Mục tiêu của luận án nhằm tối ưu hóa thiết bị phân tích điện di mao quản để tiến hành phân tích trong phòng thí nghiệm, thực hiện phân tích tại hiện trường bằng cách sử dụng các ắc quy có thể nạp lại được. Mở rộng khả năng ứng dụng của phương pháp phân tích điện di mao quản góp phần làm phong phú thêm các phương pháp phân tích công cụ hiện đại ở Việt Nam.
Đại học quốc gia H Nội Trờng đại học khoa häc tù nhiªn - - Ngun Thị ánh Hờng Nghiên cứu xác định dạng asen vô nớc ngầm phơng pháp điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc Chuyên ngành: Mà số: Hóa phân tích 62 44 29 01 Tóm tắt Luận án tiến sỹ hóa học Hà Nội - 2010 Công trình đợc hoàn thành tại: Trờng Đại học Khoa học tự nhiên - Đại học quốc gia Hà Nội Khoa Hóa học - Trờng Đại häc Basel - Thơy sÜ Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: GS TS Phạm Hùng Việt Phản biện 1: GS TS Lª Qc Hïng ViƯn Hãa häc, ViƯn KH&CN ViƯt Nam Phản biện 2: PGS TS Dơng Quang Phùng Trờng Đại học S phạm Hà Nội Phản biện 3: PGS TS Nguyễn Văn Ri Trờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội Luận án đà đợc bảo vệ trớc Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nớc họp Phòng Hội thảo - Khoa Hóa học - Trờng Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội vào hồi 00 ngày 17 tháng năm 2010 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Th viện Quốc gia Hà Nội - Trung tâm Thông tin - T liệu - Đại học Quốc Gia Hà Nội A Giới thiệu luận án Tính cấp thiết luận án Phơng pháp điện di mao quản đà đợc phát triển mạnh mẽ năm gần Phơng pháp có u điểm thiết bị tơng đối đơn giản, chi phí thấp đặc biệt chế tạo thu nhỏ phục vụ cho mục đích phân tích trờng Ngoài ra, thiết bị điện di mao quản tích hợp với nhiều loại detector khác nh detector quang phổ hấp thụ phân tử (UV-Vis), huỳnh quang, khối phổ, điện hóa (đo dòng, đo độ dẫn), nên có khả nhận dạng định lợng chất cách chọn lọc Phơng pháp điện di mao quản đà đợc ứng dụng từ lâu để phân tích hợp phần sinh học nh axit amin, protein, gần có nhiều ứng dụng phân tích hợp chất hữu cô c¬ [16, 43, 52, 91] Trong h¬n mét thËp kû võa qua, mét kü tht ph¸t hiƯn míi dïng cho phơng pháp điện di mao quản đà đợc công bố detector độ dẫn không tiếp xúc (CCD) [54, 55, 82, 103] Detector đơn giản detector đo quang nói chung, phức tạp chi phí tơng đối thÊp so víi kü tht plasma c¶m øng ghÐp nèi với khối phổ (ICP-MS) Detector cho độ nhạy tơng đối tốt với hầu hết hợp phần vô cơ, nữa, ứng dụng không giới hạn cho hợp phần vô mà ứng dụng nhiều cho hợp phần hữu sinh học Phơng pháp điện di mao quản với detector độ dẫn không tiếp xúc kiểu kết nối tụ điện (CE-C4D) đà đợc áp dụng thành công cho việc phân tích kim loại nói chung [16, 52, 61] phân tích riêng rẽ dạng selen [60] crom [59] nói riêng Điều mở khả ứng dụng phơng pháp việc phân tích tổng hàm lợng riêng rẽ dạng nguyên tố nói chung phân tích asen nớc ngầm nói riêng - vấn đề mối quan tâm không Việt Nam mà cđa nhiỊu qc gia trªn thÕ giíi [8, 18, 31, 41, 62, 66, 83] Việc phân tích riêng rẽ dạng asen (bao gồm dạng asen vô As(III), As(V) asen hữu nh axit monometylasonic (MMA), axit dimetylasinic (DMA), ) có ý nghĩa đánh giá khả tác động ô nhiễm asen nớc ngầm tới sức khỏe ngời sử dụng dạng asen vô tự nhiên chiếm tỷ lệ cao hơn, đồng thời có độc tính cao so với dạng asen hữu [41, 83] Từ đó, giúp nhà quản lý đề biện pháp nhằm ngăn ngừa giảm thiểu nguy phơi nhiễm asen ngời dân sử dụng nguồn nớc ngầm bị ô nhiễm asen Với đề tài Nghiên cứu xác định dạng asen vô nớc ngầm phơng pháp điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc, luận án chủ yếu tập trung vào việc nghiên cứu tối u hóa quy trình phân tích dạng asen vô As(III) As(V) nớc ngầm phơng pháp điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc, cho đạt độ nhạy đáp ứng đợc hàm lợng asen nớc ngầm (50 g/L) theo QCVN 09: 2008/BTNMT [1], tốt đáp ứng yêu cầu chất lợng nớc cấp sinh hoạt hàm lợng asen cho phép (10 g/L) theo TCVN 5502: 2003 [2] Mục tiêu tối u hóa thiết bị phân tích điện di mao quản để tiến hành phân tích phòng thí nghiệm, đồng thời thực phân tích trờng cách sử dụng ắc quy nạp lại đợc Từ đó, hy vọng mở rộng khả ứng dụng phơng pháp phân tích điện di mao quản, góp phần làm phong phú thêm phơng pháp phân tích công cụ đại Việt Nam Nội dung luận án Để đạt đợc mục tiêu đề ra, nội dung nghiên cứu cần thực nh sau: - Tổng quan tài liệu phơng pháp điện di mao quản, ứng dụng phơng pháp việc phân tích dạng asen vô (As(III) As(V)), nh nghiên cứu liên quan đến việc phát triển thiết bị phân tích trờng theo nguyên lý phơng pháp điện di mao quản - Nghiên cứu khảo sát điều kiện tối u xác định dạng asen As(III) As(V) nớc ngầm phơng pháp điện di mao quản tích hợp với detector độ dẫn không tiếp xúc kết nối theo kiểu tụ điện (lựa chọn dung dịch pha động điện di, mao quản, thông số máy đo, yếu tố ảnh hởng mẫu, ) - Đánh giá độ tin cậy khả ứng dụng phơng pháp việc phân tích dạng asen vô nớc ngầm: phân tích mẫu thực tế có so sánh với phơng pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử kết hợp với thiết bị hyđrua hóa (HVG-AAS) plasma c¶m øng ghÐp nèi víi khèi phỉ (ICP-MS) - Nghiên cứu phát triển thiết bị CE-C4D thành công cụ phân tích trờng cách sử dụng nguồn điện ắc quy nạp lại đợc Những đóng góp luận án - Đây nghiên cứu nhằm xác định dạng asen vô (As(III) As(V)) phơng pháp điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc kiểu kết nối tụ điện (CE-C4D) - Đà nghiên cứu thành công quy trình phân tích As(III) As(V) mẫu nớc ngầm Việt Nam Trong đó, tín hiệu asen nhỏ nhng phân tách tốt không bị ảnh hởng pic hàm lợng lớn anion có mẫu - Lần Việt Nam đà tối u hóa đợc thiết bị CE-C4D cho mục đích sử dụng phòng thí nghiệm mà phân tích trờng cách sử dụng nguồn điện ắc quy nạp lại đợc Bố cục cđa ln ¸n Ln ¸n gåm 137 trang víi 54 hình sắc đồ; 24 bảng số liệu 106 tài liệu tham khảo Luận án đợc cấu tạo gồm: 14 trang danh mục bảng biểu, hình vẽ, sắc đồ, đồ thị mục lục, trang mở đầu, 32 trang tổng quan tài liệu, 12 trang nội dung phơng pháp nghiên cứu, 59 trang kết nghiên cứu thảo luận, trang kết luận, trang đề xuất hớng nghiên cứu Ngoài luận án có trang danh mục công trình tác giả có liên quan đến luận án, 13 trang tài liệu tham khảo 14 trang phụ lục B Nội dung luận án Chơng tổng quan Chơng đề cập đến nội dung nh sau: Tổng quan phơng pháp điện di mao quản: giới thiệu chung, trình xảy mao quản, thông số liên quan đến chế điện di, kỹ thuật làm giàu mẫu, detector sử dụng, kỹ thuật bơm mẫu phơng pháp điện di mao quản Giới thiệu chung nguyên tố asen vấn đề ô nhiễm asen nớc ngầm, nh phơng pháp xác định asen thờng đợc sử dụng Phơng pháp điện di mao quản xác định asen tình hình phát triển thiết bị phân tích trờng sở phơng pháp điện di mao quản chơng Nội dung v phơng pháp nghiên cứu * Mục tiêu luận án: Mục tiêu luận án nghiên cứu xác định dạng asen vô vơ (As(III) As(V)) mẫu nớc ngầm (với độ nhạy thỏa mÃn QCVN 09: 2008/BTNMT hàm lợng asen nớc ngầm (50 g/L)) phơng pháp điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc theo kiểu kết nối tụ điện (CE-C4D) Tiến tới, thiết bị điện di CE-C4D đợc phát triển thành công cụ có khả mang phân tích trờng * Phơng pháp nghiên cứu - Phơng pháp phân tích: phơng pháp điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc kết nối kiểu tụ điện (CE-C4D) - Phơng pháp so sánh, đối chứng: phơng pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử kết hợp với thiết bị hyđrua hóa (HVG-AAS) plasma cảm ứng ghép nối với khối phổ (ICP-MS) Chơng kết v thảo luận 3.1 Khảo sát điều kiện tối u phân tích đồng thời As(III) As(V) phơng pháp điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc kết nối theo kiểu tụ điện (CE-C4D) Vì giá trị pKa1 = 9,2 axit arsenous (H3AsO3) nên dung dịch pha động điện di khảo sát phải có pH nằm xung quanh 9,0 cao nhằm đảm bảo cho phân ly thành ion dạng As(III) dung dịch nớc Khi đó, As(III) As(V) đợc phân tích tơng ứng dạng anion H2AsO3- HAsO42- Một vấn đề gặp phải khảo sát ban đầu nhằm phân tích đồng thời hai hợp phần asen As(III) As(V) pH cao trùng lặp pic As(V) photphat (một thành phần thờng xuất nớc tự nhiên nói chung nớc ngầm nói riêng) Để giải vấn đề này, giải pháp đà đợc áp dụng thay đổi thành phần và/hoặc pH dung dịch pha động điện di Arg-axit ascobic, tăng chiều dài mao quản từ 50 cm lên 60 cm, giảm giảm đờng kính mao quản tõ 50 μM xuèng 25 μM, tõ ®ã ®· cã thể tách hoàn toàn pic As(V) khỏi pic photphat nh− minh häa ë h×nh 3.5 x10 -3 B As(V) 80 10 mV photphat 70 60 0.20195 200 205 210 215 Thêi gian (s) 0.15 A 0.10 50 mV 0.05 0.00 100 200 300 Thêi gian (s) Hình 3.5 Sự phân tách As(V) photphat 20 M giảm đờng kính mao quản A- Điện di đồ tổng thể; B- Phần điện di đồ phóng to Tuy nhiên, thực phân tích mẫu thực tế (nớc ngầm), hàm lợng ion (sunphat, nitrat, clorua, cacbonat, ) cao so với hàm lợng photphat asen (có thể hàng nghìn lần) đà tạo pic lớn, che lấp hoàn toàn pic photphat As(V) Tóm lại, thực phân tích đồng thời hai hợp phần asen As(III) vµ As(V) nỊn mÉu thùc tÕ (n−íc ngầm) mà phải thực riêng rẽ khảo sát tối u cho trờng hợp Trong đó, As(III) thực phân tích môi trờng kiềm (pH 9,0 ) As(V) thực phân tích môi trờng pH thấp (pH = ữ 7) 3.2 Khảo sát điều kiện tối u phân tích As(V) phơng pháp điện di mao quản CE-C4D 3.2.1 Khảo sát lựa chọn dung dịch pha động điện di As(V) có giá trị pKa axit asenic (H3AsO4) tơng ứng 2,2; 7,1 11,5 nên khoảng pH = ữ 7, As(V) tồn dạng H2AsO4- Kết khảo sát pH khác sở thay đổi tỷ lệ thành phần pha động điện di histidin - axit axetic cho thấy tăng tỷ lệ axit axetic thành phần pha động điện di, tức pH giảm độ phân tách pic As(V) photphat tốt tín hiệu chiều cao pic As(V) tăng Kết đợc kiểm chứng phần mềm mô trình điện di PeakMaster [39] từ cho thấy dùng axit axetic thành phần dung dịch pha động điện di xu hớng cho kết chí tốt Kết khảo sát ảnh hởng pH pha động điện di chØ dïng axit axetic tõ ÷ 30 mM øng với pH nằm khoảng 3,6 ữ 4,8 (hình 3.10) cho thấy dung dịch pha động điện di có pH = 4,6 øng víi nång ®é axit axetic mM cho kết tốt pH này, nồng độ As(V) dạng anion H2AsO4- đạt cực đại ®ã axit H3AsO4 ph©n ly triƯt ®Ĩ nhÊt, ®ång thêi anion H2AsO4- bị phân ly để tạo thành HAsO42- Cùng với pH, thành phần pha động điện di đợc khảo sát sở thay axit axetic b»ng axit ascobic, axit boric vµ axit tartric KÕt thu đợc cho thấy, hai dung dịch pha động điện di axit axetic axit ascobic sử dụng để phân tích As(V) Tuy nhiên, axit axetic đợc lựa chọn có kết tỷ số S/N tốt Ngoài ra, axit axetic có u điểm giá thành rẻ, thông dụng không lo ngại làm ảnh hởng đến chuyển hóa dạng asen axit ascobic có tính khử ChiỊu cao pic cđa As(V) (mV) 12 11 10 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 pH cña dung dịch pha động điện di (axit axetic) 4.8 Hình 3.10 Đồ thị thể phụ thuộc chiều cao pic As(V) 1,3 M vào pH dung dịch pha ®éng ®iƯn di axit axetic Nh− vËy, axit axetic mM, pH = 4,6 đợc lựa chọn làm dung dịch pha động điện di phân tích As(V) 3.2.2 Khảo sát lựa chọn thời gian bơm mẫu Nhằm nâng cao độ nhạy cho việc phân tích asen, phơng pháp điện di CE-C4D sử dụng kết hợp với kỹ thuật bơm mẫu l-ợng lớn không kèm theo trình chuyển phân cực Kết khảo sát thay đổi thời gian bơm mẫu khoảng từ 10 s đến 120 s cho thấy với thời gian bơm mẫu dài sÏ cho tÝn hiƯu pic cđa As(V) lín h¬n Tuy nhiên, đối tợng mẫu phân tích nớc ngầm có chứa hàm lợng cao gấp nhiều lần anion (Cl-, NO3-, SO42-, HCO3-, ) tín hiệu chúng tăng với việc tăng thời gian bơm mẫu làm ảnh hởng đến tín hiệu As(V) Do đó, thời gian bơm mẫu tối u 120 s đợc lựa chọn vừa để đảm bảo tăng độ nhạy mà có đợc phân tách tốt tín hiệu pic As(V) photphat, nh pic anion có mẫu 3.2.3 Khảo sát ảnh hởng anion thêm HCl vào mẫu phân tích có tác dụng khắc phục đợc ảnh hởng cacbonat mà tạo hiệu ứng làm giàu chất phân tích đợc mong muốn phân tích asen Do đó, HCl mM đợc thêm vào tất dung dịch phân tích, bao gồm đờng chuẩn phân tích As(V) 3.2.3.4 Khảo sát ảnh hởng anion nguyên tố nằm gần asen bảng Hệ thống tuần hoàn Các nguyên tố nằm gần As bảng Hệ thống tuần hoàn gồm: Si, Ge, Sn, P, Sb, Bi, Se, Te (nguyên tố S đà khảo sát ảnh hởng dới dạng SO42) Từ thông tin bán kính ion nguyên tố thấy nguyên tố có tiềm ảnh hởng đến việc xác định As(V) nớc ngầm Ge, Si, P Se Từ kết khảo sát ảnh hởng anion Si(IV), Ge(IV) Se(VI) 100 g/L pha HCl mM cho thÊy c¶ ba pic Si(IV), Ge(IV) Se(VI) xuất trớc khoảng cách an toàn so với pic As(V) nên không ảnh hởng đến việc xác định As(V) Với photphat, khác với môi trờng kiềm, điều kiện pH thấp lại cho kết phân tách tơng đối tốt pic As(V) photphat Nh vậy, điều kiện tối u cho phân tích As(V) phơng pháp điện di mao quản CE-C4D bao gồm: dung dịch pha ®éng lµ axit axetic mM cã pH = 4,6; điều kiện bơm mẫu: thủy động lực học kiểu xiphông ë ®é cao 20 cm 120 s; ®iƯn thÕ tách: -15 kV; mao quản silica có đờng kính 50 μm víi tỉng chiỊu dµi Ltot = 60 cm (chiều dài hiệu dụng: Leff = 53 cm) Về ảnh hởng anion: số anion khảo sát với khoảng hàm lợng thờng có nớc ngầm, có ảnh hởng cacbonat đáng kể ảnh hởng đà đợc đề xuất khắc phục cách trung hòa axit HCl và/hoặc pha loÃng mẫu với mẫu có độ kiềm cao 3.2.4 Đờng chuẩn phân tích As(V) đánh giá phơng pháp nghiên cứu 3.2.4.1 Đờng chuẩn phân tích As(V) 11 Đờng chuẩn điểm (hình 3.19) với khoảng nồng độ As(V) từ 10 đến 100 g/L (0,13 đến 1,33 M) pha dung dịch HCl mM thực sở điều kiện tối u thu đợc Đờng chuẩn đợc tính theo diện tích pic sau biểu diễn phần mềm Origin 6.0 cho hệ số tơng quan (R2) 0,997 điểm đo lặp lại lần cho giá trị độ lệch chuẩn tơng đối (RSD) thu đợc từ 1,2% đến 7,9% với khoảng nồng độ As(V) từ 10 ®Õn 100 μg/L y = 3,538x - 3,335 R = 0,9973 ; SD = 2,605 DiÖn tÝch pic cña As(V) (V.s) 400 300 200 100 0 20 40 60 80 100 N ång ®é A s(V ) ( g/L ) Hình 3.19 Đờng chuẩn phân tích As(V) Từ kết đờng chuẩn tính đợc giới hạn phát giới hạn định lợng phơng pháp As(V) nh sau: Giới hạn phát (LOD): S 2,605 LOD = b = ⋅ = 2,2 (μg / L ) b 3,538 Giới hạn định lợng (LOQ): S 2,605 LOQ = 10 ⋅ b = 10 ⋅ = 7,4 (μg / L ) b 3,538 12 Kho¶ng tun tÝnh cđa đờng chuẩn trờng hợp từ 7,4 đến 100 g/L (0,1 ữ 1,3 M) 3.2.4.2 Độ lặp lại Độ lặp lại đợc đánh giá cách đo lần dung dịch chuẩn As(V) có nồng độ 25 g/L (0,3 M) Kết cho thấy độ lặp lại đạt đợc tốt (RSD = 5,9%) mức nồng độ tơng đối thấp 25 g/L 3.2.4.3 Đánh gi¸ hiƯu st thu håi As(V) HiƯu st thu håi As(V) đợc thực với ba mức nồng độ khác khoảng tuyến tính đờng chuẩn: 10, 25 75 g/L đợc thêm mẫu nớc ngầm QT11 (đà đợc xác định phơng pháp HVG-AAS không bị ô nhiễm asen) Riêng với mức nồng độ nhỏ 10 g/L đợc thực với mẫu chuẩn (tự pha) Hệ số thu hồi đạt đợc từ 87,0 đến 109,3% Các kết cho thấy hệ số thu hồi đạt đợc tốt mức nồng độ As(V) khác 3.2.4.4 So sánh phơng pháp CE-C4D với phơng pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (HVG-AAS) việc xác định As(V) Việc so sánh đợc thực cách thêm mức nồng ®é As(V) n»m kho¶ng tun tÝnh cđa ®−êng chn vào mẫu nớc ngầm không bị nhiễm asen Kết thu đợc cho hệ số tơng quan tuyến tính hai phơng pháp R2 = 0,98 Điều chứng tỏ phơng pháp nghiên cứu hoàn đáng tin cậy 3.3 Khảo sát điều kiện tối u phân tích As(III) phơng pháp điện di mao quản CE-C4D 3.3.1 Khảo sát lựa chọn dung dịch pha động điện di Tính chất điện di As(III) đà đợc khảo sát với hệ dung dịch pha động điện di kết hợp Arg số axit thông dụng phơng pháp điện di nh MES, CHES, MOPS, TAPS, CAPS pH khác (trong khoảng từ đến 10) sở thay đổi tỷ lệ thành phần axit 13 bazơ hợp lý Kết thu đợc cho thấy, giá trị pH tối -u cho phân tích As(III) tr-ờng hợp 9,0 dung dịch pha động điện di tối u cho việc phân tích As(III) CAPS/Arg 120 mV Arg-CAPS 0.6 EOF cacbonat 0.8 As(III) tÝn hiƯu cđa hÖ thèng As(III) Arg-CHES As(III) 0.4 Arg-TAPS As(III) Arg-MES 0.2 As(III) Arg-MOPS 0.0 20 40 60 80 100 Thêi gian (s) 120 140 160 Hình 3.26 So sánh tính chất điện di As(III) 100 M dung dịch pha động điện di khác pH = 9,0 3.3.2 Khảo sát lựa chọn thời gian bơm mẫu Tơng tự nh trờng hợp As(V) trên, kỹ thuật bơm mẫu với lợng lớn đợc áp dụng nhằm nâng cao độ nhạy cho việc phân tích As(III) phơng pháp điện di mao quản CE-C4D Từ kết khảo sát thời gian bơm mẫu từ 10 s đến 120 s đà lựa chọn đợc thời gian bơm mẫu 60 s pic As(III) bị che phủ ảnh hởng pic hàm lợng lớn anion có mẫu với thêi gian b¬m mÉu lín h¬n 60 s Nh− vËy, điều kiện tối u cho phân tích As(III) môi trờng kiềm phơng pháp CE-C4D là: dung dịch pha ®éng ®iÖn di Arg mM 14 CAPS 50 mM có thêm 30 M CTAB để làm thay đổi dòng ®iƯn di thÈm thÊu, pH = 9,0; ®iỊu kiƯn b¬m mẫu: thủy động lực học kiểu xiphông độ cao 20 cm 60 s; mao quản silica có đờng kÝnh 50 μm vµ tỉng chiỊu dµi Ltot = 60 cm (chiỊu dµi hiƯu dơng: Leff = 53 cm); điện tách: -15 kV 3.3.3 Khảo sát ảnh hởng ion Ngoài anion thờng có nớc ngầm khảo sát phần As(V) (clorua, cacbonat, nitrat, sunphat, ), hai cation khác cần quan tâm sắt mangan Trong đó, sắt mangan (các cation) xét mặt phân tích điện di không ảnh hởng đến việc xác định asen dới dạng anion nhng As(III) phân tích môi trờng kiềm (pH 9,0) nên có khả sắt mangan có mẫu nớc ngầm tạo thành dạng hydroxit kết tủa ảnh hởng đến kết phân tích ảnh hởng sắt mangan đợc khảo sát cách thay đổi hàm lợng ion Fe2+ Mn2+ tơng ứng khoảng nồng độ 0,1 ữ 10,0 mg/L 0,01 ữ 5,0 mg/L (khoảng nồng độ thờng thấy nớc ngầm) giữ cố định nồng độ As(III) 10 M Từ kết khảo sát cho thấy Mn2+ khoảng nồng độ 0,1 mg/L ảnh hởng mạnh nồng độ >1 mg/L Theo kết phân tích nớc ngầm (cha công bố) nhóm nghiên cứu Kim loại nặng thuộc Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trờng Phát triển Bền vững trờng Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội 15 tỉnh, thành phố thuộc vùng đồng Châu thổ sông Hång th× tỉng sè 461 mÉu cã 339 mÉu (73,5 %) với hàm lợng sắt > 0,1 mg/L 281 mẫu (60,9 %) với hàm lợng sắt > mg/L Nh tình đặt khó phân tích As(III) tơng đối nhiều mẫu nớc ngầm sử dụng dung dịch pha động điện di có môi trờng kiềm Từ đó, khả đợc xem 15 xét đến phân tích As(III) cách oxy hóa As(III) lên As(V) sau đà thực phép đo As(V) (trong môi trờng pH thấp) để nhận đợc hàm lợng asen tổng, hàm lợng As(III) đợc tính cách lấy hiệu số hai lần đo Tuy nhiên, để thực đợc phơng án này, cần tìm tác nhân oxy hóa hiệu As(III) lên As(V) 3.3.4 Nghiên cứu xác định As(III) cách oxy hóa lên As(V) Trong số chất oxy hóa, tập trung nghiên cứu ba chất thờng đợc sử dụng cho mục đích H2O2, MnO4- Cr2O72- 3.3.4.1 Nghiªn cøu oxy hãa As(III) lªn As(V) b»ng H2O2 Chất oxy hóa đợc lựa chọn cho nghiên cứu H2O2 mặt lý thuyết sản phẩm phản ứng nớc không gây ảnh hởng đến phép xác định As(V) Tuy nhiên, kết khảo sát lại cho thấy tín hiệu lạ (pic không xác định) xuất vị trí tín hiệu As(V) với cờng độ tăng tăng lợng H2O2 sử dụng Do đó, việc sử dụng H2O2 cho mục đích oxy hóa As(III) lên As(V) trờng không phù hợp 3.3.4.2 Nghiên cứu oxy hóa As(III) lên As(V) MnO4- Đây chất oxy hóa mạnh, oxy hóa hầu hết chất vô hữu Kết phân tích cho thấy dïng MnO4- 3.10-5 M (d− 75% so víi l−ỵng tính theo phơng trình phản ứng) cho điện di đồ với đờng không ổn định không đồng lần đo Nguyên nhân MnO4- chất oxy hóa mạnh, trình phân tích tơng tác với thành mao quản gây nên tín hiệu nhiễu 3.3.4.3 Nghiên cứu oxy hóa As(III) lên As(V) Cr2O72- Kết cho thÊy sư dơng Cr2O72- th× hiƯu st oxy hãa As(III) lên As(V) thấp, đạt 10% nồng độ As(III) 0,7 M với lợng Cr2O72dùng d 78 lần tính theo phơng trình phản ứng Tuy nhiên, với chất oxy hãa nµy, tÝn hiƯu cđa Cr2O72- d− xt hiƯn sau tín hiệu Cl- cách tín hiệu As(V) khoảng an toàn Ngoài ra, khác với trờng hợp KMnO4-, 16 tín hiệu đờng điện di đồ ổn định lần đo Đây u điểm lớn sử dụng tác nhân oxy hãa Cr2O72- 3.3.4.4 Nghiªn cøu oxy hãa As(III) lªn As(V) hỗn hợp Cr2O72- MnO4- Trên sở u điểm nêu nhằm khắc phục nhợc điểm hiệu suất oxy hóa thấp tác nhân oxy hóa Cr2O72-, đà thêm thể tích định MnO4- 10 mM vào mẫu có chứa As(III) mµ Cr2O72- 10-5 M chØ cã thĨ oxy hãa đợc 10% As(III) lên As(V) Kết cho thấy khả quan hiệu suất oxy hóa tăng lên với lợng thêm MnO4- đạt đợc hiệu suất oxy hãa 100% víi ph¶n øng x¶y tøc thêi thêm MnO4- 3,5.10-5 M Ngoài ra, tín hiệu đờng trờng hợp ổn định lần đo Kết hiệu suất oxy hóa (bảng 3.17) thu đợc từ 96,8 đến 100,2 % cho thấy việc dùng hỗn hợp chất oxy hóa nêu để oxy hóa As(III) lên As(V) hiệu đáng tin cËy B¶ng 3.17 HiƯu st thu håi As(III) sau phản ứng oxy hóa lên As(V) Nồng độ As(III) (g/L) Nồng độ As(V) tơng ứng phân tích đợc (g/L) Hiệu suÊt oxy hãa (%) 25 25,0 ± 1,7 100,0 50 50,1 ± 0,9 100,2 75 72,6 ± 0,9 96,8 100 99,8 0,6 99,8 3.3.5 Phân tích riêng rẽ As(III) As(V) mẫu nớc ngầm phơng pháp điện di mao quản CE-C4D Trên sở kết tối u hóa thu đợc, tiến hành phân tích riêng rẽ As(III) As(V) mẫu nớc giếng khoan lấy hộ dân xà Mai Động (Kim Động Hng Yên), xà Trung Văn (Từ Liêm Hà 17 Nội), xà Vân Cốc (Đan Phợng Hà Nội) xà Vạn Phúc (Thanh Trì - Hà Nội) Tất kết phân tích so sánh với phơng pháp Quang phổ hấp thụ nguyên tử (HVG-AAS) phơng pháp Plasma cảm ứng ghép nối với khối phổ (ICP-MS) Kết cho hệ số tơng quan R2 = 0,94 (hình 3.35) chứng tỏ phơng pháp sử dụng đáng tin cậy Một số điện di đồ minh họa hình 3.34 anion 200 As(V) 100 mV 100 As(V) QT27 As(V) QT16 As(V) QT13 As(V) QT52 -100 QT41 QT24 As(V) 200 400 600 Thời gian (s) 800 1000 Hình 3.34 Điện di đồ phân tích As(V) số mẫu nớc ngầm Phương pháp CE-C4D (μ g/L) 500 R2 = 0.949 400 300 200 100 0 100 200 300 400 Phương pháp HVG-AAS ICP-MS (μ g/L) 18 500 H×nh 3.35 So sánh việc phân tích asen mẫu nớc ngầm phơng pháp CE-C4D HVG-AAS ICP-MS 3.4 Tối u hóa hệ thiết bị điện di mao quản CE-C4D nhằm mục đích phân tích trờng Trên sở kết nghiên cứu phân tích As(III) As(V) sử dụng thiết bị CE-C4D nêu trên, tốt tối u hóa đợc thiết bị để thực phân tích trờng trờng hợp cần thiết Sau thông số liên quan đến hệ thiết bị hoạt động nhằm mục đích phân tích trờng 3.4.1 Sự cần thiết việc phân tích trờng mô hình hệ thiết bị CE-C4D 3.4.2 Detector độ dẫn không tiếp xúc xử lý số liệu dùng ắc quy Nguồn cấp cho hoạt động thiết bị hai ắc quy axit chì 12 V (NP 1.2-12, Yuasa, c«ng suÊt 1,2 Ah) cã thể nạp lại đợc Bộ phận xử lý số liệu hệ xử lý số liệu tự động ADC-16 hÃng Pico Technology, Anh) Nguồn cấp cho phần ắc quy axit chì 12 V (NP 3.2-12, Yuasa) với công suất 3,2 Ah Hệ đợc nối với máy tính xách tay để thực việc xử lý số liệu phần mềm picolog liệu thu thập đợc tiếp tục xử lý cho phân tích định lợng (tính chiều cao diện tích pic) với phần mềm Chart 5.0 3.4.3 Các hoạt động hệ thiết bị trờng Về nguyên tắc, hệ thiết bị mang trờng có tính tơng tù nh− sư dơng phßng thÝ nghiƯm, chØ khác nguồn điện sử dụng Do đó, hoạt động nh kết thu đợc tơng tự nh hoạt động phòng thí nghiệm 3.4.4 Thử nghiệm hoạt động thiết bị CE-C4D cho mục đích phân tích asen trờng 19 Thiết bị CE-C4D đà đợc thử nghiệm hoạt động phân tích asen xà Vạn Phúc - Thanh Trì - Hà Nội Tất mẫu lu lại mang phòng thí nghiệm phân tích để so sánh biến đổi dạng As(III) As(V) phân tích trờng phòng thí nghiệm (sau 48 bảo quản nhiệt độ thờng) Kết phân tích nêu bảng 3.19 hình ảnh minh họa sử dụng thiết bị CE-C4D trờng hình 3.38 Bảng 3.19 Kết phân tích As(III) As(V) mẫu nớc ngầm trờng phòng thí nghiệm STT Tên mẫu Kết phân tích trờng (g/L) Kết phân tích phßng thÝ nghiƯm sau 48 giê (μg/L) As(III) TB ± SD As(V) TB ± SD As(III) TB ± SD As(V) TB ± SD QT 13 71 ± 13 56 ± 35 ± 98 ± QT 14 61 ± 48 ± 27 ± 80 ± QT 15 150 ± 14 41 ± 53 ± 11 136 ± QT 16 79 ± 50 ± 45 ± 11 82 ± QT 17 135 ± 14 46 ± 57 ± 14 126 ± QT 18 87 ± 45 ± 46 ± 10 85 ± 7 QT 19 72 ± 37 ± 27 ± 84 ± QT 20 45 ± 52 ± 35 ± 69 ± QT 24 148 ± 12 32* ± 52 ± 13 126 ± 10 QT 27 218 ± 16 41 ± 61 ± 19 199 ± 14 11 QT 30 179 ± 15 54 ± 83 ± 17 149 ± 12 QT 46 72 ± 10 39 ± 42 ± 71 ± 20 13 QT 48 107 ± 14 76 ± 55 ± 11 131 ± 14 QT 49 256 ± 18 45 ± 81 ± 16 219 11 *: kết phân tích As(V) thÊp h¬n LOQ (35 μg/L), cao h¬n LOD (10 μg/L), nhiên kết tính theo diện tích nên tin cậy đợc Từ kết phân tích tính đợc lợng As(III) chuyển hóa thành As(V) sau 48 bảo quản nhiệt độ th−êng nh− sau: % As(III) chun hãa = Nång ®é As(V)TN - Nång ®é As(V)HT Nång ®é As(III)HT x 100% Trong đó: nồng độ As(V)TN nồng độ As(V) phân tích phòng thí nghiệm, nồng độ As(V)HT nồng độ As(V) phân tích trờng nồng độ As(III)HT nồng độ As(III) phân tích trờng Hình 3.38 Hình ảnh minh họa việc thực phân tích sử dụng thiết bị phân tích trờng CE-C4D Kết tính với 14 mẫu cho thấy đà có 38 ữ 72 % lợng As(III) chuyển hóa thành As(V) sau 48 bảo quản nhiệt độ thờng Nh vậy, 21 việc thực phân tích dạng As(III) As(V) trờng có ý nghĩa với u điểm nh tránh đợc chuyển hóa dạng asen, không cần bảo quản mẫu từ giảm đợc chi phí phân tích 22 Kết luận Sau trình thực nội dung nghiên cứu đề ra, đà thu đợc kết nh sau: - Đà khảo sát phân tích đồng thời hai hợp phần asen vô As(III) As(V) phơng pháp điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc (CE-C4D) môi trờng kiềm thu đợc số kết khả quan việc tìm điều kiện phân tích tối u nhằm vợt qua đợc khó khăn xen phủ pic As(V) photphat Tuy kết không áp dụng đợc cho mục đích phân tích mẫu thực tế (nớc ngầm) nhng từ đà đa đợc kết luận cần phải thực phân tích riêng rẽ As(III) As(V) hai điều kiện phân tích khác nhằm đáp ứng cho nhu cầu phân tích mẫu thực tế - Đà tối u hóa điều kiện phân tích As(V) phơng pháp điện di mao quản CE-C4D bao gồm: dung dịch pha ®éng ®iƯn di lµ axit axetic mM cã pH = 4,6; điều kiện bơm mẫu: thủy động lực học kiểu xiphông độ cao 20 cm 120 s; điện tách: -15 kV; mao quản silica có đờng kÝnh 50 μm víi tỉng chiỊu dµi Ltot = 60 cm (chiỊu dµi hiƯu dơng: Leff = 53 cm) Giới hạn phát đạt đợc cho As(V) chất chuẩn 2,2 g/L (0,03 M) Phơng pháp đợc kiểm chứng qua việc phân tích số mẫu chuẩn tự pha so sánh với phơng pháp Quang phổ hấp thụ nguyên tử (HVG-AAS) cho kết hệ số tơng quan đáng tin cậy R2 = 0,96 - Đà khảo sát điều kiện phân tích As(III) phơng pháp điện di mao quản CE-C4D môi trờng kiềm Tuy nhiên, điều kiện phân tích tối u đà áp dụng cho đối tợng mẫu nớc ngầm giới hạn phát cao (72,7 g/L) bị ảnh hởng nhiều sắt Từ đó, đà khảo sát lựa chọn đợc hỗn hợp chÊt oxy hãa lµ Cr2O72- 10-5 M vµ MnO4- 3,5.10-5 M cho mục đích phân tích As(III) cách oxy hãa 23 lªn As(V) HiƯu st oxy hãa As(III) b»ng hỗn hợp chất oxy hóa đạt đợc tốt từ 96, đến 100,2% - Đà khảo sát ¶nh h−ëng cđa mét sè ion cã n−íc ngÇm (Fe2+, Mn2+, NO3-, SO42-, CO32-, Cl-, PO43-, ) đề xuất giải pháp khắc phục ảnh hởng (nếu có) chúng đến phép xác định As(III) As(V) Trong đó, đáng kể ảnh hởng cacbonat đà đợc khắc phục cách trung hòa HCl và/hoặc pha loÃng mẫu phân tích có hàm lợng kiềm cao - Đà ứng dụng điều kiện tối u thu đợc thiết bị CE-C4D để phân tích riêng rẽ As(III) As(V) 54 mẫu nớc ngầm Các kết đợc so sánh với phơng pháp Quang phổ hấp thụ nguyên tử (HVGAAS) phơng pháp Khối phổ cảm ứng liên kết plasma (ICP-MS) cho kết tơng quan tốt (R2 = 0,94) - Đà tối u hóa đợc thiết bị CE-C4D thực phân tích phòng thí nghiệm mà phân tích trờng cách sử dụng ắc quy nạp lại đợc cho toàn hệ thống Thiết bị CE-C4D đà đợc thử nghiệm phân tích As(III) As(V) 14 mẫu nớc ngầm trờng (xà Vạn Phúc - Thanh Trì - Hà Nội) Các mẫu lu lại mang phân tích phòng thí nghiệm để so sánh chuyển hóa dạng asen Kết sơ cho thấy đà có 38 ữ 72 % lợng As(III) chuyển hóa thành As(V) sau 48 bảo quản nhiệt độ thờng Điều đà minh chứng việc thực phân tích dạng asen trờng u việt 24 Danh mục công trình tác giả đ công bố có liên quan đến đề ti luận án Huong Thi Anh Nguyen, Pavel Kub¸ň, Viet Hung Pham, Peter C Hauser (2007), “Study of the determination of inorganic arsenic species by CE with capacitively coupled contactless conductivity detection”, Electrophoresis 28, pp 3500 - 3506 Pavel Kub¸ň, Huong Thi Anh Nguyen, Mirek Macka, Paul R Haddad, Peter C Hauser (2007), “New fully portable Instrument for the versatile determination of cations and anions by capillary electrophoresis with contactless conductivity detection”, Electroanalysis 19, pp 2059 - 2065 Pham Thi Thanh Thuy, Nguyen Thi Anh Huong, Pham Hung Viet (2009), “Optimization for the determination of arsenic (V) in groundwater by portable capillary electrophoresis with contactless conductivity detection”, Proceeding of Analytica Vietnam Conference Hanoi 19-20/3/2009, pp 119-128 Nguyen Thi Anh Huong, Pham Thi Thanh Thuy, Do Phuc Quan, Peter C Hauser, Pham Hung Viet (2009), “Determination of the inorganic arsenic species As(III) and As(V) in Hanoi groundwater by using portable capillary electrophoresis with contactless conductivity detection”, Proceedings of the Symposium on Science and Technology for Sustainability, Nov 2- 4, Gwangju Korea, pp 32-49 25 ... trờng cách sử dụng nguồn điện ắc quy nạp lại đợc Những đóng góp luận án - Đây nghiên cứu nhằm xác định dạng asen vô (As(III) As(V)) phơng pháp điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc. .. định dạng asen vô nớc ngầm phơng pháp điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc, luận án chủ yếu tập trung vào việc nghiên cứu tối u hóa quy trình phân tích dạng asen vô As(III)... điện di mao quản - Nghiên cứu khảo sát điều kiện tối u xác định dạng asen As(III) As(V) nớc ngầm phơng pháp điện di mao quản tích hợp với detector độ dẫn không tiếp xúc kết nối theo kiểu tụ điện