Nghiên cứu xác định đồng thời hàm lượng sắt và canxi bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử kết hợp với phương pháp hồi quy đa biến tuyến tính - ứng dụng xác định hàm lượng sắt và canxi

Cây Chùm ngây đang được trồng phổ biến ở nước ta do khả năng thích nghi tốt với thời tiết và tiềm năng hạn chế tình trạng suy dinh dưỡng. Mục tiêu của nghiên cứu là xác định đồng thời hàm lượng các kim loại trong rau Chùm ngây.

KHOA HỌC NÔNG - LÂM NGHIỆP Nghiên cứu xác định đồng thời hàm lượng Sắt Canxi phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử kết hợp với phương pháp hồi quy đa biến tuyến tính - ỨNG DỤNG XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG SẮT VÀ CANXI TRONG RAU CHÙM NGÂY TẠI TỈNH PHÚ THỌ Phùng Thị Lan Hương, Nguyễn Thị Thu Hương, Nguyễn Ngọc Liên, Nguyễn Thị Bình Yên Khoa Khoa học Tự nhiên – Trường Đại học Hùng Vương Nhận ngày 24/10/2017, Phản biện xong ngày 13/12/2017, Duyệt đăng ngày 14/12/2017 TÓM TẮT C ây Chùm ngây trồng phổ biến nước ta khả thích nghi tốt với thời tiết tiềm hạn chế tình trạng suy dinh dưỡng Mục tiêu nghiên cứu xác định đồng thời hàm lượng kim loại rau Chùm ngây Chúng khảo sát tìm điều kiện ảnh hưởng đến quy trình xác định đồng thời hàm lượng sắt canxi rau Chùm ngây phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (Uv–Vis) kết hợp với phương pháp hồi quy đa biến tuyến tính (MLR): chất thị PAR, pH=6,9, thời gian lắc 10 phút, tỉ lệ phức 1:2, phương pháp bình phương tối thiểu phần (PLS) chạy phần mềm Matlab Áp dụng xác định hàm lượng sắt canxi ba mẫu rau Phú Thọ, kết thu sau: hàm lượng sắt khoảng: 0,5–0,8%, hàm lượng canxi khoảng: 1,33–1,72% Từ khóa: rau Chùm ngây, phổ hấp thụ nguyên tử (UV-Vis), phương pháp hồi quy đa biến tuyến tính (MLR), hàm lượng sắt, hàm lượng canxi, phương pháp bình phương tối thiểu phần (PLS) Mở đầu Cây Chùm ngây có danh pháp khoa học Moringa oleifera L thuộc họ Chùm ngây Chùm ngây loài thực vật thân gỗ trồng phổ biến khu vực Nam Á Hàm lượng chất dinh dưỡng rau Chùm ngây 68  Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ số (9) – 2017 cao nhiều so với loại rau khác Đặc biệt, rau có đầy đủ axit amin thiết yếu cho thể mà loại rau cung cấp đủ Ngồi ra, rau chứa nhiều vi chất dinh dưỡng chất chống oxi hóa, chất kháng ung thư mà KHOA HỌC NƠNG - LÂM NGHIỆP loại rau khác khơng có Vì vậy, Chùm ngây dần trở thành ăn hàng ngày gia đình [2,3,4] Phương pháp hồi quy đa biến mảng quan trọng Chemometric, dùng phổ biến phòng thí nghiệm hóa học Phương pháp giúp giải toán xác định đồng thời nhiều cấu tử có mặt hỗn hợp mà khơng cần tách loại trước phân tích Áp dụng phương pháp hồi quy đa biến vào việc xác định đồng thời hàm lượng kim loại rau xanh giúp cho việc xử lý mẫu đơn giản hơn, tiết kiệm hơn, hiệu [6] Đối tượng phương pháp nghiên cứu 2.1 Đối tượng • Lá chùm ngây tươi lấy địa điểm khác Phú Thọ • Hàm lượng sắt canxi rau xanh • Phức đơn ligan sắt(III), canxi(II) thuốc thử PAR 2.2 Phương pháp phân tích, xác định hàm lượng sắt canxi rau xanh ■■ Phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV-Vis: Phương pháp hoạt động dựa nguyên tắc xác định cấu tử X đó, ta chuyển X thành hợp chất có khả hấp thụ ánh sáng, đo hấp thụ ánh sáng hợp chất suy hàm lượng chất cần xác định X Cơ sở phương pháp định luật hấp phụ ánh sáng Bouguer–Lambert Beer: I0 = A lg= ε LC I Trong đó: • I0 , I cường độ ánh sáng vào khỏi dung dịch • L bề dày dung dịch ánh sáng qua • C nồng độ chất hấp thụ ánh sáng • ε hệ số hấp thụ quang phân tử [6] ■■ Phương pháp thống kê đa biến Phương pháp hồi quy đa biến kỹ thuật đa biến dùng rộng rãi phòng thí nghiệm hóa học, giúp giải toán xác định đồng thời nhiều cấu tử có mặt hỗn hợp mà khơng cần tách loại trước xác định Về nguyên tắc cần xây dựng dãy dung dịch chuẩn có mặt tất cấu tử cần xác định với nồng độ biết trước hỗn hợp (các biến độc lập X), đo tín hiệu phân tích dung dịch dạng hay nhiều biến phụ thuộc (Y) thiết lập mơ hình tốn học mơ tả quan hệ hàm Y (tín hiệu đo) biến độc lập X (nồng độ chất hỗn hợp) Dựa mơ hình tìm nồng độ cấu tử dung dịch định phân có tín hiệu phân tích dung dịch Phương pháp hồi quy đa biến tuyến tính (Multiple Linear Regression–MLR) gồm nhiều phương pháp phương pháp bình phương tối thiểu, đa dạng bình phương tối thiểu phần, phương pháp hồi quy cấu tử chính… Trong báo này, chúng tơi nghiên cứu kết luận sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu phần (Partial Least Square–PLS) có nhiều ưu điểm hơn, phân tích nhanh hơn, số liệu đầu vào đơn giản kết xác PLS phương pháp đa biến dùng để mơ hình hóa mối quan hệ biến độc lập X biến phụ thuộc Y PLS mơ hình hóa biến X Y đồng thời để tìm biến ẩn (Latent Variables–LVs) X mà từ đốn biến ẩn Y Mục đích PLS mơ hình hóa X cho đốn thơng tin Y PLS tối ưu hóa giá trị đồng phương sai Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ số (9) – 2017  69 KHOA HỌC NÔNG - LÂM NGHIỆP (covariance) ma trận X Y Hai ma trận X Y phân tích thành hai ma trận trị số (score matrices) T, U ma trận trọng số (loading matrices) P Q Hay nói cách khác PLS làm giảm số biến tạo cấu tử khơng liên quan, sau biểu diễn phương trình bình phương tối thiểu với cấu tử [7] 2.3 Phần mềm Matlab Matlab ngôn ngữ hiệu cao hỗ trợ đắc lực cho tính toán với ma trận số liệu hiển thị kết dạng đồ thị Matlab điều khiển tập lệnh, tác động qua bàn phím cửa sổ điều khiển Các câu lệnh đơn giản, viết sát với mơ tả kỹ thuật nên lập trình ngơn ngữ thực nhanh, dễ dàng so với nhiều ngôn ngữ thông dụng khác Pascal, Fortran,… Những hàm có sẵn Matlab có cấu trúc thiết lập gần giống ngơn ngữ C+, người dùng khơng nhiều thời gian học hỏi nắm vấn đề số ngôn ngữ lập trình thơng dụng Câu lệnh chạy PLS phần mềm Matlab (Commands for PLS) X tín hiệu (response) Y nồng độ (variable) Tính số laten variable, chọn số component (n > plot(1:n,cumsum(100*PctVar(2,:)),’-bo’); xlabel(‘Number of PLS components’); ylabel(‘Percent Variance Explained in Y’); Chạy lại với số n thích hợp [XL,YL,XS,YS,BETA,PctVar]= lsregress(X,Y,n); Xtest ma trận tín hiệu kiểm chứng mơ hình Xsam ma trận tín hiệu mẫu thực Ytest ma trận nồng độ mẫu kiểm chứng mơ hình 70  Tạp chí Khoa học & Công nghệ số (9) – 2017 Ypred ma trận nồng độ mẫu chuẩn tính lại từ ma trận BETA Ysam ma trận nồng độ mẫu thực tính lại từ ma trận BETA Ypred=[ones(size(X,1),1) X]*BETA; Ytest=[ones(size(Xtest,1),1) Xtest]*BETA; Ysam=[ones(size(Xsam,1),1) Xsam]*BETA; Lưu lại M-file vừa thực PLS.m Gọi hàm M-file vừa viết cửa sổ COMMAND WINDOW >> PLS Kết thảo luận 3.1 Quy trình xác định điều kiện tối ưu tạo phức Fe(III), Ca(II) PAR Chúng tiến hành khảo sát ảnh hưởng bước sóng, pH, thời gian đo sau tạo phức, thành phần phức, đến tạo phức đơn ligan Fe(III)-PAR, Ca(II)–PAR nước Kết thu sau: Bảng Các điều kiện tối ưu tạo phức (III)PAR, Ca(II)–PAR Phức chất pH Tỉ lệ phức Ca(II)-PAR Fe(III)-PAR 6,9 6,9 1:2 1:2 Thời gian (phút) 20 20 λMax (nm) 493 540 3.2 Xây dựng đường chuẩn xác định hàm lượng Fe(III) Ca(II) dung dịch phương pháp chiết–trắc quang Chuẩn bị 10 mẫu chứa dung dịch Ca(II)PAR, Fe(III)-PAR theo điều kiện tối ưu Bảng với nồng độ ion kim loại Bảng Các dung dịch đo phổ hấp thụ phân tử UV–Vis, kết thu trình bày hình 1, Từ đường chuẩn hình chúng tơi kết luận khoảng nồng độ tuyến tính để xác định nồng độ ion Ca(II) 0,5.10-5 – 3,5.10-5 M ion Fe(III) 0,45.10-5 – 2.10-5 M KHOA HỌC NÔNG - LÂM NGHIỆP Bảng Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang phức vào nồng độ Nồng độ ion kim loại (10-5 M) 0,5 0,7 1,0 1,2 1,5 1,7 2,0 2,5 Abs AFe–PAR ACa – PAR AFe–PAR ACa – PAR AFe–PAR ACa – PAR AFe–PAR ACa – PAR AFe–PAR ACa – PAR AFe–PAR ACa – PAR AFe–PAR ACa – PAR AFe–PAR ACa – PAR Lần Abs 0,036 0,014 0,077 0,02 0,133 0,116 0,19 0,242 0,237 0,3 0,283 0,357 0,297 0,510 0,319 0,708 Lần Abs 0,036 0,014 0,077 0,02 0,132 0,117 0,192 0,360 0,237 0,301 0,284 0,358 0,298 0,511 0,320 0,707 Lần Abs 0,0035 0,013 0,076 0,02 0,133 0,115 0,19 0,362 0,236 0,3 0,283 0,36 0,297 0,51 0,32 0,708 Trung bình Abs 0,036 0,0137 0,077 0,02 0,133 0,116 0,191 0,321 0,237 0,3 0,283 0,358 0,297 0,51 0,32 0,708 Hình Đường chuẩn phức Ca(II)–PAR Hình Đường chuẩn phức Fe(III)–PAR 3.3 Xây dựng quy trình xác định đồng thời sắt canxi dung dịch phương pháp phổ hấp thụ phân tử kết hợp với thống kê đa biến Đường chuẩn đa biến liệu dự đoán xây dựng ma trận độ xác định đồng thời kim loại xây dựng Sơ đồ bảng Kiểm tra lại tính mơ hình hồi quy 10 mẫu kiểm tra (Sơ đồ 2, bảng 4), bước tiến hành giống 30 mẫu chuẩn Sai số phép đo trình bày bảng Sai số phép kiểm tra từ 0,4–12,0% nằm giới hạn cho phép (