Xác định hàm lượng một số kim loại nặng trong rau xanh ở thành phố hà nội bằng phương pháp PIXE

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - - Phùng Khắc Nam Hồ XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TRONG RAU XANH Ở THÀNH PHỐ HÀ NỘI BẰNG PHƢƠNG PHÁP PIXE LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - - Phùng Khắc Nam Hồ XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TRONG RAU XANH Ở THÀNH PHỐ HÀ NỘI BẰNG PHƢƠNG PHÁP PIXE Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Bùi Văn Loát Hà Nội - 2016 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành Luận văn này, trƣớc tiên em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS TS Bùi Văn Loát, TS Nguyễn Thế Nghĩa, CN Bùi Thị Hoa tận tình truyền đạt kiến thức, tạo điều kiện thuận lợi để em tiến hành thực nghiệm hoàn thành Luận văn Em chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Bộ môn Vật lý hạt nhân, quý Thầy Cô khoa Vật lý Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên tận tình truyền đạt kiến thức năm em học tập Với vốn kiến thức đƣợc tiếp thu trình học tập không tảng cho trình nghiên cứu Luận văn mà hành trang quý báu để em bƣớc vào đời cách vững tự tin Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý, phòng Sau đại học, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên quan tâm, tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành Luận văn Qua em xin gửi lời cảm ơn tới nguời thân gia đình, bạn bè, đồng nghiệp chia sẻ với em buồn vui sống, ủng hộ giúp đỡ em để em thực tốt Luận văn Cuối em kính chúc quý Thầy Cô dồi sức khỏe, thành công nghiệp trồng nguời cao quý Dù có nhiều cố gắng, xong thời gian hạn chế nên Luận văn khó tránh khỏi thiếu xót hạn chế Em mong nhận đuợc bảo quý Thầy Cô đóng góp ý kiến tất bạn Em xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, ngày 30 tháng 11 năm 2016 Học viên PHÙNG KHẮC NAM HỒ MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG - TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung rau xanh 1.1.1 Đặc điểm rau xanh 1.1.2.Tiêu chí rau an toàn 1.1.3 Các yếu tố gây ô nhiễm cho rau .4 1.2 Cơ sở lý thuyết phƣơng pháp phân tích PIXE .4 1.2.1.Tia X đặc trƣng Cơ chế phát tia X đặc trƣng gây chùm hạt 1.2.2 Hiệu ứng Auger hiệu suất huỳnh quang 1.2.2.1 Hiệu ứng Auger 1.2.2.2 Hiệu suất huỳnh quang .8 1.2.3 Năng suất hãm .10 1.2.4 Tiết diện ion hóa 11 1.2.5 Suất lƣợng tia X đặc trƣng 13 1.2.6 Các phƣơng pháp phân tích định lƣợng .16 1.2.7 Nguồn gốc phông giới hạn phát 19 1.2.7.1 Nguồn gốc phông .19 1.2.7.2 Giới hạn phát 21 CHƢƠNG - ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 23 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu 23 2.2 Thiết bị hệ phân tích PIXE 23 2.2.1 Máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron .23 2.2.1.1 Nguồn ion 24 2.2.1.2 Buồng gia tốc 24 2.2.1.3 Các hệ thống phụ trợ 25 2.2.2 Buồng phân tích bố trí thí nghiệm 25 2.3 Phân tích mẫu dày kỹ thuật PIXE 27 i 2.3.1 Chuẩn bị mẫu 27 2.3.2 Tiến hành phép đo .29 2.3.3 Ghi nhận phổ 29 2.3.4 Phân tích phổ xử lý số liệu .30 CHƢƠNG - KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 35 3.1 Xác định hệ số chuẩn H 35 3.2 Đánh giá độ xác phƣơng pháp phân tích PIXE mẫu dày (TTPIXE) .36 3.3 Đánh giá độ đồng mẫu độ lặp phép đo 39 3.4 Kết phân tích số mẫu rau xanh Hà Nội 43 KẾT LUẬN 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 PHỤ LỤC 57 ii DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ tạo lỗ trống (a) phát xạ tia X đặc trƣng (b) bắn phá proton Hình 1.2 Sơ đồ tia X đặc trƣng Hình 1.3 Quá trình phát electron Auger Hình 1.4 Tiết diện ion hóa vành K vành L theo lƣợng 11 Hình 1.5 Các tiết diện ion hóa vạch K, L (ECPSSR) M(CPWBA) nhƣ hàm lƣợng ion tới (E/U) hạt tới proton U (keV) lƣợng biên hấp thụ nguyên tử bia 12 Hình 1.6 Mỗi quan hệ khác diện tích tiết diện chùm tia mẫu PIXE 14 Hình 1.7 Hình học chung cho phân tích mẫu dày TTPIXE 15 Hình 1.8 Sự đóng góp tƣơng đối xạ QFEB, SEB, AB vào phông xạ hãm electron 20 Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo hệ máy gia tốc5SDH-2 Pelletron 23 Hình 2.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 25 Hình 2.3 Buồng phân tích PIXE 26 Hình 2.4 Cửa sổ ghi nhận số liệu phần mềm RC43 30 Hình 2.5 Giao diện chƣơng trình GUPIX 31 Hình 3.1 Phổ PIXE làm khớp mẫu chuẩn NIST-611: a) Phổ phép chiếu proton lƣợng thấp; b) Phổ phép chiếu proton lƣợng cao 37 Hình 3.2 Khuôn chứa mẫu loại mẫu rau (M6) 39 Hình 3.3 Hàm lƣợng nguyên tố bốn mẫu M6 giá trị trung bình qua lần đo thứ 41 Hình 3.4 Hàm lƣợng nguyên tố bốn mẫu M6 giá trị trung bình qua lần đo thứ hai 42 iii Hình 3.5 Hệ số biến thiên hàm lƣợng nguyên tố mẫu M6 qua hai lần đo 42 Hình 3.6 Hệ số biến thiên hàm lƣợng nguyên tố qua hai lần đo mẫu: M6-1, M6-2, M6-3,M6-4 43 Hình 3.7 Phổ PIXE sau làm khớp mẫu M 1: a) Phổ phép đo lƣợng thấp; b) Phổ phép đo lƣợng cao 46 iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các hệ số Bi công thức tính hiệu suất huỳnh quang vạch Kvà vạch L 10 Bảng 1.2 Các hệ số công thức (1.16) 13 Bảng 2.1 Thông tin mẫu đo 28 Bảng 3.1 File HED vạch K (trong phép chiếu proton lƣợng thấp - 835 keV) 35 Bảng 3.2 File HED vạch K (trong phép chiếu proton lƣợng cao - 2619 keV) 36 Bảng 3.3 File HED vạch L (trong phép chiếu proton lƣợng cao 2619 keV) 36 Bảng 3.4 Kết phân tích mẫu chuẩn NIST-611, so sánh với giá trị chuẩn 38 Bảng 3.5 Đánh giá độ đồng mẫu thông qua hàm lƣợng số nguyên tố mẫu M6 (đơn vị hàm lƣợng: ppm) 40 Bảng 3.6 So sánh hàm lƣợng nguyên tố mẫu M6-1 qua hai lần đo (đơn vị hàm lƣợng: ppm) 44 Bảng 3.7 So sánh hàm lƣợng nguyên tố mẫu M6-2 qua hai lần đo (đơn vị hàm lƣợng: ppm) 44 Bảng 3.8 So sánh hàm lƣợng nguyên tố mẫu M6-3 qua hai lần đo (đơn vị hàm lƣợng: ppm) 45 Bảng 3.9 So sánh hàm lƣợng nguyên tố mẫu M6-4 qua hai lần đo (đơn vị hàm lƣợng: ppm) 45 Bảng 3.10 Kết phân tích mẫu M1 47 Bảng 3.11 Hàm lƣợng kim loại nặng mẫu rau muống tƣơi 48 Bảng 3.12 Hàm lƣợng kim loại nặng mẫu rau cải bắp tƣơi 48 Bảng 3.13 Hàm lƣợng kim loại nặng mẫu rau cải xanh tƣơi 49 Bảng 3.14 Giá trị RfD cho số kim loại nặng 50 Bảng 3.15 Giá trị HQ rau muống 51 Bảng 3.16 Giá trị HQ rau cải bắp 51 Bảng 3.17 Giá trị HQ rau cải xanh 51 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TT Từ viết tắt Giải thích tiếng Anh AAS Atomic AbsorptionSpectroscopy Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử AB Atomic Bremsstrahlung Bức xạ hãm nguyên tử AES Atomic Emission Spectroscopy Phƣơng pháp phổ phát xạ nguyên tử Inductively Coupled Phƣơng pháp phổ khối Plasma Mass Spectrometry plasma cao tần cảm ứng Integrated Risk Information System Hệ thống thông tin rủi ro tích hợp Food and Agriculture Tổ chức Lƣơng thực Organization of the Nông nghiệp Liên United Nations Hiệp Quốc ICP-MS IRIS FAO Giải thích tiếng Việt FWHM Full Width at Hafl Maximum Độ rộng toàn phần nửa chiều cao cực đại GUPIX Guelph Pixe Group Phần phềm phân tích phổ LOD Limit Of Detection Giới hạn phát 10 MCA Multi Channel Analyzer Máy phân tích đa kênh 11 QFEB Quasi-Free Electron Bremsstrahlung Bức xạ hãm electron hầu nhƣ tự 12 PIXE Partical Induced X-ray Emission Phƣơng pháp phân tích phát xạ tia X kích thích chùm hạt 13 PVAC Polyvinyl Acetate Nhựa polyvinyl axêtát vi 14 PWBA 15 RF 16 SEB 17 SNICS 18 TTPIXE 19 US-EPA 20 WHO Plane Wave Born Approximation Lý thuyết gần Radio Frequency Nguồn tạo ion từ dao động cao tần Secondary Electron Bức xạ hãm electron Bremsstrahlung thứ cấp Soure of Negative Ions Nguồn tạo ion âm by Cecium Sputtering phún xạ Cecium Thick target Partical Phƣơng pháp phân tích mẫu dày phát xạ tia X Induced X-ray Emission UnitedStates Environmental Protection Agency World Health Organization vii kích thích chùm hạt Cơ quan bảo vệ Môi trƣờng Mỹ Tổ chức y tế giới Luận văn thạc sĩ Phùng Khắc Nam Hồ giá Đây số đánh giá nguy hại đến sức khỏe ngƣời tích lũy kim loại nặng tiêu thụ loại rau có chứa kim loại nặng [9] Chỉ số đƣợc tính nhƣ sau: 𝐻𝑄 = 𝐴𝐷𝐷 (3.3) 𝑅𝑓𝐷 đó: 𝐴𝐷𝐷 = 𝐷𝐼 𝐶𝑡ươ𝑖 (3.4) 𝑊 HQ- số nguy hại tích lũy kim loại nặng qua đƣờng ăn loại rau ADD- liều lƣợng kim loại nặng trung bình hàng ngày (mg.kg-1.d-1) W- khối lƣợng đối tƣợng tiêu thụ rau Ctƣơi- hàm lƣợng kim loại nặng mẫu tƣơi (mg.kg-1) DI- lƣợng rau trung bình ăn hàng ngày (kg.d-1) RfD - liều lƣợng tham khảo (mg.kg-1.d-1), đƣợc xác định lƣợng cực đại kim loại cụ thể đƣợc phép đƣa vào thể hàng ngày mà không gây tác hại cho ngƣời Nếu ADD>RfD, tức HQ>1, kim loại có nguy tiềm ẩn gây tác hại sức khỏe ngƣời Mốt số giá trị RfD cho số kim loại nặng nêu bẳng 3.14 Bảng 3.14 Giá trị RfD cho số kim loại nặng [6, 18] Kim loại nặng US-EPA, IRIS 2011, 2012 Mn 1.40E-01 Fe 7.00E-01 Ni 2.00E-2 Hệ số HQ cho mẫu rau kim loại Mn, Fe, Ni đƣợc tính áp dụng cho đối tƣợng ngƣời trƣởng thành (Nam: cân nặng trung bình 53 kg, lƣợng rau tiêu thụ hàng ngày 204.32 g/ngƣời/ngày; Nữ: cân nặng trung bình 47.1 kg, lƣợng rau tiêu thụ hàng ngày 198.06 g/ngƣời/ngày, theo điều tra Viện Dinh dƣỡng 50 Luận văn thạc sĩ Phùng Khắc Nam Hồ Việt Nam [4]) Các giá trị HQ đƣợc trình bày Bảng 3.15, Bảng 3.16, Bảng 3.17 Bảng 3.15 Giá trị HQ rau muống Giá trị HQ STT Nguyên M3 tố M6 M9 Nam Nữ Nam Nữ Nam Nữ Mn 0.647 0.706 0.286 0.312 0.622 0.679 Fe 0.0335 0.0366 0.136 0.148 0.0892 0.0973 Ni 0.214 0.233 0.0603 0.0658 0.0546 0.0595 Bảng 3.16 Giá trị HQ rau cải bắp Giá trị HQ STT Nguyên M2 tố M5 M8 Nam Nữ Nam Nữ Nam Nữ Mn 0.0895 0.0976 0.0275 0.0300 0.0264 0.0288 Fe 0.0164 0.0179 0.0161 0.0175 0.0510 0.0556 Ni 0.123 0.134 0.0106 0.0116 0.0281 0.0307 Bảng 3.17 Giá trị HQ rau cải xanh Giá trị HQ STT Nguyên M1 tố M4 M7 Nam Nữ Nam Nữ Nam Nữ Mn 0.0884 0.0964 0.106 0.116 0.0532 0.0580 Fe 0.0821 0.0895 0.0276 0.0301 0.148 0.161 51 Luận văn thạc sĩ Phùng Khắc Nam Hồ Từ kết thấy Mn, Fe, Ni tất mẫu rau (với đối tƣợng tiêu thụ rau ngƣời trƣởng thành nam nữ ) cho giá trị HQ