Phân tích hàm lượng vết của một số kim loại nặng trong cây sài đất

Nếu dư thừa hoặc thiếu hụt sẽ gây ra một số bệnh như bệnh Schizophrenia, bệnh Willson đó là do sự dư thừa lượng đồng trong cơ thể, hiện tượng tím tái người ngất xỉu đột ng

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 - 2018

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn TS Vương Trường Xuân đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Hóa phân tích đã luôn tạo điều kiện và giúp đỡ em trong quá trình học tập và nghiên cứu

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa, các thầy cô phòng đào tạo, các bạn học viên, đồng nghiệp… đã luôn động viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và làm thực nghiệm

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 5 năm 2018

Học viên

Hoàng Mạnh Hùng

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN a MỤC LỤC b DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT d DANH MỤC BẢNG e

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về cây Sài đất 3

1.1.1 Giới thiệu chung cây Sài đất 3

1.1.2 Mô tả thực vật 3

1.1.3 Thành phần hóa học, tác dụng dược lý 4

1.1.4 Cách dùng và công dụng của cây Sài đất 4

1.2 Tình hình sử dụng cây Sài đất và thảo dược ở Việt Nam 5

1.3 Vùng tác động của kim loại nặng lên con người và các cơ thể sống 6

1.3.1.Vai trò của các nguyên tố Cu, Pb và Cd đối với cây 7

1.3.2 Vai trò sinh học của đồng, chì và cadimi 8

1.4 Các phương pháp phân tích lượng vết đồng, cadimi và chì 11

1.4.1 Các phương pháp phân tích quang học 11

1.4.2 Các phương pháp phân tích điện hoá 13

1.4.3 Giới thiệu về phương pháp phổ khối plasma cao tần cảm ứng (ICP-MS) 14

1.5 Phương pháp xử lí mẫu phân tích xác định Cu, Cd và Pb 18

1.5.1 Phương pháp vô cơ hoá mẫu ướt 18

1.5.2 Phương pháp vô cơ hoá mẫu khô 19

1.5.3 Xử lý khô ướt kết hợp 19

1.5.4 Phương pháp pha loãng mẫu bằng dung môi thích hợp 20

1.5.5 Phương pháp điện phân 20

1.5.6 Phương pháp phân hủy mẫu bằng lò vi sóng 20

1.5.7 Tác nhân vô cơ hoá 22

1.6 Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước 22

Chương 2: THỰC NGHIỆM 24

2.1 Mục tiêu nghiên cứu 24

2.2 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 24

2.2.1 Đối tượng nghiên cứu 24

2.2.2 Phương pháp nghiên cứu 24

2.3 Thiết bị, hóa chất 24

2.3.1 Thiết bị, dụng cụ 24

2.3.2 Hóa chất và cách pha 25

2.3.3 Thiết bị phân hủy mẫu và phân tích mẫu 25

2.4 Lấy mẫu và xử lí mẫu 26

2.4.1 Lấy mẫu 26

2.4.2 Quy trình xử lí mẫu 28

2.5 Xây dựng đường chuẩn của các nguyên tố Cu, Cd và Pb 28

2.5.1 Pha hóa chất 29

2.5.2 Phương pháp xử lí kết quả phân tích theo phương pháp đường chuẩn 29

2.6 Phân tích mẫu thật 30

2.7 Rửa dụng cụ sau khi phân tích mẫu 30

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31

3.1 Tối ưu hóa điều kiện phân tích bằng ICP-MS 31

3.1.1 Các điều kiện phá mẫu của lò vi sóng 31

3.1.2 Các điều kiện đo phổ khối nguyên tử của Cu, Cd và Pb 31

3.1.3 Chọn đồng vị phân tích 31

3.2 Đường chuẩn của Cu, Cd và Pb 32

3.2.1 Đường chuẩn của Cu 32

3.2.2 Đường chuẩn của Cd 33

3.2.3 Đường chuẩn của Pb 33

3.3 Kết quả xác định hàm lượng các kim loại Cu, Cd và Pb trong các mẫu cây Sài đất 34

KẾT LUẬN 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Nghĩa

ICP-AES Phổ phát xạ nguyên tử nguồn plasma cao tần cảm ứng

ICP-MS Phổ khối nguyên tử nguồn plasma cao tần cảm ứng

ICP-OES Phổ phát xạ quang học nguyên tử nguồn plasma cao tần cảm ứng

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các giá trị tham khảo đối với nồng độ bình thường và độc tính của

kim loại nặng trong thực vật 10

Bảng 1.2 Giới hạn rủi ro đối với một số kim loại nặng (Bộ Y tế và Dịch vụ Nhân sinh Hoa Kỳ Tháng 9 năm 2015) [26] 11

Bảng 2.1 Thời gian, địa điểm lấy và kí hiệu các mẫu sài đất 27

Bảng 2.2 Nồng độ các dung dịch chuẩn cần hút và định mức 29

Bảng 3.1 Các thông số tối ưu cho lò vi sóng phá mẫu 31

Bảng 3.2 Các điều kiện vận hành tối ưu cho máy đo 31

Bảng 3.3 Tỷ số khối lượng/điện tích (M/Z) của các kim loại cần phân tích 32 Bảng 3.4: Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) 34

Bảng 3.5 Kết quả xác định hàm lượng Cu, Cd, Pb trong mẫu cây Sài đất 34

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Cây Sài đất 3

Hình 2.1 Lò vi sóng Multiwave Pro 25

Hình 2.2 Thiết bị ICP-MS NeXion 2000 26

Hình 3.1 Đường chuẩn của Cu 32

Hình 3.2 Đường chuẩn của Cd 33

Hình 3.3 Đường chuẩn của Pb 33

Hình 3.4: Hàm lượng của Cu trong mẫu cây Sài đất và quy chuẩn so với Singapore 36

Hình 3.5: Hàm lượng của Cd trong mẫu cây Sài đất và quy chuẩn so với WHO 37

Hình 3.6: Hàm lượng của Pb trong mẫu cây Sài đất và quy chuẩn so với WHO 37

MỞ ĐẦU

Cho đến ngày nay có hàng trăm công trình khoa học Việt Nam cũng như trên thế giới đã công bố các kết quả nghiên cứu về chức năng và ảnh hưởng của một số kim loại nặng đối với sức khỏe con người Các nguyên tố vi lượng như đồng, chì và cadimi

là thành phần rất cần thiết trong cơ thể sống Nếu dư thừa hoặc thiếu hụt sẽ gây ra một số bệnh như bệnh Schizophrenia, bệnh Willson đó là do sự dư thừa lượng đồng trong

cơ thể, hiện tượng tím tái người ngất xỉu đột ngột do nhiễm độc chì,…

Trong những năm gần đây việc sử dụng cây thuốc nam làm dược liệu vào mục đích chữa bệnh và bảo vệ sức khỏe con người đang ngày một phổ biến, điều đặc biệt cây thuốc nam đang được nhiều người quan tâm sử dụng vì thuốc nam có nguồn gốc tự nhiên, sử dụng theo kinh nghiệm dân gian, an toàn, ít có tác dụng phụ,

Cây Sài đất là loại cây rất quen thuộc với những bạn ở nông thôn, trên những cánh đồng, những bờ kênh, hay trong vườn nhà, cây sài đất mọc rất nhiều Là cây khi

sờ vào hơi nhám, cây có hoa màu vàng rất xinh, nhưng vì cây có mùi hơi khó chịu nên trước đây cây thường không được sử dụng nhiều Nhưng sự thật là trong Đông y cây Sài đất có rất nhiều công dụng chữa bệnh vô cùng hiệu quả,

Hiện nay việc sử dụng cây Sài đất vào việcđể trị mụn nhưng bên cạnh đó,

nó còn được dùng để chữa viêm cơ, sốt xuất huyết, giải độc tiêu viêm và trị viêm tuyến vú cực kỳ hiệu quả, ngoài ra Sài đất còn có khả năng chữa thoái hóa đốt sống

lưng và các bệnh xương khớp khác được nhiều người sử dụng và có hiệu quả Song

ngày nay môi trường đang chịu ảnh hưởng nghiêm trọng bởi sự gia tăng phế thải chưa được xử lí đều đưa trực tiếp vào môi trường đất, nước, không khí làm cho môi trường ngày càng bị ô nhiễm Cây Sài đất có thể bị nhiễm một số kim loại nặng từ môi trường đó Vì vậy chúng ta không chỉ quan tâm nghiên cứu các chất có hoạt tính sinh học sử dụng làm thuốc mà cần phải quan tâm nghiên cứu và kiểm tra khống chế các chất có hại đặc biệt là các kim loại nặng (Cu, Pb, Cd) ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của con người trong khi sử dụng

Xuất phát từ yêu cầu thực tế và tính cấp thiết đó nhằm góp phần vào công tác đảm bảo chất lượng cây thuốc nam em chọn và thực hiện luận văn:

“Phân tích hàm lượng vết của một số kim loại nặng trong cây Sài đất”

Nội dung chính của luận văn gồm những phần sau:

- Lựa chọn các điều kiện tối ưu nhằm đưa ra quy trình xử lý mẫu tối ưu nhất

để định lượng các kim loại đồng, chì và cadimi trong cây Sài đất

- Lựa chọn các điều kiện tối ưu trong quá trình phân tích các kim loại đồng, chì và cadimi trên thiết bị ICP-MS để kết quả phân tích đạt độ chính xác cao

- Nghiên cứu các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình phân tích các nguyên tố kim loại nói trên

- Xây dựng quy trình phân tích một số kim loại như đồng, chì và cadimi trong mẫu Sài đất bằng phương pháp ICP-MS

- Áp dụng phân tích một số mẫu thực tế

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về cây Sài đất

1.1.1 Giới thiệu chung cây Sài đất

Tên khoa học: Wedelia calendulacea (L.) Less (Verbesina calendulacea L.) Họ: thuộc họ Cúc - Asteraceae (Compositae)

Tên Việt Nam: Sài đất

Tên gọi khác: Húng trám, Ngổ núi, Cúc nháp, Hoa múc, Tân sa,…[2]

1.1.2 Mô tả thực vật

Sài đất còn có tên húng trám vì khi vỏ cây có mùi trám, và được một số nơi dùng nó ăn sống như ăn rau húng Người ta còn gọi là ngổ núi vì cây giống cây rau ngổ lại mọc hoang trong núi Tên cúc nháp hay cúc giáp vì hoa giống hoa cúc, lá và thân lại nham nháp

Sài đất là một loại cỏ sống dại, mọc lan bò, chỗ thân mọc lan tới đâu rễ mọc tới đấy, nơi đất tốt có thể cao hơn 0,5m Thân màu xanh có lông trắng cứng nhỏ Lá gần như không cuống, mọc đối, hình bầu dục thon dài, 2 đầu nhọn, dài 15-50mm, rộng 8-25mm, có lông nhỏ cứng ở cả 2 mặt, mép có 1-3 răng cưa nông, 2 bên gân chính có 2 gân phụ xuất phát như từ một điểm ở phía cuống lá, gân chính và phụ đều nổi ở mặt dưới lá Cụm hoa hình đầu, cuống hoa thìa lia màu vàng tươi Quả bé, không có lông, đầu thu hẹp lại, tận cùng mang một vòng có răng [1,2,6]

Hình 1.1 Cây Sài đất

1.1.3 Thành phần hóa học, tác dụng dược lý

- Theo nghiên cứu của các nhà khoa học, cây sài đất chứa rất nhiều thành phần hóa học rất tốt cho cơ thể Dịch ép của cây chứa dầu hoà tan 11,2%, hợp chất béo 29,7%, phytosterol 3,75%; caroten 1,14%, chlorophylle 3,75%, nhựa 44,95% còn có đường, tanin, saponin, các chất có solice, pectin, mucin, lignin và các chất có cellulose Trong lá có chất Wedelolacton, vừa là một flavonoid vừa là một cumarin Còn có tinh dầu và muối vô cơ

- Năm 1966, theo dõi 21 trường hợp viêm nhiễm trùng phần mềm, bệnh xá Ngô Quyền (Hải Phòng) chỉ dùng sài đất giã nát đắp lên chỗ viêm, không cho uống và cũng không cho một thứ thuốc nào khác đã đi tới kết luận là tác dụng chống viêm của sài đất rõ rệt, những hiện tượng sung nóng đỏ đều dần dần biến mất, nhưng lá sài đất không có tác dụng đối với những trạng thái viêm đã chuyển sang giai đoạn mưng

mủ, áp xe hóa [6]

1.1.4 Cách dùng và công dụng của cây Sài đất

Theo Đông y, Sài đất vị ngọt, hơi chua, tính mát vì vậy cây có rất nhiều công dụng chữa bệnh [3]:

- Chữa rôm sảy trẻ em: Sài đất rửa sạch, vò nát, pha nước tắm cho trẻ

- Chữa sốt cao: Sài đất 20-50g, rửa sạch giã nát, pha với nước sôi để nguội

uống, bã đắp vào lòng bàn chân

- Chữa sốt xuất huyết: Sài đất tươi 30g, Kim ngân hoa 20g, Trắc bá diệp (sao

đen) 20g, Củ (hoặc lá) sắn dây 20g, Hòe hoa (sao cháy) 16g, Cam thảo đất 16g Sắc uống ngày một thang

- Chữa viêm cơ (bắp chuối): Sài đất tươi 50g, Bồ công anh 20g, Kim ngân

hoa 20g, Cam thảo đất 16g Sắc uống ngày một thang Kết hợp với sài đất tươi, giã nát, đắp tại chỗ sưng đau

- Chữa viêm tuyến vú: Sài đất 50g, Bồ công anh 20g, Kim ngân hoa 20g,

Thông thảo 20g, Cam thảo đất 16g Sắc uống ngày một thang

- Chữa viêm bàng quang: Sài đất tươi 30g, Bồ công anh 20g, Mã đề 20g,

Cam thảo đất 16g Sắc uống ngày một thang

- Chữa nhọt: Sài đất 30g, Kim ngân hoa 15g, Thổ phục linh (khúc khắc) 10g,

Bồ công anh 20g Sắc uống ngày một thang

- Chữa mụn, lở, chàm: Sài đất 30g, Kim ngân hoa 15g, Thổ phục linh 10g,

Ké đầu ngựa 12g, Cam thảo đất 16 g Sắc uống ngày một thang Kết hợp Sài đất giã nát, đắp lên mụn lở rất tốt

- Chữa ung thư môn vị: Sài đất 30g, Bán chi liên 30g, Bạch hoa xà thiệt thảo

30g Sắc uống ngày một thang

1.2 Tình hình sử dụng cây Sài đất và thảo dược ở Việt Nam

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 Việt Nam cũng có một số mặt hàng đông dược xuất khẩu có uy tín ở thị trường nước ngoài như hoa hòe, quế,

sa nhân, dừa cạn, các loại tinh dầu hồi…

Ute Bober và cộng sự nhận định rằng các thuốc truyền thống của Trung Quốc dựa vào các sản phẩm và các dịch chiết thảo dược ngày càng có mặt trên khắp thế giới Hàm lượng các kim loại nặng thường được nghiên cứu trên quan điểm sự độc hại và tác động sinh học Các kim loại nặng như: Cu, Pb, Cd được đưa vào các thảo dược bằng các con đường khác nhau chủ yếu do nhiễm bẩn trong quá trình canh tác, trong quá trình chế biến, cất giữ Tất cả các sản phẩm thuốc cho người và vật đều tuân theo nguyên tắc chỉ đạo chung về chất lượng, tính an toàn và hiệu quả

Cây Sài đất 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 cây Sài đất được sử dụng rộng rãi, phổ biến ở Việt Nam

Cũng như cây Sài đất 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

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 nhiểm 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 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 Cu, Pb và Cd 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 vv [1,2,6]

1.3 Vùng tác động của kim loại nặng lên con người và các cơ thể sống

Enzym

Kim loại gây độc bằng cách kìm hãm hoạt động của enzym Hiệu ứng độc của nhiều kim loại thường do kết quả của tương tác giữa các kim loại và nhóm tiol của enzym, hoặc do chuyển đổi mất một cofactor kim loại cần thiết của enzym Ví dụ, chì làm chuyển đổi mất kẽm của enzym dehydratase của axit δ-aminolevulinic Một cơ chế gây độc khác của kim loại là kìm hãm sự tổng hợp của enzym Ví dụ, niken và platin làm kìm hãm sự tổng hợp ra enzym δ-aminolevulinic-synthetase, do đó phong tỏa tổng hợp vốn là thành phần quan trọng của hemoglobin và cytocrom [19]

Các bào quan dưới tế bào

Nói chung hiệu ứng độc của kim loại là do phản ứng của chúng với các hợp chất nội bào Muốn gây độc, kim loại phải xâm nhập vào bên trong tế bào, do đó nếu nó

là một chất ưa béo, chẳng hạn như metyl thủy ngân, thì sẽ được vận chuyển qua màng

tế bào một cách dễ dàng Khi kim loại liên kết với một protein nó sẽ được hấp thu qua đường nội thấm tế bào Sau khi xâm nhập vào trong tế bào, các kim loại sẽ tác động đến các bào quan Các bào quan dưới các tế bào có thể làm tăng cường hay làm giảm chuyển động của kim loại qua màng sinh học và làm thay đổi độc tính của nó Hơn nữa, một số protein có mặt trong bào tương, trong lyzosom và trong nhân tế bào

có thể liên kết với các kim loại độc như cadimi, chì, thủy ngân do đó làm giảm hoạt tính sinh học của các protein này Một số kim loại độc có thể gây hư hỏng cấu trúc của lưới nội chất Các ti thể do có hoạt động trao đổi chất cao và có khả năng vận chuyển qua màng một cách mạnh mẽ nên là một bào quan đích chính, vì vậy các enzym hô hấp của chúng dễ dàng bị kìm hãm bởi các kim loại [19]

1.3.1.Vai trò của các nguyên tố Cu, Pb và Cd đối với cây

Các kim loại trên tồn tại trong cây dưới dạng ion, được xem như là một nguyên tố

vi lượng thiết yếu cho sự phát triển bình thường của cây trồng Người ta biết được 1/3 tổng số enzym có chứa kim loại hoặc được các kim loại hoạt hóa trong đó cũng có sự tham gia của Pb Các kim loại này được sử dụng như một loại phân vi lượng để bón cho cây trồng ở một lượng nhỏ vừa phải thì không những năng suất cây trồng tăng rõ rệt Nhưng nếu nồng độ các kim loại này trong cây quá cao sẽ ảnh hưởng xấu đến cây, có thể gây đốm lá, làm giảm các sản phẩm quang hợp,

Đồng ảnh hưởng đến nhiều qua trình sinh lý sinh hóa của cây như quá trình cố định N, sự khử nitrat, sự phân giải, sự khử CO2 , sự tổng hợp clorofin tổng hợp các chất điều hòa sinh trưởng, sự thoát hơi nước, sự chuyển hóa gluxit, tạo các mô mới thân lá rễ, và ảnh hưởng đến tính chịu hạn, chịu lạnh, chịu nóng của cây

Chì hầu như là gây độc cho cây, làm cháy lá, giảm khả năng quang hợp, gây héo rũ, giảm khả năng vận chuyển dinh dưỡng làm cây chậm phát triển, còi cọc, giảm năng suất

Cadimi gây độc cho cây, nồng độ cadimi cao thì cây có biểu hiện rất rõ là ở mép

lá có màu nâu, lá bị úa vàng, xoăn, rễ có màu nâu, thân còi cọc, cây chậm phát triển, làm thay đổi tính thấm của màng tế bào kìm hãm quá trình sinh tổng hợp protein, ức chế một số enzym, [11]

1.3.2 Vai trò sinh học của đồng, chì và cadimi

a Vai trò sinh học của đồng:

Trong cơ thể con người, đồng là nguyên tố vi lượng rất cần thiết Đồng được tìm thấy trong một số loại enzym như cytochrom coxidas, enzym chứa Cu-Zn superoxid dismutas Đồng được vận chuyển chủ yếu trong máu bởi protein trong huyết tương gọi là ceruloplasmin Đồng được hấp thụ trong ruột non và được vận chuyển tới gan bằng cách liên kết với albumin

Khi thiếu đồng, hoạt động của các men oxi hóa bị yếu đi rất nhiều Tuy nhiên, khi hàm lượng đồng cao sẽ gây tổn thương cho đường tiêu hóa, gan, thận và niêm mạc

Đồng kết hợp với một số protein tạo ra enzym xúc tác cho hoạt động của cơ thể Đồng cũng tham gia tạo ra năng lượng cung cấp cho các phản ứng sinh hóa Đồng cũng liên quan đến sự biến đổi hắc tố của da giúp chuyển hóa các dạng colagen và elastin hình thành mô tế bào rất quan trọng với tim và động mạch Do đó sự thiếu hụt đồng là một nhân tố làm tăng nguy cơ bị bệnh mạch vành tim ở người cao tuổi [21] Bệnh Wilson ở người sinh ra do cơ thể giữ lại đồng, mà không bài tiết ra khỏi gan vào trong mật Do cơ thể bị rối loạn một số chức năng hoặc do đột biến của gien nên ở người mắc bệnh Wilson, lượng đồng vào cơ thể không thải ra được mà đọng lại hết trong cơ thể Theo thống kê mỗi năm tại bệnh viện nhi trung ương có khoảng

5 trẻ mắc bệnh Wilson

Đồng tích tụ dần và gây nhiễm độc tại những cơ quan mà nó lắng đọng như gan, não, máu, mắt, khớp,…,nếu không được điều trị sớm sẽ dẫn tới các tổn thương về não và gan Khi chất đồng lắng đọng ở cơ quan thần kinh, trẻ sẽ có những biểu hiện như tự nhiên khó nói, chảy nước miếng, những vận động khéo léo của bàn tay bị mất

đi, viết chữ chậm, xấu, nặng hơn trẻ sẽ bị co cứng tay, chân hoặc có những biểu hiện tâm thần như trầm cảm, những rối loạn tâm thần, khó nuốt

Sự tích tụ lượng đồng ở mắt sẽ gây ra bệnh Keyer-Fleischer, ở tim gây bệnh cơ tim và ở thận sẽ gây bệnh thận Đặc biệt, khi đồng phóng thích đột ngột vào máu sẽ gây tán huyết (vỡ hồng cầu dữ dội) Trong trường hợp này, nếu bệnh trường diễn sẽ dẫn đến suy gan tối cấp, nếu không được ghép gan thì bệnh nhân sẽ bị tử vong Theo

WHO lượng đồng cần cho một ngày đối với nam là 12mg và 10mg đối với nữ [11], [12], [14]

b Vai trò sinh học của Cadimi:

Đối với cơ thể con người thì cadimi và các hợp chất của cadimi đều rất độc Cadimi có thể xâm nhập vào cơ thể con người bằng nhiều con đường khác nhau như tiếp xúc với bụi cadimi, ăn uống các nguồn có sự ô nhiễm cadimi Sự kiện bị ngộ độc cadimi trên thế giới là sự kiện xảy ra ở Nhật Bản với bệnh Itai - là một bệnh có liên quan đến ô nhiễm nguồn nước bởi cadimi Người khi hít phải bụi chứa cadimi có thể

bị các bệnh về hô hấp và thận Nếu ăn phải một lượng đáng kể cadimi sẽ bị ngộ độc,

có thể dẫn đến tử vong Đã có bằng chứng chứng minh rằng cadimi tích tụ trong cơ thể gây nên chứng bệnh giòn xương Ở nồng độ cao, cadimi gây đau thận, thiếu máu

và phá hủy tủy xương Người bị nhiễm độc cadimi, tùy theo mức độ sẽ bị ung thư phổi, thủng vách ngăn mũi, đặc biệt là bị tổn thương thận, ảnh hưởng đến nội tiết, máu và tim mạch Mặt khác, cadimi còn là chất gây ung thư qua đường hô hấp Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy mối quan hệ giữa cadimi với chứng bệnh loãng xương, nứt xương Sự hiện diện của cadimi trong cơ thể khiến cho việc cố định canxi trở nên khó khăn dẫn đến những tổn thương về xương gây đau đớn ở vùng xương chậu và hai chân Ngoài ra, tỷ lệ ung thư tiền liệt tuyến vú và ung thư phổi cũng khá lớn ở nhóm người thường xuyên tiếp xúc với chất độc này [11], [12], [14]

Cadimi và hợp chất cadimi đều rất độc, nếu hàm lượng cadimi tồn tại đáng kể trong cơ thể người thì có thể gây tử vong Ở nồng độ cao, cadimi gây đau thận, thiếu máu và phá hủy tủy xương Người bị nhiễm độc cadimi tùy theo mức độ có thể bị ung thư phổi, thủng vách ngăn mũi, đặc biệt là tổn thương thận, ảnh hưởng đến nội tiết, máu, tim mạch [5]

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 [14]

c Vai trò sinh học của chì:

Chì và các hợp chất của chì đều được xếp vào loại độc tố đối với cơ thể người Khi hàm lượng chì tích lũy lại vượt qua ngưỡng cho phép thì sẽ ức chế một số enzym quan trọng trong quá trình tổng hợp máu dẫn đến không tạo được hồng cầu Chì phá hủy quá trình tổng hợp hemoglobin và các sắc tố cần thiết cho máu như cytochromes Khi hàm lượng chì trong máu khoảng 0,3ppm 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 mệt mỏi Nồng độ cao hơn 0,8ppm có thể gây thiếu hemoglobin, gây rối loạn chức năng thận

và phá hủy não Nhiễm độc chì gây bệnh về tai, mũi, họng, phế quản, máu, gan, xương

và các bệnh ngoài da [5]. Ở trẻ em, nhiễm độc chì cấp tính khiến các em trở nên cáu kỉnh, kém tập trung, ói mửa, dáng đi không vững, lên cơn kinh phong Trường hợp mãn tính, các em có dấu hiệu chậm trí, hay gây gổ, lên kinh thường xuyên, đau bụng, thiếu máu, suy nhược cơ bắp, suy thận, đôi khi có thể đưa tới tử vong

Ngoài ra, chì có thể thay thế một phần canxi trong Ca2(PO4)2 của xương, tác dụng gây ra vành xám ở lợi răng và hệ thần kinh, các bệnh về đường ruột và bệnh thiếu máu Chì và các hợp chất của chì có thể vào cơ thể người thông qua việc ăn uống, hô hấp và tích lũy lại, gây ra các bệnh nguy hiểm đặc biệt là ung thư và biến đổi gen rất nguy hiểm

WHO đã thiết lập giá trị tạm thời cho hàm lượng chì đưa vào cơ thể hàng tuần

có thể chịu đựng được đối với trẻ sơ sinh và thiếu nhi là 25g/kg thể trọng [11], [12], [14]

Chính vì vậy, việc kiểm soát và xác định chính xác hàm lượng kim loại đồng, cadimi và chì trong cơ thể con người là rất quan trọng Kiểm soát được hàm lượng các kim loại này trong cơ thể sẽ giúp chúng ta phòng ngừa bệnh tật, góp phần bảo vệ

sức khỏe cộng đồng

Bảng 1.1 Các giá trị tham khảo đối với nồng độ bình thường và độc tính của kim

loại nặng trong thực vật

Kim loại Giới hạn cho phép mg/kg -1

Ghi chú: *Tiêu chuẩn Ai Cập 1993 và 2001 [25]

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

Bảng 1.2 Giới hạn rủi ro đối với một số kim loại nặng (Bộ Y tế và Dịch vụ Nhân sinh Hoa Kỳ Tháng 9 năm 2015) [26]

1.4 Các phương pháp phân tích lượng vết đồng, cadimi và chì

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

1.4.1 Các phương pháp phân tích quang học

1.4.1.1 Phương pháp huỳnh quang

Một chất khi hấp thụ một năng lượng ở giới hạn nào đó sẽ làm kích thích hệ electron của phân tử Khi ở trạng thái kích thích, phân tử chỉ tồn tại ≤ 10-8s, nó lập tức trở về trạng thái cơ bản ban đầu và giải phóng năng lượng đã hấp thụ Khi năng

lượng giải toả được phát ra dưới dạng ánh sáng thì gọi là hiện tượng phát quang Hoá học phân tích sử dụng hiện tượng này để định tính và định lượng các chất và gọi là phương pháp phân tích huỳnh quang [23]

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

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

A = .l.C Trong đó: : Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào bản chất màu và bước sóng của ánh sáng tới

l: Chiều dày cu vet

C: Nồng độ chất phân tích

Khi l và  không đổi, độ hấp thụ quang phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ

Vì vậy, khi xây dựng được đường chuẩn biểu thị mối quan hệ giữa độ hấp thụ và nồng độ C trong từng trường hợp cụ thể sẽ dễ dàng xác định được nồng độ chưa biết của một chất thông qua độ hấp thụ quang Giới han phát hiện của phương pháp cỡ 10-5M - 10-6M [22]

1.4.1.3 Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử AES

*Nguyên tắc: 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 [9, 12]

* Đối tượng: Xác định hàm lượng các kim loại trong các đối tượng mẫu khác

nhau như địa chất, hóa học, nông nghiệp, thực phẩm, y dược,…thuộc các loại mẫu rắn, mẫu dung dịch, mẫu bột, mẫu quặng, mẫu khí

* Ưu điểm: 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 [9, 12]

1.4.1.4 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 [9, 17]

* 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

* Đối tượng của phương pháp: Phương pháp này thích hợp để xác định lượng

vết của kim loại, đặc biệt là xác định các nguyên tố vi lượng trong các mẫu y học, sinh học, nông nghiệp, kiểm tra các hóa chất có độ tinh khiết [9, 17]

1.4.2 Các phương pháp phân tích điện hoá

1.4.2.1 Phương pháp cực phổ

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

cứu và sử dụng các đường dòng thế được ghi trong các điều kiện đặc biệt Trong đó các chất điện phân có nồng độ khá nhỏ từ 10-3 đến n.10-6 M còn chất điện li 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 [4, 15]

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 [15, 18]

* 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

1.4.2.2 Phương pháp Von-Ampe hòa tan

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

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

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

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

vì vậy, phạm vi ứng dụng của phương pháp này rất rộng như phân tích môi trường, xác định lượng vết kim loại trong nước biển và các loại nước thiên nhiên Ngoài ra phương pháp này còn sử dụng để phân tích kim loại trong các mẫu lâm sàng (máu, tóc, nước tiểu,…) và trong mẫu thực phẩm (sữa, rau quả, gạo, thịt…) [4]

1.4.2.3 Phương pháp phổ khối nguyên tử nguồn plasma cao tần cảm ứng (ICP-MS)

Phương pháp phổ khối nguyên tử nguồn plasma cao tần cảm ứng là một trong những phương pháp hiện đại, được áp dụng phổ biến cho cả những lĩnh vực thường ngày và cho nghiên cứu ở cả nhiều lĩnh vực khác nhau Giới hạn phát hiện tương đương hoặc nhỏ hơn giới hạn phát hiện của AAS Lò Graphite nhưng có nhiều ưu điểm hơn, ICP-MS là một kĩ thuật nhanh, đa nguyên tố và thường có công suất như ICP-AES nhưng khả năng phát hiện tốt hơn nhiều [13]

1.4.3 Giới thiệu về phương pháp phổ khối plasma cao tần 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) [13]

Từ khi xuất hiện plasma cảm ứng với các tính năng và ưu điểm về vận hành hơn hẳn các nguồn hồ quang và tia điện thì một công cụ mới đã dần dần được phát triển thành một tổ hợp ICP ghép với một khối phổ kế Hai ưu điểm nổi bật của ICP-

MS là có độ phân giải cao và dễ tách các nhiễu ảnh hưởng lẫn nhau do đó có thể phát hiện được hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoàn Phương pháp phân tích này dựa trên các nguyên tắc của sự bay hơi, phân tách, ion hóa của các nguyên tố hóa học khi chúng được đưa vào môi trường plasma có nhiệt độ cao Sau đó các ion này được phân tách ra khỏi nhau theo tỷ số khối lượng / điện tích (m/z) của chúng, bằng thiết

bị phân tích khối lượng có từ tính và độ phân giải cao phát hiện, khuyếch đại tín hiệu và đếm bằng thiết bị điện tử kĩ thuật số

Phương pháp ICP - MS ra đời vào đầu những năm 80 của thế kỉ trước và ngày càng chứng tỏ là kĩ thuật phân tích có ưu điểm vượt trội so với các kĩ thuật phân tích khác như quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), quang phổ phát xạ plasma cảm ứng (ICP-AES hay ICP-OES)…Phương pháp ICP-MS hơn hẳn các kĩ thuật phân tích kim loại nặng khác ở các điểm sau: có độ nhạy cao, độ lặp lại cao, xác định đồng thời được hàng loạt các kim loại trong thời gian phân tích ngắn [13]

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

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

ICP-MS sử dụng nguồn năng lượng cao tần, nhiệt địên lên đến 6.000-100000C cho phép hóa hơi, nguyên tử hóa và ion hóa tất cả các chất với hiệu suất cao và ổn định Tách loại các ion nhờ hệ từ trường tứ cực [9, 13]

1.4.3.2 Nguyên tắc của phép đo phổ

- Hóa hơi, nguyên tử hóa, phân mảnh hóa và ion hóa các chất cần phân tích, tạo ra các ion dương 1 của chất phân tích, dạng M+ số khối m/Z của các chất có trong mẫu phân tích, bằng một nguồn năng lượng phù hợp cho mỗi loại

- Thu, chọn và lọc lấy các ion khối M+ số khối m/Z của tất cả các chất phân tích, để dẫn dòng ion khối này vào bộ phận giải phổ khối

- Phân giải các ion khối theo từng số khối m/Z, để tạo ra phổ khối của tất cả các chất phân tích có trong mẫu

- Thu và ghi tín hiệu của mỗi số khối m/Z bằng một cách thích hợp

- Phát hiện, định tính và định lượng các chất theo phổ khối với số m/Z đặc trưng của nó sau khi thu được phổ

- Hiển thị các sắc phổ và kết quả phân tích [9]

1.4.3.3 Nguyên tắc cấu tạo của máy đo phổ

- Bộ dẫn mẫu vào buồng ion hóa

- Nguồn năng lượng để hóa hơi, nguyên tử hóa và ion hóa các chất phân tích

- Bộ phận thu, chọn và lọc lấy các ion dương 1 (M+)

- Bộ phận giải khối theo số khối m/Z

- Bộ thu nhận phát hiện các khối m/Z của chất (collector, detector)

- Hệ bơm tạo chân không cao (n.10-6 tor)

- Modul điện tử

- Hệ máy tính (PC) và phần mềm (software)

Ngoài ra còn có thể có thêm thư viện phổ các chất [9]

1.4.3.4 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 [9,13]

1.4.3.5.Ưu, nhược điểm của phương pháp phân tích bằng ICP-MS

- Là một loại detector tốt và nhạy cho các kỹ thuật tách sắc ký để phục vụ phân tích định dạng các nguyên tố

 Nhược điểm

- Giá thành các thiết bị này đắt gấp 2 - 3 lần thiết bị ICP-MS tứ cực

- Việc sử dụng và bảo trì cũng phức tạp hơn

- Cứ tăng độ phân giải lên 10 lần thì tín hiệu lại giảm đi 1 lần Điều này làm giảm khả năng phát hiện thực tế nếu nồng độ của chất phân tích rất thấp

1.4.3.6 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