Xác định đồng vị kẽm trong mẫu sinh hóa bằng phương pháp khối phổ cao tàn cảm ứng Plasma

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN MẠNH HÀ XÁC ĐỊNH ĐỒNG VỊ KẼM TRONG MẪU SINH HÓA BẰNG PHƢƠNG PHÁP KHỐI PHỔ CAO TẦN CẢM ỨNG PLASMA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN MẠNH HÀ XÁC ĐỊNH ĐỒNG VỊ KẼM TRONG MẪU SINH HÓA BẰNG PHƢƠNG PHÁP KHỐI PHỔ CAO TẦN CẢM ỨNG PLASMA Chun ngành: Hố phân tích Mã số: 60440118 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TẠ THỊ THẢO Hà Nội - 2014 LỜI CẢM ƠN Với lịng biết ơn sâu sắc, tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Tạ Thị Thảo giao đề tài tận tình bảo, hướng dẫn để tơi hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn PGS.TS Phạm Luận giúp đỡ, bảo cho q trình làm luận văn Tơi xin cảm ơn thầy, mơn Hóa phân tích, anh chị bạn phịng thí nghiệm Hóa phân tích tạo điều kiện cho tơi hồn thành báo cáo nghiên cứu khoa học Tôi xin chân thành cảm ơn đề tài nghiên cứu “Vai trò kẽm điều trị hiệu bệnh lao trẻ em” Viện Khoa học kỹ thuật hạt nhân chủ trì, phối hợp với Viện nghiên cứu sức khỏe trẻ em Oakland- Hoa Kỳ giúp tơi hồn thành luận văn Hà Nội, ngày 14 tháng năm 2014 Học viên NGUYỄN MẠNH HÀ MỤC LỤC Lời cảm ơn Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Mục lục Mở đầu Chƣơng Tổng quan 1.1 Vai trò thiết yếu vi lượng kẽm với sức khỏe điều trị bệnh 1.2 Phương pháp phân tích đánh giá thành phần đồng vị kẽm 1.2.1 Phương pháp phân tích phổ khối plasma cảm ứng (ICP – MS) 1.2.1.1 Nguyên tắc phép đo phổ khối ICP - MS 1.2.1.2 nghiên cứu phân tích đồng vị kẽm phương pháp ICP- MS 1.3 Phương pháp xử lý mẫu, làm mẫu sinh học Chƣơng Thực nghiệm 10 2.1 Hóa chất, thiết bị dụng cụ thí nghiệm…… 10 2.1.1.Hóa chất 10 2.1.2 Thiết bị 11 2.1.3 Dụng cụ 12 2.2 Mẫu nghiên cứu 13 2.3 Phương pháp nghiên cứu 13 2.3.1 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu đo ICP xác định đồng vị 13 2.3.1.1 Sơ đồ nguyên tắc thiết bị ICP-MS 13 2.3.1.2 yếu tố ảnh hưởng đến cường độ phổ khối 14 2.3.1.3 khảo sát phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo vào tham số hoạt động plasma 16 2.3.1.4 nghiên cứu lựa chọn axit dung làm môi trường dung dịch mẫu đo khảo sát nồng độ axit tối ưu 17 2.3.2 phương pháp sử lý mẫu phân tích 18 2.3.2.1 Xử lý mẫu huyết tương 18 2.3.2.2 Xử lý mẫu nước tiểu 19 2.3.2.3.Xử lý mẫu phân 20 2.3.3 Phương pháp thống kê sử lý số liệu phân tích 20 2.3.3.1 Giới hạn phát giới hạn định lượng đồng vị 20 2.3.3.2 Khoảng tuyến tính phép đo đồng vị ………………… 21 2.3.3.3 Đánh giá phương pháp phân tích 22 Chƣơng Kết nghiên cứu thảo luận 25 3.1 Nghiên cứu lựa chọn điều kiện phân tích phù hợp thiết bị ICP-MS 25 3.1.1 Khảo sát lựa chọn tham số tối ưu thiết bị đo 25 3.1.1.1 Ảnh hưởng công suất cao tần 25 3.1.1.2 Ảnh hưởng lưư lượng khí mang mẫu………… ………… … 28 3.1.1.3 Khảo sát ảnh hưởng công suất cao tần cố định LV NGF.29 3.1.1.4 Lựa chọn tham số tối ưu cho chế độ làm việc Plasma 30 3.1.2 Ảnh hưởng loại axit nồng độ axit… … …….….…………….31 3.2 Đánh giá phương pháp phép đo ICP – MS ……………….…… … 34 3.2.1 Đường chuẩn xác định đồng vị… ……………… 34 3.2.2 Kết xác định giới hạn phát giới hạn định lượn.… …… 35 3.2.3 Đánh giá độ xác phép đo xác định đồng vị……….…….…….36 3.2.4 Đánh giá hiệu suất thu hồi…………………………… ……………….……37 3.2.4.1 Đánh giá hiệu suất thu hồi trình làm cột……… …… 37 3.2.4.2 Đánh giá hiệu suất thu hồi trình xử lý mẫu phân ……… 39 3.2.4.3.Đánh giá hiệu suất thu hồi trình xử lý mẫu huyết tương .39 3.2.4.4 Đánh giá hiệu suất thu hồi trình xử lý mẫu nước tiểu 39 3.2.5 Phân tích mẫu thực tế 43 3.2.5.1 Phân tích đồng vị kẽm viên thuốc .43 3.2.5.2 Phân tích đồng vị kẽm mẫu phân 43 3.2.5 Phân tích đồng vị kẽm mẫu huyết tương .43 3.2.5 Phân tích đồng vị kẽm mẫu nước tiểu 43 Kết luận 51 Tài liệu tham khảo 52 Phụ lục DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Khối phổ plasma ICP-MS Inductively Coupled Plasma Mass Spectrocopy LOD Limit Of Detection Giới hạn phát LOQ Limit Of Quantity Giới hạn định lượng RSD Relative Standard Deviation Độ lệch chuẩn tương đối m/z Mass/Charge Khối lượng/điện tích PR Peripum rate Tốc độ bơm nhu động RFP Radio Frequency Power Công suất cao tần NGF Gas Flow Lưu lượng khí mang mẫu LV Lent volts Thể thấu kính CPS Count per second Số đếm giây cảm ứng DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Các tham số lựa chọn tự động máy ICP – MS ELAN 9000 16 Bảng 3.1 Các tham số tối ưu máy ICP – MS ELAN 9000 33 Bảng 3.2 Nồng độ dung dịch chuẩn nồng độ tương ứng đồng vị 34 Bảng 3.3 Phương trình đường chuẩn đồng vị kẽm 36 Bảng 3.4 Giới hạn phát giới hạn định lượng đồng vị 36 Bảng 3.5 Độ xác phép đo ICP-MS để xác định đồng vị kẽm dung dịch chuẩn kiểm tra 37 Bảng 3.6 Hiệu suất thu hồi trình làm cột chiết pha rắn 38 Bảng 3.7 Hiệu suất thu hồi trình phá mẫu phân 40 Bảng 3.7 Hiệu suất thu hồi trình phá mẫu huyết tương 41 Bảng 3.7 Hiệu suất thu hồi trình phá mẫu nước tiểu 42 Bảng 3.10 Hàm lượng kẽm viên thuốc (n=3) 43 Bảng 3.11Tỷ lệ cặp đồng vị 67Zn/66Zn, 68Zn/66Zn,70Zn/66Zn bốn đối tượng nghiên cứu mẫu phân 45 Bảng 3.11Tỷ lệ cặp đồng vị 67Zn/66Zn, 68Zn/66Zn,70Zn/66Zn bốn đối tượng nghiên cứu mẫu huyết tuơng 48 Bảng 3.11Tỷ lệ cặp đồng vị 67Zn/66Zn, 68Zn/66Zn,70Zn/66Zn bốn đối tượng nghiên cứu mẫu huyết tuơng 50 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ ngun lý phận hệ máy ICP – MS Hình 2.1: Hình ảnh máy ICP – MS (ELAN 9000- Perkin Elmer) 11 Hình 2.2: Sơ đồ nguyên tắc thiết bị phân tích ICP-MS 13 Hình 3.1 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 64Zn vào RFP (NGF = 0,7 L/ph) 25 Hình 3.2 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 66Zn vào RFP (NGF = 0,7 L/ph) 26 Hình 3.3 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 67Zn vào RFP (NGF = 0,7 L/ph) 26 Hình 3.4 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 68Zn vào RFP (NGF = 0,7 L/ph) 27 Hình 3.5 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 70Zn vào RFP (NGF = 0,7 L/ph) 27 Hình 3.6 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo đồng vị Zn vào RFP 29 Hình 3.7 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo đồng vị Zn vào RFP Hình 3.8 Ảnh hưởng trực tiếp mẫu phép đo đồng vị kẽm 30 32 Hình 3.9 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo Zn vào nồng độ axit 33 Hình 3.10 Đường chuẩn phân tích đồng vị 64Zn 35 Hình 3.11 Đường chuẩn phân tích đồng vị 66Zn 35 Hình 3.12 Đường chuẩn phân tích đồng vị 67Zn 35 Hình 3.13 Đường chuẩn phân tích đồng vị 68Zn 35 Hình 3.14 Đường chuẩn phân tích đồng vị 70Zn 36 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Mạnh Hà TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT Phạm Luận (2013), Phương pháp phân tích phổ nguyên tử, Nhà xuất Bách khoa Hà Nội Nguyễn Đình Triệu (2001), phương pháp phân tích vật lý hóa lý, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Lê Hồng Minh, (2012), nghiên cứu xác định thành phần đồng vị số nguyên tố có ứng dụng địa chất ICP-MS, luận án tiến sỹ hóa học, Viện lượng nguyên tử Việt Nam Nguyễn Thị Kim Tại, (2013), nghiên cứu phương pháp phân tích tỷ lệ đồng vị 87Sr/86Sr số nguyên tố vi lượng thuốc, gạo đất nhằm xác định nguồn gốc định cư chúng, Luận án tiến sỹ hóa học, Viện lượng nguyên tử Việt Nam TIẾNG ANH Alaa S Amin, (2011), Utility of solid-phase spectrophotometry to determine trace amounts of zinc in environmental and biological samples Analytical Biochemistry 418;172–179 Bogden JD, Lintz DI, Joselow MM, Charles J, Salaki JS, (1977), Effect of pulmonary tuberculosis on blood concentrations of copper and zinc Am J Clin Pathol;67:251-6 Büchl A, Archer C, Brown DR, Hawkesworth CJ, Leighton E, Ragnardottir KV, Vance D, (2004), Geochim Cosmochim Acta 68: A528 Charles Coudray, Christine Feillet-Coudray, Mathieu Rambeau, Jean Claude Tressol, Elyett Gueux, Andrzej Mazur, Yves Rayssiguier, (2006), The effect of aging on intestinal absorption and status of calcium, magnesium, zinc, and copper in rats: A stable isotope study Journal of Trace Elements in Medicine and Biology 20:73–8 56 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Mạnh Hà Chloe Nadia Marechal , Philippe Telouk, (2000), Francis Albarede Precise analysis of copper and zinc isotopic compositions by plasmasource mass spectrometry Chemical Geology 156:251–273 10 Chloe Nadia Marechal, Philippe Telouk, (1999), Francis Albarede Precise analysis of copper and zinc isotopic compositions by plasmasource mass spectrometry Chemical Geology 156:251–273 11 Ciro Texeira correia et al, (1997), “Rb – Sr and Sm – Nd geochronology of the cana Brava layered mafic-ultramafic instruction, Brazil, and consideration regarding its tectonic evolution”, Revista Brasileira de Geociencias, Vol.27, pp.163- 168 12 Christophe Cloquet, Jean Carignan, Moritz F Lehmann, Frank Vanhaecke, (2008), Variation in the isotopic composition of zinc in the natural environment and the use of zinc isotopes in biogeosciences: a review Anal Bioanal Chem 390:451–463 13 Dye C, Scheele S, Dolin P, Pathania V, Raviglione MC, (1999), Consensus statement Global burden of tuberculosis: estimated incidence, prevalence, and mortality by country WHO Global Surveillance and Monitoring Project Jama;282:677-86 14 Haider BA, Bhutta ZA, (2009), The effect of therapeutic zinc supplementation among young children with selected infections: a review of the evidence Food Nutr Bull;30:S41-59 15 Hambidge, K M and Krebs, N F, (2007), “Zinc deficiency: a special challenge” J Nutr 137 (4): 1101 16 Heymsfield SB, McManus C, Smith J, Stevens V, Nixon DW, (1982), Anthropometric measurement of muscle mass: revised equations for calculating bone-free arm muscle area Am J Clin Nutr;36:680-90 17 Huong NT, Duong BD, Co NV, et al, (2005), Establishment and development of the National Tuberculosis Control Programme in Vietnam Int J Tuberc Lung Dis;9:151-6 18 Karyadi E, West CE, Schultink W, et al, (2002), A double-blind, placebo-controlled study of vitamin A and zinc supplementation in 57 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Mạnh Hà persons with tuberculosis in Indonesia: effects on clinical response and nutritional status Am J Clin Nutr;75:720-7 19 Krlstme Y Patterson and Claude Velllon, (1992), Determination of zinc stable isotopes in biological materials using isotope dilution inductively coupled plasma mass spectrometry Anulytlca Chunrca Acta, 258: 317-324 20 Lieve I L Balcaen, Karel A C De Schamphelaere, Colin R Janssen, Luc Moens, Frank Vanhaecke, (2008), Development of a method for assessing the relative contribution of waterborne and dietary exposure to zinc bioaccumulation in Daphnia magnaby using isotopically enriched tracers and ICP–MS detection Anal Bioanal Chem 390:555–569 21 Maggini S, Wintergerst ES, Beveridge S, Hornig DH, (2007), Selected vitamins and trace elements support immune function by strengthening epithelial barriers and cellular and humoral immune responses Br J Nutr;98 Suppl 1:S29-35 22 Manary MJ, Hotz C, Krebs NF, et al Dietary phytate reduction improves zinc absorption in Malawian children recovering from tuberculosis but not in well children J Nutr 2000;130:2959-64 23 Mandalakas AM, Starke JR, (2005), Current Concepts of Childhood Tuberculosis Semin Pediatr Infect Dis;17:93-104 24 Marechal CN, Telouk P, Albarede F, (1999), Chem Geol 156:251–273 25 Masaharu Tanimizu, Yoshiki Sohrin, Takafumi Hirata, (2013), Heavy element stable isotope ratios : analytical approaches and applications Anal Bioanal Chem 405:2771–2783 26 Mohan G, Kulshreshtha S, Sharma P, (2006), Zinc and copper in Indian patients of tuberculosis: impact on antitubercular therapy Biol Trace Elem Res;111:63-9 27 Nancy F Krebs, Leland V Miller, Vernon L Naake, Sian Lei, Jamie E Westcott, Paul V Fennessey, and K Michael Hambidge, (1995), The use of stable isotope techniques to assess zinc metabolism J Nub- Biochem.vol.6, 292-301 58 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Mạnh Hà 28 Oto Mestek, Jana Komı´nkova, Richard Koplık, Miloslav Suchanek, (2001), Determination of zinc in plant samples by isotope dilution inductively coupled plasma mass spectrometry.Talanta, 54(5), 927-34 29 Prasad, A S, (2003), “Zinc deficiency: Has been known of for 40 years but ignored by global health organisations” British Medical Journal 326 (7386): 409 30 Aggett Iron, copper, and zinc absorption and turnover, (1997), the use of stable isotopes Eur J Pediatr 156, :S29–S34 31 Ray M, Kumar L, Prasad R, (1998) Plasma zinc status in Indian childhood tuberculosis: impact of antituberculosis therapy Int J Tuberc Lung Dis;2:719-25 32 Rober Thomas, 2004, Practical guide to ICP-MS Marcel Dekker 33 Robert E Serfass, Joseph J Thompson and R.S Houk, (1986) Isotope ratio determination by inductive coupled plasma/mass spectrometry for zince bioavalability studies Analytica Chimica Acta, 188 73-84 34 Ruth E Wolf, Andrew S.Todd; , Steve Brinkman , Paul J Lamothe; Kathleen S Smith, James F Ranville Measurement of total Zn and Zn isotope ratios by quadrupole ICP-MS for evaluation of Zn uptake in gills of brown trout (Salmo trutta) and rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) Talanta80 676–684 35 Tim Arnold, Maria Schönbächler, Mark Rehkämper, Schuofei Dong, Fang-Jie Zhao, Guy J D Kirk, Barry J Coles, Dominik J Weiss, (2010) Measurement of zinc stable isotope ratios in biogeochemical matrices by double-spike MC-ICPMS and determination of the isotope ratio pool available for plants from soil Anal Bioanal Chem 398:3115– 3125 36 Wolfgang Mareta, Harold H Sandstead, (2006), Zinc requirements and the risks and benefits of zinc supplementation Journal of Trace Elements in Medicine and Biology 20 3–18 59 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Mạnh Hà PHỤ LỤC Hình P1.6 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 64Zn vào RFP (NGF = 0,8 L/ph) Hình P1.7 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 66Zn vào RFP (NGF = 0,8 L/ph) 60 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Mạnh Hà Hình P1.8 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 67Zn vào RFP (NGF = 0,8 L/ph) Hình P1.9 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 68Zn vào RFP (NGF = 0,8 L/ph) 61 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Mạnh Hà Hình P1.10 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 70Zn vào RFP (NGF = 0,8 L/ph) 62 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Mạnh Hà Hình P1.11 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 64Zn vào RFP (NGF = 0,9 L/ph) Hình P1.12 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 66Zn vào RFP (NGF = 0,9 L/ph) 63 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Mạnh Hà Hình P1.13 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 67Zn vào RFP (NGF = 0,9 L/ph) Hình P1.14 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 68Zn vào RFP (NGF = 0,9 L/ph) 64 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Mạnh Hà Hình P1.15 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 70Zn vào RFP (NGF = 0,9 L/ph) Hình P1.16 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 64Zn vào RFP (NGF = 1,0 L/ph) Hình P1.17 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 66Zn vào RFP (NGF = 1,0 L/ph) 65 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Mạnh Hà Hình P1.18 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 67Zn vào RFP (NGF = 1,0 L/ph) Hình P1.19 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 68Zn vào RFP (NGF = 1,0 L/ph) 66 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Mạnh Hà Hình P1.20 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 70Zn vào RFP (NGF = 1,0 L/ph) Hình P.2.1 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 66Zn vào NGF (LV= 9Volts) 67 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Mạnh Hà Hình P.2.2 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 68Zn vào NGF (LV= 9Volts) Hình P.2.3 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 64Zn vào NGF (LV= 9Volts) 68 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Mạnh Hà Hình P.2.4 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 67Zn vào NGF (LV= 9Volts Hình P.2.5 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 70Zn vào NGF (LV= 9Volts) 69 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Mạnh Hà 70