Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam có nền nông nghiệp quan trọng trong kinh tế quốc dân, với lương thực và thực phẩm đóng vai trò thiết yếu Rau, đặc biệt là rau muống và rau cải, là nguồn thực phẩm cần thiết cung cấp vitamin và muối khoáng cho cơ thể, không chỉ có giá trị dinh dưỡng và kinh tế mà còn gắn liền với đời sống hàng ngày của người dân.
Phân tích hàm lượng kim loại nặng trong rau là biện pháp quan trọng để kiểm soát chất lượng rau xanh Sắt trong rau không chỉ là chất xúc tác cho sự hình thành diệp lục mà còn đóng vai trò là chất mang oxy.
Sắt đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành các hệ thống men hô hấp và đảm bảo sức khỏe con người Thiếu sắt sẽ khiến lá cây chuyển sang vàng hoặc trắng ở phần thịt lá, trong khi gân lá vẫn giữ màu xanh Tuy nhiên, nồng độ sắt cao có thể gây ngộ độc nghiêm trọng, thậm chí dẫn đến tử vong.
Việc xác định hàm lượng sắt trong rau là rất cần thiết, đặc biệt là trong các loài rau muống và rau cải Chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu với đề tài: “Phân tích đánh giá tổng hàm lượng sắt trong một số loài rau muống và rau cải tại thành phố Đà Nẵng” bằng phương pháp trắc quang phân tử UV-VIS, nhằm cung cấp thông tin hữu ích về hàm lượng sắt trong các loại rau này.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Kết quả nghiên cứu đề tài đã đóng góp vào việc phát triển phương pháp xác định hàm lượng sắt trong rau thông qua kỹ thuật trắc quang phân tử UV-VIS.
Thông qua đó đánh giá hàm lượng sắt trong các loài rau muống và rau cải trên địa bàn thành phố Đà Nẵng
TỔNG QUAN
Giới thiệu chung về rau muống
1.1.1 Đặc điểm và thành phần
Rau muống (Ipomoea aquatica) là một loài thực vật nhiệt đới bán thủy sinh thuộc họ Bìm bìm, thường được gọi là bìm bìm nước Loài rau này phát triển trong các ao hồ và ruộng nước, nơi có đất ẩm Thân rau muống rỗng, dày và có nhiều đốt, với bề mặt ngoài nhẵn Lá rau có màu xanh lục và hình đầu mũi tên, trong khi hoa của nó có màu trắng hoặc hồng tím với ống hoa màu tím nhạt, tạo hình phễu Quả của rau muống hình cầu và hạt có lông, màu hung.
Hình 1.1 Một số hình ảnh về rau muống 1.1.2 Công dụng của rau muống
Rau muống không chỉ giúp thải trừ cholesterol máu và hỗ trợ kiểm soát huyết áp, mà còn là lựa chọn lý tưởng cho những người có cơ thể gầy khô Là loại rau phổ biến trong mùa hè, rau muống không chỉ ngon miệng và giải nhiệt, mà còn có tác dụng giải độc, nhuận tràng và điều trị các vấn đề như rôm sảy, mụn nhọt.
Rau muống là nguồn thực phẩm giàu protein, cung cấp lượng protein cao gấp 4 lần so với cà chua Ngoài ra, rau muống cũng chứa hàm lượng canxi cao gấp 12 lần cà chua và rất giàu caroten Nước rau muống còn có chứa nhiều xenlulo, mang lại lợi ích cho sức khỏe.
Rau muống chứa 11 chất dinh dưỡng đặc biệt hiệu quả trong việc giải độc cơ thể, tăng cường tiêu hóa và ngăn ngừa sự phát triển của tế bào ung thư Việc thường xuyên ăn rau muống không chỉ giúp nâng cao sức đề kháng với các bệnh về đường ruột mà còn cải thiện thể chất và hỗ trợ điều trị các bệnh viêm da, mang lại làn da tươi tắn.
Rau muống giúp vết thương mau lành nhờ vào khả năng kích thích sinh máu và tế bào mới, do chứa nhiều sắt và khoáng chất Phụ nữ nuôi con nhỏ có thể sử dụng rau muống luộc, nghiền lấy nước cho trẻ uống để bổ sung khoáng chất cần thiết Đối với người mới ốm dậy, việc thêm rau muống vào thực đơn sẽ giúp phục hồi sức khỏe nhanh chóng.
1.1.3 Giới thiệu chung về rau cải [16, 18, 19]
1.1.3.1 Đặc điểm và thành phần
Họ Cải (Danh pháp khoa học: Brassicaceae), còn gọi là họ Thập tự
Họ thực vật Cruciferae, hay còn gọi là họ cải, bao gồm nhiều loại cây trồng có tên chứa chữ "cải" Các loại cây tiêu biểu trong họ này như cải bắp, cải bông xanh, súp lơ, cải Brussels, cải xoăn, cải làn, cải củ Thụy Điển, cải xoăn nước mặn, cải củ, cải thìa và su hào, hầu hết đều thuộc loài Brassica oleracea.
Rau cải là loại cây thảo sống từ 2 đến 3 tháng, có chiều cao từ 25-70cm, với rễ không phình thành củ Lá rau cải to, màu xanh nhạt, có gân giữa trắng và phiến lá hình bầu dục, nhẵn, nguyên hoặc có răng không rõ, mọc men theo cuống Hoa của cây có màu vàng tươi, nở thành chùm ở ngọn Quả cải dài từ 4-11cm và có mỏ.
Hình 1.2 Một số hình ảnh về rau cải 1.1.3.2 Công dụng của rau cải
Nghiên cứu cho thấy rằng việc tiêu thụ nhiều rau họ cải như cải bắp, bông cải xanh và cải brussels có thể giúp ngăn ngừa sự phát triển của bệnh ung thư phổi.
Rau cải xoong giàu sắt và i-ốt, hỗ trợ cơ thể trong việc phòng ngừa bệnh còi xương, béo phì, các vấn đề về da và xơ cứng động mạch ở người cao tuổi.
Rau cải trắng có chứa nhiều chất bổ và vitamin đặc biệt là vitamin C có tác dụng chống oxy hóa mạnh
Cải thìa là loại rau giàu vitamin A, B và đặc biệt là vitamin C, với hàm lượng vitamin C phong phú nhất trong các loại rau Ngay cả sau khi phơi khô, cải thìa vẫn giữ được lượng vitamin C cao Thực phẩm này không chỉ có lợi cho sức khỏe mà còn giúp thanh nhiệt, lợi tiểu và ngăn ngừa các bệnh ngoài da.
Cải thảo là loại rau giàu vitamin A, B, C, E, có vị ngọt và tính mát, giúp hạ khí, làm mềm cổ họng, giảm ho và bổ ích cho dạ dày Ngoài ra, cải thảo còn có tác dụng chữa trị một số bệnh như sốt rét, viêm bàng quang và viêm đường tiết niệu.
Cải xanh là nguồn dinh dưỡng phong phú, chứa nhiều diệp hoàng tố và vitamin K, cùng với các vitamin A, B, C, D, caroten, anbumin và axit nicotic Những thành phần này giúp giải cảm, thông đàm và tăng cường sức khỏe.
Vài nét về kim loại Sắt
1.2.1 Vị trí, cấu tạo và trạng thái tự nhiên của sắt
Sắt, với ký hiệu hóa học Fe và số hiệu nguyên tử 26, là một nguyên tố thuộc phân nhóm VIIIB và nằm ở chu kỳ 4 trong bảng tuần hoàn Mendeleev.
Sắt đứng thứ tư về hàm lượng trong vỏ trái đất và chiếm 1,5% về khối lượng của vỏ trái đất
Trong tự nhiên, sắt có bốn đồng vị bền: 54Fe (5,8%), 56Fe (91,8%), 57Fe (2,15%) và 58Fe (0,25%) Các khoáng vật quan trọng chứa sắt bao gồm manhetit (Fe3O4) với 72,41% sắt, hematit (Fe2O3) với 60% sắt, pirit (FeS2) với 46,67% sắt và xiđerit.
Sắt là kim loại màu trắng xám, nổi bật với tính chất dễ rèn và dễ gia công Nó tồn tại dưới bốn dạng thù hình (α, β, γ, δ), mỗi dạng bền ở các khoảng nhiệt độ nhất định.
Sắt là một kim loại có tính chất từ tính, có khả năng bị nam châm hút và trở thành nam châm khi có dòng điện tác động Ngoài ra, sắt còn là thành phần chính trong nhiều hợp kim quan trọng.
14 cacbon, tùy lượng cacbon có trong sắt mà người ta chia ra thành: Sắt mềm (< 0,2%C), thép (0,2 - 1,7%C) và gang ( 1,7 - 5%C)
Sắt là kim loại có hoạt tính hóa học trung bình, không phản ứng với các phi kim như oxy, lưu huỳnh, clo và brom trong điều kiện khô ráo nhờ lớp oxit bảo vệ Khi được đun nóng, sắt sẽ phản ứng với hầu hết các phi kim Sắt tinh khiết có độ bền cao trong không khí và nước, trong khi sắt chứa tạp chất dễ bị ăn mòn do ẩm, khí cacbonic và oxy, dẫn đến hiện tượng gỉ sắt.
Lớp gỉ sắt xốp và giòn không bảo vệ sắt khỏi oxy hóa Sắt tạo thành hai dãy hợp chất Fe 2+ và Fe 3+ Muối Fe 2+ hình thành khi hòa tan sắt trong dung dịch axit loãng, ngoại trừ axit nitric; muối này dễ tan trong nước với axit mạnh như clorua, sunfat, nhưng khó tan với axit yếu như sunfua, cacbonic Muối FeSO4 là chất tinh thể màu trắng, dễ hút ẩm và tan trong nước, khi kết tinh ở nhiệt độ thường tạo ra tinh thể FeSO4.7H2O Khi đun nóng, tinh thể này mất nước và trở thành muối khan FeSO4 Muối Mohr, (NH4)2Fe(SO4)2.6H2O, có màu lục, dễ kết tinh, không hút ẩm và bền với oxy không khí, thường được sử dụng để pha dung dịch chuẩn Fe 2+ trong hóa học phân tích.
Fe(OH)3 có tính bền vững trong không khí, không tan trong nước và dung dịch NH3 Tuy nhiên, khi gặp axit, Fe(OH)3 sẽ tan dễ dàng và tạo thành muối Fe 3+, phần lớn các muối này dễ tan trong nước và bị thủy phân mạnh, dẫn đến dung dịch có màu vàng nâu Chỉ trong môi trường axit mạnh (pH < 1), quá trình thủy phân mới bị hạn chế Ngoài ra, các muối Fe 3+ cũng dễ dàng bị khử thành muối Fe 2+ bằng nhiều chất khử khác nhau như N2H4 và HI.
1.2.4.1 Trong đời sống sản xuất[20]
Sắt là kim loại phổ biến nhất, chiếm khoảng 95% tổng khối lượng kim loại sản xuất toàn cầu Với giá thành thấp và các đặc tính vượt trội như chịu lực, độ dẻo và độ cứng, sắt trở thành vật liệu không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong sản xuất ô tô, tàu thủy lớn và các công trình xây dựng Thép, hợp kim nổi tiếng nhất của sắt, cùng với các dạng tồn tại khác như gang thô, gang đúc, thép carbon và sắt non, góp phần làm phong phú thêm ứng dụng của sắt trong đời sống.
1.2.4.2 Vai trò của sắt đối với cây trồng[21]
Sắt là nguyên tố vi lượng thiết yếu cho việc tổng hợp và duy trì diệp lục, cũng như cho quá trình vận chuyển điện tích trong quang hợp Vai trò quan trọng nhất của sắt là kích hoạt các enzym trong quang hợp và hô hấp, mặc dù nó không có mặt trong thành phần diệp lục Tuy nhiên, sắt ảnh hưởng quyết định đến sự tổng hợp diệp lục trong cây, với hàm lượng sắt trong lá cây liên quan chặt chẽ đến hàm lượng diệp lục Sắt cũng giúp hấp thu năng lượng mặt trời, làm cho lá cây có màu sẫm hơn và tăng cường độ dày của lá.
1.2.4.3 Vai trò của sắt đối với cơ thể con người[12]
Sắt là khoáng chất thiết yếu cho cơ thể, đóng vai trò quan trọng trong việc tổng hợp hemoglobin, giúp hồng cầu vận chuyển oxy tới các mô Ngoài ra, sắt còn có mặt trong myoglobin, giúp dự trữ oxy cho cơ vân và kết hợp với các dưỡng chất khác để giải phóng năng lượng cho hoạt động co cơ.
Sắt là một thành phần quan trọng trong cấu trúc của nhiều protein và enzym, đóng vai trò thiết yếu trong việc giải phóng năng lượng từ quá trình oxi hóa các chất dinh dưỡng và ATP.
Các nhà khoa học đã xác định hai loại sắt mà cơ thể có thể hấp thu: sắt heme và sắt non-heme Sắt heme, có trong thịt đỏ, thịt gà và cá, dễ hấp thu với giá trị sinh học cao từ 15-20% Ngược lại, sắt non-heme có mặt trong bánh mì, ngũ cốc và rau quả, nhưng có giá trị sinh học thấp hơn, chỉ từ 2-15%.
Khi trong đất có quá nhiều hay thiếu sắt đều gây ảnh hưởng đến việc hấp thu sắt của thực vật Cụ thể:
Thiếu hụt sắt thường xảy ra trên đất có đá vôi, dẫn đến hiện tượng lá cây có màu xanh nhạt (bạc lá) với sự phân biệt rõ giữa gân lá xanh và khoảng giữa màu vàng Biểu hiện thiếu sắt xuất hiện đầu tiên ở các lá non gần đỉnh sinh trưởng, và khi thiếu nặng, toàn bộ cây có thể chuyển sang màu vàng hoặc trắng lợt, trong khi gân lá vẫn xanh Nguyên nhân thiếu sắt có thể do sự mất cân bằng với các kim loại khác như molipden, đồng và mangan, cũng như do thừa lân trong đất, pH cao kết hợp với thừa canxi, đất lạnh, hàm lượng cacbonat cao, di truyền của cây và hàm lượng chất hữu cơ trong đất thấp.
Thừa sắt trong đất có thể gây ngộ độc sắt, biểu hiện rõ rệt ở những lá bên dưới với các điểm nâu nhỏ xuất hiện từ đầu lá và lan dần xuống Những điểm này thường liên kết lại ở gân giữa, trong khi màu xanh của lá vẫn không thay đổi Trong trường hợp nghiêm trọng, lá có thể chuyển sang màu nâu tím Bên cạnh đó, lượng sắt dư thừa cũng làm giảm độ xốp của đất, ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng hấp thụ dinh dưỡng của cây trồng.
Sắt là khoáng chất thiết yếu cho sức khỏe con người, nhưng việc hấp thu quá nhiều sắt có thể dẫn đến ngộ độc Khi có quá nhiều sắt (Fe II) trong cơ thể, chúng phản ứng với các peroxit và tạo ra các gốc tự do Ở mức độ bình thường, cơ thể có cơ chế chống oxi hóa để kiểm soát quá trình này, nhưng khi sắt dư thừa, các gốc tự do không thể kiểm soát sẽ gia tăng, gây hại cho sức khỏe.
Các phương pháp vô cơ hóa mẫu
1.3.1 Phương pháp vô cơ hóa mẫu khô (vô cơ hóa khô)
Nguyên tắc phân tích mẫu bao gồm việc nung mẫu trong chén nung đến khi đạt được tro trắng, sau đó hòa tan tro trắng trong axit, kiềm hoặc muối phù hợp để chuyển chất phân tích thành dạng dung dịch Cuối cùng, chất phân tích sẽ được xác định theo phương pháp phân tích đã chọn.
Trong quá trình nung, có thể sử dụng chất phụ gia để tăng cường hiệu quả, giúp bảo vệ và thúc đẩy quá trình nung diễn ra nhanh chóng và tốt hơn.
Phương pháp này thao tác đơn giản, không phải dùng nhiều axit đặc nhưng dễ mất một số chất dễ bay hơi
1.3.2 Phương pháp vô cơ hóa mẫu ướt (vô cơ hóa ướt)
Sử dụng axit đặc có tính oxi hóa mạnh như HCl, HNO3, H2SO4 hoặc hỗn hợp các axit này (HNO3 + HClO4, HNO3 + HClO4 + H2SO4, ) để phân hủy các chất hữu cơ trong mẫu Ngoài ra, có thể áp dụng hỗn hợp axit oxi hóa mạnh với axit không có tính oxi hóa như HNO3 + HCl, HF + HClO4 để thực hiện quá trình phân hủy trong bình kendan.
Quá trình chuyển đổi kim loại từ dạng hữu cơ sang dạng ion trong dung dịch muối vô cơ có thể diễn ra trong hệ thống kín với áp suất cao hoặc trong hệ thống mở với áp suất thường Để thực hiện phân hủy, cần sử dụng lượng axit gấp 10 – 15 lần so với mẫu, và thời gian thực hiện khoảng 10 – 12 giờ Sau khi hoàn tất, cần phải loại bỏ hoàn toàn axit dư.
Mỗi loại hỗn hợp axit chỉ phù hợp với một số mẫu nhất định, do đó cần tiến hành khảo sát để xác định điều kiện tối ưu nhằm đạt được hiệu suất cao và phù hợp với phương pháp phân tích đã chọn.
Phương pháp này hạn chế không làm mất chất phân tích nhưng tốn nhiều axit đặc, thời gian phá mẫu rất dài và phải đuổi axit dư lâu
1.3.3 Phương pháp vô cơ hóa mẫu khô – ướt kết hợp
Nguyên tắc phân hủy mẫu trong chén hoặc cốc nung bắt đầu bằng việc xử lý ướt với một lượng nhỏ dung môi hoặc hỗn hợp dung môi, nhằm phá vỡ cấu trúc ban đầu của hợp chất mẫu Quá trình này giúp giữ lại một số nguyên tố có thể bay hơi khi nung Sau đó, mẫu được nung ở nhiệt độ thích hợp cho đến khi đạt được tro trắng.
Phương pháp vô cơ hóa mẫu khô – ướt kết hợp mang lại nhiều lợi ích so với phương pháp vô cơ hóa khô và ướt Nó giúp hạn chế mất mát chất phân tích do nhiệt độ cao, đảm bảo quá trình tro hóa triệt để và tạo ra dung dịch mẫu trong suốt sau khi hòa tan Phương pháp này tiết kiệm dung môi, đặc biệt là axit tinh khiết, chỉ cần 1/4 đến 1/3 lượng so với xử lý ướt, đồng thời thời gian xử lý nhanh chóng và hiệu quả hơn Hơn nữa, không cần phải đuổi axit dư lâu, giảm thiểu nguy cơ nhiễm bẩn từ môi trường Phương pháp này cũng phù hợp cho nhiều loại mẫu khác nhau để xác định kim loại và anion, mà không yêu cầu trang bị phức tạp như hệ lò vi sóng đắt tiền.
Phương pháp vô cơ hóa mẫu khô – ướt kết hợp đã tối ưu hóa ưu điểm và khắc phục nhược điểm của cả hai phương pháp vô cơ hóa mẫu khô và mẫu ướt Do đó, chúng tôi đã áp dụng phương pháp này để tiến hành vô cơ hóa mẫu.
Các phương pháp xác định vi lượng sắt
1.4.1 Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử (AES)
Nguyên tắc chung của phép phân tích định tính trong phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử gồm 3 giai đoạn:
Cung cấp năng lượng phù hợp là yếu tố quan trọng để hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu, từ đó tạo ra đám hơi nguyên tử tự do Đám hơi này sau đó được kích thích để phát ra phổ phát xạ đặc trưng của chúng.
- Thu chùm sáng phát xạ, phân ly và ghi phổ phát xạ của mẫu phân tích
- Quan sát phổ phát xạ thu được, phân tích định tính
Phân tích định lượng bằng phép đo AES dựa vào sự tương quan giữa nồng độ và cường độ vạch phổ, được mô tả qua định luật Lambert – Beer.
Công thức I = k.C b mô tả mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ (I) và nồng độ (C), trong đó k là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào hệ thống máy đo và xử lý mẫu Hệ số b có giá trị từ 0 đến 1, với b = 1 khi nồng độ C nhỏ hơn nồng độ giới hạn Co Ở điều kiện này, mối quan hệ giữa I và C là tuyến tính, được thể hiện qua công thức I = k.C.
Khi xác định sắt người ta thường nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa đèn khí, hồ quang điện rồi thu, phân ly và ghi phổ phát xạ
1.4.2 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)
Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử dựa vào khả năng hấp thụ chọn lọc bức xạ cộng hưởng của các nguyên tử tự do Mỗi nguyên tố có vạch cộng hưởng, thường là vạch quang phổ nhạy nhất trong phổ phát xạ của chính nguyên tử đó Khi hấp thụ bức xạ cộng hưởng, nguyên tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cơ bản lên mức năng lượng cao hơn, gần với mức năng lượng cơ bản, được gọi là bước chuyển cộng hưởng.
Trong phương pháp nguyên tử hóa mẫu, có hai cách thực hiện: không ngọn lửa và có ngọn lửa Ở nhiệt độ từ 1500 đến 3000 độ C, hầu hết các nguyên tử sẽ ở trạng thái cơ bản.
Khi chiếu chùm bức xạ điện từ có tần số cộng hưởng vào đám hơi nguyên tử tự do, các nguyên tử sẽ hấp thụ bức xạ này, dẫn đến sự giảm cường độ của chùm bức xạ Hiện tượng này tuân theo định luật Lambert – Beer.
Công thức I = Io.e -(Kv.N.L) mô tả sự hấp thụ bức xạ đơn sắc trong môi trường, trong đó Kv là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào bản chất và bước sóng của bức xạ, N là số nguyên tử tự do trong môi trường hấp thụ, và L là bề dày của môi trường hấp thụ, điều này phụ thuộc vào thiết bị sử dụng.
Cường độ vạch phổ = mật độ quang = độ hấp thụ:
D = A = 2,303.Kv.N.L = K.N Trong khoảng giá trị nồng độ C đủ nhỏ thì: N = K.C; D = k.C b b = 1 nếu C Co; b < 1 nếu C > Co
Co: ngưỡng của sự tuyến tính của định luật Lambert – Beer cho phương pháp AAS k: hệ số tỷ lệ, phụ thuộc vào điều kiện phân tích
Phương pháp này có độ nhạy và độ chính xác cao, với số nguyên tử kích thích trong đám hơi thường chỉ chiếm 1 – 2%, đồng thời thực hiện nhanh chóng và khá đơn giản.
Để xác định sắt, mẫu được nguyên tử hóa bằng ngọn lửa đèn khí axetylen kết hợp với không khí Sau đó, nguồn sáng đơn sắc với bước sóng mà đám hơi hấp thụ sẽ được chiếu vào đám hơi nguyên tử Cuối cùng, quá trình thu phân ly và ghi phổ hấp thụ được thực hiện.
1.4.3 Phương pháp trắc quang phân tử UV – VIS
Phương pháp đo quang dựa vào tính chất hấp thụ chọn lọc ánh sáng trong vùng nhìn thấy của chất màu, được sử dụng để xác định sắt thông qua một số thuốc thử tạo phức màu Các thuốc thử này bao gồm axit sunfosalixilic trong môi trường đệm amoni (pH = 8 – 11), amoni thioxianat trong môi trường HNO3 1:1, o-phenantrolin trong môi trường pH = 3 – 9 và 2,2-bipyridyl trong môi trường axit axetic.
1.4.3.1 Xác định hàm lượng sắt bằng thuốc thử thioxianat
Xử lý mẫu và oxi hóa toàn bộ lượng sắt có trong mẫu thành sắt (III) giúp tạo ra ion Fe3+ Trong môi trường axit, ion Fe3+ kết hợp với ion SCN- để tạo thành phức chất màu đỏ.
Axit HNO3 được ưa chuộng làm môi trường phân tích vì nó không tạo phức như HCl và H3PO4, điều này giúp quá trình phân tích diễn ra thuận lợi hơn Trong khi đó, axit H2SO4 lại làm giảm độ sắc nét của màu phức, gây ảnh hưởng đến kết quả phân tích.
Fe(SCN) 2+ + Cl - [FeCl] 2+ + SCN -
Fe(SCN) 2+ + H2PO4 - FeHPO4 + + HSCN
1.4.3.2 Xác định hàm lượng sắt bằng thuốc thử axit sunfosalixilic
Axit sunfosalixilic tạo với sắt các ion phức có màu khác nhau: tại pH = 2 – 2,5
[Fe(Sal)] +1 có màu đỏ, tại pH = 4 – 8 [Fe(Sal)2] -1 có màu nâu và tại pH = 8 – 11,5
Phức chất [Fe(Sal)3] -3 có màu vàng và chỉ hình thành trong môi trường axit với oxit sắt (III) Trong môi trường kiềm, phức này có thể tạo thành với cả oxit sắt (II) và oxit sắt (III) do Fe 2+ dễ dàng bị oxi hóa thành Fe 3+.
Phương pháp sử dụng thuốc thử axit sunfosalixilic trong môi trường amoniac cho phép xác định tổng lượng ion Fe 2+ và Fe 3+, từ đó xác định hàm lượng tổng số sắt Phương pháp này dựa trên sự hình thành ion nội phức sắt sunfosalixilat.
Màu vàng của ion phức này rất bền và có thể được xác định cường độ màu bằng mắt thường hoặc bằng máy so màu quang điện Hệ số hấp thụ phân tử của dung dịch màu tại bước sóng λ = 430 nm là ε = 6000.
Lượng lớn nhôm, đồng có trong mẫu phân tích có thể gây cản trở phép xác định vì chúng tạo phức với axit sunfosalixilic
1.4.3.3 Xác định hàm lượng sắt bằng thuốc thử o-phenantrolin
Thuốc thử o-phenantrolin phản ứng với ion Fe 2+ tạo thành phức chất có màu tím đỏ Khoảng pH thích hợp cho quá trình tạo phức khá rộng từ 3 – 9
Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV – VIS
1.5.1 Giới thiệu phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV – VIS Đây là phương pháp dựa trên sự so sánh cường độ màu của dung dịch nghiên cứu với cường độ màu của dung dịch tiêu chuẩn có nồng độ xác định
Cơ sở lý thuyết của phương pháp là định luật Lambert – Beer:
→ Mật độ quang: D = lg (Io/I) = ε.l.C
Trong công thức quang phổ hấp thụ, Io là cường độ ánh sáng tới, I là cường độ ánh sáng ló, và ε là hệ số tắt phân tử hay hệ số hấp thụ phân tử, phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thụ, bước sóng λ của bức xạ đơn sắc và nhiệt độ Bề dày của cuvet chứa dung dịch được đo bằng cm (l), trong khi nồng độ dung dịch được đo bằng mol/l (C) Mật độ quang (D) và hệ số tỷ lệ (K) được xác định theo công thức K = ε.l.
Sơ đồ khối tổng quát của một thiết bị đo quang như sau:
Nguồn bức xạ liên tục
Bộ phận tạo tia đơn sắc
Detectơ Chỉ thị kết quả
Sơ đồ máy so màu quang điện hai chùm tia:
Hình 1.3 Sơ đồ nguyên tắc hệ thống máy UV – VIS hai chùm tia
Trong quá trình phân tích quang học, các thành phần quan trọng bao gồm: đèn vonfram để phát sáng, cuvet chứa dung dịch so sánh và cuvet chứa dung dịch phân tích Kính lọc sáng được sử dụng để điều chỉnh bước sóng ánh sáng, trong khi gương giúp phản xạ ánh sáng đến tế bào quang điện Tế bào quang điện hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện ngoài và được kết nối với điện kế để chuẩn hóa 100% T.
1.5.2 Các điều kiện tối ưu của một phép đo quang
1.5.2.1 Sự đơn sắc của bức xạ điện từ Định luật Lambert – Beer càng chính xác hay là sự phụ thuộc D = f (C) càng tuyến tính nếu bức xạ đơn sắc chiếu vào dung dịch càng đơn sắc
1.5.2.2 Bước sóng tối ưu – bước sóng cực đại λ m ax
Mỗi chất chỉ hấp thụ ánh sáng tối đa tại một bước sóng cụ thể, được gọi là λmax Vì vậy, định luật Lambert – Beer càng chính xác hơn khi áp dụng cho chất phân tích tại giá trị λmax.
1.5.2.3 Khoảng tuyến tính của định luật Lambert – Beer Định luật Lambert – Beer cho sự phụ thuộc D = f (C) chỉ tuyến tính trong một khoảng giá trị nồng độ nhất định, gọi là khoảng tuyến tính Cmin - Cmax, phụ thuộc vào máy đo, dung dịch phân tích
Hình 1.4 Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ 1.5.2.4 Các yếu tố khác
Khả năng hấp thụ ánh sáng của dung dịch màu không chỉ phụ thuộc vào nồng độ mà còn vào nhiều yếu tố khác Đầu tiên, thuốc thử là yếu tố quan trọng, vì một chất phân tích X có thể tạo phức màu với nhiều thuốc thử khác nhau, nhưng luôn có một thuốc thử tối ưu Thứ hai, thời gian tạo phức màu cũng ảnh hưởng đến độ bền của dung dịch, vì mỗi dung dịch phức màu chỉ bền trong một khoảng thời gian nhất định Cuối cùng, môi trường pH, được tạo ra bằng cách sử dụng axit hoặc dung dịch đệm, cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
1.5.3 Các phương pháp phân tích định lượng
Nguyên tắc: chuẩn bị một dãy dung dịch chất chuẩn cần phân tích có nồng độ chính xác khác nhau, tăng dần: C1, C2, C3, C4, C5,…
Thêm thuốc thử phân tích, tạo môi trường phù hợp
26 Đo mật độ quang cho các dung dịch chuẩn ta được các giá trị D1, D2, D3, D4, D5,… Xây dựng đồ thị D = f (C) theo dạng tuyến tính bậc một: y = ax + b
Hình 1.5 Đường chuẩn của phương pháp đo quang
Chuẩn bị dung dịch phân tích tương tự như dung dịch chuẩn và đưa vào máy đo mật độ quang Dx để xác định nồng độ C dựa trên phương trình đồ thị Phương pháp này có nhiều ưu điểm, bao gồm dễ thực hiện, thuận tiện cho việc phân tích hàng loạt mẫu và đạt độ chính xác cao, thường có khả năng loại bỏ sai số hệ thống.
Nhược điểm của dung dịch chuẩn là thành phần có thể khác biệt so với dung dịch mẫu phân tích, dẫn đến những ảnh hưởng không thể xác định Thêm vào đó, quy trình sử dụng dung dịch chuẩn thường yêu cầu nhiều thao tác, gây tốn thời gian.
1.5.3.2 Phương pháp thêm chuẩn Đo mật độ quang Dx cho dung dịch phân tích có nồng độ Cx: Dx = K.Cx
Thêm vào dung dịch phân tích một lượng chính xác chất chuẩn phân tích Cch, đưa vào máy đo mật độ quang, được giá trị D: D = K.(Cx + Cch)
Phương pháp này có ưu điểm là loại bỏ ảnh hưởng của các thành phần khác trong dung dịch phân tích và dễ dàng lập trình cho máy Tuy nhiên, nhược điểm của nó là tốn thời gian và yêu cầu tính tuyến tính cao, với K phải giống nhau trong hai phép đo.
1.5.3.3 Phương pháp vi sai Để mở rộng khoảng nồng độ có thể xác định được bằng phương pháp trắc quang người ta dùng phương pháp đo trắc quang vi sai Phương pháp này thường áp dụng để xác định các nồng độ lớn, giảm sai số của thuốc thử thừa, của phép đo nói chung Nội dung của phương pháp trắc quang như sau: Đo mật độ quang Dx cho dung dịch phân tích so với dung môi Đo mật độ quang của dung dịch chuẩn C1 và C2 (C2 > C1) so với dung môi được các giá trị D1, D2
Nếu ta dùng dung dịch có nồng độ C1 làm dung dịch so sánh để đo mật độ quang của dung dịch có nồng độ C2 và Cx thì ta có:
Tình hình nghiên cứu và kiểm soát hàm lượng kim loại nặng trong rau xanh trên thế giới và ở Việt Nam
xanh trên thế giới và ở Việt Nam [1, 20]
Trong những năm gần đây, ô nhiễm kim loại nặng trong thực phẩm đã trở thành một vấn đề đáng lo ngại, đặc biệt ở các quốc gia có tốc độ phát triển công nghiệp nhanh chóng.
Vì vậy việc nghiên cứu hàm lượng kim loại nặng tích tụ trong rau xanh đã được nghiên cứu ở rất nhiều công trình trên thế giới
Hàm lượng kim loại nặng trong rau ở Bỉ rất cao, đặc biệt tại các thị trấn gần khu vực khai thác mỏ Ngược lại, tại Singapore và Thái Lan, mức kim loại nặng trong rau vẫn nằm trong giới hạn cho phép nhờ vào việc áp dụng nghiêm ngặt các biện pháp trồng rau an toàn.
Việc xác định hàm lượng kim loại nặng trong rau xanh đang được thực hiện rộng rãi tại các thành phố lớn như Hà Nội, Hồ Chí Minh và Đà Nẵng Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng trong rau tại thành phố Hồ Chí Minh đã được ghi nhận trong nhiều tài liệu nghiên cứu Các nghiên cứu chỉ ra rằng rau ngổ, rau muống và rau cải có hàm lượng kim loại nặng cao, đặc biệt là rau muống ở khu vực ngoại ô thành phố.
Hà Nội, hàm lượng kim loại nặng cao hơn từ 5- 10 lần so với giới hạn 867/1998 của
THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Dụng cụ, thiết bị, hóa chất
Máy đo quang Jasco |V| - |5|3|0|UV/VIS Spectrophotometer của Nhật Bản
Lò nung, cân phân tích
Hình 2.1 Máy đo quang Jasco |V| - |5|3|0|UV/VIS Spectrophotometer 2.1.2 Dụng cụ
Bếp điện, phễu lọc, giấy lọc Đũa thủy tinh; cốc thủy tinh 100 ml; bình định mức 50 ml, 100 ml; pipet 2 ml, 5 ml, 10 ml,…
Một số dụng cụ khác
Các hóa chất đều thuộc loại tinh khiết hóa học và tinh khiết phân tích của các nước: Đức (hãng Merck), Pháp, Mỹ, Nga:
- Các dung dịch gốc: Fe 3+ 1000 ppm
- Axit: HNO3 đặc, HCl đặc, H2SO4 đặc
Cách pha các loại dung dịch
2.2.1 Pha dung dịch chuẩn Fe 3+ 0,1 mg/ml
Pha dung dịch chuẩn Fe 3+ 0,1 mg/ml: lấy 10 ml dung dịch gốc Fe 3+ có nồng độ
Để chuẩn bị dung dịch Fe 3+ với nồng độ 1000 ppm, bạn cần hòa tan 1 mg/ml vào bình định mức 100 ml, sau đó định mức bằng HNO3 2% đến vạch Để có các nồng độ Fe 3+ nhỏ hơn, tiếp tục pha loãng dung dịch này bằng HNO3 2%.
2.2.2 Pha các dung dịch khác
- Dung dịch axit sunfosalixilic 10%: cân 10g axit sunfosalixilic tinh khiết cho vào bình định mức 100ml rồi định mức bằng nước cất đến vạch
- Dung dịch NH4OH 10%: lấy 40 ml NH4OH 25% cho vào bình định mức 100ml rồi định mức bằng nước cất đến vạch.
Nội dung nghiên cứu
- Khảo sát các điều kiện phân hủy mẫu bằng phương pháp khô – ướt kết hợp: dung môi phân hủy mẫu, thời gian và nhiệt độ nung
Nghiên cứu các điều kiện tối ưu để xác định sắt bằng phương pháp đo quang bao gồm việc chọn lựa thuốc thử phù hợp, xác định thể tích thuốc thử và NH4OH, cũng như khảo sát độ bền màu của phức.
- Ảnh hưởng của các kim loại khác
- Xác định khoảng nồng độ tuyến tính và lập đường chuẩn của sắt trong phương pháp đo quang
- Xác định hiệu suất thu hồi của phương pháp
- Đánh giá sai số thống kê của phương pháp
- Xây dựng qui trình phân tích hàm lượng sắt trong một số loài rau muống và rau cải bằng phương pháp trắc quang phân tử UV - VIS
- Áp dụng quy trình phân tích hàm lượng sắt trong một số loài rau muống và rau cải trên địa bàn TP Đà Nẵng.
Thực nghiệm nghiên cứu điều kiện vô cơ hóa mẫu
2.4.1 Dung môi vô cơ hóa mẫu
Nhiều chất oxi hóa mạnh có khả năng phân hủy mẫu, nhưng mỗi chất chỉ hiệu quả với một loại mẫu nhất định Do đó, cần khảo sát chất oxi hóa nào có khả năng oxi hóa nhanh, với nhiệt độ và thời gian nung ngắn, đồng thời đảm bảo an toàn Chúng tôi đã chọn hỗn hợp dung môi HNO3 đặc, H2SO4 đặc, H2O2 và KNO3 làm chất bảo vệ.
2.4.2 Khảo sát nhiệt độ và thời gian nung tối ưu
Sau khi xử lý mẫu bằng dung môi đã chọn, chúng tôi tiến hành khảo sát nhiệt độ và thời gian để xác định điều kiện hóa trắng nhanh nhất Chúng tôi cũng xác định hiệu suất thu hồi tương ứng với từng nhiệt độ và thời gian nung, từ đó lựa chọn được điều kiện nung tối ưu nhất.
Quá trình tiến hành bao gồm việc cân chính xác 10g mẫu rau, cho vào bát sứ và thêm dung môi đã chọn Sau đó, đun trên bếp điện cho mẫu sôi nhẹ, tiếp tục đun cho đến khi khô và chuyển thành tro đen Cuối cùng, chuyển mẫu vào chén sứ có nắp đậy và nung ở các nhiệt độ khác nhau trong 3 giờ.
Sau khi xác định được nhiệt độ nung tối ưu, chúng tôi đã cố định nhiệt độ và tiến hành thay đổi thời gian nung từ 1 giờ đến 3 giờ nhằm tìm ra thời gian nung tối ưu nhất.
Thực nghiệm nghiên cứu điều kiện tối ưu phân tích hàm lượng sắt trong rau bằng phương pháp trắc quang phân tử UV – VIS
2.5.1 Chọn thuốc thử thích hợp
Có nhiều thuốc thử có khả năng tạo phức màu với ion Fe 3+, như amonithioxianat, 2,2-bipyridil và axit sunfosalixilic Tuy nhiên, chúng tôi đã chọn axit sunfosalixilic để xác định sắt dựa trên tài liệu đã được công bố.
2.5.2 Chọn thể tích thuốc thử và NH 4 OH [3]
Mỗi thuốc thử chỉ tạo phức bền trong một khoảng pH nhất định, do đó việc chọn môi trường phù hợp là rất quan trọng để tối ưu hóa quá trình tạo phức Cần thay đổi pH trong khoảng xác định và đo mật độ quang ở từng mức pH để xác định môi trường tối ưu cho phản ứng.
2.5.3 Khảo sát độ bền màu của phức giữa Fe 3+ với thuốc thử theo thời gian
Phức dùng trong phương pháp trắc quang chỉ bền màu trong một khoảng thời gian nhất định, vì vậy cần khảo sát độ bền màu của phức theo thời gian Để thực hiện điều này, tiến hành tạo phức màu và đo mật độ quang ở các thời điểm khác nhau trong cùng một điều kiện.
Dung dịch khảo sát độ bền màu được pha chế từ 2 ml dung dịch Fe 3+ 0,1 mg/ml, 5 ml dung dịch axit sunfosalixilic 10% và 6 ml dung dịch NH4OH 10%, sau đó được định mức bằng nước cất lên 50 ml Mật độ quang sẽ được đo tại λmax ở các khoảng thời gian khác nhau.
2.5.4 Ảnh hưởng của Cu 2+ và Al 3+
Theo tài liệu [13], sự hiện diện của Cu 2+ và Al 3+ không ảnh hưởng đáng kể đến việc xác định sắt, ngay cả khi nồng độ của chúng cao hơn nồng độ Fe 3+ Điều này do Cu 2+ tạo phức màu rất nhạt với axit sunfosalixilic, trong khi Al 3+ tạo phức không màu Hơn nữa, hàm lượng đồng và nhôm trong rau ở dạng vi lượng nên ảnh hưởng này có thể được bỏ qua.
2.5.5 Khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính
Trong phương pháp trắc quang phân tử UV – VIS, mật độ quang D chỉ phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ của chất phân tích trong một khoảng nồng độ nhất định Do đó, việc khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của sắt là cần thiết để đảm bảo độ chính xác của phép đo.
Chuẩn bị một loạt dung dịch Fe 3+ với nồng độ 0,1 mg/ml, tăng dần về thể tích từ 0,5 ml đến 10 ml, bao gồm các thể tích: 0,5 ml, 1 ml, 2 ml, 3 ml, 4 ml, 5 ml, 6 ml, 7 ml, 8 ml, 9 ml và 10 ml.
33 bình lần lượt 5 ml dung dịch axit sunfosalixilic 10% và 6 ml dung dịch NH4OH 10% Lắc đều và định mức bằng nước cất đến 50 ml
Trong một bình định mức 50 ml khác chuẩn bị dung dịch trống với các lượng
NH4OH và axit sunfosalixilic như ở trên nhưng không có dung dịch Fe 3+
Xác định λmax, đo mật độ quang của dãy với dung dịch so sánh là mẫu trống tại giá trị λmax
2.5.6 Lập đường chuẩn xác định sắt
Chuẩn bị các bình định mức 50 ml và thêm dung dịch chuẩn Fe 3+ 0,1 mg/ml với nồng độ trong khoảng tuyến tính đã khảo sát Đo mật độ quang của mẫu trên máy UV-VIS, lập đường chuẩn và tính hàm lượng sắt trong mẫu giả, đồng thời kiểm tra sai số của phép đo.
Chuẩn bị mẫu giả
Mẫu rau được xử lý bằng dung môi đã chọn, nung ở nhiệt độ 480 o C trong 1,5 giờ Sau đó, tro mẫu được hòa tan vào HCl 10%, lọc bỏ dung dịch và giữ lại phần bã Tiếp theo, một thể tích chính xác dung dịch Fe 3+ 0,1mg/ml được thêm vào phần bã để tiến hành phân hủy mẫu giả theo các điều kiện đã chỉ định.
Đánh giá hiệu suất thu hồi
Để đánh giá độ chính xác của phương pháp, chúng tôi đã tiến hành đo mật độ quang trên một số mẫu giả nhằm xác định hiệu suất thu hồi Theo quy định, hiệu suất thu hồi của phương pháp phân tích vi lượng phải đạt từ 85% trở lên.
Đánh giá sai số thống kê của phương pháp
Trong quá trình phân tích, việc xảy ra sai số là điều không thể tránh khỏi, bao gồm cả sai số trong cân, đo thể tích và các giai đoạn phân tích khác Những sai số này ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của phép phân tích.
Thông thường, trong quá trình thực hiện thí nghiệm, chúng ta thường tiến hành một số thí nghiệm độc lập dưới cùng một điều kiện Từ các kết quả riêng lẻ thu được, chúng ta có thể rút ra những kết luận tổng quát hơn.
Để đánh giá độ chính xác của phép đo, việc tiến hành xử lý thống kê là cần thiết Hai đại lượng đặc trưng thống kê quan trọng nhất trong quá trình này là giá trị trung bình cộng và phương sai.
Giá trị trung bình cộng:
Giả sử ta tiến hành n phép đo độc lập đại lượng X với các kết quả:
Giá trị trung bình cộng X n
1 là giá trị gần với giá trị thực của đại lượng cần đo với xác suất cao nhất trong số các giá trị đo được
Phương sai của phép đo phản ánh độ phân tán của kết quả đo, được đánh giá bằng:
k = số bậc tự do Nếu chỉ có một đại lượng cần đo X thì k = n – 1
Giá trị S = S 2 thường được gọi là độ lệch chuẩn của phép đo Độ lệch chuẩn của đại lượng trung bình cộng S X được tính theo:
Độ lệch tiêu chuẩn tương đối (% RSD), hay còn gọi là hệ số biến động Cv, là chỉ số thể hiện độ lặp lại và độ phân tán của các kết quả thí nghiệm Chỉ số này được xác định thông qua một công thức cụ thể.
S 100% RSD hay Cv càng nhỏ thì độ lặp lại càng tốt
Trong thực tế để tiện tính toán các đại lượng X , S 2 ,
S X , người ta thường chọn trong dãy n giá trị đo được X1, X2, X3, … , Xn một giá trị C sao cho C ≈ X , sau đó tính
X và S 2 theo các công thức sau:
Và Yi = Xi – C Biên giới tin cậy (độ chính xác của phép đo trực tiếp):
Sai số tin cậy ε là giá trị tuyệt đối giữa giá trị trung bình cộng X và giá trị thực μ của đại lượng cần đo, được tính bằng ε = | X - μ | Trong thực tế, ε được đánh giá dựa trên một độ tin cậy α cụ thể, phản ánh xác suất mà kết quả đo lường sẽ nằm trong khoảng tin cậy, tức là P ( X - εα ≤ μ ≤ X + εα.
Độ tin cậy thường được đặt ở mức α = 0,95 (95%) hoặc α = 0,99 (99%) Để tính ε, sử dụng công thức εα = S X t(P,k), trong đó t(P,k) là hệ số Student tương ứng với số bậc tự do k = n – 1 Giả sử thực hiện 5 lần đo (k = 4) và mức ý nghĩa P = 0,05, ta có t(P,k) = 2,78 Do đó, ε được tính là 2,78.S X.
Vậy giá trị thực sẽ là: μ = X ± ε
Để đánh giá sai số thống kê, chúng tôi thực hiện quy trình phân tích trên 5 mẫu giả, mỗi mẫu được đo 3 lần với nồng độ Fe 3+ ban đầu chính xác là 0,004 mg/ml.
Xây dựng quy trình phân tích
Dựa trên nghiên cứu các điều kiện tối ưu cho phương pháp xác định hàm lượng sắt, chúng tôi đã phát triển quy trình phân tích nhằm xác định chính xác hàm lượng này.
36 sắt trong rau, từ đó áp dụng xác định một số mẫu rau muống và rau cải trên địa bàn Thành phố Đà Nẵng.
Phân tích mẫu thực tế
Dựa vào quy trình phân tích đã được thiết lập, chúng tôi tiến hành xác định hàm lượng sắt trong một số loài rau muống và rau cải tại thành phố Đà Nẵng.
2.10.1 Địa điểm lấy mẫu Địa điểm lấy mẫu rau muống và rau cải được trình bày trên hình 2.2
Khu trồng rau ở Phường Mỹ An, Quận Ngũ Hành Sơn
Khu vực trồng rau ở Phường Khuê Trung, Quận Cẩm Lệ
Khu vực trồng rau ở Tổ 27, Phường Hòa Minh, Quận Liên Chiểu
Khu vực trồng rau ở Tổ 89, Phường Hòa Minh, Quận Liên Chiểu
Hình 2.2 Một số hình ảnh về địa điểm lấy mẫu 2.10.2 Thời gian lấy mẫu
Mẫu được lấy vào tháng 3 và tháng 4 năm 2013
Mẫu sau khi chuyển về phòng thí nghiệm được rửa sạch các chất bẩn, sau đó để ráo nước rồi cho vào máy xay sinh tố xay nhuyễn
Phân tích hàm lượng sắt trong một số loài rau muống và rau cải được thực hiện dựa trên các điều kiện tối ưu đã khảo sát theo quy trình đã thiết lập ở mục 2.9.