Nghiên cứu phân tích dạng thủy ngân hữu cơ, vô cơ trong mẫu trầm tích bằng kỹ thuật chiết chọn lọc và phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử

Mục tiêu chính của luận văn là: - Nghiên cứu, xây dựng phương pháp phân tích hàm lượng tổng thủy ngân bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử và chiết các dạng thủy ngân hữu cơ tron

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

ĐINH THỊ THU HUYỀN

NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH DẠNG THỦY NGÂN HỮU CƠ, VÔ CƠ TRONG MẪU TRẦM TÍCH BẰNG

KỸ THUẬT CHIẾT CHỌN LỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP

QUANG PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN - 2016

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

ĐINH THỊ THU HUYỀN

NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH DẠNG THỦY NGÂN HỮU CƠ, VÔ CƠ TRONG MẪU TRẦM TÍCH BẰNG

KỸ THUẬT CHIẾT CHỌN LỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP

QUANG PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ

Chuyên ngành: Hóa phân tích

Mã số: 60.44.01.18

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS VŨ ĐỨC LỢI

THÁI NGUYÊN - 2016

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn đến PGS.TS Vũ Đức Lợi, trưởng phòng Hóa phân tích, phó viện trưởng Viện Hóa học - Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Hóa phân tích nói riêng và trong khoa Hóa học nói chung đã dạy dỗ, chỉ bảo và động viên tôi trong thời gian tôi học tập tại trường Đại học Khoa Học - Đại Học Thái Nguyên

Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ trong phòng Hóa phân tích, viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã hướng dẫn và tạo điều kiện tốt nhất để tôi được làm việc, nghiên cứu hoàn thành luận văn của mình

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng 11 năm 2016

Tác giả luận văn

Đinh Thị Thu Huyền

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN a MỤC LỤC b DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT d DANH MỤC SƠ ĐỒ e DANH MỤC HÌNH f DANH MỤC BẢNG BIỂU g DANH MỤC PHỤ LỤC h

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Giới thiệu về nguyên tố thuỷ ngân 4

1.1.1 Tính chất vật lý 4

1.1.2 Tính chất hoá học 5

1.1.3 Trạng thái tự nhiên 6

1.1.4 Ứng dụng của thủy ngân 7

1.1.5 Độc tính của thuỷ ngân 8

1.1.6 Quá trình tích lũy sinh học của thuỷ ngân 10

1.2 Các phương pháp phân tích thuỷ ngân trong trầm tích 12

1.2.1 Các phương pháp phân tích tổng thuỷ ngân và thuỷ ngân vô cơ 12

1.2.2 Các phương pháp phân tích định dạng thuỷ ngân 19

1.3 Phân tích hàm lượng tổng thuỷ ngân, thuỷ ngân vô cơ và thuỷ ngân hữu cơ 25

1.3.1 Nguyên tắc của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử 27

1.3.2 Trang bị của phép đo 29

1.3.3 Nguyên lý của kỹ thuật hoá hơi lạnh 31

Chương 2 THỰC NGHIỆM 36

2.1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 36

2.1.1 Mục tiêu nghiên cứu 36

2.1.2 Nội dung nghiên cứu 36

2.2 Phương pháp nghiên cứu 36

2.2.1 Phương pháp tổng hợp tài liệu 36

2.2.2 Phương pháp thực nghiệm 37

2.2.3 Phương pháp xử lý số liệu 37

2.3 Các thông số đánh giá độ tin cậy của phương pháp phân tích 37

2.3.1 Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) 37

2.3.2 Độ chụm (độ lặp lại) của phương pháp 38

2.3.3 Độ đúng (độ thu hồi) của thiết bị, của phương pháp 38

2.4 Lấy mẫu và bảo quản mẫu 38

2.5 Trang thiết bị và hóa chất phục vụ nghiên cứu 39

2.5.1 Trang thiết bị 39

2.5.2 Hóa chất 39

2.5.3 Chuẩn bị hoá chất và dung dịch chuẩn 40

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41

3.1 Các điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử của thủy ngân 41

3.2 Quy trình phân tích tổng thủy ngân 41

3.2.1 Xây dựng đường chuẩn thủy ngân tổng số 42

3.2.2 Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) 44

3.2.3 Độ lặp lại 46

3.2.4 Độ chính xác 47

3.2.5 Độ thu hồi 47

3.3 Quy trình phân tích thủy ngân hữu cơ, vô cơ 48

3.3.1 Khảo sát quy trình tách chiết để xác định tổng thuỷ ngân hữu cơ 48

3.3.2 Đánh giá phương pháp phân tích thuỷ ngân hữu cơ 52

3.4 Phân tích dạng thuỷ ngân hữu cơ và vô cơ trong trầm tích biển 52

KẾT LUẬN 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 PHỤ LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

AAS : Atomic Absorption Spectroscopy

AES : Atomic Emission Spectroscopy

AFS : Atomic Fluorescence Spectrometry

CV-AAS : Cold Vapor-Atomic Absorption Spectroscopy

DCP-AES : Direct Current Plasma-Atomic Emission Spectroscopy

ECD : Electron Capture Detector

EPMA : Electron Probe Micro Analysis

ICP-AES : Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectroscopy ICP-MS : Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry

MIP-AES : Microwawe Induced Plasma-Atomic Emission Spectrometry

DANH MỤC SƠ ĐỒ

Trang

Sơ đồ 1.1 Quy trình phân tích hàm lượng thuỷ ngân tổng số trong

trầm tích 26

Sơ đồ 1.2 Quy trình phân tích dạng thuỷ ngân hữu cơ 27

Sơ đồ 1.3 Sơ đồ nguyên tắc của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử 29

Sơ đồ 1.4 Sơ đồ nguyên tắc cấu tạo của máy quang phổ hấp thụ

nguyên tử 31

Sơ đồ 3.1 Quy trình phân tích tổng thủy ngân trong trầm tích 42

Sơ đồ 3.2 Quy trình phân tích thuỷ ngân hữu cơ 49

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Chu trình biến đổi thuỷ ngân trong môi trường 11

Hình 1.2 Mô hình hệ thống hóa hơi lạnh cải tiến 32

Hình 1.3 Phổ hấp thụ của thủy ngân trước và sau khi cải tiến thiết bị 33

Hình 1.4 Phổ hấp thụ của thủy ngân nồng độ 2 μg/l 33

Hình 1.5 Phổ hấp thụ của thủy ngân nồng độ từ 0,1 đến 2,0 μg/l 34

Hình 1.6 Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử kỹ thuật hóa hơi lạnh phân tích thủy ngân bán tự động Model HG - 201 34

Hình 3.1 Phổ AAS của thủy ngân khi xây dựng đường chuẩn 43

Hình 3.2 Đường chuẩn xác định tổng thủy ngân 44

Hình 3.3: Ảnh hưởng của thể tích clorofom đến độ thu hồi của thuỷ ngân hữu cơ 50

Hình 3.4 Hiệu suất giải chiết CH3HgCl bằng natrithiosunfat 52

Hình 3.5 Bản đồ các vị trí lấy mẫu tại các tỉnh miền Trung từ Hà Tĩnh đến Thừa Thiên Huế 53

Hình 3.6 Bản đồ vị trí lấy mẫu tại vịnh Vũng Áng và vịnh Sơn Dương, Hà Tĩnh 54

Hình 3.7 Hàm lượng tổng thủy ngân trong các mẫu trầm tích tại Quảng Trị 56

Hình 3.8 Hàm lượng tổng thủy ngân trong các mẫu trầm tích tại Vũng Áng, Kỳ Anh, Hà Tĩnh 57

Hình 3.9 Hàm lượng tổng thủy ngân trong các mẫu trầm tích tại Vịnh Sơn Dương, Kỳ Anh, Hà Tĩnh 57

Hình 3.10 Hàm lượng tổng thủy ngân trong các mẫu trầm tích tại Thừa Thiên Huế, Quảng Bình, Hà Tĩnh 58

Hình 3.11 Sự phân bố các dạng thủy ngân trong trầm tích 59

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 3.1 Các điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử của thủy ngân 41

Bảng 3.2 Xây dựng đường chuẩn xác định tổng thủy ngân 43

Bảng 3.3 Kết quả phân tích mẫu chuẩn thủy ngân nồng độ 0,1 µg/l 45

Bảng 3.4 Kết quả đánh giá độ lặp lại của phương pháp phân tích tổng thủy ngân 46

Bảng 3.5 Kết quả phân tích mẫu chuẩn MESS-3, CMR 580 47

Bảng 3.6 Độ thu hồi của thủy ngân trong mẫu 48

Bảng 3.7 Kết quả chiết thủy ngân hữu cơ theo thể tích clorofom 50

Bảng 3.8 Kết quả giải chiết Hg hữu cơ bằng Na2S2O3 51

Bảng 3.9 Kết quả phân tích thuỷ ngân hữu cơ mẫu chuẩn CMR 580 52

Bảng 3.10 Kết quả hàm lượng tổng thủy ngân trong trầm tích 54

Bảng 3.11 Kết quả phân tích các dạng thủy ngân trong trầm tích 58

DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC

Phụ lục 1 Phổ AAS xác định hàm lượng tổng thủy ngân trong các mẫu

trầm tích tại Quảng Trị 1-PLPhụ lục 2 Phổ AAS xác định hàm lượng tổng thủy ngân trong các mẫu

trầm tích tại Vũng Áng, Kỳ Anh, Hà Tĩnh 2-PLPhụ lục 3 Phổ AAS xác định hàm lượng tổng thủy ngân trong các mẫu

trầm tích tại Vịnh Sơn Dương, Kỳ Anh, Hà Tĩnh 3-PLPhụ lục 4 Phổ AAS xác định hàm lượng tổng thủy ngân trong các mẫu

trầm tích tại Thừa Thiên Huế, Quảng Bình, Hà Tĩnh 6-PLPhụ lục 5 Phổ AAS xác định hàm lượng thủy ngân hữu cơ trong các

mẫu trầm tích 7-PL

MỞ ĐẦU

Thủy ngân và các hợp chất của nó là các tác nhân hóa học có khả năng tích tụ sinh học lớn gây ra những ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và môi trường Thủy ngân được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp như hóa chất, phân bón, chất dẻo, kỹ thuật điện, điện tử, xi măng, sơn, tách vàng bạc trong các quặng sa khoáng, sản xuất các loại đèn huỳnh quang, pin, phong vũ kế, nhiệt kế, huyết áp kế, mỹ phẩm

Theo Chương trình Môi trường Liên hợp quốc (UNEP), tốc độ phát triển kinh tế rất nhanh của châu Á đã thúc đẩy mức độ tăng trưởng của những ngành công nghiệp có sử dụng thủy ngân trong sản xuất, làm cho châu lục này trở thành nơi thải ra lượng thủy ngân nhiều nhất, chiếm gần 50% lượng thải chất độc hại này của thế giới

Trên thế giới đã có nhiều trường hợp nhiễm độc thuỷ ngân xảy ra ở quy

mô lớn [1, 2, 3, 4, 5]

Vào năm 1953-1999 tại thành phố Minamata Nhận Bản đã có 2955 người nhiễm độc thuỷ ngân trong số những người đã ăn phải cá nhiễm thuỷ ngân từ vịnh Trong số những người bị nhiễm độc, đã có 1706 người chết [3,

6] Những khuyết tật về gen đã được quan sát thấy ở trẻ em sơ sinh mà mẹ

của chúng ăn hải sản được khai thác từ vịnh Trong cá của vịnh người ta phát hiện thấy có chứa từ 27-102 ppm thuỷ ngân dưới dạng metyl thuỷ ngân, nguồn thuỷ ngân này được thải ra từ nhà máy hoá chất Chisso, thành phố Minamata, Nhật Bản Năm 1972 tại Irac đã có 459 nông dân bị chết sau khi

ăn phải lúa mạch nhiễm độc thuỷ ngân do thuốc trừ sâu

Tại Việt Nam đã có nhiều trường hợp nhiễm độc thuỷ ngân, chủ yếu tại các vùng khai thác vàng sử dụng công nghệ tạo hỗn hống với thuỷ ngân Một trong những biểu hiện nhiễm thuỷ ngân trong những năm gần đây ở Việt Nam

là bệnh “tê tê say say” ở Bình Chân - Lạc Sơn - Hoà Bình, có thời điểm số người nhiễm bệnh tới 128 trong số đó có trên 10 người tử vong

Độc tính của thuỷ ngân phụ thuộc rất nhiều vào dạng hoá học của nó Nhìn chung, thuỷ ngân ở dạng hợp chất hữu cơ (thuỷ ngân hữu cơ) độc hơn thuỷ ngân vô cơ Thuỷ ngân nguyên tố và thuỷ ngân sunfua là dạng ít độc nhất Dạng độc nhất của thuỷ ngân là metyl thuỷ ngân, dạng này được tích luỹ trong tế bào cá và động vật

Hợp chất thuỷ ngân và dạng hoá lý của chúng có thể được phân chia bằng nhiều cách khác nhau và thuật ngữ "specciation" được sử dụng với nhiều nghĩa khác nhau bởi các nhà khoa học nghiên cứu ở những lĩnh vực khác nhau về thuỷ ngân [2, 5, 7] Đối với các nhà độc tố hoá học, điều quan trọng

là cần biết thuỷ ngân ở dạng vô cơ hay hữu cơ Các trường hợp nhiễm độc thuỷ ngân tại Minamata, Nhật Bản và Irac được xác định là do metyl thuỷ ngân Những trường hợp ô nhiễm thuỷ ngân mới ở các nước đang phát triển

từ việc khai thác sử dụng công nghệ tạo hỗn hống được xác định bởi do hơi thuỷ ngân và metyl thuỷ ngân được tạo ra do sự chuyển dạng của thuỷ ngân trong môi trường Chính vì thế theo quan điểm độc học thì phải chia thuỷ ngân thành các dạng khác nhau

Đối với nhà sinh thái học, dạng thuỷ ngân liên quan đến khả năng đáp ứng sinh học, độ hoà tan, độ bền vững và tương tác với đất Người ta coi thuỷ ngân ở dạng ít tan như HgS khác với dạng thuỷ ngân khác

Trong công nghiệp, việc xác định chính xác các dạng hoá học và cấu trúc hoá học của thuỷ ngân trong các sản phẩm là cần thiết để bảo đảm chất lượng và an toàn của sản phẩm

Chính vì vậy, quá trình nhận dạng và xác định hàm lượng những dạng hoá học khác nhau của thuỷ ngân tạo nên tổng hàm lượng của thuỷ ngân trong một mẫu phân tích là rất quan trọng

Vì những lý do trên, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu phân tích

dạng thủy ngân hữu cơ, vô cơ trong mẫu trầm tích bằng kỹ thuật chiết chọn lọc và phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử”

Mục tiêu chính của luận văn là:

- Nghiên cứu, xây dựng phương pháp phân tích hàm lượng tổng thủy ngân bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử và chiết các dạng thủy ngân hữu cơ trong mẫu trầm tích bằng kỹ thuật chiết chọn lọc

- Ứng dụng quy trình phân tích vừa xây dựng xác định và đánh giá hàm lượng tổng thủy ngân, thủy ngân hữu cơ, thủy ngân vô cơ trong một số mẫu trầm tích thu được tại một số khu vực trên địa bàn bốn tỉnh miền Trung từ Hà Tĩnh đến Thừa Thiên Huế

Luận văn được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm Các nội dung chính của luận văn được thực hiện tại Viện Hoá học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Trong bảng tuần hoàn, Hg thuộc ô 80, nhóm IIB, chu kì 6; nguyên tử khối trung bình: 200,59 [8]

Bảng 1.1 Một số hằng số vật lý của thủy ngân

5d106s2Năng lượng ion hoá (eV)

Thuỷ ngân có 7 đồng vị ổn định của thủy ngân với 202Hg là phổ biến nhất (29,86%) Các đồng vị phóng xạ bền nhất là 194Hg với chu kỳ bán rã 444 năm, và 203Hg với chu kỳ bán rã 46,612 ngày Phần lớn các đồng vị phóng xạ

Thuỷ ngân tinh khiết là chất lỏng ở nhiệt độ thường, có màu trắng bạc, khi đổ ra tạo thành những giọt tròn lấp lánh, linh động nhưng trong không khí

ẩm dần dần bị bao phủ bởi màng oxit nên mất ánh kim Thuỷ ngân không tinh khiết bị phủ một lớp váng và để lại những vạch trắng dài

Thuỷ ngân bay hơi ngay ở nhiệt độ phòng, hơi thuỷ ngân gồm những phân tử đơn nguyên tử Áp suất hơi của thuỷ ngân phụ thuộc mạnh vào nhiệt

độ, ở 200C áp suất hơi bão hoà của thuỷ ngân là 1,3.103 mmHg Ở 200C, thuỷ ngân có trọng lượng riêng là 13,55 Khi hoá rắn, thuỷ ngân trở nên dễ rèn như chì và là những tinh thể bát diện phát triển thành hình kim

Thuỷ ngân tan được trong các dung môi phân cực và không phân cực, dung dịch của thuỷ ngân trong nước (khi không có không khí) ở 250C chứa 6.10-8g Hg/l

Thủy ngân có tính dẫn nhiệt kém nhưng dẫn điện tốt

Thủy ngân tạo ra hợp kim với phần lớn các kim loại, bao gồm vàng, nhôm, bạc và đồng nhưng không tạo với sắt Do đó, người ta có thể chứa thủy ngân trong bình bằng sắt Telua cũng tạo ra hợp kim, nhưng nó phản ứng rất chậm để tạo ra telurua thủy ngân Hợp kim của thủy ngân được gọi là hỗn hống, hỗn hống có thể ở dạng lỏng hoặc rắn phụ thuộc vào tỉ lệ của kim loại tan trong thuỷ ngân

1.1.2 Tính chất hoá học

Tính chất của thủy ngân phụ thuộc vào trạng thái oxi hóa của nó Phần lớn thủy ngân tồn tại trong nước, đất, trầm tích, sinh vật (tất cả môi trường trừ khí quyển) đều ở dạng các muối thủy ngân vô cơ hoặc hữu cơ Trong muối vô cơ, thủy ngân có hóa trị I và II, trong các hợp chất hữu cơ thủy ngân có hóa trị II

Thuỷ ngân không tác dụng với oxi ở nhiệt độ thường, nhưng tác dụng rõ rệt ở 3000C tạo thành HgO và ở 4000C oxit đó lại phân huỷ thành nguyên tố

Thuỷ ngân phản ứng dễ dàng với nhóm halogen và lưu huỳnh

Thuỷ ngân chỉ tan trong axit có tính oxi hoá mạnh như: HNO3, H2SO4 đặc

Hg + 4HNO3 (đặc) → Hg(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O 6Hg + 8HNO3 (loãng)→ 3Hg2(NO3)2+ 2NO + 4H2O

1.1.3 Trạng thái tự nhiên

Trong thiên nhiên tồn tại chủ yếu dưới dạng các khoáng vật: xinaba hay thần sa (HgS), timanic (HgSe), colodoit (HgTe), livingtonit (HgSb4O7), montroydrit (HgO), calomen (Hg2Cl2) Rất hiếm khi gặp thuỷ ngân dưới dạng tự do Thần sa là quặng duy nhất của thuỷ ngân, nhiều khi bắt gặp chúng tạo thành mỏ lớn Nhìn chung thần sa khác với các sunfua khác là khá bền vững trong miền oxi hoá Các khoáng vật cộng sinh với thần sa thường có antimonit (Sb3S2), pirit (FeS2), asenopirit (FeAsS), hùng hoàn (As2S3) Các khoáng vật phi quặng đi kèm với thần sa thường có: thạch anh, canxit, nhiều khi có cả barit, florit

Trong môi trường, thuỷ ngân biến đổi qua nhiều dạng tồn tại hoá học Trong không khí, thuỷ ngân tồn tại ở dạng hơi nguyên tử, dạng metyl thuỷ ngân hoặc dạng liên kết với các hạt lơ lửng

Trong nước biển và đất liền, thuỷ ngân vô cơ bị metyl hoá thành các dạng metyl thuỷ ngân và được tích luỹ vào động vật Một phần thuỷ ngân này liên kết với lưu huỳnh tạo thành kết tủa thuỷ ngân sunfua và giữ lại trong trầm tích

Ngoài ra, một số loài thực vật còn có khả năng tích luỹ thuỷ ngân ở dạng ít độc tính hơn như những giọt thuỷ ngân hoặc thuỷ ngân sunfua Để có

sự hiểu biết hơn về chu trình thuỷ ngân trong môi trường, chúng ta cần biết những dạng tồn tại của nó trong mỗi dạng sinh thái khác nhau

Trong nước tự nhiên, các hợp chất của thuỷ ngân dễ bị khử hoặc dễ bị bay hơi nên hàm lượng thuỷ ngân trong nước rất nhỏ Nồng độ của thuỷ ngân trong nước ngầm, nước mặt thấp thường nhỏ hơn 0,5 µg/l Nó có thể tồn tại ở dạng kim loại, dạng ion vô cơ hoặc dạng hợp chất hữu cơ Trong môi trường

nước giàu oxi, thuỷ ngân tồn tại chủ yếu dạng hoá trị II

1.1.4 Ứng dụng của thủy ngân

Thủy ngân có rất nhiều ứng dụng do có những tính chất phong phú như tính dẫn điện, nhạy với sự thay đổi nhiệt độ, áp suất và tạo được hợp kim với hầu hết các kim loại Chính vì vậy thủy ngân đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau [2, 3, 8]

Nơi sử dụng thủy ngân lớn nhất là công nghiệp sản xuất Cl2 và NaOH bằng phương pháp điện phân sử dụng điện cực thủy ngân Trong công nghiệp điện, thủy ngân được sử dụng để sản xuất bóng đèn huỳnh quang, các thiết bị siêu dẫn, đồng hồ đo, pin oxit thủy ngân Ngoài ra, thủy ngân cũng được sử dụng trong các thiết bị định hướng, các dụng cụ đo nhiệt độ, áp suất Trong y học, thủy ngân là một thành phần trong hỗn hống được sử dụng để chữa các bệnh sâu răng và hàn răng, thủy ngân cũng được sử dụng làm thuốc sát trùng như HgCl2 và mercuzan, ngoài ra Hg2Cl2 được dùng làm thuốc xổ và thong tiểu tiện Thủy ngân còn được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân, quá trình sản xuất gỗ (đóng vai trò là tác nhân chống nấm mốc), làm dung môi và xúc tác cho các kim loại hoạt động Nhiểu hợp chất của thủy ngân được sử dụng làm chất bảo quản cho nhiều loại dược phẩm

Trong nông nghiệp, người ta sử dụng một lượng lớn các hợp chất thuỷ ngân hữu cơ để chống nấm và làm sạch các hạt giống, một số hợp chất điển hình dùng cho mục đích này được mô tả ở bảng 1.2:

Bảng 1.2 Một số hợp chất thuỷ ngân hữu cơ điển hình

Metyl dixyan diamit thủy ngân

CH3-Hg-OOC-CH3 Metyl axetat thủy ngân

Ngoài ra thuỷ ngân còn được dùng nhiều trong các thiết bị nghiên cứu khoa học, làm thuốc diệt chuột, thuốc trừ sâu, chất tẩy uế

Thủy ngân có “duyên nợ” với một trong những phát minh khoa học quan trọng nhất của thế kỷ XX - đó là phát minh về hiện tượng siêu dẫn Năm

1911, khi nghiên cứu tính chất của các chất ở nhiệt độ thấp, nhà vật lý học kiêm hóa học người Hà Lan Heike Kemerling - Onet (Heike Kamerlingh - Onnes) đã khám phá ra rằng, gần độ không tuyệt đối, nói chính xác hơn ở 4,10

K, thủy ngân hoàn toàn không có điện trở nữa Hai năm sau đó, nhà bác học này đã được tặng giải thưởng Noben Năm 1922, những cống hiến khoa học của nhà hóa học Tiệp Khắc Jaroslav Heyrosky cũng được đánh giá cao như vậy Ông đã phát minh ra phương pháp cực phổ để phân tích hóa học, trong

đó, thủy ngân đóng vai trò khá quan trọng

1.1.5 Độc tính của thuỷ ngân

Tính độc của thuỷ ngân phụ thuộc vào các dạng hợp chất hoá học của

nó [3, 9]

- Thuỷ ngân kim loại ở trạng thái lỏng tương đối trơ và có độc tính thấp Nhưng hơi thuỷ ngân thì rất độc, do thuỷ ngân ở dạng hơi sẽ dễ dàng bị hấp thu ở phổi rồi vào máu và não trong quá trình hô hấp, dẫn đến huỷ hoại hệ thần kinh trung ương

- Dạng muối thuỷ ngân (I) Hg22+có độc tính thấp do khi vào cơ thể sẽ tác dụng với ion Cl-

có trong dạ dày tạo thành hợp chất không tan Hg2Cl2 sau

đó bị đào thải ra ngoài

- Dạng muối thuỷ ngân (II) Hg2+ có độc tính cao hơn nhiều so với muối

Hg2

2+, nó dễ dàng kết hợp với aminoaxit có chứa lưu huỳnh trong protein

2+ cũng tạo liên kết với hemoglobin và albumin trong huyết thanh vì cả hai

chất này đều có nhóm thiol (SH) Song Hg2+ không thể dịch chuyển qua màng

tế bào nên nó không thể thâm nhập vào các tế bào sinh học

- Các hợp chất hữu cơ của thuỷ ngân có độc tính cao nhất, đặc biệt là

metyl thuỷ ngân CH3Hg+, chất này tan được trong mỡ, phần chất béo của các

màng và trong não tuỷ Đặc tính nguy hiểm nhất của ankyl thuỷ ngân (RHg+

)

là có thể dịch chuyển được qua màng tế bào và thâm nhập vào mô của tế bào

thai qua nhau thai Khi người mẹ bị nhiễm metyl thuỷ ngân thì đứa trẻ sinh ra

thường chịu những tổn thương không thể hồi phục được về hệ thần kinh trung

ương, gây bệnh tâm thần phân liệt, co giật, trí tuệ kém phát triển

Khi thuỷ ngân liên kết với màng tế bào sẽ ngăn cản quá trình vận

chuyển đường qua màng làm suy giảm năng lượng của tế bảo, gây rối loạn

việc truyền các xung thần kinh

Nhiễm độc metyl thuỷ ngân cũng dẫn tới sự phân chia nhiễm sắc thể,

phá vỡ nhiễm sắc thể và ngăn cản sự phân chia tế bào Các triệu chứng nhiễm

độc thuỷ ngân bắt đầu xuất hiện khi nồng độ metyl thuỷ ngân (CH3Hg+) trong

máu vào khoảng 0,5ppm

Đặc tính sinh hoá của các hợp chất thuỷ ngân được trình bày tóm tắt

trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Đặc tính sinh hoá của các hợp chất thuỷ ngân

Hg Nguyên tố thuỷ ngân ở dạng lỏng tương đối trơ có độc tính thấp

Hơi thuỷ ngân khi hít phải rất độc

Hg22+ Tạo được hợp chất không tan với clorua (Hg2Cl2) có độc tính thấp

Hg2+ Độc, nhưng khó di chuyển qua màng sinh học

RHg+ Rất độc, thông thường ở dạng RCH3+, nguy hiểm cho hệ thần kinh

não, dễ di chuyển qua màng sinh học, tích trữ trong các mô mỡ

R Hg Độc tính thấp, nhưng có thể chuyển thành RHg+ trong môi trường

axit trung bình

HgS Không tan và không độc, có trong đất

Trong môi trường nước, thuỷ ngân và muối của thuỷ ngân có thể chuyển hóa thành metyl thuỷ ngân hay đimetyl thuỷ ngân (CH3)2Hg bởi các

vi khuẩn kỵ khí Đimetyl thuỷ ngân trong môi trường axit yếu sẽ chuyển hoá thành metyl thuỷ ngân (CH3Hg+)

1.1.6 Quá trình tích lũy sinh học của thuỷ ngân

Thuỷ ngân là một nguyên tố hoá học, nó không thể tự sinh ra hay mất

đi Một lượng xác định của thuỷ ngân tồn tại trên trái đất từ khi trái đất được hình thành Tuy nhiên, thuỷ ngân có thể chuyển hoá trong môi trường do các hoạt động tự nhiên và con người Thuỷ ngân được giải phóng vào khí quyển bởi nhiều nguồn khác nhau, sau đó phân tán và chuyển vào không khí, lắng đọng xuống trái đất và được lưu giữ hoặc chuyển hoá trong đất, nước và không khí Thuỷ ngân lắng đọng xuống trái đất theo nhiều cách và tốc độ khác nhau, phụ thuộc vào dạng vật lý và hoá học của nó

Trong môi trường thuỷ ngân vô cơ có thể bị metyl hoá thành muối metyl thuỷ ngân, đặc biệt là trong đất [3, 10, 11, 12] Người ta đã tìm thấy các

vi khuẩn và vi sinh vật trong đất và nước có chứa metylcobanamin Khi metylcobanamin gặp các ion thuỷ ngân vô cơ, metyl thuỷ ngân dễ dàng được sinh ra bởi các quá trình hoá học và sinh học Một phần metyl thuỷ ngân sinh

ra bị phân huỷ bởi ánh sáng tử ngoại thành các dạng vô cơ

Nhà máy hoá chất Minamata thải thuỷ ngân vô cơ vào vịnh Minamata nhưng trong cá của vịnh lại tìm thấy CH3Hg+, điều này được giải thích như sau: thuỷ ngân hoặc muối của nó có thể chuyển hoá thành metyl thuỷ ngân nhờ các vi khuẩn yếm khí trong trầm tích và nước Sự chuyển hoá này được thúc đẩy bởi Co(III) trong coenzym vitamin B12 Nhóm CH3- liên kết với

Co(III) trong coenzym được chuyển thành CH3Hg+ hoặc (CH3)2Hg Đimetyl

thuỷ ngân trong môi trường axit sẽ chuyển hoá thành metyl thuỷ ngân

Chính metyl thuỷ ngân đã tham gia vào dây chuyền thực phẩm thông

qua vi sinh vật trôi nổi và được tập trung ở cá với nồng độ lớn gấp hàng nghìn

lần so với ban đầu Trong môi trường, thuỷ ngân lại được tích luỹ trong chuỗi

thức ăn, chính vì vậy các sinh vật có vị trí trong dinh dưỡng trong chuỗi thức

ăn càng cao thì có chứa nồng độ thuỷ ngân càng cao [13]

Hình 1.1 Chu trình biến đổi thuỷ ngân trong môi trường

Quá trình metyl hoá thuỷ ngân là yếu tố quan trọng nhất góp phần đưa

thuỷ ngân vào trong chuỗi thức ăn Sự chuyển hoá sinh học của các hợp chất

← Hg 0

(khí quyển) →

Hg 2+ , Hg đặc thù (lắng đọng)

thuỷ ngân vô cơ thành thuỷ ngân hữu cơ - metyl thuỷ ngân có thể xảy ra trong trầm tích, trong nước và trong cả cơ thể sinh vật [14] Các phản ứng để metyl hoá xảy ra cùng với quá trình bay hơi của đimetyl thuỷ ngân làm giảm lượng metyl thuỷ ngân trong nước Khoảng gần 100% thuỷ ngân tích luỹ sinh học trong cá là dạng metyl thuỷ ngân Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tích luỹ sinh học của thuỷ ngân trong môi trường nước, bao gồm độ axit (pH), chiều dài của chuỗi thức ăn, nhiệt độ và các chất hữu cơ hoà tan … Thuỷ ngân

sẽ tích luỹ trong sinh vật khi quá trình hấp thu lớn hơn quá trình đào thải thuỷ ngân Mặc dù tất cả các dạng của thuỷ ngân đều có thể tích luỹ tới một mức

độ nhất định, tuy nhiên metyl thuỷ ngân tích luỹ nhiều hơn các dạng khác của thuỷ ngân Quá trình sản sinh và tích luỹ metyl thuỷ ngân trong nước là một quá trình quan trọng trong tích luỹ sinh học của thuỷ ngân, metyl thuỷ ngân thường chiếm một phần tương đối lớn trong tổng lượng thuỷ ngân ở các động vật có mức dinh dưỡng cao, sau đó được sử dụng bởi các loài chim ăn cá, động vật và con người

Nồng độ thuỷ ngân được tăng nhanh ở mỗi mức trong dây chuyền thực phẩm, được phản ánh rõ cả ở nước không bị ô nhiễm Trong các loại cá lớn của thời kỳ xa xưa được bảo quản ở một số bảo tàng, người ta thấy có tích luỹ thuỷ ngân Ngày nay sự ô nhiễm thuỷ ngân đã làm tăng đáng kể nồng độ thuỷ ngân trong mỗi giai đoạn của chu trình chuyển hoá sinh học

1.2 Các phương pháp phân tích thuỷ ngân trong trầm tích

1.2.1 Các phương pháp phân tích tổng thuỷ ngân và thuỷ ngân vô cơ

Hiện nay, có nhiều phương pháp nhạy và chọn lọc được sử dụng để xác định thuỷ ngân như: phương pháp vi trọng lượng, phương pháp chuẩn

độ, phương pháp đo quang, phương pháp phổ phát xạ nguyên tử (AES), huỳnh quang nguyên tử (AFS), phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử plasma sóng ngắn (MIP - AES), phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử plasma trực tiếp (DCP - AES), phương pháp kích hoạt nơtron (NAA),

phương pháp phổ huỳnh quang tia X (XRF), phương pháp vi phân tích với đầu dò điện tử (EPMA), phương pháp phát xạ tia X bởi proton (PIXE), phương pháp phổ khối lượng (MS), phương pháp điện hoá, phương pháp sắc

ký (GC) và các phương pháp khác

1.2.1.1 Phương pháp vi khối lượng

Mặc dù ngày nay, phương pháp này không được sử dụng làm phân tích, nhưng nó đã được quan tâm trong thời gian trước Thuỷ ngân được tích luỹ trên bụi đồng trong dung dịch axit, rồi gia nhiệt để thuỷ ngân bay hơi và tạo hỗn hống trên phôi vàng, sau đó quan sát bằng kính lúp [15] Thuỷ ngân cũng được định lượng khi khử thuỷ ngân hợp chất về thuỷ ngân nguyên tố dạng hình cầu nhỏ và soi bằng kính hiển vi [15]

1.2.1.2 Phương pháp đo quang

Là phương pháp phổ biến nhất dùng để xác định thuỷ ngân vào những năm 1960, bằng cách sử dụng chất tạo phức là diphenylthiocarbazo hoặc dithizon Phương pháp này dựa trên phép đo quang của phức màu được chiết vào dung môi hữu cơ sau khi tất cả các dạng thuỷ ngân trong mẫu đã được chuyển thành Hg2+ rồi tạo phức với dithizon Một lượng lớn các bài báo đã đóng góp cho việc xác định thuỷ ngân nhanh hơn, hiệu quả hơn và nhạy hơn [16]

Năm 1965, hiệp hội phân tích (AOAC) đưa ra phương pháp tiêu chuẩn cho việc phân tích thuỷ ngân với quy trình giải chiết, trong đó thuỷ ngân dithionat trong chlorofom được giải chiết vào dung dịch natrithiosunfat, sau

đó phân huỷ phức thuỷ ngân thiosunfat và chiết lại bằng dithizon trong chlorofom Giới hạn phát hiện của phương pháp này là 1µg thuỷ ngân, vì vậy

mà một số phòng thí nghiệm cho đến nay vẫn tiếp tục phân tích thuỷ ngân bằng phương pháp này Phương pháp so màu sử dụng các chất tạo màu khác nhau hoặc huỳnh quang phân tử cũng đã được áp dụng để xác định thuỷ ngân Tuy nhiên, ưu điểm chủ yếu của phương pháp này là tạo phức trước hoặc sau

cột kết hợp sử dụng sắc ký lỏng hiệu năng cao để tách các dạng thuỷ ngân và các chất ảnh hưởng Dithizon, Dithiocarbamat và các dẫn xuất của chúng được tạo phức với thuỷ ngân, rồi tách bằng cột pha đảo và xác định bằng detector UV-Vis hoặc huỳnh quang [17]

1.2.1.3 Phương pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử

Quang phổ hấp thụ nguyên tử là phương pháp phổ biến nhất để xác định thuỷ ngân trong tất cả các đối tượng mẫu, phương pháp này dựa trên phép đo phổ hấp thụ nguyên tử của thuỷ ngân kết hợp với kỹ thuật hoá hơi lạnh (CV-AAS) Do thuỷ ngân là nguyên tố kim loại duy nhất có áp suất hơi bão hoà rất cao tại nhiệt độ tương đối thấp nên có thể dễ dàng định lượng bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử Thuỷ ngân được giải phóng từ dung dịch thành hơi nguyên tử nhờ quá trình khử chọn lọc và được cuốn đi nhờ dòng không khí Người ta thường dùng Sn2+ để khử thuỷ ngân về trạng thái hơi nguyên tử [18] Gần đây, NaBH4 cũng được dùng làm chất khử để xác định thuỷ ngân

Những kỹ thuật loại trừ các chất ảnh hưởng khi xác định thuỷ ngân trong môi trường hữu cơ và các đối tượng mẫu khó phân huỷ hoàn toàn khi dùng đến cả axit mạnh, có ý nghĩa đặc biệt quan trọng Hai kỹ thuật được sử dụng để loại bỏ chất ảnh hưởng là: kỹ thuật tạo hỗn hống với vàng (Au) để làm sạch hơi thuỷ ngân và kỹ thuật bổ chính nền quang học

Kỹ thuật tạo hỗn hống với vàng dựa trên quá trình hấp thụ chọn lọc của thuỷ ngân trên bề mặt vàng ở nhiệt độ phòng, sau khi hơi hữu cơ được loại

bỏ, thuỷ ngân được giải phóng ra khỏi bẫy vàng bằng cách gia nhiệt và được ghi đo phổ Kỹ thuật này không những để tinh chế thuỷ ngân mà còn được sử dụng để làm giàu thuỷ ngân trong một thể tích nhỏ trước khi đo nhằm tăng độ nhạy của phép đo [19]

Bổ chính nền quang học được dùng để loại bỏ sự hấp thụ phân tử do hơi hữu cơ gây ra Trong thời gian đầu, người ta dùng nguồn sáng liên tục và sau này người ta dùng hiệu ứng Zeeman kết hợp với đèn liên tục để bổ chính nền

Những kỹ thuật này cần thiết khi nguyên tử hoá mẫu bằng lò graphit trong trường hợp mẫu có thành phần nền phức tạp Phương pháp quan phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng kỹ thuật bổ chính nền bằng hiệu ứng Zeenman thích hợp cho việc đo mẫu rắn do ảnh hưởng của phổ nền được loại trừ nhờ hiệu ứng này

Để tăng độ nhạy của phương pháp, người ta thường sử dụng các chất cải biến nền như Pd để tối ưu hoá quá trình hoá hơi và nguyên tử hoá mẫu, phương pháp này đã được áp dụng để phân tích mẫu bùn mà không cần phân huỷ [20]

Độ nhạy của phép xác định thuỷ ngân được tăng lên 30 lần khi sử dụng bước sóng 184,9 nm thay cho bước sóng 253,7 nm [21] Tuy nhiên việc sử dụng bước sóng 184,9 nm phải được tiến hành trong môi trường chân không,

do đó rất khó thực hiện khi phân tích mẫu hàng loạt

Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật hoá hơi lạnh để phân tích hàm lượng tổng ngân, thuỷ ngân vô cơ và thuỷ ngân hữu cơ trong trầm tích

1.2.1.4 Phương pháp phổ huỳnh quang nguyên tử

Một số tác giả đã ứng dụng phương pháp phổ huỳnh quang nguyên tử

để xác định thuỷ ngân [22] Hầu hết các tác giả trước đây thường dùng kỹ thuật nguyên tử hoá ngọn lửa và kích thích huỳnh quang bằng nguồn laser, giới hạn phát hiện của của thuỷ ngân trong nước được xác định bằng phương pháp này khoảng 2µg/l Để tăng độ nhạy của phương pháp, các kỹ thuật nguyên tử hoá bằng hồ quang điện và hoá hơi lạnh đã được áp dụng

Cường độ huỳnh quang trong không khí bị giảm do sự dập tắt huỳnh quang bởi oxy và nitơ Khi thay thế không khí bằng argon (Ar) thì độ nhạy của phương pháp tăng lên khoảng 86 lần Kỹ thuật này được áp dụng để xác định thuỷ ngân bằng cách tạo hỗn hống với vàng hoặc tách pha bằng ống xốp polytetrafloetylen (teflon) sau đó đo phổ huỳnh quang của thuỷ ngân

Nhiều tác giả đã áp dụng phương pháp này để xác định Hg trong không khí và trong nước Hơi thuỷ ngân được giải phóng khỏi dung dịch bởi quá trình khử hoá học và được bẫy vào trong ống bằng vàng Sau đó, ống vàng được gia nhiệt đến 7000C để giải phóng thuỷ ngân và đưa vào cuvet để đo mẫu Phương pháp này có giới hạn phát hiện ở nồng độ thấp và độ lệch chuẩn tương đối khoảng 3% với nồng độ thuỷ ngân là 1ng

Khi phương pháp huỳnh quang nguyên tử kết hợp với nguồn cảm ứng cao tần Plasma để nguyên tử hoá mẫu thì giới hạn phát hiện khoảng 0,5ng/l, nếu thay thế đèn catot rỗng bằng đèn hơi thuỷ ngân thì giới hạn phát hiện của phương pháp khoảng 0,2 ng/l Mặc dù độ nhạy của phương pháp này có được cải tiến nhưng nó không có nhiều ưu điểm so với phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử

1.2.1.5 Phương pháp phổ phát xạ nguyên tử

Trong lịch sử, phương pháp phổ phát xạ nguyên tử đã được các nhà địa chất sử dụng rất phổ biến, phương pháp này đã được phát triển mạnh mẽ trong hai thập kỷ qua, bằng việc thay thế nguồn phát xạ ngọn lửa bằng các nguồn khác như hồ quang, laser, cảm ứng cao tần plasma, tạo dòng plasma trực tiếp hoặc plasma tần số radio

Thuỷ ngân trong nước được xác định bằng kỹ thuật plasma tạo sóng ngắn He ở áp suất khí quyển kết hợp với hoá hơi lạnh (CV - MIP - AES) [23], giới hạn phát hiện của phương pháp này vào khoảng 4 ng Việc ghép nối thiết

bị phân tích dòng chảy với thiết bị trên đã được nhiều tác giả đề cập Hơi thuỷ ngân và hiđrua kim loại liên tục được đưa vào buồng tạo plasma còn hơi nước

và hiđro sinh ra trong quá trình khử được giữ lại trên màng xốp Giới hạn phát hiện thuỷ ngân của phương pháp này là 50 ng/l

Phương pháp phổ phát xạ nguyên tử sử dụng nguồn cảm ứng plasma cũng được áp dụng để phân tích thuỷ ngân trong mẫu nước Để tăng hiệu suất

quá trình hoá hơi nguyên tử, amoni sunfua (NH4)2S được bơm vào cùng với mẫu, nhờ đó độ tuyến tính của phương pháp đạt là 10 - 1000 ng/l

Kết quả thu được từ việc phân tích hàm lượng thuỷ ngân tổng số trong mẫu máu và cá bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử với

kỹ thuật hoá hơi lạnh và quang phổ phát xạ nguyên tử sử dụng nguồn tạo plasma trực tiếp kết hợp hoá hơi lạnh (CV - DCP) là khá phù hợp Tuy nhiên độ nhạy của phương pháp này còn hạn chế, giới hạn phát hiện đối với thuỷ ngân là 20 mg/l

1.2.1.6 Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X và kích hoạt nơtron

Ưu điểm cơ bản của phương pháp huỳnh quang tia X và kích hoạt nơtron là thời gian phân tích tương đối ngắn, không cần phân huỷ mẫu trước khi phân tích, có độ nhạy và độ chính xác cao [24]

Nguyên tắc của phương pháp kích hoạt nơtron là dùng chùm nơtron kích hoạt mẫu và đo bức xạ gama được giải phóng bởi 197Hg Giới hạn phát hiện của phương pháp này khoảng 1 ng/l

Phương pháp kích hoạt nơtron đã được ứng dụng nhiều để phân tích thuỷ ngân trong các mẫu rắn có thành phần đơn giản, thuỷ ngân được xác định trực tiếp mà không cần phải xử lý mẫu trước khi phân tích Đối với các mẫu sinh học và môi trường như các mẫu trầm tích, mô tế bào, máu , do có thành phần tương đối phức tạp, nên trước khi phân tích, mẫu cần thiết phải được xử lý Một số tác giả chỉ ra rằng quá trình xử lý mẫu thường gây mất thuỷ ngân do trước khi phân tích mẫu phải được làm khô Do vậy phương pháp này ít được xử dụng để phân tích thuỷ ngân và dạng thuỷ ngân trong các mẫu sinh học và môi trường

Phương pháp quang phổ huỳnh quang tia X phản xạ toàn phần là kỹ thuật mới trong phân tích đa nguyên tố với độ nhạy tốt Thuỷ ngân trong mẫu rắn được phân tích trực tiếp bằng phương pháp này mà không cần quá trình phân huỷ mẫu bằng axit

Tuy nhiên việc áp dụng phương pháp này để phân tích thuỷ ngân trong các mẫu trầm tích còn hạn chế

1.2.1.7 Phương pháp phổ khối lượng

Phương pháp phổ khối nguồn tia điện (spark source) lần đầu tiên được

áp dụng phân tích thuỷ ngân trong táo [25], nguyên tắc của phương pháp là tạo ra xung điện giữa hai điện cực để hoá hơi và ion hoá mẫu, sau đó các ion được đưa vào detector khối phổ và sử dụng một đồng vị ổn định làm nội chuẩn Phương pháp phổ khối nguồn tia điện được ứng dụng nhiều vào những năm 70, hiện nay nó đã được thay thế bằng phương pháp phổ khối lượng với nguồn cảm ứng cao tần plasma (ICP - MS), do phương pháp này có nhiều ưu điểm vượt trội

Phương pháp ICP - MS kết hợp với phương pháp khử liên tục sử dụng NaBH4 đã được ứng dụng để xác định Hg ở hàm lượng vết trong nước tự nhiên và trầm tích Sự phát triển của phương pháp ICP - MS đã mở rộng lĩnh vực phân tích thuỷ ngân không chỉ trong các đối tượng địa chất mà còn trong nhiều lĩnh vực khác nhau như lĩnh vực sinh hoá, hoá dầu Việc kết hợp sử dụng phương pháp phân tích dòng chảy, sắc ký lỏng ghép với thiết bị ICP -

MS đã được nhiều tác giả nghiên cứu [26]

1.2.1.8 Phương pháp phân tích điện hoá

Những kỹ thuật cực phổ đã được sử dụng đã được sử dụng để phân tích dạng thuỷ ngân trong mẫu nước Thế oxy hoá khử của những dạng thuỷ ngân khác nhau là khác nhau, do đó người ta có thể xác định dạng thuỷ ngân bằng phương pháp cực phổ Metyl thuỷ ngân có thể được xác định trong môi trường không tạo phức bằng phương pháp vôn-ampe hoà tan anot xung vi phân trên điện cực màng vàng, giới hạn phát hiện khoảng 2.10-8 mol/l với thời gian điện phân là 5 phút [27] Tuy nhiên, khi áp dụng phương pháp này cho các mẫu sinh học và môi trường, người ta cần thiết

phải loại bỏ những chất ảnh hưởng mà quá trình thao tác không đơn giản như đối với phương pháp CV-AAS

1.2.2 Các phương pháp phân tích định dạng thuỷ ngân

Tính chất hoá lý của muối ankyl thuỷ ngân phụ thuộc vào bản chất của anion liên kết Ví dụ, metyl thuỷ ngân cysteinat tan trong nước nhưng không tan trong benzen trong khi metyl thuỷ ngân clorua không tan trong nước mà lại tan trong dung môi hữu cơ Sự khác nhau về tính chất hoá lý này đã được dùng để làm sạch mẫu trước khi phân tích

Dimetyl thuỷ ngân được sinh ra trong quá trình metyl hoá metyl thuỷ ngân là một chất độc dễ bay hơi có độ tan thấp trong nước và bị phân huỷ từng phần khi chiết trong môi trường axit mạnh Dimetyl thuỷ ngân có thể bị mất trong khi bảo quản mẫu, đồng nhất mẫu, chiết hoặc trong các quá trình khác của chuẩn bị mẫu Mặc dù nó được phát hiện trong một số mẫu môi trường, hiện nay chưa có phương pháp thích hợp nào để định lượng đimetyl thuỷ ngân trong các mẫu môi trường

Quá trình phân tích các dạng thuỷ ngân được thực hiện sau khi đã tách các dạng khác nhau của chúng và đo định lượng mỗi loại bằng các phương pháp nhạy và chọn lọc phù hợp Những phương pháp dùng để tách các dạng thuỷ ngân bao gồm: sắc ký lỏng, sắc ký khí, chiết chọn lọc, điện phân, điện li, đông kết tủa, phản ứng hoá học và tạo hỗn hống [28, 29]

Hiện nay trên thế giới đã có hơn 100 quy trình để phân tích các dạng thuỷ ngân qua việc kết hợp giữa phương pháp đo và kỹ thuật tách như trên Tuy nhiên chỉ có rất ít quy trình được sử dụng rộng rãi vì giá thành cao và hạn chế về độ lặp lại, độ chính xác và tốc độ phân tích mẫu Những phát triển gần đây cho thấy, việc tách các dạng thuỷ ngân sử dụng HPLC, GC kết hợp với phương pháp đo phổ phát xạ plasma, phổ khối và phổ hấp thụ nguyên tử đã

nâng cao khả năng phát hiện và đo chọn lọc các dạng thuỷ ngân [30]

1.2.2.1 Phương pháp khử chọn lọc

Quá trình định dạng các hợp chất thuỷ ngân có thể sử dụng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật hoá hơi lạnh [31] Phương pháp được Magos đề xuất năm 1979 dựa trên kỹ thuật khử chọn lọc các hợp chất thuỷ ngân vô cơ và hữu cơ Metyl thuỷ ngân trong cystein bị khử rất chậm bằng thiếc II clorua trong môi trường kiềm còn muối thuỷ ngân

vô cơ bị khử ngay lập tức thành dạng hơi nguyên tử Khi thêm CdCl2 vào SnCl2 làm tăng tốc độ khử metyl thuỷ ngân Do vậy, quá trình khử chọn lọc có thể kiểm soát được trong môi trường kiềm bằng cách sử dụng SnCl2 hoặc SnCl2 + CdCl2 [32, 33] Thông qua việc thay đổi điều kiện khử trong hệ phản ứng tự động, năm 1980 tác giả Gouldel đã xác định được dạng thuỷ ngân vô cơ, thuỷ ngân có vòng thơm và ankyl thuỷ ngân bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử

Việc xác định đồng thời metyl thuỷ ngân, thuỷ ngân vô cơ, và tổng thuỷ ngân trong trầm tích có thể thực hiện bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử kết hợp với sắc ký khí Các dạng thuỷ ngân được etyl hoá ở nhiệt

độ phòng bằng natri tetraetylborat [34], dạng metyl thuỷ ngân và thuỷ ngân II được chuyển hoá thành etyl thuỷ ngân và metyl-etyl thuỷ ngân dễ bay hơi được tách bằng sắc ký khí, sau đó các dạng này được chuyển hoá tới cuvet thạch anh nung ở nhiệt độ 8000C để hoá hơi, nguyên tử hoá và phát hiện bằng phổ hấp thụ nguyên tử

Quá trình khử chọn lọc sử dụng NaBH4 và SnCl2 để phân tích dạng thuỷ ngân cũng được nhiều tác giả nghiên cứu [32] Thuỷ ngân vô cơ được khử về dạng hơi nguyên tử và xác định bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật hoá hơi lạnh, các dạng thuỷ ngân hữu cơ được khử

bằng NaBH4 về các dạng hyđrua sau đó tách bằng sắc ký khí và phát hiện bằng phép đo phổ hấp thụ nguyên tử

Các bước tối ưu hoá của quy trình tạo hyđrua cho việc phân tích thuỷ ngân sử dụng cuvet thạch anh có gia nhiệt để tăng độ nhạy trong phân tích phổ hấp thụ nguyên tử đã từng được một số bài thảo luận [22, 35] Các kết quả chỉ ra rằng, khi tăng nhiệt ở cuvet thạch anh, khả năng hoá hơi nguyên tử của thuỷ ngân sẽ tăng lên và độ nhạy của phương pháp cũng được tăng lên, tuy nhiên khi nhiệt độ cao thì tuổi thọ của cuvet thạch anh cũng giảm, do vậy nhiệt tối đa cho quá trình này là 10000C

Người ta cũng đã kết hợp phương pháp điện phân và phổ hấp thụ nguyên tử để phân tích dạng thuỷ ngân [36] Thuỷ ngân vô cơ được kết tủa trên điện cực Pt với hiệu suất 95% tại -0,1V, trong khi thuỷ ngân hữu cơ bắt đầu kết tủa khi thế nhỏ hơn -0,2 V Sau khi điện phân tại -0,1 V, thuỷ ngân hữu cơ được xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật hoá hơi lạnh Thuỷ ngân vô cơ được xác định qua dung dịch ban đầu bằng cách khử với SnCl2

1.2.2.2 Phương pháp chiết

Thuỷ ngân tổng số được xác định nhanh bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật lò graphit [37], hoặc kỹ thuật hoá hơi lạnh Các dẫn xuất của thuỷ ngân hữu cơ được chiết vào clorofom hoặc benzen hoặc toluen sau đó được giải chiết trong dung dịch natrithiosunfat và xác định như thuỷ ngân tổng số Một số tác giả cũng đề xuất quy trình chiết bằng cách tạo phức với đithizon trong benzen để xác định metyl thuỷ ngân, còn hàm lượng thuỷ ngân tổng số được xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử

Năm 1966 Westoo đã xây dựng quy trình chiết ngược [38], trong đó metyl thuỷ ngân clorua được chiết vào benzen và sau đó giải chiết trong dung

dịch cystein tạo thành phức thuỷ ngân cysteinat tan trong nước Sau khi axit hoá

để phân huỷ phức thuỷ ngân với cystein, metyl thuỷ ngân lại được chiết vào benzen Quy trình này đã được giới thiệu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới

1.2.2.3 Phương pháp điện di mao quản

Phương pháp điện di mao quản (CE) là kỹ thuật tách hiệu quả đối với nhiều loại chất, từ các ion kim loại đến các hợp chất sinh học có khối lượng phân tử lớn Trong phương pháp điện di mao quản, quá trình tách dựa trên sự dịch chuyển khác nhau của các chất trong điện trường Các cation kim loại dịch chuyển về phía catot, chúng được solvat hoá và mang theo dung dịch hướng về phía âm của mao quản tạo thành dòng điện di Những ion có điện tích cao và kích thước nhỏ sẽ dịch chuyển nhanh hơn các ion có kích thước lớn hơn và điện tích nhỏ hơn, nghĩa là những chất có tỉ lệ giữa điện tích và kích thước càng lớn thì tốc độ di chuyển trong điện trường càng nhanh Thông thường mao quản sử dụng trong phương pháp điện di mao quản là ống silica,

có đường kính trong từ 20 - 100 µm và chiều dài từ 50 - 100 cm Thế điện áp được đưa vào trong ống mao quản từ 20 - 30 kV

Việc áp dụng phương pháp điện di mao quản kết hợp với phổ khối lượng với nguồn cảm ứng cao tần plasma (CE - ICP - MS) đã được nhiều tác giả nghiên cứu [26] Các dạng thuỷ ngân thường được tạo phức để tạo thành các hợp chất mang điện trước khi tách bằng phương pháp điện di mao quản, các tác nhân tạo phức thường được sử dụng là systein, đithizon sunphonat Phương pháp này thường có nhược điểm là thể tích mẫu được sử dụng rất nhỏ (khoảng 10nl) dẫn đến độ nhạy của phương pháp thấp hơn nhiều so với phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao Do vậy việc áp dụng để phân tích dạng thuỷ ngân trong các mẫu môi trường và sinh học vẫn còn hạn chế

1.2.2.4 Phương pháp sắc ký khí

Phương pháp sắc ký khí kết hợp với detector bắt điện tử (GC-ECD) là

phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để xác định metyl thuỷ ngân trong các mẫu sinh học và môi trường [39, 40, 41]

Trong phương pháp sắc ký, các dạng thuỷ ngân được tách dựa trên

sự khác nhau của nhiệt độ bay hơi và sự tương tác của chúng với pha tĩnh Hiện nay, người ta thường sử dụng hai loại cột tách là cột nhồi và cột mao quản Cột mao quản thường có chiều dài từ 10 đến 100 m và đường kính trong khoảng 0,2 đến 0,7 mm, thành trong của loại cột này được tẩm một lớp pha tĩnh mỏng, có chiều dày từ 0,2 đến 5 µm Cột sắc ký đặt trong buồng điều nhiệt và được điều khiển bởi chương trình nhiệt độ Pha động thường được sử dụng là khí trơ heli hoặc nitơ để vận chuyển các chất bay hơi đến detector Nhiệt độ và tốc độ pha động có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tách các dạng thuỷ ngân [30]

Để đạt hiệu quả cao trong quá trình tách bằng sắc ký khí, các dạng thuỷ ngân phải được chuyển hoá thành các hợp chất bay hơi và bền nhiệt Thuốc thử Grignard thường được sử dụng để butyl hoá các dạng thuỷ ngân [42], thuỷ ngân được chiết vào dung môi hữu cơ sau đó phản ứng với thuốc thử Grignard, hiệu suất chiết của các dạng thuỷ ngân trong các đối tượng mẫu khác nhau có ảnh hưởng lớn đến kết quả phân tích Trong thời gian 5 phút, phản ứng giữa các dạng thuỷ ngân và thuốc thử Grignard xảy ra hoàn toàn, nếu cho dư thuốc thử, các dạng thuỷ ngân sẽ chuyển hoá thành đibutyl thuỷ ngân, dẫn đến không phân biệt được các dạng thuỷ ngân Sự có mặt của các halogen trong mẫu như brom và iot sẽ phá huỷ các hợp chất ankyl thuỷ ngân trong quá trình phân tích

Natri tetraetyl borat cũng được sử dụng để etyl hoá các dạng thuỷ ngân trong dung dịch [43] Các dạng etyl thuỷ ngân được bay hơi và hấp phụ trong cột Các dạng thuỷ ngân sau khi etyl hoá cũng được chiết vào dung môi hữu cơ như hexan hoặc iso-octan sau đó bơm vào cột sắc ký bằng phương pháp truyền thống

sắc ký khí như metyl thuỷ ngân metylen bromua (MeHgCH2Br) và các dẫn xuất của điankyl sử dụng metyl cobalamin đã được nhiều tác giả đề cập [44] Trong phương pháp này người ta sử dụng propyl thủy ngân bromua như là một chất nội chuẩn

Người ta cũng đã sử dụng cột nhồi thay cho cột mao quản trong phương pháp GC-ECD để phân tích thuỷ ngân vô cơ và thuỷ ngân hữu cơ trong các mẫu sinh học Các kết quả nghiên cứu cho thấy, khi sử dụng cột nhồi pha tĩnh AT-1000 cho hiệu quả tốt nhất để tách các dạng metyl thuỷ ngân, etyl thuỷ ngân và phenyl thuỷ ngân [41]

Nguyên tắc của phương pháp dựa trên sự tách các dạng thuỷ ngân có

độ phân cực khác nhau trên cột nhồi silicagen có đường kính hạt từ 10µm Trên bề mặt của hạt có phủ một lớp pha tĩnh thông thường là octadecylsilan (ODS), các loại cột sử dụng pha tĩnh này được gọi là cột C18 ODS là một chất không phân cực do vậy nó phải kết hợp với dung môi pha động phân cực [46] Khi chất phân tích được bơm vào sẽ xuất hiện cân bằng giữa pha động và pha tĩnh, các chất phân cực có thời gian lưu ngắn hơn do cân bằng dịch chuyển theo hướng pha động, còn các chất không phân cực sẽ dữ lại trên pha tĩnh do vậy thời gian lưu dài hơn Dựa trên nguyên tắc này mà các dạng thuỷ ngân được tách bằng kỹ thuật sắc ký,

3-để tăng độ nhạy và khả năng tách của kỹ thuật phân tích, các dạng thuỷ ngân thường được phản ứng với các hợp chất có chứa lưu huỳnh như

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

25

mecaptoetanol, pyrrolidinedithiocarbamat và mercap - tobenzothiazole [47]

Do thuỷ ngân dễ hấp thụ trên bề mặt của thép gây ra hiệu ứng lưu trong quá trình phân tích do vậy cột sắc ký và vòng bơm mẫu cần phải sử dụng vật liệu là thuỷ tinh trong thiết bị sắc ký lỏng hiệu năng cao

1.3 Phân tích hàm lượng tổng thuỷ ngân, thuỷ ngân vô cơ và thuỷ ngân hữu cơ

Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử để phân tích dạng thuỷ ngân vô cơ và thuỷ ngân hữu cơ trong trầm tích

- Dạng thuỷ ngân hữu cơ được chiết bởi clorofom (CHCl3) tiếp đó giải chiết bằng natrithiosunfat (Na2S2O3) sau đó được xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật hoá hơi lạnh

- Dạng thuỷ ngân vô cơ được tính toán dựa vào hàm lượng thuỷ ngân tổng số và thuỷ ngân hữu cơ Để xác định thuỷ ngân tổng số trong trầm tích, mẫu được vô cơ hoá bằng phương pháp vô cơ hoá ướt sử dụng hỗn hợp các axit, sau đó xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật hoá hơi lạnh

Quy trình phân tích các dạng thuỷ ngân được mô tả theo sơ đồ sau:

- Phân tích hàm lượng thuỷ ngân tổng số

Sơ đồ 1.1 Quy trình phân tích hàm lượng thuỷ ngân

tổng số trong trầm tích

- Phân tích thuỷ ngân hữu cơ

Sơ đồ 1.2 Quy trình phân tích dạng thuỷ ngân hữu cơ

1.3.1 Nguyên tắc của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử

Cơ sở lý thuyết của phương pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) là dựa trên sự hấp thụ năng lượng (bức xạ đơn sắc) của nguyên tử tự do của một nguyên tố ở trạng thái hơi (khí) khi chiếu chùm tia bức xạ đơn sắc qua đám mây hơi nguyên tử tự do của nguyên tố ấy trong môi trường hấp thụ Môi trường hấp thụ chính là đám hơi nguyên tử tự do của mẫu phân tích Do đó muốn thực hiện phép đo phổ hấp thụ nguyên tử của một nguyên tố cần phải

thực hiện các quá trình sau:

1 Chọn các điều kiện và một loại trang bị phù hợp để chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu (rắn hay dung dịch) thành trạng thái hơi của các nguyên tử tự do Đó chính là quá trình hoá hơi và nguyên tử hoá mẫu

2 Chiếu chùm tia bức xạ đặc trưng của nguyên tố cần phân tích qua đám hơi nguyên tử tự do vừa điều chế được ở trên Các nguyên tử của nguyên

tố cần xác định trong đám hơi sẽ hấp thụ những tia bức xạ nhất định và tạo ra phổ hấp thụ của nó

3 Tiếp đó, nhờ một hệ thống máy quang phổ người ta thu toàn bộ chùm sáng, phân ly và chọn một vạch phổ hấp thụ của nguyên tố cần phân tích để đo cường độ của nó Cường độ đó chính là tín hiệu hấp thụ Trong một giới hạn nhất định của nồng độ C, giá trị cường độ này phụ thuộc vào nồng độ

C của nguyên tố ở trong mẫu phân tích theo phương trình:

Aλ = k Cb (I) Trong đó: Aλ: Cường độ của vạch phổ hấp thụ

k: Hằng số thực nghiệm C: Nồng độ nguyên tố cần xác định trong mẫu đo phổ b: Hằng số bản chất (0<b≤1)

Hằng số thực nghiệm k phụ thuộc vào tất cả các điều kiện hoá hơi và nguyên tử hoá mẫu nhất định đối với mỗi hệ thống máy AAS và với các điều kiện đã chọn cho mỗi phép đo; b là hằng số bản chất phụ vào từng vạch phổ của từng nguyên tố Giá trị b = 1 khi nồng độ C nhỏ, khi C tăng thi b nhỏ xa dần giá trị 1

Như vậy mối quan hệ giữa Aλ và C là tuyến tính trong một khoảng nồng độ nhất định Khoảng nồng độ này được gọi là khoảng tuyến tính của

phép đo Trong phép đo AAS, phương trình (I) ở trên chính là phương trình

cơ sở để định lượng một nguyên tố

1.3.2 Trang bị của phép đo

Dựa vào nguyên tắc của phép đo, ta có thể mô tả hệ thống trang bị của thiết bị đo phổ AAS theo sơ đồ sau:

Sơ đồ 1.3 Sơ đồ nguyên tắc của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử

(1)- Nguồn phát chùm tia bức xạ cộng hưởng của nguyên tố cần phân tích Đó có thể là đèn catot rỗng (Hollow Cathode Lamp-HCL), hay đèn phóng điện không điện cực (Electrodeless Discharg Lamp - EDL), hoặc nguồn phát bức xạ liên tục đã được biến điệu

(2) - Hệ thống nguyên tử hoá mẫu Hệ thống này được chế tạo theo ba loại kỹ thuật nguyên tử hoá mẫu Đó là:

- Nguyên tử hoá mẫu bằng ngọn lửa đèn khí (F-AAS)

- Nguyên tử hoá mẫu không dùng ngọn lửa (ETA-AAS)

- Hoá hơi lạnh (CV-AAS)

(3) Bộ phận đơn sắc (hệ quang học) có nhiệm vụ thu, phân ly và chọn tia sáng (vạch phổ) cần đo hướng vào nhân quang điện để phát hiện và đo tín hiệu hấp thụ AAS của vạch phổ

(4) Bộ phận khuyếch đại và chỉ thị tín hiệu AAS Phần chỉ thị tín hiệu

có thể là:

- Điện kế chỉ thị tín hiệu AAS

- Bộ tự ghi để ghi các pic hấp thụ

Bộ phận khuếch đại

- Máy tính với màn hình hiển thị dữ liệu, phần mềm xử lý số liệu và điều khiển toàn bộ máy đo