Phân tích hàm lượng kim loại nặng trong cây mã đề bằng phương pháp ICP MS

Các phương pháp phân tích lượng vết kim loại nặng Có rất nhiều phương pháp khác để phân tích, xác định lượng vết kim loại nặng như các phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử F-AAS, GF-

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS Vương Trường Xuân

THÁI NGUYÊN - 2017

LỜI CẢM ƠN

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được cảm ơn chân thành tới:

TS Vương Trường Xuân giảng viên bộ môn hóa Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên, người thầy đã tận tình dìu dắt, hướng dẫn và luôn dành cho tôi những kiến thức qúy giá trong suốt quá trình nghiên cứu khoa học

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến ThS Trịnh Đức Cường cùng các anh chi ̣ em trong phòng phân tích môi trường - Trung tâm quan trắc môi trường - Tỉnh Thái Nguyên, đã luôn đô ̣ng viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm thực nghiê ̣m

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy giáo, cô giáo Khoa Hóa học, các thầy cô trong Ban Giám hiệu trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường

Cuối cùng tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu Trường THPT Tô Hiệu, các bạn đồng nghiệp, gia đình và bạn bè, những người đã quan tâm giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 06 năm 2017

Tác giả

Tống Minh Tuấn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN a

MỤC LỤC b

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT e

DANH MỤC BẢNG f

DANH MỤC HÌNH g

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu chung về cây Mã đề 3

1.1.1 Đặc điểm và thành phần cây Mã đề 3

1.1.2 Công dụng 4

1.2 Tình hình sử dụng thảo dược cũng như cây Mã đề ở Việt Nam và thế giới 6

1.3 Trạng thái tự nhiên và một số tính chất lý, hóa của Mn, Co, Zn, Cd và Pb 7

1.3.1 Trạng thái tự nhiên của các kim loại Mn, Co, Zn, Cd và Pb 7

1.3.2 Một số tính chất lý, hóa của Mn, Co, Zn, Cd và Pb 8

1.4 Vai trò sinh học của các nguyên tố Mn, Co, Zn, Cd và Pb 12

1.4.1 Vai trò sinh học của Mn 12

1.4.2 Vai trò sinh học của Co 13

1.4.3 Vai trò sinh học của Zn 13

1.4.4 Vai trò sinh học của Cd 14

1.4.5 Vai trò sinh học của Pb 14

1.5 Các phương pháp phân tích lượng vết kim loại nặng 15

1.5.1 Phương pháp phân tích hoá học 15

1.5.2 Các phương pháp phân tích công cụ 16

1.5.3 Các phương pháp phân tích điện hoá 18

1.5.4 Phương pháp phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS) 19

1.6 Các phương pháp xử lí mẫu để xác định kim loại 24

1.6.1 Nguyên tắc xử lí mẫu 24

1.6.2 Phương pháp chiết 24

1.6.3 Phương pháp điện phân 25

1.6.4 Phương pháp phân hủy mẫu bằng lò vi sóng 25

1.7 Thiết bị 25

1.7.1 Lò vi sóng 25

1.7.2 Thiết bị phân tích mẫu 26

Chương 2: THỰC NGHIỆM 29

2.1 Mục tiêu nghiên cứu 29

2.2 Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu 29

2.2.1 Đối tượng nghiên cứu 29

2.2.2 Nội dung nghiên cứu 29

2.2.3 Phương pháp nghiên cứu 30

2.3 Hóa chất, dụng cụ 30

2.3.1 Hóa chất 30

2.3.2 Dụng cụ 30

2.4 Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu 31

2.4.1 Lấy mẫu 31

2.4.2 Xử lí sơ bộ và bảo quản mẫu 31

2.4.3 Phá hủy mẫu lá khô bằng phương pháp lò vi sóng 31

2.4.4 Quy trình xử lý mẫu dịch chiết 32

2.5 Xây dựng đường chuẩn của Mn, Co, Zn, Cd và Pb 32

2.5.1 Pha hóa chất 32

2.5.2 Xây dựng đường chuẩn 33

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34

3.1 Các điều kiện phân tích bằng ICP-MS 34

3.1.1 Các điều kiện đo phổ khối nguyên tử của Mn, Co, Zn, Cd và Pb 34

3.1.2 Chọn đồng vị phân tích 34

3.2 Khoảng tuyến tính, đường chuẩn, giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của Mn, Co, Zn, Cd và Pb 35

3.3.1 Đường chuẩn, giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của Mn 35

3.3.2 Đường chuẩn, giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của Co 36

3.3.3 Đường chuẩn, giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của Zn 37

3.3.4 Đường chuẩn, giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của Cd 38

3.3.5 Đường chuẩn, giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của Pb 38

3.5 Đánh giá hiệu suất thu hồi các quy trình xử lí mẫu cây Mã đề 39

3.6 Thực nghiệm đo và tính toán kết quả 41

KẾT LUẬN 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

QCVN Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia Việt Nam

ICP-MS Phương pháp cảm ứng cao tần ghép nối khối phổ (Inductively

Coupled Plasma emission Mass Spectrometry)

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

nhiệt điện (Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry)

F-AAS Phương pháp hấp thu ̣ nguyên tử sử du ̣ng kỹ thuâ ̣t nguyên tử hóa ngo ̣n

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

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

Spectrometry)

ICP-AES Phương pháp quang phổ phát xạ plasma (Inductively Coupled Plasma

atomic Emission Spectroscopy)

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

Spectrometry) LOD Giới hạn phát hiện (Limit of Detection)

LOQ Giới hạn định lượng (Limit of Quantitation)

RSD Độ lặp lại tương đối (Relative Standard Deviation)

ppb Một phần tỉ (Part per billion)

m/z Khối lượng/điện tích (Mass/charge)

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Một số tính chất vật lý của các nguyên tố Mangan, Coban, Kẽm,

Cadimi, Chì 9

Bảng 2.1 Vị trí lấy mẫu, thời gian địa điểm và kí hiệu mẫu 31

Bảng 2.2 Thể tích các dung dịch cần lấy 33

Bảng 3.1 Các thông số tối ưu cho máy đo ICP-MS 34

Bảng 3.2 Tỷ số khối lượng/điện tích (M/Z) của các kim loại cần phân tích 34

Bảng 3.3 Khoảng nồng độ tuyến tính các nguyên tố 35

Bảng 3.4 Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của các kim loại 39

Bảng 3.5 Hiệu suất thu hồi của Mangan 40

Bảng 3.6 Hiệu suất thu hồi của Coban 40

Bảng 3.7 Hiệu suất thu hồi của Kẽm 40

Bảng 3.8 Hiệu suất thu hồi của Cadimi 40

Bảng 3.9 Hiệu suất thu hồi của Chì 41

Bảng 3.10 Kết quả tính toán hàm lượng Mangan trong mẫu lá khô (mg/kg) 42

Bảng 3.11 Kết quả tính toán hàm lượng Mangan trong mẫu dịch chiết (mg/l) 42

Bảng 3.12 Kết quả tính toán hàm lượng Coban trong mẫu lá khô (mg/kg) 42

Bảng 3.13 Kết quả tính toán hàm lượng Coban trong mẫu dịch chiết (mg/l) 43

Bảng 3.14 Kết quả tính toán hàm lượng Kẽm trong mẫu lá khô (mg/kg) 43

Bảng 3.15 Kết quả tính toán hàm lượng Kẽm trong mẫu dịch chiết (mg/l) 43

Bảng 3.16 Kết quả tính toán hàm lượng Cadimi trong mẫu lá khô (mg/kg) 44

Bảng 3.17 Kết quả tính toán hàm lượng Cadimi trong mẫu dịch chiết (mg/l) 44

Bảng 3.18 Kết quả tính toán hàm lượng Chì trong mẫu lá khô (mg/kg) 44

Bảng 3.19 Kết quả tính toán hàm lượng Chì trong mẫu dịch chiết (mg/l) 45

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Thiết bị phân hủy mẫu 25

Hình 1.2 Hệ trang bị ICP-MS 26

Hình 1.3 Bộ tạo sol khí 27

Hình 1.4 Bộ tạo plasma và nhiệt độ các vùng của plasma 27

Hình 1.5 Kiểu hệ lọc khối trường tứ cực 28

Hình 1.6 Hình ảnh máy ICP - MS (ELAN 9000) 28

Hình 3.1 Đường chuẩn của Mn 35

Hình 3.2 Đường chuẩn của Co 36

Hình 3.3 Đường chuẩn của Zn 37

Hình 3.4 Đường chuẩn của Cd 38

Hình 3.5 Đường chuẩn của Pb 38

Hình 3.6 Biểu đồ thể hiện hàm lượng kim loại Mn trong mẫu 45

Hình 3.7 Biểu đồ thể hiện hàm lượng kim loại Co trong mẫu 46

Hình 3.8 Biểu đồ thể hiện hàm lượng kim loại Zn trong mẫu 46

Hình 3.9 Biểu đồ thể hiện hàm lượng kim loại Cd trong mẫu 46

Hình 3.10 Biểu đồ thể hiện hàm lượng kim loại Pb trong mẫu 47

MỞ ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của y học hiện đại trên thế giới cũng như sự hiểu biết ngày càng sâu sắc hơn về nền y học Phương Đông kì diệu, chúng ta đã tìm ra nhiều loại hoạt chất giúp điều trị những căn bệnh nan y, hiểm nghèo Bên cạnh đó chúng ta cũng phát hiện ra rằng trong những hoạt chất tìm ra

đó phần lớn được phát hiện từ những cây thuốc đông y dân gian thì việc sử dụng các sản phẩm dược liệu có nguồn gốc tự nhiên, gần gũi dễ tìm xung quanh chúng ta ngày càng phổ biến và hữu dụng Cây Mã đề (Tên khoa học - Plantago major L) mọc hoang và được trồng khắp nơi trên đất nước ta, là cây thuốc đông y dân gian qúy mà nhân dân ta sử dụng rất nhiều: có thể dùng làm rau ăn, lá uống nước hàng

ngày có tác dụng lợi tiểu, tăng thải trừ ure, acid uric, muối, giãn phế quản, kháng

khuẩn, kháng viêm, bí tiểu tiện, phù thũng, tiểu tiện ra máu, viêm thận, viêm bàng quang, mụn nhọt, sưng tấy

Nhưng việc sử dụng đó có an toàn hay không khi hiện nay môi trường sống của con người ngày càng bị ô nhiễm bởi các kim loại nặng nhất là những nơi dân cư sinh sống gần các khu công nghiệp chịu ảnh hưởng nghiêm trọng bởi sự gia tăng phế thải Chất thải, phế thải công nghiệp, phế thải sinh hoạt, hoá chất nông nghiệp tồn dư đi vào nước, không khí rồi tích tụ trong đất, làm cho đất bị thoái hoá, dẫn tới năng suất, chất lượng của nhiều loại thực vật bị suy giảm trong đó có cây Mã đề mà chúng ta vẫn sử dụng thường xuyên

Vì vậy trong giai đoạn mới của ngành hóa phân tích trên thế giới nói chung

và Việt Nam nói riêng, chúng ta không chỉ quan tâm nghiên cứu tìm ra các hoạt chất mới làm thuốc mà còn phải quan tâm nghiên cứu và kiểm tra khống chế các kim loại nặng có hại ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người sử dụng

Xuất phát từ những yêu cầu trên, chúng tôi lựa chọn và thực hiện đề tài:

“Phân tích hàm lượng kim loại nặng trong cây Mã đề bằng phương pháp MS” với mục đích sau:

ICP- Nghiên cứu và lựa chọn các điều kiện tối ưu trong quá trình xử lí mẫu để định lượng các kim loại nặng trong cây Mã đề (Plantago major L.) bằng phương pháp ICP-MS

 Lựa chọn các thông số phù hợp của máy hợp của máy để đo

 Đưa ra quy trình phân tích kim loại nặng trên thiết bị ICP-MS và áp dụng phân tích một số đối tượng mẫu thực tế

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về cây Mã đề

1.1.1 Đặc điểm và thành phần cây Mã đề

Tên khoa học là Plantago major L

Thuộc bộ Hoa môi (Lamiales), họ (familia) Mã đề (Plantaginaceae), chi (genus) Mã đề (Plantago), loài (species) Plantago asiatica

Tên khác: Mã tiền á, Xa tiền

Tên nước ngoài: Broad - leaved plantain, Ripple grass, Cart tract plan, Large

nở trong tháng 7-8 Hoa thụ phấn nhờ gió và phát tán bằng hạt Quả hộp trong chứa nhiều hạt màu nâu đen bóng Hạt rất nhỏ nhưng có thể thu hoạch và nghiền nát để trích lấy dung dịch keo bột Một cây có thể sản sinh hàng ngàn hạt, hạt khuếch tán nhờ gió [4, 5]

Cây mã đề được tìm thấy trong nhiều môi trường sống khác nhau, từ những vùng ẩm ướt ở đồng bằng, vùng ven biển cho đến các khu vực bán sơn địa và vùng núi cao Loài cây này trở thành loài cỏ dại có tính quốc tế, trở thành loài cây xâm nhập nguy hiểm ở một số nước

Hình ảnh Cây Mã đề trong tự nhiên

Có 2 loài Mã đề ở Việt Nam

- Loài Plantago major (Mã đề lớn) chủ yếu được dùng làm rau, được trồng phổ biến

- Loài Plantago asiatica (Mã đề, Mã đề á hay xa tiền) chủ yếu được dùng làm thuốc Về tính vị và công dụng dược liệu của hai loài tương tự nhau nhưng ở loài

- Thuốc

Theo quan điểm của Đông y, cây Mã đề được dùng làm thuốc là cây mọc hoang dại trong tự nhiên, giống cây Mã đề được trồng là giống Mã đề lá lớn có giá trị dược liệu kém hơn các giống Mã đề hoang dại (lá nhỏ) mọc trong môi trường tự nhiên Theo Đông y, Mã đề có vị ngọt, tính lạnh, đi vào các kinh, can, thận và bàng quang, ho lâu ngày, viêm khí quản, tả, lị, nhức mắt, đau mắt đỏ, nước mắt chảy

nhiều, lợi tiểu Trong y học cổ truyền Việt Nam, Mã đề được dùng làm thuốc lợi tiểu, chữa một số bệnh về tiết niệu, cầm máu, phù thũng, ho lâu ngày, tiêu chảy, chảy máu cam [11]

Trong lá cây Mã đề giàu canxi và các khoáng chất khác, với 100 gram lá chứa một lượng vitamin A tương đương với củ cà rốt Toàn thân chứa một glucozit

gọi là aucubin hay rinantin còn gọi là aucubozit Trong lá có chất nhầy, chất đắng, carotin, vitamin C, vitamin K yếu tố T Trong hạt chứa chất nhầy, axit plantenolic, adnin và cholin [5, 12]

Các thử nghiệm cho thấy, Mã đề (đặc biệt là phần lá) có tác dụng lợi tiểu, tăng thải trừ urê, axit uric và muối trong nước tiểu Do đó, có thể dùng nó để hỗ trợ điều trị chứng tăng huyết áp bên cạnh các thuốc đặc hiệu Hạt Mã đề được sử dụng trong một số bài thuốc hiệu quả chữa sỏi đường tiết niệu Mã đề cũng có tác dụng long đờm và trị ho Thuốc viên bào chế từ cao mã đề và terpin đã được áp dụng trên lâm sàng, điều trị hiệu quả các bệnh viêm cấp tính đường hô hấp trên, làm nhẹ quá trình cương tụ niêm mạc hô hấp, chữa ho và phục hồi tiếng nói ở bệnh nhân viêm thanh quản cấp Cao nước Mã đề đã được áp dụng cho hơn 200 bệnh nhân viêm amiđan cấp, kết quả 92% khỏi bệnh, 8% đỡ Tác dụng hạ sốt, phục hồi số lượng bạch cầu và làm hết các triệu chứng tại chỗ của mã đề được đánh giá là tương đương các thuốc kháng khuẩn thường dùng Mã đề cũng được sử dụng trong các dược phẩm trị mụn nhọt và bỏng Thuốc dạng dầu chế từ bột mã đề khi đắp lên mụn nhọt có thể làm mụn đỡ nung mủ và viêm tấy Còn thuốc mỡ bào chế từ cao đặc Mã

đề đã được sử dụng để điều trị các ca bỏng 2-45% diện tích da, đạt kết quả tốt Bệnh nhân cảm thấy mát, dễ chịu, không xót, không nhức buốt, dễ thay bông và bóc gạc Vết bỏng đỡ nhiễm trùng, ít mủ, giảm mùi hôi thối, lên da non tốt, thịt phát triển đều, không sần sùi Bệnh nhân giảm được lượng thuốc kháng sinh dùng toàn thân Các nghiên cứu cũng cho thấy, chất polysacharid trong hạt Mã đề có tác dụng nhuận tràng, trị táo bón mạn tính [5, 6, 12]

Ngoài ra cây Mã đề cho các vị thuốc sau theo nghiên cứu của các nước:

- Xa tiền tử: Semen plantaginis là hạt phơi khô hay sấy khô

- Mã đề thảo (xa tiền thảo): Herba plantaginis là toàn cây bỏ rễ phơi hay sấy khô

- Lá Mã đề: Folium plantaginis là lá tươi hoặc sấy khô

Tại Ấn Độ, chất nhầy được chiết xuất bằng cách nghiền vỏ hạt của một loài

Mã đề có tên Plantago ovata để bào chế loại thuốc nhuận tràng được bán như là Isabgol, một loại thuốc nhuận tràng để điều trị chứng đường ruột bất thường và táo bón Nó cũng được sử dụng trong một số ngũ cốc để điều trị chứng cao cholesterol mức độ nhẹ tới vừa phải cũng như để làm giảm lượng đường trong máu Nó đã từng được sử dụng trong y học Ayurveda và Unani của người dân bản xứ cho một loạt các vấn đề về ruột, bao gồm táo bón kinh niên, lỵ amip và bệnh tiêu chảy [29, 30]

1.2 Tình hình sử dụng thảo dược cũng như cây Mã đề ở Việt Nam và thế giới

Trên thế giới, đã phát hiện được 265.000 loài thực vật Trong đó có 150.000 loài được phân bố ở các vùng nhiệt đới, 35.000 loài có ở các nước ASEAN Trong

số này có ít nhất 6.000 loài được dùng làm thuốc Các loài thực vật có chứa khoảng

5 triệu hợp chất hóa học Cho tới nay, đã có 0,5%, nghĩa là 1.300 cây được nghiên cứu một cách có hệ thống về thành phần hóa học và giá trị chữa bệnh Thuốc từ dược liệu được sử dụng không chỉ các nước Á Đông mà còn được tiêu thụ một lượng khá lớn ở các nước Phương Tây Ở các nước có nền công nghiệp phát triển thì một phần tư số thuốc kê trong các đơn có chứa hoạt chất từ dược liệu [24]

Cây Mã đề với đặc tính dược phẩm của chúng chữa nhiều bệnh khác nhau, đặc điểm sinh học của cây phát triển rất tốt trong điều kiện khí hậu nóng ẩm nó mọc khắp nơi xung quanh nơi ở của con người, ta rất dễ tìm kiếm cộng với điều kiện kinh tế, quan điểm về hệ thống y học cổ truyền Phương Đông vì những lí do trên

mà Mã đề được sử dụng rộng rãi, phổ biến ở Việt Nam

Cũng như cây Mã đề các loại cây thảo dược khác được sử dụng phổ biến ở Việt Nam cũng như nhiều nơi trên thế giới để điều trị nhiều loại bệnh Chúng thường chứa các thành phần có hoạt tính dược lý như các khoáng chất và các chất vi lượng Theo như Tổ chức y tế Thế giới, có khoảng 70-80% dân số thế giới vẫn tin vào các phương thuốc dân gian dùng chủ yếu là thảo dược Các loại thảo dược được

sử dụng như các loại thuốc dân gian để điều trị các bệnh như đau đầu, đau bụng, tiểu đường, cao huyết áp, thấp khớp vv Song song với sự tăng trong việc sử dụng các loại thuốc thảo dược dân gian là sự lo ngại về sự an toàn và độc tính của các

thảo dược tự nhiên bán trên thị trường Có một quan niệm sai lầm lớn là các thảo dược tự nhiên và các loại cây thì luôn an toàn Tuy nhiên có nhiều báo cáo về việc nhiễm độc và các tác dụng khác nhau liên quan đến việc sử dụng các loại cây thảo dược và các đơn thuốc từ chúng [30]

Các độc tính của các cây thảo dược có thể liên quan tới sự ô nhiễm từ thuốc trừ sâu, vi sinh vật, kim loại nặng hay hóa chất độc hại Nhìn chung, về mặt địa lý, các tính chất hóa địa của đất, các chất ô nhiễm ở trong đất, nước và không khí cũng như sự phát triển, chuyển hóa và các điều kiện tích tụ có ảnh hưởng quan trọng đến các tính chất và chất lượng của chúng Độc tính của các vi lượng kim loại đối với sức khỏe con người và với môi trường đã thu hút được sự chú ý đáng kể trong những năm gần đây Các loại cây là con đường chính để chuyển các kim loại nặng

từ đất ô nhiễm tới con người Các kim loại nặng có xu hướng tích tụ trong chuỗi thức ăn Các kim loại nặng được bài tiết chậm qua thận và do đó có thể gây tác hại tới con người với nồng độ rất thấp Các kim loại như Mn, Co, Ni, Cd và Pb là những dinh dưỡng cần thiết cho cơ thể con người Tuy nhiên, khi hàm lượng các nguyên tố này hấp thụ tăng cao vượt quá giới hạn cho phép thì sẽ trở thành độc hại Việc nhiễm độc các kim loại nặng thường dẫn tới một số các loại bệnh như suy giảm hệ thống miễn dịch, rối loạn chức năng tim mạch, dị tật thai nhi, mất cân bằng tâm lý và thần kinh [16, 21, 25]

Hiện nay, sự ô nhiễm các kim loại nặng trong các phương thuốc thảo dược

đã được báo cáo ở các nước Châu Á, Nam Mỹ và Châu Phi [39] Tuy nhiên, ở Việt Nam, có rất ít các thông tin về sự an toàn của thảo dược và các sản phẩm từ thảo dược có bán trên thị trường

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

1.3.1 Trạng thái tự nhiên của các kim loại Mn, Co, Zn, Cd và Pb

Mangan chiếm khoảng 1000 ppm (0,1%) trong vỏ Trái Đất, đứng hàng thứ

12 về mức độ phổ biến của các nguyên tố ở đây Đất chứa 7-9000 ppm mangan với hàm lượng trung bình 440 ppm Nước biển chỉ chứa 10 ppm mangan và trong khí quyển là 0,01 µg/m3 Mangan có mặt chủ yếu trong pyrolusit (MnO2), braunit, (Mn2+Mn3+6) (SiO12), psilomelan (Ba,H2O)2Mn5O10, và ít hơn trong rhodochrosit (MnCO3) [18, 19]

Coban không thể tìm thấy như là một kim loại tự do, mà nói chung là ở trong các dạng quặng.Những quặng coban chính là cobantin (CoAsS) 35,4% Co, smantit (CoAs2) Do có nhiều trạng thái oxi hóa khác nhau, nên số lượng hợp chất coban khá phong phú Các oxít không có từ tính ở nhiệt độ thấp như CoO, và Co3O4 Bột kim loại coban dễ bùng cháy khi tiếp xúc với lửa Các hợp chất của coban phải được xử lí cẩn thận do có độc tính nhẹ [18, 19]

Kẽm trong thạch quyển của vỏ quả đất chiếm khoảng 5.10-3% về khối lượng, tồn tại ở dạng các khoáng vật chủ yếu là quặng blen kẽm (ZnS), calamin (ZnCO3), phranclinit hay ferit kẽm (Zn(FeO2)2), ngoài ra còn có zincit ZnO Trong tự nhiên các khoáng vật của Zn đều có lẫn khoáng vật của Pb, Ag và Cd [19]

Cadimi được tìm thấy trong tạp chất của cacbonat kẽm (calamin) Trong thạch quyển của vỏ trái đất cadimi chiếm khoảng 5.10-5 % về khối lượng Khoáng vật chủ yếu của cadimi là quặng grinokit (CdS) Trong quặng blen kẽm (ZnS) và calamine (ZnCO3) có chứa khoảng 3% cadimi [18]

Chì đã được con người biết đến từ thời thượng cổ Chì trong vỏ trái đất ứng với thành phần thạch quyển chiếm 1,6×10-3 % về khối lượng Galen (PbS) là quặng chì quan trọng nhất trong công nghiệp, ngoài ra còn gặp chì trong quặng xeruzit (PbCO3) [19]

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

1.3.2.1 Tính chất vật lý của Mn, Co, Zn, Cd và Pb

Mangan là kim loại màu trắng xám, giống sắt Nó là kim loại cứng và rất giòn, khó nóng chảy, nhưng lại bị oxi hóa dễ dàng Mangan tự nhiên là bao gồm 1 đồng vị bền 55Mn 18 đồng vị phóng xạ đã được miêu tả đặc điểm trong đó đồng vị phóng xạ ổn định nhất là 53Mn có chu kì bán rã 3,7 triệu năm, 54Mn có chu kì bán rã 312,3 ngày, và 52Mn là 5,591 ngày Tất cả các đồng vị phóng xạ còn lại có chu kì bán rã nhỏ hơn 3 giờ và phần lớn trong số này có chu kì bán rã nhỏ hơn 1 phút [19]

Coban có ánh kim, màu trắng xám Coban trong tự nhiên bao gồm 1 đồng

vị ổn định là 59Co Coban có 22 đồng vị phóng xạ Những đồng vị phóng xạ ổn định nhất là 60Co có chu kì bán rã là 5,2714 năm, 57Co có chu kì bán rã là 271,79 ngày, 56Co có chu kì bán rã là 77,27 ngày, và 58Co có chu kì bán rã 70,86 ngày Tất

cả đồng vị phóng xạ còn lại có chu kì bán rã ít hơn 18 giờ và phần lớn những đồng

vị này có chu kì bán rã ít hơn 1 giây Nguyên tố này cũng có 4 đồng phân phóng xạ, tất cả các đồng phân này đều có chu kì bán rã ít hơn 15 phút [19]

Kẽm là kim loại màu trắng bạc, mềm Ở trong không khí bị phủ lớp màng hidroxit - cacbonat bền Kẽm có 15 đồng vị, trong đó có 5 đồng vị thiên nhiên là

64Zn (48,89%), 66Zn (27,81%), 67Zn (4,11%), 68Zn (18,56%) và 70Zn (0,62%)

Cadimi là kim loại màu trắng bạc, mềm, có thể cắt bằng dao, dễ dát mỏng và

dễ mất ánh kim trong môi trường không khí ẩm do tạo màng oxít Cadimi có 19 đồng vị, trong đó có 8 đồng vị gặp trong thiên nhiên 106Cd (1,215%), 108Cd (0,875%), 110Cd (12,39%), 111Cd (12,7%), 112Cd (24,07%), 113Cd (12,26%), 114Cd (28,86%), và 116Cd (7,58%) Trong các đồng vị phóng xạ thì đồng vị 100Cd có chu kì bán hủy 470 ngày đêm là bền nhất [19]

Chì là kim loại có màu xám Chì có 18 đồng vị, trong đó có 4 đồng vị thiên nhiên là 204Pb (chiếm 1,48%), 206Pb (chiếm 23,6%), 207Pb (chiếm 22,6%) và 208Pb (chiếm 52,3%) Đồng vị phóng xạ bền nhất của chì là 202Pb có chu kỳ bán hủy là 3.105 năm [19]

Một số tính chất vật lý của mangan, coban, kẽm, cadimi và chì được tổng kết

2 Nguyên tử khối (u) 54,94 58,93 66 112,41 208

3 Cấu hình electron [Ar]3d54s2 [Ar]3d74s2 [Ar]3d104s2 [Kr]4d105s2 [Xe]4f

1.3.2.2 Một số tính chất hóa học của Mn, Co, Zn, Cd và Pb

tạo nên lại bảo vệ cho kim loại không bị oxi hóa tiếp kể cả khi đun nóng [19]

Coban bền do màng oxit bảo vệ ở nhiệt độ cao (dạng bột) xảy ra phản ứng

2Co + O2 0

t 2CoO( 3000C) Cadimi bền trong điều kiện không khí ẩm và ở nhiệt độ thường nhờ có màng oxit bảo vệ Nhưng ở nhiệt độ cao cadimi cháy mãnh liệt tạo thành oxit, cho ngọn lửa màu sẫm

Chì bị oxi hóa ở điều kiện thường tạo thành màng oxit bảo vệ cho kim loại Khi đun nóng trong không khí, chì bị oxi hóa dần đến hết tạo ra PbO

* Tác dụng với các phi kim khác

- Mangan, Coban, Cadimi và Chì tác dụng với halogen, lưu huỳnh, photpho tạo muối tương ứng

2Pb + O2 + 2H2O → 2Pb(OH)2

4Zn +10 HNO3 4 Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O Nhưng với axit HNO3, chì tác dụng ở bất kỳ nồng độ nào đều tạo ra Pb(NO3)2 Tuy nhiên do Pb(NO3)2 khó tan trong HNO3 đặc, dễ tan trong nước nên chì dễ tan trong HNO3 loãng, khó tan trong HNO3 đặc [19]

3Pb + 8HNO3 → 3Pb(NO3)2 + 2NO + 4H2O Chì cũng tan được trong axit axetic và một số axit hữu cơ khác khi có mặt oxi

2Pb + 4CH3COOH + O2 → 2Pb(CH3COO)2 + 2H2O Chì còn có thể tan được trong dung dịch kiềm đặc nóng

Pb + 2KOH + 2H2O → K2[Pb(OH)4] + H2 ↑ Coban chỉ tan trong những axit có tính oxi hóa mạnh như HNO3, H2SO4đặc

Co + 4HNO3 đặc →Co(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O 6Co + 8HNO3 loãng → 3Co2(NO3)2 + 2NO + 4H2O

Kẽm có thể tan dễ dàng trong dung dịch kiềm giải phóng hidro

Zn + OH- + H2O → [Zn(OH)4]2- + H2 Khi có mặt oxi không khí, đồng, kẽm có thể tan trong dung dịch NH3

2Cu + 8NH3 + O2 + 2H2O → 2[Cu(NH3)4](OH)2

Zn + 4NH3 + 2H2O → [Zn(NH3)4](OH)2 + H2

Trong môi trường kiềm cao, Zn khử được ion NO3- thành khí NH3:

4Zn + NO3- + 7OH- + 6H2O → 4[Zn(OH)4]2- + NH3

1.4 Vai trò sinh học của các nguyên tố Mn, Co, Zn, Cd và Pb

1.4.1 Vai trò sinh học của Mn

Mangan trong cơ thể chỉ khoảng 12 - 20 mg so với trọng lượng cơ thể nhưng tham gia vào rất nhiều quá trình biến dưỡng với nhiều vai trò khác nhau Trong đường ruột, mangan giúp men tiêu hóa nhận diện thức ăn dễ hấp thu nhất Ở tế bào, mangan thúc đẩy tổng hợp protein để bảo toàn cấu trúc của tế bào, nhờ đó tế bào có thể sinh sản bình thường Nói cách khác, tế bào ít bị biến động thành tế bào ung thư Mangan là nguyên tố vi lượng "bận rộn" nhất, có mặt ở khắp nơi trong cơ thể Giúp tạo huyết cầu trong tủy xương, tăng cường cấu trúc chắc khỏe cho xương và răng hay thúc đẩy quá trình sản xuất nội tiết tố

Mangan tham gia vào sản xuất tác chất trung gian thần kinh dopamin - một chất dẫn truyền xung thần kinh cảm giác về ý chí và tinh thần sáng tạo của con người Nếu thiếu mangan, cơ thể sẽ mất cảm giác sung sướng hay đau buồn, giảm khả năng phản xạ của cơ thể

Ngoài ra, mangan còn kích thích chuyển hóa chất béo, giảm cholesterol góp phần ngăn ngừa xơ vữa động mạch Mangan trong ty thể làm chất đồng xúc tác cùng các enzyme chuyển hóa hàng loạt quá trình trong tế bào Hơn nữa, mangan còn thúc đẩy hình thành sắc tố melanin làm sáng da, tăng sức sống cho tóc

Mangan không có khả năng gây đột biến cũng như hình thành các bệnh nguy hiểm như ung thư, cũng không ảnh hưởng đến sinh sản… nhưng nó có liên quan mật thiết đến hệ thần kinh, gây ra các độc tố hình thành hội chứng manganism với các triệu chứng gần tương như tự bệnh Parkinson Nếu lượng mangan hấp thu vào

cơ thể cao có thể gây độc với phổi, hệ thần kinh, thận và tim mạch Khi hít phải

mangan với lượng lớn có thể gây hội chứng nhiễm độc ở động vật, gây tổn thương thần kinh [25, 27, 30, 33, 40]

1.4.2 Vai trò sinh học của Co

Coban có cả tác động có lợi và có hại đối với sức khoẻ con người Coban có lợi cho con người vì nó là một phần của vitamin B12, điều rất cần thiết để duy trì sức khoẻ con người Coban (0.16-1.0 mg coban/kg trọng lượng cơ thể) cũng được

sử dụng như một phương pháp điều trị thiếu máu (ít hơn số lượng hồng cầu bình thường), Coban cũng làm tăng sản xuất tế bào hồng cầu ở người khỏe mạnh Coban cũng rất cần thiết đối với sức khoẻ của các động vật khác nhau, như gia súc, cừu Khi cây phát triển ở nơi bị ô nhiễm, chúng sẽ tích tụ các hạt coban rất nhỏ, đặc biệt

là ở các bộ phận của cây mà chúng ta ăn, như trái cây và hạt Đất, nước và không khí gần các nhà máy, khu công nghiệp sản xuất thép có thể chứa một lượng coban rất cao, do đó sự hấp thụ của con người thông qua việc ăn cây có thể gây ra các ảnh hưởng đến sức khoẻ [10, 25, 27, 30, 40]

1.4.3 Vai trò sinh học của Zn

Kẽm tham gia hoạt hoá khoảng 70 enzym của nhiều hoạt đông sinh lý, sinh hoá của cây Nó là một nguyên tố có ảnh hưởng to lớn đối với năng suất cây trồng Thực vật hấp thụ kẽm ở dạng ion Zn2+ Tác dụng sinh lý của kẽm:

Kẽm cần cho sự hoạt động của nhiều enzym đường phân (hexokinase, andolase…)

Kẽm hoạt hoá enzym hô hấp cacboanhydrase, xúc tác phản ứng loại nước của hydrat oxit cacbon Phản ứng này cung cấp CO2 cho quá trình quang hợp Kẽm xúc tác quá trình tổng hợp triptophan, protein, axit indolilaxetic và cần cho quá trình sử dụng phốt pho vô cơ thành phốt pho hữu cơ trong thành phần của axit nucleic, các nucleotit

Mặc dù kẽm là vi chất cần thiết cho sức khỏe, tuy nhiên nếu hàm lượng kẽm vượt quá mức cần thiết sẽ có hại cho sức khỏe Hấp thụ quá nhiều kẽm làm ngăn chặn sự hấp thu đồng và sắt Ion kẽm tự do trong dung dịch là chất có độc tính cao đối với thực vật, động vật và đặc biệt là đối với người [10]

1.4.4 Vai trò sinh học của Cd

Cadimi có thể xâm nhập vào cơ thể con người bằng nhiều con đường khác nhau như tiếp xúc với bụi cadimi, ăn uống các nguồn có sự ô nhiễm cadimi Nếu ăn phải một lượng đáng kể cadimi sẽ bị ngộ độc, có thể dẫn đến tử vong Đã có bằng chứng chứng minh rằng cadimi tích tụ trong cơ thể gây nên chứng bệnh giòn xương

Ở nồng độ cao, cadimi gây đau thận, thiếu máu và phá hủy tủy xương Người bị nhiễm độc cadimi, tùy theo mức độ sẽ bị ung thư phổi, thủng vách ngăn mũi, đặc biệt là bị tổn thương thận, ảnh hưởng đến nội tiết, máu và tim mạch Sự hiện diện của cadimi trong cơ thể khiến cho việc cố định canxi trở nên khó khăn dẫn đến những tổn thương về xương gây đau đớn ở vùng xương chậu và hai chân Ngoài ra,

tỷ lệ ung thư phổi cũng khá lớn ở nhóm người thường xuyên tiếp xúc với chất độc này [1, 2, 10, 25]

Phần lớn cadimi thâm nhập vào cơ thể được đào thải ra ngoài, còn giữ lại

ở thận khoảng 1% do cadimi liên kết với protein tạo thành metallotion có ở thận Phần còn lại được giữ trong cơ thể và dần dần được tích tụ theo thời gian Khi lượng Cd2+ được tích tụ đủ lớn, nó có thể thế chỗ Zn2+ trong các enzyme quan trọng và gây rối loạn tiêu hóa và các chứng bệnh rối loạn chức năng của thận, gây thiếu máu, tăng huyết áp, phá hủy tủy xương gây ung thư … Cadimi cũng có thể can thiệp vào quá trình sinh học có chứa magie và canxi theo cách thức tương tự như đối với kẽm [1, 7, 16, 17]

Cơ quan nghiên cứu ung thư quốc tế (IARC) đã xếp cadimi và hợp chất của

nó vào nhóm 2A theo thứ tự sắp xếp về mức độ độc hại của các nguyên tố trong ngành y tế Hàng tuần lượng cadimi đưa vào cơ thể, cơ thể có thể chịu đựng được

là 7g/kg thể trọng [25]

1.4.5 Vai trò sinh học của Pb

Chì gây ức chế ALA-dehidraza enzym I, do đó giai đoạn tiếp theo hình thành porphobilinogen II không xảy ra được Tổng quát chung thì chì phá hủy quá trình tổng hợp hemoglobin và các sắc tố cần thiết cho máu như cytochoromes Khi hàm lượng chì trong máu khoảng 0,3 ppm thì nó ngăn cản quá trình sử dụng oxy để oxi hóa glucoza tạo năng lượng cho quá trình sống, do đó làm cho cơ thể mỏi mệt

Nồng độ cao hơn 0,8ppm có thể gây thiếu hemoglobin, gây rối loạn chức năng thận

và phá hủy não [17, 33]

Đối với sức khỏe con người, nhiễm độc chì gây ra bệnh về tai, mũi, họng, phế quản, máu, gan, xương và các bệnh ngoài da Khi ngộ độc chì, người lớn hay than phiền, đau tê ở đầu ngón chân, tay, bắp thịt mỏi yếu, nhức đầu, đau bụng, tăng huyết áp, thiếu máu, giảm trí nhớ, thay đổi tâm trạng, sảy thai, kém sản xuất tinh trùng Lâu ngày, bệnh trở thành mạn tính, đưa tới suy thận, tổn thương thần kinh ngoại vi, giảm chức năng não bộ (do chì có khả năng ta ̣o thành các hợp chất alkyl ái lipit) [10, 17]

1.5 Các phương pháp phân tích lượng vết kim loại nặng

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

mức độ tin cậy của kết quả phân tích

1.5.1 Phương pháp phân tích hoá học

Nhóm các phương pháp này dùng để xác định hàm lượng lớn của các chất, thông thường lớn hơn 0.05%, tức là mức độ miligam Các thiết bị, dụng cụ cho các phương pháp này đơn giản và không đắt tiền

1.5.1.1 Phương pháp phân tích khối lượng

Nguyên tắc: Đây là phương pháp dựa trên sự kết tủa chất cần phân tích với thuốc thử phù hợp, sau đó lọc, rửa, sấy hoặc nung rồi cân chính xác sản phẩm và từ

đó xác định được hàm lượng chất phân tích [14, 15]

1.5.1.2 Phương pháp phân tích thể tích

Nguyên tắc: Dựa trên sự đo thể tích dung dịch thuốc thử đã biết nồng độ chính xác (dung dịch chuẩn) được thêm vào dung dịch chất định phân tích để tác dụng đủ toàn bộ lượng chất định phân tích đó Thời điểm thêm lượng thuốc thử tác

dụng vừa đủ với chất định phân tích gọi là điểm tương đương Để nhận biết điểm tương đương, người ta dùng các chất gây ra hiện tượng đổi màu hay kết tủa có thể quan sát bằng mắt gọi là chất chỉ thị Tuỳ thuộc vào loại phản ứng chính được dùng

mà người ta chia phương pháp phân tích thể tích thành các nhóm phương pháp trung hoà, phương pháp oxi hoá khử, phương pháp complexon [14,15]

1.5.2 Các phương pháp phân tích công cụ

1.5.2.1 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS

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

nguyên tử hay ion tự do trong môi trường kích thích bằng cách dùng nguồn năng

lượng phù hợp Thu, phân li và ghi toàn bộ phổ hấp thụ của nguyên tố cần nghiên

cứu nhờ máy quang phổ Đánh giá phổ đã ghi về mặt định tính và định lượng theo những yêu cầu đặt ra

Gần 60 nguyên tố hóa học có thể được xác định bằng phương pháp với giới hạn phát hiện thấp 10-4 đến 10-5 ppm Đặc biệt nếu sử dụng kĩ thuật không ngọn lửa thì có thể hạ giới hạn phát hiện xuống 10-7 ppm [15]

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

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

có thể lưu lại đường chuẩn cho các lần sau [33]

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

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

A = .l.C Trong đó:

: Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào bản chất màu và bước sóng của ánh sáng tới l: Chiều dày cu vet

C: Nồng độ chất phân tích

Khi l và  không đổi, độ hấp thụ quang phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ Vì vậy, khi xây dựng được đường chuẩn biểu thị mối quan hệ giữa độ hấp thụ và nồng

độ C trong từng trường hợp cụ thể sẽ dễ dàng xác định được nồng độ chưa biết của một chất thông qua độ hấp thụ quang Giới han phát hiện của phương pháp cỡ 10-

5M - 10-6M [20]

1.5.3.3 Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử AES

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

nguyên tử hay ion tự do trong môi trường kích thích bằng cách dùng nguồn năng lượng phù hợp Thu, phân li và ghi toàn bộ phổ phát xạ của nguyên tố cần phân tích nhờ máy quang phổ Đánh giá phổ đã ghi về mặt định tính và định lượng theo

những yêu cầu đã đặt ra

*Ưu điểm của phương pháp: Có độ nhạy rất cao (10-5-10-8 M) và độ chính xác cao (sai số dưới 10%) Phân tích đồng thời nhiều nguyên tố trong một mẫu mà không cần tách riêng, tiêu tốn ít mẫu, có thể kiểm tra được độ đồng nhất về thành phần của vật mẫu ở những vị trí khác nhau Kết quả phổ thu được ghi trên phim ảnh

có thể lưu trữ, khi cần thiết có thể đánh giá hay xem xét lại mà không cần phải có mẫu phân tích [15]

1.5.2.4 Phương pháp quang phổ phát xạ plasma cảm ứng (ICP-OES)

* Nguyên tắc của phương pháp: Kỹ thuật ICP-OES: mẫu bị hóa hơi sau

đó bị nguyên tử hóa, ion hóa, bị kích thích lên mức năng lượng cao hơn, sau đó trở về mức năng lượng thấp hơn Năng lượng giải phóng ra ở dạng chùm sáng

bước sóng λ hay photon với tần số mang năng lượng h Số lượng photon phát ra

tỉ lệ với số nguyên tử của nguyên tố có mặt trong mẫu các quá trình nguyên tử hóa trong ICP-OES

* Ưu điểm của phương pháp:

Quang phổ phát xạ plasma cảm ứng (ICP-OES) là kỹ thuật phân tích hàm lượng các nguyên tố ở dạng vết với những đặc điểm: nhiệt độ kích thích lớn (7000-

8000 K), mật độ điện tích lớn, có khả năng xác định được nhiều nguyên tố cùng lúc, phát xạ nền thấp, ảnh hưởng về mặt hóa học tương đối thấp, độ ổn định tốt dẫn tới kết quả phân tích chính xác Kỹ thuật có giới hạn phát hiện thấp (0,1ng/ml-

100ng/ml) đối với hầu hết các nguyên tố, phạm vi tuyến tính rộng, có hiệu quả kinh

tế [21, 24]

1.5.3 Các phương pháp phân tích điện hoá

1.5.3.1 Phương pháp cực phổ

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

cứu và sử dụng các đường dòng thế được ghi trong các điều kiện đặc biệt Trong đó các chất điện phân có nồng độ khá nhỏ từ 10-3 đến n.10-6 M còn chất điện ly trơ có nồng độ lớn, gấp hơn 100 lần Do đó, chất điện phân chỉ vận chuyển đến điện cực bằng con đường khuếch tán

Điện cực làm việc (còn gọi là điện cực chỉ thị) là điện cực phân cực có bề mặt rất nhỏ, khoảng một vài mm2 Trong cực phổ cổ điển người ta dùng điện cực chỉ thị là điện cực giọt thủy ngân Điện cực so sánh là điện cực không phân cực Đầu tiên người ta dùng điện cực đáy thủy ngân có diện tích bề mặt tương đối lớn, sau đó thay bằng điện cực Calomen hay điện cực Ag/AgCl Đặt vào điện cực làm việc điện thế một chiều biến thiên liên tục nhưng tương đối chậm để có thể coi là không đổi trong quá trình đo dòng I Cực phổ hiện đại bao gồm cực phổ sóng vuông, cực phổ xung và cực phổ xung vi phân đã đạt tới độ nhạy 10-5-5.10-7 M

* Ưu điểm của phương pháp: Trang thiết bị tương đối đơn giản, tốn ít hóa chất

mà có thể phân tích nhanh với độ nhạy và độ chính xác khá cao Trong nhiều trường hợp có thể xác định hỗn hợp các chất vô cơ và hữu cơ mà không cần tách riêng chúng

ra Do đó phương pháp này phù hợp để phân tích hàm lượng các chất trong mẫu sinh học [8]

1.5.3.2 Phương pháp Von-Ampe hòa tan

Phương pháp này có thể xác định được gần 30 kim loại trong khoảng nồng

độ 10-6 -10-9M với độ chính xác khá cao có thể định lượng đồng thời 3-4 ion kim loại cùng có trong cùng dung dịch

Phương pháp này được thực hiện qua hai giai đoạn:

- Điện phân làm giàu chất cần phân tích lên bề mặt điện cực tại thế không đổi, đo dưới dạng một kết tủa (kim loại, hợp chất khó tan)

- Hòa tan kết tủa đã được làm giàu và ghi đo đường hòa tan Nồng đô ̣ của chất tương ứng với chiều cao pic hòa tan

*Ưu điểm của phương pháp: Phương pháp có độ nhạy, độ chính xác cao,

kỹ thuật phân tích và trang thiết bị không quá phức tạp, kết quả ổn định Chính

vì vậy, phạm vi ứng dụng của phương pháp này rất rộng như phân tích môi trường, xác định lượng vết kim loại trong nước biển và các loại nước thiên nhiên Ngoài ra phương pháp này còn sử dụng để phân tích kim loa ̣i trong các mẫu lâm sàng (máu, tóc, nước tiểu…), trong mẫu thực phẩm (sữa, rau quả, gạo,

thịt…) [9]

1.5.4 Phương pháp phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS)

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

MS (Mass Spectrometry) là phép ghi phổ theo số khối hay chính xác hơn là theo tỷ số giữa số khối và điện tích (m/Z) [15]

ICP-MS là một phương pháp phân tích các chất vô cơ dựa trên sự ghi đo phổ theo tỷ số m/z của ion nguyên tử các nguyên tố cần phân tích ICP là ngọn lửa plasma tạo thành bằng dòng điện có tần số cao có MHz được cung cấp bằng một máy phát cao tần RF Ngọn lửa plasma có nhiệt độ cao có tác dụng chuyển các nguyên tố có trong mẫu cần phân tích ra dạng ion MS là phép ghi phổ theo tỉ số m/z

ICP-MS được phát triển vào đầu những năm 80 của thế kỉ trước, là sự kết hợp thành công và hoàn hảo của hai thiết bị ICP và MS Đây là một trong những phương pháp phân tích hiện đại nhất hiện nay và ngày càng chứng tỏ có nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp phân tích khác trong nghiên cứu xác định lượng vết nguyên tố cũng như xác định thành phần đồng vị của chúng [13, 15, 21, 38]

1.5.4.1 Nguyên tắc của phương pháp ICP - MS

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

giải chúng theo số khối (m/Z) sẽ tạo ra phổ khối của nguyên tử chất cần phân tích, được phát hiện nhờ các detector thích hợp

ICP-MS sử dụng nguồn năng lượng cao tần, nhiệt điện lên đến 6000-100000C cho phép hóa hơi, nguyên tử hóa và ion hóa tất cả các chất với hiệu suất cao và ổn định Tách loại các ion nhờ hệ từ trường tứ cực [15, 38]

1.5.3.2 Các quá trình xảy ra trong nguồn ICP:

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

Hóa hơi: MnXm(r)  Mnxm(k)

Phân li: MnXm(k)  nM(k) + mX(k)

Ion hóa: M(k)0 + Enhiệt  M(k)+

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

- Đánh giá định tính, định lượng phổ thu được

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

do đã bị ion hóa trong nguồn năng lượng cao tần ICP theo số khối các chất [8, 13]

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

Phân tích nhanh đồng thời nhiều nguyên tố, nó cho phép phân tích hơn 70 nguyên tố từ Li - U, có thể xác định đồng thời chúng với độ nhạy và độ chọn lọc rất cao (giới hạn phát hiện từ ppb-ppt đối với tất cả các nguyên tố)

Giới hạn phát hiện thấp thích hợp phân tích lượng vết và siêu vết

Khả năng phân tích định lượng và bán định lượng rất tốt do không cần phải dùng mẫu chuẩn mà vẫn đạt độ chính xác cao; có thể phân tích các đồng vị và tỉ lệ của chúng

Có thể phân tích và đưa ra đầy đủ thông tin về các đồng vị của một nguyên

tích vết và siêu vết phục vụ nghiên cứu sản xuất vật liệu bán dẫn, vật liệu hạt nhân, nghiên cứu địa chất, môi trường [11, 16]

Bảng 1.2 So sánh khả năng phát hiện của các kỹ thuật phân tích [15]

STT Nguyên tố ICP-MS

(ppb)

ICP-AES (ppb)

F-AAS (ppb)

GFA-AAS (ppb)

So sánh giới hạn phát hiện của các phương pháp thì người ta có thấy rõ ưu điểm của ICP-MS là khả năng phân tích được hầu hết các nguyên tố với giới hạn phát hiện tốt nhất Tuy nhiên, do ICP-MS cũng có một số ảnh hưởng nhất định như ảnh hưởng của tốc độ bơm mẫu không đồng đều dẫn tới kết quả phân tích cũng có lệch tương đối CV khoảng 5% đối với mẫu có hàm lượng thấp thì CV có thể lên tới 10-20%, một ảnh hưởng nữa của ICP-MS là sự trùng số khối của một số đồng vị, với mẫu nền phức tạp thì sự trùng số khối có thể xỷ ra Để khắc phục điều này, một

kỹ thuật pha loãng đồng vị được phát triển

1.5.4.4 Hạn chế của phương pháp ICP-MS

Các khí: Ar, O2, H2 và các axit dùng để chuẩn bị mẫu vì ở nhiệt độ cao chúng bị phản ứng với các nguyên tố trong mẫu để tạo ra các oxit, các hạt ion có cùng khối lượng với các nguyên tố cần phân tích ví dụ như Fe không thể phân tích được bằng phương pháp này Tuy nhiên ảnh hưởng này có thể được loại bỏ dựa vào các kỹ thuật phân tích của ICP-MS và lựa chọn đồng vị thích hợp để phân tích

Các nguyên tố có thể bị ion hóa quá cao sẽ có độ nhạy phân tích rất kém: P,

S, Cl, Au

Sự hình thành các ion đa nguyên tử dẫn đến hiện tượng che lấp phổ

Sự đóng cặn xảy ra trong bộ phận cấp mẫu, trong nón và các bộ phận khác dẫn đến làm tăng nồng độ các nguyên tố trong mẫu trắng cũng như làm trôi kết quả đo

Giá thiết bị, chi phí vận hành cao, cần tiêu tốn Ar khoảng 10-12 l/phút để duy trì hoạt động [11, 13]

1.5.4.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo ICP-MS

Nồng độ muối ảnh hưởng từ 0,1 - 0,4%

Đồng vị của các nguyên tố khác nhau có số khối trùng nhau Sự kết hợp giữa các nguyên tử tạo ra một phân tử mới có số khối trùng với số khối của nguyên tố cần phân tích

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

Ảnh hưởng của mẫu phân tích trước [11, 13]

1.5.4.6 Chất nội chuẩn

Nếu chất nội chuẩn thêm vào có nồng độ là Cch, có cường độ pic phổ khối là Ich

và mẫu phân tích có nồng độ là Cx, có cường độ pic phổ khối là Ix thì chúng ta có:

1.5.4.7 Một số công trình nghiên cứu xác định kim loại nặng bằng phương pháp ICP-MS

Luận văn ThS Lương Thị Loan: Xây dựng quy trình xác đi ̣nh đồng, chì, cadimi trong mẫu huyết thanh bằng phương pháp quang phổ plasma ghép nối khối phổ (ICP-MS) [15]

Luận văn ThS Hà Tiên Lượng: “Phân tích xác định hàm lượng Pb, Cd và Zn trong sữa bằng phương pháp pha loãng đồng ICP-MS” [16]

Liu Y, Diwu C, Triệu Y, Liu X, Yuan H, Jianqi W (2014), "Xác định các nguyên tố vết đất hiếm trong đất Trung Quốc và các vật liệu tham khảo bằng đất sét của ICP-MS", Chin.J.Gochoch, 33, trang 095-102 [42]

Subramanian Ramasamy K.S.R Trường Cao đẳng Nghệ thuật và Khoa học

"Phân tích các khoáng chất và kim loại nặng trong một số cây thuốc thu được từ thị trường trong nước" [39]

Neelesh K Nema, Niladri Maity, Birendra K Sarkar và Pulok K Mukherjee (2012) "Xác định dấu vết và kim loại nặng trong một số loại thảo mộc được sử dụng phổ biến ở Ayurveda" Toxicol Ind Health [34]

1.6 Các phương pháp xử lí mẫu để xác định kim loại

1.6.1 Nguyên tắc xử lí mẫu

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

4), hay axit mạnh, đặc và nóng có tính oxi hoá mạnh (HNO

3, HClO

4), hoặc hỗn hợp 2 axit (HNO

2SO

4 + KMnO

4) hoặc dùng các dung dịch kiềm mạnh, đặc nóng (NaOH, KOH 15-20%), hay hỗn hợp của kiềm mạnh và muối kim loại kiềm (NaOH +NaHCO

3), hay một kiềm mạnh và peroxit (KOH + Na

2O

2), nồng độ (10 20%) để phân huỷ mẫu trong điều kiện đun nóng trong bình Kendan, trong ống nghiệm, trong cốc hay trong lò vi sóng [14]

-* Kỹ thuật xử lí khô: Kỹ thuật xử lí khô (tro hóa khô) là kỹ thuật nung để xử

lí mẫu trong lò nung ở một nhiệt độ thích hợp (450-750oC), song thực chất đây chỉ

là bước đầu tiên của quá trình xử lý mẫu Vì sau khi nung, mẫu bã còn lại phải được hòa tan (xử lý tiếp) bằng dung dịch muối hay dung dịch axit phù hợp, thì mới chuyển các chất cần phân tích trong tro mẫu vào dung dịch để sau đó xác định nó theo một phương pháp đã chọn Khi nung, các chất hữu cơ của mẫu sẽ bị đốt cháy thành CO2 và nước Thời gian nung có thể từ 5-12 giờ tùy thuộc vào mỗi loại chất phân tích, cấu trúc, dạng liên kết của các chất trong mẫu

* Kỹ thuật xử lí khô-ướt kết hợp: Bằng cách kết hợp hai phương pháp trên

chúng ta có phương pháp khô- ướt kết hợp

1.6.2 Phương pháp chiết

Chiết là phương pháp dựa trên cơ sở sự phân bố khác nhau của chất phân tích vào trong hai pha không trộn lẫn vào nhau Nhờ đó mà chúng ta lấy được chất cần phân tích ra khỏi pha mẫu ban đầu, chuyển nó vào pha thứ hai mà chúng ta mong muốn [11]

1.6.3 Phương pháp điện phân

Trong bình điện phân tại thế một chiều, các ion kim loại chạy về điện cực

âm, bị điện phân trở thành các phân tử trung hòa và bám vào điện cực Do đó ta được chất phân tích bám trên điện cực âm Sau đó ta có thể xác định chất trên điện cực bằng phương pháp khối lượng hay hòa tan chất trên điện cực rồi xác định nó theo một cách phù hợp Đây là cách làm giàu chất phân tích của phương pháp phân tích cực phổ có tên là phương pháp Von - Ampe [11, 14]

1.6.4 Phương pháp phân hủy mẫu bằng lò vi sóng

* Nguyên tắc: Dùng năng lượng của lò vi sóng để đun nóng mẫu được đựng

trong bình kín Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, mẫu được hòa tan dễ dàng Đây là phương pháp xử lý mẫu hiện đại nhất hiện nay, làm giảm đáng kể thời gian

xử lí mẫu, không mất mẫu và vô cơ hóa mẫu được triệt để Có thể vô cơ hóa cùng một lúc nhiều mẫu Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi thiết bị rất đắt tiền

1.7 Thiết bị

1.7.1 Lò vi sóng

Lò vi sóng Microwave Speed Wave 4 (SW4), Berhof - Đứ c

- Hệ phân hủy mẫu bằng lò vi sóng Berghof, Speed wave-4 của Đức có chương trình điều khiển nhiệt độ bên trong, bên ngoài lò, áp suất và thời gian nhiệt

- Lò vi sóng có các ống phá mẫu bằng teflon, ký hiệu là DAK-100, có thể tích 100ml Nhiệt độ và áp suất lớn nhất có thể đạt được ở trong ống lần lượt là

2300C và 40 bar Khối lượng mẫu lớn nhất cho vào trong ống là 500mg Thể tích mẫu tối thiểu trong ống là 5ml

Hình 1.1 Thiết bị phân hủy mẫu