Investigation on analytical method for the determination of total mercury and methyl mercury in sediment samples in canals in ho chi minh city

Trong quy trình phân tích methyl thủy ngân, dung dịch ly trích đã được cải tiến cho phù hợp với điều kiện mẫu thực tế của Việt Nam và đã được đánh giá khách quan bằng vật liệu chuẩn quốc

i

MỤC LỤC

1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đ ẠI CƯƠNG VỀ CÁC HỢP CHẤT H G 1

1.1.1 Thủy ngân nguyên tố 1

1.1.2 Các dạng thủy ngân vô cơ 1

1.1.3 Các dạng thủy ngân hữu cơ 1

1.2 T ỔNG QUAN VỀ THỦY NGÂN TRONG MÔI TRƯỜNG 2

1.2.1 Nguồn gốc các hợp chất thủy ngân trong tự nhiên 2

1.2.2 Nguồn phát thải thủy ngân 2

1.2.3 Chu trình chuyển hóa thủy ngân 4

1.2.4 Quá trình methyl hóa thủy ngân 5

1.2.5 Quá trình demethyl hóa methyl thủy ngân 7

1.2.6 Hoạt tính sinh học của thủy ngân 8

1.2.7 Ảnh hưởng của MeHg đối với một số động vật hoang dã ăn cá 9

1.2.8 Tích lũy và làm giàu sinh học của thủy ngân 10

1.3 P HƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THỦY NGÂN 11

1.3.1 Phương pháp xác định tổng số trong bùn lắng 11

1.3.2 Xử lý mẫu bùn lắng 12

1.3.3 Phương pháp xác định methyl thủy ngân trong bùn lắng 12

1.4 T ỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG , NGOÀI NƯỚC 14

1.5 Ý TƯỞNG KHOA HỌC , TÍNH CẤP THIẾT VÀ TÍNH MỚI 15

1.6 M ỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 16

1.6.1 Mục tiêu 16

1.6.2 Nội dung và phương pháp 16

2 THỰC NGHIỆM 19

2.1 T HIẾT BỊ - H ÓA CHẤT 19

2.1.1 Thiết bị 19

2.1.2 Hóa chất 19

2.1.3 Chuẩn bị dụng cụ và hóa chất 20

2.2 L ẤY MẪU 22

2.3 Đ IỀU CHẾ CHUẨN ALKYL THỦY NGÂN 22

2.3.1 Điều chế các chất chuẩn MeHgEt, Et 2 Hg 22

2.3.2 Điều chế các chất chuẩn MeBuHg và Bu2Hg 24

2.3.3 Xác định lại nồng độ và độ tinh khiết các dung dịch dialkyl thủy ngân vừa điều chế 24

2.4 C HẾ TẠO GIAO DIỆN GHÉP NỐI GC–AFS 26

2.5 T ỐI ƯU HÓA HỆ THỐNG GC-AFS CHO PHÂN TÍCH NGUYÊN DẠNG M E H G 27

2.5.1 Hiệu chỉnh tính năng hệ thống sắc ký khí 27

2.5.2 Hiệu chỉnh các lưu lượng kế 29

2.5.3 Tối ưu các thông số đầu dò 29

2.5.4 Tối ưu thiết bị GC 31

2.5.5 Thẩm định hệ thống GC-AFS 32

2.6 T ỐI ƯU HÓA QUY TRÌNH PHÂN TÍCH THỦY NGÂN 33

2.6.1 Tối ưu hóa quy trình xử lý mẫu phân tích thủy ngân tổng số 33

2.6.2 Xử lý mẫu xác định MeHg dành cho tác nhân NaBEt 4 34

2.6.3 Khảo sát phản ứng tạo dẫn xuất với các tác chất Grignard 35

2.7 L Y TRÍCH M E H G TRONG MẪU BÙN LẮNG 37

ii

2.7.1 Ly trích mẫu dùng cho alkyl hóa bằng NaBEt 4 37

2.7.2 Ly trích mẫu dùng cho alkyl hóa bằng tác chất Grignard 37

3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39

3.1 Đ IỀU CHẾ CHẤT CHUẨN 39

3.2 H Ệ THỐNG GHÉP NỐI GC-AFS 40

3.2.1 Chọn cột và liner phù hợp 40

3.2.2 Tối ưu hóa lưu lượng khí cho đầu dò AFS 40

3.2.3 Tối ưu hóa nhiệt độ lò nhiệt phân 41

3.2.4 Tối ưu hóa lưu lượng khí mang GC 42

3.2.5 Tối ưu chương trình nhiệt 43

3.2.6 Bàn về việc sử dụng nội chuẩn Pr 2 Hg 44

3.2.7 Đường chuẩn 45

3.2.8 Giới hạn phát hiện 46

3.2.9 Kiểm soát chất lượng hệ thống 46

3.2.10 Tóm tắt các kết quả chế tạo hệ thống phân tích GC-AFS 48

3.3 Q UY TRÌNH PHÂN TÍCH TỔNG H G 48

3.4 K HẢO SÁT QUY TRÌNH PHÂN TÍCH M E H G TRONG MẪU BÙN LẮNG , ETHYL HÓA BẰNG N A BE T4 49

3.4.1 Ly trích MeHg từ mẫu bùn lắng 49

3.4.2 Các điều kiện tạo dẫn xuất với NaBEt 4 50

3.4.3 Đánh giá quy trình phân tích MeHg mẫu bùn lắng dùng tác nhân alkyl hóa NaBEt 4 55

3.5 K HẢO SÁT QUY TRÌNH PHÂN TÍCH M E H G TRONG MẪU BÙN LẮNG , ETHYL HÓA BẰNG TÁC CHẤT G RIGNARD 56

3.5.1 Tác chất BuMgCl/THF 56

3.5.2 Tác chất EtMgCl/THF 60

3.5.3 Đánh giá hiệu quả của quy trình phân tích MeHg trong bùn lắng dùng tác nhân alkyl hóa Grignard 64

3.6 H ÀM LƯỢNG H G TỔNG SỐ VÀ M E H G TRONG BÙN LẮNG KÊNH RẠCH T P H Ồ C HÍ M INH 65

3.6.1 Thủy ngân tổng số trong bùn lắng kênh rạch và sông Tp Hồ Chí Minh 65

3.6.2 Methyl thủy ngân trong bùn lắng kênh rạch và sông Tp Hồ Chí Minh 67

2.1.1 M ỘT SỐ SẮC KÝ DỒ DẶC TRƯNG : 68

4 KẾT LUẬN VÀ TRIỂN VỌNG 71

5 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

Hệ thống dựa trên thiết bị GC Agilent 5890 và đầu dò AFS PS Analytical có sẵn Hai thiết

bị này được ghép nối với nhau qua 1 giao diện tự thiết kế Một số linh kiện trên GC và đầu

dò AFS đã được thiết kế lại và hiệu chỉnh cho phù hợp với chức năng của hệ thống ghép nối Các thông số vận hành của hệ thống như giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng, khoảng tuyến tính, độ ổn định đã được đánh giá Trong quy trình phân tích methyl thủy ngân, dung dịch ly trích đã được cải tiến cho phù hợp với điều kiện mẫu thực tế của Việt Nam và đã được đánh giá khách quan bằng vật liệu chuẩn quốc tế có chứng nhận; các tác nhân tạo dẫn xuất như sodium tetraethylborate, ethyl magnesium chloride và butyl magnesium chloride cũng được nghiên cứu và đánh giá hiệu năng sử dụng Phương pháp phân tích thủy ngân tổng số cũng được kiểm tra lại và cải tiến cho phù hợp với trang thiết bị và điều kiện hóa chất của phòng thí nghiệm Phương pháp phân tích methyl thủy ngân và thủy ngân tổng số

đã được áp dụng trên các mẫu bùn lắng kênh rạch Tp Hồ Chí Minh Kết quả cho thấy hệ thiết bị phân tích có giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng cho các hợp chất dialkyl thủy ngân khác nhau lần lượt là 0.88 ÷ 1.1pg Hg và 1.8 ÷ 2.1 pg Hg Khoảng tuyến tích là 0.5 -

18 pg Hg Các giá trị này phù hợp với các hệ tương tự đã công bố Dung dịch ly trích gồm HNO3/KCl/CuSO4 phù hợp tốt hơn dung dịch ly trích gồm H2SO4/KBr/CuSO4 đối với các nền mẫu chứa TOC và tổng sulfur nồng độ cao như vật liệu chuẩn có chứng nhận là bùn lắng ERM-CC580 và một số mẫu thực Với phương pháp phân tích đã tối ưu, hiệu suất thu hồi đối với các mẫu bùn lắng là 85 ÷ 102% và kết quả phân tích MeHg trong vật liệu chuẩn (75

± 4 ng/g) là 75.6 ± 2.8 ng/g , 75.13 ± 0.45 ng/g, và 75.10 ± 0.48 ng/g tương ứng với các tác nhân tạo dẫn xuất NaBEt4, BuMgCl và EtMgCl Hàm lượng MeHg và Hg tổng số trong 50 mẫu bùn lắng kênh rạch Tp Hồ Chí Minh tương ứng là 0.08 ÷ 2.87 ng/g và 14.7 ÷ 622 ng/g Kết quả này cho thấy nguồn gây ô nhiễm Hg trong bùn lắng kênh rạch địa bàn Tp Hồ Chí Minh chủ yếu là do các hoạt động nhân sinh và mức độ ô nhiễm thấp hơn các nước trong khu vực và trên thế giới

Tóm lại, hệ thống GC-AFS và quy trình phân tích có thể được triển khai và áp dụng hỗ trợ cho các nghiên cứu và phân tích methyl thủy ngân tại Việt Nam mà không phải gởi mẫu phân tích sang nước ngoài như trước đây

iv

ABSTRACT

The Project: „Investigation on analytical method for the determination of total mercury and methyl mercury in sediment samples in canals in Hochiminh City” has been

accomplished for the following achievements:

i Perfomed the coupling of an gas chromatography (Agilent 5890) and an atomic fluorescence detector (PS Analytical) as well as optimized the operating paramenters

of the hyphenated system (GC-AFS)

ii Developed and validated an analytical methods for methylmercury in sediment samples analysed on the home-coupled GC-AFS

iii Performed the analysis of methylmercury and total mercury in 50 sediments samples collected from canal systems in Hochiminh City

The coupling was based on an available used gas chromatography (Agilent 5890) an atomic fluorescence detector (PS Analytical) The two instruments was coupled via an home-made interface Owing to the specific requirements for the unprecedent application – organometallic speciation analysis, some accessories on each instruments had to be modified

to fit for purpose The analytical performances of the hyphenated system such as limit of detection/quantitation, working range, precision/trueness and accuracy were evaluated For the analysis of methylmercury in sediment, the composition of the leachate were modified

to be effective for the sediment samples in Vietnam Three alkylation reagents, sodium tetraethylborate, ethyl magnesium chloride and butyl magnesium chloride, for methylmercury were studied The analytical method for methylmercury was validated using

a sediment certified reference material ERM CC580 The analytical method for total mercury for sediment samples were re-established and modified for current situations of the laboratories in Vietnam The methods for the analysis of methylmercury and total mercury were applied for sediment samples collected from canal/river in Hochiminh City The results showed that the instrumental limit of detection and quantitation of the hyphenated system, GC-AFS were 0.88 ÷ 1.1pg Hg và 1.8 ÷ 2.1 pg Hg for methyl mercury and inorganic mercury, respectively The linear range was 0.5 - 18 pg Hg All these values were in good agreement with the published ones The leaching solution containing HNO3/KCl/CuSO4 was more effective for methymercury compared to H2SO4/KBr/CuSO4 for the samples containing high TOC and total sulfur contents such as ERM-CC580 and some typical real samples This validated analytical method provided satifactory recoveries: 85 ÷ 102% for studied sediment samples Having evaluated by certified reference material, ERM-CC580, the method obtained MeHg concentrations of 75.6 ± 2.8 ng/g , 75.13 ± 0.45 ng/g, and 75.10

± 0.48 ng/g for NaBEt4, BuMgCl and EtMgCl, respectively compared with certified value

of 75 ± 4 ng/g MeHg and total Hg concentrations in 50 sediment samples collected in canal/river system in Hochiminh City were 0.08 ÷ 2.87 ng/g and 14.7 ÷ 622 ng/g The source

of mercurial compounds likely originate from anthropogenic activities However, polution

of mercury in sediment samples from canal/river in Hochiminh City are still below the threshold level The hyphenated system GC-AFS and the analytical method can be applied

to analyze methylmercury in water, gas samples with some minor modification

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AAS Quang phổ hấp thu nguyên tử

AFS Quang phổ huỳnh quang nguyên tử

CV Kỹ thuật hóa hơi lạnh

ICP Kỹ thuật ghép cặp cảm ứng cao tần

HPLC Sắc ký lỏng hiệu năng cao

MeHg Methyl thủy ngân

EtHg Ethyl thủy ngân

MeHgEt Methyl ethyl thủy ngân

MeHgBu Methyl butyl thủy ngân

Et2Hg Diethyl thủy ngân

Bu2Hg Dibutyl thủy ngân

DCM Dichloromethane

SRB Vi khuẩn khử lưu huỳnh

NaBEt4 Sodium tetraethylborate

EtMgCl Ethyl magnesium chloride

BuMgCl Butyl magnesium chloride

DDTC Diethyl dithiocarbamate

APDC Ammonium pyrrolidine dithiocabamate

THF Tetrahydrofuran

COD Nhu cầu oxy hóa học

TOC Tổng carbon hữu cơ

Amalgam Hỗn hống

MDL Giới hạn phát hiện

MQL Giới hạn định lượng

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Nồng độ các dung dịch chuẩn sau khi xác định 39

Bảng 3.2 LOD và LOQ của MeHgEt và Et2Hg 46

Bảng 3.3 Các thông số đã được tối ưu của hệ thống GC-AFS 48

Bảng 3.4 Hiệu quả của các phương pháp xử lý mẫu tiêu chuẩn và so với phương pháp đề xuất 49

Bảng 3.5 Hiệu suất thu hồi của phương pháp xử lý mẫu đề xuất phân tích Hg tổng số 49

Bảng 3.6 Ảnh hưởng nồng độ tác chất NaBEt4 đến hiệu suất tạo dẫn xuất* 51

Bảng 3.7 So sánh các quy trình loại bỏ DCM 54

Bảng 3.8 Khảo sát vai trò của KCl 54

Bảng 3.9 Ảnh hưởng của nồng độ HNO3 54

Bảng 3.10 Thẩm định phương pháp phân tích MeHg – dùng NaBEt4 bằng ERM-CC580 55 Bảng 3.11 Kết quả phân tích MeHg sử dụng hai hệ ly trích khác nhau 55

Bảng 3.12 Hiệu suất butyl hóa MeHg -sử dụng tác chất BuMgCl ở điều kiện đã tối ưu 59

Bảng 3.13 Hiệu suất ethyl hóa MeHg bằng EtMgCl ở các điều kiện đã tối ưu 63

Bảng 3.14 Thẩm định phương pháp phân tích MeHg alkyl hóa bằng tác chất Grignard với chất chuẩn chứng nhận ERM CC580 64

Bảng 3.15 Hiệu suất thu hồi của toàn quy trình 64

Bảng 3.16 Hàm lượng MeHg và T-Hg (ng/g) trong bùn lắng kênh rạch thành phố Hồ Chí Minh 69

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Hiện trạng phát thải thủy ngân có nguồn gốc từ các hoạt động nhân sinh năm

2010 [18] 3

Hình 1.2 Phát thải Hg do các hoạt động nhân sinh toàn cầu[19] 4

Hình 1.3 Chu trình chuyển hóa của thủy ngân trong sinh quyển.[21] 5

Hình 1.4: Phản ứng hình thành methyl thủy ngân và dimethyl thủy ngân 6

Hình 1.5 Sự quang phân của MeHg trong môi trường nước 7

Hình 1.6: Tích lũy methyl thủy ngân trong chuỗi thức ăn môi trường nước[54] 10

Hình 2.1 Bản đồ các vị trí lấy mẫu bùn lắng trên hệ thống kênh/rạch và sông tại Tp HCM 23

Hình 2.2 Sơ đồ thực tế của giao diện 27

Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống GC–AFS 27

Hình 2.4 Hệ thống dẫn khí cho chế độ tiêm on-column 28

Hình 2.5 Sơ đồ thiết kế liner on-column 29

Hình 2.6 Lược đồ quy trình xử lý mẫu cơ bản phân tích MeHg trong bùn lắng 34

Hình 2.7 Quy trình phân tích MeHg trong bùn lắng với tác nhân ethyl hóa NaBEt4 37

Hình 2.8 Quy trình phân tích MeHg trong bùn lắng với tác nhân alkyl hóa Grignard 38

Hình 3.1 Sắc ký đồ xác định độ tinh khiết chuẩn tự điều chế MeHgEt, Et2Hg, MeHgBu và Bu2Hg 39

Hình 3.2 Phu thuộc diện tích và bề rộng peak benzene theo lưu lượng khí a) “bổ trợ” và b) “bảo vệ” 41

Hình 3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ lò nhiệt phân lên tín hiệu của MeHgEt và Et2Hg 41

Hình 3.4 Phụ thuộc nhiệt độ nhiệt phân của MeHgEt (1.15 ngHg/mL) và Et2Hg (1.09 ngHg/mL) 42

Hình 3.5 Phụ thuộc độ nhạy MeHgEt (1.92 pg (Hg)/µL), Et2Hg (1.07 pg (Hg)/µL) theo vận tốc khí mang 43

Hình 3.6 Hiệu quả tách các hợp chất dialkyl thủy ngân tại các chương trình nhiệt khác nhau 43

Hình 3.7 a) Sắc ký đồ với nội chuẩn Pr2Hg, b) Sự phân hủy của Et2Hg ở nồng độ cao MeHgEt: 0.56 ng(Hg)/mL; Et2Hg: 20 ng (Hg)/mL 45

Hình 3.8 Đường chuẩn MeBuHg và MeEtHg trên hệ GC-AFS 45

Hình 3.9 Sắc ký đồ 11 lần tiêm xác định LOD: a) MeHgEt (3.37 pg Hg) và Et2Hg (5.81 pg Hg) dùng NaBEt4, b) MeHgBu (2.60 pg Hg) dùng BuMgCl, c) MeHgEt (2.75 pg Hg) dùng EtMgCl 46

Hình 3.10 Đồ thị kiểm soát chất lượng của hệ thống GC-AFS 47

Hình 3.11 Hiệu suất phản ứng tạo dẫn xuất tại mỗi pH khảo sát 51

Hình 3.12.Ảnh hưởng nồng độ KCl đến phản ứng tạo dẫn xuất 52

Hình 3.13 Sắc ký đồ của MeHg được tạo dẫn xuất trong pha DCM 53

Hình 3.14 Hiệu suất tạo dẫn xuất theo thời gian phản ứng (400 µL BuMgCl 0.5 M/THF; 2-3 oC, n=3) 56

viii

Hình 3.15 Sắc ký đồ MeBuHg tại các thời gian tạo dẫn xuất khác nhau (400 µL BuMgCl

0.5 M/THF; 2oC) 57

Hình 3.16 Hiệu suất tạo dẫn xuất theo nhiệt độ thí nghiệm (400 và 600 µL BuMgCl 0.5 M/THF; 5 phút) 58

Hình 3.17 Hiệu suất tạo dẫn xuất theo thời gian (100 µL BuMgCl 0.5 M/THF; 0&32oC) 58 Hình 3.18 Hiệu suất tạo dẫn xuất theo thời gian và lượng BuMgCl/THF 0.5 M (0oC) 60

Hình 3.19 Sắc ký đồ hiện tượng tranks-alkyl hóa của tác chất EtMgCl 61

Hình 3.20.Hiệu suất tạo dẫn xuất theo thời gian và lượng EtMgCl 0.5 M/THF ; 0oC 62

Hình 3.21.% trans-alkyl hóa theo thời gian khi sử dụng EtMgCl/THF 62

Hình 3.22 Hiệu suất tạo dẫn xuất theo thời gian (75 µL EtMgCl 0.5 M/THF; 2 và 32oC) 63 Hình 3.23 Hàm lượng MeHg và T-Hg trong bùn lắng hệ thống kênh Tham Lương – Nhiêu Lộc 65

Hình 3.24 Hàm lượng MeHg và T-Hg trong bùn lắng hệ thống kênh Đôi – kênh Tẻ 66

Hình 3.25 Hàm lượng MeHg và T-Hg trong bùn lắng hệ thống kênh phụ, ngoại vi Tp HCM và sông Sài Gòn 67

Hình 3.26 Tương quan (a) hàm lượng MeHg và T-Hg; (b) hàm lượng MeHg và TOC trong bùn lắng hệ thống kênh rạch Tp Hồ Chí Minh 68

ix

LỜI CẢM ƠN

Nhóm nghiên cứu chân thành cảm ơn Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh đã cấp kinh phí kịp thời cho chúng tôi thực hiện đề tài này Chúng tôi cảm ơn Ban Khoa Học và Công Nghệ Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện và hỗ trợ chúng tôi rất lớn về tiến độ thực hiện đề tài Chúng tôi cảm ơn Ban Giám Hiệu, lãnh đạo và các chuyên viên của phòng

Kế hoạch Tài chính, lãnh đạo và các chuyên viên phòng Quản lý Khoa Học và thầy cô Bộ Môn Hóa Phân Tích trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên đã tạo điều kiện hỗ trợ cho chúng tôi hoàn thành đề tài này

1

1.1 Đại cương về các hợp chất Hg

1.1.1 Thủy ngân nguyên tố

Thủy ngân nguyên tố (Hgo) tồn tại dưới dạng hơi đơn nguyên tử trong pha khí và dạng lỏng trong điều kiện thường với áp suất hơi khá cao 0.17 Pa tại 25oC (nồng độ hơi Hgo bão hòa lần lượt là 14 mg/g tại 20oC và 31 mg/g tại 30oC) Độ tan của Hgo trong nước khoảng 0.060 μg/L tại nhiệt độ phòng[1]

1.1.2 Các dạng thủy ngân vô cơ

Nhiều loại muối của Hg2+ hòa tan dễ dàng trong nước, ví dụ: độ tan của HgCl2 là 62 g/L tại 20oC Ngược lại, độ tan của HgS (cinnabar) cực kì thấp (~10 µg/L) Do đó, HgS có độc tính kém hơn HgCl2 Ái lực của Hg2+ với những nhóm sulfhydryl của các amino acid như cysteine và methionine trong enzyme là nguyên nhân lý giải cho độc tính cao của thủy ngân Tuy nhiên, những hợp chất sinh học chứa selenium đặc biệt những hợp chất chứa những nhóm selenol (-SeH) có thể ngăn ngừa hoặc hạn chế độc tính của thủy ngân nhờ khả năng liên kết bền chặt với các hợp chất thủy ngân[2]

1.1.3 Các dạng thủy ngân hữu cơ

Là một trong những hiểm họa ô nhiễm toàn cầu, thủy ngân hiện diện ở trong môi trường đất, nước, không khí và tích tụ sinh học trong chuỗi thức ăn dưới các dạng vô cơ và hữu cơ Các dạng thủy ngân đều gây ra các ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của con người và chất lượng của hệ sinh thái trong đó các hợp chất alkyl thủy ngân có độc tính cao hơn hẳn thủy ngân vô cơ Gần đây, thế giới quan tâm nhiều hơn đến methyl thủy ngân (MeHg) bởi hợp chất này có độc tính rất cao và từng được sử dụng trong các lĩnh vực như y học, nông nghiệp…Từ đầu thế kỷ XVIII, MeHg được dùng làm chất bảo quản hạt giống ngũ cốc bởi

nó có tác dụng chống nấm mốc Kể từ thời điểm này, các ảnh hưởng của MeHg đến con người đã được ghi nhận Trường hợp đầu tiên bị tử vong do nhiễm độc MeHg xảy ra vào năm 1860[3] Năm 1956, tại Nhật Bản xảy ra thảm họa Minamata, đây được coi là sự kiện kinh hoàng nhất và điển hình nhất về tác hại của MeHg với con người, đến nỗi từ thời điểm này về sau người ta đã gọi các bệnh lý do MeHg gây ra là bệnh Minamata[4] Các bệnh nhân Minamata dần dần mất đi sự phối hợp giữa các cơ bắp, nói lắp bắp, chân tay bị liệt hoặc run rẩy, suy thoái vị giác và khứu giác, tai ù hoặc điếc, mắt mờ, hay quên, cơ thể yếu ớt, mệt mỏi Nhiều bệnh nhân đầu tiên ở Minamata đã bị điên, bất tỉnh và chết một tháng sau khi bị mắc bệnh Các kết quả khám nghiệm tử thi cho thấy tiểu não bị phá huỷ gần như hoàn toàn Sau thảm họa Minamata, từ 1971–1972 tại Iraq lại có hơn 6000 trường hợp phải nhập viện

vì bị nhiễm độc MeHg[5]

MeHg có độc tính cao vì có khả năng tạo phức rất tốt với nhóm thiol có trong protein [6], cysteine, tripeptide glutathione…, hằng số bền của các phức này với MeHg thường dao động

từ 1015–1030 [7] Bên cạnh đó, MeHg có tính ưa dầu và khả năng tương tác với các protein

nhứa nhóm sulfur nên tích tụ trong mỡ và chủ yếu trong cơ động vật Trong cơ thể động vật,

MeHg tác động trực tiếp vào hệ thần kinh trung ương và tích tụ trong não bộ; tác động này

2

của MeHg gây ảnh hưởng có hại, đặc biệt nghiêm trọng ở trẻ nhỏ và phụ nữ mang thai[5] Cơ chế của quá trình này vẫn chưa được làm rõ, song càng làm dấy lên các lo ngại về tác hại của hợp chất này tới sức khỏe của con người Mức khuyến cáo về lượng MeHg tối đa cho

phép hấp thụ theo quy định của Tổ Chức Lương Nông Thế Giới (FAO) là 0.47 µg/kg thể

trọng/tuần[8] và USEPA là 0.1 µg/kg thể trọng/ngày[9]

Nghiên cứu[10] cho thấy MeHg• (do sự phân hủy của MeHg trong não) gây hủy hoại não

bộ mạnh mẽ hơn là Hg2+ (do sự phân hủy của EtHg trong não), một vài tác giả cho rằng độc tính của EtHg thấp hơn so với MeHg khoảng 20 lần[11].

1.2 Tổng quan về thủy ngân trong môi trường

1.2.1 Nguồn gốc các hợp chất thủy ngân trong tự nhiên

Thủy ngân tồn tại nhiều nhất trong lòng đại dương, dưới dạng kết tủa thủy ngân sulfide (HgS) bên dưới lớp bùn đáy đại dương với tổng lượng khoảng 1017 g, còn trong nước biển chứa 1013 g thủy ngân dưới dạng các hợp chất vô cơ HgCl42-, HgCl3-, HgCl+, Hg(SH)-, Hg(SH)OH,…và một lượng nhỏ dạng hữu cơ như CH3HgCl, C2H5HgCl,… Lượng thủy ngân trong đất và bùn nước ngọt là 1013 g, trong đất thủy ngân tồn tại nhiều trong quặng như cinnabar Sinh quyển chứa 1011 g, không khí chứa 108 g và nước ngọt chứa ít nhất 107 g, các dạng chủ yếu như là Hg(SH)2, Hg(SH)-, Hg(OH)-, HgClOH,…[12]

Sư lan tỏa thủy ngân trong môi trường là do tác động của các hoạt động tự nhiên như phun trào núi lửa, xói mòn, sạt lở đất,… nhưng nguồn gây ô nhiễm chủ yếu lại đến từ hoạt động nhân sinh bao gồm các hoạt động sản xuất, nghiêm trọng nhất là hoạt động đốt nhiên liệu hóa thạch Hàng năm, con người thải vào môi trường khoảng 4400-7500 tấn thủy ngân -chiếm 2/3 tổng lượng thủy ngân ô nhiễm[13]

Ở điều kiện tự nhiên phù hợp, thủy ngân bị methyl hóa thành methyl thủy ngân, đây là nguồn chính tạo ra methyl thủy ngân trong môi trường Sự methyl hóa chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như pH, tính chất oxyhóa khử của môi trường, tác nhân xúc tác và hàm lượng chất rắn hòa tan,… Ngoài ra, một phần nhỏ methyl thủy ngân (MeHg) được hình thành từ dimethyl thủy ngân (Me2Hg), do sự phân ly quang hóa hay do sự demethyl hóa khi có mặt của vi khuẩn[14]

1.2.2 Nguồn phát thải thủy ngân

1.2.2.2 Các hoạt động nhân sinh

Trong số 5000-6000 tấn Hg được phóng thích vào không khí mỗi năm, hàm lượng Hg phát sinh từ những hoạt động con người chiếm khoảng 50%[17] Những nguồn phát thải Hg

3

do các hoạt động nhân sinh có thể từ những nguồn cố định như: lò đốt rác, nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu than đá, các ngành công nghiệp khai khoáng vàng, sản xuất NaOH bằng điện phân hoặc từ những nguồn khuếch tán như: hố chôn rác, những vùng chứa hoặc chôn lấp chất thải công nghiệp Những nguồn cố định được xem là nguồn phát thải chính, chiếm hơn 95% hàm lượng Hg bắt nguồn từ con người trong đó hàm lượng Hg phát sinh từ những quá trình đốt chiếm hơn 80% Mặc dù việc sử dụng Hg trong một số ngành công nghiệp đã được tiết giảm ở một số nước phát triển, nhưng thủy ngân và các hợp chất của

chúng vẫn sử dụng ở các nước đang phát triển (Châu Á, Nam Mỹ) Hình 1.1 cho thấy có sự

chênh lệch rất lớn hàm lượng Hg có nguồn gốc từ con người giữa các châu lục, trong đó Châu Á chiếm khoảng 65% nguồn phát thải Hg toàn cầu hằng năm có nguồn gốc từ con người

Hình 1.1 Hiện trạng phát thải thủy ngân có nguồn gốc từ các hoạt động nhân sinh năm 2010 [18]

Tỷ phần phát thải Hg do các hoạt động nhân sinh trên toàn cầu cũng phụ thuộc rất nhiều vào

cơ cấu hoạt động/trình độ phát triển của từng vùng Nhìn chung hoạt động đốt chất nhiên liệu khoáng thạch như xăng dầu và than đá là nguồn đóng góp Hg chủ yếu (ngoại trừ khu vực Nam Mỹ) Hoạt động khai thác vàng ở Nam Mỹ có dùng Hg nên tỷ phần đóng góp ô nhiễm Hg do hoạt động này áp đảo so với các hoạt động đốt nhiên liệu hóa thạch và khai khoáng

4

Hình 1.2 Phát thải Hg do các hoạt động nhân sinh toàn cầu[19]

1.2.3 Chu trình chuyển hóa thủy ngân

Sau khi xâm nhập vào môi trường, thủy ngân trải qua một chuỗi những quá trình chuyển hóa phức tạp Chu trình địa – hóa – sinh của thủy ngân liên quan mật thiết đến dạng hóa học tồn tại của Hg trong những pha khác nhau của môi trường

Trong không khí, thủy ngân nguyên tố (Hgo) chiếm chủ yếu (>90%) ở dạng hơi Ngược lại, những dạng Hg(II) tồn tại trong những giọt sương dưới dạng hòa tan hoặc hấp phụ trên những hạt bụi rắn lơ lửng và có khuynh hướng lắng tụ trên bề mặt trái đất thông qua các quá trình lắng tụ ướt và khô Nồng độ của các dạng thủy ngân trong không khí nằm trong khoảng

1 - 4 ng/m3 đối với thủy ngân nguyên tố trong khi đó MeHg được tìm thấy trong không khí trong khoảng 1-20 pg/m3

Trong môi trường nước, đất và trầm tích, thủy ngân tồn tại chủ yếu dưới dạng Hg(II) bao gồm những hợp chất thủy ngân vô cơ (ví dụ: các dạng phức hydroxo của Hg2+) và thủy ngân hữu cơ (ví dụ: MeHg+) và một phần nhỏ Hgo Những hợp chất của Hg(II) tồn tại dưới những dạng hóa học khác nhau thông qua việc tạo phức hoặc tạo hợp chất khó tan với các ligand/ion

vô cơ (ví dụ: Cl-, S2-) và hữu cơ (ví dụ: các loại acid humic, các protein…)[20] Mặc dù trong môi trường nước và đất, MeHg chỉ chiếm một phần nhỏ so với tổng thủy ngân (thông thường

< 10% trong nước và < 3% trong đất/bùn lắng), nhưng quá trình hình thành MeHg là một bước quan trọng trong chu trình thủy ngân Đây là hậu quả của việc MeHg có thể lắng tụ sinh học trong chuỗi thức ăn và tồn tại trong cơ thể sinh vật với nồng độ cao Trong cá và những động vật hoang dã ăn cá, MeHg là dạng thủy ngân chiếm ưu thế nhờ khả năng tích lũy sinh học (bio-accumulation) và khuếch tán sinh học (bio-magnification) của MeHg

5

Hình 1.3 Chu trình chuyển hóa của thủy ngân trong sinh quyển[21]

Những quá trình liên quan trực tiếp đến sự chuyển hóa của những nguyên dạng thủy ngân bao gồm: sự oxy hóa Hgo và sự khử Hg(II) (bao gồm các quá trình quang hóa và vi sinh), quá trình methyl hóa và demethyl hóa chủ yếu thông qua hoạt động của các vi khuẩn, sự phân bố thủy ngân giữa pha nước và bùn lắng, sự lắng tụ thủy ngân từ không khí, quá trình lưu chuyển thủy ngân giữa những môi trường khác nhau (môi trường đại dương và trên cạn),

quá trình tích tụ sinh học thủy ngân qua chuỗi thức ăn

1.2.4 Quá trình methyl hóa thủy ngân

Thủy ngân vô cơ chuyển hóa thành MeHg trong pha nước thông qua con đường hữu sinh (biotic)[22] hoặc vô sinh (abiotic)[23] Methyl hóa thủy ngân vô cơ qua con đường vô sinh là quá trình methyl hóa hóa học có thể có sự hỗ trợ bởi ánh sáng hoặc không có ánh sáng Trong môi trường nước tự nhiên, quá trình methyl hóa thủy ngân hữu sinh chiếm ưu thế[24] Những

vi sinh vật khử sulfate (sulfate reducing bacteria-SRB) được cho là tác nhân chính methyl hóa Hg2+ trong hầu hết môi trường nước[25, 26] Quá trình methyl hóa Hg2+ do Desulfovibrio

desulfuricans, một SRB trong bùn lắng được Compeau và Bartha xác nhận lần đầu tiên vào

năm 1985[26] Thông qua những thí nghiệm ức chế - kích thích và sự tương quan giữa tốc độ khử sulfate và sự methyl hóa Hg2+, SRB đã và đang được xem là tác nhân chính methyl hóa các dạng thủy ngân vô cơ trong môi trường nước Ngoài SRB, một số tác nhân khác cũng chi phối đến quá trình methyl hóa thủy ngân bao gồm những vi sinh vật khử sắt (FeRB)[27]hoặc những vi sinh vật sinh methane

Một số hợp chất hóa học như các hợp chất humic[28], fulvic[29], và những hợp chất acid hữu cơ có trọng lượng phân tử thấp có khả năng methyl hóa thủy ngân vô cơ dưới điều kiện chiếu xạ trong những mô hình giả lập trong phòng thí nghiệm[30] Một công bố gần đây cho thấy quá trình methyl hóa Hg2+ xảy ra do các hợp chất hữu cơ hòa tan (dissolved organic matters-DOM) trong nước ao hồ dưới điều kiện ánh sáng mặt trời[31] Nhìn chung, con đường

cơ [33]

Hình 1.4 Phản ứng hình thành methyl thủy ngân và dimethyl thủy ngân

Trong môi trường hiếu khí methyl thủy ngân được hình thành từ quá trình demethyl hóa của Me2Hg, sự demethyl hóa này được cho rằng có liên quan đến chuỗi operon dẫn đến sự hình thành Hg0 và CH4 Quá trình demethyl hóa tăng là khi tăng cường độ ánh sáng mặt trời,

Methyl thủy ngân cũng được hình thành khi thủy ngân ở dạng Hg2+ phản ứng với methylcobalamin (CH3B12)[12]

Quá trình chuyển nhóm methyl từ Co3+ sang Hg2+ được xúc tác bởi vi sinh vật Sau khi tạo thành methyl thủy ngân có thể phản ứng tiếp tục với CH3B12 để tạo thành dimethyl thủy ngân mặc dù tốc độ hình thành Me2Hg rất chậm so với hình thành MeHg

Khả năng methyl hóa thủy ngân cũng phụ thuộc vào ligand tạo phức với thủy ngân, khi thủy ngân ở dạng phức Hg-thiol được hình thành khi thủy ngân kết hợp với cystein, glutathione, hay khi thủy ngân tạo phức với hợp chất humic thì làm giảm khả năng methyl hóa Dạng methyl thủy ngân được tích lũy dần trong sinh vật

1.2.5 Quá trình demethyl hóa methyl thủy ngân

Tương tự như quá trình methyl hóa, quá trình demethyl hóa có thể xảy ra theo 2 con đường: hữu sinh và vô sinh Quang phân là một quá trình demethyl hóa vô sinh dưới sự chiếu

xạ UV và chiếm ưu thế trong các phản ứng demethyl hóa MeHg[36] Bốn con đường phân rã

quang hóa MeHg đã được trình bày trong Hình 1.5

Hình 1.5 Sự quang phân của MeHg trong môi trường nước

(1) Quá trình demethyl quang hóa trực tiếp, (2) Quá trình demethyl quang hóa những phức chất MeHg-DOM bởi các gốc tự do, (3) Quá trình demethyl quang hóa MeHg bởi các gốc tự do và (4)

Quá trình demethyl quang hóa trực tiếp những phức chất MeHg-DOM [37]

Những quá trình demethyl MeHg bằng con đường vi sinh được phân loại dựa trên sản phẩm của phản ứng bao gồm: phản ứng demethyl oxy hóa với sản phẩm của phản ứng là

CO2 và CH4, và phản ứng demethyl khử với sản phẩm của phản ứng là CH4 Phản ứng demethyl khử được xúc tác bởi enzyme “organomercury lyase”, một enzyme được hình

8

thành khi hệ thống đề kháng thủy ngân của vi sinh vật làm việc có khả năng cắt đứt liên kết C-Hg trong MeHg để hình thành Hg2+ và CH4[38] Trong phản ứng demethyl oxy hóa, các sinh vật khử sulfate và các sinh vật sinh methane giữ vai trò quan trọng thông qua 2 phản ứng sau[39]:

2 2 2 4 2

Hg CH

2 2 3

1.2.6 Hoạt tính sinh học của thủy ngân

Thủy ngân là kim loại duy nhất tồn tại ở thể lỏng trong điều kiện thường, trạng thái này thì thủy ngân không độc, tuy nhiên thủy ngân dễ dàng bay hơi trong điều kiện thường, dạng hơi thủy ngân rất độc, Hg0 và MeHg ở trong không khí có thể thấm qua da hoặc đi vào cơ thể bằng con đường hô hấp và tích lũy trong cơ thể[40]

Thủy ngân ở dạng hữu cơ có độc tính cao hơn dạng vô cơ MeHg được xếp vào loại chất độc thần kinh[41] MeHg kết hợp với enzyme cản trở quá trình tổng hợp protein, cũng như quá trình gắn thymidin vào DNA[32] Hàm lượng dung nạp tối đa cho phép đối với người trưởng thành theo WHO là 0.2 µg/kg thể trọng/ngày, theo đó EPA và NRC cũng đưa ra hàm lượng tối đa là 0.1 µg/kg thể trọng/ngày[42]

Bệnh Minamata với những biểu hiện như mất điều hòa vận động, mất điều hòa tiểu não, yếu cơ, rối loạn thính giác, tinh thần suy giảm, phá hoại hệ thần kinh trung ương, đặc biệt là não, vỏ não và tiểu vỏ não,… đối với những trẻ em được sinh ra do người mẹ nhiễm MeHg thì có thể bị bại não, điếc, mù, chậm nói, mất điều hòa vận động, chậm phát triển tinh thần[4],… Đó là thảm họa kinh hoàng của việc nhiễm độc thủy ngân xảy ra tại vịnh Minamata (Nhật Bản) vào những năm 50 của thế kỷ 20, làm cho 2955 người nhiễm độc thủy ngân trong

đó 45 người chết vì ăn phải cá nhiễm thủy ngân Cũng với những biểu hiện như trên, tại Iraq cũng xảy ra vụ nhiễm độc MeHg vào những năm 70 của thế kỷ 20 đã làm 459 nông dân bị chết, nguyên nhân là do người dân đã ăn bánh mì được làm từ thực phẩm nhiễm MeHg thực phẩm đã bị nhiễm thủy ngân khi sử dụng thuốc bảo vệ thực vật[43]

Methyl thủy ngân sau khi vào cơ thể, chúng liên kết với nhóm sulfurhydryl (-SH) làm hủy hoại protein sinh hóa[13] MeHg tiếp tục đi sâu vào các bộ phận khác của cơ thể như ruột,

dạ dày, sau đó nó được hấp thu vào máu, theo mạch máu đến các cơ quan khác, khi MeHg đến não thì sự vận chuyển qua màng blood-brain barrier (BBB) vào não dưới dạng MeHg-cystein và được acid amin vận chuyển qua BBB[14, 40]

Sự bài tiết methyl thủy ngân rất chậm thông qua đường tiểu và tuyến mồ hôi, thời gian loại MeHg ra khỏi cơ thể thường không cố định, đối với người trưởng thành là 50-70 ngày

sẽ loại 50% lượng MeHg ra khỏi cơ thể Đối với trẻ em thì cần thời gian dài hơn do sự bài tiết của trẻ em kém hơn người trưởng thành

Để giảm hàm lượng methyl thủy ngân ta có thêm vào môi trường Selenium dưới dạng

Na2SeO3, làm giảm lượng MeHg trong chuỗi thức ăn hoặc làm giảm lượng MeHg trong cá Phosphorus cũng được thêm vào môi trường với tác dụng làm giảm hàm lượng MeHg, do làm tăng tốc độ phát triển của cá và tăng sinh khối trong hệ thống môi trường làm loãng nồng độ methyl thủy ngân[34]

9

1.2.7 Ảnh hưởng của MeHg đối với một số động vật hoang dã ăn cá

Độc tính của MeHg trong các động vật hữu nhũ biểu hiện chủ yếu qua những triệu chứng liên quan đến hệ thần kinh như: thiểu năng trong vận động và cảm giác, rối loạn hành vi Những biểu hiện ban đầu của động vật bị nhiễm độc MeHg là biếng ăn và lờ đờ, sau đó là các triệu chứng bao gồm sự suy giảm, mất kiểm soát trong hoạt động và thị giác, sự mất điều hòa giữa các cơ bắp, và cuối cùng là tử vong Những động vật ăn thịt nhỏ nhạy cảm với MeHg hơn so với các loài lớn hơn, bộc lộ qua thời gian biểu hiện những triệu chứng nhiễm độc MeHg và thời gian sống Nồng độ MeHg trong bữa ăn hằng ngày từ 4.0-5.0 μg/g có thể gây chết một số loài chồn trong vòng 26-58 ngày, trong khi đó nếu rái cá tiếp nhận một lượng tương đương có thể tồn tại trung bình 117 ngày[44]

MeHg dễ dàng được luân chuyển qua nhau thai và tích tụ trong não bào thai Nồng độ thủy ngân trong não bào thai cao gấp đôi trong não cá thể mẹ thuộc những loài gặm nhấm được nuôi bằng thức ăn có chứa MeHg[45] Những tác động của MeHg lên những thế hệ con của những động vật hữu nhũ bắt đầu từ những thay đổi trong sự phát triển của bào thai, đến những thiểu năng về mặt thể chất hoặc hành vi, cuối cùng là tử vong

 Độc tính thần kinh

MeHg gây hại chủ yếu đến não và tiểu não Những tác động của MeHg đến hệ thần kinh của những loài động vật hữu nhũ bao gồm sự mất điều hòa, khó khăn trong vận động, rối loạn thần kinh, sự suy giảm khả năng nghe và nói, sự mất tỉnh táo và tử vong[46] Những tổn thương trong vỏ não và tiểu não đi kèm với những triệu chứng lâm sàng Tình trạng hoại tử, chết dần và quá trình thực bào những neuron thần kinh dẫn đến sự phá hủy cấu trúc vỏ não

và hiện tượng phù nề

Một số nghiên cứu trên động vật linh trưởng đã mở rộng thêm những hiểu biết về độc tính của MeHg Khỉ đuôi dài con được sinh ra bởi những con mẹ bị phơi nhiễm 50-70 μg MeHg/kg thể trọng/ngày có nồng độ MeHg trong máu là 1.69 ppm lúc sinh và có xu hướng giảm dần xuống 1.04 ppm tại thời điểm nghiên cứu và những triệu chứng nhiễm độc MeHg như sự suy giảm đáng kể khả năng ghi nhớ hình ảnh so với những con khỉ trong nhóm đối chứng[47] Một nghiên cứu khác trên loài khỉ này cũng cho thấy những những con khỉ con sinh ra bởi những con mẹ bị phơi nhiễm 50 μg MeHg/kg thể trọng/ngày với những biểu hiện thụ động về mặt xã hội và kém hòa nhập xã hội hơn so với những con khỉ con không bị phơi nhiễm MeHg[41] Bên cạnh đó, những con khỉ trưởng thành cũng trải qua quá trình phơi nhiễm tần suất 2 lần/tuần trong 73 tuần ở các mức phơi nhiễm 0.24-1.0 mg MeHg/kg thể trọng/ngày đều bị suy giảm thị lực tương tự triệu chứng của những người bị nhiễm độc MeHg Khi mức phơi nhiễm cao hơn và dài hơn, sự suy giảm thị lực chuyển thành mãn tính

và ngưỡng nhìn bị thay đổi, điều này chứng tỏ những neuron thần kinh của vỏ não đã bị tổn thương[48]

 Tác động trên các hệ enzyme

Hoạt tính của những họ enzyme Cholinesterase (ChE), acetylcholinesterase (AchE) và

butyrylcholine esterase) bị suy giảm trong loài chim cút Coturnix khi tiếp nhận một bữa ăn

hằng ngày chứa 5 ppm MeHg trong 18 tuần[49] Chim diệc xanh non được nuôi dưỡng bằng

đã cho thấy hoạt tính của những tế bào miễn dịch giảm 42% trong những thế hệ con Ngoài

ra hoạt tính của tế bào chủ cũng suy giảm[51] Nghiên cứu của Daoust và các cộng sự đã cho thấy những con chim lặn gavia chết trong trạng thái ốm yếu; những cá thể bị nhiễm kí sinh trùng nặng hơn có hàm lượng thủy ngân trong cơ cao hơn so với những con cùng loài chết trong tình trạng cơ thể vẫn còn khỏe mạnh[52]

 Tác động trên gen di truyền

MeHg có thể bẻ gãy các nhiễm sắc thể Trong những tế bào phổi và não được nuôi cấy

từ chuột, chuột Hamster Trung Quốc và người, những tế bào não dễ bị tổn thương bởi MeHg hơn so với tế bào phổi Nghiên cứu của Choi và Kim[53] cho thấy tác dụng ức chế sinh tổng hợp DNA trong những tế bào hình sao của chuột do MeHg gấp 10 lần so với Hg2+

1.2.8 Tích lũy và làm giàu sinh học của thủy ngân

Trong môi trường không khí thủy ngân dạng Hg0 và MeHg đi vào cơ thể qua đường hô hấp hoặc hấp thụ qua da, tích tụ vào cơ thể

Hình 1.6 Tích lũy methyl thủy ngân trong chuỗi thức ăn môi trường nước[54]

Vi khuẩn, tảo, vi sinh vật,…là các sinh vật tích lũy methyl thủy ngân chủ yếu từ môi trường nước Hệ số tích lũy có thể đến 104 ÷ 105 (Hình 1.6) Theo chuỗi thức ăn, MeHg tiếp

tục được tích lũy dần trong các loài động vật không xương sống như ngao, hến, sò và các loài cá nhỏ Các loài cá lớn hơn ăn các động vật nhỏ bị nhiễm thủy ngân: vi khuẩn, vi sinh

11

vật,… thì cũng tích tụ methyl thủy ngân Sự tích lũy MeHg càng lớn diễn ra đối với các loài

cá ăn thịt, vòng đời càng dài và trọng lượng càng lớn Cuối chuỗi thức ăn trong thủy quyển, lượng methyl thủy ngân trong cá có thể cao gấp 106 lần lượng methyl thủy ngân trong nước[54] Các động ăn cá sống gần đại dương như rái cá, chim và con người cũng nằm trong chuỗ thức ăn và vì vậy tích lũy MeHg Khi con người tiêu thụ các động vật nhiễm MeHg, thì MeHg sẽ được tích lũy trong các mô mỡ, gan, thận, não,…Cuống rốn của bà mẹ mang thai có hàm lượng MeHg cao hơn so với các cơ quan khác[55] và MeHg thường tồn tại lâu trong cơ thể

1.3 Phương pháp xác định thủy ngân

1.3.1 Phương pháp xác định tổng số trong bùn lắng

Hàm lượng thủy ngân tổng số là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất trong việc đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại nặng đối với các đối tượng mẫu cần giám sát chất lượng Trong nhiều kỹ thuật phận tích, kỹ thuật hóa hơi lạnh được sử dụng thành công nhất do thiết

bị đơn giản, dễ chế tạo và sử dụng với giá thành thấp nhất Kỹ thuật này hiện cho phép phân tích tổng Hg với giới hạn phát hiện rất thấp (0.02 ng/mL) Kỹ thuật này sử dụng Sn2+ và NaBH4 để khử Hg(II) thành Hgo phù hợp với thiết bị ghép nối AAS hay AFS Có nhiều cách thiết kế hệ phản ứng khử Hg(II) và lôi cuốn hơi Hgo đến thiết bị đo được sử dụng phổ biến như hệ theo mẻ (batch mode – Perkin Elmer, Analytik Jena hoặc tự thiết kế), hệ tuần hoàn (Shimadzu, hoặc tự thiết kế), hệ lấy mẫu/phản ứng liên tục (Shimadzu, Varian/Agilent hay GBC) và hệ tiêm dòng chảy (Perkin Elmer)

Việc kết hợp hệ hóa hơi với đầu dò huỳnh quang nguyên tử (AFS) dần trở nên phổ biến do

độ nhạy của thiết bị này cao hơn đầu dò AAS khoảng từ 100 đến 1000 lần, cho phép xác định Hg trong những mẫu có hàm lượng rất thấp mà không phải qua các bước xử lý làm giàu mẫu phức tạp Phương pháp này hiện cũng được chuẩn hóa (EPA-1631) cho phân tích siêu

vi lượng Hg trong nước[9, 56]

Trong những năm gần đây, phương pháp ICP-MS ngày càng chứng tỏ ưu việt so với các phương pháp phân tích khác ICP-MS cho phép phân tích đa nguyên tố, khả năng phân tích đồng vị và có độ nhạy tuyệt vời cho hầu hết các nguyên tố trong bảng phân loại tuần hoàn Đối với Hg, ICPMS có giới hạn phát hiện tốt hơn AFS khoảng 1 ÷ 10 lần nên có tiềm năng thay thế các phương pháp phân tích Hg khác Dù vậy, do chi phí trang bị và vận hành rất cao nên trong rất nhiều trường hợp, ICP-MS chưa phải là lựa chọn hàng đầu cho phân tích Hg tổng số

Đối với phân tích tổng Hg trên các hệ vừa kể, xử lý mẫu là khâu yếu nhất quyết định đến

sự tin cậy của kết quả phân tích Hiện nay việc xử lý mẫu được chuẩn hóa dựa trên việc sử dụng lò vi sóng áp suất cao giúp hạn chế mất mẫu vốn là nhược điểm lớn nhất trong phân tích tổng Hg đồng thời làm giảm thiểu nguy cơ nhiễm bẩn mẫu từ hóa chất (do sử dụng nhiều) và môi trường (do dùng hệ kín, cô lập) Tuy nhiên phương pháp xử lý mẫu truyền thống vẫn được công nhận áp dụng song song với lò vi sóng do đơn giản, chi phí mua sắm thiết bị thấp, an toàn và dễ sử dụng mặc dù sự nhiễm bẩn do hóa chất không đủ tinh khiết và mất mẫu do điều kiện vận hành chưa tối ưu

12

Đối với mẫu chứa Hg hàm lượng rất thấp, các phương pháp làm giàu mẫu thường sử dụng như sử dụng chiết lỏng/lỏng hay chiết pha rắn (SPE) làm giàu Hg cùng với các tác nhân phù hợp như các phức với thuốc thử hữu cơ (dithizone, diethyldithiocarbamate) hay các pha rắn

có ghép các thuốc thử hữu cơ đặc hiệu Tuy vậy phổ biến nhất vẫn là làm giàu hơi Hg online qua quá trình tạo hỗn hống trên dây vàng/cát phủ vàng/hợp kim Pt-Au hay cát phủ bạc Hiệu quả làm giàu tốt nhất trên dây Pt-Au hoặc cát phủ vàng, cho phép xác định tổng Hg trong mẫu đến nồng độ rất thấp (<0.05 ng/L)[54]

Tại Việt nam, hầu hết các trung tâm phân tích đều sử dụng phương pháp AAS kết nối hệ thống hóa hơi lạnh để phân tích Hg Một vài phòng thí nghiệm phân tích có tiềm năng kinh

tế và kỹ thuật cao sử dụng ICPMS phân tích Hg kèm với các nguyên tố khác Các phòng thí nghiệm phân tích thường áp dụng các phương pháp chuẩn quốc gia như TCVN, ISO, AOAC hay ASTM để phân tích Hg

Trong một nghiên cứu khác lại sử dụng K2Cr2O7 và H2SO4 để vô cơ hoá mẫu trong hệ thống đun hoàn lưuError! Reference source not found. Năng lượng vi sóng cũng được ứng dụng trong phân hủy mẫu do ưu điểm nhanh và vô cơ hóa mẫu hoàn toànError! Reference source not found.

1.3.3 Phương pháp xác định methyl thủy ngân trong bùn lắng

Trong tự nhiên, Hg tồn tại ở nhiều trạng thái hóa học khác nhau tuy vậy chúng ta thường quan tâm tới những dạng tồn tại hoặc ảnh hưởng tức thời và trực tiếp hoặc ảnh hưởng gián tiếp và quan trọng đến môi trường sống Do là nguyên tố có độc tính cao nên hàm lượng Hg tổng số luôn được quan tâm Ngoài ra những dạng hóa học của Hg có độc tính cao nhất và nguy cơ cao nhất đến môi trường sống như Hgo và MeHg+ cũng được quan tâm đặc biệt Thông tin về hàm lượng các dạng này trong đối tượng phân tích giúp đánh giá và dự báo tốt hơn về tình hình ô nhiễm Hg và từ đó có thể có những biện pháp phòng ngừa hiệu quả hơn Trong bùn lắng Hg chủ yếu tồn tại ở dạng khó tan (HgSx) hay phức bền/hấp phụ-liên kết với các hợp chất vô cơ/hữu cơ, một phần khá đáng kể (1-3%) Hg tồn tại ở dạng MeHg+ Luôn

có một cân bằng giữa MeHg+ ở dạng hấp phụ/kết tủa trong pha rắn của nền bùn lắng và pha dung dịch nước xung quanh bùn Hàm lượng MeHg+ trong bùn lắng thường rất thấp nhưng

do khả năng tính lũy sinh học (bioaccumulation) và khuếch đại sinh học (biomagnification) trong các động/thực vật thủy sinh rất lớn (106) nên nguy cơ tác hại của MeHg+ không hề nhỏ Các dạng hữu cơ Hg khác như ethyl thủy ngân, phenyl thủy ngân, dimethyl thủy ngân

ít được quan tâm vì một phần là hàm lượng chúng khá thấp và dễ chuyển hóa sang Hg vô cơ hoặc/và độc tính của các dạng này không cao

13

Do chênh lệch hàm lượng MeHg/Hg(II) (vô cơ) trong bùn lắng là khá lớn nên trong thực

tế để đảm bảo kết quả phân tích có độ chính xác cao, MeHg và Hg tổng số được phân tích bằng 2 phương pháp riêng rẽ Các phương pháp phân tích MeHg thường dựa trên việc tách riêng MeHg bằng chiết kết hợp với sắc ký lỏng hoặc sắc ký khí và định lượng dựa trên một đầu dò phù hợp

Thông thường MeHg trong mẫu bùn lắng tồn tại ở dạng liên kết (tạo phức) với các nhóm thiol, amino… hoặc hấp phụ lên các tâm silicate, alumina của nền mẫu Việc tách MeHg khỏi các dạng liên kết này thường được thực hiện trong môi trường kiềm (KOH hay TMAH) hoặc acid (H2SO4, HCl hoặc HNO3) có sự hỗ trợ của các tác nhân tạo phức cạnh tranh (Cu2+,

Cl- hay Br-) để ly trích hiệu quả MeHg+ vào pha lỏng MeHg+ dưới dạng phức được làm sạch một lần nữa bằng cách chiết vào dung môi hữu cơ (benzene hay dichloromethane) MeHg dạng phức được chiết ngược lại vào pha nước dùng các tác nhân tạo phức như L-cysteine, thiosulfate, Cl- hay Br-

Các hợp chất Hg trong mẫu được tách bằng sắc ký lỏng (HPLC) trên các cột trao đổi ion hoặc cột không phân cực C18[57] ở dạng phức trung hòa (với DDTC, APDC, thiourea, cysteine…) hay cặp ion (acid heptafluorobutanoic, acid pentansulfonic ) Hệ HPLC được ghép với các đầu dò phù hợp phổ biến nhất là ICPMS, CV-AAS, CV-AFS Đầu dò ICPMS được sử dụng hiệu quả nhất do độ nhạy rất cao và khả năng phân tích đồng vị giúp tăng độ tin cậy của kết quả phân tích Các đầu dò AAS và AFS cần phải trang bị 1 hệ thống phân hủy/khử online và hóa hơi giúp chuyển hiệu quả Hg ở dạng phức về Hgo và lôi cuốn đến đầu

dò Việc phân hủy các phức Hg được thực hiện bởi hoặc hóa chất (K2S2O8, KBr-KBrO3) hoặc dùng tia UV hay vi sóng Ion Hg2+ được khử bằng Sn2+ hoặc NaBH4

Việc tách bằng HPLC có ưu điểm rất lớn là phân tích trực tiếp MeHg+ kể cả các dạng hữu

cơ khác của Hg, tuy nhiên độ nhạy của phương pháp HPLC phân tích MeHg bị giới hạn bởi lượng mẫu cần tách bằng HPLC thường nhỏ mặc dù điều này có thể được bù đắp chút ít bằng các đầu dò rất nhạy như AFS hoặc ICPMS

Phương pháp tách bằng GC phân tích MeHg được sử dụng phổ biến nhất do khả năng làm sạch và giàu mẫu rất tốt[58] Phương pháp này đặc biệt hữu hiệu với mẫu bùn lắng vốn có hàm lượng MeHg khá thấp và nền mẫu rất phức tạp Nhược điểm cố hữu của phương pháp này trong phân tích MeHg+ là cần phải chuyển dạng ion MeHg+ thành dạng trung hòa dễ bay hơi Điều này thực hiện được bằng cách alkyl hóa hoặc phenyl hóa MeHg+ thành MeRHg (R = alkyl hoặc phenyl)

Tác nhân alkyl hóa quan trọng nhất là sodium tetraethylborate (NaBEt4) hoặc sodium tetrapropyl borate (NaBPr4)[59, 60] Phản ứng alkyl hóa (ethyl hóa hoặc propyl hóa) bằng các tác nhân này có thể thực hiện được trong môi trường nước Hợp chất ethylmethyl Hg hoặc propylmethylHg tạo thành có thể hoặc là được chiết vào dung môi hữu cơ không phân cực (hexane) và tiêm vào GC hoặc có thể lôi cuốn và bẫy vào một pha rắn phù hợp (kỹ thuật sục

và bẫy - purge and trap hoặc kỹ thuật vi chiết pha rắn - SPME)

Kỹ thuật chiết và tiêm trực tiếp các hợp chất alkylmethylHg vào GC phù hợp với những mẫu có nồng độ cao Hệ GC-AFS và hệ GC-ICPMS cho phép xác định MeHg trong bùn lắng đến nồng độ 0.1 ng/g hoặc thấp hơn

14

Trong kỹ thuật purge&trap, chất bẫy các hợp chất alkylmethylHg thường là Carbotrap nhưng Tenax được sử dụng phổ biến hơn cả Kỹ thuật sục và bẫy khá thông dụng, khi đi kèm với một đầu dò có độ nhạy cao như AFS hay ICPMS, cho phép xác định hàm lượng MeHg trong mẫu ở nồng độ rất thấp (pg/L) phù hợp cho đối tượng mẫu nước và bùn lắng ở nồng độ rất thấp[60, 61]

Tác nhân alkyl hóa phổ biến khác thường dùng trong phân tích MeHg là tác chất Grignard – magnesium alkyl halide (RMgX) trong đó R là ethyl, propyl và butyl; X là chloride hay bromide Các tác nhân Grignard thường được điều chế và lưu trữ trong các dung môi phiproton như tetrahydrofuran (THF), diethylether (DEE) So với việc alkyl hóa bằng sodium tetraalkylborate, phản ứng alkyl hóa bằng tác chất Grignard phải được thực hiện trong dung môi phiproton[62] Trong thực tế MeHg+ phải được chuyển vào dung môi khan nước như hexane hoặc toluene Như vậy việc ly trích và làm sạch MeHg+ trước khi phân tích cần phải thêm 1 giai đoạn chuyển MeHg+ vào dung môi khan Việc này được thực hiện bằng phản ứng tạo phức không điện tích giữa MeHg+ với một thuốc thử hữu cơ, thường là diethyldithiocarbamate (DDTC) hoặc ammonium pyrrolidine dithiocarbamate (APDC) Phức không điện tích MeHg-DDTC hoặc MeHg-PDC trong hexane hay toluene được akylhóa với thuốc thử Grignard[63] ở nhiệt độ và trong thời gian có kiểm soát Hợp chất dialkylHg trong hexane (toluene) có thể được tiêm trực tiếp vào GC với đầu dò phù hợp

Có thể thấy rằng alkyl hóa bằng tác chất Grignard bất tiện hơn NaBR4 nhiều tuy nhiên thuốc thử NaBR4 khá đắt tiền và không thông dụng như tác chất Grignard nên trong thực tế phương pháp phân tích sử dụng cả hai tác chất này đều có giá trị và cần được triển khai dự phòng cho nhau

1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong, ngoài nước

Việc phân tích tổng Hg hay nguyên dạng các hợp chất Hg ở nước ngoài không phải là điều gì mới mẻ do các nước có trình độ khoa học, công nghệ và trang thiết bị vượt xa Việt Nam Trong suốt 2 thập kỷ qua, hàng trăm bài báo đã được công bố về việc xác định các dạng hợp chất cơ kim thủy ngân trong môi trường Hầu hết các nghiên cứu này dựa trên kỹ thuật chiết để chuyển các dạng cơ kim của thủy ngân qua pha hữu cơ và sau đó phân tích bằng phương pháp sắc ký khí sử dụng đầu dò bắt giữ electron (GC-ECD), đây là phương pháp được phát triển đầu tiên bởi Westӧӧ[64] Tuy nhiên, với xu hướng cải thiện độ nhạy và

độ chọn lọc cho việc phân tích nguyên dạng thủy ngân, đặc biệt là monomethyl thủy ngân, các kỹ thuật sắc ký ghép nối với một số đầu dò đặc trưng cho thủy ngân đang ngày càng được phát triển

Với độ chọn lọc cao, trang thiết bị sẵn có trên thị trường kỹ thuật GC-MIP-AES[65-71] đang ngày càng được ứng dụng sâu rộng trong phân tích nguyên dạng thủy ngân Một số kỹ thuật cũng được ứng dụng để phân tích nguyên dạng thủy ngân như: sắc ký khí ghép nối đầu dò quang phổ nguyên tử (GC-QT-AAS)[72] Song, việc ứng dụng các kỹ thuật này để phân tích đối tượng mẫu trầm tích là rất khó khăn khi độ nhạy của những kỹ thuật này không cho phép phân tích các mẫu với nền mẫu phức tạp và hàm lượng monomethyl thủy ngân rất thấp như những mẫu trầm tích

15

Với giới hạn phát hiện thấp, độ nhạy cao, một số nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật AAS trong việc phân tích nguyên dạng thủy ngân Tuy nhiên, bản chất gián đoạn của kỹ thuật (kỹ thuật trải qua nhiều bước khi phân tích: làm khô, tro hóa, nguyên tử hóa, làm sạch)

ET-đã khiến cho kỹ thuật này rất khó ghép nối với các phương pháp tách sắc ký và từ đó hạn chế khả năng ứng dụng rộng rãi kỹ thuật này

Trước những thách thức về những đòi hỏi về độ chọn lọc và độ nhạy trong việc phân tích nguyên dạng thủy ngân, đặc biệt là monomethyl thủy ngân, trong những năm gần đây, việc

sử dụng thiết bị khối phổ ghép cặp cảm ứng cao tần (ICP-MS) như là một đầu dò ghép với một thiết bị tách bằng sắc ký như sắc ký lỏng và phổ biến hơn là sắc ký khí trong phân tích nguyên dạng thủy ngân đã phát triển không ngừng Bên cạnh độ nhạy và độ chọn lọc tuyệt vời, ICP-MS cho phép ứng dụng kỹ thuật pha loãng đồng vị (isotope dilution)[73]: Kỹ thuật pha loãng đồng vị không chỉ giúp nâng cao hơn nữa độ đúng và độ chính xác của đầu dò ICP-MS, mà còn được sử dụng trong các nghiên cứu về sự chuyển hóa các dạng tồn tại của thủy ngân trong tự nhiên[73-83] Tuy nhiên, yếu điểm chính của của phương pháp này so với các phương pháp khác luôn là giá thành đầu tư thiết bị, chi phí vận hành rất cao

Kết hợp được hai yếu tố độ chọn lọc và độ nhạy, kỹ thuật GC-AFS đã và đang là một kỹ thuật thích hợp để phân tích methyl thủy ngân trong các mẫu môi trường[57, 84-96] Một số nghiên cứu thế giới đã cho thấy rằng kỹ thuật này có thể sánh ngang với kỹ thuật GC-ICP-

MS trong việc phân tích methyl thủy ngân Điều này đã được chứng minh thông qua việc phân tích các mẫu chuẩn quốc tế IAEA 142, và NIST 8044 Sự sai biệt giữa kết quả phân tích được trên hai phương pháp, so với nồng độ đã được chứng nhận nằm trong khoảng 2-5

% với mẫu IAEA 142 và 7 % với mẫu NIST 8044[97]

Theo như tìm hiểu, tại Việt Nam chưa có công bố nào về phân tích nguyên dạng Hg một cách đúng nghĩa (tách các hợp chất Hg bằng sắc ký) Các thiết bị làm cơ sở cho phân tích nguyên dạng Hg là máy sắc ký khí, máy ICP-MS đã có rất nhiều nhưng việc ghép nối GC-ICP-MS là không dễ dàng Mặc dù thiết bị này đã đuợc thương mại hóa (hãng Agilent) nhưng

có lẽ Việt nam chưa có nhu cầu phân tích nguyên dạng Hg hoặc/và chi phí cho phân tích nguyên dạng Hg bằng GC-ICPMS là rất cao nên chưa có nơi nào có khả năng thực hiện vấn

đế này

1.5 Ý tưởng khoa học, tính cấp thiết và tính mới

Việc phân tích hàm lượng methyl thủy ngân trong mẫu bùn đáy trong hệ thống kênh rạch

ở thành phố Hồ Chí Minh là hoàn toàn mới mẻ, có lẽ do vấn đề ô nhiễm các hợp chất thủy ngân hữu cơ chưa đuợc ý thức đầy đủ hoặc là chưa có phương tiện thiết bị, phương pháp và nhân lực phù hợp cho nghiên cứu này Lượng bùn đáy trong hệ thống kênh rạch thành phố

Hồ Chí Minh là rất lớn và do yêu cầu chỉnh trang đô thị, một lượng lớn bùn đáy này sẽ được nạo vét và di chuyển sang nơi khác Một đánh giá về thực trạng ô nhiễm các hợp chất methyl thủy ngân trong bùn đáy là điều cấp thiết

Xuất phát từ thực trạng trên, và là một trung tâm đào tạo về chuyên ngành hóa phân tích hàng đầu ở phía Nam, chúng tôi nhận thấy cần phải đi trước và đón đầu vấn đề này Trên cơ

sở các thiết bị cơ sở hiện có là máy sắc ký khí và đầu dò huỳnh quang nguyên tử chúng tôi

Vì vậy, nhằm tìm ra một phương pháp phân tích monomethyl thủy ngân hiệu quả: độ nhạy cao, chọn lọc, và giá thành thấp, đề tài này hướng tới việc chế tạo giao diện để ghép nối giữa hệ sắc ký khí và đầu dò huỳnh quang nguyên tử thủy ngân trong việc phân tích monomethyl thủy ngân trong trầm tích

1.6 Mục tiêu của đề tài

GC- Phân tích khoảng 50 mẫu bùn lấy ở các kênh rạch trong thành phố Hồ Chí Minh

1.6.2 Nội dung và phương pháp

 Nội dung 1: chế tạo và tối ưu hóa hệ thống

 Nghiên cứu chế tạo lò phân hủy nhiệt (một dạng giao diện để ghép nối giữa

hệ sắc ký khí và đầu huỳnh quang nguyên tử);

 Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến khả năng vận hành của thiết bị (nhiệt

độ lò phân hủy nhiệt, lưu lượng khí mang, lưu lượng khí bảo vệ, lưu lượng khí

“make-up”)

 Phương pháp

 Thiết kế giao diện trên cơ sở tham khảo các tài liệu và mô phỏng theo nguyên

lý vận hành của các loại lò nung Đây là phần khá mới mẻ và chưa có mô tả chi tiết hệ thống Vì vậy dự kiến hệ thống sẽ còn khá nhiều trục trặc Chúng tôi sẽ phải dùng biện pháp thử và sai trong thiết kế để hoàn thiện hệ thống cho đến khi hệ thống vận hành ổn định

 Phân tích và diễn giải số liệu thu được

 Độ ổn định ngắn hạn (độ lặp lại – repeatability) của hệ thống: dựa vào độ ổn định của thời gian lưu và tín hiệu phân tích khi vận hành liên tục trong ngày

 Độ ổn dài ngày (độ tái lập – reproducibility) của hệ thống khi vận hành nhiều ngày khác nhau

 Độ bền của hệ thống giao diện: điện trở, ống thạch anh, ống mao quản, sensor nhiệt độ

17

 Nội dung 2: Xây dựng phương pháp phân tích methyl thủy ngân trên mẫu bùn

 Nghiên cứu quy trình ethyl hóa: dùng các chất ethyl hóa như sodium tetraethylborate trong môi trường nước và magnesium ethyl chloride trong môi trường không có nước

 Nghiên cứu quy trình chiết tách trên mẫu chuẩn và trên mẫu bùn

 Phương pháp thêm chuẩn

 Phương pháp đánh giá hiệu suất thu hồi của quá trình ethyl hóa và quá trình chiết tách

 Phương pháp

 Tự điều chế và chuẩn hóa các chất chuẩn

 Kế thừa các phương pháp phân tích hiện có của quốc tế và tối ưu hóa cho phù hợp với tình hình Việt nam (hàm lượng methyl thủy ngân trong mẫu bùn rất thấp, nền mẫu phức tạp và đa dạng, khí hậu Việt Nam nóng ẩm ảnh hưởng đến hoạt tính của hóa chất, chi phí, khả năng tiếp cận hóa chất)

 Phân tích và diễn giải số liệu thu được

 Độ ổn định ngắn hạn (độ lặp lại – repeatability) của phương pháp trên mẫu chuẩn và trên mẫu thực khi thực hiện phân tích trong ngày

 Độ ổn dài ngày (độ tái lập – reproducibility) của phương pháp trên mẫu chuẩn

và trên mẫu thực khi thực hiện phân tích trong nhiều ngày khác nhau

 Độ đúng đánh giá trên phương pháp thêm chuẩn

 Độ chính xác đánh giá qua độ đúng, độ ổn định và hiệu suất thu hồi

 Nội dung 3: Phân tích thủy ngân tổng số và methyl thủy ngân trong mẫu bùn kênh rạch ở thành phố Hồ Chí Minh

 Lập kế hoạch lấy mẫu tại các vị trí đại diện trong hệ thống kênh rạch thành phố Hồ Chí Minh

 Thực hiện lấy mẫu: ít nhất 50 điểm khác nhau

 Xử lý mẫu cho phân tích Hg tổng số

 Xử lý mẫu cho phân tích methyl Hg

 Thực hiện phân tích Hg tổng số bằng phương pháp CV-Amalgam-AAS

 Thực hiện phân tích methyl Hg bằng phương pháp GC-AFS

 Phương pháp thêm chuẩn

 Phương pháp đánh giá hiệu suất thu hồi

 Phân tích tổng hàm lượng carbon hữu cơ trong mẫu

18

 Phương pháp:

 Lấy mẫu theo kiểu composite tức là thực hiện lấy nhiều mẫu con tại mỗi điểm lấy mẫu và trộn chung để có mẫu đại diện

 Xử lý mẫu ướt và có thực hiện phân tích độ ẩm để quy về trọng lượng khô

 Phân tích thủy ngân (tổng số và methyl Hg) ở nồng độ thấp nên vấn đề nhiễm bẩn là nghiêm trọng Thực hiện trong phòng sạch với hóa chất sạch là giải pháp mặc dù giải pháp này rất khó thực hiện triệt để

 Phân tích và diễn giải số liệu thu được

 So sánh tỷ lệ methyl Hg/Hg tổng số sẽ cho biết mức độ hình thành methyl Hg trong môi trường

 Tuơng quan giữa tỷ lệ methyl Hg/Hg tổng số cho phép đánh giá và dự đoán các quá trình chuyền hóa của các hợp chất Hg trong bùn ở các điều kiện khác nhau

 Đầu dò huỳnh quang nguyên tử (PSA 10.023 Merlin)

 Bộ điều nhiệt tự lắp ráp của các sinh viên đại học Umeå

 Phụ kiện chế tạo giao diện: dây điện trở Ni-Cr, ống thạch anh 15 cm x 2mm ID, ống sứ chịu nhiệt, ống thủy tinh chữ T, bông thủy tinh

 Máy quang phổ hấp thu ngọn lửa Perkin Elmer Model 603 với đèn cathod rỗng thủy ngân kèm theo bộ hóa hơi thủy ngân MHS-10 (Perkin Elmer) dùng cell đo là ống thạch anh chữ T dài 15cm, đường kính trong 6.5mm

 Bẫy vàng gồm: cuộn dây vàng đường kính 0.2 mm đặt trong ống thạch anh dài 12

cm, đường kính trong 3 cm Ống thạch anh được quấn quanh bằng một điện trở

 Máy biến thế 24 V dùng để gia nhiêt bẫy vàng

 Đồng hồ đo lưu lượng khí mang

 Băng keo chịu nhiệt

 Lò vi sóng Multiwave 3000 (Anton Paar)

 Bể đun cách thủy

 Máy vortex (IKA vortex Genius 3)

 Máy đo pH (Schott - Lab 850)

 Các dụng cụ thủy tinh: pipette, bình định mức, ống đong, becher, phễu lọc, ống nghiệm có nắp, pasteur pipet, beaker, vial 40 mL có nắp septum silicon/teflon, vial 2mL (cho GC)

 Syringe thủy tinh 5 μL, 10 μL và 100 μL (Hamilton); 1mL và 3mL

 Hệ thống đun mẫu Kjeldahl có kiểm soát nhiệt độ đến 400 oC

 Máy ly tâm + ống nhựa ly tâm 50 mL (Isolab)

 Bông thủy tinh

20

 Acid: H2SO4, HNO3, HCl, (Merck), HClO4 ,H3PO4,CH3COOH, (Trung Quốc)

 Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O, NaOH, Na2B4O7.10H2O, CH3COONa, (Xilong–Trung Quốc)

 KBr, KBrO3, K2Cr2O7 (Xilong–Trung Quốc)

 KCl, CuSO4.5H2O, KMnO4, K2S2O8, (NH3OH)2SO4 (Merck)

 NaBH4, C4H9MgCl 2M/THF, C2H5MgCl 2M/THF, NaDDTC (Sigma Aldrich)

 1,10–phenanthroline (Xilong–Trung Quốc)

 Dung môi: hexane, dichloromethane, tetrahydrofuran (Merck)

 Tất cả dụng cụ thủy tinh đều được rửa nhiều lần với nước, ngâm rửa trong BrCl ở

95oC trong 24 h sau đó tráng lại bằng nước cất hai lần, sấy khô và đậy nắp kín[98]

 Sau mỗi ngày sử dụng, các dụng cụ được ngâm với HNO3 10% qua đêm, sau đó được rửa sạch, sấy khô (dụng cụ thủy tinh) hoặc thổi khô (dụng cụ bằng nhựa và Teflon)

 Nắp của các dụng cụ làm việc đều phải được lót bằng một màng Teflon nhằm bảo

vệ và tránh thôi nhiễm ra các tạp chất ảnh hưởng đến quá trình phân tích

2.1.3.2 Hóa chất

Các chuẩn (có nồng độ chính xác) pha trong dung môi hữu cơ được đựng trong vial 40mL (màu nâu) có nắp septum silicon/Teflon Bảo quản trong tủ đông Để đảm bảo tránh dung môi hữu cơ bay hơi làm thay đổi nồng độ, nắp septum phải được đậy kín và tuyệt đối không được mở ra trong suốt quá trình sử dụng Kim sắc ký khí (đầu nhọn) được dùng để rút dung dịch Màng septum sau khi bị đâm kim phải được bịt kín bằng màng parafilm để hạn chế tối

đa bay hơi dung môi Các dung dịch chuẩn được theo dõi khối lượng hằng ngày để nhận biết

có hay không sự bay hơi dung môi

 Chuẩn MeHgCl/H 2 O 1075 ppm: cân 47.8 mg (± 0.1 mg) MeHgCl (rắn) vào vial

thủy tinh 40 mL có nắp đậy gắn septum silicone/Teflon rồi thêm nước cất đến 35.3587 g Bảo quản ở 4oC

 Chuẩn MeHgCl/CH2Cl2 1000 ppm: cân 43.0 mg (± 0.1 mg) MeHgCl vào vial thủy tinh dung tích 40 mL có nắp đậy gắn septum silicone/teflon Thêm 40 g CH2Cl2vào và đậy nắp chặt Dùng màng parafilm bọc kín nắp và septum để hạn chế tối đa dung môi bay hơi, giữ dung dịch trong tủ đông

21

 Chuẩn MeHgCl/THF 982 ppm: cân 37.6 mg (± 0.1 mg) MeHgCl (rắn) vào vial

thủy tinh 40 mL có nắp đậy gắn septum silicone/Teflon rồi thêm THF đến 30.5076g Bảo quản trong tủ đông

 Dung dịch NaBEt4 25% (m/v): hòa tan 5g NaBEt4 dạng rắn trong 20 mL tetrahydrofuran (THF), bảo quản trong tủ đông

 Dung dịch BuMgCl (EtMgCl) 0.5M: được pha loãng bằng THF từ dung dịch BuMgCl 2M /THF Bảo quản trong tủ đông Dung dịch này được pha để sử dụng trong ngày

 Dung dịch Natri diethyldithiocarbamate (DDTC) 0.25M: hòa tan 0.43 g DDTC trong 10 mL nước cất hai lần Dung dịch được bảo quản 4oC

Na- Dung dịch đệm acetate 2M: được pha từ muối sodium acetate và acid acetic, pH của các đệm được điều chỉnh bằng acid acetic 1% trên máy pH

 Dung dịch đệm borate 0.3M: được pha từ muối Na2B4O7.10H2O và chỉnh pH bằng dung dịch NaOH, H2SO4

 Dung dịch BrCl bão hòa: hòa tan 1.62 g KBr vào 40 mL HCl đậm đặc trong một erlen cổ nhám, khuấy đều dung dịch này bằng máy khuấy từ, thêm từ từ 2.28 g KBrO3, dung dịch chuyển sang màu vàng cam và có khói bay lên, đậy nắp erlen bằng nút nhám nhưng không siết chặt Khuấy đều trong vòng 1 giờ, trong toàn bộ quá trình điều chế BrCl các khí halogen bay ra rất nhiều nên phải thực hiện trong

tủ hút Sau khi thực hiện xong, siết chặt nắp erlen và bảo quản ở 4oC

 Dung dịch K2C2O4 1M: cân khoảng 46g K2C2O4.H2O hòa tan trong nước và pha loãng bằng nước cất đến 250 mL

 Dung dịch KCl 0.01M/HNO3 3M/CuSO4 0.1M: hòa tan 0.745g KCl, 25g CuSO4.5H2O hoàn toàn trong 400mL nước cất; pha loãng 200 mL HNO3 đậm đặc đến 400 mL bằng nước cất, để nguội Trộn chung 2 dung dịch trên với nhau và thêm nước cất thành 1L Bảo quản dung dịch này trong chai tối màu, ở nhiệt độ thường

 Dung dịch KBr 1.4M trong H2SO4 5%: hòa tan 180g KBr trong 500 mL nước cất, thêm 50mL H2SO4 đậm đặc và thêm nước cất thành 1L Bảo quản dung dịch này trong chai tối màu, ở nhiệt độ thường

 Dung dịch CuSO4 1M: hòa tan 125g CuSO4.5H2O vào nước, thêm nước cất đến

22

 Dung dịch SnCl2 10% w/v: cân 10g SnCl2.2H2O, thêm lần lượt 90 mL nước cất Gạn bỏ phần cặn lắng (SnO(OH)2), thêm 10 mL H2SO4 đậm đặc vào Sau đó sục khí Ar vào dung dịch SnCl2 vừa pha trong 30 phút để loại trừ thủy ngân nhiễm bẩn Dung dịch này cần trữ trong bình thủy tinh đậy kín, để trong ngăn mát của tủ lạnh,

để dùng dần

 Dung dịch K2Cr2O7 5% w/w: cân 5g K2Cr2O7 thêm nước cất đến 100g

 Dung dịch KMnO4 6% w/v: cân 30g KMnO4 vào becher 1 L Thêm 500 mL nước cất, đun nhẹ trên bếp và khuấy cho KMnO4 tan hết Chuyển dung dịch này vào bình có thể tích khoảng 1 L Thêm 4g MnO2 để hấp phụ vết Hg trong KMnO4, đậy chặt nắp rồi đưa lên máy lắc trong 30 phút Sau đó ly tâm dung dịch để loại bỏ MnO2 Dung dịch KMnO4 được trữ trong bình tối ở điều kiện nhiệt độ phòng

 Dung dịch K2S2O8 6% w/v: cân 6g K2S2O8 pha thành 100 mL với nước cất Dung dịch này chỉ sử dụng trong ngày

 Dung dịch (NH3OH)2SO4 12% w/v: cân 12g (NH3OH)2SO4 pha thành 100 mL với nước cất Dung dịch này chỉ sử dụng trong ngày

2.2 Lấy mẫu

Mẫu bùn được lấy theo TCVN 6663-13[99] 50 mẫu bùn lắng được lấy tại các vị trí khác

nhau trên hệ thống kênh rạch thuộc địa bàn thành phố Hồ Chí Minh (Hình 2.1): sông Vàm

Thuật, kênh Nhiêu Lộc-Thị Nghè, rạch Cầu Sơn - rạch Lăng, kênh Đôi- kênh Tẻ - rạch Bến Nghé, Cần Giờ và một số chi lưu nhỏ của các kênh rạch trên và sông Sài Gòn trên địa bàn thành phố Việc lấy mẫu hiện trường được thực hiện trong tháng 4/2014 Khoảng 1 kg bùn lắng bề mặt (0-10 cm) được lấy bằng hệ thống gàu ngoạm chuyên dụng Bùn được loại bỏ rác và các vật rắn thô và đựng trong chai thủy tinh Tại phòng thí nghiệm, mẫu bùn được qua rây 2mm, ly tâm tách bớt nước và được lưu trữ trong lọ thủy tinh ở -20 oC đến khi phân tích

2.3 Điều chế chuẩn alkyl thủy ngân

Do không thương mại hóa nên các chuẩn dialkyl thủy ngân (MeHgEt, Et2Hg, MeHgBu

và Bu2Hg dùng cho nghiên cứu này sẽ điều chế và chuẩn hóa trong phòng thí nghiệm Hai chất chuẩn MeHgEt và Et2Hg được điều chế bằng phản ứng ethyl hóa MeHgCl và Hg2+với tác chất NaBEt4 25% trong THF

Hai chất chuẩn MeHgBu và Bu2Hg được điều chế bằng phản ứng butyl hóa MeHgCl và Hg2+với tác chất Grignard trong THF

2.3.1 Điều chế các chất chuẩn MeHgEt, Et2 Hg

Cân một lượng các chất Hg2+ (0.42 g Hg2+ 1000 µg/mL) hoặc MeHgCl (0.35 g MeHg+

1000 µg/mL) vào ống nghiệm có nắp (thể tích 10 mL) Thêm tiếp 2 mL đệm acetate 2M, 2

mL hexane và sau đó thêm 100 µL NaBEt4 25% vào Đậy nắp chặt và vortex trong vòng 10 phút, sau đó cho vào tủ đông, giữ 30 phút Ly tâm rồi dùng pasteur pipet thủy tinh sạch chuyển pha hexane vào các vial 40 mL sạch–khô, đã biết trước khối lượng, có nắp đậy Lặp lại quy trình trên 3 lần, gộp các phần chiết hexane thu được va thêm hexane đến ~ 40 mL,

23

đậy nắp chặt và ghi nhận khối lượng sau cùng Việc lấy dung dịch cho vào trong các vial 40

mL phải thực hiện nhanh để hạn chế hexane và các hợp chất alkyl thủy ngân bay hơi

Hình 2.1 Bản đồ các vị trí lấy mẫu bùn lắng trên hệ thống kênh/rạch và sông tại Tp HCM

để phân hủy tác chất Grignard dư

Ly tâm trong khoảng 5 phút để tách pha hoàn toàn, chuyển pha hexane vào vial 40mL có nắp septum silicone/Teflon (đã biết trước khối lượng) Tiếp tục thêm hexane mới để chiết MeBuHg trong pha nước, thực hiện chiết ba lần, mỗi sử dụng 1 mL hexane Gộp các phần chiết và thêm hexane vào vial đến gần 40 mL, ghi nhận khối lượng lúc sau của vial

Phản ứng butyl hóa:

CH3HgCl + C4H9MgCl  CH3HgC4H9 + MgCl2

C4H9MgCl + H+  C4H10 + Mg2+ + Cl

- Khối lượng dd MeHgCl/THF (982 ppm) = 0.5046 g

 Khối lượng hexane = 18.9981 g

 Nồng độ chuẩn tính toán theo lý thuyết = 26 ppm (giả thuyết hiệu suất tạo dẫn xuất là 100%)

2.3.2.2 Chuẩn Bu 2 Hg/hexane

Dung dịch HgCl2 trong dung môi THF được chuẩn bị như sau: cân 0.0312 g HgCl2 (rắn) vào ống COD, thêm tiếp 8.9797 g THF vào đậy nắp lại, lắc nhẹ để HgCl2 tan hết (DD Hg-THF-1)

Cân 0.8973 g DD Hg-THF-1 vào một ống COD khác Cho tiếp khoảng 1mL hexane vào, đậy chặt nắp lại rồi ngâm vào nước đá trong 5-10 phút để đạt cân bằng nhiệt Thêm khoảng 0.2 mL BuMgCl 2 M vào ống COD, vừa thêm vừa lắc tránh phản ứng xảy ra cục bộ Đậy chặt nắp ống COD lại và giữ ở nhiệt độ khoảng 20oC trong 10 phút, thường xuyên lắc ống COD Sau đó tiến hành tương tự như tạo chuẩn MeBuHg/hexane Khối lượng hexane = 17.9317 g

Phản ứng butyl hóa

HgCl2 + 2C4H9MgCl  (C4H9)2Hg + 2MgCl2

C4H9MgCl + H+  C4H10 + Mg2+ + Cl

-Nồng độ chuẩn tính toán theo lý thuyết = 92.13 ppm

2.3.3 Xác định lại nồng độ và độ tinh khiết các dung dịch dialkyl thủy ngân vừa

điều chế

2.3.3.1 Xác định nồng độ chuẩn MeHgCl

Tiến hành xử lý mẫu để chuyển toàn bộ lượng MeHgCl trong mẫu về dạng thủy ngân

vô cơ Hg2+ Cân khoảng 0.5g chuẩn MeHgCl, xử lý bằng hỗn hợp các acid H2SO4, HNO3 và HClO4 Sau khi xử lý xong, các mẫu được định mức 50 mL bằng nước cất Đo lặp một mẫu

3 lần, đường chuẩn cho hệ MVU được dựng bằng chuẩn Hg2+ 1000 ppm (Merck)

25

Từ việc phân tích 4 mẫu riêng biệt, nồng độ của chuẩn MeHgCl được xác định là 1140 ±

27 ppm

2.3.3.2 Xác định độ tinh khiết của các chuẩn MeHgEt, Et2Hg, MeHgBu và Bu2Hg

Các chuẩn được tiêm vào hệ GC-AFS để xác định có hay không các peak tạp Do các tạp chất thường ở nồng độ khá thấp nên các chuẩn được tiêm vào GC ở nồng độ khá cao (~10 ppb) và đầu dò AFS đặt ở thang đo 1000 (thang nhạy nhất) Thí nghiệm này được thực hiện ngay sau khi hiệu chỉnh xong tính năng của hệ thống GC–AFS (phần hiệu chỉnh này sẽ được trình bày ở mục 2.6 của phần thực nghiệm) Các thông số vận hành của hệ thống như sau:

 60 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 120/ ú ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 200/ ú (2 ℎú ) đối với MeHgBu, Bu2Hg

Nhiệt độ lò nhiệt phân: 500 oC

2.3.3.3 Xác định nồng độ các dung dịch chuẩn MeHgEt, Et 2 Hg, MeHgBu và Bu 2 Hg

Tương tự như qui trình xác định lại nồng độ dung dịch chuẩn MeHgCl, các dung dịch chuẩn MeHgEt, Et2Hg, MeHgBu và Bu2Hg được phân hủy bằng một hỗn hợp acid trước khi định lượng bằng phương pháp phổ hấp thu nguyên tử hóa hơi lạnh tuần hoàn hoặc hóa hơi lạnh tạo hỗn hống

Cho 1 mL (qua cân) mẫu chuẩn vừa điều chế vào ống COD, thêm 3 mL HNO3 và 1 mL HCl, vortex trong khoảng 30 phút Toàn bộ dialkyl thủy ngân (MeHgEt, Et2Hg, MeBuHg và

Bu2Hg) bị oxy hóa thành Hg2+ tan vào pha nước Ly tâm để tách pha, chuyển pha nước vào bình định mức Rửa pha hexane 3 lần, mỗi lần với 2 mL nước để chiết hoàn toàn Hg2+ Gộp các phần chiết (pha nước) vào bình định mức 50 mL, thêm nước cất đến vạch Tiến hành đo

Hg2+ bằng hệ CV-AAS hoặc CV-Amalgam-AAS

Mỗi chuẩn tiến hành đo 6 mẫu, mỗi mẫu đo lặp 3 lần

Việc sử dụng nước cường thủy sinh ra nhiều khí độc Cl2, NOCl nên quá trình thí nghiệm phải tiến hành trong tủ hút

26

2.4 Chế tạo giao diện ghép nối GC–AFS

Đầu dò AFS chỉ cho tín hiệu với hơi Hg kim loại, vì vậy các hợp chất sau khi qua GC phải được phân hủy để chuyển về Hg kim loại trước khi đến đầu dò AFS Do vậy, cần phải thiết

kế một giao diện ghép nối GC với AFS thỏa mãn được các yêu cầu sau:

 Đưa mẫu một cách nhanh chóng từ sắc ký khí đến đầu dò AFS

 Có thể vận hành ở nhiệt độ cao và ổn định để nhiệt phân các hợp chất thủy ngân hữu cơ

 Giao diện phải không làm ảnh hưởng đến thể tích chết của hệ thống

Với các yêu cầu như trên, giao diện được thiết kế như sau (Hình 2.2):

 Dùng một miếng gốm chịu nhiệt hình hộp chữ nhật, kích thước là 15x4x2 cm (loại được sử dụng trong lò nung), trên đó có hai lỗ rỗng đường kính 0.6 cm chạy dọc theo chiều dài của miếng gốm

 Một trong hai lỗ trên được dùng để đặt cảm biến nhiệt vào, lỗ còn lại được cưa một rãnh nhỏ vào sâu khoảng 3 cm Rãnh này ngăn không cho dây điện trở tiếp xúc trực tiếp với cạnh bên của máy sắc ký khí Sau khi cưa rãnh này xong, một đoạn dây điện trở với chiều dài 15 cm được đưa vào trong lỗ Điện trở được dùng trong thiết bị là loại rất bền, điện trở khoảng 40 Ω/m chuyên dùng cho lò nung, được đặt cho riêng phù hợp với kích cỡ của lò nhiệt phân này Điện trở đã hoạt động liên tục

6 tháng vẫn ổn định

 Sau khi luồn xong điện trở ta đưa vào trong lòng điện trở một ống thạch anh dài 15

cm, đường kính là ngoài 0.5 cm đường kính trong 0.25 cm, ống này có tác dụng như một giá đỡ cách ly ống mao quản dẫn sản phẩm chạy qua GC và điện trở có nhiệt độ rất cao Đây sẽ là bộ phận giữ vai trò nhiệt phân hoàn toàn các hợp chất của thủy ngân, do lò sẽ hoạt động liên tục ở nhiệt độ cao nên cần phải có một vật liệu dẫn nhiệt tốt, chịu nhiệt cao và không được dẫn điện, vì vậy ống thạch anh là vật liệu thỏa mãn được tất cả các tính chất trên

 Ống dùng để nhiệt phân mẫu là một đoạn cột GC, đường kính 0.53 mm dài 45 cm Ống này được luồn qua ống thạch anh trong lò nhiệt phân, một đầu của ống này được nối với cột tách trong buồng cột GC, đầu kia đâm xuyên qua một septum Septum này được gắn với một ống thủy tinh chữ T, chính tại ống chữ T này khí

“make up” sẽ được đưa vào Ống mao quản sau đó được đẩy sâu vào trong đường

“INPUT” của đầu dò Nhờ có septum mà dòng khí “make up” chỉ đi một chiều là

đi thẳng vào trong đầu dò mà không bị đẩy ngược lại về phía giao diện

 Toàn bộ hệ thống điện trở được cấp một nguồn điện 24 V, điện thế này đảm bảo sau thời gian khoảng 30 phút là hệ thống đạt đến nhiệt độ 550 oC

Trước khi sử dụng, mao quản dùng để làm lò nhiệt phân sẽ được cung cấp không khí khô

và gia nhiệt lên 750 oC trong vòng 30 phút để đốt cháy hoàn toàn pha tĩnh trong mao quản

để tránh hiện tượng lưu giữ hay cản trở quá trình di chuyển của chất phân tích đi vào đầu dò

27

cũng như tránh các thành phần hữu cơ (từ pha tĩnh) phân hủy chậm và lôi cuốn vào detector gây nhiễu loạn quá trình huỳnh quang trong detector khi phân tích mẫu thực tế

Hình 2.2 Sơ đồ thực tế của giao diện

Sau khi đã chế tạo xong giao diện, toàn bộ hệ thống phân tích có thể được biếu diễn bằng sơ

đồ ở HError! Reference source not found.2.3, các thông số cần khảo sát trước khi đi vào

phân tích gồm các yếu tố liên quan đến đầu dò, lò nguyên tử hóa, sắc ký khí Quá trình tối

ưu sẽ được trình bày ở các khảo sát trong mục 2.5

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống GC–AFS

2.5 Tối ưu hóa hệ thống GC-AFS cho phân tích nguyên dạng MeHg

2.5.1 Hiệu chỉnh tính năng hệ thống sắc ký khí

2.5.1.1 Lựa chọn chế độ tiêm mẫu

Trong các chế độ tiêm mẫu hiện tại có thể áp dụng, phương thức tiêm đầu cột (on column) dựa trên các yêu cầu sau:

28

 Chọn cột megabore có dung lượng lớn

 Chọn liner tiêm trực tiếp vào đầu cột

 Các hợp chất cơ kim trình bày trong các công bố Do vậy hệ thống buồng tiêm của hệ thống sắc ký khí được hiệu chỉnh để phù hợp với cách tiêm này

2.5.1.2 Hiệu chỉnh hệ thống dẫn khí

Hệ thống GC Agilent 5890 của phòng thí nghiệm đã cũ, các đường dây dẫn khí; đồng hồ lưu lượng cũng như cảm biến đo vận tốc thẳng đều bị hư hỏng không sử dụng được nên cần phải thiết kế lại Để phù hợp với mục đích tiêm on-column như đã được đề cập ở mục 2.5.1.1, đường khí purge septum cũng như đường ra của van chia dòng đều được khóa lại; ngoài ra cần phải lắp thêm một đồng hồ đo áp để có thể quan sát được áp suất của đầu cột

Sau khi đã được thiết kế lại, hệ thống dẫn khí có cấu tạo như sơ đồ Hình 2.4

Hình 2.4 Hệ thống dẫn khí cho chế độ tiêm on-column

2.5.1.3 Chế tạo liner on-column

Máy GC Agilent 5890 nguyên thủy được thiết kế cho các chế độ tiêm chia dòng hoặc/và không chia dòng mà không có chế độ on-column Bên cạnh đó, liner on-column cho hệ GC Agilent 5890 không phổ biến và nếu cần dùng thì phải đặt hàng với giá khá đắt tiền Do đó, việc thiết kế liner phục vụ cho mục đích tiêm on-column là cần thiết

Phòng thí nghiệm hiện có sẵn liner on-column dành cho các hệ thống GC của Varian nhưng kích cỡ không phù hợp với buồng tiêm của máy GC Agilent 5890 đang dùng Quá trình gia công chế tạo liner on-column phù hợp cho máy GC Agilent 5890 bao gồm các bước

như sau (Hình 2.5): (i) cắt một phần liner của Agilent và một phần liner của Varian; (ii) hàn

hai phần lại với nhau Như vậy, liner được chế tạo có một phần liner của hãng Agilent nên vừa khít với buồng tiêm của máy GC Agilent, một phần liner của hãng Varian có thể hoạt động theo kiểu tiêm on-column

Liner on-column tự chế tạo này vẫn hoạt động tốt trên máy GC Agilent 5890 và không thấy phát sinh trục trặc cho đến nay sau vài ngàn lần tiêm mẫu

 Hiệu chỉnh lưu lượng kế khí “bổ trợ” và khí bảo vệ:

Thổi khí Ar đi qua lưu lượng kế “bổ trợ”, đầu ra của nó được dẫn vào lưu lượng kế bóng

xà phòng, ghi nhận thời gian bóng khí đi từ vạch 0 (0 mL) đến 20 (20 mL) tương ứng với 20

cm3 Mỗi vạch của lưu lượng kế khảo sát lặp lại 5 lần Công thức tính toán lưu lượng khí như sau:

 Hiệu chỉnh lưu lượng kế khí “bảo vệ”:

Thí nghiệm được thực hiện tương tự như với khí “bổ trợ”

2.5.3 Tối ưu các thông số đầu dò

Mục đích việc tối ưu để đạt diện tích của peak phân tích là lớn nhất và bề rộng đáy phải hẹp điều này giúp tăng được độ nhạy hệ thống và độ phân giải trên sắc ký đồ

30

Trong quá trình nghiên cứu, khí Ar được sử dụng làm khí mang cũng như các khí cấp vào đầu dò Vì Ar là khí đơn nguyên tử nên không gây hiện tượng dập quang làm giảm tín hiệu huỳnh quang như các loại khí đa nguyên tử khác Các khí “bổ trợ” và “bảo vệ” được cấp vào và được đo lưu lượng thông qua hai lưu lượng kế khác nhau

Để tối ưu các thông số vận hành đầu dò, benzene có thể được sử dụng thay cho các hợp chất thủy ngân vì benzene cũng cho tín hiệu trên đầu dò huỳnh quang Không chỉ vậy, benzene lại có nhiệt độ sôi tương đối thấp (80oC) nên chỉ cần giữ nhiệt độ của hệ thống đủ cao (nhiệt độ injector, nhiệt độ lò nhiệt phân, nhiệt độ lò nhiệt phân được giữ ở 120oC) sao cho benzene không lưu trên cột thì sau khi tiêm vài phút là có thể quan sát peak benzene tại đầu dò, điều này giúp thời gian thí nghiệm tối ưu hóa nhanh chóng Việc sử dụng hơi thủy ngân thay cho benzene cho khảo sát này dĩ nhiên là tốt nhất tuy vậy việc tạo hơi Hg với nồng

độ đủ thấp cho khảo sát này là không dễ dàng và khó kiểm soát Hơi Hg bão hòa ở nhiệt độ phòng có nồng độ quá cao (19.85 ng/mL tại 25oC) cho đầu dò AFS nên nếu miễn cưỡng dùng để khảo sát thì có nguy cơ làm bẩn giao diện và đầu dò cũng như rất khó thao tác tiêm lặp, nhất là khi mẫu ở dạng khí

2.5.3.1 Tối ưu khí “bổ trợ”

Nhiệm vụ của khí “bổ trợ” trong toàn bộ hệ thống là cung cấp một dòng khí bổ trợ để đưa toàn bộ hơi Hgo - sản phẩm của quá trình phân hủy các hợp chất thủy ngân đã được ethyl hóa - đến đầu dò một cách hiệu quả sao cho đảm bảo khả năng phân tách các dạng hợp chất chất thủy ngân của hệ thống sắc ký khí và độ nhạy của đầu dò

Trong toàn bộ quá trình, các thông số vận hành của hệ thống được giữ như sau:

31

2.5.3.2 Tối ưu khí “bảo vệ”

Khí bảo vệ trong cell đo của đầu dò có nhiệm vụ bao bọc toàn bộ hơi Hgo, không để chất phân tích khuếch tán trong cell đo Khí bảo vệ như một “bức tường khí” cô lập, tập trung hơi

Hgo trong cell đo Do đó, lưu lượng khí bảo vệ ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhạy của đầu dò Khảo sát này giúp chọn lựa lưu lượng khí bảo vệ sao cho độ nhạy của đầu dò là cao nhất mà vẫn đảm bảo độ ổn định của phép đo

Điều kiện vận hành tương tự như thí nghiệm khảo sát khí “bổ trợ”, nhưng lưu lượng khí bảo vệ được thay đổi từ 180÷480 mL/phút và lưu lượng khí “bổ trợ” được giữ tại 120 mL/phút Quá trình khảo sát được thực hiện tương tự như thí nghiệm khảo sát với khí “bổ trợ”

2.5.3.3 Tối ưu nhiệt độ lò nhiệt phân

Trong hệ thống GC-AFS, lò nhiệt phân được xem như một giao diện để ghép nối giữa hệ thống sắc ký khí và đầu dò huỳnh quang nguyên tử Nhiệm vụ của lò nhiệt phân không chỉ đơn thuần là vận chuyển chất phân tích mà còn phân hủy các hợp chất của thủy ngân được phân tách từ hệ thống sắc ký khí thành hơi Hgo tự do phù hợp với đầu dò Thí nghiệm này nhằm tìm

ra một vùng nhiệt độ tối ưu để phân hủy hiệu quả các hợp chất MeHgEt và Et2Hg đảm bảo độ nhạy cao nhất và độ phân giải phù hợp cho hệ thống GC-AFS Tiêm 5 µL hỗn hợp EtMeHg và

Et2Hg có nồng độ lần lượt là 1.15 pg Hg/µL và 1.09 pg Hg/µL vào hệ GC-AFS Nhiệt độ của

lò nhiệt phân được thay đổi trong khoảng 200÷700oC

Nhiệt độ lò nhiệt phân: 200÷700 oC

2.5.4 Tối ưu thiết bị GC

2.5.4.1 Lưu lượng khí mang

Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc khí mang lên tín hiệu của MeHgEt và Et2Hg bằng cách tiêm chuẩn hỗn hợp có nồng độ tương ứng là MeHgEt: 1.92pg (Hg)/µL; Et2Hg: 1.07 pg (Hg)/µL vào hệ GC-AFS Lần lượt khảo sát các vận tốc khí mang khác nhau từ 18 ÷ 290 mL/phút), tại mỗi vận tốc khí tiêm lặp mẫu ít nhất 3 lần