luận văn Thạc sỹ Khoa học Xác định crom trong mẫu sinh học bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa

Nhằm mục đích phục vụ sức khỏe con người và bảo vệ môi trường, nhằm đóng góp cho chương trình nhà nước về nghiên cứu và điều tra điều kiện dinh dưỡng của người Việt nam, trong bản luận v

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AAS Atomic absorption spectrophotometry

( Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử)

AbsCr Absorbance of chromium

( Độ hấp thụ quang của crom)

BG Background signal (blank signal)

( Tín hiệu đường nền )

CV Coefficient variation

(Hệ số biến động)

ER Relative error

( Sai số tương đối)

F - AAS Flame atomic absorption spectrophotometry

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

F - AES Flame atomic emission spectrophotometry

( Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử kỹ thuật ngọn lửa)

GF - AAS Graphite furnace atomic absorption spectrophotometry

( Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử kỹ thuật không ngọn lửa) ETA-AAS Electro Thermal Atomizers Atomic Absorption Spectrocopy

(Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử kỹ thuật không ngọn lửa) IAEA-CRM International Atomic Energy Agency-Certified Reference Materials (Mẫu chuẩn)

HPLC High Performance Liquid Chromatography

( Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao)

HCL Hollow cathode lamp

( Đèn catot rỗng )

HMDE Hanging mercury drop electrode

( Điện cực giọt thủy ngân treo)

ICP - MS Inductively coupled plasma mass spectrometry ( Phương pháp khối phổ plasma cao tần cảm ứng ) LOD Limit of detection

RSD Relative standard deviation

(Độ lệch chuẩn tương đối)

SS Sum of square

( Tổng các bình phương)

UV - Vis Ultraviolet - Visible spectrophotometry

(Phương pháp quang phổ tử ngoại - khả kiến )

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1- Hàm lượng Cd, Cr, Pb trong đất trồng rau

Bảng 3.1 - Khảo sát chọn vạch đo phổ của Crom

Bảng 3.2 - Khảo sát chọn cường độ dòng đèn HCL

Bảng 3.3 - Khảo sát độ rộng khe đo

Bảng 3.4 - Khảo sát nhiệt độ tro hoá mẫu

Bảng 3.5 - Khảo sát nhiệt độ nguyên tử hoá mẫu

Bảng 3.6 - Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ axit HNO3

Bảng 3.7 - Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ axit HCl

Bảng 3.8 - Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ axit H2SO4

Bảng 3.9 - Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ axit CH3COOH

Bảng 3.10 - Khảo sát ảnh hưởng của các chất cải biến hóa học

Bảng 3.11 - Khảo sát nồng độ của (NH4)H2PO4

Bảng 3.12 - Khảo sát thành phần các nguyên tố có trong rau

Bảng 3.13- Khảo sát ảnh hưởng của các kim loại kiềm thổ

Bảng 3.14 - Khảo sát ảnh hưởng của các cation kim loại hóa trị III Bảng 3.15 - Khảo sát ảnh hưởng của các cation kim loại nặng hóa trị II Bảng 3.16 - Khảo sát ảnh hưởng của tổng các cation kim loại

Bảng 3.17 - Khảo sát ảnh hưởng của các anion

Bảng 3.18 - Khảo sát ảnh hưởng của tổng các cation và anion

Bảng 3.19 - Giới hạn hàm lượng các cation và anion

Bảng 3.20 - Kết quả khảo sát khoảng tuyến tính của Crom

Bảng 3.21 - Kết quả sai số và độ lặp lại của phép đo

Bảng 3.22- Kết quả phân tích bằng phương pháp đường chuẩn

Bảng 3.23 - Kết quả phân tích bằng phương pháp thêm chuẩn

Bảng 3.24 - Kết quả so sánh giữa phương pháp đường chuẩn và thêm chuẩn Bảng 3.25 - Kết quả so sánh giữa phương pháp GF-AAS và ICP-MS

Bảng 3.26 - Hiệu suất thu hồi Cr lượng thêm chuẩn

Bảng 3.27 - Hiệu suất thu hồi Cr theo mẫu chuẩn

Bảng 3.28 - Kết quả phân tích của hai mẫu rau bằng phương pháp đường chuẩn

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 - Hệ thống máy quang phổ hấp thụ nguyên tử Model AA 6800 Hình 2.2 - Bộ phận nguyên tử hoá chứa cuvet graphit

Hình 2.3 - Bộ phận lấy mẫu tự động ASC - 6100

Hình 3.4 - Đồ thị khảo sát nhiệt độ nguyên tử hóa của crom

Hình 3.5 - Khảo sát khoảng tuyến tính của crom

Hình 3.6 - Đường chuẩn của crom

Hình 3.7 - Đồ thị thêm chuẩn xác định crom trong mẫu rau cải bắp cải non Hình 3.8 - Đồ thị thêm chuẩn xác định crom trong mẫu rau cải cúc

Hình 3.9 - Đồ thị thêm chuẩn xác định crom trong mẫu rau cần

MỞ ĐẦU

Xã hội ngày một phát triển, nhu cầu của con người ngày càng cao Sự tăng trưởng mạnh của nền kinh tế đã đưa nhu cầu của con người từ mong muốn “ăn no, mặc đủ” lên “ăn ngon, mặc đẹp” Vì thế nhu cầu về thực phẩm sạch, đảm bảo sức khỏe đã trở thành nhu cầu thiết yếu, cấp bách và được xã hội quan tâm hàng đầu Ở nước ta, sự bùng nổ dân số cùng với tốc độ đô thị hoá, công nghiệp hoá nhanh chóng đã tạo ra một sức ép lớn tới môi trường sống Việt Nam Vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm đối với nông sản nhất là rau xanh đang được cả xã hội quan tâm

Rau xanh là nguồn thực phẩm cần thiết và quan trọng không thể thiếu được trong mỗi bữa ăn hàng ngày, là nguồn cung cấp vitamin, khoáng chất, vi lượng, chất xơ, cho cơ thể con người không thể thay thế được Ngoài ra, rau còn được dùng như một loại thuốc chữa các bệnh thông thường: nước rau má giúp giải nhiệt, rau ngải cứu giúp an thai, rau diếp cá dùng để hạ sốt, rau muống giúp cầm máu Tuy nhiên, hiện nay nhiều khu vực trồng rau đang có nguy cơ bị ô nhiễm do chất thải của các nhà máy, xí nghiệp cùng với việc sử dụng phân bón một cách thiếu khoa học dẫn đến một số loại rau có thể bị nhiễm các kim loại nặng, có ảnh hưởng đến sức khoẻ con người Các nguyên tố thuộc nhóm kim loại nặng như Cr, Pb, Cd gây độc hại đối với cơ thể con người tuỳ thuộc vào hàm lượng của chúng Một số khác như Cu, Fe, Zn là những nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể con người Tuy nhiên khi hàm lượng của chúng vượt quá ngưỡng cho phép chúng bắt đầu gây độc Thời gian gần đây, vấn đề rau sạch đang là vấn đề nóng bỏng được nhiều cơ quan môi trường và Xã hội quan tâm: Theo báo Lao Động số 288 Ngày 12/12/2008 thì Trung bình 33km2 mới có 1 điểm bán rau an toàn Theo Chi cục Bảo vệ thực vật Hà Nội, đến thời điểm này, sản lượng rau an toàn của toàn thành phố hàng năm chỉ đáp ứng được gần 14% nhu cầu rau xanh của người dân thủ đô Như thế, việc điều tra, đánh giá chất lượng rau sạch trở nên

vô cùng cấp thiết Một trong các chỉ tiêu dùng để đánh giá độ an toàn của thực phẩm nói chung và rau sạch nói riêng là chỉ tiêu về hàm lượng các kim loại nặng

Nhằm mục đích phục vụ sức khỏe con người và bảo vệ môi trường, nhằm đóng góp cho chương trình nhà nước về nghiên cứu và điều tra điều kiện dinh dưỡng của người Việt nam, trong bản luận văn này chúng tôi nghiên cứu việc sử dụng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa (GF-AAS) để phân tích (xác định) lượng vết crom trong mẫu sinh học

Chương 1 - TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung về nguyên tố Crom.[18]

Crom là một nguyên tố thuộc phân nhóm VIB, chu kỳ 4 trong bảng hệ thống tuần hoàn, có cấu hình lớp electron ngoài cùng: 3d5 4s1

Crom được ký hiệu là Cr, số thứ tự nguyên tử là 24, nguyên tử lượng Crom là 51,996 đvC, Crom có số oxi hoá đặc trưng nhất là +3 và kém đặc trưng hơn là +6 Ngoài ra, trong hợp chất Crom còn có các số oxi hoá: +1; +2; +4; +5

Trữ lượng trong thiên nhiên của Crom là 6.10-3 % tổng số nguyên tử trong vỏ trái đất, nghĩa là tương đối phổ biến Khoáng vật chính của Crom là sắt cromit Fe(CrO2)2

Crom được sử dụng trong luyện kim, trong mạ điện hoặc trong nhuộm màu, thuộc da… Các hợp chất cromat thường thêm vào nước mặn để ức chế sự ăn mòn kim loại

Trong nước tự nhiên, Cr3+

tồn tại ở dạng Cr(OH)2+, Cr ( OH ), còn Cr(IV) tồn tại ở dạng 2 

Crom kim loại được điều chế bằng các phương pháp nhiệt nhôm, dùng bột nhôm khử Crom(III) oxit

Cr2O3 + 2Al = 2Cr + Al2O3Crom thu được chứa 97,99% Cr và tạp chất sắt

1.2.Tính chất của Cr [ 9]

1.2.1 Tính chất vật lý:

Về mặt lý học, crom thể hiện rõ rệt tính chất kim loại Nó là kim loại màu trắng bạc

có ánh kim, dẫn điện và nhiệt tốt Crom tinh khiết dễ chế hoá cơ học nhưng khi lẫn tạp chất thì trở nên cứng và giòn Vì vậy, kim loại Crom kỹ thuật rất cứng Việc đưa crom vào thép làm tăng độ cứng, độ bền nhiệt, độ bền ăn mòn, và độ bền hoá chất của các loại thép đặc biệt Thép dụng cụ chứa 3% ÷ 4% Cr, thép không rỉ chứa 18% ÷ 25% Cr

Một số hằng số vật lý quan trọng của Cr:

 Nhiệt độ nóng chảy (Tnc): 1890oC

Cr /

Cr2

E  = - 0,91 (V) Crôm khử được H+ trong các dung dịch HCl,

H2SO4 loãng, nóng giải phóng H2

Cr + 2H+ = Cr2+ + H2Crom bị thụ động trong axit HNO3 và H2SO4 đặc nguội Crom không tác dụng với nước do có lớp oxit bảo vệ Crom tan được trong dung dịch kiềm

Cr + NaOH + H2O = NaCrO2 + 3/2 H2Crom tác dụng với muối của những kim loại có thế tiêu chuẩn cao hơn tạo thành muối Cr(II)

4CrCl2 + 4HCl + O2 = 4CrCl3 + 2H2O

Muối Cr(II) ít bị thuỷ phân 3  2 

Cr / Cr

E = - 0,41 (V), các muối tan được trong nước cho iôn hiđrat hoá [Cr(H2O)6]2+ có màu xanh lam

1.2.3.2 Hợp chất Cr(III)

Các hợp chất của Cr(III) bền hơn hợp chất của Cr(II) và có nhiều ứng dụng thực tế

a Cr(III) oxit:

Là hợp chất bền nhất của crom, nó nóng chảy ở 2265oC và sôi ở 3027oC Cr2O3 trơ

về mặt hoá học, nhất là sau khi đã nung nóng, nó không tan trong nước, dung dịch axit và dung dịch kiềm Tính lưỡng tính của Cr2O3 chỉ thể hiện khi nấu chảy với kiềm hay Kali hiđrô sunfat

Cr(OH)3 + 3H3O+ = [Cr(H2O)6]3+

Cr(OH)3 + OH + nH2O =  

2 2

4( H O ) )

OH ( Cr

Tất cả những ion này được gọi chung là hiđroxo Cromit, nó luôn kém bền, khi đun nóng trong dung dịch đã phân huỷ tạo thành kết tủa Cr(OH)3 Sở dĩ như vậy là vì Cr(OH)3

có tính axit yếu hơn Al(OH)3

Cr(III) hiđrôxit tan không đáng kể trong dung dịch NH3 nhưng tan dễ dàng trong amoniac lỏng tạo thành phức hecxanano

Cr(OH)3 + 6NH3 = [Cr(NH3)6](OH)3

c Muối Crom(III):

Người ta đã biết được nhiều muối Crom(III) nhưng muối này độc với người Nhiều muối Crom(II) cũng có cấu tạo và tính chất giống với muối nhôm(III) Bởi vì các ion

Cr3+(0,57Ao) và Al3+(0,61Ao) có kích thước gần nhau Dung dịch muối Crom(III) có màu tím ở nhiệt độ thường, nhưng có màu lục khi đun nóng, màu tía đỏ là màu đặc trưng của ion [Cr(H2O)6]3+

Muối Crom (III) có tính thuận từ, rất bền trong không khí khô và bị thuỷ phân mạnh hơn muối Cr(II) Trong môi trường axit, ion Cr3+ có thể bị khử đến Cr2+ bởi kẽm, nhưng trong môi trường kiềm nó có thể bị H2O2, PbO2, nước clo, nước brôm oxi hoá đến Cromat

2CrCl3 + 10KOH + 3H2O2 = 2K2CrO4 + 6KCl + 8H2O

Do có bán kính bé và điện tích lớn, ion Cr3+ là một trong những chất tạo phức mạnh nhất, nó có thể tạo nên phức bền với hầu hết phối tử đã biết Tuy nhiên, độ bền của các phức chất Cr(III) còn tuỳ thuộc vào bản chất của phối tử và cấu hình của phức chất

Trong dung dịch, Cr(III) clorua có thể kết hợp với clorua kim loại kiềm tạo nên phức chất màu đỏ hồng

Crom(VI) oxit (CrO3) là chất oxi hoá mạnh, nó oxi hoá được I2, S, P, CO, C, HBr…

và nhiều chất hữu cơ khác, phản ứng thường gây nổ

Là anhiđrit axit, CrO3 dễ tan trong nước và dễ kết hợp với nước tạo thành axit, là axit cromic (H2CrO4) và axit poli cromic (H2Cr2O7, H2Cr2O10, H2Cr4O13)

Axit cromic và axit policromic là những axit rất độc với người, không bền, chỉ tồn tại trong dung dịch nước Dung dịch axit cromic (H2CrO4) có màu vàng, dung dịch axit

dicromic (H2Cr2O7) có màu da cam, màu của axit đậm dần tới màu đỏ khi số nguyên tử Cr trong phân tử tăng

Do vậy khi các dung dịch axit trên tác dụng với dung dịch kiềm, nó có thể tạo nên các muối cromat, dicromat, tricromat…

Muối cromat có màu vàng còn muối đicromat có màu da cam, các chất này là những chất oxi hoá mạnh, tính chất này thể hiện rõ trong môi trường axit:



2 4

CrO

2 + 16H+ + 6e = 2Cr3+ + 8H2O

Muối cromat và đicromat thường gặp là: Na2CrO4, K2CrO4, PbCrO4, NiCrO4, ZnCrO4, K2Cr2O7, Na2Cr2O7, và (NH4)Cr2O7 Trong đó các muối PbCrO4, NiCrO4 và ZnCrO4 được dùng nhiều trong công nghiệp, chất màu, sơn, mạ…

Trong nước thải mạ điện, Cr (VI) có mặt ở dạng anion như Cromat (CrO24), đicromat ( 2

thường phải thấp hơn 0,05mg/l theo tiêu chuẩn của tổ chức y tế thế giới[9]

a Đối với cơ thể người

Crom(VI) hấp thu qua dạ dày, ruột nhiều hơn Crom (III) và có thể thấm qua màng tế bào, Cr(VI) dễ gây viêm loét da, xuất hiện mụn cơm, viêm gan, thủng vách ngăn giữa hai lá mía, ung thu phổi

Crom xâm nhập vào cơ thể theo ba con đường : hô hấp, tiêu hóa và tiếp xúc trực tiếp Qua nghiên cứu người ta thấy Crom có vai trò sinh học như chuyển hóa glucozơ, nhưng với hàm lượng lớn có thể làm kết tủa Protein, các axit nucleic và ức chế hệ thống men Dù xâm nhập vào cơ thể theo bất kỳ đường nào Crom cũng hòa tan vào máu ở nồng độ 0,001mg/l sau đó chuyển vào hồng cầu và hòa tan vào hồng cầu nhanh 10-20 lần, từ hồng cầu Crom chuyển vào các tổ chức phủ tạng, được giữ lại ở phổi, xương, thận, gan, phần còn lại chuyển qua nước tiểu

Crom chủ yếu gây ra các bệnh ngoài da như loét da, loét thủng vách ngăn mũi, viêm

da tiếp xúc khi con người làm các công việc phải tiếp xúc,hít thở với Crom hoặc các hợp chất của Crom Crom còn kích thích niêm mạc sinh ngứa mũi, hắt hơi, chảy nước mũi, nước mắt, niêm mạc mũi bị sưng đỏ và có tia máu, về sau có thể thủng vành mũi Nhiễm độc Crom có thể gây mụn, mụn cơm, viêm gan, viên thận, ung thư phổi, đau răng, tiêu hoá kém

Khi Crom xâm nhập qua đường hô hấp dễ dẫn đến bệnh viêm yết hầu, viêm phế quản

do niêm mạc bị kích thích Khi da tiếp xúc trực tiếp với dung dịch Crom (VI) dễ bị nổi phồng và loét sâu, có thể bị loét đến xương, nhiễm độc Crom lâu năm có thể bị ung thư phổi, ung thư gan

Crom (VI) là tác nhân oxi hoá mạnh gây độc cao đối với con người và động vật Những công việc có thể gây nhiễm độc Crom như: luyện kim, sản xuất nến sáp, thuốc

nhuộm, chất tẩy rửa, thuốc nổ, pháo, diêm, xi măng, đồ gốm, bột màu, thuỷ tinh, chế tạo ắc quy, mạ kẽm, mạ điện và mạ Crom

Tóm lại, hàm lượng lớn các kim loại nặng nói chung và Crom nói riêng nếu bị phơi nhiễm đều ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ con người Chính vì vậy việc xác định hàm lượng Crom trong thực phẩm là cần thiết đối với con người Từ đó có biện pháp xử lý thích hợp đảm bảo có thực phẩm sạch cho con người

b Đối với động, thực vật

Người ta khảo sát sự sống của cá chép bằng cách ngâm trứng cá sau khi thụ tinh vào trong nước có chứa ion Cr6+ ở nồng độ 3,9 - 9,6 mmol/l với pH=7,8 nhận thấy Crom không ảnh hưởng đến tỷ lệ nở trứng và tỷ lệ mắc bệnh tuỷ sống của cá Nhưng ở nồng độ 9,6 mmol/l tại pH=6,3 thì giảm tỷ lệ trứng và tăng tỷ lệ tử vong

Nếu ngâm trứng cá trong nước ở nồng độ Crom là 3,9 mmol/l, pH= 7,8 thì làm tăng

sự kết dính của những tế bào tiết ra chất nhầy, giữ nguyên nồng độ thay đổi pH= 6,3 tỷ lệ mắc bệnh tuỷ sống của cá tăng, mang và vây cá khô hơn, khả năng chịu rét kém hơn Như vậy tại pH= 7,8 tỷ lệ tử vong và mắc bệnh tuỷ sống là không đáng kể so với tại pH=6,3[9]

Thực hiện các thí nghiệm trên thực vật cũng nhận thấy Crom gây ảnh hưởng đối với quá trình phát triển như gây bệnh vàng lá đối với lúa

Do những ảnh hưởng xấu của Crom đối với môi trường và gây tác hại đến cuộc sống của con người, động thực vật, nên tổ chức y tế thế giới (WHO) đã quy định hàm lượng cho phép của Crom (VI) trong nước uống là 0,005 mg/l [9] Trong khi đó, giới hạn tối đa cho phép của crom trong thực phẩm là 1,3μg/g [48]

1.4.1 Phương pháp phân tích hóa học

Nhóm các phương pháp này dùng để xác định hàm lượng lớn (đa lượng) của các chất, thông thường lớn hơn 0,05%, tức là mức độ miligram Các trang thiết bị và dụng cụ cho các phương pháp này là đơn giản và không đắt tiền

1.4.1.1 Phương pháp phân tích trọng lượng

Phương pháp phân tích trọng lượng có độ chính xác tới 0,1% [11] Phương pháp này dựa trên cơ sở hòa tan mẫu chứa nguyên tố cần xác định trong dung môi thích hợp, thêm lượng thuốc thử gấp 1,5 lần để kết tủa nguyên tố cần xác định, sau đó rửa rồi sấy, nung đến khối lượng không đổi Từ lượng cân kết tủa thu được sẽ tính được hàm lượng của chất phân tích

Crom được xác định dưới dạng kết tủa cromat chì, cromat thủy ngân, cromat bari, và

Cr2O3, nhưng thực tế thường dùng là kết tủa baricromat (BaCrO4)

1.4.1.2 Phương pháp phân tích thể tích

Phân tích thể tích là phương pháp phân tích định lượng dựa trên việc đo thể tích dung dịch chuẩn (đã biết chính xác nồng độ) cần dùng để phản ứng vừa đủ với chất cần xác định

có trong dung dịch phân tích

Phương pháp này được sử dụng rộng rãi để xác định crom khi hàm lượng lớn Phép chuẩn độ Cr6+ bằng Fe2+ là phương pháp thể tích được sử dụng rộng rãi nhất :

Nguyên tắc: Dựa trên sự đo thể tích dung dịch thuốc thử đã biết nồng độ chính xác (dung dịch chuẩn) được thêm vào dung dịch chất định phân để tác dụng đủ toàn bộ lượng chất định phân đó Thời điểm thêm lượng thuốc thử tác dụng với toàn bộ chất định phân gọi

là điểm tương đương Để nhận biết điểm tương đương, người ta dùng các chất gây ra hiện tượng có thể quan sát bằng mắt gọi là chất chỉ thị

Crom (VI) có thể xác định bằng cách chuẩn độ bằng dung dịch Fe(II) với chất chỉ thị điphenylamin, trong phản ứng chuẩn độ này người ta dùng H3PO4 để che Fe(III) Phản ứng chuẩn độ là:



2 7

I2 + 2Na2S2O3 = 2NaI + Na2S4O6

1.4.2 Các phương pháp phân tích công cụ

1.4.2.1 Phương pháp phân tích điện hóa [10]

1.4.2.1.1 Phương pháp cực phổ

Nguyên tắc: Người ta thay đổi liên tục và tuyến tính điện áp vào 2 cực để khử các kim loại, do mỗi kim loại có thế khử khác nhau Thông qua chiều cao của đường cong Von - Ampe có thể định lượng được ion kim loại trong dung dịch ghi cực phổ Vì dòng giới hạn

Igh ở các điều kiện xác định tỉ lệ thuận với nồng độ ion trong dung dịch ghi cực phổ theo phương trình :

I = k.C

Trong phương pháp phân tích này, người ta dùng điện cực giọt thuỷ ngân rơi là điện cực làm việc Để định lượng các chất có hoạt tính cực phổ, người ta thường dùng hai

phương pháp : phương pháp đường chuẩn và phương pháp thêm chuẩn

Phương pháp này có khá nhiều ưu điểm : cho phép xác định cả chất vô cơ và hữu cơ với nồng độ 10-5 - 10-6 M Sai số của phương pháp thường là 2 - 3% với nồng độ 10-3 - 10-4

M, là 5% với nồng độ 10-5M (ở điều kiện nhiệt độ không đổi )

Thành Trinh Thục [23] và các cộng sự đã ứng dụng phương pháp cực phổ xác định các nguyên tố Cr, Zn, Pb, Cd, Cu trong một số loại thực phẩm và đất trồng trong môi trường đệm axetat với hệ 3 điện cực : điện cực thuỷ ngân treo HMDE, điện cực so sánh Ag/AgCl, điện cực phụ Pt

Tuy nhiên, phương pháp này cũng có những hạn chế như ảnh hưởng của dòng tụ điện, dòng cực đại

1.4.2.1.2 Phương pháp Von - Ampe hoà tan

Về bản chất, phương pháp Von - Ampe hoà tan cũng giống như phương pháp cực phổ là dựa trên việc đo cường độ dòng để xác định nồng độ các chất trong dung dịch

Nguyên tắc gồm hai bước :

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

Bước 2 : Hoà tan kết tủa đã được làm giàu 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 Chiều cao pic là một hàm của nồng độ

M.Esteban [46] và các cộng sự đã nghiên cứu sử dụng phương pháp Von - Ampe để xác định lượng vết các kim loại Cr, As, Hg, Cd, trên điện cực giọt thủy ngân (SMDE và HMDE) Người ta đã kết hợp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) ngọn lửa hoặc lò graphit và phương pháp Von - Ampe xác định crom Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử xác định crom tổng và phương pháp von - ampe có khả năng phân biệt giữa Cr(tổng) và Cr(VI) Phương pháp này có giới hạn phát hiện là 5,2 ng/l, cho phép xác định Cr(VI) trong khoảng nồng độ từ 35μg/l đến 2mg/l

Tác giả Lê Lan Anh [1] và các cộng sự đã phân tích kim loại nặng Cr, Cd, Pb trong lương thực, thực phẩm bằng phương pháp Von - Ampe hoà tan trên điện cực màng thuỷ

ngân và đưa ra nhận xét : phương pháp này có khả năng định lượng chính xác một số kim loại nặng là độc tố có độ nhạy, độ chính xác và tính chọn lọc cao

Dương Thị Tú Anh, [3] và các cộng sự đã nghiên cứu xác định một số dạng tồn tại của crom trong nước thải công nghiệp bằng phương pháp von - ampe hòa tan với hàm lượng crom(μg/l) = 1,751 ± 0,038

Phương pháp Von - Ampe hoà tan có thể xác định được cả những chất không bị khử (hoặc oxi hoá) trên điện cực với độ nhạy khá cao 10-6 - 10-8 M Tuy nhiên, phương pháp này cũng có nhược điểm : độ nhạy bị hạn chế bởi dòng dư

1.4.2.2 Nhóm các phương pháp phân tích quang học

1.4.2.2.1 Phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ phân tử (UV - Vis)

Phương pháp phân tích phổ hấp thụ phân tử ( phổ electron hay phổ UV - Vis) dựa trên việc đo phổ UV- Vis của những chất có khả năng hấp thụ năng lượng chùm sáng để tạo

ra phổ hấp thụ phân tử và những chất không có phổ UV - Vis thì cho tác dụng với thuốc thử thích hợp tạo ra hợp chất phức bền có khả năng hấp thụ tia bức xạ và cho phổ UV- Vis nhạy Phương pháp này cho phép xác định nồng độ chất ở khoảng 10-5M đến 10-7M, là một phương pháp được sử dụng khá phổ biến

Để xác định Cr bằng phương pháp phổ hấp thụ phân tử, người ta cho Crom (VI) tác dụng với thuốc thử Diphenyl cacbazit (DPC) để tạo phức màu đỏ tía trong môi trường axit

H2SO4



2 7

Các tác giả [8] cho rằng phức tạo thành của Cr6+ với thuốc thử DPC trong môi trường

axit có độ hấp thụ cực đại ở bước sóng λmax = 540 nm (ε = 34200)

Giới hạn phát hiện của phép đo là 0,04ppm

Angelina M.Stoyanva 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 hóa axit sunfanilic(SA) bởi H2O2 khi có mặt của p-Aminobenzoic axit( PABA) Sau đó đo độ hấp thụ quang tại bước sóng 360nm sau khi cho thuốc thử 15 phút Tác giả đã tìm điều kiện tối

ưu là nồng độ axit 4,0.10-3

M, nồng độ H2O2 0,57 M; 1,0.10-3M PABA và dung dịch đệm

axit acetic-boric axit-axit orthophosphoric (pH= 6,6) 0,04; nhiệt độ của phản ứng là 500C

Độ lệch chuẩn tương đối 2,9- 5,8%.[26]

F.Heford [38] và các cộng sự đã nghiên cứu xác định Cr trong mẫu thực phẩm bằng phương pháp trắc quang tại bước sóng 370nm

Tác giả Nguyễn Thị Thanh Hoa [9] đã xác định crom bằng phương pháp trắc quang dùng thuốc thử DPC có độ nhạy cao và kết quả thu được khá chính xác ở điều kiện tối ưu của phép đo là 1ml Cr(VI) 2,5.10-4 M, 1ml H2SO4, 2ml DPC 0,25% định mức 25 ml và đo cuvet 50 mm với kính lọc ở bước sóng λ =542nm

Nguyễn Văn Ly[15] và các cộng sự đã nghiên cứu xác định Cr(VI) bằng phương pháp trắc quang - động học xúc trong các loại mẫu nước thải công nghiệp với hàm lượng Cr(VI) từ 10- 100μg/l Giới hạn phát hiện của phép đo là 3,6ng/ml và giới hạn định lượng là 10,8ng/ml

Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử đơn giản, tiện lợi, độ nhạy tương đối cao nên được sử dụng phổ biến để xác định các kim loại lượng nhỏ Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là không chọn lọc, một thuốc thử có thể tạo phức với nhiều ion

1.4.2.2.2 Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử (AES)[14]

Trong điều kiện bình thường, nguyên tử không thu và 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 đã hấp thu dưới dạng bức xạ quang học Bức xạ này chính là phổ phát xạ của 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 cao tần cảm ứng(ICP)

Để phân tích một chất bằng phương pháp phổ phát xạ nguyên tử ta phải thực hiện các bước sau:

- Trước hết phải dùng một nguồn năng lượng phù hợp để chuyển chất cần xác định X thành hơi nguyên tử ( quá trình nguyên tử hóa mẫu)

- Tiếp theo dùng năng lượng kích thích nguyên tử để tạo ra bức xạ nguyên tử

- Dùng một hệ thống máy quang học (lăng kính hay cách tử) để phân ly chùm sáng bức xạ thành các tia đơn sắc, ứng với mỗi tia đơn sắc là một vạch phổ, vì thế mà phổ này được gọi là phổ phát xạ (phổ vạch của nguyên tử)

- Dựa vào vị trí các vạch phổ ta có thể phân tích định tính được các nguyên tố có trong mẫu phân tích Nếu đo cường độ vạch phổ thì ta có thể xác định được hàm lượng nguyên tố cần phân tích

- Đặc biệt sự ra đời của nguồn năng lượng plasma cao tần cảm ứng (ICP) được ứng dụng trong phép phân tích AES từ khoảng 20 năm trở lại đây cho hiệu quả cao Ngày nay, phổ phát xạ ICP là một công cụ phân tích phục vụ đắc lực cho nghiên cứu và sản xuất với

(ETA-ICP-1.4.2.2.3 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)[14]

Khi chiếu một chùm tia sáng có bước sóng xác định ứng đúng với tia phát xạ nhạy của nguyên tố cần nghiên cứu 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 sẽ xác định được nguyên tố cần phân tích Trong phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử thì quá trình chuyển hóa chất cần xác định thành hơi nguyên tử (quá trình nguyên

tử hóa mẫu) là quan trọng nhất Tùy thuộc vào kỹ thuật nguyên tử hóa mà ta có các phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử với độ nhạy khác nhau Với kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu phân tích bằng kĩ thuật ngọn lửa, ta có phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F-AAS) có độ nhạy cỡ 0,1ppm; Với kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu phân tích trong cuvet graphit nhờ năng lượng nhiệt của dòng điện có công suất lớn, ta có phương

pháp phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa (GF-AAS) có độ nhạy cao hơn

kĩ thuật ngọn lửa 50 - 1000 lần; cỡ 0,1 - 1ppb và sai số không vượt quá 15%

Thực tế cho thấy phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử có nhiều ưu việt như: độ nhạy,

độ chính xác cao, lượng mẫu tiêu thụ ít, tốc độ phân tích nhanh Với ưu điểm này, AAS được thế giới dùng làm phương pháp tiêu chuẩn để xác định lượng nhỏ và lượng vết các kim loại trong nhiều đối tượng khác nhau như mẫu y học, sinh học và kiểm tra các hóa chất

có độ tinh khiết cao

Đã có nhiều công trình nghiên cứu và ứng dụng phương pháp GF-AAS xác định các kim loại nặng trong nhiều đối tượng khác nhau

Lê Lan Anh [2] và các cộng sự nghiên cứu phân tích các dạng Cr, Cd, Pb trong đất trồng bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử Hàm lượng Cd, Cr, Pb trong đất trồng rau tại ba điểm nghiên cứu được ghi ở bảng sau:

Bảng 1.1- Hàm lượng Cd, Cr, Pb trong đất trồng rau

Hàm lượng (ppm)

Đất ruộng Cầu Diễn

Đất ruộng Đông Anh Thanh Liệt Đất ruộng

J.C.Amiard [ 38] và các cộng sự đã ứng dụng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử xác định lượng vết các nguyên tố Ag, Cd, Cr, Cu, Ni, trong mẫu sinh học (hào, tôm, cua) Hàm lượng Cr tìm được trong mẫu hào : 0,69 mg/kg; mẫu tôm: 2,4 mg/kg; mẫu cua:

4,5mg/kg

Elendinez, [31] và các cộng sự đã xác định Cr trong các mẫu thực phẩm ở Tây Ban Nha : hải sản, ngũ cốc, rau xanh, dầu oliu và sữa bằng phương pháp GF-AAS sau khi mẫu được phân hủy trong môi trường axit HNO3 65% (Merck) Hàm lượng Crom dao động giữa 0,004 ÷ 0,0079mg/g trong hải sản (tươi sống), từ 0,007 đến 0,456 mg/g trong ngũ cốc và rau quả (tươi), từ 0,625 mg/g đến dưới giới hạn phát hiện trong sữa

Claude Veillon, [29] và các cộng sự nghiên cứu xác định Cr trong mẫu sinh học: huyết thanh, huyết tương, nước tiểu bằng ba phương pháp : phương pháp phân tích kích hoạt neutron(NAA), khối phổ (MS) và phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa (GF-AAS) Giới hạn phát hiện của Crom là: LOD = 0,1ppb (GF-AAS)

U.Tinggi,[56]và các cộng sự đã ứng dụng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử xác định Mn và Cr trong mẫu thực phẩm

J.Medina [39] và các cộng sự đã xác định Hg, Cd, Cr, Pb trong sinh vật biển bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa Với giới hạn phát hiện là 0,1 ppb và giới hạn định lượng là 0,9 ppb

1.4.2.2.4 Phương pháp phổ khối plasma cao tần cảm ứng ICP-MS[13]

Khi dẫn mẫu phân tích vào ngọn lửa plasma, trong điều kiện nhiệt độ cao của

plasma, các chất có trong mẫu khi đó sẽ bị hóa hơi, nguyên tử hóa và ion hóa tạo thành ion dương có điện tích +1 và các electron tự do Thu và dẫn dòng ion đó vào thiết bị phân giải phổ để phân chia chúng theo số khối (m/z) sẽ tạo ra phổ khối của nguyên tử chất cần phân tích Sau đó, đánh giá định tính và định lượng phổ thu được

Tác giả Peter Heitland và Helmut D.Koster [50] ứng dụng phương pháp ICP-MS để xác định lượng vết 30 nguyên tố Cu, Cr, Pb, Zn, Cd trong mẫu nước tiểu của trẻ em và người trưởng thành

Francesco Cubadda, [36] và các cộng sự đã nghiên cứu xác định crom trong mẫu thực phẩm bằng phương pháp ICP-MS

El bieta Skrzydlewska [30] và các cộng sự đã ứng dụng phương pháp ICP-MS để xác định Cr, Cd, Pb trong mẫu thực phẩm

Kỹ thuật phân tích ICP-MS là một trong những kỹ thuật phân tích hiện đại Kỹ thuật này được nghiên cứu và phát triển rất mạnh trong những năm gần đây Với nhiều ưu điểm vượt trội, kỹ thuật ICP-MS được ứng dụng rất rộng rãi trong phân tích rất 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

1.4.3 Các phương pháp sắc ký [10,17]

Sắc ký là quá trình tách dựa trên sự phân bố liên tục các cấu tử chất phân tích lên hai pha: một pha thường đứng yên, có khả năng hấp thu các chất phân tích gọi là pha tĩnh, một pha di chuyển qua pha tĩnh gọi là pha động; do các cấu tử chất phân tích có ái lực khác nhau với pha tĩnh, chúng di chuyển với tốc độ khác nhau và tách ra khỏi nhau

1.4.3.1 Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC)

Sắc ký lỏng có lịch sử phát triển sớm, ban đầu phương pháp thực hiện ở áp suất thường vì chất nhồi có kích thước lớn Cơ chế tách là sắc ký hấp thụ, sắc ký phân bố nhưng

do tốc độ phát triển nhanh của phương pháp, các chất nhồi khác nhau ngày càng được cải tiến, hiệu quả tách của cột cũng ngày càng được nâng cao Sắc ký lỏng hiệu năng cao bao gồm nhiều phương pháp có đặc thù riêng, đó là sắc ký lỏng pha liên kết, sắc ký phân bố lỏng - lỏng, sắc ký trao đổi ion lỏng - rắn và sắc ký hấp thụ lỏng - rắn

Các tác giả Yoanna Shaofen Wang và Konghwa Chin đã tiến hành chiết đồng thời Cr(III) và Cr(VI) dựa trên phản ứng của chúng với amoni pyrrolidinedithiocarbamat Sau đó xác định Cr(III) và Cr(VI) bằng phương pháp HPLC với detector UV-Vis.[59]

Các tác giả khác [49] đã tiến hành tách các dạng Cr(III) và Cr(VI) khi làm giàu trên mạng lưới polisilicat Các tác giả đã tìm được điều kiện pH, lượng chất hấp thu, tốc độ dòng chảy để có thể tách định lượng Cr(III) và Cr(VI) Các tác giả đã nhận thấy Cr(III) bị hấp thu chọn lọc trên cột được cố định trên mạng lưới polisilicat Hệ số làm giàu đối với Cr(III) là

20 lần Sau khi tách, Cr(III) và Cr(VI) được xác định bằng phương pháp khối phổ plasma cao tần cảm ứng (ICP - MS) Hàm lượng Cr(III) tìm được là 11,5ng/g

Cũng bằng phương pháp HPLC/ICP-MS Kenneth R.Neubauer cùng các cộng sự đã xác định đồng thời Arsenic và Chromium trong nước biển[41]

Y Martínez-Bravo [58] và các cộng sự đã kết hợp phương pháp HPLC và phương pháp ICP-MS để xác định As, Se, Cr(VI) trong nước

Tuy nhiên, khi sử dụng một phương pháp phân tích nào đó người ta phải tính đến hiệu quả và tính kinh tế của phương pháp đó Các phương pháp như hấp thụ và phát xạ nguyên tử, phương pháp điện hóa, phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao, FIA, tuy cho

kết quả phân tích có độ chính xác cao nhưng cần những trang thiết bị đắt tiền mà không phải phòng thí nghiệm nào cũng có được

1.4.3.2 Phương pháp sắc ký trao đổi ion

Quá trình trao đổi trên cột được thực hiện gián đoạn qua 4 giai đoạn

- Giai đoạn 1: Hoạt hóa cột nhựa: Trong giai đoạn này đầu tiên các vật liệu hấp thu được hoạt hóa bằng cách cho dung môi thích hợp chảy qua Nhiệm vụ của dung môi làm sonvat hóa các nhóm chức và bề mặt vật liệu hấp thu đồng thời loại bỏ không khí nếu có mặt trong cột Để cột nhựa hấp thu hoàn toàn và hiệu suất thu hồi cao thì không để cột bị khô Khi cột bị khô nên tiến hành hoạt hóa lại từ đầu Trong quá trình hoạt hóa cột, nếu cần thiết có thể bước làm sạch cột để loại bỏ các tạp chất

- Giai đoạn 2: Hấp thu: Ở giai đoạn này mẫu phân tích được chảy qua cột với tốc độ thích hợp Chất cần phân tích được giữ lại trên cột còn các chất khác đi ra khỏi cột

- Giai đoạn 3: Rửa cột: Đây là bước loại bỏ các chất gây ảnh hưởng, trong khi vẫn giữ được chất cần phân tích hấp thu trên cột

- Giai đoạn 4: Rửa giải: Đây là bước giải hấp chất bị hấp thu ra khỏi cột bằng dung môi thích hợp Nếu như trong quá trình hấp thu người ta phải lựa chọn nhựa sao cho ái lực chiết với chất cần phân tích mạnh hơn dung dịch mẫu thì trong bước này phải lựa chọn dung môi mà chất phân tích có ái lực với dung môi mạnh hơn với vật liệu hấp thụ, hoặc các chất

có khả năng phá vỡ tương tác giữa chất định phân và vật liệu hấp thu

Tác giả M.teresa Siles Cordero và các cộng sự đã nghiên cứu tách Cr(III) và Cr(VI) bằng phương pháp sắc ký trao đổi ion trong mẫu nước thải Sau khi tách, Cr(III) và Cr(VI) được xác định bằng phương pháp GF-AAS, với giới hạn phát hiện là 0,14 ng/ml(Cr(III)) và 0,08 ng/ml (Cr(VI)) Khoảng tuyến tính tương ứng là 0,3 – 6 ng/ml và 0,4 – 8 ng/ml cho Cr(III) và Cr(VI)[49]

Các tác giả Filik H [34] đã tách và làm giàu Crom(III) trên nhựa Amberlite XAD-2 với 5-palmitoyl-8-hydnoxyquinoline(oxim), thu được giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng là 9,30 và 30,1nmol/l Lượng Crom tổng được xác định bằng cách khử Cr(VI) về Cr(III) bằng H2O2 trong môi trường axit, sau đó cho hấp thu trên nhựa và giải hấp được hàm lượng Crom tổng Lượng Cr(VI) được xác định lấy lượng Crom tổng trừ đi lượng Cr(III) đã

biết Lượng Cr(III) giải hấp ở dạng Cr(VI) và được xác định bằng phương pháp trắc quang với thuốc thử DPC

1.5 Phương pháp xử lý mẫu phân tích [12]

Xử lý mẫu phân tích là quá trình hòa tan và phân hủy cấu trúc ban đầu của mẫu phân tích, giải phóng và chuyển các chất cần xác định về dạng đồng thể phù hợp với phép đo đã chọn để xác định hàm lượng của chất mong muốn Mọi sai sót trong giai đoạn này đều là nguyên nhân tạo ra sai số cho kết quả phân tích như làm mất chất phân tích hay nhiễm bẩn thêm vào

Một số các kỹ thuật đã và đang được sử dụng trong phân tích như: kỹ thuật vô cơ hóa ướt (xử lý ướt), kỹ thuật vô cơ hóa khô (xử lý khô), kỹ thuật vô cơ hóa khô và ướt kết hợp, các kỹ thuật chiết (chiết thông thường, chiết pha rắn, pha khí, siêu âm), các kỹ thuật sắc ký, các kỹ thuật chưng cất (chưng cất thông thường, chưng cất lôi cuốn, chưng cất áp suất thấp),

kỹ thuật thăng hoa lấy chất phân tích Song dù loại nào cũng cần phải đảm bảo yêu cầu của phân tích Đó là:

- Đáp ứng yêu cầu của mức độ phân tích và cấp hàm lượng

- Phù hợp với mỗi loại mẫu, càng đơn giản thì càng tốt

- Không làm mất cũng như làm nhiễm bẩn chất phân tích

- Tính hiệu quả và độ lặp lại cao, có thể thực hiện cho hàng loạt

Tùy thuộc vào các điều kiện trang thiết bị, tùy thuộc vào đối tượng phân tích, tùy thuộc vào mục tiêu phân tích mà ta có thể lựa chọn các loại trang thiết bị và phương pháp

xử lý mẫu cho phù hợp

Chương 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tƣợng và mục tiêu nghiên cứu

2.1.1 Đối tƣợng

Rau xanh là nguồn thực phẩm cần thiết và quan trọng không thể thiếu được trong mỗi bữa ăn hàng ngày, là nguồn cung cấp vitamin, khoáng chất, vi lượng, chất xơ, không thể thay thế được cho cơ thể con người Ngoài ra, rau còn được dùng như một loại thuốc chữa các bệnh thông thường: nước rau má giúp giải nhiệt, rau ngải cứu giúp an thai, rau diếp cá dùng để hạ sốt, rau muống giúp cầm máu Nhưng hiện nay do nhiều nguyên nhân khác nhau mà chủ yếu là việc sử dụng phân bón hoá học, thuốc bảo vệ thực vật, thuốc trừ sâu, diệt cỏ, tưới rau bằng nước thải của các nhà máy, khu công nghiệp đã dẫn đến sự ô nhiễm nguồn đất, nguồn nước và bầu khí quyển Do đó rau xanh có thể bị nhiễm một số kim loại nặng như Cr, Sb, Pb, Hg, Mn, As và các vi sinh vật gây bệnh Nếu con người sử dụng phải sẽ bị ngộ độc có thể gây ra những căn bệnh hiểm nghèo như ung thư sẽ dẫn đến tử vong

Để đảm bảo an toàn thực phẩm thì việc kiểm tra đánh giá và khống chế hàm lượng các kim loại nặng trong sản phẩm là rất cần thiết Nhằm đóng góp vào việc đánh giá chất lượng một loại thực phẩm, bảo vệ sức khỏe con người, trong nghiên cứu này, chúng tôi nghiên cứu xây dựng quy trình phân tích xác định hàm lượng một trong các kim loại độc hại trong mẫu rau, đó là crom(Cr)

Có nhiều phương pháp để xác định hàm lượng các kim loại Tùy thuộc vào hàm lượng chất phân tích mà có thể sử dụng các phương pháp khác nhau Vì hàm lượng kim loại nặng trong thực phẩm rất nhỏ chỉ cỡ ppb nên việc áp dụng phương pháp phổ hấp thụ nguyên

tử không ngọn lửa (GF- AAS) rất phù hợp với đối tượng này Mặt khác phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa cho phép xác định lượng vết với độ chính xác cao, kết quả phân tích ổn định, độ nhạy có thể đạt tới cỡ 0,1ppb; tốn ít mẫu và sai số nhỏ (<15%), có thể tiến hành phân tích hàng loạt nên chúng tôi sử dụng phương pháp này

2.1.2 Các nội dung nghiên cứu

 Khảo sát và chọn các điều kiện phân tích crom phù hợp như: vạch đo phổ nhạy của crom, khe đo của máy phổ hấp thụ nguyên tử, cường độ dòng đèn catot rỗng, nhiệt

độ sấy mẫu, nhiệt độ tro hóa, luyện mẫu và nhiệt độ nguyên tử hóa mẫu

 Nghiên cứu lựa chọn chất cải biến hóa học thích hợp để tạo nền ổn định quá trình tro hóa và nguyên tử hóa mẫu, loại trừ ảnh hưởng của nền mẫu với nguyên tố crom

 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến phép xác định crom bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa (GF-AAS)

 Khảo sát khoảng tuyến tính và xây dựng đường chuẩn

 Xác định giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của phép đo

 Đánh giá sai số và độ lặp lại của phương pháp

 Khảo sát điều kiện xử lý mẫu trong lò vi sóng

 Ứng dụng phương pháp xác định crom trong một số mẫu thực

2.2 Giới thiệu về kỹ thật xử lý mẫu trong lò vi sóng [20]

2.2.2 Cơ chế và các tác nhân phân hủy mẫu

Dưới tác dụng của axit và chất oxi hóa, các hạt (phần tử) mẫu bị phá hủy và hòa tan Bên cạnh đó, tác nhân năng lượng nhiệt làm tan rã các hạt mẫu cùng với axit

Sự khuếch tán đối lưu, chuyển động nhiệt làm tan rã các hạt mẫu và làm cho chúng

2.3 Giới thiệu về phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa AAS)[14,20]

(GF-2.3.1 Nguyên tắc của phương pháp

Khi nguyên tử tồn tại tự do ở thể khí và ở trạng thái cơ bản, nguyên tử không thu hay phát năng lượng Song khi được kích thích bằng một chùm ánh sáng đơn sắc có năng lượng phù hợp, có bước sóng λ trùng với vạch phổ phát xạ đặc trưng của nguyên tố đó, thì chúng

sẽ hấp thụ năng lượng của tia sáng và sinh ra phổ hấp thụ nguyên tử của nó

Trên cơ sở sự xuất hiện của phổ hấp thụ nguyên tử, chúng ta thấy phổ hấp thụ

nguyên tử chỉ được sinh ra khi nguyên tử tồn tại ở trạng thái khí tự do và ở mức năng lượng

cơ bản Vì thế, muốn thực hiện được phép đo phổ hấp thụ nguyên tử của một nguyên tố, cần thực hiện các quá trình sau:

- Chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu (rắn, dung dịch) thành trạng thái hơi

Đó là quá trình hóa hơi mẫu

- Nguyên tử hóa đám hơi đó, phân li các phân tử, tạo ra đám hơi nguyên tử tự do của các nguyên tố cần phân tích trong mẫu để chúng có khả năng hấp thụ bức xạ đơn sắc Đám hơi này là môi trường hấp thụ bức xạ sinh phổ AAS Đây là giai đoạn quan trọng nhất và quyết định đến kết quả của phép đo AAS

- Chiếu chùm sáng có bước sóng phù hợp với nguyên tố cần phân tích vào đám hơi nguyên tử đó Khi đó, nguyên tử cần xác định trong đám hơi đó sẽ hấp thụ bức xạ, tạo ra phổ hấp thụ của nó

- Nhờ một hệ thống máy quang phổ, người ta thu toàn bộ chùm sáng sau khi đi qua môi trường hấp thụ, phân ly chúng thành phổ và chọn một vạch phổ nhạy của nguyên tố cần phân tích để hướng vào khe đo cường độ của nó Cường độ đó chính là tín hiệu hấp thụ của vạch phổ hấp thụ nguyên tử Trong một giới hạn nhất định của nồng độ, giá trị cường độ này phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ C của nguyên tố cần phân tích theo phương trình :

Aλ = k.C Trong đó: Aλ : cường độ của vạch phổ hấp thụ,

k : hằng số thực nghiệm,

C : nồng độ nguyên tố cần phân tích trong mẫu đo phổ

- Thu và ghi lại kết quả đo của cường độ vạch phổ hấp thụ

2.3.2 Hệ trang bị của phép đo AAS

Dựa vào nguyên tắc của phép đo, hệ thống trang thiết bị của máy phổ hấp thụ nguyên

tử gồm các phần sau:

Phần I : Nguồn phát chùm tia bức xạ đơn sắc của nguyên tố cần phân tích

- Đèn catot rỗng (Hollow Cathode Lamp - HCL)

- Đèn phóng điện không điện cực (Electrodeless Discharge Lamp - EDL)

- Đèn phát phổ liên tục đã biến điệu (D2 - Lamp hay Xe - Lamp)

Phần II : Hệ thống nguyên tử hoá mẫu phân tích

Kỹ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa: so với kỹ thuật nguyên tử hoá mẫu bằng ngọn lửa đèn khí, kỹ thuật này ra đời sau cùng với phép đo phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa ( GF-AAS), nhưng lại có độ nhạy rất cao đạt đến 0,1ppb và hiện nay đang được ứng dụng rất phổ biến Kỹ thuật nguyên tử hoá mẫu không ngọn lửa là quá trình nguyên tử hoá mẫu tức khắc cuvet graphit chứa mẫu phân tích trong thời gian rất ngắn nhờ nguồn năng lượng của dòng điện có cường độ dòng rất cao (từ 50 đến 600A) và thế thấp (dưới 12V) trong môi trường khí trơ Quá trình nguyên tử hoá xảy ra theo các giai đoạn kế tiếp nhau: sấy khô, tro hoá luyện mẫu, nguyên tử hoá để đo phổ hấp thụ và cuối cùng là làm sạch cuvet Trong đó hai giai đoạn đầu là chuẩn bị cho giai đoạn nguyên tử hoá đạt kết quả tốt Ở giai đoạn nguyên tử hoá mẫu, dưới tác dụng của nguồn năng lượng này, cuvet chứa mẫu phân tích sẽ được nung đỏ ngay tức khắc, mẫu sẽ được hoá hơi và nguyên tử hoá để tạo ra các nguyên tử tự do ở trạng thái hơi có khả năng hấp thụ tia bức xạ đơn sắc tạo ra phổ hấp thụ nguyên tử của nó Kỹ thuật này có độ hấp thụ bức xạ đơn sắc tạo ra phổ hấp thụ nguyên

tử của nó Kỹ thuật này có độ nhạy rất cao, gấp hàng trăm có khi đến hàng nghìn lần phép

đo trong ngọn lửa mà lượng mẫu tiêu tốn ít ( mỗi lần 20- 50μL)

Phần III: Hệ quang học và detector dùng để thu, phân ly toàn bộ phổ của mẫu và chọn vạch phổ hấp thụ cần đo hướng vào nhân quang điện để phát tín hiệu hấp thụ của vạch phổ

Phần IV: Hệ thống hiển thị kết quả đo theo nhiều cách khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp:

- Trang bị đơn giản gồm: các điện kế chỉ năng lượng hấp thụ của vạch phổ, các máy

tự ghi để ghi lại cường độ vạch phổ dưới dạng các pic trên băng giấy

- Trang bị hiện đại gồm: hệ thống bơm mẫu tự động (Auto Sampler), máy tính và phần mềm chuyên dụng điều khiển mọi quá trình làm việc của phép đo và xử lý, chỉ hiện thị kết quả đo màn hình Tuy nhiên, loại trang bị này đắt tiền hơn

Phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử đã và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành khoa học bởi nó có nhiều tính năng ưu việt:

- Độ nhạy và độ chọn lọc cao

- Không cần làm giàu nguyên tố cần xác định

- Các thao tác thực hiện đơn giản, dễ làm, có thể xác định đồng thời hay liên tiếp nhiều nguyên tố trong một mẫu Các kết quả phân tích ổn định, sai số nhỏ (sai số không quá 15%)

2.4 Trang thiết bị, dụng cụ và hoá chất

2.4.1 Trang thiết bị

Để phục vụ cho quá trình xử lý mẫu sinh học, chúng tôi sử dụng lò vi sóng Q45 Envioprep (Canada) Các thông số đặt vào lò có ba chế độ điều khiển theo công suất, theo chương trình nhiệt độ, theo chương trình áp suất với áp suất tối đa có thể đặt vào là 200psi, nhiệt độ tối đa là 2000C, công suất tối đa khuyến cáo là 80% công suất của máy (1500)

Để xác định lượng vết Cr bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa (GF-AAS), chúng tôi sử dụng hệ thống máy quang phổ hấp thụ và phát xạ nguyên

tử Model AA 6800 (hãng Shimadzu, Nhật) Nguồn tạo tia đơn sắc là đèn catot rỗng (HCL), lấy mẫu tự động ASC-6100 (hãng Shimadzu, Nhật), khí trơ được dùng là khí Ar (tinh khiết 99,99%)

Hình 2.1 - Hệ thống máy quang phổ hấp thụ nguyên tử Model AA 6800

Hình 2.2 - Bộ phận nguyên tử hoá chứa cuvet graphit

Hình 2.3 - Bộ phận lấy mẫu tự động ASC - 6100 2.4.2 Hoá chất và dụng cụ

- Dung dịch chuẩn Cr(VI) cho AAS, Meck 1000mg/l

- Dung dịch gốc các cation kim loại để nghiên cứu ảnh hưởng

- Lọ đựng mẫu : 15, 50, 100 (ml)

Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1.Tối ưu hóa các điều kiện xác định Crom bằng phương pháp GF-AAS

Đối với một quá trình phân tích muốn đạt kết quả tốt thì việc nghiên cứu tối ưu hóa các thông số đo phù hợp với phép phân tích định lượng một nguyên tố hóa học là một công việc hết sức cần thiết và quan trọng trong kỹ thuật AAS

Qua khảo sát sơ bộ, chúng tôi chọn những điều kiện sau để tiến hành tối ưu hóa các thông số máy và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng:

Dung dịch Cr: 5,0 ppb trong HNO3 2%, chất cải biến hóa học (NH4)H2PO4 0,01% Thể tích mẫu hút mỗi lần: 20μl

Chế độ đo: đo độ hấp thụ quang tính theo chiều cao pic

3.1.1 Khảo sát chọn vạch đo

Mỗi nguyên tử của một nguyên tố hóa học chỉ có thể hấp thụ được bức xạ có bước sóng đúng bằng bước sóng nó phát ra trong quá trình phát xạ Phổ hấp thụ của nguyên tố là phổ vạch Với một nguyên tố, những vạch phổ khác nhau thì độ hấp thụ khác nhau Việc chọn vạch đo không chỉ có ý nghĩa để tìm được vạch phổ có độ hấp thụ cao nhất mà còn phải phù hợp với mục đích nghiên cứu và tránh được vạch phổ của các nguyên tố khác gây ảnh hưởng

Crom có các vạch phổ dặc trưng là : 357,9nm và 359,3nm; 360,5nm

Kết quả khảo sát các vạch phổ đặc trưng của crom đối với dung dịch crom có nồng

độ 5,0ppb trong HNO3 2%, (NH4)H2PO4 0,01% được trình bày trong bảng 3.1:

Bảng 3.1 - Khảo sát chọn vạch đo phổ của crom

Vạch phổ

(nm) Abs- lần 1 Abs - lần 2 Abs-lần 3 Abs- TB RSD(%)

359,3 0,2069 0,2102 0,2030 0,2076 4,87 360,5 0,1194 0,1169 0,1006 0,1123 5,04

Kết quả khảo sát cho thấy tại vạch phổ Cr 357,9nm có độ chính xác và độ lặp lại cao nhất Do đó, chúng tôi chọn vạch đo phổ của Cr là 357,9nm làm vạch phân tích

3.1.2 Khảo sát chọn cường độ dòng đèn catot rỗng (HCL)

Độ hấp thụ của vạch phổ nguyên tố phân tích phụ thuộc nhiều vào cường độ chùm tia

do đèn HCL phát ra Ta có thể thay đổi cường độ chùm tia phát xạ thông qua việc thay đổi cường độ dòng điện làm việc của đèn Khi cường độ của dòng đèn HCL thấp, phép phân tích sẽ có độ nhạy cao nhưng độ ổn định kém Ngược lại, khi cường độ dòng đèn cao thì độ nhạy giảm, độ ổn định cao Mỗi đèn HCL đều có dòng điện giới hạn cực đại (Imax) riêng được ghi trên vỏ đèn Lý thuyết và thực nghiệm cho thấy, sử dụng đèn với cường độ từ 40%- 90% cường độ cực đại là tốt nhất

Do đó, phải chọn một giá trị cường độ dòng đèn tối ưu và duy trì trong suốt quá trình thực nghiệm

Với đèn HCL của Cr có Imax = 20mA, chúng tôi khảo sát cường độ dòng điện qua đèn

có giá trị từ 40% đến 90% giá trị của Imax với dung dịch Cr 5,0ppb trong HNO3 2%, (NH4)H2PO4 0,01% Kết quả khảo sát cường độ dòng đèn catốt rỗng được đưa ra ở trong bảng 3.2

Từ kết quả thực nghiệm ở bảng 3.2 cho thấy cường độ dòng đèn HCL bằng 10

mA (50% Imax) cho kết quả độ nhạy và độ ổn định cao Do đó, chúng tôi chọn cường độ dòng đèn HCL là 10mA

3.1.3 Khảo sát chọn độ rộng khe đo (slit width)

Chùm tia phát xạ cộng hưởng của nguyên tố phân tích phát ra từ đèn catốt rỗng, sau khi đi qua môi trường hấp thụ sẽ được hướng vào khe đo của hệ thống đơn sắc Trong hệ thống này, chùm tia sáng được chuẩn trực và phân ly, sau đó chỉ một vạch phổ cần đo hướng vào khe đo của bộ đơn sắc Vạch phổ này tác dụng lên nhân quang điện sinh ra tín hiệu của cường độ vạch phổ hấp thụ Do đó, khe đo phải được chọn phù hợp cho từng vạch phổ sao cho tín hiệu đủ nhạy, đạt độ ổn định cao và lấy được toàn bộ pic phổ, loại bỏ được

sự chen lấn vạch phổ của các nguyên tố khác ở hai bên vạch phổ nghiến cứu

Đối với máy phổ hấp thụ nguyên tử Model AA 6800, chúng tôi khảo sát các khe đo là: 0,2; 0,5; và 1,0; 2,0 (nm)

Kết quả khảo sát độ rộng khe đo với dung dịch Cr 5,0 ppb trong HNO3 2% (NH4)H2PO4 0,01%, được đưa ra trong bảng 3.3:

Bảng 3.3 - Khảo sát độ rộng khe đo

3.1.4 Khảo sát các điều kiện nguyên tử hoá mẫu

Nguyên tử hoá mẫu là quá trình quan trọng nhất trong phép đo AAS, thực hiện không tốt quá trình này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả của phép đo

Quá trình nguyên tử hóa của kỹ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa xảy ra theo các giai đoạn sau : sấy mẫu, tro hoá luyện mẫu, nguyên tử hoá để đo độ hấp thụ, ngoài ra sau các giai đoạn này là làm sạch cuvet Hai giai đoạn đầu là chuẩn bị cho giai đoạn nguyên tử hoá đạt kết quả tốt

3.1.4.1 Khảo sát nhiệt độ sấy

Đây là giai đoạn đầu tiên của quá trình nguyên tử hoá mẫu Nó rất cần thiết để đảm bảo cho dung môi hoà tan mẫu bay hơi nhẹ nhàng và hoàn toàn, nhưng không làm bắn, mất mẫu Nhiệt độ và thời gian sấy khô của mỗi loại mẫu phụ thuộc vào bản chất của các chất ở trong mẫu và dung môi hoà tan của nó Nói chung nhiệt độ sấy khô phù hợp đối với đa số các mẫu vô cơ trong dung môi nước từ khoảng 1000C đến 1500C, trong thời gian 25 trong

40 giây, với lượng mẫu bơm vào nhỏ hơn 100μl Việc tăng nhiệt độ sấy ở nhiệt độ phòng đến nhiệt độ sấy mong muốn cần được thực hiện từ từ, với tốc độ gia nhiệt từ 50C/ giây , đến 80C/giây là phù hợp, chúng tôi thực hiện quá trình sấy qua ba bước :

Bước 1: Nhiệt độ1500C trong 20 giây, nhiệt độ tăng tuyến tính theo thời gian; Bước 2: Nhiệt độ 2500C trong 10 giây, nhiệt độ tăng tuyến tính theo thời gian;

3.1.4.2 Khảo sát nhiệt độ tro hoá luyện mẫu

Đây là giai đoạn thứ hai của quá trình nguyên tử hoá mẫu Mục đích của giai đoạn này là để tro hoá (đốt cháy) các hợp chất hữu cơ và mùn có trong mẫu sau khi đã sấy khô, đồng thời nung luyện mẫu ở một nhiệt độ thuận lợi cho giai đoạn nguyên tử hoá đạt hiệu suất cao và ổn định Nếu chọn nhiệt độ tro hoá quá cao, một số hợp chất có thể bị phân huỷ mất trong giai đoạn này Mỗi nguyên tố đều có nhiệt độ tro hoá tới hạn, nếu tro hoá mẫu ở nhiệt độ cao hơn thì có thể làm mất chất phân tích do đó độ hấp thụ quang giảm và không

ổn định Tuy nhiên, cũng không nên tro hoá ở nhiệt độ quá thấp so với nhiệt độ giới hạn, vì như thế sẽ không tốt cho giai đoạn nguyên tử hoá tiếp theo

Thực nghiệm chỉ ra rằng, chỉ nên tro hoá mẫu ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ giới hạn

từ 30 - 500C hoặc cao nhất là đúng nhiệt độ giới hạn