Ứng dụng kỹ thuật huỳnh quang tia X trong phân tích các nguyên tố vết của nước Hồ Xuân Hương

Bài viết phân tích, đánh giá hàm lượng các nguyên tố vết của nước ở hồ Xuân Hương. Bằng kỹ thuật phân tích huỳnh quang tia X phản xạ toàn phần, kết quả cho thấy nước tại hồ Xuân Hương có một số nguyên tố như sắt, brom vượt tiêu chuẩn nước uống của Việt Nam.

TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 16 - 2020 ISSN 2354-1482 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT HUỲNH QUANG TIA X TRONG PHÂN TÍCH CÁC NGUYÊN TỐ VẾT CỦA NƯỚC HỒ XUÂN HƯƠNG Nguyễn Thị Minh Sang1 Trương Văn Minh2 Phạm Thị Ngọc Hà1 Trần Ngọc Diệu Quỳnh1 Nguyễn Ngọc Tâm1 Bùi Thị Tươi3 TÓM TẮT Ngày nay, với phát triển khoa học công nghệ, q trình thị hóa, cơng nghiệp hóa, việc sử dụng phân bón thuốc bảo vệ thực vật sản xuất nông nghiệp ngày nhiều, làm ảnh hưởng đến mơi trường nước khơng khí Bài báo phân tích, đánh giá hàm lượng nguyên tố vết nước hồ Xuân Hương Bằng kỹ thuật phân tích huỳnh quang tia X phản xạ toàn phần, kết cho thấy nước hồ Xuân Hương có số nguyên tố sắt, brom vượt tiêu chuẩn nước uống Việt Nam Từ khóa: TXRF, nguyên tố vết, hồ Xuân Hương Mở đầu quang tia X phản xạ toàn phần (Total Nước nguồn tài nguyên thiên Reflection X-ray Fluorescence nhiên quý giá, yếu tố thiếu TXRF),… Tuy nhiên, phân tích nguyên sống Ngày nay, với ứng tố vết nước phương pháp dụng khoa học nông nghiệp, việc TXRF thể trội vai trò sử dụng bừa bãi hóa chất sản xuất nó, với kết xác cao, độ nhạy nơng nghiệp trở nên nhiều hơn, lên đến ppb (µg/l), phân tích đa nguyên làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất tố, không phá hủy mẫu lượng môi trường, đặc biệt nguồn Tia X lần phát nước mặt Wilhelm Conrad Rontgen (1895) [1], Hồ Xuân Hương nằm lịng xạ điện từ với bước sóng khoảng 80 thành phố Đà Lạt, địa danh du lịch nm (E ~ 15 eV) đến 0,001 nm (E ~ 1,2 tiếng Có thể nói hồ Xuân Hương MeV) Sự phụ thuộc bước sóng gắn liền với thành phố mộng mơ kể từ lượng xạ điện từ xác khám phá vùng đất thơ mộng định [2]: 1,240 Những năm gần đây, ô nhiễm nước 𝜆= 𝐸 (1) hồ Xuân Hương đến mức báo đơn vị λ nm, E keV động Lượng hóa chất sử dụng dư thừa nơng nghiệp đổ hồ Xuân Khi nguyên tử bị kích thích, có Hương theo hướng từ vùng trồng thể bị ion hóa phát tia X Hình mơ hoa, rau tả trình phát tia X nguyên tử bị Có nhiều phương pháp phân tích vi khích thích Có hai loại tia X xạ lượng nguyên tố nước hãm tia X đặc trưng Các tia X phương pháp hóa học, phương pháp phát q trình lượng kích hoạt nơtron, phương pháp huỳnh electron chúng vào “môi Trường Đại học Đà Lạt Trường Đại học Đồng Nai Email: truongminhdnu@gmail.com Trường THPT Langbian, Lạc Dương, Lâm Đồng 147 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 16 - 2020 trường hạt nhân” gọi xạ hãm, loại tia X có lượng liên tục Bước sóng lớn tia X vùng lượng xác định ISSN 2354-1482 theo kích thích: 𝜆𝑡(𝑛𝑚) = 1,24 𝑈 (2) U hiệu điện gia tốc (kV) a Kích thích nguyên tử tạo xạ hãm b Kích thích nguyên tử tạo tia X đặc trưng Hình 1: Mơ tả q trình phát tia X nguyên tử bị kích thích Một loại tia X khác gọi tia X đặc trưng Khi lượng xạ kích thích vào nguyên tử truyền lượng cho electron nguyên tử, làm chúng bật Nếu xạ tới tia X tia X tới có lượng lớn lượng liên kết electron lớp K, L, M, nguyên tử electron nguyên tử bị bật tạo thành lỗ trống, nguyên tử trạng thái ion hóa Khi nguyên tử trở trạng thái bền electron từ lớp vỏ bên ngồi có lượng cao dịch chuyển để lấp đầy lỗ trống dịch chuyển phát tia X đặc trưng có lượng hiệu lượng hai lớp quỹ đạo ΔE=Ei – Ej (3) Ei, Ej lượng electron trước sau chuyển mức, ΔE độ chênh lệch lượng hai mức i, j, lượng tia X phát Trong kỹ thuật, việc ứng dụng phương pháp huỳnh quang tia X phản xạ toàn phần (Total Reflection X-ray Fluorescence - TXRF) công bố từ năm 1990 [3, 4, 5] Ưu điểm TXRF tăng ngưỡng phát nguyên tố mẫu lên đến ppb, phương pháp tương tự phương pháp phản xạ huỳnh quang tia X (Reflection X-ray Fluorescence XRF) cho đánh giá hàm lượng đến ppm (ngưỡng phát nhỏ bậc) Các ứng dụng TXRF đa dạng mẫu phương pháp phân tích bật đánh giá nguyên tố vết nước, rắn, khí, thuộc loại phương pháp khơng phá mẫu phân tích hạt nhân [6] Với mẫu mỏng, bỏ qua tượng hấp thụ kích thích thứ cấp bên 148 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 16 - 2020 ISSN 2354-1482 sau điều kiện thiết bị thí nghiệm, hệ đo TXRF khơng cịn hoạt động nhóm nghiên cứu chuyển sang lĩnh vực khác kỹ thuật hạt nhân Thiết bị phương pháp nghiên cứu 2.1 Hệ TXRF Hệ TXRF loại S2 PICOFOXTM [9] trường Đại học Đà Lạt hệ thống bán tự động phân tích định tính định lượng nhiều nguyên tố Cấu tạo hệ gồm: ống phát tia X (bia Molipden) làm việc điều kiệnđiện áp 50kV, dòng điện 1000 µA; đơn tinh thể đa lớp làm kim loại đồng; detector bán dẫn loại SDD Hình trình bày ngun lý phản xạ tồn phần hệ TXRF mẫu quan hệ cường độ tia X đặc trưng khối lượng nguyên tố xác định bởi: (4) Ii = Si ×mi đó, Ii (cps) cường độ tia X đặc trưng nguyên tố, tương ứng với tốc độ đếm đỉnh phổ; Si (cps/ng/mA) độ nhạy hệ thống nguyên tố i; mi (ng) khối lượng nguyên tố Tại Việt Nam, nghiên cứu ứng dụng TXRF kể Phịng thí nghiệm Ứng dụng Kỹ thuật Hạt nhân Công nghiệp Viện Nghiên cứu hạt nhân - Đà Lạt tiền thân Trung tâm ứng dụng kỹ thuật hạt nhân công nghiệp (CANTI) ngày Tại đây, có nhiều nghiên cứu triển khai hệ TXRF [7, 8] Tuy nhiên, Hình 2: Sơ đồ nguyên lý phản xạ toàn phần hệ TXRF hình dạng hệ TXRF S2 PicofoxTM Để giảm thiểu phần xạ tia X lượng liên tục (bức xạ hãm), hệ phổ kế TXRF thường trang bị lọc đơn để cắt phần lượng Hình mơ tả phổ liên tục trước sau qua lọc 149 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 16 - 2020 ISSN 2354-1482 Phổ tia X dùng để kích thích bia mẫu; Phổ tia X từ phát tia X qua lọc; Phổ tia X phát từ ống phát tia X; Ổng phát tia X; Bộ lọc đơn lượng; Chùm tia X đơn qua cửa sổ hẹp; Detector; Vật mang mẫu Hình 3: Phổ tia X phát từ máy phát tia X trước sau lọc (bia Mo) (kim loại đồng) góc nhiễm xạ bậc 0,70, điều dễ dàng để cắt lượng mức 17,5 keV (năng lượng ống phát tia X loại Molipden) 2.2 Tạo mẫu 2.2.1 Các vị trí lấy mẫu Tiến hành lấy mẫu vào mùa mưa từ 01/9/2018÷31/12/2018, tần suất lấy mẫu tuần/lần Nước lấy cách mặt nước 30 cm, đóng vào chai acid hóa nơi lấy nước Lấy mẫu nước 05 vị trí khác hồ Xn Hương, vị trí lấy mẫu mơ tả hình Thông thường, hệ TXRF cắt xạ hãm tinh thể có độ rộng khe hẹp (khoảng cách nút mạng tinh thể) phù hợp với bước sóng tia X đặc trưng vật liệu làm cathode máy phát Việc chọn lựa vật liệu tuân theo định luật Bragg: 2dsinθ = kλ (5) với d khoảng cách nguyên tử tinh thể nhiễu xạ, k bậc nhiễu xạ, λ bước sóng tia X Trong hệ TXRF loại S2 TM vật liệu làm cathode PICOFOX Mo, lượng tia X đặc trưng cần quan tâm Kα(17,5 keV), vật liệu nhiễu xạ chọn có d = 2,88 nm 150 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 16 - 2020 ISSN 2354-1482 Hình 4: Các vị trí lấy mẫu nước hồ Xuân Hương Mục đích việc lấy nước từ vị trí lối vào lối hồ Các vị trí số 1, lối vào từ hệ thống hồ Lắng có chức làm “bộ lọc học” cuối nguồn nước trước đổ vào hồ Theo [10] vị trí số bị nhiễm, nơi lối dịng chảy kênh rạch, chịu ảnh hưởng vùng chuyên sản xuất nông nghiệp Phường 8, Phường (Đà Lạt Hasfarm) Vị trí số lối hồ, đổ thác Cam Ly, nước nơi dự đoán bị nhiễm so với nơi khác Tại vị trí số có cống nước từ đồi Cù vào, theo [11] nguồn nước bị nhiễm Vị trí số nơi trung hịa tất vị trí 2.2.2 Chuẩn bị mẫu Sử dụng chuẩn nội Ga với nồng độ 10 ppb Cho ml Ga 100 ppb vào lọ thể tích 10ml Tiến hành định mức nước cần đo đến thể tích 10ml Nhỏ 10 µl silicone lên vật mang mẫu sau sấy khơ nhiệt độ 500C 20 phút Vật mang mẫu sử dụng đĩa thủy tinh thạch anh với nhiều ưu điểm độ tinh khiết cao, phông thấp, dễ dàng làm Sau đĩa sấy khô nhỏ 10 µl mẫu nước cần đo lên tiếp tục sấy khơ nhiệt độ 250C 20 phút Hình vật mang mẫu nhỏ mẫu dụng cụ sấy mẫu Hình 5: Nhỏ mẫu vật liệu mang mẫu sấy mẫu 151 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 16 - 2020 ISSN 2354-1482 Chú thích: A1 - Mục đích cấp nước sinh hoạt (sau áp dụng xử lý thông thường), bảo tồn động thực vật thủy sinh; A2 - Mục đích cấp nước sinh hoạt phải áp dụng cơng nghệ xử lý phù hợp mục đích sử dụng loại B1 B2; B1 - Mục đích tưới tiêu, thủy lợi mục đích sử dụng khác có yêu cầu chất lượng nước tương tự mục đích sử dụng loại B2; B2 - Giao thơng thủy mục đích khác với u cầu nước chất lượng thấp Tại vị trí số hàm lượng 3.2 Thảo luận nguyên tố nhỏ so với vị Từ kết phân tích cho thấy hàm trí cịn lại, nơi lối hồ lượng nguyên tố Cl, Cr, Ni, Mn, Cu, Xuân Hương Tại vị trí số hàm lượng Zn, As vị trí khảo sát nằm sắt cao tiêu chuẩn cho phép 1,1 lần, giới hạn cho phép so với quy chuẩn Việt nước từ đồi Cù đổ vào Nam Tuy nhiên, hàm lượng Br vị trí khảo sát vượt giới hạn cho Vị trí số hộ nơi trung hòa phép so với tiêu chuẩn nước uống Việt vị trí cịn lại nên hàm lượng Nam Brom kim loại có độc tính cao, ngun tố trung hịa trạng thái lỏng, ăn mịn mơ vị trí khảo sát thể người, trạng thái khí, Kết luận gây hại cho mắt, cổ họng vô độc Bằng phương pháp TXRF đánh hại cho thể hít phải loại giá định tính định lượng số khí Brom gây hại cho nhiều nguyên tố vết nước hồ Xuân phận thể quan trọng, gan, thận, Hương Đà Lạt Từ nghiên cứu cho phổi dày Trong số trường thấy nước hồ Xuân Hương mức hợp, gây ung thư Brom ô nhiễm, cụ thể hàm lượng sắt thành phần hóa chất nơng nghiệp, brom cao so với tiêu chuẩn cho thuốc trừ sâu, thuốc nhuộm, chất khử phép nước uống Việt Nam Vì vậy, trùng, xăng dầu vỏ nhựa thiết sử dụng nước hồ Xuân Hương cho bị điện tử Brom nước vị trí mục đích cung cấp nước sinh hoạt khảo sát cao dịng chất thải nơng khơng an tồn Hàm lượng nguyên tố nghiệp có chứa dư lượng thuốc trừ sâu, brom vượt tiêu chuẩn nguyên nhân chất khử trùng có cơng thức hóa học dư lượng hóa chất nơng nghiệp CH3Br (methyl bromua) (thuốc trừ sâu, chất khử trùng) từ vùng chuyên canh nông nghiệp đổ Tại vị trí số số hàm lượng sắt hồ Do cần quy hoạch khu chuyên cao lần Vì nguồn nước sản xuất nơng nghiệp có hệ thống xử đổ vào hồ Xuân Hương, chịu ảnh hưởng lý nước trước đổ vào hồ đồng thời hoạt động nơng nghiệp (phân cần có biện pháp cải thiện chất bón, thuốc trừ sâu…), từ rác thải sinh lượng nước hồ hoạt, bùn cống rãnh Khi hàm lượng sắt cao làm cho nước có màu vàng đục kèm mùi 153 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 16 - 2020 ISSN 2354-1482 TÀI LIỆU THAM KHẢO Rontgen WC (1898), Annalen der Physik und Chemie, Neue Folge, 64, John R Lamarsh, Anthony J Baratta (2012), Introduction to Nuclear engineering, Pearson Education International Wobrauschek P, Streli C, Kregsamer P, Ladisich W, Rieder R (1996), J Trace and Microprobe Techn 14 (No 1), 103 Klockenkăamper R, von Bohlen A (1992), J Anal Atom Spectrom 7, 273 Injuk J, Van Grieken R (1995), Spectrochim Acta B 50 (No 14), 1787 Fresenius J Anal Chem (1994), Determination of trace elements in small water samples by total refection X-ray fluorescence 350:135-138, 2004 Đỗ Thanh Thảo (2002), “Ứng dụng kỹ thuật huỳnh quang tia X phản xạ toàn phần (TXRF) xác định nguyên tố vết nước môi trường”, Luận văn thạc sĩ, trường Đại học Đà Lạt Brucker (2018), S2 PICOFOXTM, TXRF spectrometer element analysis user manual Phạm Thị Hoàng Hà (2001), “Xác định Arsen nước mơi trường kỹ thuật phân tích huỳnh quang tia X”, Luận văn thạc sĩ, trường Đại học Đà Lạt 10 Hồng Bình (2018), “Lâm Đồng: Ơ nhiễm hồ lắng trung tâm TP Đà Lạt”, http://www.moitruongvadothi.vn/moi-truong/lam-dong-o-nhiem-tai-cac-holang-trung-tam-tp-da-lat-a34728.html, (truy cập ngày 15/02/2019) 11 Huỳnh Ngọc Minh (2017), “Đà Lạt: Đã khắc phục tình trạng nhiễm nguồn nước Goft Valley”, http://baolamdong.vn/toasoan-bandoc/201702/da-lat-da-khacphuc-tinh-trang-o-nhiem-nguon-nuoc-o-golf-valley-2782037/, (truy cập ngày 25/02/2019) 12 Bộ Tài nguyên Môi trường (2015), “Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lượng nước mặt” - QCVN 08-MT:2015/BTNMT APPLICATION OF TOTAL REFLECTION X-RAY FLUORESCENCE IN ANALYZING TRACE ELEMENTS IN XUAN HUONG LAKE WATER ABSTRACT Nowadays, in line with the development of science and technology, municipalization, and industrialization, the utilization of more and more pesticides and fertilizer in agriculture has contaminated water and air This paper analyses, evaluates the concentration of trace elements in Xuan Huong lake water By using Total Reflection X-ray Fluorescence (TXRF) method, the result shows that water in Xuan Huong Lake contains some elements such as Ion, Bromine that higher concentration than Vietnamese drinking water standard Keywords: TXRF, trace element, Xuan Huong lake (Received: 10/4/2019, Revised: 1/5/2019, Accepted for publication: 13/5/2019) 154 ... samples by total refection X- ray fluorescence 350:135-138, 2004 Đỗ Thanh Thảo (2002), ? ?Ứng dụng kỹ thuật huỳnh quang tia X phản x? ?? toàn phần (TXRF) x? ?c định nguyên tố vết nước môi trường”, Luận văn... tương tự phương pháp phản x? ?? huỳnh quang tia X (Reflection X- ray Fluorescence XRF) cho đánh giá hàm lượng đến ppm (ngưỡng phát nhỏ bậc) Các ứng dụng TXRF đa dạng mẫu phương pháp phân tích bật... 2020 ISSN 2354-1482 Phổ tia X dùng để kích thích bia mẫu; Phổ tia X từ phát tia X qua lọc; Phổ tia X phát từ ống phát tia X; Ổng phát tia X; Bộ lọc đơn lượng; Chùm tia X đơn qua cửa sổ hẹp; Detector;