Nghiên cứu áp dụng các kỹ thuật làm giàu kết hợp với phương pháp điện di mao quản sử dụng detector đo độ dẫn không tiếp xúc để xác định các dạng asen vô cơ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ======= ĐOÀN THỊ HẢI YẾN NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÁC KỸ THUẬT LÀM GIÀU KẾT HỢP VỚI PHƢƠNG PHÁP ĐIỆN DI MAO QUẢN SỬ DỤNG DETECTOR ĐO ĐỘ DẪN KHÔNG TIẾP XÚC ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁC DẠNG ASEN VÔ CƠ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ======= ĐOÀN THỊ HẢI YẾN NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÁC KỸ THUẬT LÀM GIÀU KẾT HỢP VỚI PHƢƠNG PHÁP ĐIỆN DI MAO QUẢN SỬ DỤNG DETECTOR ĐO ĐỘ DẪN KHÔNG TIẾP XÚC ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁC DẠNG ASEN VÔ CƠ Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 60440118 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS NGUYỄN THỊ ÁNH HƢỜNG HÀ NỘI - 2015 LỜI CẢM ƠN Lời cho gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Thị Ánh Hƣờng giao đề tài, tận tình hƣớng dẫn tạo điều kiện giúp đỡ suốt trình thực đề tài viết luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn GS Peter C Hauser, TS Mai Thanh Đức ThS Bùi Duy Anh thiết kế lắp đặt hỗ trợ trang thiết bị nhƣ tƣ vấn kỹ thuật trình thực nghiên cứu Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới thầy cô giáo giảng dạy khoa Hoá, đặc biệt thầy cô môn Hoá Phân tích, cho kiến thức quý giá trình học tập thực đề tài Tôi xin gửi lời cảm ơn anh chị, bạn bè, sinh viên môn hoá phân tích giúp đỡ, chia sẻ khó khăn suốt trình học tập thực đề tài Cuối xin gửi lời cảm ơn tới gia đình bạn bè động viên, chia sẻ khó khăn Hà Nội, ngày 09 tháng 11 năm 2015 Học viên Đoàn Thị Hải Yến MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Asen ô nhiễm Asen nƣớc ngầm 1.1.1 Khái quát chung Asen 1.1.2 Độc tính chế gây độc Asen 1.1.3 Một số quy định nồng độ giới hạn Asen nước uống nước ngầm…………… 1.1.4 Vấn đề ô nhiễm Asen nước ngầm giới Việt Nam 1.2 Các phƣơng pháp phân tích Asen 10 1.2.1 Phương pháp trắc quang- Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UVVIS với thuốc thử bạc dietydithiocacbamat (AgDDC) cloroform- Xác định Asen tổng 10 1.2.2 Phương pháp ICP- MS ( Inductively coupled plasma- Mass spectrometry) 11 1.2.3 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử không lửa (GF- AAS) 11 1.2.4 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử- Kỹ thuật hydrua hóa HG- AAS (hydride generation- atomic absorption spectrometry) 12 1.2.5 Phương pháp điện hóa xác định hàm lượng Asen 13 1.2.6 Phương pháp điện di mao quản xác định hàm lượng Asen 13 1.3 Phƣơng pháp điện di mao quản 14 1.4 Một số kỹ thuật làm giàu trực tiếp cột phƣơng pháp điện di mao quản 20 1.4.1 Kỹ thuật khuếch đại điện trường 21 1.4.2 Kỹ thuật bơm mẫu lượng lớn 21 1.4.3 Kỹ thuật làm giàu mẫu pH (pH- Mediated stacking) 22 1.4.4 Kỹ thuật làm giàu đẳng điện 23 1.4.5 Kỹ thuật làm giàu sử dụng khác biệt pH hai vùng mẫu (Dynamic pH junction) 24 CHƢƠNG II: THỰC NGHIỆM 27 2.1 Đối tƣợng, mục tiêu nội dung nghiên cứu 27 2.1.1 Đối tượng mục tiêu nghiên cứu 27 2.1.2 Nội dung nghiên cứu 27 2.2 Vật liệu phƣơng pháp nghiên cứu 27 2.2.1 Thiết bị, dụng cụ 27 2.2.2 Hóa chất 28 2.2.3 Chuẩn bị dung dịch chuẩn hóa chất thí nghiệm 29 Comment [TA1]: Xem lại đánh sỗ trang phần này, đánh theo la mã bỏ số trang phần đi, để trang mở đầu 2.2.4 Quy trình xử lý mao quản trước sử dụng 29 2.2.5 Phương pháp xử lý mẫu 29 2.3 Các thông số đánh giá độ tin cậy phƣơng pháp phân tích 30 2.3.1 Giới hạn phát (LOD) giới hạn định lượng (LOQ) phương pháp phân tích 30 2.3.2 Độ chụm ( độ lặp lại) phương pháp 31 2.3.3 Độ phương pháp 32 CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33 3.1 Nghiên cứu khảo sát tối ƣu điều kiện phân tích As(III) thiết bị CE- C4D 33 3.1.1 Khảo sát lựa chọn dung dịch đệm điện di 33 3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng pH dung dịch đệm Arg CAPS 34 3.1.3 Khảo sát nồng độ axit 39 3.1.4 Khảo sát ảnh hưởng độ dẫn dung dịch đệm Arg CAPS pH 9,6 41 3.1.5 Khảo sát thời gian bơm mẫu chiều dài hiệu dụng mao quản 43 3.1.6 Khảo sát ảnh hưởng mangan (II) sắt (II) 46 3.1.7 Khảo sát điện tách 48 3.2 Khảo sát khoảng tuyến tính xây dựng đƣờng chuẩn xác định As(III) 49 3.2.1 Khảo sát khoảng tuyến tính 49 3.2.2 Đường chuẩn phân tích hàm lượng As(III) 50 3.3 Độ lặp lại hiệu suất thu hồi phƣơng pháp thêm chuẩn phân tích As(III) hệ thiết bị điện di mao quản 53 3.4 Xác định gián tiếp As(V) qua phản ứng khử As(V) As(III) 54 3.5 Phân tích hàm lƣợng Asen mẫu nƣớc ngầm 54 KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC …………………………………………………………………… …………… 62 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Một số tính chất Asen Bảng 1.2: Hàm lƣợng Asen đá trầm tích[39] Bảng 1.3: Một số hợp chất Asen gây độc tính với ngƣời Bảng 1.4: Quy định nồng độ giới hạn Asen nƣớc uống[41] Bảng 1.5: Một số quy định nồng độ giới hạn Asen nƣớc Việt Nam[12, 13] Bảng 3.1: Kết khảo sát ảnh hƣởng pH dung dịch đệm đến tín hiệu hệ số làm giàu As(III) 40µM phƣơng pháp điện di mao quản CE- C4D 35 Bảng 3.3: Kết khảo sát ảnh hƣởng độ dẫn dung dịch đệm Arg CAPS pH 9,6 42 Bảng 3.4: Kết khảo sát ảnh hƣởng thời gian bơm mẫu tới tín hiệu Asen chiều dài hiệu dụng mao quản leff= 46 cm 44 Bảng 3.5: Kết khảo sát ảnh hƣởng thời gian bơm mẫu tới tín hiệu Asen chiều dài hiệu dụng mao quản leff= 48 cm 44 Bảng 3.6: Kết khảo sát ảnh hƣởng thời gian bơm mẫu tới tín hiệu Asen chiều dài hiệu dụng mao quản leff= 50 cm 45 Bảng 3.7: Khảo sát ảnh hƣởng hàm lƣợng Fe(II) đến tín hiệu As(III) 46 Bảng 3.8: Kết khảo sát loại bỏ ảnh hƣởng hàm lƣợng Fe(II) đến tín hiệu As(III) 3200 µg/ l cách tạo phức Fe(II) với 1,10- phenanthrolin 47 Bảng 3.9: Ảnh hƣởng điện tách tới tín hiệu As(III) 48 Bảng 3.10: Điều kiện tối ƣu cho phân tích As(III) CE- C4D 49 Bảng 3.11: Nồng độ diện tích pic trung bình As(III) 49 Bảng 3.12: Giới ̣n phát hiê ̣n và giới ̣n đinh ̣ lƣơng của Asen 51 Bảng 3.13: Kết so sánh giá trị a với giá trị phƣơng trình đƣờng chuẩn As(III) 52 Bảng 3.14: Đánh giá độ lặp lại hiệu suất thu hồi phƣơng pháp phân tích As(III) hệ thiết bị điện di mao quản 53 Bảng 3.15: Hiệu suất thu hồi As(V) sau phản ứng khử As(III) 54 Bảng 3.16: Kết hàm lƣợng As(III) As(V) mẫu nƣớc CTCP nƣớc số 2, Gia Lâm, Hà Nội 55 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ phân tích hệ điện di mao quản 14 Hình 1.2 Mặt cắt ngang mao quản 16 Hình 1.3 Lớp điện tích kép bề mặt mao quản 16 Hình 1.4 Ảnh hƣởng dòng EOF đến tốc độ ion trình điện di 16 Hình 1.5 Các kĩ thuật bơm mẫu phƣơng pháp điện di mao quản 18 Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động cảm biến đo độ dẫn không tiếp xúc 19 Hình 1.7 : Cơ chế kỹ thuật làm giàu khuyếch đại điện trƣờng 21 Hình 1.8: Cơ chế kỹ thuật làm giàu bơm mẫu lƣợng lớn 22 Hình 1.9: Cơ chế kỹ thuật làm giàu sở chênh lệch độ pH 23 Hình 1.10: Cơ chế kỹ thuật làm giàu đẳng điện ITP 24 Hình 1.11: Cơ chế kỹ thuật làm giàu dựa khác pH vùng đệm điện di mẫu phân tích 25 Hình 2.1: Hệ thiết bị điện di mao quản CE-C4D tự chế, bán tự động 28 Hình 2.2: Sơ đồ quy trình xử lý mẫu nƣớc ngầm để phân tích hàm lƣợng As(III) 30 Hình 3.1: Điện di đồ As(III) 40µM/ axit 15mM với pha động điện di Arg: CAPS/ MES/ MOPS/ CHES 34 Hình 3.2: Đồ thị thể phụ thuộc hệ số làm giàu As(III) vào độ dẫn dung dịch đệm điện di Arg: CAPS 35 Hình 3.7: Tín hiệu As(III) 40 µM dùng đệm Arg 14: CAPS 60 mM, 38 Hình 3.9: Đồ thị thể phụ thuộc hệ số làm giàu As(III) vào nồng độ axit mẫu 40 Hình 3.10: Tín hiệu As(III) 40 µM pha axit formic 40 Hình 3.11: Tín hiệu As(III) 40 µM pha axit axetic 40 Hình 3.12: Tín hiệu As(III) 40 µM pha axit oxalic 41 Hình 3.13: Tín hiệu As(III) 40 µM pha axit maleic 41 Hình 3.15: Tín hiệu As(III) 40 µM pha axit formic 15mM 42 Hình 3.16: Tín hiệu As(III) 40 µM pha axit axetic 15mM 42 Hình 3.17: Tín hiệu As(III) 40 µM pha axit oxalic 15mM 43 Hình 3.18: Tín hiệu As(III) 40 µM pha axit maleic 15mM 43 Hình 3.21: Khảo sát khoảng tuyến tính As(III) 50 Hình 3.22: Đƣờng chuẩn phân tích hàm lƣợng As(III) 50 Hình 3.23 Đồ thị thể hàm lƣợng Asen mẫu nƣớc ngầm phân tích đƣợc so với TCVN hàm lƣợng Asen nƣớc uống (10µg/ l) nƣớc ngầm (50µg/ l) 55 MỞ ĐẦU Tình trạng ô nhiễm Asen nƣớc ngầm mối quan tâm không Việt Nam mà giới Tại số vùng Việt Nam việc sử dụng nguồn nƣớc ngầm có nguy ô nhiễm asen làm nguồn nƣớc sinh hoạt hàng ngày tiếp diễn, gây ảnh hƣởng xấu tới sức khỏe ngƣời Trong nƣớc, Asen tồn dạng vô hữu với hợp chất chủ yếu metylasonic, dimetylasinic, asenit (As(III)) asenat (As(V)) Tỷ lệ As(III) so với As(V) dao động từ 0,1 : 10 : tùy vào vùng tỷ lệ thay đổi theo mùa [33] Theo số liệu nghiên cứu đƣợc chế giải phóng As từ trầm tích vào nƣớc ngầm, môi trƣờng nƣớc ngầm Việt Nam chủ yếu có tính khử [31] Do vậy, tiểu phần As vô chủ yếu nƣớc ngầm Việt Nam As(III) Mặt khác, độc tính asen phụ thuộc vào trạng thái oxi hóa Asen, phụ thuộc vào dạng tồn vô hay hữu Độc tính dạng Asen vô cao so với dạng Asen hữu cơ; đó, độc tính dạng hợp chất Asen hóa trị III cao dạng hợp chất Asen hóa trị V[25] Do đó, việc xác định hàm lƣợng Asen nƣớc ngầm, đặc biệt xác định dạng asen vô cơ, trƣớc khai thác yêu cầu cấp thiết, nhằm góp phần cung cấp nguồn nƣớc sạch, đảm bảo sức khỏe ngƣời dân Hiện nay, có nhiều phƣơng pháp khác để xác định hàm lƣợng Asen tổng nhƣ dạng asen nhƣ phƣơng pháp trắc quang (UV- VIS), phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử không lửa (GF- AAS), phƣơng pháp phổ khối plasma cảm ứng (ICP- MS), phƣơng pháp điện hóa, phƣơng pháp sắc ký lỏng hiệu cao, song phƣơng pháp đƣợc tiến hành phòng thí nghiệm với trang thiết bị phức tạp đòi hỏi quy trình bảo quản mẫu nghiêm ngặt phải kết hợp với kỹ thuật tách trƣờng nhằm tránh oxi hóa dạng As(III) lên dạng As(V) tiến hành phân tích dạng Asen Trong đó, trang thiết bị máy điện di thiết kế tƣơng đối gọn nhẹ, thao tác đơn giản không phù hợp cho việc phân tích hàm lƣợng Asen Độ lệch chuẩn phƣơng trình : Sy = 0,0289 Độ lêch chuẩn hệ số a : Sa = 0,0180 Độ lệch chuẩn hệ số b: Sb = 0,0001 Ta có: Phƣơng trình hồi quy đầy đủ có dạng 3.2.2.2 Giới hạn phát giới hạn định lượng Theo mục 2.4, từ phụ thuộc diện tích pic của Asen vào n ồng độ, ta tính đƣợc LOD, LOQ chất Bảng 3.12: Giới ̣n phát hiê ̣n và giới hạn đinh ̣ lương của Asen b 0,0293 LOD LOQ (µg/l) (µg/l) 2,96 9,88 Sy 0,0289 Với giới hạn phát giới hạn định lƣợng tính đƣợc trên, xử lý mẫu thực cần pha loãng cho phù hợp để trình tính toán kết hợp lý 3.2.2.3 Đánh giá phương trình đường chuẩn  Kiểm tra khác có nghĩa hệ số a giá trị Trong phƣơng trình đƣờng chuẩn y = a + bx, trƣờng hợp lý tƣởng xảy a = Tuy nhiên, thực tế số liệu phân tích thƣờng mắc sai số ngẫu nhiên làm cho a  Nếu giá trị a khác nghĩa thống kê phƣơng pháp phân tích mắc sai số hệ thống Vì vậy, trƣớc sử dụng đƣờng chuẩn cho phân tích công cụ 51 cần kiểm tra xem khác giá trị a giá trị ý nghĩa thống kê không Nếu xem a  phƣơng trình y=a+bx đƣợc viết thành phƣơng trình y =b'x Bảng 3.13: Kết so sánh giá trị a với giá trị phương trình đường chuẩn As(III) Nồ ng đô ̣ As(III) (µg/ l) 10 y (mAU) b b' 0,76 0,0760 0,0760 0,7457 0,3933 80 2,79 0,0349 0,0349 2,8128 3,1464 120 3,96 0,0330 0,0330 3,9939 4,7196 160 5,10 0,0319 0,0319 5,1751 6,2928 60 2,21 0,0368 0,0368 2,2222 2,3598 200 6,36 0,0318 0,0318 6,3563 7,8661 280 8,66 0,0309 0,0309 8,7187 11,0125 0,0295 0,0393 Trung bin ̀ h 0,0111 10,0862 Kế t quả so sánh giƣ̃a giá tri ̣a và giá tri ̣ Phƣơng sai phƣơng trình đƣợc tính nhƣ sau: = = = = 0,0018 = 1,6810 0,0011 Fbảng : F(0.95, 5, 6) = 4,59 52 Ta thấy Ftính