Phân tích hàm lượng kim loại nặng trong cây diệp minh châu

Dự đoán Ni có vai trò xúc tác cho một số phản ứng sinh học trong cơ thể liên quan tới các hoócmôn có chức năng điều hòa hoạt động của chất prolactin đối với tuyến yên, tăng cường tác dụn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

ĐÀO MINH HUÂN

PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG KIM LOẠI NẶNG

TRONG CÂY DIỆP MINH CHÂU

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN - 2017

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

ĐÀO MINH HUÂN

PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG KIM LOẠI NẶNG

TRONG CÂY DIỆP MINH CHÂU

Chuyên ngành: Hóa phân tích

Mã số: 60 44 01 18

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS.Vương Trường Xuân

THÁI NGUYÊN - 2017

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ, chuyên ngành Hóa phân tích, Khoa Hóa Học - Trường Đại học Khoa Học - Đại học Thái Nguyên, em đã nhận được sự ủng hộ, giúp đỡ của các thầy cô giáo, các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình

Đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo TS Vương Trường Xuân đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm quý báu để em có thể hoàn thành luận văn này

Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy giáo, cô giáo Khoa Hóa học, các thầy cô trong Ban Giám hiệu trường Đại học Khoa Học - Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ em trong quá trình học tập và nghiên cứu

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến ThS Trịnh Đức Cường cùng các anh chi ̣ trong phòng phân tích môi trường trung tâm quan trắc môi trường tỉnh Thái Nguyên, đã luôn đô ̣ng viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm thực nghiê ̣m

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu của bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể còn nhiều thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn!

Thái nguyên, nga ̀ y 5 tháng 6 năm 2017

Ho ̣c viên

Đào Minh Huân

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN a MỤC LỤC b DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT e DANH MỤC BẢNG f DANH MỤC HÌNH g

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu chung về cây Diệp Minh Châu 3

1.1.1 Đặc điểm và thành phần 3

1.1.2 Phân bố, sinh thái 4

1.1.3 Công dụng của cây Diệp Minh Châu 4

1.2 Trạng thái tự nhiên, một vài tính chất và vai trò sinh học của Coban, Crom, Cadimi, Mangan, Niken 6

1.2.1.Trạng thái thiên nhiên của các nguyên tố Cadimi, Coban, Crom, Mangan, Niken 6

1.2.2 Một vài tính chất và ứng dụng của Cadimi, Coban, Crom, Mangan, Niken 7

1.2.3 Vai trò sinh học của Cadimi, Coban, Crom, Mangan, Niken 11

1.2.4 Giới hạn tối đa cho phép các kim loại trong thực phẩm 15

1.3 Các phương pháp xác định Cadimi, Coban, Crom, Mangan, Niken 16 1.3.1 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS 16

1.3.2 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS 17

1.3.3 Phương pháp quang phổ phát xạ plasma cảm ứng (ICP-OES) 18

1.3.4 Phương pháp phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS) 18

1.4 Các phương pháp xử lý mẫu 24

1.4.1 Phương pháp vô cơ hóa 25

1.4.2 Phương pháp chiết 27

1.4.3 Phương pháp pha loãng mẫu bằng dung môi thích hợp 28

1.4.4 Phương pháp điện phân 28

1.4.5 Phương pháp phân hủy mẫu bằng lò vi sóng 28

1.5 Thiết bị phân hủy mẫu và phân tích mẫu 30

1.5.1 Thiết bị phân hủy mẫu 30

1.5.2 Thiết bị phân tích mẫu 31

Chương 2 THỰC NGHIỆM 33

2.1 Đối tượng nghiên cứu 33

2.2 Nội dung nghiên cứu 33

2.3 Phương pháp nghiên cứu 33

2.3.1 Phương pháp nghiên cứu tài liệu 33

2.3.2 Phương pháp nghiên cứu xây dựng quy trình phân tích kim loại nặng trong cây Diệp Minh Châu trên thiết bị ICP-MS 33

2.3.3 Phương pháp xử lý số liệu 34

2.4 Hóa chất, dụng cụ 34

2.4.1 Hóa chất 34

2.4.2 Dụng cụ 34

2.5 Phương pháp lấy mẫu xử lí mẫu sơ bộ và phá mẫu 34

2.5.1 Lấy mẫu 34

2.5.2 Quy trình xử lí mẫu sơ bộ 35

2.5.3 Quy trình phá mẫu bằng lò vi sóng 35

2.6 Xây dựng đường chuẩn của các nguyên tố Cd, Co, Cr, Mn, Ni 36

2.6.1 Pha hóa chất 36

2.6.2 Xây dựng đường chuẩn 36

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38

3.1 Các điều kiện đo phổ khối nguyên tử của Cd, Co, Cr, Mn, Ni 38

3.2 Khoảng tuyến tính, đường chuẩn, xác định giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) của Cd, Co, Cr, Mn, Ni 38

3.2.1 Đường chuẩn, giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của Cadimi 39 3.2.2 Đường chuẩn, giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của Coban 40 3.2.3 Đường chuẩn, giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của Crom 40 3.2.4 Đường chuẩn, giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của Mangan 41 3.2.5 Đường chuẩn, giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của Niken 42 3.3 Thực nghiệm đo phổ và tính toán kết quả 43 3.3.1 Phương pháp xử lí kết quả phân tích theo phương pháp đường chuẩn 43 3.3.2 Đánh giá độ thu hồi 44 3.3.3 Kết quả xác định hàm lượng Cadimi, Coban, Crom, mangan, Niken trong các mẫu lá khô 45

KẾT LUẬN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AAS : Phổ hấp thụ nguyên tử

AES : Phổ phát xạ nguyên tử

F-AAS : Phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa

GF-AAS : Phổ hấp thụ nguyên tử lò graphit

ICP : Nguồn plasma cao tần cảm ứng

ICP-AES : Phổ phát xạ nguyên tử nguồn plasma cao tần cảm ứng

ICP-MS : Phổ khối nguyên tử nguồn plasma cao tần cảm ứng

ICP-OES : Phổ phát xạ quang học nguyên tử nguồn plasma cao tần cảm ứng LOD : Giới hạn phát hiện của phương pháp

LOQ : Giới hạn định lượng của phương pháp

ppb : Một phần tỉ

ppm : Một phần triệu

QCVN : Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia Việt Nam

RSD : Độ lặp lại tương đối (Relative Standard Deviation)

UV-VIS : Phương pháp trắc quang (Ultraviolet Visible Spectrometry) WHO : Tổ chức Y tế Thế giới (World Health Organization)

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Một số đặc điểm của các nguyên tố Coban, Crom, Cadimi,

Mangan, Niken 10

Bảng 1.2 Giới hạn cho phép của một số kim loại nặng trong thực vật 16

Bảng 1.3 Giới hạn rủi ro đối với một số kim loại nặng 16

Bảng 1.4 So sánh khả năng phát hiện của các kỹ thuật phân tích 23

Bảng 2.1 Thời gian, địa điểm lấy và kí hiệu các mẫu Diệp Minh Châu 34

Bảng 2.2 Thể tích các dung dịch cần lấy 36

Bảng 3.1 Các thông số tối ưu cho máy đo ICP-MS 38

Bảng 3.2 Khoảng nồng độ khảo sát và kết quả khảo sát tuyến tính các nguyên tố 38

Bảng 3.3 Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) của các nguyên tố 42

Bảng 3.4 Kết quả đo và độ thu hồi của các nguyên tố 44

Bảng 3.5 Kết quả xác định hàm lượng Cadimi trong mẫu lá khô 45

Bảng 3.6 Kết quả xác định hàm lượng Coban trong mẫu lá khô 45

Bảng 3.7 Kết quả xác định hàm lượng Crom trong mẫu lá khô 45

Bảng 3.8 Kết quả xác định hàm lượng Mangan trong mẫu lá khô 46

Bảng 3.9 Kết quả xác định hàm lượng Niken trong mẫu lá khô 46

Bảng 3.10 Kết quả xác định hàm lượng Cadimi trong mẫu dịch chiết 46

Bảng 3.11 Kết quả xác định hàm lượng Coban trong mẫu dịch chiết 47

Bảng 3.12 Kết quả xác định hàm lượng Crom trong mẫu dịch chiết 47

Bảng 3.13 Kết quả xác định hàm lượng Mangan trong mẫu dịch chiết 47

Bảng 3.14 Kết quả xác định hàm lượng Niken trong mẫu dịch chiết 48

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Cây Diệp Minh Châu 6

Hình 1.2 Ứng dụng phương pháp phân tích ICP-MS trong các lĩnh vực 21

Hình 1.3 Du ̣ng cu ̣ phân hủy mẫu 30

Hi ̀nh 1.4 Thiết bi ̣ lò vi sóng 30

Hình 1.5 Hình ảnh máy ICP - MS (ELAN 9000) 31

Hình 1.6 Hệ trang bị ICP-MS 31

Hình 3.1 Đường chuẩn của Cd 39

Hình 3.2 Đường chuẩn của Co 40

Hình 3.3 Đường chuẩn của Cr 40

Hình 3.4 Đường chuẩn của Mn 41

Hình 3.5 Đường chuẩn của Ni 42

Hình 3.6 Biểu đồ thể hiện hàm lượng các kim loại trong các mẫu phân tích 49

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây việc sử dụng dược liệu vào mục đích bảo vệ sức khỏe con người đang ngày một gia tăng, trong đó sử dụng cây thuốc nam đang được nhiều người quan tâm sử dụng vì thuốc nam có nguồn gốc tự nhiên, sử dụng theo kinh nghiệm dân gian, an toàn, ít có tác dụng phụ

Hiện nay việc sử dụng cây Diệp Minh Châu (Phyllanthus amarus Schum.et) vào việc chữa trị các bệnh về gan, bệnh về thận, bệnh về đường tiết liệu, đường ruột được nhiều người sử dụng và có hiệu quả Cây Diệp Minh Châu được dùng trong y học cổ truyền Thái Lan trị bệnh vàng da Ở Ấn Độ dùng để sát khuẩn, lợi tiểu, vàng da, lỵ, phù, đái tháo đường Ở Peru nhân dân sắc nước, làm thuốc lợi tiểu, trị sỏi mật, sỏi thận Ở một số nước Nam Mỹ dùng trị sốt rét, sỏi niệu, sỏi bàng quang Ở Haiti sắc lá làm nước uống trị sốt Từ đảo Hải Nam đến Inđonesia nhân dân dùng để sắc nước chữa bệnh về gan, thận, trị bệnh hoa liễu, long đờm cho trẻ

em, hạ sốt Song ngày nay môi trường đang chịu ảnh hưởng nghiêm trọng bởi sự gia tăng phế thải chưa được xử lí đều đưa trực tiếp vào môi trường đất, nước, không khí làm cho môi trường ngày càng bị ô nhiễm Cây Diệp Minh Châu có thể bị nhiễm một số kim loại nặng từ môi trường đó Vì vậy chúng ta không chỉ quan tâm nghiên cứu các chất có hoạt tính sinh học sử dụng làm thuốc mà cần phải quan tâm nghiên cứu và kiểm tra khống chế các chất có hại đặc biệt là các kim loại nặng (Cd,

Co, Cr, Mn, Ni, ) ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của con người trong khi sử dụng sản phẩm

Xuất phát từ yêu cầu thực tế và tính cấp thiết đó nhằm góp phần vào công tác đảm bảo chất lượng cây thuốc nam em chọn và thực hiện đề tài: “Xác định hàm lượng kim loại nặng trong cây Diệp Minh Châu bằng phương pháp ICP- MS”

Dựa trên những kết quả thu được bước đầu nhận xét đánh giá về sự phân bố khả năng gây độc của kim loại nặng (Cd, Co, Cr, Mn, Ni ) trong cây Diệp Minh Châu từ đó có thể đề xuất biện pháp làm giảm thiểu ô nhiễm

Nội dung chính của luận văn gồm những phần sau:

- Nghiên cứu và lựa chọn các điều kiện tối ưu trong quá trình xử lý mẫu để định lượng các kim loại nặng trong cây Diệp Minh Châu

- Nghiên cứu và lựa chọn các điều kiện tối ưu trên thiết bị ICP-MS để kết quả phân tích nồng độ kim loại nặng trong cây Diệp Minh Châu đạt độ chính xác cao bằng phương pháp ICP-MS

- Đưa ra quy trình phân tích kim lọai nặng trên thiết bị ICP-MS

- Áp dụng phân tích một số đối tượng mẫu thực tế

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung về cây Diệp Minh Châu

1.1.1 Đặc điểm và thành phần

1.1.1.1 Đặc điểm

Tên khoa học: Phyllanthus amarus Schum.et thuộc họ thầu dầu

Tên gọi khác: Chó đẻ răng cưa, Me đất đắng, Trân châu thảo, Diệp hòe thái

Là cây thân thảo sống một năm (đôi khi lâu năm), mọc thẳng hay nằm bò, cao tới

80 cm, thân cây tạo nhiều nhánh ở gần gốc, các nhánh nằm sóng soài hay thẳng, có cánh, có lông cứng dọc theo một bên Các lá xếp thành hai dãy, các lá kèm hình trứng-mũi mác, khoảng 1,5 mm, gốc lá kèm có tai dễ thấy, cuống lá kèm rất ngắn, phiến lá mỏng như giấy, thuôn dài hay thuôn dài - trứng ngược hoặc gần như thẳng, đôi khi hơi cong hình lưỡi liềm, kích thước 4-10 x 2-5 mm, phần xa trục màu lục xám hoặc nhợt nhạt, hoặc đôi khi nhuốm màu ánh đỏ, phần gần trục màu lục tươi hay sẫm, gốc lá chủ yếu tù, đôi khi không đối xứng dễ thấy, mép lá có lông rung, đỉnh lá thuôn tròn, tù hoặc

có chóp nhỏ nhọn đầu, các gân lá bên 4-5 cặp, dễ thấy

Cây đơn tính cùng gốc Hoa đực mọc thành chùm 2-4 hoa dọc theo phần ngoại biên của các cành nhỏ, lá đài 6, hình elip tới thuôn dài-trứng ngược, kích thước 0,3-0,6 x 0,2-0,4 mm, màu trắng hơi vàng, đỉnh tù; các tuyến đĩa mật hoa 6, màu lục, nhị hoa 3, chỉ nhị hợp nhất hoàn toàn thành cột mảnh dẻ Hoa cái dọc theo phần giữa và phần dưới của cành nhỏ, 1 hoa, cuống hoa khoảng 0,5 mm, với 1-2 lá bắc con ở gốc cuống Cuống hoa khoảng 0,5 mm, lá đài 6, hình trứng tới hình trứng-mũi mác, gần bằng nhau, khoảng 1 mm, mép lá đài dạng màng, màu trắng hơi vàng, không rụng trên quả, đĩa mật hình tròn, nguyên, bầu nhụy hình trứng hay hình cầu, với các vảy nổi dễ thấy, vòi nhụy 3, tự do, chẻ đôi ở đỉnh, các thùy cuốn ngoài Quả nang hình cầu, đường kính 2-2,5 mm, với các vết nổi hơi đỏ, nốt sần có vảy Hạt hình 3 mặt, kích thước 1-1,2 x 0,9-1 mm, màu nâu đỏ hơi xám nhạt, với 12-15 lằn gợn ngang rõ nét ở lưng và các mặt, thường với 1-3 vết lõm sâu hình tròn trên mặt Ra hoa trong khoảng tháng 4-6, kết quả tháng 7-11.[2,3,6 ]

1.1.1.2 Thành phần

Diệp Minh Châu đắng chứa đựng các thành phần là flavonoid, alcaloid phyllanthin và có các hợp chất của hypophyllanthin, niranthin, phylteralin với thành phần hóa học chính phyllanthin Những hợp chất này có tác dụng bảo vệ gan khỏi viêm gan, xơ gan, tính mát nên trị mụn nhọt, lở loét…

Gần đây, các nhà nghiên cứu còn phát hiện trong cây có lignan, alcaloid kiểu securinin như niruroidin, isobubialin, epibubialin một loại elagitnin, cùng với 1

- O - galoyl - 2,4 - dehydrohescahydroxydyphenoyl - glucopyranose elaeocarpusin, quercetin, quercitrin, isoquercitrin astragalin, rutin, các acid hữu cơ như ascorbic geraniinic 13 acid amariinic và repandusinic A.[2,6 ]

1.1.2 Phân bố, sinh thái

Diệp Minh Châu phân bố chủ yếu ở vùng nhiệt đới, cận nhiệt đới Ở Việt Nam mọc rải rác khắp nơi trừ vùng núi cao lạnh, hoặc được trồng nhiều ở các tỉnh Phú Yên, Quảng Nam

Trên thế giới Diệp Minh Châu cũng phân bố ở một số nước nhiệt đới Châu Á khác như Ấn Độ, Malaysia, Campuchia, Thái Lan, Lào, đặc biệt là Trung Quốc có rất nhiều

Diệp Minh Châu là cây ưa ẩm, ưa sáng hoặc có thể hơi chịu bóng thường mọc lẫn trong các bãi cỏ ở ruộng cao, nương rẫy, vườn nhà, đôi khi ở vùng đồi Cây con mọc từ hạt vào cuối xuân, sinh trưởng nhanh trong mùa hè và tàn lụi vào giữa mùa thu Do khả năng ra hoa kết trái nhiều, hạt giống phát tán gần nên cây thường mọc thành đám dày đặc [2, 6]

1.1.3 Công dụng của cây Diệp Minh Châu

- Điều trị viêm gan: Tại Việt Nam, khá nhiều công trình nghiên cứu về tác dụng điều trị viêm gan của Diệp Minh Châu đã được tiến hành, chẳng hạn: nhóm nghiên cứu của Lê Võ Định Tường (Học Viện Quân Y - 1990 - 1996) đã thành công

với chế phẩm Hepamarin từ Phyllanthus amarus; nhóm nghiên cứu của Trần Danh

Việt, Nguyễn Thượng Dong (Viện Dược Liệu) với bột Phyllanthin (2001) [2]

- Tác dụng trên hệ thống miễn dịch: Vào năm 1992, các nhà khoa học Nhật Bản cũng đã khám phá tác dụng ức chế sự phát triển HIV-1 của cao lỏng

Phyllanthus niruri thông qua sự kìm hãm quá trình nhân lên của virus HIV Năm

1996, Viện nghiên cứu Dược học Bristol Myezs Squibb cũng đã chiết xuất từ Diệp Minh Châu được một hoạt chất có tác dụng này và đặt tên là “Nuruside” [2]

- Tác dụng giải độc: Người Việt Nam, Ấn Độ, Trung Quốc dùng Diệp Minh Châu để trị các chứng mụn nhọt, lở loét, đinh râu, rắn cắn, giun Nhân dân Java, Ấn

Độ dùng để chữa bệnh lậu Theo kinh nghiệm dân gian Malaysia, Diệp Minh Châu

có thể dùng để trị các chứng viêm da, viêm đường tiết niệu Công trình nghiên cứu tại Viện Dược liệu - Việt Nam (1987 - 2000) cho thấy khi dùng liều 10 - 50g/kg, Diệp Minh Châu có tác dụng chống viêm cấp trên chuột thí nghiệm

- Điều trị các bệnh đường tiêu hóa: Cây thuốc có khả năng kích thích ăn ngon, kích thích trung tiện Người Ấn Độ dùng để chữa các bệnh viêm gan, vàng

da, kiết lỵ, táo bón, thương hàn, viêm đại tràng Nhân dân vùng Haiti, Java dùng cây thuốc này trị chứng đau dạ dày, rối loạn tiêu hóa,

Bệnh đường hô hấp: Người Ấn Độ sử dụng Diệp Minh Châu để trị ho, viêm phế quản, hen phế quản, lao,

- Tác dụng giảm đau: Kenneth Jones và các nhà nghiên cứu Brazil đã khám phá tác dụng giảm đau mạnh và bền vững của một vài loại Phyllanthus, trong đó có

cây Diệp Minh châu (Phyllanthus amarus) Tác dụng giảm đau của Diệp Minh

Châu mạnh hơn indomethacin gấp 4 lần và mạnh hơn 3 lần so với morphin Tác dụng này được chứng minh là do sự hiện diện của acid gallic, ester ethyl và hỗn hợp steroid (beta sitosterol và stigmasterol) có trong Diệp Minh Châu [2]

- Tác dụng lợi tiểu: Y học cổ truyền một số nước đã sử dụng Diệp Minh Châu làm thuốc lợi tiểu, trị phù thũng Ở Việt Nam, Diệp Minh Châu được dùng sớm nhất tại Viện Đông y Hà Nội (1967) trong điều trị xơ gan cổ trướng Một nghiên cứu của trường Đại học Dược Santa Catarina (Brazil-1984) đã phát hiện một alkaloid của Diệp Minh Châu có tác dụng chống co thắt cơ vân và cơ trơn, các nhà khoa học đã nhờ vào điều này để giải thích hiệu quả điều trị sỏi thận, sỏi mật của cây thuốc

- Điều trị tiểu đường: Tác dụng giảm đường huyết của Diệp Minh Châu

(Phyllanthus amarus) đã được kết luận vào năm 1995, đường huyết đã giảm

một cách đáng kể trên những bệnh nhân tiểu đường khi cho uống thuốc này trong 10 ngày.[2,5]

Hình 1.1 Cây Diệp Minh Châu

1.2 Trạng thái tự nhiên, một vài tính chất và vai trò sinh học của Coban, Crom, Cadimi, Mangan, Niken

1.2.1.Trạng thái thiên nhiên của các nguyên tố Cadimi, Coban, Crom, Mangan, Niken

Cadimi được tìm thấy trong tạp chất của cacbonat kẽm (calamin) Trong thạch quyển của vỏ trái đất cadimi chiếm khoảng 5.10-5 % về khối lượng Khoáng vật chủ yếu của cadimi là quặng grinokit (CdS) Trong quặng blen kẽm (ZnS) và calamine (ZnCO3) có chứa khoảng 3% cadimi.[4,19]

Coban không thể tìm thấy như là một kim loại tự do, mà nói chung là ở trong các dạng quặng Những quặng coban chính là cobantin (CoAsS) 35,4% Co, smantit (CoAs2) Do có nhiều trạng thái ôxi hóa khác nhau, nên số lượng hợp chất coban khá phong phú Các ôxít không có từ tính ở nhiệt độ thấp như CoO, và Co3O4 Bột kim loại coban dễ bùng cháy khi tiếp xúc với lửa Các hợp chất của coban phải được xử lý cẩn thận do có độc tính nhẹ.[4,19]

Crom là nguyên tố tương đối phổ biêt trong thiên nhiên Trong vỏ trái đất crom chiếm 6.10-3%, khoáng vật chính của crom là sắt cromit [Fe(CrO2)2] Crom là một kim loại cứng, mặt bóng, màu xám thép với độ bóng cao và nhiệt độ nóng chảy cao Các trạng thái ôxi hóa phổ biến của crom là +2, +3 và +6, với +3 là ổn định nhất Crom có mạng tinh thể lập phương tâm khối [4,19]

Mangan chiếm khoảng 1000 ppm (0,1%) trong vỏ Trái Đất, đứng hàng thứ

12 về mức độ phổ biến của các nguyên tố ở đây Đất chứa 7-9000 ppm mangan với hàm lượng trung bình 440 ppm Nước biển chỉ chứa 10 ppm mangan và trong khí quyển là 0,01 µg/m3 Mangan có mặt chủ yếu trong pyrolusit (MnO2), braunit, (Mn2+Mn3+6) (SiO12), psilomelan (Ba,H2O)2Mn5O10, và ít hơn trong rhodochrosit (MnCO3).[4,18]

Niken hàm lượng trung bình trong vỏ trái đất là 0,020%, Niken là một nguyên tố tập trung chủ yếu ở đá bazic và siêu bazic ở đây có dạng đồng hình trong silicat và các thành tạo sunfua phân tán nhỏ Một lượng lớn mỏ niken chứa một trong hai quặng Đầu tiên là quặng laterit, thành phần chính của quặng có chứa niken là limonit (Fe,Ni)O(OH) và garnierit (niken silicat ngậm nước (Ni,Mg)3Si2O5(OH) Quặng thứ hai là sulfuamagma, thành phần chính

là pentlandit (Ni,Fe)9S8 [4,19]

1.2.2 Một vài tính chất và ứng dụng của Cadimi, Coban, Crom, Mangan, Niken

1.2.2.1 Tính chất vật lý

Cadimi là kim loại màu trắng bạc, mềm, có thể cắt bằng dao, dễ dát mỏng và

dễ mất ánh kim trong môi trường không khí ẩm do tạo màng oxit Cadimi có 19 đồng vị, trong đó có 8 đồng vị gặp trong thiên nhiên 106Cd (1,215%), 108Cd (0,875%), 110Cd (12,39%), 111Cd (12,7%), 112Cd (24,07%), 113Cd (12,26%), 114Cd (28,86%), và 116Cd (7,58%) Trong các đồng vị phóng xạ thì đồng vị 100Cd có chu

kỳ bán hủy 470 ngày đêm là bền nhất

Khoảng 3/4 cadimi sản xuất ra được sử dụng trong các loại pin (đặc biệt

là pin Ni-Cd) và phần lớn trong 1/4 còn lại sử dụng chủ yếu trong các chất màu, lớp sơn phủ, các tấm mạ kim và làm chất ổn định cho plastic Các sử dụng khác bao

gồm: Trong một số hợp kim có điểm nóng chảy thấp, 6% cadimi sử dụng trong mạ điện Các hợp chất chứa cadimi được sử dụng trong các ống hình của ti vi đen trắng hay ti vi màu (phốt pho đen, trắng, lam và lục) Một số hợp chất của cadimi sử dụng trong PVC làm chất ổn định [4,5,13, 19]

Coban có ánh kim, màu trắng xám Coban trong tự nhiên bao gồm 1 đồng

vị ổn định là 59Co Coban có 22 đồng vị phóng xạ Những đồng vị phóng xạ ổn định nhất là 60Co có chu kỳ bán rã là 5,2714 năm, 57Co có chu kỳ bán rã là 271,79 ngày, 56Co có chu kỳ bán rã là 77,27 ngày, và 58Co có chu kỳ bán rã 70,86 ngày Tất

cả đồng vị phóng xạ còn lại có chu kỳ bán rã ít hơn 18 giờ và phần lớn những đồng

vị này có chu kỳ bán rã ít hơn 1 giây Nguyên tố này cũng có 4 đồng phân phóng xạ, tất cả các đồng phân này đều có chu kỳ bán rã ít hơn 15 phút

Trong công nghiệp Coban có nhiều ứng dụng: Siêu hợp kim cho những bộ phận trong tuabin khí của động cơ máy bay Hợp kim chịu mài mòn, ăn mòn: Thép dùng trong ngành vận tải cao tốc Nam châm và lưu trữ từ tính Chất xúc tác cho công nghiệp dầu khí và hóa chất Tác nhân làm khô cho sơn, véc ni, mực, làm lớp phủ bề mặt cho gốm sứ, men, thủy tinh Dùng trong công nghiệp hạt nhân để tìm sai sót kết cấu trong những bộ phận bằng kim loại Tạo cho thủy tinh có màu xanh dương Hợp chất của Coban và Gadolini là chất siêu làm lạnh Thuốc nhuộm Điện cực trong pin điện Tiệt trùng thực phẩm theo phương pháp Pasteur [13, 19]

Crom một kim loại màu trắng bạc, có ánh kim, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, rất khó nóng chảy và khó sôi, là 1 kim loại cứng, giòn, có độ nóng chảy cao Các hợp chất của crom với trạng thái ôxi hóa +6 là những chất có tính ôxi hóa mạnh Trong không khí, crom được ôxy thụ động hóa, tạo thành một lớp mỏng ôxít bảo

vệ trên bề mặt, ngăn chặn quá trình ôxi hóa tiếp theo đối với kim loại ở phía dưới Crom có mạng tinh thể lập phương tâm khối

Trong ngành công nghiệp luyện kim, để tăng cường khả năng chống ăn mòn và đánh bóng bề mặt: như là một thành phần của hợp kim, chẳng hạn

trong thép không gỉ để làm dao, kéo Trong mạ crom, trong quá trình anot hóa (dương cực hóa) nhôm, theo nghĩa đen là chuyển bề mặt nhôm thành ruby Làm thuốc nhuộm và sơn, là một chất xúc tác Các muối crom được sử dụng trong quá trình thuộc da [4,13,19]

Mangan là kim loại màu trắng xám, giống sắt Nó là kim loại cứng và rất giòn, khó nóng chảy, nhưng lại bị ôxi hóa dễ dàng Mangan tự nhiên là bao gồm 1 đồng vị bền 55Mn 18 đồng vị phóng xạ đã được miêu tả đặc điểm trong đó đồng vị phóng xạ ổn định nhất là 53Mn có chu kì bán rã 3,7 triệu năm, 54Mn có chu kì bán rã 312,3 ngày, và 52Mn là 5,591 ngày Tất cả các đồng vị phóng xạ còn lại có chu kì bán rã nhỏ hơn 3 giờ và phần lớn trong số này có chu kì bán rã nhỏ hơn 1 phút

Mangan có vai trò quan trọng trong sản xuất sắt thép (chiếm khoảng 85-90% tổng nhu cầu) Trong những mục đích khác, mangan còn được thêm vào dầu hỏa để giảm tiếng nổ lọc xọc cho động cơ Mangan đioxít được sử dụng trong pin khô, hoặc làm chất xúc tác hay được dùng để sản xuất tiền xu Các hợp chất mangan được sử dụng để làm chất tạo màu và nhuộm màu cho gốm và thủy tinh Màu nâu của gốm đôi khi dựa vào các hợp chất mangan [18] Trong ngành công nghiệp thủy tinh, các hợp chất mangan được dùng cho 2 hiệu ứng Mangan(III) phản ứng với sắt(II) để tạo ra màu lục đậm trong thủy tinh bằng cách tạo ra sắt (III) ít màu hơn và màu hồng nhạt của mangan(II) kết hợp với màu còn lại của sắt (III) [13,19]

Niken là một kim loại màu trắng bạc, bề mặt bóng láng Niken nằm trong nhóm sắt từ Đặc tính cơ học: cứng, dễ dát mỏng và dễ uốn, dễ kéo sợi Niken có 5 đồng vị bền 58Ni (67,7%), 60Ni, 61Ni, 62Ni, 64N1 Niken có 2 dạng thù hình: Ni anpha lục phương bền ở < 2500C và Ni beta lục phương bền ở > 2500C Khoảng 65% niken được dùng làm thép không rỉ 12% còn lại được dùng làm "siêu hợp kim" 23% còn lại được dùng trong luyện thép, pin sạc, chất xúc tác và các hóa chất khác, đúc tiền, sản phẩm đúc, và bảng kim loại [13,19]

Một số đặc điểm của Cadimi, Coban, Crom, Mangan, Niken được tổng kết trong bảng 1.1:

Bảng 1.1 Một số đặc điểm của các nguyên tố Coban, Crom, Cadimi, Mangan, Niken

1 STT trong bảng

3 Cấu hình electron [Kr]4d105s2 [Ar]3d74s2 [Ar]3d54s1 [Ar]3d54s2 [Ar]3d84s2

4 Năng lượng ion

* Tác dụng với các phi kim khác

- Cadimi, mangan, coban và niken tác dụng với halogen, lưu huỳnh, photpho tạo muối tương ứng ( Ni bền với khí F2 ở nhiệt độ cao )

- Cr tác dụng được với flo ở nhiệt độ thường tạo CrF4, CrF5 còn các halogen, lưu huỳnh ở nhiệt độ cao tạo thành muối

Cr + Cl2 → CrCl3

Co + S → CoS

* Tác dụng với nước

- Cadimi, mangan, coban và niken không tác dụng được với nước ở nhiệt độ thường Cr không tác dụng với nước do có màng oxit bảo vệ Ở nhiệt độ cao cadimi khử hơi nước tạo thành oxit

Ở dạng bột mịn nhỏ Mangan tác dụng với nước giải phóng Hidro

3Co + 8HNO3 → 3Co(NO3)2 + 2NO↑ + 4H2O

Co + 4HNO3 đặc →Co(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

3Ni + 8HNO3 → 3Ni(NO3)2 + 2NO↑ + 4H2O

Cr + 4HNO3 → Cr(NO3)3 + NO↑ + H2O

3Mn + 8HNO3 → 3Mn(NO3)4 + 2NO↑+ 4H2O

Cr thụ động HNO 3 đặc nguội, H 2 SO 4 đặc nguội [13,19]

1.2.3 Vai trò sinh học của Cadimi, Coban, Crom, Mangan, Niken

1.2.3.1 Vai trò sinh học của Cadimi

Vai trò sinh học: Cadimi có thể xâm nhập vào cơ thể con người bằng nhiều con đường khác nhau như tiếp xúc với bụi cadimi, ăn uống các nguồn có sự ô nhiễm cadimi Người khi hít phải bụi chứa cadimi có thể bị các bệnh về hô hấp và thận Nếu ăn phải một lượng đáng kể cadimi sẽ bị ngộ độc, có thể dẫn đến tử vong Đã có

bằng chứng chứng minh rằng cadimi tích tụ trong cơ thể gây nên chứng bệnh giòn xương Ở nồng độ cao, cadimi gây đau thận, thiếu máu và phá hủy tủy xương Người bị nhiễm độc cadimi, tùy theo mức độ sẽ bị ung thư phổi, thủng vách ngăn mũi, đặc biệt là bị tổn thương thận, ảnh hưởng đến nội tiết, máu và tim mạch Mặt khác, cadimi còn là chất gây ung thư qua đường hô hấp Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy mối quan hệ giữa cadimi với chứng bệnh loãng xương, nứt xương Sự hiện diện của cadimi trong cơ thể khiến cho việc cố định canxi trở nên khó khăn dẫn đến những tổn thương về xương gây đau đớn ở vùng xương chậu và hai chân Ngoài

ra, tỷ lệ ung thư tiền liệt tuyến vú và ung thư phổi cũng khá lớn ở nhóm người thường xuyên tiếp xúc với chất độc này

Phần lớn Cadimi thâm nhập vào cơ thể được đào thải ra ngoài, còn giữ lại ở thận khoảng 1% do Cadimi liên kết với protein tạo thành metallotion có ở thận Phần còn lại được giữ trong cơ thể và dần dần được tích tụ theo thời gian Khi lượng Cd2+được tích tụ đủ lớn, nó có thể thế chỗ Zn2+ trong các enzyme quan trọng và gây rối loạn tiêu hóa và các chứng bệnh rối loạn chức năng của thận, gây thiếu máu, tăng huyết áp, phá hủy tủy xương gây ung thư … Cadimi cũng có thể can thiệp vào quá trình sinh học

có chứa magie và canxi theo cách thức tương tự như đối với kẽm

Cơ quan nghiên cứu ung thư quốc tế (IARC) đã xếp cadimi và hợp chất của

nó vào nhóm 2A theo thứ tự sắp xếp về mức độ độc hại của các nguyên tố trong ngành y tế Lượng cadimi đưa vào cơ thể hàng tuần cơ thể có thể chịu đựng được là

7g/kg thể trọng [1, 5, 14, 19, 23]

1.2.3.2 Vai trò sinh học của Coban

Coban có cả tác động có lợi và có hại đối với sức khoẻ con người Coban có lợi cho con người vì nó là một phần của vitamin B12, điều rất cần thiết để duy trì sức khoẻ con người Coban (0.16-1.0 mg coban / kg trọng lượng cơ thể) cũng được sử dụng như một phương pháp điều trị thiếu máu (ít hơn số lượng hồng cầu bình thường), Coban cũng làm tăng sản xuất tế bào hồng cầu ở người khỏe mạnh Coban cũng rất cần thiết đối với sức khoẻ của các động vật khác nhau, như gia súc, cừu Khi cây phát triển ở nơi bị ô nhiễm, chúng sẽ tích tụ các hạt coban rất nhỏ, đặc biệt

là ở các bộ phận của cây mà chúng ta ăn, như trái cây và hạt Đất, nước và không khí gần các nhà máy, khu công nghiệp sản xuất thép có thể chứa một lượng coban

rất cao, do đó sự hấp thụ của con người thông qua việc ăn cây có thể gây ra các ảnh hưởng đến sức khoẻ

Sự tiếp xúc của con người và động vật với hàm lượng coban thường thấy trong môi trường không có hại Khi hít thở không khí có chứa coban 0,038 mg / m3(khoảng 100.000 lần nồng độ thường thấy trong không khí xung quanh) trong 6 giờ

đã gặp khó khăn khi thở Các tác dụng nghiêm trọng đối với phổi, bao gồm hen, viêm phổi và thở khò khè đã được tìm thấy ở những người tiếp xúc với 0.005 mg coban/m3 trong khi làm việc với kim loại cứng, hợp kim cobantungsten carbide Người bị phơi nhiễm với 0,007 mg coban / m3 ở nơi làm việc cũng đã phát triển dị ứng với coban dẫn tới chứng hen và phát ban da.[19]

1.2.3.3 Vai trò sinh học của Crom

Crom hóa trị ba (Cr (III) hay Cr3+) là yêu cầu với khối lượng rất nhỏ cho quá trình trao đổi chất của đường trong cơ thể người và sự thiếu hụt nó có thể sinh ra bệnh gọi là thiếu hụt crom Ngược lại, crom hóa trị sáu lại rất độc hại và gây đột biến gen khi hít phải Cr (VI) vẫn chưa được xác nhận là chất gây ung thư khi hít phải, nhưng ở trạng thái dung dịch nó đã được xác nhận là gây ra viêm da tiếp xúc dị ứng (ACD)

Gần đây, người ta nhận thấy rằng chất bổ sung ăn kiêng phổ biến là phức chất của picolinat crom sinh ra các tổn thương nhiễm sắc thể ở các tế bào của chuột đồng (phân họ Cricetinae) Tại Hoa Kỳ, các hướng dẫn ăn kiêng đã hạ mức tiêu thụ crom hàng ngày từ 50-200 µg cho người lớn xuống 35 µg (đàn ông) và 25 µg (đàn bà)

Crom kim loại và các hợp chất crom (3) thông thường không được coi là nguy hiểm cho sức khỏe, nhưng các hợp chất crom hóa trị sáu (crom VI) lại là độc hại nếu nuốt/hít phải Liều tử vong của các hợp chất crom (VI) độc hại là khoảng nửa thìa trà vật liệu Phần lớn các hợp chất crom (VI) gây kích thích mắt, da và màng nhầy, có thể gây bệnh đối với những người có cơ địa dị ứng Crom(VI) có trong thành phần của xi măng Porland có thể gây bệnh dị ứng xi măng với những người có cơ địa dị ứng hoặc

có thời gian tiếp xúc qua da thường xuyên và đủ lâu với xi măng Phơi nhiễm kinh niên trước các hợp chất crom (VI) có thể gây ra tổn thương mắt vĩnh viễn, nếu không được xử lý đúng cách Crom (VI) được công nhận là tác nhân gây ung thư ở người

Tổ chức y tế thế giới (WHO) khuyến cáo hàm lượng cho phép tối đa của

crom (VI) trong nước uống là 0,05 miligam trên một lít [19, 22]

1.2.3.4 Vai trò sinh học của Mangan

Mangan trong cơ thể chỉ khoảng 12 - 20 mg nhưng tham gia vào rất nhiều quá trình biến dưỡng với nhiều vai trò khác nhau Trong đường ruột, mangan giúp men tiêu hóa nhận diện thức ăn dễ hấp thu nhất Ở tế bào, mangan thúc đẩy tổng hợp protein để bảo toàn cấu trúc của tế bào, nhờ đó tế bào có thể sinh sản bình thường Nói cách khác, tế bào ít bị biến động thành tế bào ung thư Mangan là nguyên tố vi lượng "bận rộn" nhất, có mặt ở khắp nơi trong cơ thể Giúp tạo huyết cầu trong tủy xương, tăng cường cấu trúc chắc khỏe cho xương và răng hay thúc đẩy quá trình sản xuất nội tiết tố

Mangan tham gia vào sản xuất tác chất trung gian thần kinh dopamin - một chất dẫn truyền xung thần kinh cảm giác về ý chí và tinh thần sáng tạo của con người Nếu thiếu mangan, cơ thể sẽ mất cảm giác sung sướng hay đau buồn, giảm khả năng phản xạ của cơ thể

Ngoài ra, mangan còn kích thích chuyển hóa chất béo, giảm cholesterol góp phần ngăn ngừa xơ vữa động mạch Mangan trong ty thể làm chất đồng xúc tác cùng các enzyme chuyển hóa hàng loạt quá trình trong tế bào Hơn nữa, mangan còn thúc đẩy hình thành sắc tố melanin làm sáng da, tăng sức sống cho tóc

Mn không có khả năng gây đột biến cũng như hình thành các bệnh nguy hiểm như ung thư, cũng không ảnh hưởng đến sinh sản…nhưng nó có liên quan mật thiết đến hệ thần kinh, gây ra các độc tố hình thành hội chứng manganism với các triệu chứng gần như tương tự bệnh Parkinson Nếu lượng Mn hấp thu vào cơ thể cao có thể gây độc với phổi, hệ thần kinh, thận và tim mạch Khi hít phải Mangan với lượng lớn có thể gây hội chứng nhiễm độc ở động vật, gây tổn thương thần kinh

Mn đặc biệt có hại cho trẻ bởi cơ thể trẻ em dễ dàng hấp thụ được rất nhiều

Mn trong khi tiết thải ra ngoài thì rất ít Điều đó dẫn đến sự tích tụ Mn trong cơ thể trẻ, gây ra các hậu quả nghiêm trọng, nếu nhiễm độc mangan lâu ngày có thể dẫn đến triệu chứng thần kinh không bình thường như dáng đi và ngôn ngữ bất thường Với khả năng không gây ung thư ở người nhưng Mangan vẫn có tác động xấu tới cơ thể con người [10,19, 20]

1.2.3.5 Vai trò sinh học của Niken

Ni và các muối của Ni đều được xác định là các chất độc Các thực phẩm có nguồn gốc thực vật như lúa gạo, lúa mạch, chè (trà), cà phê, chứa nhiều Ni hơn thịt, sữa và các rau quả có dầu Cơ thể người có chừng 10 mg Ni, được phân phối ở đều khắp các loại tế bào, nhưng có nhiều hơn ở xương, răng, các tuyến thượng thận, phổi, não và da Các cơ bắp, tinh hoàn, buồng trứng hầu như không có Ni Người ta chưa xác định được nhu cầu hàng ngày về Ni của cơ thể người mà chỉ ước lượng từ

300 - 600 ug/ngày

Dự đoán Ni có vai trò xúc tác cho một số phản ứng sinh học trong cơ thể liên quan tới các hoócmôn có chức năng điều hòa hoạt động của chất prolactin đối với tuyến yên, tăng cường tác dụng của insulin, ức chế tác dụng làm tăng huyết áp và tăng lượng đường trong máu của chất adrenalin, tham gia tổng hợp chất sắc tố của

da (melanine), chi phối sự hấp thụ chất sắt và can thiệp vào sự chuyển hóa các axít nucleic (ADN) chứa các thông tin cần thiết cho sự hoạt động của tế bào

Hiện tượng dị ứng và ngộ độc niken: Những trường hợp cơ thể bị rối loạn

do thiếu hoặc thừa Ni chưa được các nhà khoa học xác định rõ ràng vì người ta cũng chưa biết rõ nhu cầu của cơ thể người về Ni Tuy nhiên, những phản ứng của cơ thể bị ngộ độc vì các chất muối của Ni thì đều dễ nhận thấy qua các biểu hiện như đi tiêu lỏng và bị nôn ói So với khí độc oxit cacbon (CO) thì chất Nickel cacbonyl còn độc gấp 100 lần, làm nhiễm độc phổi, não, gan, tuyến thượng thận và thận cùng với các triệu chứng đau bụng, sốt và bại liệt từng phần Ngoài ra, những vụ ngộ độc nhẹ vì Ni có thể xảy ra hàng ngày ở khắp nơi do nạn nhân tiếp xúc với các đồ dùng bình thường trong sinh hoạt Các móc áo nịt, đôi bông tai, chiếc vòng cổ, dây đồng hồ đeo tay… được mạ kền đều có thể gây dị ứng da Đôi khi, có những trường hợp rất đơn giản nhưng lại khiến cho bác sĩ phải suy nghĩ mãi mới tìm ra nguyên nhân [19, 29]

1.2.4 Giới hạn tối đa cho phép các kim loại trong thực phẩm

Trong Quy chuẩn kỹ thuật Quốc Gia đối với giới hạn ô nhiễm kim loại nặng (QCVN 8-2:2011 BYT)

Bảng 1.2 Giới hạn cho phép của một số kim loại nặng trong thực vật

Ghi chú: *Tiêu chuẩn Ai Cập 1993 và 2001

Theo quy định của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và Tổ chức Nông lương Thế giới (FAO) từ năm 1999 đã đưa ra giới hạn tối đa ăn vào hàng ngày và hàng tuần tính theo trọng lượng cơ thể, nhằm đảm bảo an toàn sức khỏe của con người như trong bảng

Bảng 1.3 Giới hạn rủi ro đối với một số kim loại nặng

(Bộ Y tế và Dịch vụ Nhân sinh Hoa Kỳ Tháng 9 năm 2015)

1.3 Các phương pháp xác định Cadimi, Coban, Crom, Mangan, Niken

Để xác định hàm lượng Cadimi, Coban, Crom, Mangan, Niken có rất nhiều

phương pháp như phương pháp AAS, UV- VIS, ICP - OES, ICP - MS…

1.3.1 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS

*Nguyên tắc của phương pháp: Mẫu phân tích được chuyển thành hơi của

nguyên tử hay ion tự do trong môi trường kích thích bằng cách dùng nguồn năng lượng phù hợp Thu, phân li và ghi toàn bộ phổ hấp thụ của nguyên tố cần nghiên cứu nhờ máy quang phổ Đánh giá phổ đã ghi về mặt định tính và định lượng theo những yêu cầu đặt ra

Gần 60 nguyên tố hóa học có thể được xác định bằng phương pháp với giới hạn phát hiện thấp 10-4 đến 10-5 ppm Đặc biệt nếu sử dụng kĩ thuật không ngọn lửa thì có thể hạ giới hạn phát hiện xuống 10-7 ppm

* Ưu điểm của phương pháp: Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử có độ nhạy và

độ chọn lọc cao, nên trong nhiều trường hợp không phải làm giàu nguyên tố cần xác định trước khi phân tích Do đó tốn ít nguyên liệu mẫu, tốn ít thời gian, không cần phải dùng nhiều hóa chất tinh khiết cao khi làm giàu, nên cũng tránh được sự nhiễm bẩn khi xử lí mẫu qua các giai đoạn phức tạp Kết quả phân tích ổn định, sai số nhỏ,

có thể lưu lại đường chuẩn cho các lần sau

* Đối tượng của phương pháp: Phương pháp này thích hợp để xác định

lượng vết của kim loại, đặc biệt là xác định các nguyên tố vi lượng trong các mẫu y học, sinh học, nông nghiệp, kiểm tra các hóa chất có độ tinh khiết cao [9, 17, 18]

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

Nguyên tắc của phương pháp là dựa trên sự tạo phức mầu của các ion với thuốc thử Nồng độ của các ion trong phức thay đổi sẽ tạo ra màu khác nhau, dẫn đến độ hấp thụ quang khác nhau Độ hấp thụ quang được xác định theo định luật Lamber-Beer theo phương trình:

1.3.3 Phương pháp quang phổ phát xạ plasma cảm ứng (ICP-OES)

* Nguyên tắc của phương pháp:

Kỹ thuật ICP-OES: mẫu bị hóa hơi sau đó bị nguyên tử hóa, ion hóa, và bị kích thích lên mức năng lượng cao hơn, sau đó trở về mức năng lượng thấp hơn Năng lượng giải phóng ra ở dạng chùm sáng bước sóng λ hay photon với tần số mang năng lượng h Số lượng photon phát ra tỉ lệ với số nguyên tử của nguyên tố

có mặt trong mẫu Các quá trình nguyên tử hóa trong ICP-OES

* Đối tượng của phương pháp:

Kỹ thuật ICP-OES được sử dụng phổ biến để xác định hàm lượng các NTĐH trong các đối tượng mẫu khác nhau Kỹ thuật có độ nhạy cao, tốc độ phân tích nhanh,

độ tái lặp tốt, khoảng tuyến tính rộng Đã có rất nhiều nghiên cứu xác định hàm lượng các NTĐH trên các mẫu quặng, mẫu đất, trầm tích, luyện kim, mẫu nước…

* Ưu điểm của phương pháp:

Quang phổ phát xạ plasma cảm ứng (ICP-OES) là kỹ thuật phân tích hàm lượng các nguyên tố ở dạng vết với những đặc điểm: nhiệt độ kích thích lớn (7000-8000 K), mật độ điện tích lớn, có khả năng xác định được nhiều nguyên tố cùng lúc, phát xạ nền thấp, ảnh hưởng về mặt hóa học tương đối thấp, độ ổn định tốt dẫn tới kết quả phân tích chính xác Kỹ thuật có giới hạn phát hiện thấp (0,1ng/ml-100ng/ml) đối với hầu hết các nguyên tố, phạm vi tuyến tính rộng, có hiệu quả kinh tế [9,26]

1.3.4 Phương pháp phổ khối plasma 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 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 [9,11,16,21]

1.3.4.1 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) 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

ICP-MS sư dụng nguồn năng lượng cao tần, nhiệt địên lên đến

6.000-100000C cho phép hóa hơi, nguyên tử hóa và ion hóa tất cả các chất với hiệu suất cao và ổn định Tách loại các ion nhờ hệ từ trường tứ cực [9]

1.3.4.2 Nguyên tắc của phương pháp

- Hóa hơi, nguyên tử hóa, phân mảnh hóa và ion hóa các chất cần phân tích, tạo ra các ion dương 1 của chất phân tích, dạng M+ số khối m/Z của các chất có trong mẫu phân tích, bằng một nguồn năng lượng phù hợp cho mỗi loại

- Thu, chọn và lọc lấy các ion khối M+ số khối m/Z của tất cả các chất phân tích, để dẫn dòng ion khối này vào bộ phận giải phổ khối

- Phân giải các ion khối theo từng số khối m/Z, để tạo ra phổ khối của tất cả các chất phân tích có trong mẫu

- Thu và ghi tín hiệu của mỗi số khối m/Z bằng một cách thích hợp

- Phát hiện, định tính và định lượng các chất theo phổ khối với số m/Z đặc trưng của nó sau khi thu được phổ

- Hiển thị các sắc phổ và kết quả phân tích [9]

1.3.4.3 Nguyên tắc cấu tạo của máy đo phổ

- Bộ dẫn mẫu vào buồng ion hóa

- Nguồn năng lượng để hóa hơi, nguyên tử hóa và ion hóa các chất phân tích

- Bộ phận thu, chọn và lọc lấy các ion dương 1 (M+)

- Bộ phận giải khối theo số khối m/Z

- Bộ thu nhận phát hiện các khối m/Z của chất (collector, detector)

- Hệ bơm tạo chân không cao (n.10-6 tor)

- Modul điện tử

- Hệ máy tính (PC) và phần mềm (software)

Ngoài ra còn có thể có thêm thư viện phổ các chất [9]

1.3.4.4 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

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 [9, 11]

1.3.4.5 Ưu nhược điểm của phương pháp phân tích bằng ICP-MS

* Ưu điểm của phương pháp

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 Co, 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 độc trong khoa học hình sự (1%) và phân tích thực phẩm (1%) trong địa chất (2%); hoá chất (4%); dấu vết đạn, đặc trưng vật liệu, nguồn gốc, chất

Hình 1.2 Ứng dụng phương pháp phân tích ICP-MS trong các lĩnh vực

- Phép đo ICP-MS có độ nhạy rất cao so với các kỹ thuật phổ phát xạ sóng điện từ (như phổ phát xạ ngọn lửa đèn khí, hồ quang, tia điện, phổ ICP-OES,…)

- Độ ổn định: tuy độ nhạy cao nhưng ICP là nguồn kích thích phổ rất ổn định và

có độ lặp lại tốt nên được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực phân tích lượng vết kim loại

- Phổ ICP-MS ít vạch hơn phổ phát xạ ICP-OES nên có độ chọn lọc cao, ảnh hưởng của thành phần nền hầu như là ít xuất hiện hoặc ở trong mức độ nhỏ

dễ khắc phục

- Phổ ICP-MS có 2 cách đo: phép đo liên tiếp từng nguyên tố một và phép đo nhiều nguyên tố cùng một lúc nên tốc độ phân tích cao

- Vùng tuyến tính của phép đo là khá rộng, nó hơn hẳn các kỹ thuật phân tích phổ khác (có thể từ 1-106 lần)

- Về kinh tế: ta có thể xác định được đồng thời nhiều nguyên tố trong mẫu

Do đó hiện nay nó là một phương pháp phân tích có nhiều ưu việt trong phân tích lượng vết kim loại trong mọi đối tượng

- Là một loại detector tốt và nhạy cho các kỹ thuật tách sắc ký để phục vụ phân tích định dạng các nguyên tố [9, 11]

*Nhược điểm của phương pháp

Kết quả phân tích thường bị ảnh hưởng bởi các khí: Argon, O2, H2 và các axit dùng để chuẩn bị mẫu vì ở nhiệt độ cao chúng bị phản úng với các nguyên tố trong mẫu để tạo ra các oxit, các hạt ion có cùng khối lượng với các nguyên tố cần phân tích Tuy nhiên ảnh hưởng này có thể được loại bỏ dựa vào các kỹ thuật phân tích của ICP-MS và lựa chọn đồng vị thích hợp để phân tích

- Cứ tăng độ phân giải lên 10 lần thì tín hiệu lại giảm đi 1 lần Điều này làm giảm khả năng phát hiện thực tế nếu nồng độ của chất phân tích rất thấp

- Tốc độ bơm mẫu không đồng đều dẫn tới kết quả phân tích cũng có lệch tương đối CV khoảng 5% đối với mẫu có hàm lượng thấp thì CV có thể lên tới 10-20%

Trang thiết bị rất đắt tiền, rất tinh vi, phức tạp nên cần các cán bộ phân tích có trình độ cao để vận hành máy Phương pháp này chỉ cho ta biết thành phần nguyên tố của chất mà không chỉ ra được trạng thái liên kết của nguyên tố trong mẫu

Hiệu quả phân tích của ICP-MS so với các kỹ thuật phân tích khác như quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), ICP-OES,… đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu Bảng sau cho thấy khả năng phát hiện của ICP-MS hơn so với các kỹ thuật khác

Bảng 1.4 So sánh khả năng phát hiện của các kỹ thuật phân tích [11]

(ppb)

ICP-AES (ppb)

F-AAS (ppb)

GFA-AAS (ppb)

- Các nguyên tử khi ion hóa bậc 1 hoặc bậc 2 sẽ cho các số khối khác nhau trùng với số khối của nguyên tố cần phân tích

- Ảnh hưởng của mẫu phân tích trước.[5,9,11]

1.3.4.7 Phương pháp đường chuẩn

Chuẩn bị một dãy mẫu dung dịch chuẩn của chất phân tích (thường là 5 mẫu)

và các mẫu phân tích trong cùng một điều kiện Các mẫu dung dịch chuẩn có nồng

độ tăng dần là C1, C2, C3, C4, C5 và mẫu phân tích là Cx Đo các dung dịch trên với các điều kiện tối ưu, rồi vẽ đường chuẩn biểu diễn sự phụ thuộc giữa tín hiệu I và nồng độ C Trên cơ sở đường chuẩn tìm phương trình đường thẳng, dựa vào phương trình tìm Cx

Phương pháp này đơn giản, dễ thực hiện và rất thích hợp chỉ cần xác định

đường chuẩn có thể phân tích hàng loạt mẫu của cùng một nguyên tố [8]

1.3.4.8 Chất nội chuẩn

Nếu chất nội chuẩn thêm vào có nồng độ là Cch, có cường độ pic phổ khối là Ich

và mẫu phân tích có nồng độ là Cx, có cường độ pic phổ khối là Ix thì chúng ta có:

C x = (I x /I ch ).C ch

Như vậy, hệ thống máy đo phổ ICP-MS sẽ dựa vào nồng độ của chất nội chuẩn thêm vào, tín hiệu của chất nội chuẩn và chất phân tích để cho ta kết quả nồng độ chất cần phân tích

Các chất chuẩn nội còn được dùng để hiệu chuẩn các nhiễu vật lý và hóa học ảnh hưởng đến độ chính xác kết quả Để sử dụng chất nội chuẩn với sai số nhỏ nhất, chuẩn nội phải có mặt trong các dung dịch với cùng một nồng độ và không được xuất hiện trong các mẫu phân tích chưa biết thành phần Các chất nội chuẩn thường được sử dụng trong phân tích phổ khối ICP-MS là Ge, In, Li, Sc, Th, Tb [9, 25]

1.4 Các phương pháp xử lý mẫu

Xử lý mẫu phân tích là một quá trình phức tạp, có hóa học, có vật lý, hay vật

lý và hóa học kết hợp, để phân hủy mẫu chuyển các chất, hay các nguyên tố, hay các ion cần xác định có trong mẫu phân tích ban đầu về dạng tan trong một dung

môi thích hợp như nước hay dung môi hữu cơ,…để sau đó có thể xác định được nó theo một phương pháp thích hợp Tuy nhiên việc xử lý mẫu phân tích lại được thực hiên theo rất nhiều kỹ thuật có nguyên lý, cơ chế vật lý và hóa học có khi rất khác nhau, tùy theo mỗi loại mẫu và yêu cầu của phương pháp phân tích

Các phương pháp xử lý mẫu đã và đang được sử dụng bao gồm

1.4.1 Phương pháp vô cơ hóa

1.4.1.1 Phương pháp vô cơ hóa ướt

*Xử lý bằng axit mạnh đặc nóng

Khi xử lý mẫu bằng phương pháp vô cơ hoá việc lựa chọn tác nhân vô cơ phải căn cứ vào khả năng, đặc tính oxi hoá của thuốc thử và đối tượng mẫu Một số tác nhân vô cơ hoá mẫu thường sử dụng như sau:

+ Axit nitric (HNO3) là chất được sử dụng rộng rãi nhất để vô cơ hoá mẫu Đây là tác nhân vô cơ hoá dùng để giải phóng nhanh vết nguyên tố từ các mẫu sinh học và thực vật dưới dạng muối nitrit dễ tan Điểm sôi axit nitric ở áp xuất khí quyển là 1200C, lúc đó sẽ ion hoá toàn bộ các chất hữu cơ trong mẫu phân tích và giải phóng kim loại dưới dạng ion Loại mẫu được áp dụng chủ yếu là các mẫu hữu

cơ như: nước giải khát, protein, chất béo, nguyên liệu thực vật, nước thải, một số sắc tố polyme và các mẫu phân tích [6, 8]

+ Axit sunfuric (H2SO4) là chất có tính oxi hoá mạnh, có nhiệt độ sôi là

3390C Khi kết hợp với axit nitric sẽ có khả năng phá huỷ hoàn toàn hầu hết các hợp chất hữu cơ Nếu sử dụng lò vi sóng thì phải vô cơ hoá trước trong cốc thuỷ tinh hay thạch anh và giám sát quá trình tăng nhiệt độ của lò Loại mẫu áp dụng: mẫu hữu cơ, oxit vô cơ, hidroxit, hợp kim, kim loại và quặng [7, 8]

Qua quá trình tìm hiểu tài liệu và một số công trình nghiên cứu, đề tài này đã chọn dung môi sử dụng để phân hủy mẫu cây Diệp Minh Châu trong lò vi sóng là axit HNO3 65%

Lượng axit cần dùng để phân hủy mẫu thường gấp 10-15 lần lượng mẫu, tùy thuộc mỗi loai mẫu và cấu trúc vật lý, hóa học của nó

Thời gian phân hủy mẫu trong các hệ hở, bình Kendan, ống nghiệm, cốc, thường từ vài giờ đến hàng chục giờ tùy loại mẫu và bản chất của các chất, còn nếu trong lò vi sóng thì chỉ cần 50-90 phút

Ưu - nhược điểm

Hầu như không bị mất các chất phân tích, nhất là trong lò vi sóng Nhưng thời gian phân hủy mẫu rất dài, trong điều kiện thường, tốn nhiều axit đặc tinh khiết cao, nhất là trong các hệ hở Dễ bị nhiễm bẩn khi xử lý trong hệ hở, do môi trường hay axit dùng và phải đuổi axit dư lâu, nên dễ bị nhiễm bẩn, bụi vào mẫu

* Xử lý bằng dung dịch kiềm mạnh đặc nóng

Dùng dung dịch kiềm mạnh đặc nóng (NaOH, KOH 15-20%), hay hỗn hợp của kiềm mạnh và muối kim loại kiềm (NaOH + NaHCO3), hay một kiềm mạnh và peroxit (KOH + Na2O2) nồng độ lớn (10-20%), để phân hủy mẫu phân tích trong điều kiện đun nóng trong bình Kendan hay trong hộp kín, hoặc trong lò vi sóng

Lượng dung dịch phân hủy: cần lượng lớn từ 8-15 lần lượng mẫu

Thời gian phân hủy mẫu: từ 4-10 giờ trong hệ hở Còn trong trong hệ lò vi sóng kín chỉ cần thời gian 1-2 giờ

Nhiệt độ phân hủy là nhiệt độ sôi của dung dịch kiềm Nó thường nằm trong khoảng 150-200oC

Ưu - nhược điểm

Ưu điểm là hầu như không làm mất chất phân tích, nhất là các nguyên tố có hợp chất dễ bay hơi và các nền của mẫu dễ tan trong kiềm

Nhược điểm là tốn rất nhiều kiềm tinh khiết cao, khả năng gây nhiễm bẩn dễ xảy ra, loại kiềm dư rất khó khăn và mất nhiều thì giờ [7,8]

1.4.1.2 Phương pháp vô cơ hóa khô

Kỹ thuật xử lý khô (tro hóa khô) là kỹ thuật nung để xử lý mẫu trong lò nung

ở một nhiệt độ thích hợp (450-750oC), song thực chất đây chỉ là bước đầu tiên của quá trình xử lý mẫu Vì sau khi nung, mẫu bã còn lại phải được hòa tan (xử lý tiếp) bằng dung dịch muối hay dung dịch axit phù hợp, thì mới chuyển các chất cần phân tích trong tro mẫu vào dung dịch để sau đó xác định nó theo một phương pháp đã chọn Khi nung, các chất hữu cơ của mẫu sễ bị đốt cháy thành CO2 và nước Thời gian nung có thể từ 5-12 giờ tùy thuộc vào mỗi loại chất phân tích, cấu trúc, dạng liên kết của các chất trong mẫu