Phân tích các dạng asen trong mẫu môi trường bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử kết hợp với chemometrics

Vì vậy, chúng tôi đã lựa chọn đề tài : ‘‘ Phân tích các dạng asen trong mẫu môi trường bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử kết hợp với chemometrics’’ với mục tiêu đặt ra là nghiên cứu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ PHƯƠNG THÙY

PHÂN TÍCH CÁC DẠNG ASEN TRONG MẪU MÔI TRƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ KẾT HỢP

VỚI CHEMOMETRICS

LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc

Hà Nội - 2012

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ PHƯƠNG THÙY

PHÂN TÍCH CÁC DẠNG ASEN TRONG MẪU MÔI TRƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ KẾT HỢP

VỚI CHEMOMETRICS

Chuyªn ngµnh: Hãa ph©n tÝch

M· sè: 60.44.29

LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häcNg-êi h-íng dÉn khoa häc: GS TS Trần Tứ Hiếu

BẢNG KÍ HIỆU NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT

Bình phương tối thiểu nghịch đảo

ILS(inverse least squares)

Hồi qui cấu tử chính (Principal

PCRcomponent regression)

Cấu tử chính (Principal component) PC

Phương pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử

HVG - AAS

sử dụng kĩ thuật hidrua hoá

Hình 3.1: Sự phụ thuộc của Abs theo nồng độ As(III) 27Hình 3.2: Đường chuẩn xác định riêng rẽ As(III) 28Hình 3.3: Sự phụ thuộc của Abs theo nồng độ As(V) 29Hình 3.4: Đường chuẩn xác định riêng rẽ As(V) vô cơ 29Hình 3.5: Sự phụ thuộc của Abs theo nồng độ DMA 31

Hình 3.7: Sự phụ thuộc của Abs theo nồng độ MMA 32

Bảng 3.1: Hiệu suất khử các dạng asen trong các môi trường phản ứng (%) 26Bảng 3.2: Khoảng tuyến tính của phép xác định As(III) 27Bảng 3.3: Khoảng tuyến tính của phép xác định As(V) vô cơ 28Bảng 3.4: Khoảng tuyến tính của phép xác định DMA 30Bảng 3.5: Khoảng tuyến tính của phép xác định MMA 31Bảng 3.6: Khoảng tuyến tính và đường chuẩn xác định riêng các dạng As 33Bảng 3.7: Kết quả đo độ hấp thụ quang lặp 8 mẫu trắng ở các môi trường

35phản ứng khác nhau

Bảng 3.8: Kết quả tính LOD và LOQ theo phương pháp hồi qui đa biến PCR 36Bảng 3.9: Giá trị LOD và LOQ khi phân tích đồng thời các dạng As 36Bảng 3.10: Kết quả kiểm tra độ cộng tính tín hiệu đo khi xác định các dạng As 37Bảng 3.11: Ma trận nồng độ 40 dung dịch chuẩn 39Bảng 3.12: Hệ số của các PC tính theo hàm SVD 40

Bảng 3.14 : Nồng độ các dạng asen trong mẫu thực và lượng asen thêm vào 41Bảng 3.15: Giá trị Abs khảo sát ảnh hưởng của vật liệu bình chứa 42Bảng 3.16: Ảnh hưởng của vật liệu bình chứa đến sự chuyển dạng asen 42

Bảng 3.17: Giá trị Abs khảo sát ảnh hưởng của pH 44Bảng 3.18: Ảnh hưởng của pH trong quá trình bảo quản mẫu 45Bảng 3.19 : Giá trị Abs khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian 46Bảng 3.20 : Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình bảo quản mẫu 47Bảng 3.21 : Ảnh hưởng của oxi hòa tan đến quá trình bảo quản mẫu 48

Bảng 3.23 : Giá trị Abs khảo sát ảnh hưởng của các ion 49Bảng 3.24 : Ảnh hưởng của các ion đến quá trình bảo quản mẫu 52Bảng 3.25 : Giá trị Abs khảo sát ảnh hưởng của Fe3+ khi có mặt EDTA 55Bảng 3.26: Ảnh hưởng của Fe3+ khi có mặt EDTA 56

Bảng 3.28: Kết quả kiểm tra độ lặp lại, độ đúng của phương pháp 58

Bảng 3.30 Nồng độ thêm chuẩn các dạng As vào các mẫu trong dung

60dịch phân tích

Bảng 3.31 Nồng độ các dạng thu được sau khi tính 60Bảng 3.32 Hiệu suất thu hồi của phương pháp HVG-AAS sử dụng mô

61hình PCR

Bảng 3.33: Hàm lượng các dạng As trong các mẫu tính theo phương

62pháp đường chuẩn (đã tính đến hệ số pha loãng)

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 2

1.1 SƠ LƯỢC TÌNH HÌNH Ô NHIỄM ASEN TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM.3 1.2 CÁC DẠNG TỒN TẠI TRONG MÔI TRƯỜNG CỦA ASEN 5

1.2.1 Các dạng asen tồn tại trong môi trường 5

1.2.2 Độc tính các dạng Asen 6

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DẠNG ASEN 8

1.3.1 Các phương pháp xác định Asen có sử dụng kĩ thuật hidrua hóa (HVG) 9

1.3.2 Phương pháp sử dụng hệ tách HPLC kết hợp với một detector 10

1.4 ỨNG DỤNG CHEMOMETRICS TRONG PHÂN TÍCH DẠNG ASEN 11

1.4.1 Thuật toán hồi qui đa biến tuyến tính 11

1.4.2 Phân tích các dạng As bằng phương pháp HVG – AAS sử dụng Chemometrics .17

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 18

2.1 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19

2.1.1 Cơ sở của phương pháp 19

2.1.2 Nội dung nghiên cứu 19

2.2 HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 20

2.2.1 Hóa chất 20

2.2.2 Dụng cụ và trang thiết bị đo 21

2.2.3 Các phần mềm tính toán và xử lí 21

2.3 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 21

2.3.1 Các điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử của Asen 21

2.3.2 Qui trình phân tích 23

2.3.2.1 Qui trình phân tích riêng As(III) 23

2.3.2.2 Qui trình phân tích đồng thời các dạng As 23

2.3.3 Các thuật toán hồi qui đa biến 23

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25

3.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỒI QUY ĐA BIẾN TUYẾN TÍNH PHÂN TÍCH DẠNG ASEN 26

3.1.1 Đường chuẩn xác định các dạng asen riêng rẽ trong môi trường HCl 6M 26

3.1.2 Giới hạn phát hiện(LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) khi xác định đồng thời các dạng asen 34

3.1.3 Kiểm tra tính cộng tính của các dạng As 36

3.2 NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CHUYỂN DẠNG ASEN 41

3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của vật liệu bình chứa đến sự chuyển dạng As 41

3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến sự chuyển dạng của As trong quá trình bảo quản mẫu 43

3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian bảo quản mẫu đến quá trình chuyển dạng 46

3.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của oxi hòa tan đến quá trình chuyển dạng 48

3.2.5 Khảo sát ảnh hưởng của các ion đến quá trình bảo quản các dạng As 49

3.2.6 Khảo sát ảnh hưởng của Fe3+ khi có mặt EDTA 54

3.3 ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 57

3.4 ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH MẪU THỰC TẾ 58

3.4.1 Lấy mẫu nước ngầm và xử lí sơ bộ mẫu 58

3.4.2 Xác định hàm lượng các dạng As trong mẫu thực 59

KẾT LUẬN 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

MỞ ĐẦU

Trong đời sống hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường ngày nay đang trởthành mối quan tâm hàng đầu của nhân loại Cùng với sự phát triển của nền côngnghiệp thì số lượng các chất độc phân tán trong môi trường ngày một nhiều hơn docác hoạt động sản xuất và tiêu thụ đa dạng của con người Đặc biệt phải kể đến sựphân tán của các kim loại nặng vào môi trường gây nên sự ô nhiễm Một trong sốnhững nguyên tố gây ô nhiễm mang độc tính cao nhất là asen (As) đã và đang đượcphân tán nhanh trong môi trường theo nhiều con đường [1, 8] Asen là một nguyên

tố vi lượng rất cần thiết cho quá trình sinh trưởng và phát triển của động vật vàthực vật Tuy nhiên ở hàm lượng cao asen gây tác hại to lớn đối với hệ sinh thái.Asen cản trở quá trình quang hợp, gây hiện tượng rụng lá, sự thiếu sắt ở thực vật.Asen có thể gây ra nhiều căn bệnh nguy hiểm cho con người như: Ung thư, độtbiến, tổn thương nội tạng, các căn bệnh về hệ thần kinh, về da, phổi và bàngquang [ 2,4] Asen có khả năng tích lũy cao trong cơ thể sinh vật và xâm nhập vào

cơ thể qua nhiều đường, mặt khác, y học hiện nay vẫn chưa có phác đồ điều trị hiệuquả cho bệnh nhân nhiễm độc As Do đó, hàm lượng As trong môi trường được quiđịnh rất nghiêm ngặt

Để xác định hàm lượng asen, ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhaunhư phổ phát xạ (AES), phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), phổ phát xạ plasma cảmứng(ICP-AES), phương pháp trắc quang, phương pháp điện hóa…Tuy nhiên cácphương pháp trên hầu hết chỉ xác định được tổng hàm lượng asen Đối với quá trìnhphân tích xác định lượng vết từng dạng asen mới chỉ có một số ít các công trình nghiêncứu và chủ yếu tập trung ở các nghiên cứu trên hệ kết hợp sắc kí lỏng hiệu năng cao(HPLC) kết nối với bộ phận phát hiện như AAS, AES, AFS, MS, [6, 27] Các hệ đonày cho phép tách và định lượng đồng thời các dạng As một cách hiệu quả trên nhiềuđối tượng, đặc biệt là đối tượng sinh học Nhưng chi phí cho quá trình phân tích khálớn do đòi hỏi trang thiết bị đắt tiền nên không phải phòng thí nghiệm nào cũng có thểtrang bị được Vì vậy cần tìm một phương pháp có thể sử dụng các thiết bị phổ biếnhơn để định dạng As mà không cần công đoạn tách

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành toán học thống kê và tin học ứngdụng, Chemometrics - một nhánh của hóa học phân tích hiện đại - đã phát triển nhanhchóng và được ứng dụng ngày một rộng hơn Một mảng quan trọng trongChemometrics đang được nghiên cứu và sử dụng hiệu quả là kĩ thuật hồi qui đa biến– thuật toán xác định đồng thời nhiều cấu tử trong hỗn hợp mà không cần tách loại.Thuật toán này đã được ứng dụng rộng rãi để giải quyết nhiều bài toán định dạngphức tạp Đối với vấn đề xác định các dạng As trong hỗn hợp, hiện nay chưa cónhiều công trình nghiên cứu theo hướng này tuy ưu điểm của nó là rất lớn so vớicác hướng nghiên cứu khác.

Trong dung dịch asen tồn tại ở các dạng khác nhau Trong đó, chúng ta quantâm chủ yếu đến bốn dạng là As(III), As(V), DMA, MMA Tùy thuộc vào thànhphần nền mẫu và từng điều kiện cụ thể của quá trình bảo quản mẫu, các dạng asen

có thể chuyển hóa lẫn nhau Vì vậy một yêu cầu cấp thiết đặt ra là phải nghiên cứuquá trình bảo quản mẫu, tránh sự chuyển đổi giữa các dạng asen trong quá trình bảoquản từ đó mới xác định chính xác từng dạng asen, đánh giá đúng mức độ ô nhiễmcủa môi trường nước để có biện pháp xử lí, hạn chế sự ảnh hưởng của nó đến sứckhỏe con người

Vì vậy, chúng tôi đã lựa chọn đề tài : ‘‘ Phân tích các dạng asen trong mẫu môi trường bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử kết hợp với chemometrics’’ với mục tiêu đặt ra là nghiên cứu quá trình chuyển các dạng asen

trên cơ sở những nghiên cứu trước đó về xác định các dạng asen bằng kĩ thuật HVG

- AAS và hồi qui đa biến để định lượng các dạng asen trong mẫu nước

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 SƠ LƯỢC TÌNH HÌNH Ô NHIỄM ASEN TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, làm cho nguy cơ ônhiễm asen ngày càng cao As được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành côngnghiệp như dược, sản xuất kính, chất nhuộm, chất độc ăn mòn, thuốc trừ sâu, thuốcdiệt nấm, thuộc da, hoặc ngành công nghiệp sử dụng nhiên liệu hóa thạch như côngnghiệp xi măng, nhiệt điện, công nghệ đốt chất thải rắn cũng là nguồn gây ô nhiễmkhông khí, nước bởi As [10, 12] Các ngành công nghiệp khai thác và chế biến cácloại quặng, nhất là quặng sunfua, luyện kim tạo ra nguồn ô nhiễm As do việc khaiđào ở các mỏ nguyên sinh đã phơi lộ các quặng sunfua, làm gia tăng quá trìnhphong hóa, bào mòn và tạo ra khối lượng lớn đất đá thải có lẫn asenopyrit ở lân cậnkhu mỏ Tại các nhà máy tuyển quặng, asenopyrit được tách ra khỏi các khoáng vật

có ích và phơi ra không khí Asenopyrit bị rửa trôi, dẫn đến hậu quả là một lượnglớn As được đưa vào môi trường xung quanh Những người khai thác tự do khi đãiquặng đã thêm vào axit sunphuric, xăng dầu, chất tẩy Asenopyrit sau khi tách khỏiquặng sẽ thành chất thải và được chất đống ngoài trời và trôi vào sông suối, gây ônhiễm tràn lan Bên cạnh đó, các quá trình tự nhiên như địa chất, địa hóa, sinh địahóa, đã làm cho As nguyên sinh có mặt trong một số thành tạo địa chất (các phân

vị địa tầng, các biến đổi nhiệt dịch và quặng hóa sunphua chứa As) tiếp tục phân tánhay tập trung gây ô nhiễm môi trường sống [1, 23, 28]

Rất nhiều nghiên cứu thủy địa hóa về asen đã được tiến hành nhằm giải thíchmột cách đầy đủ cơ chế hình thành, giải phóng của asen, cũng như để đề xuất ra cácbiện pháp loại trừ ô nhiễm một cách có hiệu quả và khả thi.[5]

Vấn đề ô nhiễm asen đang là một vấn đề thu hút sự quan tâm của nhiều nhàkhoa học, nhiều tổ chức trong và ngoài nước Sự ô nhiễm asen đặc biệt là trongnước ngầm đã được phát hiện ở nhiều nơi trên thế giới như Achentina, Mêhico,Chile, Mỹ, Canada, Trung Quốc, Đài Loan, Ấn Độ, Băngladet và Việt Nam Một

phần lớn người dân đã bị nhiễm độc asen mãn tính do sự có mặt của asen trongnước ngầm Ở Mêhico, Chile, Đài Loan, Ấn Độ, Băngladet hàm lượng Asen trongnước cao từ vài trăm đến hơn 1000 μg/L Ở một số bang phía Tây nước Mỹ, ngườig/L Ở một số bang phía Tây nước Mỹ, ngườidân đang phải sử dụng asen cao hơn giới hạn tối đa cho phép 50  g/L[5] ( Tổ chức

Y tế Thế giới đã đưa ra giới hạn cho phép về hàm lượng asen trong nước ăn là 10

 g/L từ năm 1993)

Ở Châu Á, những vùng nhiễm độc asen cao như Băngladet và Ấn Độ, nồng độ asentrong tóc và nước tiểu được sử dụng phổ biến làm chỉ thị cho sự phơi nhiễm asenmãn tính và tạm thời (Awanar et al, 2002)

Đặc biệt là ở Băngladet, qua khảo sát 8000 giếng khoan ở 60 tỉnh trên tổng

số 64 tỉnh ở nước này người ta thấy rằng có khoảng 51% số giếng khoan có hàmlượng asen lớn hơn 0,05 mg/L Theo ước tính ở dây có khoảng 50 triệu dân sửdụng nước bị ô nhiễm Asen[1]

Một cuộc điều tra bởi Chakraborti và cộng sự đã cho thấy trong tổng số 35.000mẫu tóc và nước tiểu thu thập từ bệnh nhân bị ảnh hưởng trên da sống ở khu vực ônhiễm asen nặng nề, có 90% số mẫu vượt quá mức bình thường(Chakraborti et al,2002,2003) Khi nghiên cứu ở một số tỉnh thuộc Băngladet hàm lượng asen trongnước, tóc và nước tiểu lần lượt là: 0,01-9 mg/L, 1,1-19,84 mg/Kg và 0,05-9,42 mg/L

Ở Việt Nam, theo một vài báo cáo cho thấy, hàm lượng asen lấy từ các giếngkhoan tại vùng châu thổ sông Hồng khá cao Nồng độ asen trung bình tìm thấy là

159  g/L[5] Hà Nội, Hà Nam, Hưng Yên, Nam Định, Ninh Bình, Thái Bình, HảiDương là những vùng bị ô nhiễm asen nặng nề nhất Ở đồng bằng sông Cửu Long,các nhà khoa học cũng đã phát hiện ra các giếng khoan có hàm lượng asen cao ởcác tỉnh Đồng Tháp và An Giang[12]

Hiện nay, ở các vùng đô thị mới và nông thôn tỉ lệ người dân sử dụng nướcngầm (nước giếng khoan) có hàm lượng asen làm nước ăn vẫn còn nhiều Vì vậycần phải theo dõi tiến hành điều tra tình trạng ô nhiễm asen và tác động của nó đếnmôi trường và sức khỏe người dân, tìm biện pháp giảm thiểu

1.2 CÁC DẠNG TỒN TẠI TRONG MÔI TRƯỜNG CỦA ASEN

1.2.1 Các dạng asen tồn tại trong môi trường

Asen có mặt trong cả 3 thành phần môi trường: Môi trường đất, môi trườngnước và môi trường không khí Phần lớn asen tồn tại trong địa quyển ở dạng khoángphân tán Do các quá trình tự nhiên như phong hóa, núi lửa hay do các hoạt độngcủa con người như khai khoáng, luyện kim, đốt nhiên liệu hóa thạch, công nghiệpđiện tử bán dẫn, khai thác nước ngầm làm một phần asen phân tán vào môitrường Sau khi phát tán vào môi trường, As tồn tại ở nhiều dạng khác nhau tùy theobản chất của nguồn phát tán, điều kiện phát tán và điều kiện của môi trường tồn tại

Bảng 1.1 Một số dạng As trong các đối tượng sinh học và môi trường

Các dạng chủ yếu của As trong môi trường nước là bốn dạng As(III),

As(V), DMA và MMA, trong đó hai dạng vô cơ có độc tính cao hơn [2, 4]

Độ độc của asen phụ thuộc vào trạng thái oxi hóa của asen, phụ thuộc vàodạng tồn tại vô cơ hay hữu cơ As(III) độc hơn nhiều so với As(V), asen vô cơ độchơn rất nhiều so với asen hữu cơ Qua nhiều nghiên cứu người ta thấy rằng độ độcgiảm dần theo thứ tự: Asin > asenit > asenat > monometyl asenat > dimetyl asenat.Dạng xâm nhập chính vào cơ thể là asen dạng vô cơ, đặc biệt là Asen(III) dễ hấp thụvào cơ thể con người qua đường ăn uống Các hợp chất asenit và asenat vô cơ bền,

có khả năng hòa tan trong nước đều dễ dàng hấp thụ vào dạ dày và các tế bào của

cơ thể As(V) được bài tiết (chủ yếu qua nước tiểu) nhanh hơn As(III) vì ái lực vớinhóm thiol (-SH) kém hơn As(III) cản trở nhóm (-SH) gắn vào các enzym và giữlại trong các protein tế bào của cơ thể như keratin đisunfua trong tóc, móng và da.As(V) không độc bằng As(III) và không gây ức chế đối với hệ enzym Tuy nhiênAs(V) lại ngăn cản sự tổng hợp ATP[4,17]

Asen và các hợp chất của nó là tác nhân gây 19 bệnh ung thư, đột biến và dịthai trong tự nhiên Đối với thực vật, asen cản trở quá trình trao đổi chất, làm giảmmạnh năng suất, đặc biệt trong môi trường thiếu photpho Đó là một tai họa môitrường đối với sức khỏe con người

Những biểu hiện của bệnh nhân nhiễm độc asen: Nếu nhiễm asen ở mức độthấp sẽ bị mệt mỏi, buồn nôn, hồng cầu và bạch cầu giảm, rối loạn nhịp tim, mạchmáu bị tổn thương, có thể gây xảy thai (nếu là phụ nữ mang thai) Nếu nhiễm độcasen mãn tính được biểu hiện từ thay đổi sắc tố da, chứng sạm da (melanosis), dàybiểu bì (kerarosis), tổn thương mạch máu, rối loạn cảm giác về sự di động Người

bị nhiễm độc asen lâu ngày sẽ xuất hiện hiện tượng sừng hóa da, gây sạm và mấtsắc tố da hay bệnh Bowen, từ đó dẫn đến hoại thư hay ung thư da, viêm răng,khớp, tim mạch, [23, 24 ] Độc tính cao của asen và các hợp chất của nó còn dokhả năng nhiễm độc qua nhiều con đường: hô hấp, tiêu hoá, tiếp xúc qua da, đặcbiệt As là tác nhân gây ung thư trên mọi bộ phận của cơ thể [21] Hiện tại trên thếgiới chưa có phương pháp hữu hiệu chữa bệnh nhiễm độc asen, các nghiên cứu vẫnchỉ tập trung vào điều trị triệu chứng và sử dụng bổ sung thêm các thuốc tăng thải

và vitamin để cơ thể tự đào thải As

As(III) ở nồng độ cao còn làm đông tụ protein, có lẽ do As(III) tấn công vàocác liên kết có nhóm sunfua Trong môi trường yếm khí As(III) có thể tạo hợp chất(CH3)3As rất độc.

As(V) ở dạng AsO43- có tính chất tương tự PO43- sẽ thay thế PO42- gây ứcchế enzim, ngăn cản quá trình tạo ATP là chất sản sinh ra năng lượng sinh học Nócan thiệp và làm rối loạn một số quá trình sinh hóa của cơ thể

Asen hữu cơ tác động lên các tế bào sinh học

Các dạng As hữu cơ có tính độc thấp hơn rất nhiều, một số hợp chất As(V)

vô cơ thậm chí không độc [36]

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DẠNG ASEN

Để xác định hàm lượng asen người ta đã sử dụng rất nhiều phương phápkhác nhau như :

Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử ( kỹ thuật ngọn lửa và không ngọn lửa)

để xác định tổng lượng asen có trong mẫu[9]

Phương pháp cực phổ có thể xác định được asenit bằng phương pháp cực phổ xung

vi phân áp dụng cho khoảng nồng độ tương đối rộng 0,6ppb – 60ppb

Phương pháp Von – Ampe hòa tan xác định asen bằng cách điện phân kếttủa làm giàu asen lên bề mặt điện cực sau đó ghi đường hòa tan[10, 16]

Phương pháp trắc quang xác định tổng lượng asen bằng việc đo độ hấp thụquang của sản phẩm tạo thành giữa AsH3 với bạc dietyl [3 ]

Phương pháp xanh molypden xác định asen bằng cách cho ion asenat phản ứngvới amonimolipdat trong môi trường axit tạo thành phức dị đa axit asenomolipdic màuvàng sau đó khử về dạng phức màu xanh và đo độ hấp thụ quang[11]

Các phương pháp phân tích thể tích xác định asen bằng phép chuẩn độ iothoặc bằng dung dịch bromat.

Tuy nhiên tất cả những phương pháp đó chỉ áp dụng xác định tổng lượngasen có trong mẫu Để xác định hàm lượng từng dạng asen người ta phải sử dụngcác phương pháp với kỹ thuật cao hơn

1.3.1 Các phương pháp xác định Asen có sử dụng kĩ thuật hidrua hóa (HVG)

Phương pháp này dựa trên nguyên tắc khử các hợp chất As về dạng asin vàmetylasin sau đó định lượng sản phẩm sinh ra để tính ngược lại hàm lượng các hợpchất ban đầu

Phương pháp cổ điển nhất xác định As theo hướng này là phương phápGuizeit - sử dụng Zn và axit HCl để khử As và đo asin bằng phép đo quang với bạcdietyldithiocacbamat Nhiều công trình sau đó sử dụng NaBH4 làm chất khử thaycho hệ Zn/HCl kết hợp với một bộ phận phát hiện khác để định lượng asin nhưAAS, GC – AAS, GC – MS, [22, 35,36]

Tuy nhiên quá trình xác định cần lưu ý [32] Thứ nhất, hiệu suất khử cácdạng As thành asin và dẫn xuất asin phụ thuộc nhiều vào môi trường phản ứng vànồng độ NaBH4 Mỗi dạng As có một môi trường khử tối ưu riêng, đây cũng là cơ

sở chính của phương pháp xác định đồng thời các dạng As trong mẫu Thứ hai,trong quá trình khử sẽ xuất hiện sự sắp xếp lại phân tử các dạng asin, đặc biệt là khi

có mặt oxi trong dung dịch Thứ ba, có rất nhiều ion lạ ảnh hưởng tới phép đo nhưcác ion kim loại nặng, nitrat, chủ yếu theo hướng làm giảm tín hiệu tức là giảm

độ nhạy của phương pháp và cách thức các ion này ảnh hưởng lên phép đo khôngnhư nhau

Số lượng công trình áp dụng kĩ thuật hidrua hoá xác định As rất lớn và đadạng [9, 25, 34, 35] cho thấy tính ưu việt vượt trội của kĩ thuật này, đặc biệt là khikết hợp sử dụng một hệ sắc kí và bộ phận hidrua hoá với một detector như MS haycác detector quang khác

1.3.2 Phương pháp sử dụng hệ tách HPLC kết hợp với một detector

Nhiều công trình nghiên cứu theo hướng này đã đạt được những thành tựunhất định trong việc định lượng các dạng As cũng như phát hiện và ghi nhận thờigian lưu của các dạng chưa biết Việc sử dụng các hệ xác định này cho nhiều tiệních trong việc xác định hàm lượng As, đặc biệt là ưu thế sử dụng lượng mẫu nhỏnên nó phù hợp với yêu cầu xác định lượng vết ở nhiều đối tượng khác nhau

Trong phương pháp sắc ký lỏng hiệu nâng cao người ta sử dụng một cột traođổi anion Hamilton PRP X – 100 được sử dụng để tách 4 dạng asen với pha động làdung dịch đệm photphat và kết hợp với một máy hấp thụ nguyên tử hoặc phát xạnguyên tử cao tần cảm ứng để xác định lần lượt các dạng asen

Các tác giả Lê lan Anh, Nguyễn Đình Thuật, Bùi Minh Lý, Phạm Đức Thịnh –Viện Khoa học và Công nghệ đã tiến hành phân tích asen trong nước và trầm tích venbiển bằng kỹ thuật ghép nối sắc ký lỏng hiệu nâng cao và phổ hấp thụ nguyên tử

Các tác giả A.J Bednar, J.R Garbarino, M.R Burkhardt, J.F Ranville,T.R.Wildeman [22] đã tiến hành xác định hàm lượng các dạng As trong mẫu nước tựnhiên với độ nhạy khá cao (<1ppb) và độ thu hồi tốt khi sử dụng hệ HPLC – ICP –

MS để tách và định lượng

Với các detector quang học, số lượng công trình phong phú hơn nhiều Cáctác giả [35] đã xác định thành công 12 dạng As trong mẫu thủy sản ở Hi Lạp với hệHPLC – (UV) – HG - AFS sử dụng cột trao đổi ion và hai pha động là piridin – HCl

có pH = 2,65 và đệm photphat pH = 5,6 Tác giả [28] đã tối ưu hóa quá trình tách

và xác định các dạng As trong một số loài thực vật trên hệ HPLC – HVG – AFS vớipha động là dung dịch NaH2PO4 và dung môi chiết là hệ nước – metanol (1:2) vàthu được kết quả là trên 73% lượng As được chiết sau 3 phân đoạn Kết quả phântích các mẫu lá đào theo phương pháp này cho thấy As(V) chiếm lượng lớn vàkhông phát hiện được As(III) trong các mẫu này Tác giả [29] phân tích dạng asentrong mẫu sinh vật biển bằng HPLC – ICP – MS…

Ngoài các công trình trên, số lượng các nghiên cứu áp dụng các hệ kết hợpkhác nhau đã công bố rất đa dạng Nhiều nhóm tác giả đã nghiên cứu so sánh khảnăng phát hiện và định lượng của các detector khi kết hợp với hệ tách HPLC [21,26] và nhận thấy mỗi loại có ưu thế xác định các nhóm hợp chất As khác nhau, tuỳtheo đối tượng cụ thể để lựa chọn detecter phù hợp.

Tuy nhiên đối với phương pháp này lại có một nhược điểm rất lớn đó là chiphí cho phép xác định cao, trang thiết bị hiện đại

1.4 ỨNG DỤNG CHEMOMETRICS TRONG PHÂN TÍCH DẠNG ASEN 1.4.1 Thuật toán hồi qui đa biến tuyến tính

MATLAB được bắt nguồn từ thuật ngữ “Matrix Laboratory” – là phần mềmnổi tiếng của công ty MathWorks Đây là một ngôn ngữ hiệu năng cao hỗ trợ đắclực cho tính toán với ma trận số liệu và hiển thị kết quả dạng đồ thị Matlab đượcđiều khiển bằng tập các lệnh, tác động qua bàn phím trên cửa sổ điều khiển Các câulệnh đơn giản, viết sát với các mô tả kĩ thuật nên lập trình trên ngôn ngữ này thựchiện nhanh, dễ dàng.[7]

Matlab không chỉ cho phép đặt vấn đề tính toán mà còn có thể xử lí dữ liệu,biểu diễn đồ họa một cách mềm dẻo, đơn giản, chính xác trong không gian 2D và3D bằng cả những hàm sẵn có và các hàm ứng dụng do người sử dụng tạo lập

Matlab đã thực sự trở thành công cụ phổ biến đắc lực trong các môi trường làmviệc khác nhau, ứng dụng cho mọi lĩnh vực khác nhau trong khoa học và cuộc sống

Matlab ban đầu được phát triển nhằm phục vụ chủ yếu cho việc mô tảcác nghiên cứu kĩ thuật bằng toán học với phần tử cơ bản là ma trận Trên cơ sởban đầu đó, các nhà lập trình đã phát triển phần mềm này để sử dụng cho nhiềungành khoa học như cơ học, vật lí, sinh học, hoá học, mô phỏng, … đối với cả

dữ liệu rời rạc hay liên tục [7]

Với ưu thế là bộ chương trình phần mềm lớn trong lĩnh vực toán số và môphỏng, chúng tôi đã lựa chọn phần mềm Matlab để nghiên cứu triển khai những lậptrình hồi qui đa biến nhằm giải quyết bài toán xác định đồng thời các dạng asen

* Các ứng dụng chính của Matlab[15,18]:

- Thực hiện các tính toán toán học bao gồm: ma trận và đại số tuyến tính, đa thức vànội suy, phân tích số liệu và thống kê, tìm cực trị của hàm một biến hoặc nhiều biến, tìmnghiệm của phương trình, tính gần đúng tích phân, giải phương trình vi phân.

- Phân tích, khảo sát và hiển thị số liệu: các số liệu được nhập vào cũng nhưxuất ra dưới dạng ma trận, giúp người sử dụng dễ dàng quan sát, phân tích, đánh giáđược dữ liệu của mình Đồng thời MATLAB có Toolbox Statistic với những hướng dẫn

cụ thể, hỗ trợ cho việc phân tích, khảo sát dựa trên các dữ liệu với các hàm cơ bản có sẵn

- Đồ họa 2 chiều và 3 chiều: MATLAB cung cấp rất nhiều các hàm đồ họa, nhờ

đó ta có thể nhanh chóng vẽ được đồ thị của hàm bất kỳ 1 biến hoặc 2 biến, vẽ được cáckiểu mặt… Ngoài ra MATLAB còn vẽ rất tốt các đối tượng 3 chiều phức tạp như hình trụ,hình cầu, hình xuyến, và cung cấp khả năng xử lý ảnh và hoạt hình

- Mô hình, mô phỏng các hệ thống kĩ thuật, vật lý trên cơ sở sơ đồ cấu trúcdạng khối, sau khi đã thiết lập các thông số cần thiết phù hợp với yêu cầu, người sử dụngchỉ việc khởi động chương trình MATLAB và xử lý dữ liệu qua mô hình đã thiết lậpđược

- Phát triển thuật toán: ngoài các câu lệnh được viết sẵn trong thư viện trợgiúp Toolbox, phần mềm được thiết kế để hỗ trợ người sử dụng có thể lập trình chươngtrình riêng của mình giống như trong các phần mềm khác: Pascal, Visual basic…

- Xây dựng giao diện người dùng: với MATLAB 7 người dùng có thể dễdàng xây dựng giao diện gồm các thực đơn, nút lệnh, hộp thoại, hộp chọn, mà khôngcần phải viết mã như các phiên bản trước đây

Một mảng lớn trong Chemometrics gắn liền với toán học và tin học là hồi qui

đa biến – kỹ thuật đa biến được dùng rộng rãi trong phòng thí nghiệm hoá học giúpgiải quyết các bài toán xác định đồng thời nhiều cấu tử cùng có mặt trong hỗn hợp

mà không cần tách loại trước Về nguyên tắc, chỉ cần xây dựng dãy dung dịchchuẩn có mặt tất cả các cấu tử cần xác định với nồng độ biết trước trong hỗn hợp(các biến độc lập x), đo tín hiệu phân tích của các dung dịch này dưới dạng một haynhiều biến phụ thuộc y và thiết lập mô hình toán học mô tả quan hệ giữa hàm y (tínhiệu đo) và các biến độc lập x (nồng độ các chất trong hỗn hợp) Dựa trên mô hình

này có thể tìm được nồng độ của các cấu tử trong cùng dung dịch định phân khi cótín hiệu phân tích của dung dịch đó [7,20].

Nếu các cấu tử có mặt trong hỗn hợp cho tín hiệu đo có tính chất cộng tính thì

có thể sử dụng phương pháp hồi qui đa biến tuyến tính thông thường như phươngpháp bình phương tối thiểu thông thường hoặc hiệu quả hơn như bình phương tốithiểu từng phần, phương pháp hồi qui cấu tử chính, … Nhưng nếu trong

hỗn hợp, các cấu tử có sự tương tác lẫn nhau làm mất tính chất cộng tính ở tín hiệu

đo thì phải sử dụng mô hình hồi qui đa biến phi tuyến tính mà phổ biến là cácphương pháp kết hợp với mạng nơron nhân tạo [30]

Tùy thuộc vào đặc điểm của hàm phụ thuộc, có thể chia các phương pháphồi qui đa biến tuyến tính thành 2 nhóm chính: Các phương pháp hồi qui đa biếntuyến tính sử dụng phổ toàn phần như phương pháp CLS, PLS, và phương pháp

sử dụng dữ liệu phổ riêng phần như ILS Trong luận văn này, tín hiệu của các dungdịch chứa các dạng As được đo ở 5 điểm rời rạc nên chúng tôi chọn sử dụngphương pháp hồi qui trên phổ riêng phần PCR [7,20,30]

Phương pháp hồi qui cấu tử chính (Principal component regression - PCR)[7,15]

Hồi qui đa biến, trong trường hợp các biến có tương quan, là vấn đề gây nhiều khó

khăn khi giải các bài toán phức tạp trong một số ngành như: Vật lý, hóahọc, các ngành khoa học tự động và thiết kế công trình,

Để giải quyết bày toán này, các nhà khoa học thường sử dụng phương pháphồi qui cấu tử chính (PCR) PCR là phương pháp bình phương tối thiểu nghịch đảotrên tập dữ liệu mới thu được trong phép chiếu tập dữ liệu lên các vectơ đơn vị củakhông gian mới (PC – principal components) [7]

Như vậy, PCR gồm 2 quá trình: Phân tích cấu tử chính chuyển sang tập dữliệu mới, chứa một số ít các yếu tố quan trọng, cần thiết Sau đó sử dụng phươngpháp bình phương tối thiểu nghịch đảo (ILS) để phân tích tập dữ liệu mới này

Các bước chính của PCR bao gồm:

1 Xử lý ban đầu (không bắt buộc)

Nội dung chính của bước này là chuẩn hóa tập số liệu

2 Các xử lý cần thiết:

Với một tập số liệu đã chuẩn hóa hoặc chưa chuẩn hóa, trước khi sử dụngđều cần bước bình phương toàn tập dữ liệu - đây là yêu cầu bắt buộc đối với hầuhết các hàm tính vectơ riêng

D=AT.ATrong đó A là ma trận số liệu biểu diễn độ hấp thụ quang theo các thời điểm

đo của các dung dịch chuẩn và AT là ma trận chuyển vị của ma trận A

3 Xác định các vectơ riêng hay các PC:

Có thể tính toán các vectơ riêng của tập số liệu bằng nhiều hàm toán họckhác nhau Có 3 hàm chính, thường sử dụng là hàm NIPALS (hàm phi tuyến lặp sửdụng kĩ thuật bình phương tối thiểu riêng phần), hàm SVD (hàm phân tách các giátrị riêng) và hàm Princomp (hàm tính các cấu tử chính) Cần lưu ý rằng, tất cả cáchàm này đều tính toán và đưa ra tất cả các cấu tử nhưng thường không sử dụng tất

cả mà chỉ sử dụng N cấu tử đầu đủ để xác định không gian mới [20]

NIPALS là hàm lặp thường sử dụng cho các tập số liệu kích thước lớn hoặc

có độ đa cộng tuyến cao Với tập số liệu có kích thước nhỏ, quá trình tính lặp tronghàm NIPALS sẽ làm khuếch đại sai số của tập số liệu nên thông thường người takhông sử dụng hàm này để tính các PC

SVD là hàm tính PC sử dụng phương pháp tách tập số liệu ban đầu thành cácnhân tố Các vectơ riêng và trị riêng của ma trận dữ liệu đều là những tập con riêngcủa các nhân tố trong SVD Hàm SVD sử dụng hình thức chéo hóa cho phép khốngchế thang đo một cách hợp lí nên giảm thiểu được sai số do làm tròn Vì vậy hàmnày sử dụng được với các kiểu tập số liệu rộng rãi hơn hàm NIPALS

Princomp là hàm tính toán trực tiếp các cấu tử chính (PC) có vai trò tươngđương các vectơ riêng Tuy nhiên, so với hàm SVD thì việc sử dụng hàm Princompvới tập số liệu lớn có ưu điểm là phương sai tập trung không cao nên vị trí các PC

sẽ chênh lệch không quá lớn, do đó sai số trong quá trình làm tròn số và chuyển hóatập số liệu sẽ nhỏ hơn

Các hàm toán học trên đều đưa ra một ma trận cột chứa các vectơ riêng - Vc - là

ma trận trong đó mỗi cột là một vectơ hay nhân tố mới - PC - của ma trận dữ liệu và sốhàng ma trận là số thời điểm đo Mỗi nhân tố hay vectơ này lại là tổ hợp bậc nhất củacác điểm phổ ban đầu, phần đóng góp của các điểm này vào mỗi vectơ là khác nhau tùythuộc vào giá trị hàm phụ thuộc tại điểm đó Những điểm có giá trị đóng góp lớn vàocác PC chứa phương sai lớn sẽ là những điểm đo có ảnh hưởng quyết định tới kết quảtính ma trận hệ số hồi qui và kết quả hồi qui sau đó Ma trận kết quả thứ hai cũng rấtquan trọng là ma trận phương sai của các PC: đó là dạng ma trận chéo đối với hàmSVD, là một vectơ cột đối với hàm NIPALS và hàm Princomp

4 Lựa chọn các vectơ có nghĩa

Đây là bước có ảnh hưởng đặc biệt quan trọng đến bước xử lý tiếp theo.Nếu giữ lại nhiều vectơ hơn số cần dùng thì những vectơ đó sẽ chứa cả tín hiệunhiễu và như vậy, kết quả hồi qui sẽ mắc phải sai số Nếu giữ lại không đủ số vectocần thiết sẽ làm mất đi thông tin có ích từ tập dữ liệu, điều này cũng sẽ gây nên sailệch giữa mô hình hồi qui thu được và mô hình thực Vì vậy, việc đánh giá và lựachọn các vectơ có nghĩa là rất quan trọng Dưới đây là một số phương pháp phổbiến để xác định số PC có nghĩa [7,15]:

 Dùng các hàm chỉ thị: Có rất nhiều hàm chỉ thị khác nhau như CPV (tính phần trăm phương sai tích lũy), hàm IEF,

 Tính toán PRESS (tổng bình phương sai số dự đoán) để đánh giá thông tin từ dữ liệu

 Phương pháp đánh giá chéo

 Phương pháp đánh giá Xu – Kailath

 Đánh giá theo tiêu chuẩn Akaike

 Tính phương sai của sai số tái lập VRE

Các phương pháp này đều có những ưu điểm riêng khi sử dụng và kết quả đánhgiá tương đối thống nhất với nhau Phương pháp được sử dụng rộng rãi để lựa

chọn các PC có nghĩa khi các PC này được tính bằng hàm SVD hay Princomp làphương pháp tính và đánh giá qua phần trăm phương sai tích lũy của các PC đó.Cách tính này đơn giản hơn và các hàm tính PC trên đã cho sẵn dữ liệu để có thểđánh giá nhanh.

Sau khi loại bỏ các vectơ riêng không có nghĩa, chúng ta cũng loại được tínhiệu nhiễu của dữ liệu gốc và cần tính lại dữ liệu sau khi loại bỏ sai số Như vậy, khitính toán ở hệ tọa độ mới ta đã loại bỏ được tín hiệu nhiễu trong tập dữ liệu ban đầu

Cx = Ax Vc F

với Fcal = Vc F đóng vai trò tương tự ma trận P trong phương trình của

ILS Ưu điểm của phương pháp PCR:

- Hội tụ đầy đủ các ưu điểm của phương pháp ILS đồng thời khắc phục được các nhược điểm của phương pháp ILS do tiến hành tính toán trên toàn phổ

- Phương pháp này cho phép loại bỏ sai số nhiễu phổ và sai số ngẫu nhiên trong quá trình đo khi lựa chọn được số PC phù hợp

Đối với trường hợp sử dụng phổ toàn phần, khi dùng các phương pháp khácnhư CLS, kết quả tính cuối cùng là kết quả tính trung bình trên toàn phổ nên kémchính xác hơn trường hợp dùng phổ chọn lọc Khi sử dụng mô hình PCR, tuy kếtquả vẫn tính trên tất cả các điểm nhưng đóng góp của các điểm đo sẽ khác nhau tùytheo lượng đóng góp của từng điểm này vào các PC được chọn mà lượng đóng gópnày lại được phân tích dựa trên tín hiệu đo tại từng điểm của các mẫu chuẩn Do có

sự phân biệt và chọn lọc trong đánh giá mỗi điểm đo nên kết quả thu được sẽ chínhxác hơn phương pháp tính trung bình trên toàn phổ ở các phương pháp phổ toànphần khác

1.4.2 Phân tích các dạng As bằng phương pháp HVG – AAS sử dụng

Chemometrics

Dựa trên những ưu điểm nổi bật của việc sử dụng Chemometrics nhiều tác giả đã có những ứng dụng Chemometrics vào phân tích các hỗn hợp có nhiều cấu

tử trong đó có phân tích dạng As

Một số tác giả đã phát triển một phương pháp xác định đồng thời 4 dạng As là As(III) vô cơ, As(V) vô cơ, DMA(V) và MMA(V) bằng phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng kĩ thuật bình phương tối thiểu nghịch đảo để xây dựng đường chuẩn đa biến Saukhi khử các dạng asen bằng NaBH4 đo tín hiệu các dạng As này tại 6 môi trường phản ứng là môi trường HCl 6M, 1M, 0,5M, axit axetic 1M, môi trường đệm citric/citrat có

pH = 2 và 4 rồi dựng đường chuẩn đa biến theo phương pháp ILS để kiểm tra các mẫuchuẩn và nhận thấy phương pháp xác định này có hiệu suất thu hồi tương đối cao, hoàn toàn phù hợp để ứng dụng định lượng mẫu thực tế Giới

hạn phát hiện của phương pháp này rất thấp, đối với As(III), As(V), MMA và DMA thì giá trị LOD lần lượt bằng hoặc thấp hơn 2,7ng/ml, 0,8ng/ml, 3,0ng/ml, 4,9ng/ml [ 19, 21] Trên cơ sở phương pháp xác định này, chúng tôi đã khảo sát lại

và xây dựng một phương pháp xác định đồng thời các dạng As sử dụng các mô hình đường chuẩn và phát triển thêm phương pháp PCR Từ đường chuẩn đa biến

đó, chúng tôi nghiên cứu một số điều kiện để bảo quản mẫu asen

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM

2.1 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1.1 Cơ sở của phương pháp

Cơ sở của phương pháp là dựa trên sự chênh lệch hiệu suất phản ứng khi khửcác dạng As thành asin bằng NaBH4 trong các môi trường có nồng độ H+ khácnhau Các phản ứng xảy ra khi khử 4 dạng As khảo sát (As(III) vô cơ, As(V) vô cơ,DMA(V) và MMA(V)) như sau [ 36]: vô cơ hóa các dạng asen hữu cơ rồi khử thànhasin theo phản ứng

AsO43- + BH4- + H+ → AsO33- + H2 + BO3

-AsO33- + BH4- + H+ → AsH3 + H2 + BO3

-Dòng khí mang Ar sẽ dẫn AsH3 khác sang vùng nguyên tử hóa:

Định lượng As sinh ra bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử tại bướcsóng đặc trưng của As là λ = 193,7nm

Tại mỗi môi trường phản ứng, các dạng As khác nhau sẽ bị khử với tốc độkhác nhau nên lượng As sinh ra là khác nhau, tín hiệu đo được cũng khác nhau.Dựa trên chênh lệch tín hiệu giữa các dạng As trong các môi trường phản ứng lựachọn để thiết lập ma trận chuẩn cho mô hình xác định đồng thời ILS và PCR

2.1.2 Nội dung nghiên cứu

Để xây dựng qui trình xác định đồng thời các dạng As bằng phương phápphổ hấp thụ nguyên tử kết hợp với việc sử dụng thuật toán hồi qui đa biến, từ đónghiên cứu một số điều kiện bảo quản mẫu Asen trên cơ sở kế thừa các nghiên cứutrước đó[6], trong luận văn này chúng tôi tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:

1 Ứng dụng các điều kiện đo phổ hấp thụ As(III) để xây dựng đường chuẩn đa biến xác định đồng thời các dạng As trong dung dịch

2 Dựa trên đường chuẩn đa biến xác định đồng thời các dạng asenbằng HVG – AAS vừa xây dựng được, nghiên cứu các điều kiện bảo

quản mẫu: vật liệu bình chứa, pH, lượng oxi hòa tan, các ion thường

có trong thành phần mẫu, nhiệt độ và thời gian bảo quản mẫu

3 Đánh giá kết quả của các điều kiện tối ưu và phương pháp phân tích thông qua mẫu kiểm chứng

4 Xác định hàm lượng các dạng asen trong 5 mẫu thực tế ở khu vực Lâm Thao – Phú Thọ

2.2 HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM

2.2.1 Hóa chất

Các loại hoá chất được sử dụng là loại tinh khiết phân tích (P.A) và các dungdịch được pha chế bằng nước cất 2 lần

Chuẩn bị các dung dịch chuẩn:

 Dung dịch chuẩn As(III) dạng vô cơ 1000ppm: Cân 0,13340g oxit

As2O3, hòa tan trong 50ml dung dịch NaOH 5%, chuyển vào bình định mức 100ml,thêm nước cất đến khoảng 70ml, lắc đều Thêm tiếp 10ml dung dịch HCl 2M, địnhmức tới vạch bằng nước cất và lắc đều Xác định lại nồng độ dung dịch vừa pha

 Dung dịch chuẩn gốc As(V) dạng vô cơ 1000ppm

 Dung dịch chuẩn gốc DMA(V) 1000ppm trong HCl 1M: pha từ axit(CH3)2HAsO2

 Dung dịch chuẩn gốc MMA(V) 1000ppm trong HCl 1M: pha từ muối

CH3Na2AsO3.1,5H2O

 Dung dịch NaBH4 1% pha trong NaOH 0,5%: Cân 1,0g NaBH4, hòatan trong 10ml dung dịch NaOH 5%, chuyển vào bình định mức 100ml, định mức tớivạch và lắc đều

 Các dung dịch HCl 6M,HCl 2M, HCl 1M: Pha từ HCl đặc37%(Merck)

 Các dung dịch đệm xitric – xitrat 1M có pH = 2, 3: Pha chế từ axit Xitric và muối Natri Xitrat và hiệu chỉnh bằng máy đo pH.

 Các dung dịch H2SO4, HNO3 và các dung dịch chứa các ion cần thiếtcho các khảo sát khác được chuẩn bị từ các dung dịch đặc và muối dạng tinh thể có độtinh khiết cao

2.2.2 Dụng cụ và trang thiết bị đo

- Bình định mức thủy tinh loại 10ml, 25ml, 50ml, 100ml, 250ml

- Các loại pipet vạch, pipet bầu

- Phễu, cốc, bình tam giác, đũa thủy tinh

- Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) Model AA-6800 ghép nối hệ thống HVG, hãng Shimadzhu, Nhật Bản

- Cân phân tích và cân kĩ thuật

- Máy đo pH HANNA Instrument 211

2.2.3 Các phần mềm tính toán và xử lí

- Xử lý thống kê trên phần mềm Origin 6.0

- Lập trình tính toán theo phương pháp hồi qui đa biến trên phần mềm

Matlab 7.0

2.3 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

2.3.1 Các điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử của Asen

Kế thừa các kết quả thực nghiệm trong công trình nghiên cứu của Nguyễn Thị ThuHằng về phân tích dạng As sử dụng phương pháp HVG - AAS [6 ], chúng tôi lựa chọn các điều kiện tối ưu cho quá trình đo phổ xác định asen như sau:

Bảng 2.1: Tóm tắt các điều kiện tối ưu xác định As(III) bằng

phương pháp HVG-AAS

Yếu tố Giá trị lựa Yếu tố Giá trị lựa

Vạch phổ 193,7nm Tốc độ dòng NaBH 4 2ml/phút

Cường độ dòng đèn 7mA Tốc độ dòng mẫu 6ml/phút

Chiều cao đèn nguyên tử

16mm Tốc độ dòng axit 2ml/phút

hóa Tốc độ dòng khí C 2 H 2 1,8L/phút Khoảng tuyến tính của As(III) 0,2 – 10 ppb

Tốc độ dòng không khí 8L/phút Khoảng tuyến tính của As(V) 1 – 40 ppb

Môi trường khử HCl 6M Khoảng tuyến tính của DMA 0,5 – 30 ppb

Nồng độ chất khử NaBH 4 1% Khoảng tuyến tính của MMA 0,5 – 15 ppb

Chúng tôi sử dụng những điều kiện khử này để tiến hành các phép đo xác định riêng

các dạng As, chỉ thay đổi nồng độ và bản chất dòng axit trong các phép đo xác định

đồng thời sau đó Qui trình xác định phổ AAS của As đƣợc mô tả qua hình 2.1:

Bơm nhu động

Buồng hidrua hóa

Máy đo AAS

22

2.3.2 Qui trình phân tích

2.3.2.1 Qui trình phân tích riêng As(III)

Để tiến hành phân tích, chuẩn bị các dung dịch chứa As(III) có nồng độ trongkhoảng 0,2 – 10 ppb, điều chỉnh bằng dung dịch HCl hoặc NaOH sao cho pH củadung dịch nằm trong khoảng 1,5 – 2 Tiến hành đo mẫu với các điều kiện tối ưu Tínhiệu thu được dưới dạng độ hấp thụ quang nguyên tử A

2.3.2.2 Qui trình phân tích đồng thời các dạng As

Pha các dung dịch chuẩn chứa các dạng As (As(III), As(V), DMA, MMA) cónồng độ trong khoảng tuyến tính, đo tín hiệu các dung dịch này ở các điều kiện khử

và nguyên tử hóa như trên trong 5 môi trường phản ứng là HCl 6M, HCl 2M, HCl1M, môi trường đệm xitric/xitrat 1M có pH = 2, 3

Nhập số liệu ma trận nồng độ các chất và ma trận tín hiệu đo vào phần mềmMatlab, chạy chương trình tính toán ma trận hệ số hồi qui trên phần mềm và sửdụng ma trận này để tìm nồng độ các dạng trong mẫu

2.3.3 Các thuật toán hồi qui đa biến

Phương pháp hồi qui cấu tử chính (PCR)

[7]

Thuật toán PCR giải trong Matlab như sau:

- Nhập ma trận nồng độ C (30x4) và ma trận tín hiệu đo A của 30 dungdịch chuẩn chứa 4 dạng As cần phân tích

- Bình phương tập số liệu chứa biến phụ thuộc:

- Từ giá trị phần trăm phương sai của các PC, căn cứ vào yêu cầu cụ thể của bàitoán để quyết định chọn số PC làm cơ sở cho không gian mới của tập số liệu (n):

2 Nhập các ma trận dữ liệu trong cửa sổ WORKSPACE

+ Nhập ma trận nồng độ X0 (30x4) của 30 dung dịch chuẩn chứa 4 dạng Asen

+ Nhập ma trận tín hiệu phân tích Y0(30x5) (5 môi trường đo tín hiệu)

+ Nhập ma trận X0ktra(10x4), Y0ktra(10x5)

+Nhập tín hiệu phân tích Y của mẫu cần định phân

1 Lưu các dữ liệu vừa nhập vào thành 1 file trong Matlab: PCR.mat

2 Mở một M-flie trong cửa sổ EDITOR( vào Matlab 7.6 chọn desktop , chọn editor và chọn New M-File) và viết các câu lệnh sau :

load pcr.mat;

- Lưu lại M-file vừa thực hiện được: PCR.m

4 Gọi hàm M-file vừa viết được trong cửa sổ COMMAND WINDOW :

>> PCR

Khi đó chương trình sẽ chạy cho kết quả cần tìm

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỒI QUY ĐA BIẾN TUYẾN TÍNH PHÂN

TÍCH DẠNG ASEN

3.1.1 Đường chuẩn xác định các dạng asen riêng rẽ trong môi trường HCl 6M

Tác giả Nguyễn Thị Thu Hằng [ 6] đã nghiên cứu ảnh hưởng của môi

trường phản ứng đối với quá trình khử các dạng asen thành asin bằng chất khử

NaBH4 và nhận thấy tín hiệu đo các dạng As có thay đổi rõ rệt theo các môi trườngkhử và hiệu suất khử mỗi dạng ở từng môi trường phản ứng khá ổn định Hiệu suất khử của các dạng như sau:

Bảng 3.1: Hiệu suất khử các dạng asen trong các môi trường phản ứng (%)[6]

Như vậy, ở môi trường HCl 6M hiệu suất khử của As(III) là lớn nhất,

As(III) bị khử hoàn toàn thành asin Các dạng nồng độ khác hiệu suất khử thấp hơnnhưng hiệu suất đó khá ổn định, do đó điểm này hoàn toàn thỏa mãn điều kiện là

điểm đặc trưng trong trong phương pháp hồi qui đa biến sử dụng các mô hình liên

quan tới phép bình phương tối thiểu nghịch đảo Đối với các điểm khảo sát

khác như HCl 2M, 1M, pH = 2, 3 cũng cho kết quả tương tự

Ở mỗi giá trị pH khác nhau trong môi trường phản ứng, kết quả đo độ hấpthụ quang khác nhau Trong phạm vi luận văn này, chúng tôi chỉ xây dựng đường chuẩnxác định từng dạng As ở môi trường HCl 6M để thuận tiện cho quá trình so sánh, kiểmchứng tính cộng tính và lập đường chuẩn đa biến Kết quả xây dựng đường chuẩn choquá trình xác định các dạng As ở các môi trường khử khác cũng cho tương tự

Chuẩn bị các dung dịch chuẩn As có nồng độ thay đổi, đo độ hấp thụ quangtrong điều kiện tối ưu đã chọn Giá trị độ hấp thụ quang của các dung dịch chuẩnsau khi trừ tín hiệu nền được chỉ ra ở các bảng và biểu diễn trên các đồ thị sau:

Bảng 3.2: Khoảng tuyến tính của phép xác định As(III)

Hình 3.1: Sự phụ thuộc của Abs theo nồng độ As(III)

As(III)

Hình 3.2: Đường chuẩn xác định riêng rẽ As(III)

Bảng 3.3: Khoảng tuyến tính của phép xác định As(V) vô cơ

29

Bảng 3.4: Khoảng tuyến tính của phép xác định DMA

C DMA (ppb)

Hình 3.5: Sự phụ thuộc của Abs theo nồng độ DMA