Untitled Science & Technology Development, Vol 19, No T6 2016 Trang 70 Nghiên cứu phương pháp xác định methyl thủy ngân trong bùn lắng bằng GC AFS sử dụng tác chất alkyl hóa Grignard Trần Đức Lợi [.]
Science & Technology Development, Vol 19, No.T6-2016 Nghiên cứu phương pháp xác định methyl thủy ngân bùn lắng GC-AFS sử dụng tác chất alkyl hóa Grignard Trần Đức Lợi Nguyễn Văn Đông Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG–HCM ( Bài nhận ngày 07 tháng 01 năm 2016 , nhận đăng ngày 30 tháng11 năm 2016) TĨM TẮT Phương pháp phân tích methyl thủy ngân (MeHg) đuợc nghiên cứu hệ thống sắc ký khí ghép nối đầu dò huỳnh quang nguyên tử (GCAFS) MeHg mẫu bùn lắng đuợc ly trích vào pha dichloromethane (DCM) diện HNO3, KCl CuSO4 Dung môi DCM đuợc thổi khô MeHg đuợc chuyển sang pha nước trước chiết qua pha hexane dạng phức với diethyldithocarbamate (DDTC) MeHg alkyl hóa hai loại tác chất Grignard, butyl magnesium chloride (BuMgCl) ethyl magnesium chloride (EtMgCl) Các điều kiện phản ứng alkyl hóa lượng tác chất, nhiệt độ thời gian phản ứng nghiên cứu tối ưu nhằm giảm thiểu trans-alkyl hóa tối ưu hiệu suất phản ứng alkyl hóa Sau tạo dẫn xuất MeHg xác định hệ thống GC-AFS Quy trình phân tích thẩm định chất chuẩn quốc tế có chứng nhận ERM-CC580 Giới hạn phát thiết bị GC-AFS phương pháp phân tích sử dụng hai tác chất alkyl hóa 1,4 pg; 0,18 ng/g MeHg tác chất EtMgCl 0,19 ng/g MeHg tác chất BuMgCl Phương pháp đuợc ứng dụng để xác định methyl thủy ngân đất, bùn thải bùn lắng Từ khóa: đầu dò huỳnh quang nguyên tử, methyl thủy ngân, sắc ký khí, bùn lắng, tác chất Grignard MỞ ĐẦU Trong vòng vài kỷ trở lại đây, bùng nổ khoa học kỹ thuật đem đến thành tựu lớn phục vụ cho nhân sinh Tuy nhiên phát triển kèm với hệ lụy vô to lớn: môi trường sống xung quanh ngày ô nhiễm nghiêm trọng, đe đọa đến phát triển mn lồi Thủy ngân có nhiều ứng dụng sống lại có độc tính cao Trong q trình phát triển, lồi người đưa hàng trăm ngàn thủy ngân vốn ngủ yên dạng khống vật nằm chìm sâu lớp địa vào môi trường sống [1] Thông qua hoạt động tự nhiên nhân sinh, ô nhiễm thủy ngân ngày lan tỏa phạm vi toàn cầu Độc tính nguy gây hại cho sức khỏe Hg nói chung đặc biệt Trang 70 MeHg nói riêng trở thành mối quan tâm lớn nhà khoa học giới Nguy nhiễm độc hợp chất Hg lớn hợp chất có khả tích lũy mạnh chuỗi thức ăn Các nghiên cứu sau tập trung vào xác định Hg nguyên dạng đặc biệt MeHg đối tượng có hàm lượng Hg thấp, thí dụ mẫu mơi trường nước bùn lắng, yêu cầu độ nhạy phương pháp/thiết bị phân tích ngày cao Các phương pháp phân tích nguyên dạng Hg nồng độ thấp phổ biến sắc ký lỏng [2] sắc ký khí ghép nối với đầu dị có độ nhạy cao bắt giữ điện tử (ECD) [3], phổ hấp thu nguyên tử (AAS) [4], phổ phát xạ nguyên tủ (AES) [5], phổ huỳnh quang ngun tử (AFS) TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T6- 2016 [2, 6], khối phổ (MS) [7], khối phổ ghép cặp cảm ứng cao tần (ICPMS) [8] Mặc dù phương pháp có ưu điểm trội riêng, GC-AFS kĩ thuật sử dụng phổ biến việc phân tích MeHg, chủ yếu chi phí vận hành, giá thành thiết bị thấp độ nhạy cao nên phù hợp với tình hình nghiên cứu Việt Nam Nhiều phương pháp trích ly MeHg khỏi mẫu cho phân tích nguyên dạng bao gồm trích ly KOH methanol [2-4], HNO3 [9] hỗn hợp H2SO4/KBr/CuSO4 [10, 11] HNO3/KCl/CuSO4 [6] Sau ly trích, MeHg tách khỏi dạng Hg vô kỹ thuật chiết lỏng lỏng hay chưng cất Phương pháp chưng cất hiệu việc tách MeHg khỏi mẫu bùn gây sai số dương lớn MeHg sinh chưng cất [12] Hỗn hợp HNO3/KCl/CuSO4 cho phép trích ly hiệu MeHg mẫu bùn lắng thực tế loại trừ sản sinh MeHg giai đoạn xử lý mẫu [6] Các hợp chất monoalkyl-Hg có tính phân cực, nên tương tác mạnh với cột GC dẫn đến peak thường kéo đuôi làm ảnh hưởng đến cột [3] Để khắc phục nhược điểm trên, hợp chất thủy ngân tạo dẫn xuất thành hợp chất dialkylHg không phân cực dễ bay Phương pháp tạo dẫn xuất hydride sử dụng dẫn xuất tạo thành (MeHgH) bền, khó kiểm sốt [13] Phương pháp tạo dẫn xuất sử dụng tác chất sodium tetraalkylborate NaBR4 NaB(C2H5)4 NaB(C3H7)4, cho kết ổn định quy trình xử lý mẫu đơn giản nên sử dụng phổ biến Tuy nhiên việc tiếp cận hợp chất NaBR4 Việt nam khó khăn NaBR4 đắt tiền nên việc nghiên cứu sử dụng chất tạo dẫn xuất thay tác chất Grignard vốn phổ biến giá thấp so với NaBR4 cần thiết Các hợp chất kim tác chất Grignard (RMgX, với R methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl hexyl) phổ biến phân tích hợp chất butyl thiếc [14] Đối với phân tích nguyên dạng thủy ngân, R dùng methyl, ethyl, propyl butyl butyl hóa phổ biến sản phẩm butyl hóa có nhiệt độ sơi đủ cao thuận tiện cho thao tác mẫu trình sắc ký Các điều kiện phản ứng alkyl hóa với tác nhân Grignard phải tiến hành điều kiện kiểm soát nghiêm ngặt lượng tác chất sử dụng, mức độ pha loãng, thời gian phản ứng nhiệt độ phản ứng nhằm giảm thiểu tối đa sản phẩm phụ q trình trans-alkyl hóa [15] Trong công bố này, tiến hành nghiên cứu phương pháp xác định methyl thủy ngân mẫu bùn hệ thống GC-AFS sử dụng tác chất Grignard để alkyl hóa methyl thủy ngân Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu phản ứng tạo dẫn xuất MeHg BuMgCl EtMgCl Nghiên cứu quy trình xử lý mẫu bùn lắng xác định MeHg phù hợp với tác chất Grignard Áp dụng quy trình phân tích mẫu bùn lắng thực tế VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Hóa chất thuốc thử Tất dung dịch chuẩn bị nước không ion (18 MΩ.cm) HNO3 (65-67 %), nhexane, methyl thủy ngân chloride (MeHgCl), Hg(NO3)2, dichloromethane (DCM), CuSO4.5H2O, KCl, tetrahydrofuran (THF), Na2B4O7, H3BO3, HCl H2SO4 hạng tinh khiết phân tích mua từ Merck Butylmagnesium chloride (BuMgCl) M THF ethylmagnesium chloride (EtMgCl) M THF mua từ Sigma Aldrich Sodium diethyldithiocarbamate (NaDDTC) mua từ Fluka Các dung dịch chuẩn CH3HgC2H5 (C2H5)2Hg điều chế từ NaB(C2H5)4 nghiên cứu trước [6] Thiết bị Máy GC 5890 (Agilent); buồng tiêm oncolumn, nhiệt độ buồng tiêm 200 oC; cột DB-1 (30 m x 0,53 mm x 0,88 µm) (Supelco, USA), đầu dò Trang 71 Science & Technology Development, Vol 19, No.T6-2016 AFS (PS Analytical) với lưu lượng khí “make up” 120 mL Ar/phút khí bảo vệ 180 mL Ar/phút; nhiệt độ lò nhiệt phân 520 oC; máy Vortex (IKA vortex Genius 3); máy pH (Schott Lab–850); ống ly tâm PE 50 mL (Isolab); kim tiêm µL (SGE–Australia); dụng cụ thủy tinh như: vial 40 mL, vial 20 mL, vial 1,5 mL (septum lót Teflon), ống COD, pipet, beaker… Chương trình nhiệt Chương trình nhiệt: 30𝑜 𝐶/𝑝ℎú𝑡 (1 𝑝ℎú𝑡) → 20𝑜 𝐶/𝑝ℎú𝑡 → 60𝑜 𝐶 40𝑜 𝐶/𝑝ℎú𝑡 120𝑜 𝐶 (1 𝑝ℎú𝑡) → (sử dụng tác chất BuMgCl) 60𝑜 𝐶 (1𝑝ℎú𝑡) 200𝑜 𝐶 (2𝑝) 30𝑜 𝐶/𝑝ℎú𝑡 120𝑜 𝐶 (1𝑝ℎú𝑡) → 200𝑜 𝐶 (2 𝑝ℎú𝑡) (sử dụng tác chất EtMgCl) Điều chế chuẩn Bu2Hg MeBuHg Tiêm µL mẫu chứa dialkyl thủy ngân, mẫu tiêm lặp lần Tín hiệu hấp thu chất tính theo diện tích peak Việc định lượng hợp chất dựa đường chuẩn chất Ly trích methyl thuỷ ngân Cân xác khoảng g mẫu vào ống ly tâm polypropylene 50 mL, thêm 10 mL dung dịch hỗn hợp HNO3 3M, KCl 0,01 M CuSO4 0,1 M đánh siêu âm 30 phút 55 oC Ly tâm phút 3000 vịng/phút, tách lấy pha nước Lặp lại q trình ly trích mẫu mL dung dịch hỗn hợp HNO3/KCl/CuSO4 Gộp toàn pha nước lần ly trích vào ống thủy tinh 40 mL, thêm mL DCM, vortex 30 giây, tách lấy pha hữu Lặp lại trình chiết lỏng-lỏng lần gộp tất pha hữu (DCM) vào ống thủy tinh 15 mL Làm khan Na2SO4 Thêm mL đệm pH thổi khơ DCM, thêm 300 µL Na-DDTC 0,25 M, 0,5 mL hexane đậy nắp vortex phút, thu lấy pha hexane Chiết thêm lần với 0,5 mL hexane Cân chuẩn Hg2+ MeHgCl vào ống COD 15 mL, thêm vào khoảng mL hexane Làm lạnh dung dịch nước đá, thêm 0,5 mL BuMgCl 0,5 M lắc nhẹ Sau phút, thêm mL dung dịch H2SO4 0,5 M lắc để phân hủy tác chất Grignard dư Ly tâm tách lấy pha hexane vào bình 40 mL có septum Chiết lại pha nuớc lần với hexane gộp dịch chiết, sau thêm hexane đến 40 mL, đậy nắp chặt Các dung dịch chuẩn chứa Bu2Hg MeBuHg Độ tinh khiết dung dịch chuẩn kiểm tra GC-AFS Thêm 100 µL BuMgCl 0,5 M (hoặc 75 μL EtMgCl 0,5 M) vào dịch chiết hexane chứa MeHgDDTC, đậy nắp lắc nhẹ Sau thời gian phản ứng, thêm mL H2SO4 M, lắc mạnh, ly tâm thu lấy pha hexane vào vial 1,5 mL bảo quản 10 oC đến phân tích GC-AFS Xác định nồng độ chuẩn Bu2Hg MeBuHg KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Lấy xác khoảng mL (qua cân) chuẩn MeHgEt Et2Hg vào vial 40 mL Thêm mL HNO3 mL HCl, lắc tròn 30 phút tách lấy pha nước Rửa pha hexane lần, lần với mL nước gộp tất pha nước vào bình định mức 50 mL, định mức nước cất Dung dịch dùng để xác định Hg phương pháp CV-AAS dựa đường chuẩn Hg2+ Xác định hợp chất thủy ngân GCAFS Trang 72 Tạo dẫn xuất Đường chuẩn, giới hạn phát giới hạn đinh lượng thiết bị Đường chuẩn có hệ số tương quan tốt với giá trị R2 0,9995 0,9998 MeHgEt MeHgBu Khoảng tuyến tính MeHgEt MeHgBu 1-20 pg Độ nhạy MeHgEt hay MeHgBu (tính theo Hg) Giới hạn phát giới hạn định lượng thiết bị MeHgEt MeHgBu đánh giá dựa tỉ lệ S/N (signal to noise) 1,33 4,44 pg MeHgEt; 1,32 4,41 pg MeHgBu TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T6- 2016 Độ tinh khiết nồng độ chuẩn dialkyl thủy ngân tự điều chế Kết phân tích hai chuẩn MeBuHg Bu2Hg tự điều chế GC-AFS (Hình 1) cho thấy khơng phát chất có chứa Hg sắc ký đồ ngoại trừ sản phẩm MeBuHg Bu2Hg Như vậy, hàm lượng MeBuHg Bu2Hg xác định gián tiếp thông qua phương pháp xác định Hg tổng số mà không cần công đoạn tách So với GC-AFS, phương pháp CV-AAS cho phép xác định Hg nồng độ cao xác nên phù hợp tốt để định lượng chuẩn MeBuHg Bu2H Cường độ phát huỳnh quang (mV) 0.8 0.6 MeBu… Bu2Hg 0.4 0.2 0 100 200 300 Thời gian (s) 400 500 600 Hình Sắc ký đồ µL chuẩn MeBuHg Bu2Hg ~ 15 ppb cấu tử (tính theo Hg) Khảo sát q trình alkyl hóa methyl thủy ngân Các nghiên cứu trước cho thấy hiệu suất phản ứng alkyl hóa methyl thủy ngân tác chất Grignard phụ thuộc nhiều vào thời gian, nhiệt độ nồng độ tác nhân alkyl hóa Hiệu suất phản ứng alkyl hóa tăng dần, đạt đỉnh sau phút giảm dần Chúng tơi nhận thấy hiệu suất alkyl hóa giảm q trình trans-alkyl hóa khử sản phẩm (MeHgBu/MeHgEt) thành Hgo Cũng điều mà nghiên cứu giới trước buộc phải dừng phản ứng sau phút [15, 16] Về mặt thực nghiệm, việc khống chế thời gian điều kiện alkyl hóa nghiêm ngặt gây nhiều khó khăn xử lý đồng loạt nhiều mẫu Khắc phục nhược điểm này, nghiên cứu tối ưu hóa điều kiện phản ứng nhằm tránh q trình khử trans-alkyl hóa Do tác chất Grignard mua từ Sigma Aldrich có nồng độ cao (2 M) lượng cần dùng không nhiều, để tiện lấy lượng tác chất xác tránh hoạt tính hút ẩm thao tác; nồng độ tác chất Grignard dùng thí nghiệm 0,5 M pha THF Tác chất BuMgCl Tương quan lượng BuMgCl - thời gian phản ứng với hiệu suất tạo dẫn xuất Thực thí nghiệm tạo butyl hóa chuẩn MeHgCl với lượng 100, 200, 300 400 μL BuMgCl 0,5 M oC Trang 73 Science & Technology Development, Vol 19, No.T6-2016 Hình Hiệu suất butyl hóa MeHgCl BuHgCl theo thời gian lượng tác chất BuMgCl 0,5 M/THF khác Điều kiện thí nghiệm: 100 µL MeHgCl 20 pg/µL mL hexane oC Kết cho thấy lượng dư tác chất BuMgCl nguyên nhân gây khử tượng trans-alkyl hóa Khi lương tác chất sử dụng 100-200 μL BuMgCl 0,5 M khơng xảy tượng khử trans-alkyl hóa Hiệu suất phản ứng tăng dần ổn định sau phút Tuy nhiên tăng lượng tác chất lên 300–400 μL BuMgCl 0,5 M xuất “hiện tượng khử”, hiệu suất phản ứng tạo dẫn xuất giảm dần theo thời gian (Hình 2) Sắc ký đồ ngồi peak MeBuHg cịn xuất thêm peak Hgo, thời gian phản ứng dài peak Hgo lớn peak MeBuHg nhỏ (Hình 3) Với lượng tác chất BuMgCl 0,5 M sử dụng thí nghiệm (