NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DẠNG MỘT SỐ NGUYÊN TỐ ĐỘC HẠI TRONG ĐỐI TƯỢNG MÔI TRƯỜNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _______________________ PHẠM HỒNG CHUYÊN NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DẠNG MỘT SỐ NGUYÊN TỐ ĐỘC HẠI TRONG ĐỐI TƢỢNG MÔI TRƢỜNG Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 62 44 01 18 DỰ THẢO TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội - 2014 Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Hóa phân tích – Khoa Hóa học – Trường ĐHKHTN – ĐHQG Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Tạ Thị Thảo Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp tại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vào hồi giờ, ngày tháng năm 2015 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Hiện nay, vấn đề phân tích dạng các nguyên tố đang là nhu cầu rất cấp thiết trong đánh giá ô nhiễm môi trường, trong nghiên cứu các quá trình chuyển hóa và tích lũy sinh học, trong nghiên cứu các quá trình địa hóa Tuy nhiên các phép xác định thông thường chỉ cho biết tổng hàm lượng các nguyên tố chứ chưa cho biết hàm lượng các nguyên tố ở các dạng cụ thể, trong khi đó để đánh giá tính độc, các quá trình chuyển hóa chất trong cơ thể sinh vật, các chất tồn tại trong các tầng địa chất, sự tồn tại của nguyên tố trong môi trường lại cần đến thông tin về hàm lượng và số lượng của các dạng nguyên tố. Để phân tích dạng các nguyên tố, phương pháp chủ yếu hiện nay hầu hết đều dựa trên nguyên tắc tách các dạng ra khỏi nhau rồi xác định hàm lượng của chúng bằng các phương pháp phân tích thông thường hoặc sử dụng các phương pháp ghép nối các thiết bị phân tích, quy trình phân tích có thể tách thành các giai đoạn khi áp dụng kỹ thuật phân tích không ghép nối hoặc khép kín khi xử dụng kỹ thuật ghép nối. Có thể kể đến là nhóm các phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao ghép nối với phép đo phổ hấp thụ nguyên tử (HPLC – AAS), hoặc ghép nối với phép đo phổ khối (HPLC – ICP – MS)… Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của các phương pháp tách là qua nhiều công đoạn phức tạp, dễ làm nhiễm bẩn, mất chất phân tích hoặc chất phân tích bị chuyển hóa. Trong thực tế tại Việt Nam, mặc dù đã có rất nhiều phòng thí nghiệm được trang bị các thiết bị như HPLC, AAS, ICP – MS, LC – MS, GC – MS…nhưng hầu hết các thiết bị này hoạt động độc lập, việc ghép nối các thiết bị với nhau đòi hỏi kỹ thuật tiên tiến và khó thực hiện được do thông số hoạt động của các máy là khác nhau. Với sự phát triển mạnh của công nghệ thông tin đặc biệt là ứng dụng tin học trong hóa học (Chemometric) sử dụng các thuật toán hồi qui đa biến, việc xác định riêng rẽ từng cấu tử trong cùng một hỗn hợp không cần tách loại chúng dựa trên các tính chất đặc trưng của từng cấu tử có thể tiến hành một cách đơn giản mà vẫn 2 cho kết quả định lượng có độ chính xác cao. Quá trình phân tích dạng các nguyên tố trong các đối tượng môi trường có thể triển khai được ở tất cả các phòng thí nghiệm sử dụng các thiết bị hiện có không cần ghép nối chúng với nhau. Trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu xác định đồng thời hàm lượng các chất trong cùng một hỗn hợp sử dụng thuật toán hồi qui đa biến, ví dụ như ứng dụng mạng nơron nhân tạo để xác định hàm lượng các axit amin hoặc áp dụng các thuật toán bình phương tối thiểu từng phần, toàn phần để định lượng đồng thời các cấu tử tạo phức chất với các ion kim loại. Tuy nhiên số công trình sử dụng thuật toán hồi qui đa biến để định lượng các dạng nguyên tố còn ít, đặc biệt là ở Việt Nam đến thời điểm hiện tại hầu như chưa có luận án nào nghiên cứu xác định đồng thời các dạng nguyên tố dựa vào Chemometric. Với những lý do trên, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cu ng mt s nguyên t c hi ng” Mục tiêu nghiên cứu: Xây dựng quy trình xác định đồng thời các dạng As vô cơ (As(III), As(V)), As hữu cơ (MMA, DMA); Se vô cơ (Se(IV), Se(VI)), Se hữu cơ (DMDSe, SeMt) bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng kỹ thuật hidrua hóa (HVG – AAS) kết hợp với các thuật toán hồi qui đa biến. 2. Nội dung luận án Để đạt được mục tiêu đề ra, luận án tập trung vào các nội dung chính sau: 1. Khảo sát hiệu suất khử riêng rẽ các dạng As(III), As(V), MMA, DMA, Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet thành hợp chất hiđrua. 2. Khảo sát các điều kiện và xây dựng mô hình hồi qui đa biến xác định đồng thời các dạng của As (As(III), As(V), DMA, MMA); của Se (Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet trong cùng một dung dịch mà không cần tách riêng các dạng đồng thời kiểm tra khả năng áp dụng vào phân tích mẫu thực tế. 3. Nghiên cứu các yếu tố làm biến đổi hàm lượng các dạng As, Se và đề xuất điều kiện bảo quản dung dịch mẫu phân tích. 3 4. Khảo sát các điều kiện cho quá trình xử lý một số loại mẫu môi trường như đất, động vật thủy sinh, thực vật để phân tích dạng của từng nguyên tố As, Se. 5. Đánh giá quy trình xác định đồng thời các dạng của từng nguyên tố As, Se cho một số loại mẫu môi trường. 3. Những điểm mới về khoa học của luận án Từ các kết quả thực nghiệm, luận án đã cho thấy không thể xác định chính xác hàm lượng các nguyên tố As, Se khi trong mẫu có các dạng hữu cơ và để xác định chính xác thì cần phải tiến hành vô cơ hóa mẫu. Qua các khảo sát hiệu xuất khử các dạng As, Se trực tiếp thành khí hiđrua và khảo sát tính cộng tính luận án đã rút ra được kết luận có thể áp dụng mô hình hồi quy đa biến tuyến tính để xác định đồng thời các dạng trong mẫu mà không cần tách rời chúng. Qua đó luận án đã xây dựng các mô hình hồi quy với 2 thuật toán là ILS và PCR từ dữ liệu tín hiệu đo phổ AAS ở các môi trường tạo khí hirua hóa khác nhau của các dung dịch chứa các dạng As, Se. Kết quả cho thấy phương pháp PCR – HVG – AAS thích hợp cho phân tích đồng thời các dạng ở hàm lượng vết (cỡ ppb) trong cùng một dung dịch mà không phải tách loại, phương pháp cho độ đúng, độ thu hồi, độ tin cậy cao. Luận án còn đưa ra được cách loại trừ ảnh hưởng của các ion có trong dung dịch mẫu, các điều kiện xử lý cho nhiều đối tượng mẫu môi trường khác nhau và các điều kiện bảo quản mẫu áp dụng cho quá trình phân tích dạng nguyên tố cho độ thu hồi cao. 4. Bố cục luận án Luận án gồm khoảng 148 trang với 14 hình vẽ và đồ thị, 59 bảng số liệu, 86 tài liệu tham khảo. Luận án được cấu tạo gồm: 4 trang mở đầu, 35 trang tổng quan tài liệu, 13 trang nội dung và phương pháp nghiên cứu, 58 trang kết quả nghiên cứu và thảo luận, 3 trang kết luận, 2 trang công trình có liên quan đến luận án đã công bố và 10 trang tài liệu tham khảo. 4 NỘI DUNG LUẬN ÁN CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU Chương này luận án tập trung phân tích về vai trò của phân tích dạng nguyên tố và ý nghĩa phân tích dạng As, Se trong các đối tượng môi trường, các phương pháp phân tích dạng và sơ lược về các công trình đã công bố về phân tích dạng của các nguyê tố As, Se. Luận án cũng khái quát hóa các thuật toán hồi quy đa biến sử dụng để xác định đồng thời hàm lượng các dạng nguyên tố trong cùng một dung dịch mà không phải tách riêng rẽ chúng. Ngoài ra, luận án còn đề cập đến việc bảo quản mẫu phân tích trong quá trình phân tích và các kỹ thuật xử lý mẫu phân tích áp dụng trong phân tích dạng nguyên tố. CHƢƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Hóa chất và thiết bị - Máy AAS-6800 và bộ HVG, máy đo pH, micro Pipet các loại, bộ dụng cụ chiết pha rắn, máy li tâm, máy lắc, máy rung siêu âm, máy cô đuổi dung môi… - Các dung dịch chuẩn gốc As(III) 1000ppm, As(V) 1000ppm, Se(IV) 1000ppm, Se(VI) 1000ppm, Sb(III) 1000ppm, Sb(V) 1000ppm đặt mua từ các hãng Sigma – Aldrich, Merkc. - Dung dịch chuẩn gốc DMA 1000ppm, MMA 1000ppm, SeMet 1000ppm, DMDSe 1000ppm được pha từ các hóa chất tinh khiết. - Dung dịch NaBH 4 được chuẩn bị mới hàng tuần, Metanol, Etanol loại tinh khiết của hãng Merck. 2.2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Mẫu phân tích Đối tượng phân tích là các mẫu môi trường như: nước mặt, nước ngầm, bùn đất, thủy sản, rau, cây thân thảo được lấy ngẫu nhiên ở Pháp Vân và Định Công – Hoàng Mai – Hà Nội đó là các nơi có sự phơi nhiễm As cao. 2.2.2. Phương pháp xử lý mẫu Các mẫu được thu thập về phòng thí nghiệm, sử lý sơ bộ và tiến hành quy trình xử lý mẫu theo các sơ đồ hình 2.1, 2.2, 2.3 5 Hình 2. 1. Sơ đồ xử lý mẫu bùn, đất, động vật nhuyễn thể, thực vật để phân tích dạng các nguyên tố As, Se Hình 2. 2. Sơ đồ xử lý mẫu bùn, đất, động vật nhuyễn thể, thực vật để phân tích tổng hàm lượng As, Se Hình 2. 3. Sơ đồ xử lý mẫu ở dạng dung dịch để phân tích tổng hàm lượng As, Se 6 2.2.3. Phương pháp phân tích 2.2.3.1. Phân tích tổng As, Se bằng phương pháp HVG – AAS Bảng 2. 1. Các điều kiện đo phổ AAS của As, Se bằng kỹ thuật hiđrua hóa Thiết bị Nguyên tố Se As Máy AAS Vạch phổ (nm) 196 193,7 Cường độ dòng đèn (A) 20 7 Chiều cao đèn nguyên tử hóa (mm) 16 16 Độ rộng khe đo (nm) 1,0 1,0 Tốc độ dòng khí C 2 H 2 (lít/phút) 1,8 1,8 Môi trường khử HCl 6M 6M Số lần đo lặp 3 3 Độ lệch chuẩn RSD% tối đa 20 20 Bộ HVG Nồng độ chất khử NaBH 4 (%) trong NaOH 0,1M 0,5 0,5 Tốc độ dòng NaBH 4 (ml/phút) 2 2 Tốc độ dòng mẫu (ml/phút) 6 6 2.2.3.2. Phép phân tích đồng thời các dạng As, Se bằng phương pháp Chemometric – HVG - AAS Dung dịch phân tích được bơm thẳng vào hệ thống tạo khí hiđrua, độ hấp thụ quang của các nguyên tố phân tích được đo ở các môi trường tạo hiđrua hóa khác nhau. Hàm lượng các dạng As, Se được tính theo sơ đồ hình 2.4. Hình 2.4. Sơ đồ mô tả quá trình tính toán trong mô hình hồi quy đa biến 7 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu xác lập điều kiện phân tích đồng thời các dạng của từng nguyên tố As, Se 3.1.1. Khảo sát hiệu suất khử các dạng As, Se thành hợp chất hiđrua Bng 3. 1 Hiu sut kh các dng HCl 6M bng NaBH 4 Dạng asen Nồng độ (ppb) Abs Hiệu suất khử (%) As(III) 5 0,1625 100 As(V) 5 0,0414 25 DMA 5 0,0532 30 MMA 5 0,1204 70 Se(IV) 10 0,1952 100 Se(VI) 10 0,1696 87 DMDSe 10 0,0890 46 SeMet 10 0,1242 64 3.1.2. Khảo sát điều kiện khử các dạng As, Se thành As(III), Se(IV) 3.1.2.1. Kh  các dng As thành As(III) Khi sử dụng các chất khử là L-cystein 1%, NaHSO 3 0,5% hay hệ KI 1%/ascobic 5% đều cho kết quả tốt khi khử dạng As(V) vô cơ về As(III) nhưng hiệu suất khử các dạng As hữu cơ khá thấp. Với cả 3 hệ khử này, chúng tôi nhận thấy chỉ có thể xác định tổng hàm lượng As vô cơ một cách chính xác khi không có mặt các dạng hữu cơ trong mẫu, nghĩa là muốn xác định chính xác tổng hàm lượng As phải tiến hành vô cơ hóa mẫu hoặc tách loại các dạng hữu cơ và xác định tổng hàm lượng As vô cơ. 3.1.2.2. Kh  các dng Se thành Se(IV) Khi sử dụng các chất khử HCl, KBr/HCl, (CS) 2 NH 2 (Thioure) đều cho kết quả tốt khi khử dạng Se(VI) vô cơ về Se(IV) nhưng các dạng hữu cơ lại cho hiệu suất thấp. 3.1.3. Khảo sát điều kiện khử trực tiếp các dạng As, Se thành khí hiđrua trong các môi trƣờng khác nhau Kết quả khảo sát cho thấy trong các môi trường axit có nồng độ khác nhau, hiệu suất khử của các dạng As, Se khác biệt nhau khá rõ. Nói cách khác nếu khử trực tiếp các dạng thành khí hiđrua bằng NaBH 4 không cho phép xác định tổng hàm lượng các nguyên tố 8 được. Tuy nhiên căn cứ vào sự khác biệt này, chúng tôi nhận định rằng có thể xây dựng mô hình hồi quy đa biến cho phép định lượng đồng thời các dạng trong cùng một hỗn hợp khi có tín hiệu đo ở các môi trường khác nhau mà không phải tách loại. 2.   4 Hợp chất Hiệu suất khử % Môi trường khử HCl 6M HCl 1M Đệm pH = 2 Đệm pH = 3 Đệm pH = 4 As(III) 10ppb 100 86  1% 73  1% 54  1% 33  1% As(V) 10ppb 27  1% 17  1% 13  1% 10  1% 6  1% DMA 5ppb 32  2% 75  2% 114  4% 85  2% 53  2% MMA 5ppb 72  3% 93  3% 63  2% 42  2% 32  2% Môi trường khử HCl 6M HCl 4M HCl 2M HCl 1M HCl (pH=2) Se(IV) 10ppb 100 97  2% 83  3% 11  1% 4  1% Se(VI) 10ppb 86  2% 67  2% 29  1% 12  2% 8  1% DMDSe 5ppb 46  1% 51  1% 96  3% 100  1% 82  2% SeMt 5ppb 63  2% 84  1% 99  3% 93  1% 76  1% 3.1.4. Khảo sát ảnh hƣởng của các ion có thể có trong dung dịch mẫu đến tín hiệu đo phổ AAS của As, Se 3.1.4.1. Kho sát ng ca các ion Kết quả ở bảng 3.3 cho thấy hầu hết các ion kim loại đều ảnh hưởng đến tín hiệu đo của các nguyên tố As, Se theo chiều hướng làm giảm tín hiệu phân tích và ngưỡng ảnh hưởng gần như bằng nhau. Tuy nhiên, nồng độ ở ngưỡng ảnh hưởng có tỉ lệ so với nồng độ As, Se khá cao (lớn hơn tỉ lệ 1:1000) 3.1.4.2. Kho sát kh i tr ng ca các cation Kết quả thực nghiệm cho thấy lượng L-Cystein cho vào khoảng 0,25-0,5% đã loại được ảnh hưởng của các cation đến kết tín hiệu đo. 3.1.4.3. Nghiên cu loi tr ng ln nhau ca các nguyên t As, Se Kết quả cho thấy tuy không thể loại trừ hoàn toàn ảnh hưởng của Sb(III) nhưng với việc sử dụng Tactrat 0,5 M có thể hạn chế được ảnh hưởng của Sb. 3.  STT Ion Ngưỡng ảnh hưởng và chiều hướng ảnh hưởng As(III) vô cơ 10ppb Se(IV) vô cơ 5ppb 1 Mn 2+ Không ảnh hưởng Không ảnh hưởng [...]... Chemometric trong lĩnh vực phân tích dạng nguyên tố, áp dụng phân tích các mẫu thực tế để dánh giá mức độ ô nhiễm và độc hại của nguyên tố As, Se trong các đối tượng môi trường 24 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 1 Phạm Hồng Chuyên, Tạ Thị Thảo, Nguyễn Thị Thu Hằng, Chu Xuân Anh (2010), “ Nghiên cứu xác định đồng thời các dạng Asen vô cơ và hữu cơ bằng phương pháp phổ... quả phân tích cho thấy trong mẫu động vật thủy sinh và mẫu thực vật dạng As, Se hữu cơ chiếm ưu thế và ngoài các dạng DMA, MMA, DMDSe, SeMet còn có các dạng hữu cơ khác của các nguyên tố này Đối với các mẫu bùn đất thì chỉ tồn tại các dạng vô cơ As(III), As(V), Se(IV), Se(VI) trong đó dạng có hóa trị cao có hàm lượng lớn hơn 20 3.6 Kết quả phân tích một số mẫu thực 3.6.1 Kết quả phân tích dạng As trong. .. 0,031±9% 3.6.2 Kết quả phân tích dạng Se trong các mẫu thực Các kết quả phân tích hàm lượng các dạng Se và Se tổng trong mẫu tôm ở các tháng khác nhau ở khu vực Pháp Vân – Hoàng Mai – Hà Nội cho thấy hàm lượng các dạng Se trong các mẫu đều rất thấp, sự chênh lệch hàm lượng qua các tháng hầu như tăng không đáng kể Ở một thí nghiệm khác, kết quả phân tích hàm lượng các dạng Se trong một số mẫu rau xanh cho... xây dựng từ bốn dạng vẫn cho kết quả có sai số nằm trong khoảng cho phép (90%) và dao động trong vùng sai số cho phép của phép 3.3.5 Độ chụm của phƣơng pháp PCR – HVG – AAS 17 Để đánh giá độ chụm của phương pháp PCR – HVG – AAS chúng tôi phân tích các mẫu tự tạo, mẫu nước mặt lặp lại 3 lần Kết quả tính hàm lượng các dạng và các thông số khác cho thấy... cho thấy: hầu hết các dạng Se vô cơ có hàm lượng rất thấp, các dạng DMDSe và SeMet có hàm lượng khá lớn, tuy nhiên vẫn không thể kết luận được Se tồn tại ở dạng nào là chính vì hàm lượng tổng Se khá lớn so với hai dạng DMDSe và SeMet, hàm lượng Se trong các mẫu rau nằm trong giới hạn cho phép của Se có trong thực phẩm Bảng 3 19 Kết quả phân tích dạng Se trong mẫu tôm khu vực Pháp Vân – Hoàng Mai – . Chương này luận án tập trung phân tích về vai trò của phân tích dạng nguyên tố và ý nghĩa phân tích dạng As, Se trong các đối tượng môi trường, các phương pháp phân tích dạng và sơ lược về các. _______________________ PHẠM HỒNG CHUYÊN NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DẠNG MỘT SỐ NGUYÊN TỐ ĐỘC HẠI TRONG ĐỐI TƢỢNG MÔI TRƢỜNG Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 62 44 01 18 DỰ THẢO TÓM. của nguyên tố trong môi trường lại cần đến thông tin về hàm lượng và số lượng của các dạng nguyên tố. Để phân tích dạng các nguyên tố, phương pháp chủ yếu hiện nay hầu hết đều dựa trên nguyên