vậy, mỗi dạng tồn tại của một nguyên tố có những tính chất khác nhau nếu chỉ phân tích tổng hàm lượng các nguyên tố thì chưa chỉ ra được độc tính hoặc ứng dụng của nó, chính vì vậy việc định lượng các dạng của các nguyên tố là cần thiết

Để phân tích dạng các nguyên tố, phương pháp chủ yếu hiện nay hầu hết đều dựa trên nguyên tắc tách các dạng ra khỏi nhau rồi xác định hàm lượng của chúng bằng các phương pháp phân tích thông thường hoặc sử dụng các phương pháp ghép nối các thiết bị phân tích, quy trình phân tích có thể tách thành các giai đoạn khi áp dụng kỹ thuật phân tích không ghép nối hoặc khép kín khi xử dụng kỹ thuật ghép nối Có thể kể đến là nhóm các phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao ghép nối với phép đo phổ hấp thụ nguyên tử (HPLC – AAS), hoặc ghép nối với phép đo phổ khối (HPLC – ICP – MS)…[20, 37] Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của các phương pháp tách là qua nhiều công đoạn phức tạp, dễ làm nhiễm bẩn, mất chất phân tích hoặc chất phân tích bị chuyển hóa Trong thực tế tại Việt Nam, mặc dù đã

có rất nhiều phòng thí nghiệm được trang bị các thiết bị như HPLC, AAS, ICP –

MS, LC – MS, GC – MS…nhưng hầu hết các thiết bị này hoạt động độc lập, việc ghép nối các thiết bị với nhau đòi hỏi kỹ thuật tiên tiến và khó thực hiện được Với sự phát triển mạnh của công nghệ thông tin đặc biệt là ứng dụng tin học trong hóa học (Chemometrics) sử dụng các thuật toán hồi qui đa biến, việc xác định riêng rẽ từng cấu tử trong cùng một hỗn hợp không cần tách loại chúng dựa trên các tính chất đặc trưng của từng cấu tử có thể tiến hành một cách đơn giản mà vẫn cho kết quả định lượng có độ chính xác cao Quá trình phân tích dạng các nguyên tố trong các đối tượng môi trường có thể triển khai được ở tất cả các phòng thí nghiệm

sử dụng các thiết bị hiện có mà không cần ghép nối chúng với nhau Trên thế giới

đã có rất nhiều công trình nghiên cứu xác định đồng thời hàm lượng các chất trong cùng một hỗn hợp sử dụng thuật toán hồi qui đa biến, ví dụ như ứng dụng mạng nơron nhân tạo để xác định hàm lượng các axit amin hoặc áp dụng các thuật toán bình phương tối thiểu từng phần, toàn phần để định lượng đồng thời các cấu tử tạo

toán hồi qui đa biến để định lượng các dạng nguyên tố còn ít, đặc biệt là ở Việt Nam đến thời điểm hiện tại hầu như chưa có công trình nào nghiên cứu xác định đồng thời các dạng nguyên tố dựa vào Chemometrics

Với những lý do trên, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu phương pháp phân

tích một số dạng As, Se trong một số đối tượng môi trường”

Mục tiêu nghiên cứu:

Xây dựng quy trình xác định đồng thời các dạng As vô cơ (As(III), As(V)), As hữu cơ (MMA, DMA); Se vô cơ (Se(IV), Se(VI)), Se hữu cơ (DMDSe, SeMet) trong mẫu môi trường bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng kỹ thuật hidrua hóa (HG – AAS) kết hợp với thuật toán hồi qui đa biến

Nội dung nghiên cứu:

Để đạt được mục tiêu đề ra, luận án tập trung vào các nội dung chính sau:

1 Xác lập lại các điều kiện đo As(III) bằng HG – AAS và đánh giá hiệu suất khử riêng rẽ các dạng As(III), As(V), MMA, DMA, Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet thành hợp chất hiđrua trên cơ sở tối ưu hóa các điều kiện đo tổng hàm lượng các dạng trên hệ đo HG – AAS

2 Khảo sát các điều kiện và xây dựng mô hình hồi qui đa biến xác định đồng thời các dạng của As: As(III), As(V), DMA, MMA; của Se: Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet trong cùng một dung dịch, đồng thời kiểm tra khả năng áp dụng vào phân tích mẫu thực tế

3 Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến sự biến đổi hàm lượng các dạng

As, Se trong quá trình bảo quản mẫu phân tích và phương pháp chiết rút các dạng ra khỏi nền mẫu môi trường

4 Đánh giá phương pháp phân tích đồng thời các dạng As(III), As(V), DMA, MMA, Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet và áp dụng phân tích mẫu thực tế

Điểm mới, những đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn của luận án:

 Về mặt khoa học:

- Dựa vào sự khác biệt hiệu suất khử các dạng As(III), As(V), DMA, MMA hoặc các dạng Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet thành hợp chất hiđrua bằng chất khử

NaBH4 trong môi trường axit có nồng độ khác nhau, đã tìm ra khả năng xác định đồng thời các dạng As, Se bằng phương pháp HG – AAS kết hợp với chemometrics

- Đã xây dựng được mô hình hồi quy đa biến tuyến tính dựa vào dữ liệu đo phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng kỹ thuật hiđrua hóa của 40 dung dịch chuẩn chứa đồng thời 4 dạng As(III), As(V), DMA, MMA hoặc 4 dạng Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet ở các môi trường axit HCl 6M, 1M, đệm tactric/tactrat có pH = 2,

3, 4 (với As) hoặc ở các môi trường axit HCl 6M, 4M, 2M, 1M, 0,01M (với Se) Qua phân tích các mẫu tự tạo, mẫu thực tế thêm chuẩn và so sánh với phương pháp HPLC – HG – AAS cho thấy mô hình hồi quy sử dụng thuật toán phân tích cấu tử chính (PCR) có độ đúng, độ nhạy, độ chụm và độ tin cậy cao

- Đã xây dựng được các quy trình phân tích dạng hoàn chỉnh và ứng dụng để phân tích đồng thời các dạng As(III), As(V), DMA, MMA hoặc Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet trong một số mẫu môi trường như mẫu nước, mẫu bùn đất, mẫu

thực vật thân thảo

 Về mặt thực tiễn:

- Đã tiến hành xác định hàm lượng các dạng As(III), As(V), DMA, MMA hoặc Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet trong các mẫu nước mặt, mẫu bùn đất, mẫu thực vật thân thảo ở khu vực Định Công – Hoàng Mai – Hà Nội bằng phương pháp

HG – AAS - PCR Kết quả như sau:

+ Trong các mẫu rau, hàm lượng As(V) rất thấp (nhỏ hơn LOD của phương pháp) coi như không có, dạng As(III), DMA, MMA là chủ yếu với tổng hàm lượng của chúng chiếm xấp xỉ 70% hàm lượng As có mẫu

+ Trong các mẫu cây dương xỉ, thủy trúc đều tìm thấy cả As(III), As(V), DMA, MMA với hàm lượng cao, trên 100µg/kg mỗi dạng Tổng hàm lượng các dạng này chiếm trên 90% lượng As trong mẫu, trong đó dạng As hữu cơ trong cây thủy trúc chiếm gần 70% nhưng trong cây dương xỉ chỉ chiếm 30%

+ Trong các mẫu bùn ao, đất ruộng các dạng As vô cơ chiếm gần 100% trong

+ Trong mẫu nước ao khảo sát có cả dạng As hữu cơ và As vô cơ nhưng As vô

cơ chiếm phần lớn (trên 70%), trong đó dạng As(V) là chủ yếu (>50% As vô cơ) + Kết quả phân tích các dạng Se trong các mẫu rau bắp cải, rau muống, rau

má, súp lơ đều có 4 dạng Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet với hàm lượng trung bình

7 – 80 µg/kg, trong đó hàm lượng các dạng Se hữu cơ chiếm trên 60% Tổng hàm lượng 4 dạng Se chiếm trên 95% lượng Se có trong mẫu

- Quy trình phân tích của luận án có thể áp dụng để phân tích các dạng As(III), As(V), DMA, MMA hoặc Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet trong các mẫu nước, mẫu thực vật thân thảo, mẫu bùn đất tại các phòng thí nghiệm hiện chỉ có thiết bị AAS mà không cần trang bị thêm thiết bị ghép nối

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

1.1 Phân tích dạng các nguyên tố và vai trò của phân tích dạng trong đánh giá

ô nhiễm môi trường

1.1.1 Khái niệm về dạng nguyên tố và phân tích dạng nguyên tố

Theo tài liệu của hiệp hội hóa học cơ bản và ứng dụng quốc tế (IUPAC) đã công bố [20, 37], một số khái niệm trong hóa học phân tích dạng nguyên tố được diễn giải như sau:

+ Dạng hóa học của một nguyên tố (Chemical species): hình thái đặc trưng

của một nguyên tố như đồng vị hóa học; trạng thái oxi hóa - khử; trạng thái hóa trị; hợp chất hoặc cấu tạo phân tử

+ Phân tích dạng (Speciation analysis): các hoạt động phân tích nhằm định

tính hoặc định lượng một hay nhiều dạng hóa học riêng biệt trong một mẫu phân tích

+ Quá trình phân tách dạng nguyên tố (Fractionation): quá trình tách rời dạng

cụ thể của một nguyên tố ở giữa những dạng hóa học khác có trong một hệ

Cũng theo tài liệu này, quá trình phân tích dạng thường không có khả năng xác định được nồng độ của tất cả các dạng hóa học khác nhau của nguyên tố có trong mẫu phân tích, đồng thời không xác định được tổng hàm lượng của nguyên tố trong mẫu nếu chỉ dựa vào các dạng hóa học đã xác định được Các dạng hóa học của nguyên tố có trong mẫu cũng không tồn tại lâu dài, chúng thường chuyển hóa lẫn nhau, hoặc thành các dạng hóa học khác trong quá trình phân tích Chính vì vậy, vấn đề giữ nguyên hoặc hạn chế sự biến đổi của các dạng của nguyên tố cần xác định trong quy trình phân tích dạng là rất cần thiết và phải được duy trì trước khi áp dụng phương pháp phân tích cụ thể

Hiện nay phân tích dạng nguyên tố trong các đối tượng môi trường thường tập trung vào xác định các dạng sau:

+ Dạng hóa trị hoặc số oxi hóa cụ thể của một nguyên tố trong mẫu phân tích (ví dụ như xác định hàm lượng Cr(III) hoặc Cr(VI) có trong nước)

+ Dạng liên kết (như dạng hòa tan và dạng lơ lửng trong nước, dạng liên kết trong đất và trầm tích…)

+ Dạng hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ (ví dụ xác định hàm lượng monometylarsenate - MMA trong các mẫu hải sản)

1.1.2 Vai trò của phân tích dạng trong nghiên cứu môi trường

Trong thực tế, một nguyên tố tồn trong môi trường ở nhiều trạng thái oxi hóa khác nhau, khi thay đổi trạng thái oxi hóa sẽ tạo nên sự ảnh hưởng mạnh đến hoạt tính sinh học và độ độc tố của chúng, ví dụ nguyên tố Cr khi tồn tại ở trạng thái Cr(III) có độc tính thấp hơn là ở trạng thái Cr(VI)[87] Phép phân tích tổng hàm lượng Cr là không đủ để đánh giá mức độ độc hại, nếu chúng ta biết được trong mẫu phân tích hàm lượng Cr tồn tại ở trạng thái hóa trị nào cao hơn sẽ đánh giá được mức độ độc hại của mẫu phân tích đó

Độc tính của nguyên tố liên quan mật thiết với dạng tồn tại của chúng trong các đối tượng mẫu khác nhau, có thể ở dạng này nó không hoặc ít độc nhưng ở dạng khác độc tính của nó lại rất cao Ví dụ, nhìn chung các dạng As(III) và As(V) đều độc, nhưng nếu ở dạng hữu cơ thì lại ít độc hơn, như dạng arsenocholine (AC) chẳng hạn [81] Hoặc như với thủy ngân, tất cả các dạng đều độc, tuy nhiên nếu ở dạng metyl thủy ngân thì lại độc hơn nhiều lần so với Hg2+ hay thủy ngân kim loại Metyl thủy ngân có xu hướng tích lũy sinh học, do đó nó gây nhiễm độc trầm trọng, đặc biệt là với cá [26] Trong khi đó việc xác định tổng hàm lượng nguyên tố trong một mẫu nghiên cứu không cho biết đầy đủ các thông tin của nguyên tố cần phân tích

Mặt khác, phép phân tích dạng liên kết vết nguyên tố còn dùng để đánh giá đặc trưng liên kết và dung lượng liên kết của vết nguyên tố hóa học trong mẫu, những thông số rất cần trong nghiên cứu sinh học, độc học, địa hóa, môi trường Trong sinh học, để hiểu được cơ chế của các quá trình tích lũy sinh học, vận chuyển

và trao đổi, chuyển hóa sinh học của các nguyên tố dạng vết, thì việc nghiên cứu về phân tích dạng là hết sức cần thiết Trên cơ sở nghiên cứu dạng của các nguyên tố vết cho phép nghiên cứu sự tích lũy sinh học của các độc chất Ví dụ trong nước

biển nồng độ As chỉ khoảng 2 ng/kg nhưng trong cá lượng As đã lên tới 100 mg/kg [56, 76] Điều này có nghĩa là từ những nồng độ rất nhỏ của một nguyên tố dạng vết trong môi trường nào đó có thể dẫn đến những vấn đề độc hại nghiêm trọng nếu sự tích lũy sinh học được kết hợp với sự chuyển hóa sinh học thành các chất độc hại Nghiên cứu về dạng tồn tại của các nguyên tố còn cho phép nghiên cứu sự chuyển hóa sinh học, sự biến chuyển độc tính cũng như về bản chất sinh học của các chất độc

Trong nghiên cứu địa chất, phân tích dạng giúp giải thích sự vận chuyển và trao đổi chất, quá trình hình thành và phân bố các nguyên tố, đặc biệt các nguyên tố hàm lượng nhỏ, tồn tại đa dạng trong mẫu Trên cở sở phân tích dạng của nguyên

tố, nhà địa chất dễ dàng đánh giá trữ lượng cũng như sự phân chia, phân bố của các nguyên tố

Nhờ những ưu điểm vượt trội nói trên mà trong vài thập niên gần đây, cùng với sự phát triển ngày càng cao của khoa học và kỹ thuật phân tích, phép phân tích dạng đã được nghiên cứu và phát triển mạnh và đã trở thành một lĩnh vực khoa học quan trọng của phân tích học hiện đại Do đó, việc nghiên cứu dạng hóa học cũng như dạng hợp chất của các nguyên tố đang là vấn đề thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học ở mọi nơi trên thế giới

1.1.3 Ý nghĩa của phân tích dạng As, Se trong các đối tượng môi trường

1.1.3.1 Sự tồn tại của As trong môi trường và ý nghĩa của phân tích dạng As

As phân bố rất rộng rãi trong tự nhiên, đặc biệt là trong nguồn nước như nước ngầm, nước biển, nguồn nước khoáng, nước sông suối Việc sử dụng rộng rãi As trong nhiều ngành công nghiệp như dược, sản xuất kính, chất nhuộm, chất độc ăn mòn, thuốc trừ sâu, thuốc diệt nấm, thuộc da, hoặc ngành công nghiệp sử dụng nhiên liệu hóa thạch như công nghiệp xi măng, nhiệt điện, công nghệ đốt chất thải rắn là nguồn gây ô nhiễm As Các ngành công nghiệp khai thác và chế biến các loại quặng, nhất là quặng sunfua, luyện kim tạo ra nguồn ô nhiễm As do việc khai đào ở các mỏ nguyên sinh đã phơi lộ các quặng sunfua, làm gia tăng quá trình phong hóa,

Bên cạnh đó, các quá trình tự nhiên như địa chất, địa hóa, sinh địa hóa, đã làm cho As nguyên sinh có mặt trong một số thành tạo địa chất (các phân vị địa tầng, các biến đổi nhiệt dịch và quặng hóa sunfua chứa As) tiếp tục phân tán hay tập trung gây ô nhiễm môi trường sống [29, 60, 82]

Sau khi phát tán vào môi trường, As tồn tại ở nhiều dạng khác nhau tùy theo bản chất của nguồn phát tán, điều kiện phát tán và điều kiện của môi trường tồn tại Bảng 1.1 mô tả một số dạng thường thấy của As [56, 70, 74]

Bảng 1 1 Một số dạng As trong các đối tượng sinh học và môi trường

3-4 Axit dimetylasonic, DMA (CH3)2AsO2H

5 Axit monometylasonic, MMA CH3AsO3H2

As trong nước ngầm phụ thuộc vào tính chất và trạng thái môi trường địa hóa As

vô cơ tồn tại trong nước ngầm ở dạng H2AsO4- (trong môi trường pH axit đến gần trung tính), HAsO42- (trong môi trường kiềm), hợp chất H3AsO3 được hình thành chủ yếu trong môi trường oxi hóa-khử yếu [65, 70, 74]

Như chúng ta đã biết, As là nguyên tố vi lượng, rất cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của con người và sinh vật Ở hàm lượng nhất định, As có vai trò quan trọng trong trao đổi chất nuclein, tổng hợp protit và hemoglobin Tuy nhiên, khi xuất hiện ở hàm lượng cao hơn, As và các hợp chất của nó là tác nhân

gây 19 bệnh ung thư, đột biến và dị thai trong tự nhiên [81] Theo khuyến cáo của

tổ chức y tế thế giới WHO hàm lượng As trong nước uống ở mức an toàn là 0,01mg/lít (<10ppb), còn hàm lượng As cho phép có trong rau quả khô là ≤ 1mg/kg [16] Đối với thực vật, As cản trở quá trình trao đổi chất, làm giảm mạnh năng suất, đặc biệt trong môi trường thiếu photpho Còn đối với cơ thể người bị nhiễm độc As lâu ngày sẽ xuất hiện hiện tượng sừng hóa da, gây sạm và mất sắc tố da từ đó dẫn đến hoại tử hay ung thư da, viêm răng, khớp, tim mạch [13, 83] Trong số các hợp chất của As thì As(III) vô cơ độc hơn cả, As(III) có độc tính cao hơn As(V) khoảng

50 lần do As(V) và các hợp chất As hữu cơ được đào thải qua thận rất nhanh và hầu như toàn bộ [83] Có thể mô tả quá trình chuyển hóa các dạng asen trong cơ thể người và động vật qua sơ đồ hình 1.1 [39, 74]

Hình 1 1 Sơ đồ chuyển hóa các dạng As trong cơ thể người

Các công nghệ xử lý nước ô nhiễm As hiện nay cũng cần phải xác định rõ hàm lượng của từng dạng As Chẳng hạn, khi dùng bể lọc cát sẽ loại bỏ phần lớn As(V) nhưng As(III) chỉ loại bỏ được rất ít [29], nguyên do As(V) được các hạt keo hiđroxit sắt hấp thu còn As(III) thì không

Từ những phân tích trên có thể nói nhu cầu phân tích dạng As là rất cần thiết

đánh giá đúng tính độc hoặc đưa ra các khuyến cáo về độ độc, hay đưa ra các giải pháp xử lý cụ thể nhằm hạn chế sự phát tán, sự chuyển hóa từ dạng không độc và ít độc hơn sang dạng độc hơn Trong đó, các dạng As được quan tâm nhiều nhất trong phân tích môi trường là As(III), As(V), DMA, MMA

1.1.3.2 Sự tồn tại của Se trong môi trường và ý nghĩa của phân tích dạng Se

Selen ít phổ biến trong tự nhiên, tuy nhiên sự có mặt của selen trong sinh học

và môi trường rất đa dạng, các dạng tồn tại chủ yếu của Selen được liệt kê trong bảng 1.2 [72, 75, 89, 90]

Bảng 1 2 Một số dạng tồn tại của selen đã được tìm thấy

Axit selenơ, selenit H2SeO3, SeO3

2-Axit Selenic, selenat H2SeO4,SeO4

Ion monometylselenic CH3Se(O)O-

Ion monometylselenơ CH3SeO-

Selencystein H3N+–CH(COO−)–CH2–she

Selencystin H 3 N+–CH(COO-)–CH2 –Se–Se–CH 2CH(COO−)–NH3

+Selenmethionin H3N+–CH(COO−)–CH2–CH2–Se - SeH

Metylselencystein H3N+–CH(COO−)–CH2–Se–CH3

γ - glutamin-metylselencystein H 3 N+–CH(COO−)–(CH2 ) 2–CO–NH–CH(COO−)CH2 –SeCH 3Selenhomocystein H3N+–CH(COO−)–CH2–CH2–SeH

Adenozylselenhomocystein NH 2 CH(COOH)CH 2 CH 2 SeCH 2 C 4 H 5 O 3 C 5 H 4 –NH 2

Các dạng selen đã tìm thấy tồn tại chủ yếu ở ba trạng thái ôxy hóa: -2, +4, +6, trong đó selen vô cơ tồn tại chủ yếu trong đất và nước, tuy nhiên chúng cũng được tìm thấy trong các cơ thể sống (động, thực vật và vi sinh vật) Các dạng selen hữu

cơ như dimetyl selenua (CH3)2Se, dimetyl diselenua (CH3)2Se2 và dimetylselenon (CH3)2SeO2 được tạo ra từ nước thải, bùn, đất đá; chúng cũng được tìm thấy trong một số nước tự nhiên và trong các cơ thể sống Trong cơ thể sống, selen chủ yếu tồn tại ở dạng aminoaxit như selencytin, selencystein, selenmethionin, selenglutathion, và các selen protein [21, 64, 82]

Những nghiên cứu gần đây cho thấy nhiều tác dụng của selen đối với con người [89], cụ thể ở những người tiêu thụ 54-90µg selen hàng ngày sẽ giảm nguy

cơ mắc hen (suyễn) xuống một nửa so với những người tiêu thụ 23-30µg Selen

có tác dụng làm ức chế các khối u gây ung thư tiền liệt tuyến, tăng cường khả năng chống phóng xạ và tia tử ngoại Ngưỡng có lợi của selen trong khoảng 50-200µg/ngày cho mỗi người Theo khuyến cáo, lượng selen nam giới nên dùng hằng ngày là 80µg và nữ giới là 55µg Nguồn dinh dưỡng selen đến từ các loại quả hạch, củ họ hành, tỏi, ngũ cốc, thịt, cá và trứng Ngoài ra còn nhiều dạng thực phẩm khác cung cấp nhiều selen như các loại hải sản [3, 76]

Tổ chức Y tế thế giới (WHO) tính toán, hàm lượng selen trong máu người trung bình phải đạt trên 0,15 µg/ml thì mới đủ lượng cần thiết cho cơ thể Những kết quả nghiên cứu của WHO khẳng định nguyên tố selen có vai trò sinh học rất lớn đối với sức khoẻ con người Điều tra dịch tễ học tại Mỹ và Bắc Âu cho thấy

sự liên hệ giữa thiếu hụt selen và sự gia tăng mắc bệnh tim mạch, huyết áp cao, não, dẫn đến tử vong đối với con người Thiếu hụt selen có thể dẫn tới các bệnh

có liên quan tới chức năng tim mạch được gọi là bệnh Keshan [3]

Bên cạnh những tác dụng có lợi thì selen cũng là một độc tố khi ở nồng độ cao Selen nguyên tố và phần lớn các selenua kim loại có độc tính tương đối thấp

do chúng có hiệu lực sinh học thấp Ngược lại, các selenat và selenit lại cực độc hại Các hợp chất hữu cơ chứa selen như dimetylselenua (DMSe), dimetyldiselenua (DMDSe), selenmethionin (SeMet), selencystein (Se-Cyt), selencystin và metylselencystein tất cả các chất này đều có hiệu lực sinh học cao và độc hại khi ở liều lượng lớn [3, 92]

Chính vì những ưu điểm của selen và ranh giới giữa tác dụng tích cực và tiêu cực của selen có liên quan chặt chẽ tới sức khoẻ con người, cho nên việc xác định hàm lượng các dạng Se đặc biệt là các dạng Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet, DMSe, Se – Cyt trong các đối tượng môi trường là rất cần thiết

1.2 Các phương pháp phân tích dạng As, Se

Trong mẫu phân tích, các nguyên tố không tồn tại ở một dạng cụ thể mà tồn tại ít nhất là hai dạng trở lên Để xác định được những dạng cần biết, tùy theo đặc điểm của mỗi dạng chúng ta sẽ phải lựa chọn một quy trình phân tích phù hợp, tách riêng chúng ra khỏi mẫu rồi xác định hoặc xác định chúng bên cạnh các dạng khác

mà không cần tách riêng từng dạng Sau đây chúng tôi trình bày một số nhóm phương pháp đã được dùng để xác định các dạng của nguyên tố trong các đối tượng môi trường

1.2.1 Nhóm các phương pháp tách riêng từng dạng trước khi phân tích

Đây là nhóm các phương pháp thường được áp dụng trong những giai đoạn

1980 – 1990, thời gian này các thiết bị phân tích ghép nối chưa phát triển nên muốn thực hiện quá trình phân tích dạng nguyên tố phải sử dụng kỹ thuật tách bằng các phương pháp chiết như chiết lỏng – lỏng hay chiết bằng phương pháp sắc ký trao đổi ion để tách riêng từng dạng sau đó xác định bằng thiết bị đo phù hợp

Theo phương pháp này, quá trình phân tích được thực hiện theo một quy trình

có thể mô tả theo hình 1.2 Ưu điểm của phương pháp này là thiết bị tách chiết đơn giản, các dạng được tách rời không ảnh hưởng lẫn nhau trong quá trình đo tín hiệu, các detector sử dụng để phát hiện chất là các detector thông dụng như các đầu dò điện hóa, UV-VIS, AAS, AES, MS, AFS, MS…[15, 80]

Hình 1 2 Sơ đồ phân tích dạng nhờ các quá trình phân tách

dạng 3

…

- Kỹ thuật chiết lỏng - lỏng [45, 71, 73]: Nguyên tắc của kỹ thuật chiết này là

dựa trên cơ sở sự phân bố của chất phân tích vào hai pha lỏng (2 dung môi) không trộn lẫn được vào nhau (trong hai dung môi này, có thể một dung môi có chứa chất phân tích) được để trong một dụng cụ chiết, như phễu chiết, bình chiết (hình 1.3a)

Hệ số phân bố nhiệt động Kpb của cân bằng chiết là một yếu tố quyết định hiệu quả của sự chiết, tiếp đến là sự ảnh hưởng của nhiệt độ, môi trường axit Chiết theo kiểu này có hai cách là chiết tĩnh và chiết theo dòng chảy liên tục Trong phân tích, kiểu tĩnh được ứng dụng nhiều hơn vì sự đơn giản của nó

a Chiết lỏng lỏng b Chiết pha rắn c Vi chiết pha rắn

Hình 1 3 Các phương pháp tách riêng rẽ các chất phân tích

Đối với nguyên tố As có thể đề cập đến công trình của Bernhard [25] và cộng

sự, các tác giả đã chiết dạng As(III) vô cơ trong mẫu phân tích bằng cách cho As(III) tác dụng với HCl tạo cặp ion [AsO+][Cl-], sau đó cặp ion này được chiết bằng dung môi CCl4, hoặc CHCl3, hoặc hệ hỗn hợp dung môi hữu cơ Kết quả cho thấy 73% As(III) được chiết khi nồng độ axit HCl là 9M Nếu tạo cặp ion [AsO+][Br-] có thể chiết bằng CCl4 từ dung dịch chứa H2SO4 1,4 – 1,7M, kết quả cho thấy dùng 200 mg KBr chiết được 100µg As(III) trong 25ml dung dịch mẫu Một phương pháp khác [44], As(III) sau khi tạo phức với các thuốc thử hữu cơ như dietyldithiocacbamat, pyrolidindithiocacbamat, thionanit…sau đó được chiết ra khỏi dung dịch bởi CHCl3 ở nồng độ axit H2SO4 1 – 5M

Đối với Se, ở Việt Nam có thể đề cập đến nghiên cứu của tác giả Lê Thị Duyên và Lê Lan Anh [1, 6], các tác giả đã xác định hàm lượng các dạng Se trong các mẫu hải sản bằng phương pháp Von- Ampe hòa tan, quá trình phân tách thực

hiện sơ đồ hình 1.4 Theo như mô tả, các tác giả đã dùng dung dịch HCl 0,5M để chiết các dạng Se ra khỏi mẫu, dịch chiết lại được phân tách thành hai phần nhờ dung môi CH2Cl2, phần pha hữu cơ chứa các dạng Se như DMDSe, phần pha nước chứa các dạng Se(IV), Se(VI), Se-Cyst Sau một loạt các thí nghiệm tương tự, các dạng Se được tách rời ở các dung dịch riêng rẽ và được xác định bằng phương pháp Von – Ampe hòa tan catot xung vi phân (DPCSV) ở các điều kiện đo khác nhau Kết quả cho thấy, các tác giả đã xác định được các dạng Se trong mẫu hải sản với

độ tin cậy cao, giới hạn phát hiện LOD và giới hạn định lượng LOQ của phương pháp khá thấp: LODSe(IV) = 0,029(ppb); LODSe-Cyst = 0,241(ppb); LODDMDSe = 0,195(ppb) LOQSe(IV) = 0,097(ppb); LOQSe-Cyst = 0,803(ppb); LOQDMDSe = 0,649(ppb)

Hình 1 4 Sơ đồ phân tách các dạng Se trong mẫu hải sản bằng phương pháp chiết

lỏng- lỏng [6]

Một công trình khác của tác giả S Forbes cùng cộng sự [41] đã xác định Se(IV) vô cơ bằng phản ứng tao phức với 2,3-diaminonaphtalen ở pH=1, sau đó phức được chiết vào dung môi cyclohexan và đo huỳnh quang ở 520 nm sau khi kích thích ở 380 nm (ở các dung dịch mà nồng độ Selen là quá nhỏ thì selen được làm giàu bằng phản ứng tạo phức với amino pyrolidin dithiocacbamat ở pH=4,2 và sau đó được giải chiết bằng HNO3) Phương pháp cho phép xác định Selen đến nồng cỡ ppm

- Kỹ thuật chiết pha rắn (SPE): Chiết pha rắn cũng là quá trình phân bố của

các chất giữa 2 pha, trong đó lúc đầu chất phân tích ở trong pha lỏng (dung môi nước hoặc hữu cơ), còn chất chiết ở dạng rắn, dạng hạt nhỏ và xốp đường kính 25 -

70 μm (hình 1.3b) Khi xử lý mẫu, dung dịch chất mẫu được dội lên cột chiết Lúc này pha tĩnh sẽ tương tác với các chất và giữ một nhóm chất phân tích lại trên cột (trên pha tĩnh), còn các nhóm chất khác sẽ đi ra khỏi cột cùng với dung môi hoà tan mẫu Như thế sẽ thu được nhóm chất cần phân tích ở trên pha tĩnh (chất chiết rắn) Sau đó dùng một dung môi thích hợp hoà tan tốt các chất phân tích để rửa giải chúng ra khỏi pha tĩnh (cột chiết), kết quả thu được dung dịch có chất phân tích để xác định chúng theo một cách đã chọn [14, 23, 30]

Có thể kể đến công trình của tác giả Yalcin [92] đã sử dụng cột chiết pha rắn làm từ các vật liệu khác nhau được cố định trên nền Alumina để phân tách các dạng As(III), As(V), MMA, DMA trong dung dịch nước Kết quả nghiên cứu chỉ ra DMA được giữ lại trên nhựa trao đổi cation axit mạnh sau đó được rửa giải bằng dung dịch HCl 1M, trong khi đó MMA và As(V) được giữ lại trên nhựa trao đổi anion bazơ mạnh sau đó MMA được rửa giải bằng dung dịch axit axetic 60mM còn As(V) được rửa giải bằng dung dịch HCl 1M, As(III) không bị giữ lại trên các loại nhựa trao đổi trên đi ra cùng với dung dịch Các dạng As sau khi phân tách được xác định bằng phương pháp phân tích dòng chảy liên tục kết hợp với kỹ thuật hiđrua hóa với

detector AAS hoặc AES, giới hạn phát hiện của phương pháp 0,05mg/lít

Một công trình khác của tác giả Xianzhong Cheng [91], As(III) sau khi tạo

chiết pha rắn chứa các ống cacbon nano ở pH = 2,0 – 5,0 trong khi đo As(V) không

bị hấp phụ trên cột đi ra cùng dung dịch Phức APDC - As(III) được rửa giải bằng dung dịch HCl 2M Các dạng As(III) và As(V) sau khi tách riêng được xác định bằng phương pháp HG – AAS Quy trình phân tích này cho độ thu hồi khá cao 98 –

102%, giới hạn phát hiện 2,6mg/lít

- Kỹ thuật vi chiết pha rắn – SPME: Gần đây phương pháp vi chiết pha rắn

(soild-phase microextraction: SPME) kết hợp với sắc ký khí đã được ứng dụng trong việc phân tích lượng vết các chất hoá học trong môi trường Nguyên tắc của phương pháp dựa trên cân bằng hấp phụ của chất phân tích trên bề mặt một sợi nhỏ đặc biệt, sợi này được làm bằng thuỷ tinh quang học và được bao phủ bởi một lớp chất pha tĩnh là các polime kỵ nước như poliacrilat, polidimetyl siloxan Các chất phân tích ở pha khí hay pha lỏng đi vào lớp polime phủ trên Quá trình hấp lưu chất được tiến hành ở nhiệt độ phòng và thời gian hấp phụ tuỳ thuộc vào mỗi chất phân tích Trong suốt quá trình hấp phụ dung dịch phân tích được khuấy nhẹ (30 vòng/phút) Khi quá trình hấp phụ hoàn toàn (đạt cân bằng), kim nhanh chóng được đưa ra khỏi lọ và sau đó mới rút sợi vào trong lòng kim (hình 1.3c) Cuối cùng là tiêm trực tiếp kim vào injectơ của máy sắc ký, tại đây các chất phân tích được giải hấp bằng nhiệt ở nhiệt độ khoảng 2500C, thời gian giải hấp khoảng 5 phút [44] Theo phương pháp này, có thể kể đến công trình của các tác giả Gomes Silva [43] cùng các cộng sự đã tách và làm giầu Se(IV) trong dịch chiết mẫu đất trên sợi polimetylmeacrylat được phủ một lớp mỏng APDC, sau đó sợi chiết được đưa vào

bộ phận tiêm mẫu của máy sắc ký khí, nhiệt độ giải hấp 2500C, Se(IV) được phát

hiện nhờ đầu dò MS Nghiên cứu cho giới hạn phát hiện 0,37µg/lít, độ thu hồi đạt

97% khi phân tích mẫu chuẩn SRM 1643e

Một công trình khác của tác giả C Dietz [38] và các cộng sự đã dùng cột Carboxen kích thước 75µm phủ PDMS (polidimetylsiloxan) để hấp phụ các dạng dimetylselenit (DMSe), dietylselenit (DEtSe), DMDSe từ dịch chiết các mẫu hải sản tôm cá Quá trình hấp phụ được tiến hành ở 250C với thời gian hấp phụ là 30 phút, quá trình giải hấp ở nhiệt độ 2400

C với khí mang là He sẽ phân tách các dạng

ra khỏi nhau ở các thời điểm khác nhau, sau đó hàm lượng Se được xác định bằng

phương pháp ICP – MS Giới hạn phát hiện của phương pháp đạt 0,57µg/lít cho DMSe, 0,47 µg/lít cho DEtSe, 0,19µg/lít cho DMDSe

Như vậy, có thể thấy nhóm các phương pháp tách xác định các dạng không đồng thời cùng với nhau thực hiện qua nhiều công đoạn, quy trình xử lý mẫu phân tích dễ bị nhiễm bẩn, các dạng sẽ bị chuyển hóa và hao hụt, hơn nữa các dạng có tính chất giống nhau rất khó để tách hoàn toàn ra khỏi nhau Nhóm phương pháp này có thể áp dụng tốt để phân tích một số ít các dạng hoặc phân tích một nhóm dạng nguyên tố có tính chất gần giống nhau

1.2.2 Nhóm các phương pháp sử dụng sắc ký ghép nối với các detector khác nhau

Đây là nhóm phương pháp hiện nay đang được áp dụng phổ biến trong các phòng thí nghiệm hóa phân tích trên thế giới để phân tích dạng nguyên tố, nhóm phương pháp này có thể phân tích đồng thời được nhiều dạng trong cùng một mẫu Bản chất của nhóm phương pháp này cũng dựa trên phương pháp tách riêng rẽ các dạng khác nhau của một nguyên tố, tuy nhiên các dạng vẫn nằm trong cùng một dung môi nhưng tồn tại ở những vùng riêng biệt khác nhau trên cột sắc ký nhờ vào các lực liên kết khác nhau với dung môi và với vật liệu pha tĩnh Nhóm các phương pháp này thường được thực hiện nhờ việc ghép nối các máy sắc ký với các thiết bị phân tích độc lập lại với nhau, ví dụ có thể ghép nối máy sắc ký lỏng với máy đo phổ hấp thụ nguyên tử ta có phương pháp xác định dạng LC – AAS hoặc ghép nối máy sắc ký khí với máy đo phổ khối lượng ta có phương pháp xác định dạng GC – MS [49] Có thể mô tả quá trình thực nghiệm theo sơ đồ hình 1.5

Hình 1 5 Sơ đồ phân tích dạng nhờ các thiết bị ghép nối

Có thể kể đến một số kỹ thuật ghép nối sau:

- Kỹ thuật ghép nối HPLC – ICP - MS: Nhiệm vụ của LC là tách các nguyên

diễn ra quá trình ion hóa trong buồng API (nguồn ion hóa dưới áp suất khí quyển) Ion sinh ra được tập trung và gia tốc bằng hệ quang học ion để đưa vào bộ phân tích khối (hình 1.6) Nếu nguồn ion hóa là nguồn cảm ứng cao tần plasma (ICP) thì quá trình tạo ion sẽ diễn ra triệt để hơn do nguồn ICP có năng lượng lớn [63]

Trong bộ phân tích khối này, ion sẽ bị bẫy trong những quĩ đạo được ổn định bởi một điện trường Tùy theo hiệu điện thế âm hay dương áp vào những thấu kính trong nguồn API và hệ quang học ion mà xác định những ion mang điện tích dương hoặc âm sẽ được dẫn tới bộ phân tích khối

Ion cần phân tích sẽ có một tỉ lệ m/z (khối lượng/điện tích hạt nhân) xác định, nhờ đó chúng được tách chọn lọc ra khỏi bộ phân tích khối và tạo một tín hiệu đặc trưng tại hệ thống phát hiện ion Với khối phổ thu được có thể định danh chính xác hợp chất nghiên cứu và kết hợp với mũi sắc ký tương ứng để định lượng hợp chất ấy.

Hình 1 6 Hệ thống ghép nối HPLC - MS

Theo nhóm phương pháp này có thể kể đến công trình của tác giả A J Bednar [24] và cộng sự Tác giả đã tiến hành xác định hàm lượng các dạng As trong mẫu nước tự nhiên với độ nhạy khá cao (<1ppb) và độ thu hồi tốt Cũng sử dụng hệ này, tác giả Zhilong [95] đã thực nghiệm khả năng tách trên cột tách ODS phủ photphatidylcholin, pha động là hệ đệm citrat có pH bằng 4 và hợp chất tạo cặp ion

để tách các dạng hữu cơ và vô cơ là tetrametylamoni hidroxit xác định các dạng As Nghiên cứu này đã cho thấy có thể xác định được 5 dạng As trong huyết thanh của

bệnh nhân trước và sau điều trị nhiễm độc As là As(III), As(V), DMA, MMA và

AB với độ nhạy dưới 5ppb cho các dạng và lượng mẫu tiêu tốn thấp (20μL) Các nghiên cứu khác cũng cho những thành tựu đáng lưu ý trong việc mở rộng đối tượng xác định cũng như nâng cao độ nhạy của phương pháp

Đối với phân tích dạng Se bằng phương pháp này có thể kể đến nghiên cứu của tác giả Bueno [31] và cộng sự, các tác giả đã xác định các dạng selen vô cơ (Se(IV), Se(VI)) và hữu cơ (Se-Cyst) trong nước tự nhiên sau khi sử dụng cột chiết pha rắn trao đổi anion để tách các dạng trên Phương pháp có giới hạn định lượng ở

hàm lượng cỡ 10 ng/l Tác giả Kolbl [59] đã so sánh các phương pháp

HPLC-FAAS, HPLC - GFAAS với HPLC-ICP-MS khi xác định các hợp chất Se trong môi trường nước và kết quả cho thấy phương pháp HPLC-ICP-MS cho giới hạn phát

hiện thấp nhất (0,1 ng/l) so với HPLC – FAAS và HPLC-GFAAS lần lượt là 10 ng/l

và 1 ng/l, đồng thời phương pháp HPLC-ICP-MS còn cho khoảng nồng độ tuyến tính rộng nhất (10 µg đến 10 mg/l) Cũng bằng phương pháp HPLC-ICP-MS, các

tác giả [66] đã phân lập các dạng Se (TMSe, Se(IV), Se(VI), SeMet, SeEt), trong tỏi

và hành xanh Kết quả phân tích cho thấy trong mẫu hàm lượng SeMet, TMSe có hàm lượng cao hơn nhiều các dạng Se khác

- Kỹ thuật ghép nối HPLC – AAS:

Đây là một phương pháp cũng khá phổ biến ở các phòng thí nghiệm phân tích, chi phí thấp hơn so với kỹ thuật ghép nối HPLC – ICP – MS nhưng kết quả phân tích

có giới hạn phát hiện thấp, độ nhạy và độ chọn lọc khá cao do sử dụng phổ hấp thụ nguyên tử để định lượng Kỹ thuật này về cơ bản vẫn dựa vào sự phân tách các dạng hợp chất trên cột sắc ký lỏng, sau đó chúng được chuyển trực tiếp vào buồng nguyên

tử hóa và được phát hiện nhờ vào độ hấp thụ quang của nguyên tố cần phân tích Quá trình định lượng các dạng trong mẫu phân tích theo kỹ thuật ghép nối HPLC – AAS trải qua hai giai đoạn:

+ Giai đoạn một: các dạng được định danh nhờ xác định thời gian lưu trên cột sắc ký HPLC ở mẫu phân tích so với mẫu chuẩn

+ Giai đoạn hai: các dạng được định lượng thông qua độ hấp thụ quang của nguyên tố cần xác định dạng trên detector AAS Khi đi vào buồng nguyên tử hóa, các dạng sẽ bị chuyển hóa hết thành dạng nguyên tử tự do ở trạng thái hơi, nhờ hệ thống phát và đo tín hiệu đơn sắc của chính nguyên tố cần xác định dạng trước và sau khi đi qua đám hơi nguyên tử đó mà sẽ xác định hàm lượng của chúng Như vậy, hệ thống đo phổ AAS có nhiệm vụ làm tăng tính chọn lọc, tăng độ nhạy, giảm được giới hạn phát hiện nhờ tính chất của phổ AAS

Kỹ thuật HPLC – AAS khi ghép nối thêm hệ thống khác như hệ thống hiđrua hóa (HG), hệ thống đèn UV…sẽ làm tăng độ nhạy, giảm ảnh hưởng của nền mẫu do

đã tách nguyên tố phân tích ở dạng hơi ra khỏi dung dịch mẫu nhờ khí mang, làm tăng độ ổn định của phép đo do các dạng sau khi đi qua cột tách đã được hệ thống đèn UV chuyển thành cùng một dạng As(V) [52] Hình 1.7 mô tả một sơ đồ khối của quá trình xác định các dạng As nhờ hệ thống ghép nối HPLC – UV – HG – AAS

Hình 1 7 Sơ đồ xác định các dạng As bằng hệ ghép nối HPLC – UV – HG – AAS [52]

Ở Việt Nam có thể kể đến công trình nghiên cứu của tác giả Chu Đình Bính [4] và cộng sự đã sử dụng hệ HPLC-HG-AAS để tách và định lượng các dạng As(III), DMA, MMA, As(V) có trong nước ngầm và một số mẫu sinh học (chủ yếu

là động vật thủy sinh và nước tiểu) Để tăng độ nhạy và ổn định của phương pháp, nhóm tác giả đã sử dụng hệ thống đèn UV sau cột để chuyển các dạng asen về dạng asen vô cơ Kết quả thu được: Giới hạn phát hiện của phép đo đạt được 5ng/ml đối

với As(III), MMA và As(V), 10 ng/ml đối với DMA Giới hạn định lượng đạt 10 ng/ml đối với As(III), MMA và As(V) đạt 20ng/ml đối với DMA

Ngoài ra có công trình của tác giả Lê Lan Anh [2] và các cộng sự áp dụng hệ ghép nối HPLC – AAS đã xác định các dạng As trong nước và trầm tích ven biển kết quả cho thấy dạng As tồn tại chính trong mẫu là As(III) và As(V) vô cơ, hàm lượng dạng As hữu cơ là rất thấp

Với Se, có thể kể đến công trình của tác giả Chatterjee [33], tác giả đã sử dụng

hệ ghép nối HPLC – HG – AAS để xác định hàm lượng các dạng Se trong nước tiểu bệnh nhân Kết quả phân tích cho thấy có phát hiện được các dạng Se(IV), Se(VI), SeMet trong mẫu với giới hạn phát hiện 0,2ppb cho Se(IV); 0,4ppb cho Se(VI); 0,2ppb cho SeMet

Tóm lại phương pháp sử dụng các thiết bị ghép nối được sử dụng khá phổ biến, ưu điểm của nhóm phương pháp này là có thể xác định đồng thời các dạng trong một mẫu với độ chính xác cao do không phải qua giai đoạn tách riêng rẽ từng dạng Quá trình phân tích khép kín sẽ tránh việc làm mất, làm bẩn và chuyển dạng chất phân tích, lượng mẫu tiêu tốn nhỏ, độ lặp lại tốt do quá trình phân tích hoàn toàn tự động [55] Ngoài ra, đối với những hệ ghép nối HPLC – MS, HPLC – HG – AFS [49] còn cho phép xác định chất ở giới hạn rất nhỏ (cỡ ppt ≤10-12)

Tuy nhiên, phương pháp ghép nối cũng có nhược điểm là có nhiều trường hợp phổ chồng lấn lên nhau do một số dạng có những tính chất hoàn toàn tương tự nhau gây sai số cho quá trình xác định [56] Quá trình phân tách dạng trên cột sắc ký đòi hỏi phải lựa chọn dung môi hoặc hệ dung môi thích hợp, đây là một công việc khá khó Việc ghép nối các thiết bị phân tích độc lập lại với nhau rất khó thực hiện, do

đó đòi hỏi phải mua nguyên cả hệ thống ghép nối của nước ngoài khá tốn kém, các phòng thí nghiệm nhỏ khó đáp ứng được Chính vì vậy, việc phát triển một phương pháp phân tích dạng đơn giản, tận dụng được các phương tiện phân tích sẵn có nhưng kết quả phân tích có thể tương đương với phương pháp ghép nối là một nhu cầu cấp thiết

1.2.3 Phân tích dạng dựa vào phản ứng xúc tác

Phương pháp này dựa trên cơ sở chất cần xác định đóng vai trò xúc tác cho một phản ứng nào đó mà ta có thể đo được tín hiệu phân tích (như độ hấp thụ quang, cường độ dòng điện, sự phát bức xạ huỳnh quang…) Dựa vào mối quan hệ giữa nồng độ chất xúc tác và sự thay đổi tín hiệu phân tích để xây dựng đường chuẩn, căn cứ vào đường chuẩn để xác định chất phân tích trong mẫu thực

Một ví dụ áp dụng phương pháp này có thể kể đến công trình của tác giả Vimlesh Chand [88] và cộng sự, để xác định dạng Se(IV) và Se(VI) vô cơ trong dung dịch nước các tác giả đã dùng phản ứng của Metyl da cam (MO) là hợp chất

có màu vàng với ion Bromat (BrO3-), trong môi trường axit, khi có mặt Se(IV) làm xúc tác thì việc khảo sát độ hấp thụ quang của dung dịch rất khó khăn vì phản ứng xảy ra quá nhanh Nhưng khi bổ xung thêm hydrazin vào môi trường phản ứng sẽ làm cho tốc độ phản ứng chậm lại Bằng cách theo dõi sự giảm độ hấp thụ quang của MO (khi có mặt hidrazin, KBrO3) theo nồng độ Se(IV) thì có thể định lượng nồng độ Se(IV) trong mẫu Nếu trong mẫu có mặt Se(VI) thì cần khử Se(VI) về Se(IV) rồi xác định tổng Se sau đó suy ra hàm lượng Se(VI)

Trong một công trình khác, tác giả Zhu Ren - He [96] đã đưa ra một phương pháp phân tích động học huỳnh quang xác định dạng vết As(III) Phương pháp dựa trên ảnh hưởng xúc tác của As(III) đến sự oxi hóa chất màu trung tính của KIO3trong môi trường axit H2SO4 cùng với việc làm giảm cường độ phát huỳnh quang Khi có mặt của As(III) phản ứng oxi hóa chất màu bởi KIO3 xảy ra làm giảm hàm khả năng phát huỳnh quang Căn cứ vào độ giảm cường độ phát huỳnh quang tỉ lệ thuận với hàm lượng As(III) có trong mẫu để định lượng As(III) Đối với As(V) không cho phản ứng nên không xác định được, muốn xác định phải khử sơ bộ mẫu

về As(III) và làm như đối với As(III) Phương pháp tác giả đưa ra có giới hạn phát

thường xúc tác cho một phản ứng hoặc một loại phản ứng Nhưng nhược điểm của phương pháp là đặc tính xúc tác của một ion vô cơ phụ thuộc vào kích thước ion, điện tích và liên kết của nó vì vậy các chất có đặc tính tương tự như chất phân tích

sẽ ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng làm tính chọn lọc giảm khi có mặt các chất hoá học có liên quan đến các nguyên tố Tuy nhiên, độ chọn lọc của phương pháp xúc tác có thể được cải thiện bằng cách thay đổi điều kiện phản ứng (pH, nồng độ chất phản ứng, nhiệt độ ) hoặc sử dụng các kỹ thuật tách (trao đổi ion, phương pháp phổ, khuyếch tán phổ, kết tủa đồng thời, chưng cất, điện di ), sử dụng các tác nhân che để hạn chế ảnh hưởng của các ion cản Một nhược điểm nữa của phương pháp động học xúc tác là tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ, do đó nhiệt độ phải được giữ không đổi trong suốt quá trình thực nghiệm Điều này làm cho phương pháp có độ lặp lại kém do điều kiện nhiệt độ không lặp lại được trùng khớp như các thí nghiệm trước Phương pháp này cũng có nhược điểm là không xác định được đồng thời nhiều dạng trong cùng một mẫu, muốn xác định dạng khác lại phải chuyển về dạng có hoạt tính xúc tác hoặc dùng phản ứng khác

1.2.4 Phân tích dạng sử dụng Chemometrics

Chemometrics được định nghĩa là việc ứng dụng các phương pháp toán học, thống kê, đồ hoạ,… để qui hoạch thực nghiệm, tối ưu hoá các thông tin hoá học trích ra từ tập số liệu phân tích và đưa ra tối đa những thông tin hữu ích từ tập số liệu ban đầu

Ra đời từ những năm đầu của thập kỉ 70, cho tới nay Chemometrics đã xác lập được một vị trí quan trọng cho mình trong ngành hoá học, đặc biệt là trong hoá học phân tích hiện đại Một mảng lớn trong Chemometrics phát triển nhanh gắn liền với toán học và tin học là hồi qui đa biến – kỹ thuật đa biến được dùng rộng rãi trong phòng thí nghiệm hoá học giúp giải quyết các bài toán xác định đồng thời nhiều cấu

tử cùng có mặt trong hỗn hợp mà không cần tách loại trước

Nguyên tắc của phương pháp là dựa vào tín hiệu đo khác nhau ở các điều kiện khác nhau, tín hiệu đo này là tổng hợp của tất cả các dạng của nguyên tố cần định

nồng độ từng dạng trong mẫu phân tích [10] Nhờ các thuật toán hồi quy như bình phương tối thiểu từng phần hoặc toàn phần, hoặc các thuật toán khác để xây dựng các phương trình đường chuẩn đa biến thể hiện mối quan hệ giữa tín hiệu đo và nồng độ các dạng Các đường chuẩn đa biến được xây dựng trên cơ sở của các dung dịch chuẩn chứa các dạng của nguyên tố cần phân tích đã biết nồng độ Với mẫu cần định phân, chỉ cần có tín hiệu phân tích ở các điều kiện đo khác nhau, trên cơ sở các đường chuẩn đa biến sẽ dự đoán được nồng độ các dạng cần xác định

Trên thế giới Chemometrics được áp dụng trong hóa học phân tích từ khá lâu

và đã có nhiều công trình nghiên cứu được công bố Có thể kể đến nghiên cứu của nhóm tác giả Torralba [86], các tác giả đã xác định đồng thời 4 dạng As là As(III)

vô cơ, As(V) vô cơ, DMA(V) và MMA(V) bằng cách sử dụng kĩ thuật bình phương tối thiểu nghịch đảo để xây dựng đường chuẩn đa biến tuyến tính Phương pháp xây dựng trên cơ sở 4 dạng As khảo sát cho tín hiệu hấp thụ khác nhau sau khi khử bằng NaBH4 ở các môi trường axit khác nhau Các tác giả đã nghiên cứu và lựa chọn đo tín hiệu các dạng As này tại 6 môi trường phản ứng là môi trường HCl 6M, 1M, 0,5M, axit axetic 1M, môi trường đệm citric/citrat có pH = 2 và 4 Trong các môi trường khác nhau, tín hiệu thu được của các dạng có sự phụ thuộc lớn vào pH, bản chất axit và nồng độ axit sử dụng làm môi trường khử Từ dữ liệu đo độ hấp thụ quang của các dung dịch mẫu chuẩn, các tác giả đã sử dụng các câu lệnh tính toán trong phần mềm Matlab để xây dựng mô hình hồi qui đa biến Các mẫu tự tạo được dùng để kiểm tra mô hình xây dựng được đều cho kết quả có độ lệch chuẩn tương đối dưới 10%

Một công trình nghiên cứu khác của tác giả Pettersson [74] cùng đồng sự cũng

sử dụng phương pháp hồi qui đa biến để xác định đồng thời photphat và asenat trong cùng dịch chiết mẫu đất trồng nông nghiệp Các tác giả đã cho hai ion này cùng tác dụng với Molypdat và Axit Ascobic tạo phức màu xanh, dung dịch phức được đo độ hấp thụ quang với bước sóng thay đổi trong khoảng 410 – 820 nm Dữ liệu độ hấp thụ quang được phân tích nhờ thuật toán bình phương tối thiểu từng

phần (PLS), từ đó hàm lượng photphat và asenat được xác định với giới hạn phát

hiện 0,2 µmol/lít cho photphat và 0,7 µmol/lít cho asenat

Như vậy, có thể nói đã có những ứng dụng của Chemometrics trong phân tích dạng nguyên tố được công bố Ngày nay, phương pháp càng được phát triển cùng với sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin Đây là một giải pháp hiệu quả

và kinh tế mà vẫn phát huy ưu điểm của các phương pháp phân tích dựa trên hoạt động độc lập của các thiết bị phân tích sẵn có

Ở Việt Nam, hiện nay ứng dụng Chemometrics vào phân tích dạng nguyên tố còn rất hạn chế, đặc biệt trong phân tích dạng As, Se chưa có công trình nào công

bố Chính vì vậy việc phát triển ứng dụng Chemometrics trong lĩnh vực phân tích dạng nguyên tố là phù hợp với điều kiện của các phòng thí nghiệm ở Việt Nam

1.3 Sơ lược về các thuật toán hồi quy đa biến dùng trong phân tích dạng

Như đã phân tích ở mục 1.2.4, phương pháp hồi qui đa biến được dùng rộng rãi trong phòng thí nghiệm hoá học giúp xác định đồng thời nhiều dạng hợp chất cùng có mặt trong hỗn hợp mà không cần tách loại Các thuật toán hồi qui tuyến tính đa số được giải quyết bằng phần mềm MATLAB, một số thuật toán đơn giản hơn có thể sử dụng MINITAB hoặc SPSS hay STATGRAPHICS, Unscrambler… [7, 10] Có hai mô hình hồi quy đa biến được sử dụng là hồi quy đa biến tuyến tính

và hồi quy đa biến phi tuyến, trong khuôn khổ của luận án chúng tôi sử dụng phương pháp hồi quy đa biến tuyến tính

Phương pháp này có nguyên tắc như sau: Giả sử hỗn hợp cần phân tích có k cấu tử (X1, X2…Xk), tín hiệu phân tích của hỗn hợp là y thì phương trình hồi qui đa biến mô tả quan hệ giữa y và các biến Xi (i=1,2,…k) có dạng

y= a+ b1X1 + b2X2 +…+ bkXk

Về mặt lý thuyết để tìm nồng độ của k cấu tử cần có ít nhất k phương trình hồi qui Vì vậy thực tế sẽ cần tiến hành m thí nghiệm (m  k) với m dung dịch chuẩn hỗn hợp thì sẽ lập được m phương trình hồi qui đa biến Dạng tổng quát của hệ phương trình này như sau: y= a+Xb

Trong đó b là vec tơ chứa các hệ số của phương trình hồi qui ; y là vec tơ cột chứa m giá trị y1…ym còn X là ma trận có m hàng (ứng với m quan sát) và k cột (ứng với k biến)

y y y

y

3 2 1

m

k k

x x

x

x x

x

x x

x X

2 22

21

1 12

11

Nếu tín hiệu đo ứng với mỗi thí nghiệm có nhiều hơn một giá trị (ví dụ đo độ hấp thụ quang một dung dịch chuẩn hỗn hợp tại p bước sóng thay vì một bước sóng) thì số liệu của y sẽ là ma trận có m dòng và p cột (ymxp) như sau:

Các phương trình hồi qui tuyến tính thu được sẽ cho biết:

- Những biến (cấu tử) nào có ảnh hưởng lớn (nếu giá trị tuyệt đối của hệ số hồi qui lớn) đến kết quả thí nghiệm (tín hiệu đo)

- Biết được chiều hướng các ảnh hưởng (hệ số hồi qui mang dấu dương sẽ có ảnh hưởng cùng chiều đến kết quả thí nghiệm và ngược lại)

- Tìm được nồng độ các cấu tử trong dung dịch cần định phân khi có tín hiệu phân tích y

Tùy thuộc vào đặc điểm của hàm phụ thuộc, có thể chia các phương pháp hồi qui đa biến tuyến tính thành 2 nhóm chính: các phương pháp hồi qui đa biến tuyến tính sử dụng phổ toàn phần ban đầu như phương pháp CLS (bình phương tối thiểu thông thường), hoặc thuật toán giảm kích thước tập số liệu PCR (hồi quy cấu tử chính), và phương pháp sử dụng dữ liệu phổ riêng phần như ILS (bình phương tối thiểu nghịch đảo), và chuyển hóa tập số liệu PLS (bình phương tối thiểu từng phần)

Trong luận án này, tín hiệu của các dung dịch chứa các dạng được đo ở các điểm rời rạc nên chúng tôi chọn sử dụng phương pháp hồi qui trên phổ riêng phần

Sau đây, chúng tôi trình bày một số phương pháp hồi qui đa biến tuyến tính dùng

để xác định đồng thời các cấu tử trong cùng một hỗn hợp mà không cần tách loại

1.3.1 Phương pháp bình phương tối thiểu nghịch đảo - ILS

Phương pháp ILS hay còn gọi là phuơng pháp ma trận P được xây dựng trên giả thiết rằng nồng độ của chất phân tích là hàm của tín hiệu đo:

C = P A Trong phương pháp hồi qui đa biến, phương trình trên có thể khai triển thành:

C1 = P11A1 + P12A2 + … + P1mAm

C2 = P21A1 + P22A2 + … + P2mAm

…

Cx = Px1A1 + Px2A2 + … + PxmAmTrong đó:

Am : Giá trị tín hiệu đo ở thời điểm m

Pxm : Giá trị hệ số hồi qui của cấu tử thứ x tại thời điểm m

Cx : Nồng độ cấu tử thứ x

Các bước tính toán trong mô hình ILS bao gồm:

+ Bước 1 Xây dựng các ma trận dữ liệu chuẩn

Trong bước này, một ma trận nồng độ (C) được thiết lập có chứa tất cả các cấu

tử cần xác định với nồng độ thay đổi sao cho ở các mẫu đo không hoàn toàn giống nhau Để mô hình xây dựng được cho sai số nhỏ thì số hàng, số cột thường phải nhiều hơn số cấu tử cần xác định, càng nhiều càng tốt Sau đó ma trận tín hiệu đo (A) của ma trận C được thu thập để xử lý bước tiếp theo

+ Bước 2 Xác định công thức tính hệ số hồi qui

Ma trận hệ số hồi qui được xác định theo công thức

C = A P

AT C = AT A P

[AT A]-1 AT C = P

Với AT là ma trận chuyển vị của ma trận A

Để ma trận nghịch đảo của [AT A] – nghịch đảo giả của A – tồn tại, A cần có

số hàng tối thiểu bằng số cột Mỗi hàng trong A là tín hiệu của một mẫu, mỗi cột là tín hiệu của các mẫu ở một thời điểm nhất định Vì vậy, trong phương pháp ILS số mẫu không được ít hơn số thời điểm đo Do yêu cầu về số mẫu tối thiểu như trên nên để tiến hành sử dụng phương pháp này, ta cần lựa chọn số thời điểm đo tối thiểu đặc trưng nhất trên toàn dải phổ, vì vậy, phương pháp ILS còn được gọi là phương pháp phổ riêng phần Các điểm đo đặc trưng này thường là những điểm thỏa mãn các yêu cầu sau:

 Giá trị tín hiệu đo tại các thời điểm này lớn so với các điểm đo khác để tăng độ nhạy

 Tín hiệu của các cấu tử khác nhau tại mỗi điểm đo được lựa chọn phải biến đổi khác nhau tức là có sự khác biệt lớn về tín hiệu đo tại mỗi điểm của các cấu tử

 Tại các điểm này, tín hiệu của các ion cản trở phép đo là nhỏ nhất

+ Bước 3 Dự đoán thông tin của mẫu chưa biết

Với mẫu chưa biết nồng độ, từ ma trận tín hiệu đo Ax của mẫu sẽ xác định được nồng độ các chất dựa vào ma trận P đã tính: Cx = Ax P

Ưu điểm của phương pháp ILS:

- Thích hợp với tập số liệu nhỏ, ít thông tin

- Loại trừ được sai số nhiễu phổ và giảm thiểu được ảnh hưởng của các cấu tử

lạ do đã lựa chọn các thời điểm đo đặc trưng

- Khi tín hiệu đo là các giá trị nhỏ hơn giá trị qui ước của nồng độ thì giá trị các hệ số trong ma trận P sẽ lớn hơn hệ số hồi qui của phương pháp CLS, điều này

sẽ làm giảm sai số trong quá trình tính toán

Nhược điểm của phương pháp ILS:

- Cần lựa chọn tối thiểu các thời điểm đo đặc trưng cho các cấu tử Lựa chọn sai lệch sẽ dẫn đến sai số lớn trong quá trình tính toán

- Phải đảm bảo có tính cộng tính cao của các cấu tử ở các thời điểm đo được lựa chọn