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

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 cứ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ PHƯƠNG THÙY

PHÂN TÍCH CÁC DẠNG ASEN TRONG MẪU MÔI TRƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ KẾT HỢP VỚI

CHEMOMETRICS

LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc

Hà Nội - 2012

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ PHƯƠNG THÙY

PHÂN TÍCH CÁC DẠNG ASEN TRONG MẪU MÔI TRƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ KẾT HỢP VỚI

BẢNG KÍ HI IỆU NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT

Bình phương tối thiểu nghịch đảo

(inverse least squares) ILS Hồi qui cấu tử chính (Principal

component regression) PCR Cấu tử chính (Principal component) PC

Phương pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử

sử dụng kĩ thuật hidrua hoá HVG - AAS

Hình 3.1: Sự phụ thuộc của Abs theo nồng độ As(III) 27

Hình 3.2: Đường 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: Đường 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: Đường chuẩn xác định riêng rẽ DMA 31

Hình 3.7: Sự phụ thuộc của Abs theo nồng độ MMA 32

Hình 3.8: Đường chuẩn xác định riêng rẽ MMA 32

Bảng 3.1: Hiệu suất khử các dạng asen trong các môi trường 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 đường 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 trường

Bảng 3.14 : Nồng độ các dạng asen trong mẫu thực và lượng asen thêm vào 41

Bảng 3.15: Giá trị Abs khảo sát ảnh hưởng của vật liệu bình chứa 42

Bảng 3.16: Ảnh hưởng của vật liệu bình chứa đến sự chuyển dạng asen 42

Bảng 3.17: Giá trị Abs khảo sát ảnh hưởng của pH 44

Bảng 3.18: Ảnh hưởng của pH trong quá trình bảo quản mẫu 45

Bảng 3.19 : Giá trị Abs khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian 46

Bảng 3.20 : Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình bảo quản mẫu 47

Bảng 3.21 : Ảnh hưởng của oxi hòa tan đến quá trình bảo quản mẫu 48

Bảng 3.22 : Ảnh hưởng của lượng oxi hòa tan 48

Bảng 3.23 : Giá trị Abs khảo sát ảnh hưởng của các ion 49

Bảng 3.24 : Ảnh hưởng của các ion đến quá trình bảo quản mẫu 52

Bảng 3.25 : Giá trị Abs khảo sát ảnh hưởng của Fe3+ khi có mặt EDTA 55

Bảng 3.26: Ảnh hưởng của Fe3+ 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 phương 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

Bảng 3.31 Nồng độ các dạng thu được sau khi tính 60 Bảng 3.32 Hiệu suất thu hồi của phương pháp HVG-AAS sử dụng mô

Bảng 3.33: Hàm lượng các dạng As trong các mẫu tính theo phương

pháp đường chuẩn (đã tính đến hệ số pha loãng) 62

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 2

1.1 SƠ LƯỢC TÌNH HÌNH Ô NHIỄM ASEN TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 3

1.2 CÁC DẠNG TỒN TẠI TRONG MÔI TRƯỜNG CỦA ASEN 5

1.2.1 Các dạng asen tồn tại trong môi trường 5

1.2.2 Độc tính các dạng Asen 6

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DẠNG ASEN 8

1.3.1 Các phương pháp xác định Asen có sử dụng kĩ thuật hidrua hóa (HVG) 9

1.3.2 Phương 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 phương pháp HVG – AAS sử dụng Chemometrics 17

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 18

2.1 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19

2.1.1 Cơ sở của phương 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

CHƯƠNG 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 Đường chuẩn xác định các dạng asen riêng rẽ trong môi trường HCl 6M 26

3.1.2 Giới hạn phát hiện(LOD) và giới hạn định lượng (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 HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CHUYỂN DẠNG ASEN 41

3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của vật liệu bình chứa đến sự chuyển dạng As 41

3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến sự chuyển dạng của As trong quá trình bảo quản mẫu 43

3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian bảo quản mẫu đến quá trình chuyển dạng 46

3.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của oxi hòa tan đến quá trình chuyển dạng 48

3.2.5 Khảo sát ảnh hưởng của các ion đến quá trình bảo quản các dạng As 49

3.2.6 Khảo sát ảnh hưởng của Fe3+ khi có mặt EDTA 54

3.3 ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 57

3.4 ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH MẪU THỰC TẾ 58

3.4.1 Lấy mẫu nước ngầm và xử lí sơ bộ mẫu 58

3.4.2 Xác định hàm lượng các dạng As trong mẫu thực 59

KẾT LUẬN 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

MỞ ĐẦU

Trong đời sống hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường ngày nay đang trở thành mối quan tâm hàng đầu của nhân loại Cùng với sự phát triển của nền công nghiệp thì số lượng các chất độc phân tán trong môi trường ngày một nhiều hơn do các hoạt động sản xuất và tiêu thụ đa dạng của con người Đặc biệt phải kể đến sự phân tán của các kim loại nặng vào môi trường 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 được phân tán nhanh trong môi trường theo nhiều con đường [1, 8] Asen là một nguyên

tố vi lượng rất cần thiết cho quá trình sinh trưởng và phát triển của động vật và thực vật Tuy nhiên ở hàm lượng cao asen gây tác hại to lớn đối với hệ sinh thái Asen cản trở quá trình quang hợp, gây hiện tượng rụng lá, sự thiếu sắt ở thực vật Asen

có thể gây ra nhiều căn bệnh nguy hiểm cho con người như: Ung thư, đột biến, tổn thương 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 đường, mặt khác, y học hiện nay vẫn chưa có phác đồ điều trị hiệu quả cho bệnh nhân nhiễm độc As Do đó, hàm lượng As trong môi trường được qui định rất nghiêm ngặt

Để xác định hàm lượng asen, ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau như phổ phát xạ (AES), phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), phổ phát xạ plasma cảm ứng(ICP-AES), phương pháp trắc quang, phương pháp điện hóa…Tuy nhiên các phương pháp trên hầu hết chỉ xác định được tổng hàm lượng asen Đối với quá trình phân tích xác định lượng 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 như AAS, AES, AFS, MS, [6, 27] Các hệ đo này cho phép tách và định lượng đồng thời các dạng As một cách hiệu quả trên nhiều đối tượng, đặc biệt là đối tượng sinh học Nhưng 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 được Vì vậy cần tìm một phương pháp có thể

sử dụng các thiết bị phổ biến hơn để định dạng As mà không cần công đoạn tách

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 được ứng dụng ngày một rộng hơn Một mảng quan trọng trong Chemometrics đang được 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 được 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 chưa có nhiều công trình nghiên cứu theo hướng này tuy ưu điểm của nó là rất lớn so với các hướng 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 trường nước để có biện pháp xử lí, hạn chế sự ảnh hưởng của nó đến sức khỏe con người

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 trước đó về xác định các dạng asen bằng kĩ thuật HVG

- AAS và hồi qui đa biến để định lượng các dạng asen trong mẫu nước

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 SƠ LƯỢC TÌNH HÌNH Ô NHIỄM ASEN TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, làm cho nguy cơ ô nhiễm asen ngày càng cao As được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như dược, sản xuất kính, chất nhuộm, chất độc ăn mòn, thuốc trừ sâu, thuốc diệt nấm, thuộc da, hoặc ngành công nghiệp sử dụng nhiên liệu hóa thạch như công nghiệp xi măng, nhiệt điện, công nghệ đốt chất thải rắn cũng là nguồn gây ô nhiễm không khí, nước bởi As [10, 12] Các ngành công nghiệp khai thác và chế biến các loại quặng, nhất là quặng sunfua, luyện kim tạo ra nguồn ô nhiễm As do việc khai đào ở các mỏ nguyên sinh đã phơi lộ các quặng sunfua, làm gia tăng quá trình phong hóa, bào mòn và tạo ra khối lượng lớn đất đá thải có lẫn asenopyrit ở lân cận khu mỏ Tại các nhà máy tuyển quặng, asenopyrit được tách ra khỏi các khoáng vật

có ích và phơi ra không khí Asenopyrit bị rửa trôi, dẫn đến hậu quả là một lượng lớn As được đưa vào môi trường xung quanh Những người khai thác tự do khi đãi quặng đã thêm vào axit sunphuric, xăng dầu, chất tẩy Asenopyrit sau khi tách khỏi quặng sẽ thành chất thải và được chất đống ngoài trời và trôi vào sông suối, gây ô nhiễm tràn lan Bên cạnh đó, các quá trình tự nhiên như địa chất, địa hóa, sinh địa hóa, đã làm cho As nguyên sinh có mặt trong một số thành tạo địa chất (các phân

vị địa tầng, các biến đổi nhiệt dịch và quặng hóa sunphua chứa As) tiếp tục phân tán hay tập trung gây ô nhiễm môi trường sống [1, 23, 28]

Rất nhiều nghiên cứu thủy địa hóa về asen đã được tiến hành nhằm giải thích một cách đầy đủ cơ chế hình thành, giải phóng của asen, cũng như để đề xuất ra các

biện pháp loại trừ ô nhiễm một cách có hiệu quả và khả thi.[5]

Vấn đề ô nhiễm asen đang là một vấn đề thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học, nhiều tổ chức trong và ngoài nước Sự ô nhiễm asen đặc biệt là trong nước ngầm đã được phát hiện ở nhiều nơi trên thế giới như Achentina, Mêhico, Chile, Mỹ, Canada, Trung Quốc, Đài Loan, Ấn Độ, Băngladet và Việt Nam Một

phần lớn người dân đã bị nhiễm độc asen mãn tính do sự có mặt của asen trong nước ngầm Ở Mêhico, Chile, Đài Loan, Ấn Độ, Băngladet hàm lượng Asen trong nước cao từ vài trăm đến hơn 1000 μg/L Ở một số bang phía Tây nước Mỹ, người dân đang phải sử dụng asen cao hơn giới hạn tối đa cho phép 50g/L[5] ( Tổ chức

Y tế Thế giới đã đưa ra giới hạn cho phép về hàm lượng asen trong nước ăn là 10

g/L từ năm 1993)

Ở Châu Á, những vùng nhiễm độc asen cao như Băngladet và Ấn Độ, nồng độ asen trong tóc và nước tiểu được sử dụng phổ biến làm chỉ thị cho sự phơi nhiễm asen mãn tính và tạm thời (Awanar et al, 2002)

Đặc biệt là ở Băngladet, qua khảo sát 8000 giếng khoan ở 60 tỉnh trên tổng

số 64 tỉnh ở nước này người ta thấy rằng có khoảng 51% số giếng khoan có hàm lượng asen lớn hơn 0,05 mg/L Theo ước tính ở dây có khoảng 50 triệu dân sử dụng nước bị ô nhiễm Asen[1]

Một cuộc điều tra bởi Chakraborti và cộng sự đã cho thấy trong tổng số 35.000 mẫu tóc và nước tiểu thu thập từ bệnh nhân bị ảnh hưởng trên da sống ở khu vực ô nhiễm asen nặng nề, có 90% số mẫu vượt quá mức bình thường(Chakraborti et al, 2002,2003) Khi nghiên cứu ở một số tỉnh thuộc Băngladet hàm lượng asen trong nước, tóc và nước tiểu lần lượt là: 0,01-9 mg/L, 1,1-19,84 mg/Kg và 0,05-9,42 mg/L

Ở Việt Nam, theo một vài báo cáo cho thấy, hàm lượng asen lấy từ các giếng khoan tại vùng châu thổ sông Hồng khá cao Nồng độ asen trung bình tìm thấy là

159 g/L[5] Hà Nội, Hà Nam, Hưng Yên, Nam Định, Ninh Bình, Thái Bình, Hải Dương là những vùng bị ô nhiễm asen nặng nề nhất Ở đồng bằng sông Cửu Long, các nhà khoa học cũng đã phát hiện ra các giếng khoan có hàm lượng asen cao ở các tỉnh Đồng Tháp và An Giang[12]

Hiện nay, ở các vùng đô thị mới và nông thôn tỉ lệ người dân sử dụng nước ngầm (nước giếng khoan) có hàm lượng asen làm nước ăn vẫn còn nhiều Vì vậy cần phải theo dõi tiến hành điều tra tình trạng ô nhiễm asen và tác động của nó đến môi trường và sức khỏe người dân, tìm biện pháp giảm thiểu

1.2 CÁC DẠNG TỒN TẠI TRONG MÔI TRƯỜNG CỦA ASEN

1.2.1 Các dạng asen tồn tại trong môi trường

Asen có mặt trong cả 3 thành phần môi trường: Môi trường đất, môi trường nước và môi trường không khí Phần lớn asen tồn tại trong địa quyển ở dạng khoáng phân tán Do các quá trình tự nhiên như phong hóa, núi lửa hay do các hoạt động của con người như khai khoáng, luyện kim, đốt nhiên liệu hóa thạch, công nghiệp điện tử bán dẫn, khai thác nước ngầm làm một phần asen phân tán vào môi trường Sau khi phát tán vào môi trường, As tồn tại ở nhiều dạng khác nhau tùy theo bản chất của nguồn phát tán, điều kiện phát tán và điều kiện của môi trường tồn tại

Bảng 1.1 Một số dạng As trong các đối tượng sinh học và môi trường

3-4 Axit dimetylasenic, DMAA Me2AsO2H

5 Axit metylasonic, MMAA MeAsO3H2

Các dạng chủ yếu của As trong môi trường nước là bốn dạng As(III), As(V),

DMA và MMA, trong đó hai dạng vô cơ có độc tính cao hơn [2, 4]

vì thế nó gây ra ngộ độc Tuy nhiên, ở các liều thấp hơn mức gây ngộ độc thì các hợp chất Asen hòa tan lại đóng vai trò của các chất kích thích và đã từng phổ biến với các liều nhỏ như là các loại thuốc chữa bệnh cho con người vào giữa thế kỷ 18.[13]

Độ độc của asen phụ thuộc vào trạng thái oxi hóa của asen, phụ thuộc vào dạng tồn tại vô cơ hay hữu cơ As(III) độc hơn nhiều so với As(V), asen vô cơ độc hơn rất nhiều so với asen hữu cơ Qua nhiều nghiên cứu người ta thấy rằng độ độc giảm dần theo thứ tự: Asin > asenit > asenat > monometyl asenat > dimetyl asenat Dạng xâm nhập chính vào cơ thể là asen dạng vô cơ, đặc biệt là Asen(III) dễ hấp thụ vào cơ thể con người qua đường ăn uống Các hợp chất asenit và asenat vô cơ bền, có khả năng hòa tan trong nước đều dễ dàng hấp thụ vào dạ dày và các tế bào của cơ thể As(V) được bài tiết (chủ yếu qua nước tiểu) nhanh hơn As(III) vì ái lực với nhóm thiol (-SH) kém hơn As(III) cản trở nhóm (-SH) gắn vào các enzym và giữ lại trong các protein tế bào của cơ thể như keratin đisunfua trong tóc, móng và

da As(V) không độc bằng As(III) và không gây ức chế đối với hệ enzym Tuy nhiên As(V) lại ngăn cản sự tổng hợp ATP[4,17]

Asen và các hợp chất của nó là tác nhân gây 19 bệnh ung thư, đột biến và dị thai trong tự nhiên Đối với thực vật, asen cản trở quá trình trao đổi chất, làm giảm mạnh năng suất, đặc biệt trong môi trường thiếu photpho Đó là một tai họa môi trường đối với sức khỏe con người

Những biểu hiện của bệnh nhân nhiễm độc asen: Nếu nhiễm asen ở mức độ thấp sẽ bị mệt mỏi, buồn nôn, hồng cầu và bạch cầu giảm, rối loạn nhịp tim, mạch máu bị tổn thương, có thể gây xảy thai (nếu là phụ nữ mang thai) Nếu nhiễm độc asen mãn tính được biểu hiện từ thay đổi sắc tố da, chứng sạm da (melanosis), dày biểu bì (kerarosis), tổn thương mạch máu, rối loạn cảm giác về sự di động Người

bị nhiễm độc asen lâu ngày sẽ xuất hiện hiện tượng sừng hóa da, gây sạm và mất sắc tố da hay bệnh Bowen, từ đó dẫn đến hoại thư hay ung thư da, viêm răng, khớp, tim mạch, [23, 24 ] Độc tính cao của asen và các hợp chất của nó còn do khả năng nhiễm độc qua nhiều con đường: hô hấp, tiêu hoá, tiếp xúc qua da, đặc biệt As là tác nhân gây ung thư trên mọi bộ phận của cơ thể [21] Hiện tại trên thế giới chưa có phương pháp hữu hiệu chữa bệnh nhiễm độc asen, các nghiên cứu vẫn chỉ tập trung vào điều trị triệu chứng và sử dụng bổ sung thêm các thuốc tăng thải

và vitamin để cơ thể tự đào thải As

As(III) ở nồng độ cao còn làm đông tụ protein, có lẽ do As(III) tấn công vào các liên kết có nhóm sunfua Trong môi trường yếm khí As(III) có thể tạo hợp chất (CH3)3As rất độc

As(V) ở dạng AsO43- có tính chất tương tự PO43- sẽ thay thế PO42- gây ức chế enzim, ngăn cản quá trình tạo ATP là chất sản sinh ra năng lượng sinh học Nó can thiệp và làm rối loạn một số quá trình sinh hóa của cơ 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 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DẠNG ASEN

Để xác định hàm lượng asen người ta đã sử dụng rất nhiều phương pháp khác nhau như :

Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử ( kỹ thuật ngọn lửa và không ngọn lửa)

để xác định tổng lượng asen có trong mẫu[9]

Phương pháp cực phổ có thể xác định được asenit bằng phương pháp cực phổ xung

vi phân áp dụng cho khoảng nồng độ tương đối rộng 0,6ppb – 60ppb

Phương 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 đường hòa tan[10, 16]

Phương pháp trắc quang xác định tổng lượng asen bằng việc đo độ hấp thụ quang của sản phẩm tạo thành giữa AsH3 với bạc dietyl [3 ]

Phương pháp xanh molypden xác định asen bằng cách cho ion asenat phản ứng với amonimolipdat trong môi trường 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]

Các phương pháp phân tích thể tích xác định asen bằng phép chuẩn độ iot hoặc bằng dung dịch bromat

Tuy nhiên tất cả những phương pháp đó chỉ áp dụng xác định tổng lượng asen có trong mẫu Để xác định hàm lượng từng dạng asen người ta phải sử dụng các phương pháp với kỹ thuật cao hơn

1.3.1 Các phương pháp xác định Asen có sử dụng kĩ thuật hidrua hóa (HVG)

Phương pháp này dựa trên nguyên tắc khử các hợp chất As về dạng asin và metylasin sau đó định lượng sản phẩm sinh ra để tính ngược lại hàm lượng các hợp chất ban đầu

Phương pháp cổ điển nhất xác định As theo hướng này là phương pháp Guizeit - sử dụng Zn và axit HCl để khử As và đo asin bằng phép đo quang với bạc dietyldithiocacbamat Nhiều công trình sau đó sử dụng NaBH4 làm chất khử thay cho hệ Zn/HCl kết hợp với một bộ phận phát hiện khác để định lượng asin như AAS, GC – AAS, GC – MS, [22, 35,36]

Tuy nhiên quá trình xác định cần lưu ý [32] Thứ nhất, hiệu suất khử các dạng As thành asin và dẫn xuất asin phụ thuộc nhiều vào môi trường phản ứng và nồng độ NaBH4 Mỗi dạng As có một môi trường khử tối ưu riêng, đây cũng là cơ

sở chính của phương pháp xác định đồng thời các dạng As trong mẫu Thứ hai, trong quá trình khử sẽ xuất hiện sự sắp xếp lại phân tử các dạng asin, đặc biệt là khi

có mặt oxi trong dung dịch Thứ ba, có rất nhiều ion lạ ảnh hưởng tới phép đo như các ion kim loại nặng, nitrat, chủ yếu theo hướng làm giảm tín hiệu tức là giảm

độ nhạy của phương pháp và cách thức các ion này ảnh hưởng lên phép đo không

như nhau

Số lượng công trình áp dụng kĩ thuật hidrua hoá xác định As rất lớn và đa dạng [9, 25, 34, 35] cho thấy tính ưu việt vượt trội của kĩ thuật này, đặc biệt là khi kết hợp sử dụng một hệ sắc kí và bộ phận hidrua hoá với một detector như MS hay các detector quang khác

1.3.2 Phương pháp sử dụng hệ tách HPLC kết hợp với một detector

Nhiều công trình nghiên cứu theo hướng này đã đạt được những thành tựu nhất định trong việc định lượng các dạng As cũng như phát hiện và ghi nhận thời gian lưu của các dạng chưa biết Việc sử dụng các hệ xác định này cho nhiều tiện ích trong việc xác định hàm lượng As, đặc biệt là ưu thế sử dụng lượng mẫu nhỏ nên nó phù hợp với yêu cầu xác định lượng vết ở nhiều đối tượng khác nhau

Trong phương pháp sắc ký lỏng hiệu nâng cao người ta sử dụng một cột trao đổi anion Hamilton PRP X – 100 được sử dụng để tách 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 lượt các dạng asen

Các tác giả Lê lan Anh, Nguyễn Đình Thuật, Bùi Minh L ý, Phạm Đức Thịnh – Viện Khoa học và Công nghệ đã tiến hành phân tích asen trong nước và trầm tích ven biển bằng kỹ thuật ghép nối sắc ký lỏng hiệu nâng cao và phổ hấp thụ nguyên tử

Các tác giả A.J Bednar, J.R Garbarino, M.R Burkhardt, J.F Ranville,T.R Wildeman [22] đã tiến hành xác định hàm lượng các dạng As trong mẫu nước tự nhiên với độ nhạy khá cao (<1ppb) và độ thu hồi tốt khi sử dụng hệ HPLC – ICP –

MS để tách và định lượng

Với các detector quang học, số lượng công trình phong phú hơn nhiều Các tác giả [35] đã xác định thành công 12 dạng As trong mẫu thủy sản ở Hi Lạp với hệ HPLC – (UV) – HG - AFS sử dụng cột trao đổi ion và hai pha động là piridin – HCl

có pH = 2,65 và đệm photphat pH = 5,6 Tác giả [28] đã tối ưu hóa quá trình tách và 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 nước – metanol (1:2) và thu được kết quả là trên 73% lượng As được chiết sau 3 phân đoạn Kết quả phân tích các mẫu lá đào theo phương pháp này cho thấy As(V) chiếm lượng lớn và không phát hiện được As(III) trong các mẫu này Tác giả [29] phân tích dạng asen trong mẫu sinh vật biển bằng HPLC – ICP – MS…

Ngoài các công trình trên, số lượng các nghiên cứu áp dụng các hệ kết hợp khác nhau đã công bố rất đa dạng Nhiều nhóm tác giả đã nghiên cứu so sánh khả năng phát hiện và định lượng của các detector khi kết hợp với hệ tách HPLC [21, 26] và nhận thấy mỗi loại có ưu thế xác định các nhóm hợp chất As khác nhau, tuỳ theo đối tượng cụ thể để lựa chọn detecter phù hợp

Tuy nhiên đối với phương pháp này lại có một nhược điểm rất lớn đó là chi phí cho phép xác định cao, trang thiết bị hiện đại

1.4 ỨNG DỤNG CHEMOMETRICS TRONG PHÂN TÍCH DẠNG ASEN

1.4.1 Thuật toán hồi qui đa biến tuyến tính

MATLAB được bắt nguồn từ thuật ngữ “Matrix Laboratory” – là phần mềm nổi tiếng của công ty MathWorks Đây là một ngôn ngữ hiệu năng cao hỗ trợ đắc lực cho tính toán với ma trận số liệu và hiển thị kết quả dạng đồ thị Matlab được điều khiển bằng tập các lệnh, tác động qua bàn phím trên cửa sổ điều khiển Các câu lệnh đơn giản, viết sát với các mô tả kĩ thuật nên lập trình trên ngôn ngữ này thực hiện nhanh, dễ dàng.[7]

Matlab không chỉ cho phép đặt vấn đề tính toán mà còn có thể xử lí dữ liệu, biểu diễn đồ họa một cách mềm dẻo, đơn giản, chính xác trong không gian 2D và 3D bằng cả những hàm sẵn có và các hàm ứng dụng do người sử dụng tạo lập

Matlab đã thực sự trở thành công cụ phổ biến đắc lực trong các môi trường làm việc khác nhau, ứng dụng cho mọi lĩnh vực khác nhau trong khoa học và cuộc sống

Matlab ban đầu được phát triển nhằm phục vụ chủ yếu cho việc mô tả các nghiên cứu kĩ thuật bằng toán học với phần tử cơ bản là ma trận Trên cơ sở ban đầu đó, các nhà lập trình đã phát triển phần mềm này để sử dụng cho nhiều ngành khoa học như cơ học, vật lí, sinh học, hoá học, mô phỏng, … đối với cả

dữ liệu rời rạc hay liên tục [7]

Với ưu thế là bộ chương trình phần mềm lớn trong lĩnh vực toán số và mô phỏng, chúng tôi đã lựa chọn phần mềm Matlab để nghiên cứu triển khai những lập trình hồi qui đa biến nhằm giải quyết bài toán xác định đồng thời các dạng asen

* Các ứng dụng chính của Matlab[15,18]:

- Thực hiện các tính toán toán học bao gồm: ma trận và đại số tuyến tính, đa thức và nội suy, phân tích số liệu và thống kê, tìm cực trị của hàm một biến hoặc nhiều biến, tìm nghiệm của phương trình, tính gần đúng tích phân, giải phương trình vi phân

- Phân tích, khảo sát và hiển thị số liệu: các số liệu được nhập vào cũng như xuất ra dưới dạng ma trận, giúp người sử dụng dễ dàng quan sát, phân tích, đánh giá được dữ liệu của mình Đồng thời MATLAB có Toolbox Statistic với những hướng dẫn cụ thể, hỗ trợ cho việc phân tích, khảo sát dựa trên các dữ liệu với các hàm cơ bản có sẵn

- Đồ họa 2 chiều và 3 chiều: MATLAB cung cấp rất nhiều các hàm đồ họa, nhờ đó ta có thể nhanh chóng vẽ được đồ thị của hàm bất kỳ 1 biến hoặc 2 biến, vẽ được các kiểu mặt… Ngoài ra MATLAB còn vẽ rất tốt các đối tượng 3 chiều phức tạp như hình trụ, hình cầu, hình xuyến, và cung cấp khả năng xử lý ảnh và hoạt hình

- Mô hình, mô phỏng các hệ thống kĩ thuật, vật lý trên cơ sở sơ đồ cấu trúc dạng khối, sau khi đã thiết lập các thông số cần thiết phù hợp với yêu cầu, người sử dụng chỉ việc khởi động chương trình MATLAB và xử lý dữ liệu qua mô hình đã thiết lập được

- Phát triển thuật toán: ngoài các câu lệnh được viết sẵn trong thư viện trợ giúp Toolbox, phần mềm được thiết kế để hỗ trợ người sử dụng có thể lập trình chương trình riêng của mình giống như trong các phần mềm khác: Pascal, Visual basic…

- Xây dựng giao diện người dùng: với MATLAB 7 người dùng có thể dễ dàng xây dựng giao diện gồm các thực đơn, nút lệnh, hộp thoại, hộp chọn, mà không cần phải viết mã như các phiên bản trước đây

Một mảng lớn trong Chemometrics gắn liền với toán học và tin học là hồi qui

đa biến – kỹ thuật đa biến được dùng rộng rãi trong phòng thí nghiệm hoá học giúp giải quyết các bài toán xác định đồng thời nhiều cấu tử cùng có mặt trong hỗn hợp

mà không cần tách loại trước Về nguyên tắc, chỉ cần xây dựng dãy dung dịch chuẩn có mặt tất cả các cấu tử cần xác định với nồng độ biết trước trong hỗn hợp (các biến độc lập x), đo tín hiệu phân tích của các dung dịch này dưới dạng một hay nhiều biến phụ thuộc y và thiết lập mô hình toán học mô tả quan hệ giữa hàm y (tín hiệu đo) và các biến độc lập x (nồng độ các chất trong hỗn hợp) Dựa trên mô hình

này có thể tìm được nồng độ của các cấu tử trong cùng dung dịch định phân khi có tín hiệu phân tích của dung dịch đó [7,20]

Nếu các cấu tử có mặt trong hỗn hợp cho tín hiệu đo có tính chất cộng tính thì có thể sử dụng phương pháp hồi qui đa biến tuyến tính thông thường như phương pháp bình phương tối thiểu thông thường hoặc hiệu quả hơn như bình phương tối thiểu từng phần, phương pháp hồi qui cấu tử chính, … Nhưng nếu trong hỗn hợp, các cấu tử có sự tương tác lẫn nhau làm mất tính chất cộng tính ở tín hiệu

đo thì phải sử dụng mô hình hồi qui đa biến phi tuyến tính mà phổ biến là các phương pháp kết hợp với mạng nơron nhân tạo [30]

Tùy thuộc vào đặc điểm của hàm phụ thuộc, có thể chia các phương pháp hồi qui đa biến tuyến tính thành 2 nhóm chính: Các phương pháp hồi qui đa biến tuyến tính sử dụng phổ toàn phần như phương pháp CLS, PLS, và phương pháp sử dụng dữ liệu phổ riêng phần như ILS Trong luận văn này, tín hiệu của các dung dịch chứa các dạng As được đo ở 5 điểm rời rạc nên chúng tôi chọn sử dụng phương pháp hồi qui trên phổ riêng phần PCR [7,20,30]

Phương pháp hồi qui cấu tử chính (Principal component regression - PCR)[7,15]

Hồi qui đa biến, trong trường hợp các biến có tương quan, là vấn đề gây nhiều khó khăn khi giải các bài toán phức tạp trong một số ngành như: Vật lý, hóa học, các ngành khoa học tự động và thiết kế công trình,

Để giải quyết bày toán này, các nhà khoa học thường sử dụng phương pháp hồi qui cấu tử chính (PCR) PCR là phương pháp bình phương tối thiểu nghịch đảo trên tập dữ liệu mới thu được trong phép chiếu tập dữ liệu lên các vectơ đơn vị của không gian mới (PC – principal components) [7]

Như vậy, PCR gồm 2 quá trình: Phân tích cấu tử chính chuyển sang tập dữ liệu mới, chứa một số ít các yếu tố quan trọng, cần thiết Sau đó sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu nghịch đảo (ILS) để phân tích tập dữ liệu mới này

Các bước chính của PCR bao gồm:

1 Xử lý ban đầu (không bắt buộc)

Nội dung chính của bước này là chuẩn hóa tập số liệu

2 Các xử lý cần thiết:

Với một tập số liệu đã chuẩn hóa hoặc chưa chuẩn hóa, trước khi sử dụng đều cần bước bình phương toàn tập dữ liệu - đây là yêu cầu bắt buộc đối với hầu hết các hàm tính vectơ riêng

D = AT A Trong đó A là ma trận số liệu biểu diễn độ hấp thụ quang theo các thời điểm

đo của các dung dịch chuẩn và AT là ma trận chuyển vị của ma trận A

3 Xác định các vectơ riêng hay các PC:

Có thể tính toán các vectơ riêng của tập số liệu bằng nhiều hàm toán học khác nhau Có 3 hàm chính, thường sử dụng là hàm NIPALS (hàm phi tuyến lặp sử dụng kĩ thuật bình phương tối thiểu riêng phần), hàm SVD (hàm phân tách các giá trị riêng) và hàm Princomp (hàm tính các cấu tử chính) Cần lưu ý rằng, tất cả các hàm này đều tính toán và đưa ra tất cả các cấu tử nhưng thường không sử dụng tất

cả mà chỉ sử dụng N cấu tử đầu đủ để xác định không gian mới [20]

NIPALS là hàm lặp thường sử dụng cho các tập số liệu kích thước lớn hoặc

có độ đa cộng tuyến cao Với tập số liệu có kích thước nhỏ, quá trình tính lặp trong hàm NIPALS sẽ làm khuếch đại sai số của tập số liệu nên thông thường người ta không sử dụng hàm này để tính các PC

SVD là hàm tính PC sử dụng phương pháp tách tập số liệu ban đầu thành các nhân tố Các vectơ riêng và trị riêng của ma trận dữ liệu đều là những tập con riêng của các nhân tố trong SVD Hàm SVD sử dụng hình thức chéo hóa cho phép khống chế thang đo một cách hợp lí nên giảm thiểu được sai số do làm tròn Vì vậy hàm này sử dụng được với các kiểu tập số liệu rộng rãi hơn hàm NIPALS

Princomp là hàm tính toán trực tiếp các cấu tử chính (PC) có vai trò tương đương các vectơ riêng Tuy nhiên, so với hàm SVD thì việc sử dụng hàm Princomp với tập số liệu lớn có ưu điểm là phương sai tập trung không cao nên vị trí các PC

sẽ chênh lệch không quá lớn, do đó sai số trong quá trình làm tròn số và chuyển hóa tập số liệu sẽ nhỏ hơn

Các hàm toán học trên đều đưa ra một ma trận cột chứa các vectơ riêng - Vc - là

ma trận trong đó mỗi cột là một vectơ hay nhân tố mới - PC - của ma trận dữ liệu và số hàng ma trận là số thời điểm đo Mỗi nhân tố hay vectơ này lại là tổ hợp bậc nhất của các điểm phổ ban đầu, phần đóng góp của các điểm này vào mỗi vectơ là khác nhau tùy thuộc vào giá trị hàm phụ thuộc tại điểm đó Những điểm có giá trị đóng góp lớn vào các PC chứa phương sai lớn sẽ là những điểm đo có ảnh hưởng quyết định tới kết quả tính ma trận hệ số hồi qui và kết quả hồi qui sau đó Ma trận kết quả thứ hai cũng rất quan trọng là ma trận phương sai của các PC: đó là dạng ma trận chéo đối với hàm SVD, là một vectơ cột đối với hàm NIPALS và hàm Princomp

4 Lựa chọn các vectơ có nghĩa

Đây là bước có ảnh hưởng đặc biệt quan trọng đến bước xử lý tiếp theo Nếu giữ lại nhiều vectơ hơn số cần dùng thì những vectơ đó sẽ chứa cả tín hiệu nhiễu và như vậy, kết quả hồi qui sẽ mắc phải sai số Nếu giữ lại không đủ số vecto cần thiết

sẽ làm mất đi thông tin có ích từ tập dữ liệu, điều này cũng sẽ gây nên sai lệch giữa

mô hình hồi qui thu được và mô hình thực Vì vậy, việc đánh giá và lựa chọn các vectơ có nghĩa là rất quan trọng Dưới đây là một số phương pháp phổ biến để xác định số PC có nghĩa [7,15]:

 Dùng các hàm chỉ thị: Có rất nhiều hàm chỉ thị khác nhau như CPV (tính phần trăm phương sai tích lũy), hàm IEF,

 Tính toán PRESS (tổng bình phương sai số dự đoán) để đánh giá thông tin từ dữ liệu

 Phương pháp đánh giá chéo

 Phương pháp đánh giá Xu – Kailath

 Đánh giá theo tiêu chuẩn Akaike

 Tính phương sai của sai số tái lập VRE

Các phương pháp này đều có những ưu điểm riêng khi sử dụng và kết quả đánh giá tương đối thống nhất với nhau Phương pháp được sử dụng rộng rãi để lựa

chọn các PC có nghĩa khi các PC này được tính bằng hàm SVD hay Princomp là phương pháp tính và đánh giá qua phần trăm phương sai tích lũy của các PC đó Cách tính này đơn giản hơn và các hàm tính PC trên đã cho sẵn dữ liệu để có thể đánh giá nhanh

5 Tính toán lại

Sau khi loại bỏ các vectơ riêng không có nghĩa, chúng ta cũng loại được tín hiệu nhiễu của dữ liệu gốc và cần tính lại dữ liệu sau khi loại bỏ sai số Như vậy, khi tính toán ở hệ tọa độ mới ta đã loại bỏ được tín hiệu nhiễu trong tập dữ liệu ban đầu

Aj: Ma trận số liệu ở hệ tọa độ mới A: Ma trận gốc

Vc: Ma trận các vectơ riêng có nghĩa + Thay thế A bằng Aj trong phương trình hồi quy

C = Aj F , trong đó F được tính theo công thức:

F = (AjT Aj)-1 AjT C Nồng độ chất phân tích trong mẫu chưa biết được tính theo công thức:

Cx = Ax Vc F = Ax Fcal

với Fcal = Vc F đóng vai trò tương tự ma trận P trong phương trình của ILS

Ưu điểm của phương pháp PCR:

- Hội tụ đầy đủ các ưu điểm của phương pháp ILS đồng thời khắc phục được các nhược điểm của phương pháp ILS do tiến hành tính toán trên toàn phổ

- Phương pháp này cho phép loại bỏ sai số nhiễu phổ và sai số ngẫu nhiên trong quá trình đo khi lựa chọn được số PC phù hợp

Đối với trường hợp sử dụng phổ toàn phần, khi dùng các phương pháp khác như CLS, kết quả tính cuối cùng là kết quả tính trung bình trên toàn phổ nên kém chính xác hơn trường hợp dùng phổ chọn lọc Khi sử dụng mô hình PCR, tuy kết quả vẫn tính trên tất cả các điểm nhưng đóng góp của các điểm đo sẽ khác nhau tùy theo lượng đóng góp của từng điểm này vào các PC được chọn mà lượng đóng góp này lại được phân tích dựa trên tín hiệu đo tại từng điểm của các mẫu chuẩn Do có

sự phân biệt và chọn lọc trong đánh giá mỗi điểm đo nên kết quả thu được sẽ chính xác hơn phương pháp tính trung bình trên toàn phổ ở các phương pháp phổ toàn

Một số tác giả đã phát triển một phương pháp xác định đồng thời 4 dạng As

là As(III) vô cơ, As(V) vô cơ, DMA(V) và MMA(V) bằng phổ hấp thụ nguyên tử

sử dụng kĩ thuật bình phương tối thiểu nghịch đảo để xây dựng đường chuẩn đa biến Sau khi khử các dạng asen bằng NaBH4 đo tín hiệu các dạng As này tại 6 môi trường phản ứng là môi trường HCl 6M, 1M, 0,5M, axit axetic 1M, môi trường đệm citric/citrat có pH = 2 và 4 rồi dựng đường chuẩn đa biến theo phương pháp ILS để kiểm tra các mẫu chuẩn và nhận thấy phương pháp xác định này có hiệu suất thu hồi tương đối cao, hoàn toàn phù hợp để ứng dụng định lượng mẫu thực tế Giới

hạn phát hiện của phương pháp này rất thấp, đối với As(III), As(V), MMA và DMA thì giá trị LOD lần lượt bằng hoặc thấp hơn 2,7ng/ml, 0,8ng/ml, 3,0ng/ml, 4,9ng/ml [ 19, 21] Trên cơ sở phương pháp xác định này, chúng tôi đã khảo sát lại và xây dựng một phương pháp xác định đồng thời các dạng As sử dụng các mô hình đường chuẩn và phát triển thêm phương pháp PCR Từ đường chuẩn đa biến đó, chúng tôi nghiên cứu một số điều kiện để bảo quản mẫu asen

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM

2.1 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1.1 Cơ sở của phương pháp

Cơ sở của phương pháp là dựa trên sự chênh lệch hiệu suất phản ứng khi khử các dạng As thành asin bằng NaBH4 trong các môi trường có nồng độ H+ khác nhau Các phản ứng xảy ra khi khử 4 dạng As khảo sát (As(III) vô cơ, As(V) vô cơ, DMA(V) và MMA(V)) như sau [ 36]: vô cơ hóa các dạng asen hữu cơ rồi khử thành asin theo phản ứng

AsO43- + BH4- + H+ → AsO33- + H2 + BO3AsO33- + BH4- + H+ → AsH3 + H2 + BO3-Dòng khí mang Ar sẽ dẫn AsH3 khác sang vùng nguyên tử hóa:

-Định lượng As sinh ra bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử tại bước sóng đặc trưng của As là λ = 193,7nm

Tại mỗi môi trường phản ứng, các dạng As khác nhau sẽ bị khử với tốc độ khác nhau nên lượng As sinh ra là khác nhau, tín hiệu đo được cũng khác nhau Dựa trên chênh lệch tín hiệu giữa các dạng As trong các môi trường phản ứng lựa chọn

để thiết lập ma trận chuẩn cho mô hình xác định đồng thời ILS và PCR

2.1.2 Nội dung nghiên cứu

Để xây dựng qui trình xác định đồng thời các dạng As bằng phương 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 trước 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 đường chuẩn đa biến xác định đồng thời các dạng As trong dung dịch

2 Dựa trên đường chuẩn đa biến xác định đồng thời các dạng asen bằng HVG – AAS vừa xây dựng được, nghiên cứu các điều kiện bảo

quản mẫu: vật liệu bình chứa, pH, lượng oxi hòa tan, các ion thường

có trong thành phần mẫu, nhiệt độ và thời gian bảo quản mẫu

3 Đánh giá kết quả của các điều kiện tối ưu và phương pháp phân tích thông qua mẫu kiểm chứng

4 Xác định hàm lượng các dạng asen trong 5 mẫu thực tế ở khu vực Lâm Thao – Phú Thọ

2.2 HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM

2.2.1 Hóa chất

Các loại hoá chất được sử dụng là loại tinh khiết phân tích (P.A) và các dung dịch được pha chế bằng nước cất 2 lần

Chuẩn bị các dung dịch chuẩn:

 Dung dịch chuẩn As(III) dạng vô cơ 1000ppm: Cân 0,13340g oxit

As2O3, hòa tan trong 50ml dung dịch NaOH 5%, chuyển vào bình định mức 100ml, thêm nước cất đến khoảng 70ml, lắc đều Thêm tiếp 10ml dung dịch HCl 2M, định mức tới vạch bằng nước cất và lắc đều Xác định lại nồng độ dung dịch vừa pha

 Dung dịch chuẩn gốc As(V) dạng vô cơ 1000ppm

 Dung dịch chuẩn gốc DMA(V) 1000ppm trong HCl 1M: pha từ axit (CH3)2HAsO2

 Dung dịch chuẩn gốc MMA(V) 1000ppm trong HCl 1M: pha từ muối

CH3Na2AsO3.1,5H2O

 Dung dịch NaBH4 1% pha trong NaOH 0,5%: Cân 1,0g NaBH4, hòa tan trong 10ml dung dịch NaOH 5%, chuyển vào bình định mức 100ml, định mức tới vạch và lắc đều

 Các dung dịch HCl 6M,HCl 2M, HCl 1M: Pha từ HCl đặc 37%(Merck)

 Các dung dịch đệm xitric – xitrat 1M có pH = 2, 3: Pha chế từ axit Xitric và muối Natri Xitrat và hiệu chỉnh bằng máy đo pH

 Các dung dịch H2SO4, HNO3 và các dung dịch chứa các ion cần thiết cho các khảo sát khác được chuẩn bị từ các dung dịch đặc và muối dạng tinh thể có

độ tinh khiết cao

2.2.2 Dụng cụ và trang thiết bị đo

- Bình định mức thủy tinh loại 10ml, 25ml, 50ml, 100ml, 250ml

- Các loại pipet vạch, pipet bầu

- Phễu, cốc, bình tam giác, đũa thủy tinh

- Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) Model AA-6800 ghép nối hệ thống HVG, hãng Shimadzhu, Nhật Bản

- Cân phân tích và cân kĩ thuật

- Máy đo pH HANNA Instrument 211

2.2.3 Các phần mềm tính toán và xử lí

- Xử lý thống kê trên phần mềm Origin 6.0

- Lập trình tính toán theo phương pháp hồi qui đa biến trên phần mềm Matlab 7.0

2.3 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

2.3.1 Các điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử của Asen

Kế thừa các kết quả thực nghiệm trong công trình nghiên cứu của Nguyễn Thị Thu Hằng về phân tích dạng As sử dụng phương pháp HVG - AAS [6 ], chúng tôi lựa chọn các điều kiện tối ưu cho quá trình đo phổ xác định asen như sau:

Bảng 2.1: Tóm tắt các điều kiện tối ưu xác định As(III) bằng phương pháp

HVG-AAS

Giá trị lựa chọn

Chiều cao đèn nguyên tử

hóa 16mm Tốc độ dòng axit 2ml/phút

Chúng tôi sử dụng những điều kiện khử này để tiến hành các phép đo xác định riêng các dạng As, chỉ thay đổi nồng độ và bản chất dòng axit trong các phép đo xác định đồng thời sau đó Qui trình xác định phổ AAS của As đƣợc mô tả qua hình 2.1:

Hình 2.1: Sơ đồ thực nghiệm mô tả quá trình đo phổ hấp thụ nguyên tử của As

HCl NaBH4 Mẫu đo

Bơm nhu động

Ar

Ar Thải

Buồng hidrua hóa

Computer Máy đo AAS

2.3.2 Qui trình phân tích

2.3.2.1 Qui trình phân tích riêng As(III)

Để tiến hành 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 ưu Tín hiệu thu được dưới 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 khoảng tuyến tính, đo tín hiệu các dung dịch này ở các điều kiện khử

và nguyên tử hóa như trên trong 5 môi trường phản ứng là HCl 6M, HCl 2M, HCl 1M, môi trường đệm xitric/xitrat 1M có pH = 2, 3

Nhập số liệu ma trận nồng độ các chất và ma trận tín hiệu đo vào phần mềm Matlab, chạy chương trình tính toán ma trận hệ số hồi qui trên phần mềm và sử dụng ma trận này để tìm nồng độ các dạng trong mẫu

2.3.3 Các thuật toán hồi qui đa biến

Phương pháp hồi qui cấu tử chính (PCR)[7]

Thuật toán PCR giải trong Matlab như sau:

- Nhập ma trận nồng độ C (30x4) và ma trận tín hiệu đo A của 30 dung dịch chuẩn chứa 4 dạng As cần phân tích

- Bình phương tập số liệu chứa biến phụ thuộc:

- Từ giá trị phần trăm phương sai của các PC, căn cứ vào yêu cầu cụ thể của bài toán để quyết định chọn số PC làm cơ sở cho không gian mới của tập số liệu (n):

2 Nhập các ma trận dữ liệu trong cửa sổ WORKSPACE

+ Nhập ma trận nồng độ X0 (30x4) của 30 dung dịch chuẩn chứa 4 dạng Asen

+ Nhập ma trận tín hiệu phân tích Y0(30x5) (5 môi trường đo tín hiệu)

+ Nhập ma trận X0ktra(10x4), Y0ktra(10x5)

+Nhập tín hiệu phân tích Y của mẫu cần định phân

1 Lưu các dữ liệu vừa nhập vào thành 1 file trong Matlab: PCR.mat

2 Mở một M-flie trong cửa sổ EDITOR( vào Matlab 7.6 chọn desktop , chọn editor và chọn New M-File) và viết các câu lệnh sau :

load pcr.mat;

- Lưu lại M-file vừa thực hiện được: PCR.m

4 Gọi hàm M-file vừa viết được trong cửa sổ COMMAND WINDOW :

>> PCR

Khi đó chương trình sẽ chạy cho kết quả cần tìm

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỒI QUY ĐA BIẾN TUYẾN TÍNH PHÂN TÍCH DẠNG ASEN

3.1.1 Đường chuẩn xác định các dạng asen riêng rẽ trong môi trường HCl 6M

Tác giả Nguyễn Thị Thu Hằng [ 6] đã nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường phản ứng đối với quá trình khử các dạng asen thành asin bằng chất khử NaBH4 và nhận thấy tín hiệu đo các dạng As có thay đổi rõ rệt theo các môi trường khử và hiệu suất khử mỗi dạng ở từng môi trường phản ứng khá ổn định Hiệu suất khử của các dạng như sau:

Bảng 3.1: Hiệu suất khử các dạng asen trong các môi trường phản ứng (%)[6]

Như vậy, ở môi trường HCl 6M hiệu suất khử của As(III) là lớn nhất,

As(III) bị khử hoàn toàn thành asin Các dạng nồng độ khác hiệu suất khử thấp hơn nhưng hiệu suất đó khá ổn định, do đó điểm này hoàn toàn thỏa mãn điều kiện là điểm đặc trưng trong trong phương pháp hồi qui đa biến sử dụng các mô hình liên

quan tới phép bình phương tối thiểu nghịch đảo Đối với các điểm khảo sát khác như HCl 2M, 1M, pH = 2, 3 cũng cho kết quả tương tự

Ở mỗi giá trị pH khác nhau trong môi trường phản ứng, kết quả đo độ hấp thụ quang khác nhau Trong phạm vi luận văn này, chúng tôi chỉ xây dựng đường chuẩn xác định từng dạng As ở môi trường HCl 6M để thuận tiện cho quá trình so sánh, kiểm chứng tính cộng tính và lập đường chuẩn đa biến Kết quả xây dựng đường chuẩn cho quá trình xác định các dạng As ở các môi trường khử khác cũng cho tương tự

Chuẩn bị các dung dịch chuẩn As có nồng độ thay đổi, đo độ hấp thụ quang trong điều kiện tối ưu đã chọn Giá trị độ hấp thụ quang của các dung dịch chuẩn sau khi trừ tín hiệu nền được chỉ ra ở các bảng và biểu diễn trên các đồ thị sau:

Bảng 3.2: Khoảng tuyến tính của phép xác định As(III)

0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18

0 2 4 6 8 10 0.00

0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

Hình 3.2: Đường chuẩn xác định riêng rẽ As(III)

Bảng 3.3: Khoảng tuyến tính của phép xác định As(V) vô cơ

0 10 20 30 40 50 60 0.00

0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14

Hình 3.4: Đường chuẩn xác định riêng rẽ As(V) vô cơ

Bảng 3.4: Khoảng tuyến tính của phép xác định DMA

C DMA(ppb)

Hình 3.5: Sự phụ thuộc của Abs theo nồng độ DMA