Xác định hàm lượng Asen trong thực phẩm bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng kỹ thuật Hidrua hóa (HVG AAS) và xác nhận lại bằng ICP MS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM CAO VĂN ĐÔNG XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG ASEN TRONG THỰC PHẨM BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ SỬ DỤNG KĨ THUẬT HIDRUA HÓA HVG-AAS VÀ XÁC NHẬN LẠI BẰNG ICP-M

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

CAO VĂN ĐÔNG

XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG ASEN TRONG THỰC PHẨM BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ

SỬ DỤNG KĨ THUẬT HIDRUA HÓA (HVG-AAS)

VÀ XÁC NHẬN LẠI BẰNG ICP-MS

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC

Thái Nguyên - 2013

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

CAO VĂN ĐÔNG

XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG ASEN TRONG THỰC PHẨM BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN

TỬ SỬ DỤNG KĨ THUẬT HIDRUA HÓA (HVG-AAS)

VÀ XÁC NHẬN LẠI BẰNG ICP-MS

Chuyên ngành: Hóa học phân tích

Mã số: 60.44.01.18

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Xuân Trung

Thái Nguyên - 2013

LỜI CẢM ƠN

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo

PGS.TS Nguyễn Xuân Trung đã trực tiếp hướng dẫn tận tình và giúp đỡ em trong

suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Em xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô khoa Hóa – Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên đã giúp đỡ và cho em những ý kiến đóng góp quý báu Em xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô khoa Sau Đại học đã đạo điều kiện và giúp đỡ

em trong suốt thời gian em học tại Trường

Tôi xin chân thành cảm ơn thạc sỹ Nguyễn Thị Huyền Thanh, thạc sỹ Nguyễn Chí Linh, cùng các đồng nghiệp phòng Thử nghiệm khoáng sản – Công ty SGS Việt Nam đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn

Cuối cùng cho tôi gửi lời cảm ơn các anh chị, các bạn học viên K19, gia đình, người thân đã động viên, các bạn đồng nghiệp giúp đỡ về vật chất và tinh thần để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn này

Thái Nguyên, tháng 8 năm 2013

Cao Văn Đông

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực

Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện khóa luận này đã đƣợc cám ơn và các thông tin đƣợc trích dẫn trong khóa luận này đã đƣợc ghi rõ nguồn gốc

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 8 năm 2013

Học viên

Cao Văn Đông

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa

Lời cảm ơn i

Lời cam đoan ii

Mục lục iii

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt iv

Danh mục các bảng v

Danh mục các hình (hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị, …) vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2

1.1 TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN VÀ SỰ PHÂN TÁN CỦA ASEN 2

1.1.1 Trạng thái tự nhiên 2

1.1.2 Sự phân tán của asen trong môi trường 2

1.2 TÍNH CHẤT VÀ CÁC DẠNG TỒN TẠI CỦA ASEN 4

1.2.1 Tính chất vật lý 4

1.2.2 Tính chất hóa học của asen 5

1.2.3 Các dạng tồn tại của asen 7

1.3 ỨNG DỤNG CỦA ASEN 8

1.4 ĐỘC TÍNH VÀ CƠ CHẾ GÂY ĐỘC CỦA ASEN 9

1.5 THỰC TRẠNG Ô NHIỄM ASEN TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 11

1.5.1 Thực trạng ô nhiễm asen trên thế giới 11

1.5.2 Thực trạng ô nhiễm asen tại Việt Nam 12

1.5.3 Giới hạn tối đa cho phép 14

1.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG ASEN 14

1.6.1 Phương pháp phân tích khối lượng và phân tích thể tích 14

1.6.2 Phương pháp phân tích trắc quang 15

1.6.3 Phương pháp đo hiện trường với chất nhuộm thủy ngân bromua 15

1.6.4 Phương pháp Von - Ampe hòa tan 16

1.6.5 Phương pháp phổ phát xạ nguyên tử cảm ứng cộng hưởng plasma (ICP-AES) 17

1.6.6 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử 17

1.7 PHƯƠNG PHÁP HVG –AAS, ICP-MS, PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ MẪU

VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KẾT QUẢ 19

1.7.1 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng kĩ thuật hidrua hóa (HVG-AAS) 19

1.7.2 Phương pháp phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS) 21

1.7.3 Phương pháp xử lý mẫu 23

1.7.4 Phương pháp xử lý và đánh giá kết quả 24

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 29

2.1 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 29

2.1.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 29

2.1.3 Phương pháp xử lý kết quả 30

2.2 THIẾT BỊ, DỤNG CỤ, HÓA CHẤT 30

2.2.1 Thiết bị 30

2.2.2 Dụng cụ 30

2.2.3 Hóa chất 31

2.2.4 Chuẩn bị hóa chất và dung dịch chuẩn 31

2.3 LẤY MẪU VÀ XỬ LÝ MẪU 32

2.3.1 Lấy mẫu 32

2.3.2 Xử lý mẫu sơ bộ 33

2.4 PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ MẪU VÀ QUY TRÌNH PHÂN TÍCH ASEN 34

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 38

3.1 CÁC THÔNG SỐ CỦA MÁY ĐO- 240FS AA AGILENT 38

3.1.1 Chọn vạch phổ 38

3.1.2 Chọn độ rộng khe đo 38

3.1.3 Chọn cường độ dòng đèn catot rỗng (HCL) 38

3.1.4 Chiều cao đèn nguyên tử hóa (chiều cao Burner) 38

3.1.5 Khảo sát tốc độ khí cháy – khí axetilen 39

3.2 KHẢO SÁT CÁC ĐIỀU KIỆN TẠO HỢP CHẤT HIDRUA CỦA ASEN 40 3.2.1 Khảo sát tỷ lệ các chất tham gia tại buồng phản ứng 40

3.2.2 Khảo sát tốc độ khí mang – khí Argon 43

3.2.3 Khảo sát nồng độ hỗn hợp khử NaBH4 và HCl 44

3.2.4 Khảo sát điều kiện khử As(V) về As(III) 46

3.2.5 Khảo sát ảnh hưởng của các kim loại khác tới phép đo 48

3.3 ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 52

3.3.1 Khoảng tuyến tính 52

3.3.2 Đường chuẩn 53

3.3.3 Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) 54

3.3.4 Độ chụm của phép đo (độ lặp lại) 55

3.3.5 Độ lặp lại và độ đúng của phương pháp 56

3.4 TỔNG KẾT CÁC ĐIỀU KIỆN ĐO HVG – AAS 57

3.5 ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH MỘT SỐ MẪU THỰC TẾ 58

3.6 PHÂN TÍCH MẪU BẰNG ICP-MS 62

3.7 SO SÁNH KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ASEN BẰNG PHƯƠNG PHÁP HVG -AAS VỚI KẾT QUẢ PHÂN TÍCH BẰNG PHƯƠNG PHÁP ICP-MS 68

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

Spectrometry

Phép đo quang phổ hấp thụ nguyên tử

The Food and Agriculture Organization of the United Nations

Tổ chức nông lương Liên Hiệp Quốc

Thực phẩm Hoa Kỳ HVG - AAS

Hydride vapor generator Atomic absorption

-spectrometry

Phép đo quang phổ hập thụ nguyên tử sử dụng kĩ thuật hidrua hóa

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1: Các thông số vật lý của asen 5

Bảng 1.2: Một số dạng asen hữu cơ và vô cơ 7

Bảng 1.3: Bảng giới hạn tối đa asen cho phép trong thực phẩm (QĐ 46/2007 của Bộ Y tế) 14

Bảng 2.1: Tên mẫu và kí hiệu mẫu 33

Bảng 2.2: Chương trình nhiệt độ vô cơ hóa mẫu trong lò vi sóng 35

Bảng 3.1: Sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào lưu lượng khí axetilen 39

Bảng 3.2: Ảnh hưởng của tốc độ hút NaBH4 và HCl tới độ hấp thụ quang của As 41

Bảng 3.3: Ảnh hưởng của tốc độ hút mẫu tới độ hấp thụ quang của As 42

Bảng 3.4: Sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào tốc độ khí Argon 43

Bảng 3.5: Ảnh hưởng của nồng độ NaBH4 đến độ hấp thụ của As 44

Bảng 3.6: Ảnh hưởng của nồng độ chất khử HCl đến độ hấp thụ của As 45

Bảng 3.7: Ảnh hưởng của nồng độ thuốc thử KI đến quá trình khử As(V) 47

Bảng 3.8: Ảnh hưởng của thời gian khử As(V) 48

Bảng 3.9: Ảnh hưởng của ion Se(IV) đến độ hấp thụ của As 49

Bảng 3.10: Ảnh hưởng của ion Fe(III) đến độ hấp thụ của As 50

Bảng 3.11: Ảnh hưởng của ion Cu(II) đến độ hấp thụ của As 50

Bảng 3.12: Ảnh hưởng của ion Sb(III) đến độ hấp thụ của As 51

Bảng 3.13: Ảnh hưởng của ion Bi(III) đến độ hấp thụ của As 51

Bảng 3.14: Ảnh hưởng của ion Hg(II) đến độ hấp thụ của As 52

Bảng 3.15: Sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào nồng độ 52

Bảng 3.16: Giới hạn phát hiện của asen trên nền mẫu sữa tiệt trùng 55

Bảng 3.17: Kết quả khảo sát độ lặp lại của phép đo 55

Bảng 3.18: Kết quả phân tích độ lặp lại và độ đúng của phương pháp trên nền mẫu cà chua 56

Bảng 3.19: Tổng kết các điều kiện đo HVG- AAS 57

Bảng 3.20: Kết quả phân tích mẫu thực tế bằng phương pháp đường chuẩn 58

Bảng 3.21: Kết quả xác định hiệu xuất thu hồi trên các mẫu thêm chuẩn 60

Bảng 3.22: Điều kiện chạy máy ICP-MS (Nexion 300Q) 63

Bảng 3.23: Sự phụ thuộc của nồng độ vào tỷ số cường độ tín hiệu của chất nội chuẩn và cường độ tín hiệu của asen 64

Bảng 3.24: Kết quả phân As trong các mẫu nghiên cứu bằng ICP-MS 66 Bảng 3.25: Kết quả phân tích As bằng phương pháp HVG-AAS và ICP-MS 68

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1: Vòng tuần hoàn của asen trong môi trường 4

Hình 1.2: Quá trình chuyển hóa của các dạng asen trong môi trường 4

Hình 1.3: Một số hình ảnh về nạn nhân nhiễm độc asen 10

Hình 1.4: Bản đồ ô nhiễm asen trên thế giới 12

Hình 1.5: Biểu đồ ô nhiễm asen tại các tỉnh phía Bắc ở Việt Nam 13

Hình 1.6: Mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ Aλ và nồng độ chất phân tích CX 21

Hình 2.1: Sơ đồ quy trình xử lý mẫu phân tích asen bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng kĩ thuật hidrua hóa 36

Hình 2.2: Sơ đồ quy trình xử lý mẫu phân tích asen bằng ICP-MS 37

Hình 3.1: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của As theo lưu lượng khí axetilen 39

Hình 3.2: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ hấp thụ quang của As theo tốc độ hút NaBH4 và HCl 41

Hình 3.3: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của As theo tốc độ dẫn mẫu 42

Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của As theo tốc độ khí mang 43

Hình 3.5: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của As theo nồng NaBH4 44 Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ hấp thụ quang của As theo nồng độ axit HCl 46 Hình 3.7: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của As(V) theo nồng độ KI 47

Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của As(V) theo thời gian khử 48

Hình 3.9: Đồ thị khảo sát khoảng tuyến tính của đường chuẩn 53

Hình 3.10: Đường chuẩn xác định Asen 53

Hình 3.11: Đường chuẩn xác định Asen bằng ICP-MS 65

MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển của xã hội và khoa học công nghệ thì chất lượng cuộc sống của con người ngày càng được chú trọng và nâng cao Trong đó vấn đề đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm được xã hội đặc biệt quan tâm Hiện nay các chất độc tồn tại trong môi trường tự nhiên như: đất, nước, không khí và đi vào thực phẩm, nước uống, từ đó qua con đường ăn uống gây ngộ độc cho con người Asen là chất có độc tính cao, có thể gây chết người khi bị nhiễm độc cấp tính (liều lượng 0,15g/người) và khi bị nhiễm độc mãn tính có thể gây ra rất nhiều bệnh khác nhau, trong đó có các bệnh nan y như ung thư da, phổi… Bệnh nhiễm độc mãn tính asen là một tai họa đối với sức khỏe con người

Asen là nguyên tố vi lượng, nó đứng thứ 20 và chiếm khoảng 1.10-4 % tổng nguyên tố trong vỏ trái đất Hàm lượng trung bình của asen trong vỏ trái đất là 1,5- 2mg/kg Asen tồn tại phổ biến trong nước, không khí, thức ăn và đất Asen có mặt trong rất nhiều loại thực phẩm như: nước uống, hải sản, các loại gia vị,…

Việc phân tích đánh giá hàm lượng asen trong nguồn nước và đặc biệt là trong thực phẩm, là việc làm cấp bách và là vấn đề quan tâm hàng đầu của các nhà khoa học Có rất nhiều phương pháp được sử dụng để xác định asen như: phương pháp phân tích thể tích, khối lượng, quang phổ hấp thụ nguyên tử, sắc ký, huỳnh quang Rơnghen, phân tích trắc quang, … Trong đó phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng kĩ thuật hidrua hóa là ưu việt hơn cả bởi nó có độ nhạy cao, kết quả phân tích ổn định, phù hợp cho việc phân tích nhiều mẫu

Xuất phát từ thực tế trên chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Xác định hàm

lượng asen trong thực phẩm bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng kĩ thuật hidrua hóa (HVG-AAS) và xác nhận lại bằng ICP-MS” Mục tiêu và

yêu cầu đạt được của đề tài là: Khảo sát và tìm ra các điều kiện tối ưu cho phương pháp, đánh giá độ chính xác của phương pháp, ứng dụng phương pháp vào phân tích một số mẫu thực phẩm cụ thể (rau, thủy sản, sữa) Xác định lại hàm lượng asen trên các mẫu nghiên cứu bằng phương pháp ICP-MS, phương pháp có độ nhạy và độ chính xác cao hơn So sánh kết quả phân tích bằng phương pháp nghiên cứu với kết quả phân tích bằng phương pháp ICP-MS để đánh giá độ đúng của phương pháp

ở dạng arsenic hoặc arsenate (AsO33-, AsO43-) Các hợp chất asen methyl có trong môi trường do chuyển hóa sinh học [2]

Asen còn có mặt trong thực phẩm, không khí, cơ thể động vật và con người với nồng độ rất nhỏ Ở mức độ bình thường, nước tiểu chứa 0,005-0,04 mg/L, tóc chứa 0,08-0,25 mg/kg, móng tay móng chân chứa 0,43-1,08 mg/kg [23]

Hai môi trường có khả năng tích tụ nồng độ asen cao là: tại khu vực có khí hậu khô hạn đến bán khô hạn và tại những tầng nước ngầm có tính khử mạnh, thường gặp ở vùng chứa nhiều lắng cặn phù sa với nồng độ sulphate thấp Các tầng nước ngầm có nồng độ asen cao thường ở độ sâu từ 20-120m [2]

1.1.2 Sự phân tán của asen trong môi trường

Asen là một nguyên tố tồn tại khá phổ biến trong tự nhiên ở cả hai dạng vô

cơ và hữu cơ Asen là nguyên tố dễ tạo sunfua với lưu huỳnh, tạo hợp chất với selen, telua và đặc biệt là với đồng, sắt, niken, bạc Asen thường di chuyển trong đất, trong trầm tích, trong thực động vật và trong các vùng có hoạt động sinh học trong đại dương [2]

Trong địa quyển: Asen tích lũy trong một số thành tạo địa chất như khoáng

vật và quặng phong hóa ở lượng lớn nhưng khá phân tán Asen được bổ sung vào đất qua tích lũy từ nước, xâm nhập từ không khí và rác thải công nghiệp Lượng asen trong đất di chuyển do các quá trình địa chất, địa hóa và sinh địa hóa khác nhau Trong đất, các dạng asen vô cơ tham gia quá trình oxi hóa và metyl hóa nhờ các vi sinh vật [2], [25]

Trong thủy quyển: Sự phân tán và di chuyển của asen trong môi trường nước

đặc biệt quan trọng vì phần lớn các quá trình ô nhiễm đều do ô nhiễm nước Asen từ đất được giải phóng vào môi trường nước do quá trình oxi hóa các khoáng sunfua hoặc khử các khoáng oxi hidroxit giàu asen hay quá trình rửa trôi và khuếch tán tự nhiên Về cơ chế xâm nhiễm các kim loại nặng - trong đó

có asen - vào nước ngầm cho đến nay đã có nhiều giả thiết khác nhau nhưng vẫn chưa thống nhất Thông qua các quá trình thủy địa hóa và sinh địa hóa, các điều kiện địa chất thủy văn mà asen có thể xâm nhập vào môi trường nước Hàm lượng asen trong nước ngầm phụ thuộc vào tính chất và trạng thái môi trường địa hóa Nước ngầm trong những vùng trầm tích núi lửa, khu vực quặng hóa, mỏ dầu khí, mỏ than, thường giàu asen

Ngoài quá trình di chuyển từ đất vào nước, ô nhiễm asen trong nước còn do quá trình đào thải công nghiệp Lượng lớn asen trong công nghiệp và khai thác mỏ được đưa nhanh vào nguồn nước do thải trực tiếp hoặc quá trình rửa trôi gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường nước trên diện rộng do khả năng hòa tan cao của các hợp chất asen [1], [25]

Trong khí quyển: Lượng asen đi vào không khí chủ yếu do hai nguồn là khí

thải công nghiệp hay khí núi lửa và do vi sinh vật chuyển vào

Trong sinh vật quyển: Asen đi vào cơ thể thực vật qua nước hoặc đất là chủ

yếu, sau đó chuyển vào cơ thể động vật và bị hấp thụ, chuyển hóa và tích lũy một phần Asen xâm nhập vào cơ thể sinh vật, đặc biệt là cơ thể người theo nhiều con đường, trong đó phổ biến là qua đường tiếp xúc và qua tiêu hóa Phần lớn lượng asen đi vào cơ thể động vật bị chuyển hóa nhanh chóng và đào thải ra môi trường, tiếp tục chu trình vận chuyển của nó trong tự nhiên [1], [25]

Hình 1.1: Vòng tuần hoàn của asen trong môi trường

Hình 1.2: Quá trình chuyển hóa của các dạng asen trong môi trường

1.2 TÍNH CHẤT VÀ CÁC DẠNG TỒN TẠI CỦA ASEN

1.2.1 Tính chất vật lý

Asen hay còn gọi là thạch tín, là nguyên tố hóa học có ký hiệu là As Asen lần đầu tiên được Albertus Magnus (Đức) viết về nó năm 1250 Nó là một á kim và mang nhiều độc tính tương tự một số kim loại nặng như chì và thủy ngân Trong tự

nhiên asen tồn tại dưới ba dạng thù hình là: anpha- màu vàng, beta- màu đen, gama- màu xám Dạng vô cơ của asen độc hơn so với dạng hữu cơ Sau đây là một số thông số vật lý của asen [11]

Bảng 1: Các thông số vật lý của asen

Asen là nguyên tố trong dãy chuyển tiếp, có tính chất gần giống với nguyên

tố đứng trên nó là photpho, có tính chất gần với kim loại hơn tính á kim Asen có hai đồng vị là 75As (đồng vị bền) và 78As (đồng vị phóng xạ với chu kỳ bán rã là

1.2.2 Tính chất hóa học của asen

Asen có tính chất hóa học rất giống với nguyên tố đứng trên nó là photpho (P) Tương tự như photpho, nó tạo thành các oxit kết tinh, không màu, không mùi như As2O3 và As2O5 là những chất hút ẩm và dễ dàng hòa tan trong nước để tạo thành các dung dịch có tính axit Asen tạo thành hidrua dạng khí và không ổn định,

đó là asin (AsH3) Sự tương tự lớn đến mức asen sẽ thay thế phần nào cho photpho trong các phản ứng hóa sinh học vì thế nó gây ra ngộ độc Tuy nhiên, ở các liều

thấp hơn mức gây ngộ độc (50mg/L) thì các hợp chất asen hòa tan lại đóng vai trò của các chất kích thích và đã từng phổ biến với các liều lượng nhỏ như là các loại thuốc chữa bệnh cho con người vào giữa thế kỷ XVIII [5]

Cấu hình lớp vỏ điện tử hóa trị của asen là 4s2

4p3, trong cấu hình điện tử của asen có sự tham gia của obital d vì vậy có khả năng mở rộng vỏ hóa trị Trong các hợp chất của asen có ba giá trị oxi hóa phổ biến là: -3, +3, +5, trong đó số oxi hóa -

3 rất đặc trưng cho asen [11]

Asen bền trong không khí khô, nhưng bề mặt bị oxi hóa dần thành lớp xỉn màu đồng cuối cùng thành lớp vỏ màu đen bao quanh nguyên tố Khi đun nóng trong không khí, asen bắt cháy tạo thành asen trioxit- thực tế là tetraasen hexanoxit

As4O6, đun nóng trong oxi tạo thành asen pentoxit- thực tế là tetraasen đecanoxit

As4O10 và As4O6

Asen không phản ứng với nước trong điều kiện thiếu không khí hoặc các điều kiện thường Ở dạng bột nhỏ, asen bốc cháy trong khí clo tạo thành triclorua

2As + 3Cl2 → 2AsCl3 Khi đun nóng, asen cũng tương tác với brom, iot, lưu huỳnh

Về tính chất điện thế, asen đứng giữa hidro và đồng nên nó không tác dụng với các axit không có tính oxi hóa, nhưng dễ dàng phản ứng với các axit HNO3,

H2SO4 đặc…

3As + 5HNO3 + 2H2O → 3H3AsO4 + 5NO

4As + 3O2 → 2As2O3

As2O3 + O2 → As2O5 Các halogennua được tạo ra khi asen tham gia phản ứng với các halogen trong môi trường axit Các hợp chất này dễ bị thủy phân tạo axit tương ứng trong môi trường nước

2As + 5Cl2 + 8H2O→ 2H3AsO4 + 10HCl Trong điều kiện ẩm ướt các hợp chất asen sulfua dễ bị hòa tan, rửa trôi xâm nhập vào đất, nước, không khí

1.2.3 Các dạng tồn tại của asen

Có rất nhiều dạng khác nhau của asen vô cơ và asen hữu cơ Các dạng quan trọng nhất có liên quan đến sức khỏe con người được đưa ra trong bảng sau [1]

Bảng 1.2: Một số dạng asen hữu cơ và vô cơ

Asen (III) vô cơ

Asen (III)

hữu cơ

AsCl3 + 3H2O → H3AsO3 +3HCl

Khi khử H3AsO3 ta thu được khí asin, có mùi tỏi rất độc

H3AsO3 + 3Zn + 6HCl → 3ZnCl2 + AsH3 + 3H2O

H3AsO3 + CuSO4 → CuHAsO3 + H2SO4 CuHAsO3 có kết tủa màu vàng lục, trong môi trường kiềm nó tan trong dung dịch cho màu xanh

CuHAsO3 + NaOH → CuNaAsO3 + H2O

 Một số phản ứng đặc trưng của As+5

Một số hợp chất quan trọng của As+5 như: As2S5, H3AsO4, Ag3AsO4 Trong

đó As2S5 không tan trong nước và axit HCl, chỉ tan trong NaOH, HNO3, NH4OH vì vậy dựa vào tính chất này có thể xác định asen bằng phương pháp khối lượng

As2S5 + 3(NH4)2S → 2(NH4)3AsS4 Khi cho axit asenic tác dụng với molidat amoni (NH4)2MoO4 trong môi trường axit HNO3 cho kết tủa màu vàng, muối này dùng để định tính và định lượng asen

H3AsO4 + 12(NH4)2MoO4 + 21HNO3 → (NH4)3H4[As(Mo2O7)6] + 21NH4NO3 + 10H2O Trong hợp chất này As+5 có vai trò ion trung tâm điển hình tạo phức dị đa axit và phức dị đa axit này cũng có thể bị khử về phức dị đa màu xanh

 Một số phản ứng đặc trưng của AsH3

Trong hợp chất AsH3, asen thể hiện số oxi hóa -3, liên kết trong asin là liên kết cộng hóa trị Asin là một khí độc không màu, dễ bị phân hủy thành asen nguyên

tố trong môi trường không khí Asin có nhiệt độ nóng chảy là -1170C, nhiệt độ sôi

là -620C Asin có tính khử mạnh tác dụng với H2SO4 loãng, I2

2AsH3 + 6H2SO4 → 6SO2 + As2O3 + 9H2O AsH3 + 4I2 + 4H2O → H3AsO4 + 8HI

1.3 ỨNG DỤNG CỦA ASEN

Asen được biết đến và sử dụng rộng rãi tại Irăc và một vài nơi khác từ thời

cổ đại Trong thời kỳ đồ đồng, asen thường được đưa vào đồng thiếc để làm cho hợp kim trở nên cứng hơn (gọi là đồng thiếc asen)

Albertus Magnus (1193-1280) là người đầu tiên tách được nguyên tố asen vào năm 1250 Năm 1649, Johann Schroder công bố hai cách điều chế asen Chì asenat đã từng được sử dụng nhiều trong thế kỷ XX làm thuốc trừ sâu cho các loại cây ăn quả

Ứng dụng có nhiều e ngại nhất đối với cộng đồng là xử lý chống mối mọt và bào mòn cho gỗ bằng asenat đồng cromat, còn gọi là CCA hay tanalith Gỗ xẻ xử

lý bằng CCA vẫn còn phổ biến ở nhiều quốc gia, nó được sử dụng nhiều trong nửa cuối thế kỷ XX, mặc dù gỗ xẻ xử lý bằng CCA đã bị cấm ở nhiều khu vực Việc hấp thụ trực tiếp hay gián tiếp do việc đốt cháy gỗ xử lý bằng CCA có thể gây tử vong ở động vật cũng như gây ngộ độc nghiêm trọng ở người, liều gây tử vong ở người là khoảng 20mg tro [5]

Trong các thế kỷ XVIII, XIX, XX một lượng lớn các hợp chất của asen đã được sử dụng làm thuốc chữa bệnh Arsphenamin và neosalvarsan là những hợp chất của asen hữu cơ được chỉ định trong điều trị giang mai, nhưng đã bị loại bỏ bởi các loại thuốc kháng sinh hiện đại [10]

Asen (III) oxit đã được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau trong hơn 200 năm qua, nhưng phần lớn là điều trị ung thư Cục quản lý thực phẩm và dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) vào năm 2000 đã cho phép dùng hợp chất này trong điều trị các bệnh nhân bị bạch cầu cấp tính [10]

Đồng axeto asenic (Cu(C2H3O2)2.3Cu(AsO2)2) được sử dụng làm thuốc nhuộm màu xanh lục dưới nhiều tên gọi khác nhau, như “lục pais” hay “lục ngọc bảo” Nó gây ra nhiều ngộ độc asen

Gali asenua là một vật liệu bán dẫn quan trọng, sử dụng trong công nghệ chế tạo mạch tích hợp (IC), các mạch này có nhiều ưu điểm hơn so với các mạch dùng silic Asenat hidro chì đã từng được sử dụng nhiều trong thế kỷ 20, làm thuốc trừ sâu cho các loại cây ăn quả Việc sử dụng nó đôi khi tạo ra các tổn thương não đối với những người phun thuốc này

1.4 ĐỘC TÍNH VÀ CƠ CHẾ GÂY ĐỘC CỦA ASEN

Về đặc điểm sinh học, asen có vai trò quan trọng đối với sinh vật, ở hàm lượng nhỏ asen có khả năng kích thích sự phát triển của sinh vật Nhưng ở nồng độ cao, asen gây độc cho người, động thực vật Nếu bị nhiễm độc cấp tính, asen có thể gây tử vong trong vòng vài giờ đến một ngày Trong môi trường tiếp xúc thường xuyên với asen ở nồng độ vượt quá độ an toàn nhưng chưa thể gây độc cấp tính, asen sẽ gây độc mãn tính và thường biểu hiện ở các triệu chứng lâm sàng như: mệt

mỏi, chán ăn, giảm trọng lượng cơ thể, xuất hiện các bệnh về dạ dày, ngoài da (hội chứng đen da, ung thư da), rối loạn chức năng gan [7]

Hình 1.3: Một số hình ảnh về nạn nhân nhiễm độc asen

Asen đi vào cơ thể bằng tất cả các con đường như: hít thở, ăn uống và thẩm thấu qua da Khi vào cơ thể, đặc biệt là các As (III) tấn công ngay lập tức vào các enzyme

có chứa nhóm –SH và cản trở hoạt động của chúng Phản ứng xảy ra như sau:

As (III) ở nồng độ cao còn làm đông tụ protein, tạo phức với coenzyme và phá hủy quá trình hoạt động photphat hóa để tạo ra ATP, có lẽ do As (III) tấn công vào các liên kết có nhóm sunfua Tuy nhiên, phần lớn As (III) hấp thụ vào cơ thể đều nhanh chóng bị triệt tiêu qua đường tiết niệu đào thải asen chưa metyl hóa và thông qua hoạt động khử độc của gan bằng cách metyl hóa thành MeAsO3H2 (metylasonic acid ) hoặc Me2AsO2H (dimetylasenic acid) [22]

Asenat cũng giống như photphat, dễ tủa với các kim loại và ít độc hơn so với asenit, vào cơ thể asenat sẽ thế chỗ của photphat trong chuỗi phản ứng tạo adenozintriphotphat (ATP) do đó ATP sẽ không được tạo thành Các dạng asen hữu cơ có tính độc thấp hơn rất nhiều, một số hợp chất As (V) vô cơ thậm chí không độc

1.5 THỰC TRẠNG Ô NHIỄM ASEN TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

1.5.1 Thực trạng ô nhiễm asen trên thế giới

Nhiễm bẩn asen trong nước ngầm đã dẫn tới đại dịch ngộ độc asen tại Bangladesh và các nước láng giềng vào những năm 90 của thế kỷ XX đã làm hàng triệu người chết Qua phân tích cho thấy nồng độ asen nhiều nơi đã vượt quá giới hạn cho phép của WHO (10µg/L) Ở Manikaganj, Harirampar, Faridpur, Gopalganj (Bangladesh) có 19 mẫu thì 14 mẫu vượt quá tiêu chuẩn cho phép của Bangladesh (50µg/l), riêng vùng Hairampar cả 4 mẫu đều trên 100µg/l [32]

Còn ở phía tây nam Đài Loan nồng độ asen trung bình từ 147-671 µg/l và người dân sử dụng nước ở đây đã bị bệnh đen chân Hai khu vực của Achentina

là San Antonio delos Codres và Taco poro, mỗi nơi nồng độ asen khoảng 200µg/l [7]

Đầu năm 1978 có một báo cáo về sự nhiễm asen trong nước ngầm ở phía đông sông Hoogky, một nhánh sông Hằng phía tây Bengal Tuy nhiên đến tận tháng 7/1983 thì nhóm bệnh nhân đầu tiên mới được phát hiện Kể từ đó phạm vi ảnh hưởng và số bệnh nhân mới ngày càng tăng cao Khu vực ảnh hưởng rộng

3400 km2, xấp xỉ 30 triệu dân, số người sử dụng nước nhiễm độc asen lên tới 1triệu người, trong đó hơn 200000 người đã được xác nhận là có triệu chứng nhiễm độc asen Đây là vụ nhiễm độc lớn nhất trong lịch sử [7]

Hiện tượng ô nhiễm nguồn nước ngầm cung cấp nước uống cho hơn một triệu giếng ở Bangladesh và tây Bengal với nồng độ vượt quá giới hạn 50µg/l đã gây nguy hiểm cho hơn 20 triệu người sử dụng nguồn nước này

Hình 1.4: Bản đồ ô nhiễm asen trên thế giới

1.5.2 Thực trạng ô nhiễm asen tại Việt Nam

Ở Việt Nam vào đầu những năm 1990, vấn đề ô nhiễm asen được biết đến qua các nghiên cứu của Viện Địa chất và các Liên đoàn địa chất về đặc điểm địa chất thủy văn và đặc điểm phân bố asen trong tự nhiên Theo nghiên cứu khảo sát phân tích nước bề mặt và các nguồn nước đổ ra sông Mã ở khu vực Đông Nam Bản Phúng – Văn Bàn – Lào Cai, hàm lượng asen trong các mẫu nước đều vượt quá 0,05mg/L[2]

Từ 1995 đến 2000, nhiều công trình nghiên cứu điều tra về nguồn gốc asen

có trong nước ngầm, mức độ ô nhiễm, chu trình vận chuyển đã tìm thấy nồng độ asen trong các mẫu nước khảo sát ở khu vực thượng lưu sông Mã, Sơn La, Phú Thọ, Bắc Giang, Hưng Yên, Hà Nội, Hà Nam, Nam Định, Thanh Hóa đều vượt tiêu chuẩn cho phép đối với nước sinh hoạt của Quốc tế và Việt Nam

Hình 1.5: Biểu đồ ô nhiễm asen tại các tỉnh phía Bắc ở Việt Nam

Trong hơn hai năm (2003-2005), Chính phủ Việt Nam và UNICEF đã khảo sát về nồng độ asen trong nước của 71000 giếng khoan thuộc 17 tỉnh đồng bằng miền Bắc, Trung, Nam Kết quả phân tích cho thấy, nguồn nước giếng khoan của các tỉnh thuộc lưu vực sông Hồng: Hà Nam, Nam Định, Hà Tây, Hưng Yên, Hải Dương và các tỉnh An Giang, Đồng Tháp thuộc lưu vực sông Mê Công đều bị nhiễm asen rất cao Tỷ lệ các giếng có nồng độ asen từ 0,1 mg/L đến trên 0,5mg/L (cao hơn tiêu chuẩn cho phép của Việt Nam và tổ chức Y tế thế giới 10-50 lần) dao động từ 59,6 - 80% [6], [18]

Bộ Khoa học và công nghệ, Viện Y học lao động và vệ sinh môi trường tiến hành nghiên cứu trong ba năm (2007-2009) về ảnh hưởng của ô nhiễm asen trong nước ngầm sinh hoạt đến sức khỏe, bệnh tật của cộng đồng dân cư đồng bằng sông Hồng Kết quả cho thấy có tới 2/3 số hộ được nghiên cứu vẫn dùng nước (sau khi lọc) có hàm lượng asen vượt mức cho phép (> 10µg/l) Đặc biệt có tới 14,7% số hộ dân sử dụng nước uống có hàm lượng asen cao hơn mức 50µg/l gặp nhiều nhất ở Vĩnh Phúc, Hà Nội, Nam Định Với nguồn nước nhiễm asen ở mức trên 250µg/l thì người dùng chỉ sau sáu tháng là phát bệnh mà đến nay chưa có một phương pháp điều trị nào có thể tẩy độc asen ra khỏi cơ thể [6]

1.5.3 Giới hạn tối đa cho phép

Giới hạn an toàn cho phép là mức giới hạn tối đa (ML) hàm lượng một chất ô nhiễm kim loại nặng được phép có trong thực phẩm

Lượng ăn vào hàng tuần có thể chấp nhận được tạm thời (Provisional Tolerable Weekly Intake) (PTWI): là lượng một chất ô nhiễm kim loại nặng được đưa vào cơ thể hàng tuần mà không gây ảnh hưởng có hại đến sức khoẻ con người (đơn vị tính: mg/kg thể trọng) [14]

Bảng 1.3: Bảng giới hạn tối đa asen cho phép trong thực phẩm

PTWI (Arsen): 0,015 mg/kg thể trọng (tính theo arsen vô cơ)

1.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG ASEN

1.6.1 Phương pháp phân tích khối lượng và phân tích thể tích

1.6.1.1 Phương pháp phân tích khối lượng

Đặc điểm của phương pháp này là ảnh hưởng của một số ion kim loại có thể gây nhiễm bẩn, gây sai số đáng kể Ngày nay phương pháp phân tích khối lượng ít được sử dụng, nó được thay thế bằng các phương pháp công cụ cho độ chính xác cao và đơn giản hơn [13], [16]

Xác định asen dựa trên việc kết tủa As2S3 bằng dithioaxetamit trong môi trường axit HCl, hoặc H2SO4 hoặc HClO4 0,1N Dung dịch chứa kết tủa được đun trên bếp cách thủy, lọc lấy kết tủa sấy khô ở 2000C đến khối lượng không đổi, rửa lại bằng nước cất và làm khô ở nhiệt độ 1700C Cân kết tủa và tính hàm lượng asen tương ứng Tuy nhiên phương pháp này chỉ áp dụng với mẫu có hàm lượng asen lớn

và thực hiện qua nhiều công đoạn [13], [16]

1.6.1.2 Phương pháp phân tích thể tích

Dùng dung dịch chuẩn I2 + KI chuẩn độ dung dịch asenic ( AsO33-) trong môi trường kiềm có thêm vài giọt hồ tinh bột Tại điểm cuối của phép chuẩn độ có màu xanh hồ tinh bột + iôt Để đảm bảo độ chính xác của phép chuẩn độ cần đưa mọi dạng tồn tại của asen về As (III) [13], [16]

I2 + AsO33- + 2OH- → AsO43- + 2I- + H2O

1.6.2 Phương pháp phân tích trắc quang

Nguyên tắc của phương pháp là dựa trên khả năng tạo phức màu của chất phân tích với một thuốc thử nào đó Đo độ hấp thụ quang của phức màu ta sẽ biết được nồng độ chất cần phân tích [6], [13], [15]

Có thể xác định asen bằng thuốc thử bạc dietyldithiocacbamat, asen trong dung dịch phân tích sẽ được khử về asin bằng natri hidroborat ở môi trường pH = 6, khí asin được dẫn đi trong dòng N2 qua bình thủy tinh đựng chì axetat, sau đó được dẫn vào bình chứa bạc dietyldithiocacbamat, ở đó asen sẽ tạo phức màu đỏ với bạc dietyldithiocacbamat có bước sóng hấp thụ quang là 520nm Trong phương pháp này sunfua của các nguyên tố kim loại: crom, coban, đồng, thủy ngân có ảnh hưởng đến việc xác định asen, song có thể loại trừ ảnh hưởng bằng cách dùng chì axetat để giữ lại khí sunfua Đặc biệt antimony có ảnh hưởng nhiều đến việc xác định asen do hợp chất SbH3 cũng tạo ra trong quá trình tạo asin và cũng tạo phức màu đỏ với bạc dithiocacbamat Phức này có bước sóng hấp thụ quang là 510nm, nhưng chỉ khi hàm lượng antimony lớn hơn 5 mg/L mới có ảnh hưởng Vì vậy phương pháp này chỉ cho phép xác định asen trong mẫu có hàm lượng antimony nhỏ Độ nhạy và độ chính xác của phương pháp này tương đối cao, cho phép xác định cỡ 1 µg/ml [6], [13], [15]

1.6.3 Phương pháp đo hiện trường với chất nhuộm thủy ngân bromua

Asen (III) và asen (V) được chuyển thành khí AsH3 nhờ hỗn hợp khử mạnh

NH2SO3H – axit sunfamic và NaBH4 – natri bohidrua Khí asin tạo thành sẽ tạo phức với thủy ngân bromua được tẩm trên giấy và chuyển thành màu vàng Việc định lượng dựa vào màu trên giấy hoặc độ đậm nhạt của màu Giới hạn phát hiện của phương pháp là 10µg/L Tuy nhiên độ hấp thụ quang có thể bị ảnh hưởng bởi

khí H2S, cần dùng bông lọc chứa chì axetat để hấp thụ khí này Phương pháp này được ứng dụng đo hiện trường với số lượng mẫu lớn, chủ yếu cho mục đích sàng lọc trên diện rộng [6]

1.6.4 Phương pháp Von - Ampe hòa tan

Cơ sở của phương pháp Von - Ampe hòa tan là xây dựng đường cong phụ thuộc giữa cường độ dòng điện và hiệu điện thế giữa hai điện cực được đặt trong bình điện phân chứa chất cần phân tích Phương pháp Von – Ampe hòa tan có các giai đoạn chính sau [6], [12], [17]:

Khi điện phân làm giàu cần chọn thế thích hợp và giữ không đổi trong suốt quá trình điện phân Thông thường người ta chọn thế ứng với dòng khuếch tán giới hạn của chất cần phân tích và tại thế đó chỉ có một số tối thiểu các chất bị oxi hóa hoặc khử trên điện cực Các loại phản ứng có thể dùng để kết tủa lên bề mặt điện cực có thể là [6], [12], [17]:

- Khử ion kim loại trên điện cực thủy ngân:

- Nếu điện phân là quá trình oxi hóa anot ở thế không đổi ETL thì khi hòa tan cho quét thế với tốc độ không đổi, đủ lớn từ giá trị ETL về phía âm hơn Quá trình hòa tan là quá trình canot và phương pháp gọi là “ Von – Ampe hòa tan canot” hay

viết tắt là CSV (Cathodic stripping voltammetry) [6], [12], [17]

1.6.5 Phương pháp phổ phát xạ nguyên tử cảm ứng cộng hưởng plasma AES)

(ICP-Dung dịch mẫu được phun ở dạng sol khí tới vùng plasma argon có nhiệt độ từ

60000K đến 80000K, tại đó asen được nguyên tử hóa và phát xạ bước sóng đặc trưng Nồng độ asen trong mẫu được xác định dựa trên cường độ vạch phát xạ Giới hạn phát hiện của phương pháp là 35 – 50 µg/L Phương pháp này có thể xác định nhiều nguyên tố cùng một lúc và được áp dụng đối với tất cả các loại nền màu khác nhau Tuy nhiên các mẫu lỏng và rắn chứa nhiều kết tủa cần phải xử lý trước khi phân tích [8], [37]

1.6.6 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử

Khi nguyên tử tồn tại tự do ở thể khí và ở trạng thái năng lượng cơ bản thì nguyên tử không thu hay không phát ra năng lượng Tức là nguyên tử ở trạng thái

cơ bản Song, nếu chiếu vào đám hơi nguyên tử tự do một chùm tia sáng đơn sắc có bước sóng phù hợp, trùng với bước sóng vạch phổ phát xạ đặc trưng của nguyên tố phân tích, chúng sẽ hấp thu nguyên tia sáng đó và sinh ra một loại phổ của nguyên

tử Phổ này được gọi là phổ hấp thụ của nguyên tử Với hai kĩ thuật nguyên tử hóa, nên chúng ta có hai phép đo tương ứng Đó là phép đo phổ hấp thụ nguyên tử trong ngọn lửa (F- AAS có độ nhạy cỡ 0,1ppm) và phép đo phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lủa (GF- AAS có độ nhạy cỡ 0,1- 1µg/L) [9]

Phép đo phổ F- AAS: Kĩ thuật F- AAS dùng năng lượng của ngọn lửa đèn khí để hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu phân tích Do đó mọi quá trình xảy ra trong khi nguyên tử hóa mẫu phụ thuộc vào đặc trưng và tính chất của ngọn lửa đèn khí nhưng chủ yếu là nhiệt độ ngọn lửa Đây là yếu tố quyết định hiệu suất nguyên tử hóa mẫu phân tích, mọi yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ ngọn lửa đèn khí đều ảnh hưởng đến kết quả của phương pháp phân tích [9], [20]

Phép đo phổ GF- AAS: Kĩ thuật GF- AAS ra đời sau kĩ thuật F- AAS nhưng

đã được phát triển rất nhanh, nó đã nâng cao độ nhạy của phép xác định lên gấp hàng trăm lần so với kĩ thuật F- AAS Mẫu phân tích bằng kĩ thuật này không cần làm giàu sơ bộ và lượng mẫu tiêu tốn ít Kĩ thuật GF-AAS là quá trình nguyên tử hóa tức khắc trong thời gian rất ngắn nhờ năng lượng nhiệt của dòng điện có công suất lớn và trong môi trường khí trơ argon Quá trình nguyên tử hóa xảy ra theo các giai đoạn kế tiếp nhau: sấy khô, tro hóa luyện mẫu, nguyên tử hóa để đo phổ hấp thụ nguyên tử, cuối cùng là làm sạch và làm lạnh cuvet Nhiệt độ trong cuvet graphit là yếu tố quyết định mọi diễn biến của quá trình nguyên tử hóa mẫu [9], [20]

Sự ra đời và phát triển kĩ thuật hidrua hóa: Năm 1969, Holak đã sử dụng kĩ thuật tạo hidrua kết hợp với hấp thụ nguyên tử Ông dùng hỗn hợp kim loại và axit (kẽm và axit clohydric) để thực hiện phản ứng khử

C2H2 – KK (không khí) có nhiều ưu điểm hơn và được sử dụng nhiều hơn Cũng có thể đốt nóng ống thạch anh bằng lò điện và sự phân hủy AsH3 xảy ra trong môi trường khí trơ (Ar hoặc Ne, He) Ưu điểm của việc đốt nóng ống thạch anh bằng lò điện là có thể điều khiển để đạt được nhiệt độ tối ưu nhất, nhiệt độ phân bố cho ống thạch anh đều hơn, độ nhiễu nền thấp hơn [9], [16], [20]

Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử với kĩ thuật hydua hóa có những

ưu điểm như tách được chất phân tích ra khỏi nền của mẫu nên loại trừ được nhiều yếu tố ảnh hưởng, đồng thời cũng làm giàu được chất phân tích nên có giới hạn phát

hiện rất nhỏ Ngoài ra phương pháp này có độ chọn lọc cao, dễ thực hiện, dùng cho được hầu hết các đối tượng mẫu và chi phí hóa chất không lớn Do đó đây là phương pháp được sử dụng nhiều trong các phòng thí nghiệm

Char Charles Kabengera và cộng sự đã tối ưu hóa và xác nhận giá trị sử dụng của phương pháp xác định hàm lượng asen trong thực phẩm bằng phương pháp quang phổ kĩ thuật hidrua hóa sau khi vô hóa mẫu bằng axit HNO3 và H2O2 Phương pháp có giới hạn định lượng thấp 0,6 µg/L Sau khi được xác nhận giá trị sử dụng, phương pháp này đã được sử dụng để xác định hàm lượng asen trong thực phẩm ở Rwanda [25]

Đã có các phương pháp tiêu chuẩn về sử dụng kĩ thuật hidrua để xác định asen cho các đối tượng mẫu như nước và một số đối tượng thực phẩm như tiêu chuẩn ASTM D 2972 – 03 xác định asen trong nước [23], AOAC 977.33 xác định asen trong thịt [21], AOAC 986.1 xác định asen trong thức ăn của vật nuôi [20]

1.7 PHƯƠNG PHÁP HVG –AAS, ICP-MS, PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ MẪU VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KẾT QUẢ

1.7.1 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng kĩ thuật hidrua hóa (HVG-AAS)

Nguyên tắc của phương pháp: Dựa vào tính chất của một số nguyên tố (các ion của nó) có khả năng phản ứng với hidro mới sinh tạo ra hợp chất hidrua ở trạng thái khí, dễ bị nguyên tử hóa thành các nguyên tử tự do có khả năng hấp thụ quang sinh ra phổ hấp thụ nguyên tử của nó Trong bình phản ứng, khi hợp chất hidrua được hình thành, dùng khí trơ argon dẫn ngay nó vào cuvet thạch anh để nguyên tử hóa và đo phổ

Trong các hợp chất, asen thường thể hiện số oxi hóa +3 và +5 mà phản ứng của ion hóa trị cao với hidro mới sinh thường rất chậm, nên người ta phải khử trước As(V) về As(III) rồi mới tiến hành phản ứng, thì sẽ cho kết quả ổn định và tốt hơn Sau khi đã chuyển về As (III), sử dụng chất khử là NaBH4 trong môi trường axit để đưa asen về dạng asin Ta có phản ứng :

NaBH4 + 3H2O + HCl → H3BO3 + 8H* + NaCl

H là hidro mới sinh có tính khử mạnh nên khi có mặt các hợp chất của asen nó thực hiện ngay quá trình khử :

2AsO33- + 16H* → AsH3 + 4H2O + H2Hợp chất AsH3 được mang vào buồng nguyên tử hóa bằng dòng khí trơ (Ar) liên tục Dùng năng lượng ngọn lửa C2H2 – không khí làm nguồn duy trì đám hơi nguyên tử asen, chiếu chùm tia đơn sắc từ đèn catot rỗng của asen vào đám hơi nguyên tử, khi đó asen sẽ hấp thụ những tia nhất định (asen ở bước sóng 193,7 nm

là nhậy nhất) Sau đó nhờ bộ phận thu và phân ly phổ hấp thụ ta chọn và đo cường

độ vạch phổ phân tích để phục vụ cho việc định lượng nó

Phép định lượng của phương pháp

Nếu chiếu chùm tia đơn sắc λ vào môi trường có các nguyên tử tự do của nguyên tố M ở thể khí, và gọi Aλ là cường độ của một vạch phổ hấp thụ λ, thì sự hấp thụ bức xạ của nguyên tử cũng tuân theo định luật Lambe- Bear Chúng ta có:

a = k.k2 là hằng số thực nghiệm phụ thuộc vào tất cả các điều kiện thực nghiệm để hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu

Trong các phép đo ta thường tìm được một giá trị C = C0 mà:

+ Mọi Cx < C0 thì b= 1, quan hệ giữa Aλ và Cx là tuyến tính

+ Mọi Cx > C0 thì 0<b<1 quan hệ giữa Aλ và Cx là không tuyến tính

C0 được gọi là giới hạn quan hệ tuyến tính

Hình 1.6: Mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ A λ và nồng độ chất phân tích C X

1.7.2 Phương pháp phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS)

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

đồng thời được hàng loạt các kim loại trong thời gian phân tích ngắn [35]

Nguyên tắc của phương pháp ICP-MS: Mẫu được dẫn vào buồng tạo sol khí, sau đó một phần rất nhỏ mẫu được dẫn vào ngọn lửa plasma, plasma có nhiệt độ rất cao hóa hơi, nguyên tử hóa và ion hóa chất phân tích, sinh ra các ion (M+), các ion M+ được thu dẫn vào buồng phân giải phổ khối (m/Z), bằng thiết bị phân tích khối

Aλ

CX

CO

lượng có từ tính và độ phân giải cao phát hiện, khuyếch đại tín hiệu và đếm bằng thiết bị điện tử kĩ thuật số [35]

Các quá trình xảy ra trong nguồn ICP:

- Hóa hơi chất mẫu, nguyên tử hóa các phân tử, ion hóa các nguyên tử, sự phân giải của các ion theo số khối sẽ sinh ra phổ ICP-MS:

Hóa hơi: MnXm(r)  Mnxm(k)

Phân li: MnXm(k)  nM(k) + mX(k)

Ion hóa: M(k)0 + Enhiệt  M(k)+

- Thu toàn bộ đám hơi ion của mẫu, lọc và phân ly chúng thành phổ nhờ hệ thống phân giải khối theo số khối của ion, phát hiện chúng bằng detector, ghi lại phổ

- Đánh giá định tính, định lượng phổ thu được

Như vậy thực chất phổ ICP - MS là phổ của các nguyên tử ở trạng thái khí tự

do đã bị ion hóa trong nguồn năng lượng cao tần ICP theo số khối các chất

* Ưu điểm của phương pháp phân tích bằng ICP-MS

- Nguồn ICP là nguồn năng lượng kích thích phổ có năng lượng cao, nó cho phép phân tích hơn 70 nguyên tố từ Li – U và có thể xác định đồng thời chúng với độ nhạy

và độ chọn lọc rất cao (giới hạn phát hiện từ ppb-ppt đối với tất cả các nguyên tố)

- Khả năng phân tích bán định lượng rất tốt do không cần phải dùng mẫu chuẩn mà vẫn đạt độ chính xác cao; có thể phân tích các đồng vị và tỷ lệ của chúng

- Tuy có độ nhạy cao nhưng nguồn ICP lại là nguồn kích thích phổ rất ổn định, nên phép đo ICP - MS có độ lặp lại cao và sai số rất nhỏ

- Phổ ICP - MS ít vạch hơn phổ ICP - AES nên có độ chọn lọc cao, ảnh hưởng thành phần nền hầu như ít xuất hiện, nếu có thì cũng rất nhỏ, dễ loại trừ

- Vùng tuyến tính trong phép đo ICP - MS rộng hơn hẳn các kĩ thuật phân tích khác, có thể gấp hàng trăm lần và khả năng phân tích bán định lượng rất tốt do không cần dùng mẫu chuẩn mà vẫn cho kết quả tương đối chính xác

- Ngoài ra ICP-MS còn được sử dụng như là một detector cho LC, CE, GC

Với nhiều ưu điểm vượt trội, kĩ thuật phân tích ICP - MS được ứng dụng rộng rãi để phân tích nhiều đối tượng khác nhau đặc biệt là trong các lĩnh vực phân tích vết và siêu vết phục vụ nghiên cứu sản xuất vật liệu bán dẫn, vật liệu hạt nhân, nghiên cứu địa chất và môi trường

Cục quản lý thực phẩm và dược phẩm Hoa Kỳ - FDA, họ kết hợp hai phương pháp sắc ký lỏng và ICP-MS để tách và xác định hàm lượng các dạng asen trong gạo và các sản phẩm từ gạo [31]

Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ - EPA, Cơ quan này đã xây dựng và phát triển phương pháp xác định đồng thời 13 nguyên tố (Al, As, Cd, Cr, Cu, Pb, Mn, Ni, Se,

Ag, Tl, V và Zn) trong nước thải dùng để xử lý khí sunfua Phương pháp có giới hạn phát hiện thấp, riêng Zn và Se có giới hạn phát hiện cỡ 1µg/L, các nguyên tố còn lại

có giới hạn phát hiện nhỏ hơn 1 µg/L [26]

Gang Li đã làm nghiên cứu về xác định lượng vết các nguyên tố Fe, Cu, Zn,

Mg và lượng siêu vết các nguyên tố Co, Mn, Pb, Cd trong huyết thanh bằng phương pháp ICP-MS, các kết quả phân tích mẫu chuẩn rất gần với giá trị thực [28]

1.7.3 Phương pháp xử lý mẫu

Nguyên tắc xử lý mẫu:

Xử lý mẫu là quá trình hoà tan và phá huỷ cấu trúc của chất mẫu ban đầu, giải phóng và chuyển các chất cần xác định về dạng đồng thể phù hợp với phép đo đã chọn, từ đó xác định hàm lượng chất mà chúng ta mong muốn

Để vô cơ hoá mẫu, chuyển chất phân tích về dạng phù hợp với phương pháp phân tích, có hai phương pháp phổ biến hiện nay là xử lý ướt và xử lý khô:

Kỹ thuật xử lý ướt: là kỹ thuật dùng các axit mạnh, đặc và nóng, kiềm mạnh đặc, nóng hoặc hỗn hợp axit hay hỗn hợp kiềm để phân huỷ mẫu trong điều kiện đun nóng trong bình Kendan, trong hộp kín hay trong lò vi sóng

Kỹ thuật xử lý khô: là kỹ thuật nung để xử lý mẫu trong lò nung ở nhiệt độ thích hợp (4500

C - 7000C), sau đó hoà tan bã mẫu bằng dung dịch muối hay axit phù hợp Khi nung, các chất hữu cơ của mẫu sẽ bị đốt cháy hoàn toàn thành CO2 và H2O

Có thể kết hợp hai phương pháp trên chúng ta có phương pháp khô- ướt kết hợp

Ví dụ như để xác định các nguyên tố dễ bay hơi như Hg thì cần khống chế nhiệt độ

< 1200C, để phá các mẫu chứa nhiều SiO2 cần cho thêm HF…

* Phá mẫu bằng lò vi sóng

Hiện nay phổ biến nhất là kĩ thuật xử lý mẫu ướt với axit đặc trong lò vi sóng

hệ kín do có nhiều ưu điểm như: thời gian xử lý mẫu ngắn, phá huỷ mẫu triệt để và không mất chất phân tích, hiệu suất xử lý mẫu cao

Dưới tác dụng phá hủy và hoà tan các hạt (phần tử) mẫu của axit, năng lượng nhiệt cùng axit làm tan rã các hạt mẫu đồng thời do khuếch tán, đối lưu, chuyển động nhiệt và va chạm của các hạt mẫu với nhau làm chúng bị bào mòn dần, các tác nhân này tấn công và bào mòn dần các hạt mẫu từ bên ngoài vào, làm cho các hạt mẫu bị mòn dần và tan hết

Ngoài ra, trong lò vi sóng còn có sự phá vỡ từ trong lòng hạt mẫu do các phân

tử nước hấp thụ (> 90%) năng lượng vi sóng và do có động năng lớn nên chúng chuyển động nhiệt rất mạnh, làm căng và xé các hạt mẫu từ trong ra Hơn nữa, do

xử lý mẫu trong hệ kín nên áp suất cao sẽ làm nhiệt độ sôi cao hơn, đây là tác nhân phân huỷ mạnh nhất do vậy thúc đẩy quá trình phân huỷ mẫu từ bên trong ra và từ ngoài vào Do đó, xử lý mẫu trong lò vi sóng chỉ cần thời gian rất ngắn 50 đến 90 phút và rất triệt để

1.7.4 Phương pháp xử lý và đánh giá kết quả

1.7.4.1 Hàm lượng asen

Tính hàm lượng asen trong mẫu rắn theo công thức:

X (µg/ kg) = CM K

m V

Tính hàm lƣợng asen trong mẫu lỏng theo công thức:

X ( µg/L) = CM V K

. (6) Trong đó:

V: thể tích định mức (ml)

CM: nồng độ asen trong dung dịch mẫu khi đo phổ ( µg/kg hay µg/L)

m: khối lƣợng của mẫu để phân tích (g)

+ Giá trị trung bình:

1

n x n

i

i (7)

Trong đó: x là giá trị trung bình số học của tập hợp các giá trị xi

xi là giá trị kết quả của mỗi thực nghiệm

+ Độ lệch chuẩn:

SD =

1

) ( 1

2

n

x x

n

i i

t = | x-µ| n/SD (10)

Khi lấy t thực nghiệm (ttn) tính được từ các kết quả phân tích đem so sánh với t lý thuyết (tlt) ứng với n-1 bậc tự do và α = 0,05 thì sai khác giữa kết quả thực nghiệm và giá trị thực là không có ý nghĩa, kết quả thực nghiệm đúng

Ngoài ra việc xác định độ đúng có thể thực hiện thông qua xác định độ thu hồi (còn gọi là độ tìm lại) của phương pháp

1.7.4.3 Giới hạn phát hiện (LOD), giới hạn định lượng (LOQ)

LOD được xem là nồng độ thấp nhất của chất phân tích mà hệ thống phân tích còn cho tín hiệu phân tích khác có nghĩa với tín hiệu của mẫu trắng hay tín hiệu nền

LOQ được xem là nồng độ thấp nhất của chất phân tích mà hệ thống định lượng được với tín hiệu phân tích khác có ý nghĩa định lượng với tín hiệu của mẫu trắng hay tín hiệu nền và đạt độ tin cậy ≥ 95%

- Làm trên mẫu trắng (mẫu trắng có thành phần như mẫu thử nhưng không

có chất phân tích) Phân tích 10 lần song song, tính độ lệch chuẩn [34]

LOD = x + 3SD LOQ = x + 10SD

- Làm trên mẫu thử: làm 10 lần song song Nên chọn mẫu thử có nồng độ thấp (ví dụ trong khoảng 5 đến 7 lần LOD ước lượng)

LOD = 3xSD LOQ = 10xSD Đánh giá LOD đã tính được: tính R = x /SD

Nếu 2,5 < R < 10 thì nồng độ dung dịch thử là phù hợp và LOD tính được là đáng tin cậy

Nếu R < 2,5 thì phải dùng dung dịch thử đậm đặc hơn, hoặc thêm một ít chất chuẩn vào dung dịch thử đã dùng, làm lại thí nghiệm và tính lại R

(11)

(12)

Nếu R > 10 thì phải dùng dung dịch thử loãng hơn, hoặc pha loãng dung dịch thử đã dùng, làm lại thí nghiệm và tính lại R

C C

% R

c

m c m

Cm: nồng độ chất phân tích trong mẫu thử

Cc: nồng độ chuẩn thêm (lý thuyết)

Ctt: nồng độ chất phân tích trong mẫu trắng thêm chuẩn

Sau đó tính độ thu hồi chung là trung bình của độ thu hồi các lần lặp lại Thêm chất chuẩn ở 3 mức nồng độ thấp, trung bình, cao trong khoảng nồng độ làm việc

1.7.4.5 So sánh hai giá trị trung bình

Chuẩn t được dùng để so sánh xem có sự khác nhau giữa giá trị thực nghiệm

và giá trị thực hay không; phương pháp này được ứng dụng hoặc để so sánh kết quả thực nghiệm với giá trị chuẩn trong mẫu kiểm tra hoặc để so sánh kết quả của

phương pháp phân tích với phương pháp đối chiếu Trước khi so sánh hai giá trị trung bình cần so sánh hai phương sai [34]

So sánh hai phương sai (chuẩn F – Fisher):

Tính toán giá trị Ftn (F thực nghiệm) theo công thức sau đây và so sánh với giá trị Fc (F tra bảng)

- Ftn: Giá trị F thực nghiệm

- S12, S22 : Các phương sai của hai phương pháp với quy ước S12 > S22

Nếu: Ftn ≤ Fc (α, k1, k2): Hai phương pháp có độ lặp lại (độ chụm) giống nhau Nếu: Ftn > Fc (α, k1, k2): Hai phương pháp có độ lặp lại khác nhau

Khi hai phương sai có sự đồng nhất, tính độ lệch chuẩn chung và giá trị ttn (t thực nghiệm) theo công thức sau đây và so sánh với giá trị tbảng (t tra bảng):

Trong đó:

ttn: Giá trị t thực nghiệm

tbảng (α, k = n1 + n2 - 2): Giá trị t tra bảng mức ý nghĩa α, bậc tự do k

n1, n2: Số lần thí nghiệm lần lượt của phương pháp thử nghiệm và phương pháp đối chiếu

S12, S22: Phương sai lần lượt của phương pháp thử nghiệm và phương pháp đối chiếu

: Giá trị trung bình lần lượt của phương pháp thử nghiệm và phương pháp đối chiếu

Nếu ttn ≤ tbảng(α, k): Không có sự khác nhau về kết quả của hai phương pháp Nếu ttn > tbảng(α, k): Có sự khác nhau về kết quả của hai phương pháp, phương pháp thử nghiệm mắc sai số hệ thống

(15)

(16)

(17)

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu

Xác định hàm lượng asen trong một số loại thực phẩm: cà chua, rau, cá, tôm,

ốc, trai, sữa tiệt trùng

2.1.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu quy trình xác định hàm lượng asen thực phẩm bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử với kĩ thuật hidrua hóa sau khi xử lý mẫu bằng vi sóng, trong luận văn này chúng tôi tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:

1/ Chọn các thông số đo của máy đo phổ bao gồm:

+ Bước sóng hấp thụ của nguyên tố cần phân tích

+ Khe sáng

+ Chiều cao Burner

+ Cường độ dòng đèn catot rỗng

+ Lưu lượng khí axetilen

2/ Khảo sát các điều kiện tạo hợp chất hidrua :

+ Khảo sát tỷ lệ chất tham gia phản ứng: Tốc độ dẫn dung dịch NaBH4 và HCl; tốc độ dẫn mẫu

+ Khảo sát tốc độ khí mang

+ Nồng độ NaBH4, HCl ảnh hưởng đến sự tạo khí asin

+ Nồng độ KI, thời gian khi tiến hành khử As(V) về As(III)

3/ Khảo sát ảnh hưởng của các nguyên tố có mặt trong dung dịch mẫu

4/ Thẩm định phương pháp:

+ Khảo sát khoảng tuyến tính và xây dựng đường chuẩn trong phép đo

+ Xác định giới hạn phát hiện (LOD), giới hạn định lượng (LOQ)

+ Độ chụm (độ lặp lại) của phép đo

+ Độ chụm độ lặp lại của phương pháp (độ chệch, độ thu hồi)

5/ Ứng dụng phương pháp vào xác định hàm lượng asen trong một số thực phẩm (rau, cá, tôm, ốc, trai, sữa tiệt trùng) và xác định hiệu suất thu hồi

6/ Xác định hàm lượng asen trong các mẫu nghiên cứu bằng phương pháp ICP-MS

7/ So sánh kết quả phân tích bằng phương pháp HVG-AAS với kết quả phân tích bằng phương pháp ICP-MS

2.1.3 Phương pháp xử lý kết quả

Xử lý số liệu bằng phần mềm Excel và phần mềm Sigma Plot 10.0

2.2 THIẾT BỊ, DỤNG CỤ, HÓA CHẤT

2.2.1 Thiết bị

- Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử 240FS AA - Agilent

- Bộ hidrua hóa, VGA 77 Vapor Generation – Agilent

- Cell thạch anh

- Lò vi sóng phá mẫu, Microwave Digestion System: Multiwave 3000

- Phổ khối nguyên tử ICP-MS, NexION 300Q ICP-MS – Perkin Elmer

- Bộ lấy mẫu tự động Autosampler Model: SC-2 DX

- Cân phân tích Sartorius, có độ chính xác đến 0,0001 g

- Bể siêu âm, Ultrasonic cleaner - Branson, 8821 OMT

- Cân kĩ thuật độ chính xác 0,01 g

- Bếp cách thủy

- Bếp khuấy từ gia nhiệt

- Máy nghiền mẫu IKA

2.2.2 Dụng cụ

- Bình định mức các loại 25, 50, 100, 200 ml

- Giấy lọc, loại trung tính

- Phễu lọc, đũa thủy tinh

- Pipet Eppendorf: 10 ml, 5 ml, 1000 µl, 200 µl

- Pipet thủy tinh các loại 2, 5, 10 ml

- Cốc thủy tinh

- Ống ly tâm polypropylen có nắp xoáy, chia vạch, 15ml, 50ml Falcon

- Dispensers - Repipet, 5, 10, and 20 mL