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

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ PHƢƠNG THÙY PHÂN TÍCH CÁC DẠNG ASEN TRONG MẪU MÔI TRƢỜNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ KẾT HỢP VỚI CHEMOMETRICS LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc Hà Nội - 2012 TRNG I HC KHOA HC T NHIấN I HC QUC GIA H NI NGUYN TH PHNG THY PHN TCH CC DNG ASEN TRONG MU MễI TRNG BNG PHNG PHP PH HP TH NGUYấN T KT HP VI CHEMOMETRICS Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 60.44.29 Luận văn thạc sĩ khoa học Ng-ời h-ớng dẫn khoa học: GS. TS. Trn T Hiu H Ni - 2012 B B Ả Ả N N G G K K Í Í H H I IỆU NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT Bình phƣơng tối thiểu nghịch đảo (inverse least squares) ILS Hồi qui cấu tử chính (Principal component regression) PCR Cấu tử chính (Principal component) PC Phƣơng pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng kĩ thuật hidrua hoá HVG - AAS Dimetylasen DMA Monometylasen MMA DANH MỤC HÌNH Hình trang Hình 1.1. Một số hình ảnh về nạn nhân nhiễm độc As 7 Hình 2.1. Sơ đồ thực nghiệm mô tả quá trình đo phổ hấp thụ nguyên tử của As 22 Hình 3.1: Sự phụ thuộc của Abs theo nồng độ As(III) 27 Hình 3.2: Đƣờng chuẩn xác định riêng rẽ As(III) 28 Hình 3.3: Sự phụ thuộc của Abs theo nồng độ As(V) 29 Hình 3.4: Đƣờng chuẩn xác định riêng rẽ As(V) vô cơ 29 Hình 3.5: Sự phụ thuộc của Abs theo nồng độ DMA 31 Hình 3.6: Đƣờng chuẩn xác định riêng rẽ DMA 31 Hình 3.7: Sự phụ thuộc của Abs theo nồng độ MMA 32 Hình 3.8: Đƣờng chuẩn xác định riêng rẽ MMA 32 DANH MỤC BẢNG Bảng Trang Bảng 1.1. Một số dạng As trong các đối tƣợng sinh học và môi trƣờng 5 Bảng 2.1: Tóm tắt các điều kiện tối ƣu xác định As(III) bằng phƣơng pháp HVG-AAS 22 Bảng 3.1: Hiệu suất khử các dạng asen trong các môi trƣờng phản ứng (%) 26 Bảng 3.2: Khoảng tuyến tính của phép xác định As(III) 27 Bảng 3.3: Khoảng tuyến tính của phép xác định As(V) vô cơ 28 Bảng 3.4: Khoảng tuyến tính của phép xác định DMA 30 Bảng 3.5: Khoảng tuyến tính của phép xác định MMA 31 Bảng 3.6: Khoảng tuyến tính và đƣờng chuẩn xác định riêng các dạng As 33 Bảng 3.7: Kết quả đo độ hấp thụ quang lặp 8 mẫu trắng ở các môi trƣờng phản ứng khác nhau 35 Bảng 3.8: Kết quả tính LOD và LOQ theo phƣơng pháp hồi qui đa biến PCR 36 Bảng 3.9: Giá trị LOD và LOQ khi phân tích đồng thời các dạng As 36 Bảng 3.10: Kết quả kiểm tra độ cộng tính tín hiệu đo khi xác định các dạng As 37 Bảng 3.11: Ma trận nồng độ 40 dung dịch chuẩn 39 Bảng 3.12: Hệ số của các PC tính theo hàm SVD 40 Bảng 3.13: Phƣơng sai của các PC 40 Bảng 3.14 : Nồng độ các dạng asen trong mẫu thực và lƣợng asen thêm vào 41 Bảng 3.15: Giá trị Abs khảo sát ảnh hƣởng của vật liệu bình chứa 42 Bảng 3.16: Ảnh hƣởng của vật liệu bình chứa đến sự chuyển dạng asen 42 Bảng 3.17: Giá trị Abs khảo sát ảnh hƣởng của pH 44 Bảng 3.18: Ảnh hƣởng của pH trong quá trình bảo quản mẫu 45 Bảng 3.19 : Giá trị Abs khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian 46 Bảng 3.20 : Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến quá trình bảo quản mẫu 47 Bảng 3.21 : Ảnh hƣởng của oxi hòa tan đến quá trình bảo quản mẫu 48 Bảng 3.22 : Ảnh hƣởng của lƣợng oxi hòa tan 48 Bảng 3.23 : Giá trị Abs khảo sát ảnh hƣởng của các ion 49 Bảng 3.24 : Ảnh hƣởng của các ion đến quá trình bảo quản mẫu 52 Bảng 3.25 : Giá trị Abs khảo sát ảnh hƣởng của Fe 3+ khi có mặt EDTA 55 Bảng 3.26: Ảnh hƣởng của Fe 3+ khi có mặt EDTA 56 Bảng 3.27: Ma trận nồng độ asen thêm vào mẫu 57 Bảng 3.28: Kết quả kiểm tra độ lặp lại, độ đúng của phƣơng pháp 58 Bảng 3.29: Địa chỉ lấy mẫu và đặc điểm mẫu 59 Bảng 3.30. Nồng độ thêm chuẩn các dạng As vào các mẫu trong dung dịch phân tích 60 Bảng 3.31. Nồng độ các dạng thu đƣợc sau khi tính 60 Bảng 3.32. Hiệu suất thu hồi của phƣơng pháp HVG-AAS sử dụng mô hình PCR 61 Bảng 3.33: Hàm lƣợng các dạng As trong các mẫu tính theo phƣơng pháp đƣờng chuẩn (đã tính đến hệ số pha loãng) 62 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 2 1.1. SƠ LƢỢC TÌNH HÌNH Ô NHIỄM ASEN TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 3 1.2. CÁC DẠNG TỒN TẠI TRONG MÔI TRƢỜNG CỦA ASEN 5 1.2.1. Các dạng asen tồn tại trong môi trƣờng 5 1.2.2. Độc tính các dạng Asen 6 1.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DẠNG ASEN 8 1.3.1. Các phƣơng pháp xác định Asen có sử dụng kĩ thuật hidrua hóa (HVG) 9 1.3.2. Phƣơng pháp sử dụng hệ tách HPLC kết hợp với một detector 10 1.4. ỨNG DỤNG CHEMOMETRICS TRONG PHÂN TÍCH DẠNG ASEN 11 1.4.1. Thuật toán hồi qui đa biến tuyến tính 11 1.4.2. Phân tích các dạng As bằng phƣơng pháp HVG – AAS sử dụng Chemometrics 17 CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM 18 2.1. NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19 2.1.1. Cơ sở của phƣơng pháp 19 2.1.2. Nội dung nghiên cứu 19 2.2. HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 20 2.2.1. Hóa chất 20 2.2.2. Dụng cụ và trang thiết bị đo 21 2.2.3. Các phần mềm tính toán và xử lí 21 2.3. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 21 2.3.1. Các điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử của Asen 21 2.3.2. Qui trình phân tích 23 2.3.2.1. Qui trình phân tích riêng As(III) 23 2.3.2.2. Qui trình phân tích đồng thời các dạng As 23 2.3.3. Các thuật toán hồi qui đa biến 23 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25 3.1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỒI QUY ĐA BIẾN TUYẾN TÍNH PHÂN TÍCH DẠNG ASEN 26 3.1.1. Đƣờng chuẩn xác định các dạng asen riêng rẽ trong môi trƣờng HCl 6M 26 3.1.2. Giới hạn phát hiện(LOD) và giới hạn định lƣợng (LOQ) khi xác định đồng thời các dạng asen. 34 3.1.3. Kiểm tra tính cộng tính của các dạng As 36 3.2. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CHUYỂN DẠNG ASEN 41 3.2.1. Khảo sát ảnh hƣởng của vật liệu bình chứa đến sự chuyển dạng As 41 3.2.2. Khảo sát ảnh hƣởng của pH đến sự chuyển dạng của As trong quá trình bảo quản mẫu. 43 3.2.3. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian bảo quản mẫu đến quá trình chuyển dạng 46 3.2.4. Khảo sát ảnh hƣởng của oxi hòa tan đến quá trình chuyển dạng 48 3.2.5. Khảo sát ảnh hƣởng của các ion đến quá trình bảo quản các dạng As 49 3.2.6. Khảo sát ảnh hƣởng của Fe 3+ khi có mặt EDTA 54 3.3. ĐÁNH GIÁ PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 57 3.4. ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH MẪU THỰC TẾ 58 3.4.1. Lấy mẫu nƣớc ngầm và xử lí sơ bộ mẫu 58 3.4.2. Xác định hàm lƣợng các dạng As trong mẫu thực 59 KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 1 MỞ ĐẦU Trong đời sống hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trƣờng ngày nay đang trở thành mối quan tâm hàng đầu của nhân loại. Cùng với sự phát triển của nền công nghiệp thì số lƣợng các chất độc phân tán trong môi trƣờng ngày một nhiều hơn do các hoạt động sản xuất và tiêu thụ đa dạng của con ngƣời. Đặc biệt phải kể đến sự phân tán của các kim loại nặng vào môi trƣờng gây nên sự ô nhiễm. Một trong số những nguyên tố gây ô nhiễm mang độc tính cao nhất là asen (As) đã và đang đƣợc phân tán nhanh trong môi trƣờng theo nhiều con đƣờng [1, 8]. Asen là một nguyên tố vi lƣợng rất cần thiết cho quá trình sinh trƣởng và phát triển của động vật và thực vật. Tuy nhiên ở hàm lƣợng cao asen gây tác hại to lớn đối với hệ sinh thái. Asen cản trở quá trình quang hợp, gây hiện tƣợng rụng lá, sự thiếu sắt ở thực vật. Asen có thể gây ra nhiều căn bệnh nguy hiểm cho con ngƣời nhƣ: Ung thƣ, đột biến, tổn thƣơng nội tạng, các căn bệnh về hệ thần kinh, về da, phổi và bàng quang [ 2,4]. Asen có khả năng tích lũy cao trong cơ thể sinh vật và xâm nhập vào cơ thể qua nhiều đƣờng, mặt khác, y học hiện nay vẫn chƣa có phác đồ điều trị hiệu quả cho bệnh nhân nhiễm độc As. Do đó, hàm lƣợng As trong môi trƣờng đƣợc qui định rất nghiêm ngặt. Để xác định hàm lƣợng asen, ta có thể sử dụng nhiều phƣơng pháp khác nhau nhƣ phổ phát xạ (AES), phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), phổ phát xạ plasma cảm ứng(ICP-AES), phƣơng pháp trắc quang, phƣơng pháp điện hóa…Tuy nhiên các phƣơng pháp trên hầu hết chỉ xác định đƣợc tổng hàm lƣợng asen. Đối với quá trình phân tích xác định lƣợng vết từng dạng asen mới chỉ có một số ít các công trình nghiên cứu và chủ yếu tập trung ở các nghiên cứu trên hệ kết hợp sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC) kết nối với bộ phận phát hiện nhƣ AAS, AES, AFS, MS, [6, 27]. Các hệ đo này cho phép tách và định lƣợng đồng thời các dạng As một cách hiệu quả trên nhiều đối tƣợng, đặc biệt là đối tƣợng sinh học. Nhƣng chi phí cho quá trình phân tích khá lớn do đòi hỏi trang thiết bị đắt tiền nên không phải phòng thí nghiệm nào cũng có thể trang bị đƣợc. Vì vậy cần tìm một phƣơng pháp có thể sử dụng các thiết bị phổ biến hơn để định dạng As mà không cần công đoạn tách. 2 Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành toán học thống kê và tin học ứng dụng, Chemometrics - một nhánh của hóa học phân tích hiện đại - đã phát triển nhanh chóng và đƣợc ứng dụng ngày một rộng hơn. Một mảng quan trọng trong Chemometrics đang đƣợc nghiên cứu và sử dụng hiệu quả là kĩ thuật hồi qui đa biến – thuật toán xác định đồng thời nhiều cấu tử trong hỗn hợp mà không cần tách loại. Thuật toán này đã đƣợc ứng dụng rộng rãi để giải quyết nhiều bài toán định dạng phức tạp. Đối với vấn đề xác định các dạng As trong hỗn hợp, hiện nay chƣa có nhiều công trình nghiên cứu theo hƣớng này tuy ƣu điểm của nó là rất lớn so với các hƣớng nghiên cứu khác. Trong dung dịch asen tồn tại ở các dạng khác nhau. Trong đó, chúng ta quan tâm chủ yếu đến bốn dạng là As(III), As(V), DMA, MMA. Tùy thuộc vào thành phần nền mẫu và từng điều kiện cụ thể của quá trình bảo quản mẫu, các dạng asen có thể chuyển hóa lẫn nhau. Vì vậy một yêu cầu cấp thiết đặt ra là phải nghiên cứu quá trình bảo quản mẫu, tránh sự chuyển đổi giữa các dạng asen trong quá trình bảo quản từ đó mới xác định chính xác từng dạng asen, đánh giá đúng mức độ ô nhiễm của môi trƣờng nƣớc để có biện pháp xử lí, hạn chế sự ảnh hƣởng của nó đến sức khỏe con ngƣời. Vì vậy, chúng tôi đã lựa chọn đề tài : ‘‘ Phân tích các dạng asen trong mẫu môi trường bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử kết hợp với chemometrics’’ với mục tiêu đặt ra là nghiên cứu quá trình chuyển các dạng asen trên cơ sở những nghiên cứu trƣớc đó về xác định các dạng asen bằng kĩ thuật HVG - AAS và hồi qui đa biến để định lƣợng các dạng asen trong mẫu nƣớc. [...]... 4 dạng asen với pha động là dung dịch đệm photphat và kết hợp với một máy hấp thụ nguyên tử hoặc phát xạ nguyên tử cao tần cảm ứng để xác định lần lƣợt các dạng asen Các tác giả Lê lan Anh, Nguyễn Đình Thuật, Bùi Minh Lý, Phạm Đức Thịnh – Viện Khoa học và Công nghệ đã tiến hành phân tích asen trong nƣớc và trầm tích ven biển bằng kỹ thuật ghép nối sắc ký lỏng hiệu nâng cao và phổ hấp thụ nguyên tử Các. .. phƣơng pháp tính trung bình trên toàn phổ ở các phƣơng pháp phổ toàn phần khác 1.4.2 Phân tích các dạng As bằng phương pháp HVG – AAS sử dụng Chemometrics Dựa trên những ƣu điểm nổi bật của việc sử dụng Chemometrics nhiều tác giả đã có những ứng dụng Chemometrics vào phân tích các hỗn hợp có nhiều cấu tử trong đó có phân tích dạng As Một số tác giả đã phát triển một phƣơng pháp xác định đồng thời 4 dạng. .. thể Asen hữu cơ tác động lên các tế bào sinh học Các dạng As hữu cơ có tính độc thấp hơn rất nhiều, một số hợp chất As(V) vô cơ thậm chí không độc [36] 1.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DẠNG ASEN Để xác định hàm lƣợng asen ngƣời ta đã sử dụng rất nhiều phƣơng pháp khác nhau nhƣ : Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử ( kỹ thuật ngọn lửa và không ngọn lửa) để xác định tổng lƣợng asen có trong mẫu[ 9] Phƣơng pháp. .. đồng thời các dạng As bằng phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử kết hợp với việc sử dụng thuật toán hồi qui đa biến, từ đó nghiên cứu một số điều kiện bảo quản mẫu Asen trên cơ sở kế thừa các nghiên cứu trƣớc đó[6], trong luận văn này chúng tôi tập trung nghiên cứu các vấn đề sau: 1 Ứng dụng các điều kiện đo phổ hấp thụ As(III) để xây dựng đƣờng chuẩn đa biến xác định đồng thời các dạng As trong dung... Phƣơng pháp xanh molypden xác định asen bằng cách cho ion asenat phản ứng với amonimolipdat trong môi trƣờng axit tạo thành phức dị đa axit asenomolipdic màu vàng sau đó khử về dạng phức màu xanh và đo độ hấp thụ quang[11] 8 Các phƣơng pháp phân tích thể tích xác định asen bằng phép chuẩn độ iot hoặc bằng dung dịch bromat Tuy nhiên tất cả những phƣơng pháp đó chỉ áp dụng xác định tổng lƣợng asen có trong. .. xác định các dạng As trong một số loài thực vật trên hệ HPLC – HVG – AFS với pha động là dung dịch NaH2PO4 và dung môi chiết là hệ nƣớc – metanol (1:2) và thu đƣợc kết quả là trên 73% lƣợng As đƣợc chiết sau 3 phân đoạn Kết quả phân tích các mẫu lá đào theo phƣơng pháp này cho thấy As(V) chiếm lƣợng lớn và không phát hiện đƣợc As(III) trong các mẫu này Tác giả [29] phân tích dạng asen trong mẫu sinh... chuẩn đa biến xác định đồng thời các dạng asen bằng HVG – AAS vừa xây dựng đƣợc, nghiên cứu các điều kiện bảo 19 quản mẫu: vật liệu bình chứa, pH, lƣợng oxi hòa tan, các ion thƣờng có trong thành phần mẫu, nhiệt độ và thời gian bảo quản mẫu 3 Đánh giá kết quả của các điều kiện tối ƣu và phƣơng pháp phân tích thông qua mẫu kiểm chứng 4 Xác định hàm lƣợng các dạng asen trong 5 mẫu thực tế ở khu vực Lâm Thao... phân tích, chuẩn bị các dung dịch chứa As(III) có nồng độ trong khoảng 0,2 – 10 ppb, điều chỉnh bằng dung dịch HCl hoặc NaOH sao cho pH của dung dịch nằm trong khoảng 1,5 – 2 Tiến hành đo mẫu với các điều kiện tối ƣu Tín hiệu thu đƣợc dƣới dạng độ hấp thụ quang nguyên tử A 2.3.2.2 Qui trình phân tích đồng thời các dạng As Pha các dung dịch chuẩn chứa các dạng As (As(III), As(V), DMA, MMA) có nồng độ trong. .. TRONG MÔI TRƢỜNG CỦA ASEN 1.2.1 Các dạng asen tồn tại trong môi trƣờng Asen có mặt trong cả 3 thành phần môi trƣờng: Môi trƣờng đất, môi trƣờng nƣớc và môi trƣờng không khí Phần lớn asen tồn tại trong địa quyển ở dạng khoáng phân tán Do các quá trình tự nhiên nhƣ phong hóa, núi lửa hay do các hoạt động của con ngƣời nhƣ khai khoáng, luyện kim, đốt nhiên liệu hóa thạch, công nghiệp điện tử bán dẫn, khai... Phƣơng pháp cực phổ có thể xác định đƣợc asenit bằng phƣơng pháp cực phổ xung vi phân áp dụng cho khoảng nồng độ tƣơng đối rộng 0,6ppb – 60ppb Phƣơng pháp Von – Ampe hòa tan xác định asen bằng cách điện phân kết tủa làm giàu asen lên bề mặt điện cực sau đó ghi đƣờng hòa tan[10, 16] Phƣơng pháp trắc quang xác định tổng lƣợng asen bằng việc đo độ hấp thụ quang của sản phẩm tạo thành giữa AsH3 với bạc dietyl . tài : ‘‘ Phân tích các dạng asen trong mẫu môi trường bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử kết hợp với chemometrics ’ với mục tiêu đặt ra là nghiên cứu quá trình chuyển các dạng asen trên. CÁC DẠNG TỒN TẠI TRONG MÔI TRƢỜNG CỦA ASEN 5 1.2.1. Các dạng asen tồn tại trong môi trƣờng 5 1.2.2. Độc tính các dạng Asen 6 1.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DẠNG ASEN 8 1.3.1. Các phƣơng pháp. GIA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ PHƢƠNG THÙY PHÂN TÍCH CÁC DẠNG ASEN TRONG MẪU MÔI TRƢỜNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ KẾT HỢP VỚI CHEMOMETRICS LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc