xác định kim loại nặng trong thực phẩm bằng phương pháp phổ khối lượng cao tần cảm ứng plasma icp-ms

Vì vậy việc điều tra, đánh giá chất lượng nguồn thực phẩm hiện nay là rất quan trọng, một trong những chỉ tiêu để đánh giá là hàm lượng các kim loại nặng... Phương pháp ICP – MS ra đờ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Mã số: 60 44 29

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS LÊ NHƯ THANH

Hà Nội - 2012

DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Hệ trang bị ICP-MS

Hình 2.2: Hình ảnh máy ICP – MS (ELAN 9000)

Hình 3.1: Giá trị SDe

Hình 3.2: Ảnh hưởng của công suất cao tần

Hình 3.3: Ảnh hưởng của lưu lượng khí mang Hình 3.4: Ảnh hưởng của thế thấu kính ion

Hình 3.5: Đường chuẩn các kim loại cần phân tích

DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Ngƣỡng giới hạn một số kim loại nặng

Bảng 2.1: Hệ số dw% của các mẫu

Bảng 3.1: Số khối và tỉ lệ đồng vị đối với các nguyên tố phân tích

Bảng 3.2: Các thông số tối ƣu cho máy ICP-MS

Bảng 3.3: LOD và LOQ của phép đo ICP-MS

Bảng 3.4: Nồng độ các kim loại trong dung dịch chuẩn kiểm tra

Bảng 3.5: Hiệu suất thu hồi khi xử lý mẫu theo quy trình 1

Bảng 3.6: Hiệu suất thu hồi khi xử lý mẫu theo quy trình 2

Bảng 3.7: Hiệu suất thu hồi khi xử lý mẫu theo quy trình 3

Bảng 3.8: Hiệu suất thu hồi khi xử lý mẫu theo quy trình 4

Bảng 3.9: Hiệu suất thu hồi khi xử lý mẫu theo quy trình 5

Bảng 3.10: Hàm lƣợng các kim loại (mg/kg) trong mẫu thực phẩm khi phân tích

lặp lại

Bảng 3.11: Kết quả phân tích hàm lƣợng các kim loại nặng (mg/kg) trong mẫu thực

phẩm

Bảng 3.12: Hàm lƣợng giới hạn của một số kim loại trong thực phẩm

Bảng 3.13: Danh sách các mẫu có hàm lƣợng một số kim loại vƣợt quá quy định

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN 3

1.1.Tổng quan chung về thực phẩm 3

1.1.1 Định nghĩa chung về thực phẩm [15] 3

1.1.2 Phân loại thực phẩm 3

1.2 Chất lượng nguồn thực phẩm ở nước ta hiện nay 3

1.2.1 Các yếu tố gây ô nhiễm nguồn thực phẩm 3

1.2.2 Tình hình ô nhiễm kim loại nặng trong thực phẩm hiện nay [ 10, 12 ] 5

1.3 Ảnh hưởng của kim loại nặng đến cơ thể sống 7

1.3.1 Cơ chế gây độc của kim loại nặng [4, 9] 7

1.3.1.1.Vùng tác động 7

1.3.1.2 Các yếu tố làm thay đổi độc tính 8

1.3.2 Các tác dụng độc của kim loại [ 4, 9] 9

1.3.2.1 Gây ung thư 9

1.3.2.2 Giảm chức năng miễn dịch 9

1.3.2.3 Ảnh hưởng hệ thần kinh 9

1.3.2.4 Ảnh hưởng đến thận 10

1.3 Các phương pháp xác định lượng vết kim loại nặng 10

1.3.1 Phương pháp phổ khối lượng plasma cao tần cảm ứng ICP-MS 10

1.3.2 Các phương pháp phân tích quang học 14

1.3.2.1 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS 14

1.3.2.2 Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử AES 15

1.3.2.3 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS 16

1.3.2.4 Phương pháp huỳnh quang 18

1.3.3 Các phương pháp phân tích điện hoá 19

1.3.3.1 Phương pháp cực phổ 19

1.3.3.2 Phương pháp Von-Ampe hoà tan 20

1.4 Phương pháp xử lý mẫu thực phẩm 21

1.4.1 Nguyên tắc xử lý mẫu 21

1.4.2 Một số phương pháp xử lý mẫu thực phẩm xác định hàm lượng kim loại nặng 22

Chương 2-THỰC NGHIỆM 25

2.1 Đối tượng và nội dung nghiên cứu 25

2.1.1 Đối tượng: 25

2.1.2 Nội dung nghiên cứu 25

2.2 Hóa chất, thiết bị và dụng cụ 25

2.2.1 Hóa chất 25

2.2.2 Thiết bị và dụng cụ 25

Hệ trang bị của phép đo ICP-MS 26

2.3 Lấy mẫu, bảo quản mẫu 27

2.3.1 Lấy mẫu 27

Chương 3- KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30

3.1 Tối ưu hoá các điều kiện phân tích bằng phương pháp ICP-MS 30

3.1.1 Chọn đồng vị phân tích 30

3.1.2 Độ sâu mẫu (Sample Depth - SDe): 31

3.1.3 Công suất cao tần (Radio Frequency Power - RFP): 31

3.1.4 Lưu lượng khí mang (Nebulized gas flow – NGF) 32

3.1.5.Thế thấu kính ion 33

3.2 Đánh giá phương pháp phân tích 35

3.2.1 Khoảng tuyến tính 35

3.2.2 Đường chuẩn 36

3.2.3 Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng 40

3.3 Xây dựng quy trình xử lý mẫu thực phẩm 46

3.3.1 Các quy trình xử lý mẫu khảo sát 46

3.3.2 Đánh giá hiệu suất thu hồi 47

3.3.3 Độ lặp lại của phương pháp khi phân tích mẫu thực tế 56

3.4 Kết quả phân tích hàm lượng kim loại nặng trong mẫu thực phẩm 57

KẾT LUẬN 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

1

MỞ ĐẦU

Xã hội càng phát triển thì nhu cầu của con người ngày càng tăng Kinh tế tăng trưởng dẫn tới con người yêu cầu những sản phẩm, dịch vụ tốt nhất Trong đó nhu cầu về thực phẩm sạch, an toàn và đảm bảo sức khỏe trở thành nhu cầu thiết yếu, cấp bách và được xã hội và người dân hết sức quan tâm Tuy nhiên ở nước ta hiện nay, sự bùng nổ của dân số cùng với tốc độ đô thị hóa, công nghiệp hóa, hiện đại hóa nhanh chóng đã tạo ra một sức ép lớn tới môi trường sống của người dân Nhu cầu về lượng thực phẩm ngày càng tăng trong khi đó diện tích để sản xuất ngày càng bị thu hẹp.Thêm vào đó do lợi nhuận mà nhiều nhà sản xuất đã sử dụng nhiều hóa chất, chế phẩm, phụ gia có hại cho sức khỏe con người và môi trường vào thực phẩm từ khâu sản xuất, chế biến, bảo quản…Do đó vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm hiện nay đang là vấn đề nóng, được cả nhà nước và người dân hết sức quan tâm

Thực phẩm quan trọng đối với con người có thể ví như không khí để thở, nước để uống Chúng là nguồn cung cấp năng lượng, vitamin, khoáng chất cho cơ thể Tuy nhiên hiện nay chất lượng nguồn thực phẩm đang rất báo động, nhiều trường hợp bị ngộ độc thức ăn, nhiều căn bệnh ở người mà nguyên nhân chủ yếu do con đường ăn uống Thực phẩm hiện nay có thể bị ô nhiễm nhiều thứ như: thuốc trừ sâu, chất kích thích, thuốc tăng trọng, chất bảo quản….và đặc biệt là ô nhiễm kim loại nặng Theo các chuyên gia về vệ sinh an toàn thực phẩm, thực phẩm có thể bị ô nhiễm các kim loại nặng (các kim loại có khối lượng nguyên tử lớn như: chì, asen, kẽm, đồng, thủy ngân, cadmi, crom ) do việc sử dụng các nguyên liệu, phụ gia để sản xuất, chế biến không tinh khiết, có hàm lượng kim loại nặng vượt mức cho phép Khi nhiễm vào cơ thể, kim loại nặng tích tụ trong các mô Cơ thể cũng có cơ chế đào thải, nhưng tốc độ tích tụ lớn hơn gấp nhiều lần Ở người, kim loại nặng có thể tích tụ vào nội tạng như gan, thận, thần kinh, xương khớp gây nhiều căn bệnh nguy hiểm đặc biệt là bệnh ung thư

Vì vậy việc điều tra, đánh giá chất lượng nguồn thực phẩm hiện nay là rất quan trọng, một trong những chỉ tiêu để đánh giá là hàm lượng các kim loại nặng

2

Trong các phương pháp được sử dụng hiện nay (AAS, AES, UV-VIS, ICP-MS….) thì phương pháp ICP-MS là một phương pháp ưu việt vì có thể xác định đồng thời nhiều kim loại với giới hạn phát hiện thấp Trong bản luận văn này 11 kim loại Cr,

Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb, Hg, Fe được xác định trong các mẫu rau, củ, quả và mẫu thịt bằng phương pháp ICP-MS

1.1.2 Phân loại thực phẩm

Có rất nhiều cách phân loại thực phẩm:

Theo nguồn gốc: thực phẩm có nguồn gốc động vật (trên cạn, dưới nước, trên không…) , thực vật ( rau, củ, quả, hạt,hoa )

Theo cách bảo quản: thực phẩm tươi, đông lạnh, đóng hộp…

Theo cách chế biến : thực phẩm chưa qua chế biến, thực phẩm đã qua chế biến …

Ngoài ra hiện nay còn xuất hiện nhiều loại thực phẩm mới do sự phát triển của xã hội :

Thực phẩm chức năng

Thực phẩm dinh dưỡng

1.2 Chất lượng nguồn thực phẩm ở nước ta hiện nay

1.2.1 Các yếu tố gây ô nhiễm nguồn thực phẩm

 Trong quá trình sản xuất:

+) Các loại cây được trồng trên các khu đất bị ô nhiễm, tưới nguồn nước không đảm bảo, sử dụng quá nhiều loại thuốc bảo vệ thực vật và thuốc kích thích tăng trưởng; tiến hành thu hoạch khi thời gian sử dụng thuốc bảo vệ thực vật vẫn còn trong giai đoạn gây độc…

+) Các loại con ( gia súc, gia cầm, thủy hải sản….) có chất lượng con giống không đảm bảo, trong quá trình chăn nuôi sử dụng nguồn thức ăn không sạch, dùng quá nhiều thuốc kích thích tăng trưởng dẫn tới chất lượng thực phẩm không cao và

4

còn có thể gây hại cho sức khỏe con người nếu dư lượng của chúng còn lại trong sản phẩm vượt quá quy định cho phép

Trong quá trình chế biến và bảo quản:

Người ta sử dụng một số hóa chất, phụ gia trong khi chế biến, bảo quản nhằm mục đích cho sản phẩm để được lâu hơn, tránh nấm mốc, hình thức bắt mắt hơn … tuy nhiên nếu lạm dụng quá sẽ gây nên tác hại cho người sử dụng

TS.BS Vương Tuấn Anh, Viện Vệ sinh dịch tễ trung ương cho biết, nhóm

nghiên cứu đã tiến hành khảo sát, nghiên cứu tại hai điểm khu vực ven đô TP Hà Nội trong mùa mưa và mùa khô Điểm thứ nhất là phường Hoàng Liệt (Quận Hoàng Mai) nơi lấy nước tưới từ sông Tô Lịch và Kim Ngưu - 2 con sông chứa nước thải

lớn nhất thành phố thông qua trạm bơm và hệ thống kênh dẫn Điểm nghiên cứu thứ hai là Long Biên với nguồn nước tưới chủ yếu là ao chứa nước mưa và nước sông

Hồng hoặc nước giếng hộ gia đình Ở mỗi điểm, nhóm nghiên cứu lựa chọn ngẫu nhiên 6 hộ gia đình tham gia trồng rau với loại rau nghiên cứu chính là rau muống

TS Vương Tuấn Anh cho biết: “Mỗi hộ gia đình chúng tôi lấy 6 mẫu Thường vào

buổi sáng, hộ gia đình tại Hoàng Liệt thu hoạch rau muống và rửa rau tại kênh dẫn nước tưới để giữ cho rau ẩm Sau đó, rau muống được những người bán buôn mua

và vận chuyển đến các chợ trong nội thành Tại Long Biên, nông dân thu hoạch rau

vào buổi chiều và rửa rau bằng nước giếng tại hộ gia đình để giữ ẩm sau đó, để qua

đêm cho tới sáng hôm sau mới mang ra chợ” [6]

Cùng thời điểm, một nghiên cứu độc lập khác cũng được tiến hành tại chợ Hoàng Liệt (gần khu vực nuôi trồng rau bằng nước thải) và chợ Hàng Bè (tập trung rau từ nhiều khu vực sản xuất khác nhau) Các loại rau chủ yếu là rau húng, rau mùi, kinh giới, rau muống, rau rút

Tổng cộng có 96 mẫu rau được lấy tại Hoàng Liệt và 118 mẫu từ Long Biên

Sau đó, các mẫu này được đưa đi xét nghiệm tại Viện Vệ sinh dịch tễ trung ương

Kết quả cho thấy, những mẫu rau thu thập được tại chợ đều ẩn chứa rất nhiều vi khuẩn coliform và các vi khuẩn gây ra bệnh đường ruột Đặc biệt, những vi khuẩn

này có nhiều nhất trong các loại rau như rau muống, rau húng, kinh giới, rau rút [6]

1.2.2 Tình hình ô nhiễm kim loại nặng trong thực phẩm hiện nay [ 10, 12 ]

Các nhà chuyên môn về vệ sinh an toàn thực phẩm cảnh báo rằng nhiều loại rau sinh trưởng trong vùng đất thấp, ao hồ, kênh rạch như rau muống, rau rút, rau cần, ngó sen dễ tích tụ những kim loại nặng như đồng, chì, kẽm, thủy ngân Các chất này có trong nước thải chưa được xử lý triệt để từ các nhà máy, xí nghiệp, cơ

sở sản xuất

Đề tài nghiên cứu hàm lượng kim loại nặng trong bùn đáy, trong nước và trong một số loại rau thủy sinh, của TS Bùi Cách Tuyến, Hiệu trưởng ĐH Nông Lâm TP HCM, thực hiện trong 2 năm (1999-2000) tại TP HCM cho thấy, nhiều

6

mẫu rau được lấy phân tích không an toàn, rất nhiều loại bị ô nhiễm nặng Hàm lượng kẽm trong mẫu rau muống ở Bình Chánh cao gấp 30 lần mức cho phép, tại các ao rau muống ở Thạnh Xuân cao gấp 2-4 đến 12 lần Hai mẫu rau rút ở Thạnh Xuân có hàm lượng chì gấp 8,4-15,3 lần mức cho phép, mẫu rau muống ở Thạnh Xuân có hàm lượng chì cao gấp 2,24 lần, mẫu rau muống ở Bình Chánh có hàm lượng chì cao gấp 3,9 lần, mẫu ngó sen ở Tân Bình có hàm lượng chì cao gấp 13,65 lần Hàm lượng kim loại đồng tại một ruộng rau muống ở Thạnh Xuân cao gấp 2 lần mức cho phép [12]

Theo GS-TS Nguyễn Thị Kê, Trưởng khoa Kiểm nghiệm trung tâm, Viện Vệ sinh Y tế công cộng, nguyên nhân chính dẫn đến rau bị nhiễm kim loại nặng, là do trồng gần cơ sở sản xuất, nguồn nước, vi lượng trong phân vượt quá hàm lượng, bón phân hoá học và thời gian khai thác rau Một số kim loại nặng với hàm lượng thích hợp sẽ có lợi cho cơ thể nhưng nếu vượt quá mức cho phép sẽ gây ngộ độc Ngoài ra, một số kim loại khác xâm nhập vào cơ thể ảnh hưởng đến thần kinh, tóc, răng, da và có thể gây ung thư [12]

Ông Huỳnh Thanh Hùng, giảng viên khoa Nông học ĐH Nông lâm TP HCM, còn cho biết người trồng rau phần lớn đều sử dụng phân chuồng từ lợn, gà, trong khi đó những gia súc gia cầm này được nuôi từ thức ăn tổng hợp là khá phổ biến Thức ăn dạng này có nhiều khoáng vi lượng Hàm lượng kim loại trong phân

sẽ xâm nhập vào đất trồng và tồn lưu trong các loại nông sản đặc biệt là đối với các loại rau ăn lá như cải ngọt, cải xanh, xà lách [12]

Viện Dinh dưỡng Quốc gia vừa công bố số liệu điều tra khẩu phần ăn của trẻ

từ 24-36 tháng tuổi ở các phường thuộc 4 quận nội thành Hà Nội, gồm: Ba Đình, Hoàn Kiếm, Đống Đa và Hai Bà Trưng Kết quả cho thấy, 12 loại thực phẩm như: gạo, thịt lợn, rau muống… có tỷ lệ nhiễm chì và asen rất cao [10] Theo kết quả xét nghiệm 12 mẫu thực phẩm cho thấy, nhóm thực phẩm ăn hàng ngày bị nhiễm chì cao nhất là ở gạo, thịt lợn, rau muống, tôm dảo, cam, quýt… Thực phẩm vượt quá quy định của Bộ Y tế về cadimin nhiều nhất cũng có ở gạo, thịt lợn, thịt bò cadimin cũng xuất hiện tại các thực phẩm khác như trứng gà

7

Nhóm nghiên cứu cũng cho rằng, lượng cadimin trong gạo chiếm tới 358%, trong sữa bột là 31% và trong cam là 15,6% lượng tối đa cho phép ăn vào hàng ngày của trẻ dưới hai tuổi (cân nặng trung bình 13kg) Còn trong thịt lợn đã lên tới 177,5%, thịt bò là 60,58%, tôm rảo là 35,73% và thịt gà là 6,84% so với lượng tối

đa cho phép ăn hàng tuần của trẻ

Theo các bác sĩ, cần thay đổi chế độ ăn nhằm bổ sung thêm các chất sắt và kẽm để ngăn chặn tình trạng hấp thu chì [10]

1.3 Ảnh hưởng của kim loại nặng đến cơ thể sống

1.3.1 Cơ chế gây độc của kim loại nặng [4, 9]

1.3.1.1.Vùng tác động

 Enzym:

Kim loại gây độc bằng cách kìm hãm hoạt động của enzym Hiệu ứng độc của nhiều kim loại thường do kết quả của tương tác giữa kim loại và nhóm tiol của enzym, hoặc do chuyển đổi mất một cofactor kim loại cần thiết của enzym Ví dụ, chì làm chuyển đổi mất kẽm của enzym dehydratase của axit -aminolevulinic

Một cơ chế gây độc khác của kim loại là kìm hãm sự tổng hợp của enzym

Ví dụ, niken và platin làm kìm hãm sự tổng hợp ra enzym synthetase, do đó phong toả tổng hợp hem vốn là thành phần quan trọng của hemoglobin và cytocrom

-aminolevulinic-Các bào quan dưới tế bào

Nói chung hiệu ứng độc của kim loại là do phản ứng của chúng với các hợp phần nội bào Muốn gây độc, kim loại phải xâm nhập vào bên trong tế bào, do đó nếu nó là một chất ưa béo, như metyl thuỷ ngân chẳng hạn, thì sẽ được vận chuyển qua màng tế bào một cách dễ dàng Khi kim loại liên kết với một protein nó sẽ được hấp thu qua đường nội thấm tế bào Sau khi xâm nhập vào trong tế bào, các kim loại

sẽ tác động đến các bào quan

Các bào quan dưới tế bào có thể làm tăng cường hay làm giảm chuyển động của kim loại qua màng sinh học và làm thay đổi độc tính của nó Hơn nữa, một số protein có mặt trong bào tương, trong lyzosom và trong nhân tế bào có thể liên kết

dễ dàng bị kìm hãm bởi các kim loại

1.3.1.2 Các yếu tố làm thay đổi độc tính

Mức độ và thời gian nhiễm độc

Cũng như đối với các chất độc khác, tác dụng độc của kim loại liên quan đến mức độ và thời gian nhiễm độc Nói chung, mức độ nhiễm độc càng cao thì thời gian ảnh hưởng càng kéo dài và hiệu ứng độc càng lớn Nếu thay đổi liều lượng và thời gian nhiễm độc thì có thể thay đổi bản chất của tác dụng độc Ví dụ, khi tiêu hoá dù chỉ một lần nhưng với lượng lớn Cd sẽ dẫn tới rối loạn dạ dày-ruột, trong khi

đó nếu hấp thụ một lượng nhỏ Cd trong một thời gian dài sẽ làm rối loạn chức năng thận

Dạng tồn tại hoá học

Dạng tồn tại hoá học của kim loại ảnh hưởng rất lớn đến độc tính của nó Thuỷ ngân là một ví dụ điển hình Khi ở dạng vô cơ, thuỷ ngân chủ yếu là những chất độc thận, nhưng khi ở dạng hữu cơ như metyl thuỷ ngân hay etyl thuỷ ngân sẽ gây độc hệ thần kinh

Các yếu tố sinh lý

Cũng như đối với nhiều chất độc khác, động vật non hay động vật già thường nhạy cảm với kim loại hơn động vật trưởng thành Ví dụ, trẻ em đặc biệt nhạy cảm với chì do độ nhạy cảm cao hơn, do hấp thu qua đường dạ dày-ruột lớn hơn (có tài liệu cho rằng lớn hơn 4-5 lần so với người trưởng thành) Nhiều bằng chứng cho thấy trẻ em ở giai đoạn trước khi sinh thường bị nhiễm các kim loại như chì, thuỷ ngân ở mức độ lớn hơn mẹ chúng nhiều

do đó ảnh hưởng đến tính chính xác của của polymerase vốn tham gia vào sinh tổng hợp ADN

1.3.2.2 Giảm chức năng miễn dịch

Khi nhiễm một số kim loại có thể dẫn đến kìm hãm các chức năng miễn dịch Các kim loại nặng, các hợp chất cơ kim như chì, cadimi, niken, asen, metyl thuỷ ngân… là các chất loại bỏ miễn dịch Còn các kim loại như bari, platin là các chất

kích thích miễn dịch Chúng thường gây ra các phản ứng quá nhạy cảm hay dị ứng

1.3.2.3 Ảnh hưởng hệ thần kinh

Do tính nhạy cảm lớn nên hệ thần kinh luôn là mục tiêu tấn công của kim loại Dạng thức lí hoá của kim loại thường là yếu tố quyết định độc tính Hơi thuỷ ngân (dạng kim loại) và metyl thuỷ ngân dễ dàng xâm nhập vào hệ thống thần kinh

và gây tác dụng độc, trong khi các dẫn xuất vô cơ của nó lại ít có khả năng xâm nhập vào hệ thống thần kinh nên chúng không phải là những chất độc thần kinh Chất hữu cơ của chì chủ yếu là các chất độc thần kinh, còn các dẫn xuất vô cơ lại ảnh hưởng mạnh đến quá trình tổng hợp hem và khi ở mức độ nhiễm cao chúng có thể gây ra các bệnh về não Ở trẻ em khi bị nhiễm mức vừa phải cũng có thể dẫn đến các rối loạn tâm thần

Các kim loại khác như trietylen thiếc, vàng, liti…đều có tác dụng độc thần kinh

10

1.3.2.4 Ảnh hưởng đến thận

Thận là một bộ phận đào thải chính, do đó cũng là một trong những mục tiêu tấn công của kim loại

Cadmi ảnh hưởng tới các tế bào của các ống đầu gần gây ra bài tiết nước tiểu

có protein phân tử lượng thấp, axit amin và glucose

Crom, platin và dẫn xuất vô cơ thuỷ ngân cũng là tác nhân gây thiệt hại các ống đầu gần

Bảng 1.1: Ngưỡng giới hạn một số kim loại nặng

1.3 Các phương pháp xác định lượng vết kim loại nặng

1.3.1 Phương pháp phổ khối lượng plasma cao tần cảm ứng ICP-MS

Thuật ngữ ICP (Inductively Coupled Plasma) dùng để chỉ ngọn lửa plasma tạo thành bằng dòng điện có tần số cao (cỡ MHz) được cung cấp bằng một máy phát Radio Frequency Power (RFP) Ngọn lửa plasma có nhiệt độ rất cao có tác dụng chuyển các nguyên tố trong mẫu cần phân tích thành dạng ion

MS (Mass Spectrometry) là phép ghi phổ theo số khối hay chính xác hơn là theo tỷ số giữa số khối và điện tích (m/Z)

Từ khi xuất hiện plasma cảm ứng với các tính năng và ưu điểm về vận hành hơn hẳn các nguồn hồ quang và tia điện thì một công cụ mới đã dần dần được phát triển thành một tổ hợp ICP ghép với một khối phổ kế Hai ưu điểm nổi bật của ICP-

MS là có độ phân giải cao và dễ tách các nhiễu ảnh hưởng lẫn nhau do đó có thể phát hiện được hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoàn Phương pháp phân tích

11

này dựa trên các nguyên tắc của sự bay hơi, phân tách, ion hóa của các nguyên tố hóa học khi chúng được đưa vào môi trường plasma có nhiệt độ cao Sau đó các ion này được phân tách ra khỏi nhau theo tỷ số khối lượng / điện tích (m/Z) của chúng, bằng thiết bị phân tích khối 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

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

* Sự xuất hiện và bản chất của phổ ICP-MS

Dưới tác dụng của nguồn ICP, các phân tử trong mẫu phân tích được phân li thành các nguyên tử tự do ở trạng thái hơi Các phần tử này khi tồn tại trong môi trường kích thích phổ ICP năng lượng cao sẽ bị ion hóa, tạo ra đám hơi ion của chất mẫu (thường có điện tích +1) Nếu dẫn dòng ion đó vào buồng phân cực để phân giải chúng theo số khối (m/Z) sẽ tạo ra phổ khối của nguyên tử chất cần phân tích và được phát hiện nhờ các detector thích hợp

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

12

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

Phép đo phổ ICP - MS là một kỹ thuật mới, ra đời cách đây không lâu nhưng được phát triển rất nhanh và sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như quá trình sản xuất nhiên liệu hạt nhân, xác định đồng vị phóng xạ, nước làm lạnh sơ cấp trong ngành hạt nhân (chiếm tỷ trọng 5%); phân tích nước uống, nước biển, nước bề mặt, đất, bùn, đất hoang, phân tích định dạng Hg, As, Pb và Sn trong nghiên cứu và bảo vệ môi trường (48%); quá trình hoá học, chất nhiễm bẩn trong Si Wafers trong công nghiệp sản xuất chất bán dẫn (33%); máu, tóc, huyết thanh, nước tiểu, mô trong y tế (6%); đất, đá, trầm tích, nghiên cứu đồng vị phóng xạ trong địa chất ( 2%); hoá chất (4%); dấu vết đạn, đặc trưng vật liệu, nguồn gốc, chất độc trong khoa học hình sự (1%) và phân tích thực phẩm (1%)

Ưu điểm phép đo phổ 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 kỹ 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

13

Với nhiều ưu điểm vượt trội, kỹ 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

Một số công trình nghiên cứu xác định kim loại nặng bằng phương

pháp ICP-MS:

Peter Heiland và Helmut D Koster [40] ứng dụng phương pháp ICP-MS để xác định lượng vết 30 nguyên tố Cu, Pb, Zn, Cd … trong mẫu nước tiểu của trẻ em và người trưởng thành

Marcos Pérez-López và cộng sự [31] phân tích Pb, Cd, Zn và As có trong thịt một số loài chim hoang dã ở vùng Galicia (Tây Bắc Tây Ban Nha) bằng phương pháp ICP-MS Kết quả cho thấy hàm lượng Zn trong khoảng 1,47 -2,98ppm, hàm lượng As trong khoảng 1,21 đến 6,88ppm Hàm lượng Pb và Cd trong đó tương đối cao, có mẫu lên tới trên 18ppm Pb, và hàm lượng Cd cao nhất thu được lên tới 39ppm

Tác giả Mohamed Maanan [34], trường đại học Nates, Pháp đã sử dụng phương pháp ICP-MS để phân tích Hg và Pd trong các động vật thân mềm ở vùng biển Kết quả cho thấy hàm lượng Pb là 9,6 mg.kg−1 và hàm lượng Hg là 0,6 mg.kg−1

Simone Griesel và cộng sự [42] đã sử dụng phương pháp ICP-MS để xác định hàm lượng của 23 nguyên tố kim loại (Be, Al, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co,

Ni, Cu, Zn, As, Se, Rb, Sr, Mo, Pd, Cd, Sn, Pt, Pb) trong máu của hải cẩu ở vùng biển Wadden, Đức và đảo Danish Kết quả chỉ ra rằng hàm lượng một số nguyên tố như As, Cr, Mn, Mo, Se, V trong máu hải cẩu cao hơn so với trong máu người Một

số nguyên tố như Al, Mn, Cu, và Pt khác nhau đáng kể trong máu hải cẩu ở hai vùng địa lí khác nhau Sự khác biệt này có thể do ảnh hưởng của nguồn thức ăn

Wenling Hu, Fei Zheng và Bin Hu [44] tách và xác định hàm lượng của As(III), As(V), Cr(III), Cr(VI) trong nước tự nhiên sử dụng kỹ thuật sol-gel và ICP-

MS Giới hạn phát hiện của phương pháp là 0,7 và 18 ng.L−1 với As(V) và Cr(VI),

14

3,4 và 74 ng.L−1 với As(III) and Cr(III) Độ lệch chuẩn là 3,1; 4,0; 2,8 và 3,9%

(C = 1 ng.mL−1) tương ứng với As(V), As(III), Cr(VI) và Cr(III) Với nước máy và nước hồ hiệu suất thu hồi đạt được từ 94 đến 105%

Hye-Sook Lim, Jin-Soo Lee, Hyo-Taek Chon và Manfred Sager [26] đã đánh giá sự ô nhiễm các kim loại nặng ở vùng mỏ vàng bạc Songcheon, Hàn Quốc Các mẫu đất, nước, thực vật…xung quanh khu mỏ được thu thập, xử lí sau đó đem xác định hàm lượng kim loại nặng bằng ICP-AES và ICP-MS Hàm lượng As và Hg trong đất trồng cao hơn rất nhiều so với giới hạn cho phép, kết quả cao nhất lên tới 626mg As/kg và 4,9mg Hg/kg Hàm lượng cao nhất trong cây trồng là 33 mg As/kg

và 3,8 mg Pb/kg (trong củ hành), 0,87mg Cd/kg và 226mg Zn/kg (trong rễ rau diếp), 16,3 mg Cu/kg (trong lá cây vừng) Điều này được giải thích do cây trồng được trồng trên vùng đất bị ô nhiễm As và các kim loại nặng Mặt khác hàm lượng cao nhất của As, Cd và Zn được tìm thấy trong nước suối- nguồn nước uống chủ yếu của khu vực này- lần lượt là: 0,71 mg/L, 0,19 mg/L và 5,4 mg/L, cao hơn rất nhiều so với giới hạn cho phép của Hàn Quốc

A.T Townsend và I Snape [18] đã tiến hành xác định hàm lượng Pb trong các mẫu trầm tích ở cửa sông thuộc nam Australia bằng phương pháp ICP-MS Các mẫu trầm tích ở Brown Bay hàm lượng Pb trong khoảng 18–215 mg.kg− 1, còn ở vùng Broken Hill và Mt Isa Australian hàm lượng Pb lần lượt từ 35,5 đến 36 và từ 16,0 đến 16,1 mg.kg-1 Còn ở khu vực Wilkes Station hàm lượng Pb được xác định trong khoảng 13–40 mg.kg− 1

1.3.2 Các phương pháp phân tích quang học

1.3.2.1 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS

Cơ sở của phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ phân tử là sự tương tác hấp thụ ánh sáng của chất phân tích hay hợp chất của nó với một chùm sáng thích hợp trong vùng phổ UV-VIS Đa số việc phân tích các kim loại nặng bằng UV-VIS cần sử dụng thuốc thử để đưa ion kim loại về dạng phức có phổ UV-VIS

Phương pháp này cho phép xác định ở khoảng nồng độ 10-7 đến 10-5M và là phương pháp phổ biến

15

Các tác giả Trần Thúc Bình, Trần Tứ Hiếu, Phạm Luận [3] đã xác định Cu,

Ni, Mn, Zn…với thuốc thử PAN trong cùng một hỗn hợp cho sai số nhỏ hơn 4% ở các bước sóng khác nhau

Angeline M.Stoyanova [15,16] đã xác định Cr(VI) bằng phương pháp trắc quang xúc tác, phương pháp này chủ yếu dựa trên hiệu ứng xúc tác của Cr(VI) đến phản ứng oxi hoá axit sunfanilic (SA) bằng H2O2 khi có mặt của p-Aminobenzoic axit (PABA) Sau khi cho thuốc thử 15 phút, đo độ hấp thụ quang tại bước sóng 360nm Điều kiện tối ưu của phương pháp đã được thiết lập: nồng độ SA là 4,3.10-

3M, nồng độ PABA là 1,0.10-3M, nhiệt độ phản ứng 500C, hệ đệm axit axetic- axit boric- axit orthophotphoric có pH=6,6 Giới hạn phát hiện của phương pháp là 10ng/ml Độ lệch chuẩn tương đối từ 2,9 đến 5,8% Phương pháp này áp dụng thành công để xác định Cr trong nước thải

1.3.2.2 Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử AES

Trong điều kiện bình thường, nguyên tử không thu cũng không phát ra năng lượng, nhưng nếu cung cấp năng lượng cho nguyên tử thì các nguyên tử sẽ chuyển lên trạng thái kích thích Trạng thái này không bền, nguyên tử chỉ tồn tại trong một thời gian cực ngắn 10-8s, chúng có xu hướng trở về trạng thái ban đầu bền vững và giải phóng ra năng lượng mà nó hấp thu dưới dạng bức xạ quang học Bức xạ này chính là phổ phát xạ nguyên tử Các nguồn kích thích phổ phát xạ là ngọn lửa đèn khí, hồ quang điện dòng xoay chiều và một chiều, tia lửa điện, plasma cảm ứng

Nhìn chung phương pháp này có độ nhạy khá cao, tốn ít mẫu, có khả năng phân tích đồng thời nhiều nguyên tố trong cùng một mẫu nên rất thuận lợi để phân tích lượng vết các kim loại độc trong các đối tượng khác nhau

Tác giả Phạm Luận [7] đã ứng dụng phương pháp AES phân tích một số kim loại trong nước ngọt, với Na cho giới hạn phát hiện 0,05ppm, K và Li là 0,5ppm và với Pb là 0,1ppm

Nguyễn Văn Định và cộng sự [5] đã phân tích các kim loại tạp chất trong mẫu kẽm tinh luyện cho kết quả hàm lượng các kim loại tạp chất như sau: hàm lượng thiếc lớn nhất 0,007%, sai số tuyệt đối 0,003%; hàm lượng niken nhỏ nhất

ưu để bảo quản mẫu Kết quả chỉ ra rằng với mẫu tảo bảo quản bằng chai nhựa polystiren ở nhiệt độ +20°C thì As và các hợp chất của nó có thể bảo quản ít nhất 12 tháng Mặt khác với dịch chiết từ loài tảo Sargasso, As tổng và As(V) có thể bảo quản ít nhất 15 ngày nếu đựng trong chai polystiren và nhiệt độ -18°C, còn dịch chiết của loài tảo Hijiki thì có thể bảo quản trong vòng 10 ngày ở nhiệt độ +4°C trong chai polystiren

Mustafa Türkmen và cộng sự [36] cũng đã sử dụng phương pháp phổ phát xạ nguyên tử plasma cao tần cảm ứng (ICP-AES) để phân tích hàm lượng các nguyên

tố kim loại nặng trong hải sản ở vùng biển Marmara, Aegean và Mediterranean Fe và Zn là hai kim loại có hàm lượng rất cao ở tất cả các phần của hải sản Hàm lượng kim loại trong những phần mà con người có thể sử dụng được như sau: 0,02–0,37 mg.kg−1 với Cd, 0,04–0,41 mg.kg−1 với Co, 0,04–1,75 mg.kg−1 với Cr, 0,32-6,48 mg.kg−1 với Cu, 7,46–40,1 mg.kg−1 với Fe, 0,10–0,99 mg.kg−1 với Mn, 0,02–3,97 mg.kg−1 với Ni, 0,33–0,86 mg.kg−1 với Pb, 4,49–11,2 mg.kg−1 với Zn Các tác giả cũng đã cho rằng tất cả các kim loại được phát hiện trong gan đều lớn hơn trong thịt Trong một số vùng, đã có dấu hiệu ô nhiễm kim loại nặng Hàm lượng Cd và

Cr trong cả thịt và gan, hàm lượng Pb trong gan của các mẫu phân tích cao hơn giới hạn cho phép dư lượng kim loại nặng trong thực phẩm

1.3.2.3 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS

Khi chiếu một chùm tia sáng có bước sóng xác định ứng đúng với tia phát xạ nhạy của nguyên tố cần xác định vào đám hơi nguyên tử tự do thì các nguyên tử tự

do sẽ hấp thụ năng lượng của các tia chiếu vào và tạo ra phổ hấp thụ nguyên tử của

nó Đo phổ này ta xác định được nguyên tố cần phân tích Trong phương pháp này thì quá trình chuyển hoá chất thành hơi (nguyên tử hoá mẫu) là quan trọng nhất

17

Tuỳ thuộc vào kĩ thuật nguyên tử hoá mà ta có phương pháp với độ nhạy khác nhau

Ví dụ với kĩ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa trong lò graphit GF-AAS cho độ nhạy cao hơn kĩ thuật nguyên tử hoá ngọn lửa F-AAS khoảng 50-1000 lần Phương pháp này được ứng dụng tương đối rộng rãi vì khả năng phân tích nhanh, độ nhạy,

độ chính xác cao, lượng mẫu ít, tự động hoá được

I Chuan Chuang và cộng sự [27] đã ứng dụng phương pháp GF-AAS để phân tích Cd và Pb trong các mẫu thuốc y học cổ truyền Trung Quốc và cho giới hạn định lượng là 2,0pg với Cd và 11,6pg với Pb

Jozep Szkoda và Jan Zmudzki [28] sử dụng phương pháp F-AAS để xác định

Pb và Cd trong mẫu sinh học cho hiệu suất thu hồi với Pb là 82,0% và Cd là 98,4%

Al Moauf và cộng sự [14] đã phân tích hàm lượng các kim loại nặng và các nguyên tố vi lượng có trong mẫu thực vật bằng phương pháp AAS cho kết quả hàm lượng trung bình của các mẫu như sau (kết quả tính theo ppm): Trong họ Hyptis suaveolens có hàm lượng Zn là (35,1±0,01), Cu là (24,4±0,01) ở mức cao nhất so với các mẫu khác Trong khi đó hàm lượng Mn (685±0,02) và Ca (51340±21) cao nhất trong cây Morinda lucida Kết quả cũng chỉ ra rằng trong cây Ocimum canum

có hàm lượng các nguyên tố K (36600±350), P (3700±35) và Fe (241±0,05) cao nhất Còn Na (613±0,60) có mặt nhiều nhất trong cây Anacardium occidentale

Mohamed Maanan [34] phân tích hàm lượng các kim loại nặng trong động vật thân mềm vùng biển sử dụng phương pháp AAS cho kết quả hàm lượng các kim loại như sau: 7,2 mg.kg−1 với Cd, 26,8 mg.kg−1 với Cu, 8,0 mg.g−1 với Cr,

292 mg.kg−1 với Zn, 20,8 mg.kg−1 với Mn và 32,8 mg.kg−1 với Ni

Mehrorang Ghaedi [32] và cộng sự đã sử dụng phương pháp F-AAS để xác định hàm lượng các nguyên tố kim loại nặng sau khi cho qua cột chiết pha rắn Phương pháp cho phép xác định Cu(II), Zn(II), Pb(II) và Fe(III) với hệ số tương quan dưới 3%

M Ghaedi và cộng sự [37] đã định lượng các kim loại nặng trong máu bằng F-AAS, sau khi được làm giàu bằng bis salicyl aldehyde, 1,3-propan diimine

số tương quan 0,998 Sai số tương đối nhỏ hơn 4,58% Giới hạn phát hiện của phương pháp là 0,16 μg.L−1

Daniela Schiavo, José Y Neira và Joaquim A Nóbrega [21] đã xác định Cu,

Pb, Cd trong vang nho và nho tươi bằng kĩ thuật F-AAS Phương pháp cho giới hạn phát hiện là 12,9; 1,8 và 5,3 μg.L−1 tương ứng với Cu, Cd và Pb Hệ số biến thiên tương ứng của Cu, Pb, Cd lần lượt là 2,7; 2,1 và 2,6%

N Pourreza và K Ghanemi [38] đã phân tích Hg trong nước và cá bằng phương pháp hấp thụ nguyên tử hoá hơi lạnh (CV-AAS) Đường chuẩn được xây dựng trong khoảng nồng độ từ 0,040 đến 2,40 ng.mL−1 với hệ số tương quan 0.9994 Giới hạn phát hiện dựa trên tính toán là 0,02 ng.mL−1 Hệ số biến thiên khi xác định Hg(II) ở nồng độ 0,4 và 2,0 ng.mL−1 lần lượt là 2,6 và 1,9% Các tác giả cũng đã kết luận phương pháp này có thể ứng dụng để phân tích hàm lượng Hg(II) trong các mẫu nước, nước thải và cá

1.3.2.4 Phương pháp huỳnh quang

Một chất khi hấp thụ một năng lượng ở giới hạn nào đó sẽ làm kích thích hệ electron của phân tử Khi ở trạng thái kích thích, phân tử chỉ tồn tại ≤ 10-8s, nó lập tức trở về trạng thái cơ bản ban đầu và giải phóng năng lượng đã hấp thụ Khi năng lượng giải toả được phát ra dưới dạng ánh sáng thì gọi là hiện tượng phát quang Hoá học phân tích sử dụng hiện tượng này để định tính và định lượng các chất và gọi là phương pháp phân tích huỳnh quang

Dong Yan-Jie và Ke Giai [22] sử dụng phương pháp huỳnh quang để xác định lượng vết Pb trên cơ sở cho Pb2+

tạo phức với axit gibberellic theo tỉ lệ Pb2+: axit là 1: 2 với pH = 7-8 Bước sóng kích thích và phát xạ lớn nhất là 205,0nm và 308,8nm Phương pháp cho giới hạn phát hiện là 0,52ng Pb/ml

19

Chongqiu Jiang, Hongjian Wang, Jingzheng Wang [20] đã xác định lượng vết Cr với thuốc thử 2-hydroxy-1-naphtaldehyene-8-aminoquinoline (HNAAQ) bằng phương pháp huỳnh quang Độ nhạy của phép xác định tăng lên trong môi trường nước-ancol với tỉ lệ 4/1 theo thể tích, pH =9,4 Trong điều kiện đó phức Cr-HNAAQ bị kích thích và phát xạ ở bước sóng từ 397-450nm Giới hạn phát hiện của phương pháp là 77ng/ml Khoảng tuyến tính của phương pháp lên đến 25µg/ml Phương pháp này được áp dụng để xác định lượng vết Cr trong thịt và gan lợn

B W.Bailey, R.M.Donagall and T.S West [19] sử dụng phương pháp huỳnh quang để xác định lượng siêu vi của Cu(II) Các tác giả đã sử dụng thuốc thử [Cu(phen)2R oseBengal], phức này được chiết vào cloroform và pha loãng bằng axeton Bước sóng kích thích là 560µm và bước sóng phát xạ là 570µm Giới hạn định lượng của phương pháp là 10-4-6.10-3ppm

1.3.3 Các phương pháp phân tích điện hoá

1.3.3.1 Phương pháp cực phổ

Nguyên tắc của phương pháp là thay đổi liên tục và tuyến tính điện áp vào hai cực để khử các ion kim loại, do mỗi kim loại có thế khử khác nhau Trong đó sử dụng điện cực Hg là điện cực làm việc và một điện cực có thế không đổi làm điện cực so sánh Đường thu được là đường phụ thuộc cường độ dòng vào thế áp vào gọi là đường Von-Ampe hay sóng cực phổ Thông qua chiều cao của đường Von-Ampe

có thể định lượng được ion kim loại trong dung dịch ghi cực phổ

Phương pháp này cho phép xác định cả chất vô cơ và hữu cơ với nồng độ cỡ

10-5M đến 10-6M với sai số khoảng 5%

Từ Văn Mạc, Trần Thị Sáu [7] đã sử dụng phương pháp cực phổ xung vi phân xoay chiều xác định lượng vết Cu, Pb, Cd trong bia

Tác giả Thành Trinh Thục và cộng sự [8] áp dụng phương pháp cực phổ để phân tích Cu, Pb, Zn, Cd trong thực phẩm và hấp phụ đất trồng trong môi trường đệm axetat với hệ 3 điện cực: điệc cực thuỷ ngân treo HMDE, điện cực so sánh Ag/AgCl, điện cực phụ trợ Pt

20

R Agraz, M T Sevilla và L Hernandez [41] đã xác định hàm lượng thuỷ ngân vô cơ và hữu cơ trong cùng một hỗn hợp bằng phương pháp cực phổ Phương pháp cho giới hạn phát hiện 4μg Hg/L với thuỷ ngân vô cơ trong sự có mặt của metyl thuỷ ngân Giới hạn phát hiện của metyl thuỷ ngân trong sự có mặt của thuỷ ngân vô cơ là 2μg Hg/L Các hợp chất thuỷ ngân hữu cơ khác trong hỗn hợp cũng

có thể được xác định Các tác giả cho rằng phương pháp này cần bàn luận thêm để

có thể ứng dụng trong các mẫu môi trường

1.3.3.2 Phương pháp Von-Ampe hoà tan

Bản chất phương pháp Von-Ampe hoà tan tương tự như phương pháp cực phổ Nguyên tắc của phương pháp chia làm 2 bước:

Bước 1: Điện phân làm giàu chất cần phân tích trên bề mặt điện cực làm việc trong khoảng thời gian xác định, với thế xác định

Bước 2: Hoà tan kết tủa thu được bằng cách phân cực ngược điện cực làm việc, đo và ghi dòng hoà tan Trên đường Von-Ampe hoà tan xuất hiện pic của nguyên tố cần phân tích Dựa vào chiều cao pic xác định được nồng độ của chất cần phân tích

Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là có độ nhạy cao, có khả năng phân tích đồng thời thành phần dung dịch phân tích Tuy nhiên độ nhạy của phương pháp

bị hạn chế bởi dòng dư

Mónica Cecilia Vargas Mamani và cộng sự [35] sử dụng phương pháp này

để phân tích hàm lượng Pb và Cd trong mẫu dược liệu Giới hạn phát hiện của phương pháp là 0,12 và 0,010 mg/kg với Pb và Cd Kết quả được áp dụng để phân tích chì và cadmi trong 4 loài: Hypericum perforatum, Mikania guaco, Mikania glomerata và Peamus boldus

Petrovic và cộng sự [39] đã áp dụng phương pháp Von-Ampe hoà tan xung

vi phân để xác định đồng thời Pb và Cd trong mẫu nước

Lê Lan Anh và cộng sự [1] đã sử dụng phương pháp Von-Ampe hoà tan trên điện cực màng thuỷ ngân để phân tích kim loại nặng trong lương thực, thực phẩm cho kết quả tốt

21

He Xu, Liping Zeng, Dekun Huang, Yuezhong Xian và Litong Jin [25] sử dụng phương pháp Von-Ampe hoà tan anốt xung vi phân để xác định hàm lượng các kim loại nặng trong thực vật.Kết quả thu được hàm lượng Zn là 0,30 μg/l, Cd

và Pb là 0,17 μg/l Hệ số tương quan là 2,4% với Pb, 2,0% với Cd và 3,4% với Zn ở nồng độ 15 μg/l

A Manivannan và cộng sự [17] đã sử dụng phương pháp Von-Ampe hoà tan anốt với điện cực màng Bo để xác định đồng thời Cu và Pb Kết quả chỉ ra rằng phương pháp có thể phân tích hàm lượng của hai nguyên tố này trong cùng một hỗn hợp và không có sự chồng phổ

Gil Ho Hwang, Won Kyu Han, Joon Shik Park và Sung Goon Kang [24] sử dụng phương pháp Von-Ampe hoà tan anốt với điện cực màng Bi để xác định lượng vết các kim loại Pb, Cd và Zn Khoảng tuyến tính của phương pháp từ 2 đến 100μg/L Giới hạn phát hiện của phương pháp là 1,3 μg/L với Pb, 0,7 μg/L với Cd

Ngày nay theo sự phát triển của khoa học, của ngành hóa học và các ngành

kỹ thuật, các phương pháp và các loại trang bị, dụng cụ để xử lý mẫu phân tích cũng được phát triển và hoàn thiện không ngừng, có nhiều tiện lợi và đảm bảo được tốt các yêu cầu của phân tích Các kỹ thuật xử lý mẫu đã đang và sẽ được dùng đó là:

Kỹ thuật vô cơ hóa khô ( xử lý khô), kỹ thuật vô cơ hóa ướt ( xử lý ướt), kỹ thuật vô

cơ hóa khô ướt kết hợp: là phương pháp kết hợp 2 phương pháp trên, các kỹ thuật chiết ( lỏng-lỏng, rắn-lỏng, rắn-khí ), Các kỹ thuật sắc ký

Khi xử lý mẫu để xác định kim loại thì người ta thường xử lý mẫu theo 3 phương pháp đầu (khô, ướt và khô ướt kết hợp)

Căn cứ vào trang thiết bị thì người ta chia thành:

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 hệ kín :

Hiện nay phổ biến nhất là kỹ 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

1.4.2 Một số phương pháp xử lý mẫu thực phẩm xác định hàm lượng kim loại nặng

Tác giả M Lucila Lares, Gilberto Flores-Munozb, Ruben Lara-Lara [31] đã

nghiên cứu đánh giá những biến đổi theo thời gian về hàm lượng Cd, Al, Hg, Zn,

Mn theo các tháng trong trai và trong rong biển được nghiên cứu tại khu bờ đá tại Vịnh San Quintin, Baja Califonia,Mexico Kết quả cho thấy mối liên quan giữa điều

23

kiện thời tiết, thuỷ văn và các bộ phận trong cơ thể con trai bằng cách phân tích tương quan và phương pháp phân tích thành phần chính (PCA).Tác giả đã đưa ra phương pháp xử lý mẫu như sau: Mẫu trai được xử lý sạch và rửa bằng nước cất sau

đó cho vào cốc sạch sấy ở 700C đến khối lượng không đổi Sau đó cân khoảng 1g mẫu khô thêm lượng HNO3 xác định để phân huỷ mẫu sau đó cho thêm H2O2 để phá huỷ hoàn toàn lượng lipit khó tan Đối với phá mẫu xác định thuỷ ngân sau khi phá mẫu bằng hỗn hợp HNO3 và H2SO4 tỉ lệ 2:1 cho thêm hỗn hợp KMnO4 , H2O2

Tác giả Locatelli [30] đã dùng hỗn hợp H2SO4 và HNO3 phân hủy mẫu trai,

ốc, cá để xác định các vết kim loại thông thường Để xác định Hg bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử hóa hơi lạnh (CV – AAS) hỗn hợp H2SO4 và

K2Cr2O7 được sử dụng Quy trình tỏ ra đơn giản, an toàn , mẫu phân hủy tốt

M.G.M Alam, E.T.Snow, A Tanaka đã phá mẫu các loại rau như bí ngô, khoai môn, đu đủ để xác định các kim loại nặng trong mẫu được trồng ở làng Samta, Bangladesh bằng HNO3 và HF Mẫu sau khi phân huỷ được xác định bằng phương pháp ICP-MS thu được các kết quả về nồng độ trung bình các kim loại nặng (μg/g) là: As (0,17);Cd (0,023); Cr (0,07); Cu (3,5); Co (0,02); Fe (12,7); Mn (34,70; Pb

(4,5); Zn (25,2) [ 33]

Các tác giả F.Queirolo, S.Stegen, M.Restovic, M.Paz, P.Ostapczuk, M.J.Schwuger, L.Munoz đã dùng HNO3 đặc và HClO4 đặc theo tỷ lệ về thể tích là 4:1 để phá các mẫu lương thực như ngô, khoai tây, hành, đậu để xác định Pb, Cd Mẫu sau khi phá được xác định bằng phương pháp ICP-MS thu được nồng độ của

Cd từ 0,56 -3,9 ng/g và của Pb là từ 0,6-25,4 ng/g.[23]

Xử lý mẫu rau quả bằng hỗn hợp axit HNO3 và H2O2 trong bình Kendal để xác định các kim loại nặng Cd, Cu, Mn, Ni, Pb, Zn: Lấy 5,00 g mẫu đã nghiền mịn và trộn đều vào bình Kendal, thêm 60 ml HNO3 65%, 5 ml H2O2 30%, cắm phễu nhỏ vào bình Kendal, lắc đều và đun sôi nhẹ cho mẫu phân hủy, đến khi được dung dịch không màu (6 – 8 giờ tùy loại mẫu) Chuyển mẫu sang cốc 250 ml, làm bay hơi hết axit bằng đèn IR đến còn muối ẩm, để nguội, định mức bằng dung dịch axit HCl 2% thành 25 ml Trong quá trình xử lý này các nguyên tố kim loại ở dạng các hợp

24

chất cơ kim của mẫu rau quả sẽ bị axit đặc oxy hóa các chất hữu cơ, đưa các kim loại về muối vô cơ tan trong dung dịch nước Qúa trình hóa học chính:

Mẫu +HNO3 + H2O2 → Me(NO3)m + H2O + CO2+ NO2

(muối tan của kim loại )

Tro hóa khô mẫu rau quả để xác định các kim loại (Na, K, Ca, Mg, Cd, Co,

Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn) Cân 5,00 g mẫu đã nghiền mịn vào chén thạch anh, đem sấy từ từ cho đến khi mẫu khô đen, rồi đem nung ở nhiệt độ 450oC sau đó nâng lên 550oC cho đến khi mẫu hết than đen sẽ được tro trắng Sau đó hóa tan tro thu được trong 12 – 15 ml dung dịch HCl 18% và có 0,5 ml HNO3, đun nhẹ cho tan hết, đuổi hết axit dư đến còn muối ẩm và định mức thành 25 ml bằng dung dịch HCl 2% Các nguyên tố Cd, Cu, Pb, Zn sẽ bị mất một ít (10-15%) khi nung Cách này thích hợp cho xác định các kim loại kiềm, kiềm thổ và Fe, Mn, Ni

2.1.2 Nội dung nghiên cứu

+ Tối ưu hoá điều kiện phân tích đồng thời các kim loại nặng bằng phương pháp ICP-MS

+ Nghiên cứu xây dựng quy trình xử lý mẫu thực phẩm để phân tích hàm lượng các kim loại nặng

+ Phân tích đánh giá hàm lượng kim loại nặng trong một số mẫu thực phẩm

+ Dung dịch chuẩn gốc chứa đồng thời các ion của các nguyên tố cần phân tích (trừ Hg) nồng độ 10 ppm trong môi trường axit HNO3 2% và dung dịch chuẩn đơn của Hg nồng độ 10 ppm trong môi trường axit HNO3 2%

Các dung dịch chuẩn có nồng độ nhỏ hơn được pha loãng từ dung dịch chuẩn gốc trong môi trường HNO3 2%

+ Các loại axit đặc, tinh khiết: HNO3, HCl, H2SO4 và H2O2 đặc

+ Các loại hoá chất cơ bản khác

2.2.2 Thiết bị và dụng cụ

Hệ trang bị của phép đo ICP-MS

Hệ máy đo ICP-MS bao gồm các bộ phận chính sau, và đƣợc chỉ ra trên hình

Hình 2.2: Hình ảnh máy ICP – MS (ELAN 9000)

2.3 Lấy mẫu, bảo quản mẫu

2.3.2 Xử lý mẫu sơ bộ và bảo quản mẫu

Mẫu rau, củ, quả: Mẫu mua về nhặt bỏ những phần không ăn được,rửa sạch

bằng nước máy sau đó tráng lại bằng nước cất 1 lần rồi nước cất 2 lần, để ráo nước,

28

hong cho hết nước bám vào Sau đó đem sấy khô tới khối lượng không đổi trong tủ sấy ở nhiệt độ 60o

C

Mẫu thịt và gan lợn: mua về rửa sạch và tráng bằng nước cất 1 lần rồi nước

cất 2 lần, thấm khô nước Sau đó xay nhỏ rồi đem sấy tới khối lượng không đổi trong tủ sấy ở nhiệt độ 60oC

Các mẫu trên sau khi đã sấy khô được nghiền thành bột mịn,bảo quản trong bình hút ẩm Xác định hàm lượng nước trong mẫu theo công thức sau

Trong đó : dw % là hàm lượng khô của mẫu

sdw là khối lượng của mẫu sau khi sấy khô ( g )

sww là khối lượng của mẫu tươi ( g )

Ta có bảng hệ số dw% của các mẫu như sau

30

Chương 3- KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Tối ưu hoá các điều kiện phân tích bằng phương pháp ICP-MS

3.1.1 Chọn đồng vị phân tích

Trong tự nhiên, các nguyên tố có một số đồng vị Trong phép phân tích bằng ICP-MS người ta thường chọn đồng vị dựa trên ba tiêu chí:

+ Phải là một trong những đồng vị phổ biến nhất trong tự nhiên

+ Ảnh hưởng bởi sự chèn khối phải không có hoặc bé nhất

+ Sự hiệu chỉnh ảnh hưởng của các mảnh ion oxit phải đơn giản và càng ít bước càng tốt

Tuỳ theo sự phức tạp của nền mẫu mà có thể chọn các đồng vị phân tích khác nhau Tuy nhiên, hầu hết các tác giả đều thống nhất trong việc lựa chọn số khối phân tích này chỉ trừ một vài trường hợp đặc biệt Trong đề tài này chúng tôi lựa chọn các đồng vị như bảng 3.1

Bảng 3.1: Số khối và tỉ lệ đồng vị đối với các nguyên tố phân tích

phân tích

Số khối (m/z)

Tỉ lệ đồng vị (%)

31

Khi phân tích, máy chỉ thu tín hiệu của các đồng vị đã chọn theo nguyên tắc phân giải khối bằng bộ phân chia tứ cực

3.1.2 Độ sâu mẫu (Sample Depth - SDe):

SDe là khoảng cách giữa đỉnh cone giao diện đến bên phải vòng dây tạo plasma (được biểu diễn trong hình 3.1)

Hình 3.1: Giá trị SDe

SDe có ảnh hưởng đến nhiều đại lượng trong đó có cường độ vạch phổ Khi tăng giá trị SDe cường độ vạch phổ giảm dần Kết quả cho thấy khi công suất cao tần RF lớn từ 1200W trở lên thì cường độ vạch phổ giảm nhanh hơn

Trong phép phân tích chúng tôi chọn độ sâu mẫu là 3 mm

3.1.3 Công suất cao tần (Radio Frequency Power - RFP):

Với mục đích xác định đồng thời lượng vết và siêu vết 11 ion kim loại nặng trong mẫu thực phẩm bằng phương pháp ICP-MS thì việc khảo sát ảnh hưởng của công suất cao tần (RF) là rất cần thiết Tiến hành tối ưu thông số này ở chế độ tự động sử dụng dung dịch hỗn hợp 11 nguyên tố Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb nồng độ 5 ppb và Hg 2 ppb, Fe 10 ppb trong HNO3 2%

Kết quả khảo sát được biểu diễn trên hình 3.2