Để xác định Cu, Pb, Cd có rất nhiều phương pháp để phân tích, trong đó được chia thành hai nhóm phương pháp:
Phương pháp hóa học: Nhóm các phương pháp này dùng để xác định hàm lượng lớn (đa lượng) của các chất, thông thường lớn hơn 0,05%, tức là nồng độ miligam. Các thiết bị và dụng cụ của phương pháp này đơn giản, không đắt tiền. Gồm các phương pháp: phương pháp phân tích khối lượng, phương pháp phân tích thể tích, phương pháp oxi hóa – khử, phương pháp complexon….
Phương pháp phân tích công cụ: Ngày nay yêu cầu xác định hàm lượng các chất ngày càng thấp, độ chính xác cao. Đặc biệt, trong phân tích môi trường
thường xuyên đòi hỏi phân tích lượng vết các chất ô nhiễm trong các đối tượng môi trường với hiệu suất cao (độ nhạy, độ chọn lọc, tính bền, phạm vi tuyến tính, thời gian phân tích). Chính vì vậy, đã phát triển rất nhiều phương pháp phân tích khác nhau cho phép định lượng chính xác và nhanh chóng như: Điện hóa, phổ phân tử UV-VIS, phổ phát xạ nguyên tử ( AES), phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa ( F- AAS) và không ngọn lửa (GF- S), phương pháp Von – mpe hòa tan…. Khoảng nồng độ kim loại xác định được của các phương pháp trình bày ở bảng 1.2.
Bảng 1.2. Một số phương pháp phân tích xác định lượng vết các kim loại
STT Tên phương pháp Khoảng nồng độ
(ion.g/l)
1 Phổ hấp thụ phân tử 10-5 – 10-6
2 Phổ huỳnh quang phân tử 10-6 – 10-7
3 Phổ hấp thụ nguyên tử 10-6 – 10-7
4 Phổ huỳnh quang nguyên tử 10-7 – 10-8
5 Phổ phát xạ nguyên tử 10-5 – 10-6
6 Phân tích kích thích nơtron 10-9 – 10-10 7 Điện thế dùng điện cực chọn lọc ion 10-4 – 10-5
8 Cực phổ cổ điển 10-4 – 10-5
9 Cực phổ sóng vuông 10-6 – 10-7
10 Cực phổ xoay chiều hòa tan bậc hai 10-6 – 10-8 11 Von – mpe hòa tan dùng điện cực HMDE 10-6 – 10-9 12 Von – mpe hòa tan dùng điện cực màng Hg 10-8 – 10-10
1.3.1. Phƣơng pháp phân t ch điện h a.
Hai phương pháp phân tích điện hóa thường dùng trong phân tích kim loại là phương pháp cực phổ và phương pháp von-ampe. Trong phương pháp cực phổ này, người ta phân cực điện cực giọt thủy ngân bằng một điện áp một chiều biến thiên tuyến tính với thời gian để nghiên cứu các quá trình khử cực của chất phân tích trên điện cực đó. Thiết bị cực phổ gồm hai phần chính là máy cực phổ và hệ điện cực bao gồm điện cực giọt thuỷ ngân và điện cực so sánh. Đường cực phổ biểu diễn sự phụ thuộc của chiều cao cường độ dòng với nồng độ chất phân tích. Để xác định các lượng nhỏ chất thường dùng cực phổ cổ điển (10-3
– n.10-5). Để xác định các lượng chất cực nhỏ thường dùng các phương pháp cực phổ hiện đại như cực phổ sóng vuông, cực phổ xung vi phân [14]
Phương pháp Von- mpe hòa tan cũng giống như phương pháp cực phổ là dựa trên việc đo cường độ dòng để xác định nồng độ các chất trong dung dịch. Nguyên tắc của phương pháp tiến hành theo hai bước:
Bước 1: Điện phân làm giàu chất cần phân tích trên bề mặt điện cực làm việc, trong khoảng thời gian xác định, tại thế điện cực xác định.
Bước 2: Hòa tan kết tủa đã được làm giàu bằng cách phân cực ngược điện cực lầm việc, đo và ghi dòng hòa tan. Trên đường Von- Ampe hòa tan cho peak của nguyên tố cần phân tích.
OmPrakash M. và cộng sự đã xác định hàm lượng các kim loại nặng Pb, Cd, Ni và Zn trong đất bằng phương pháp cực phổ [39 . Các mẫu đất tại Ấn Độ sau khi xử l tiến hành đo bằng kỹ thuật cực phổ dòng một chiều. Sóng phổ quét thế âm là 0,0 – -1,5V với dung dịch đệm triton-X100 , tốc độ dòng 5mV/s. Thế
và -0.91 V. Hàm lượng các kim loại nặng thu được dao động trong khoảng 2,4 – 7,7 ppm, trong đó hàm lượng Pb là cao nhất.
Nippaporn M. [37] đã nghiên cứu xác định hàm lượng Cd khi có mặt Cu bằng kỹ thuật stripping sóng vuông hấp thụ hòa tan catot với điện cực màng bitsmut trên điện cực glass carbon đã được biến tính bằng Nafion. Kỹ thuật tạo màng điện cực là phương pháp tạo màng đồng thời (in situ). Điện cực màng được hình thành bằng cách gắn lên trên bề mặt điện cực glass carbon (đã được mài bóng bằng nước slurry và rửa sạch bằng etanol và nước đề ion) 5 l Nafion 1,5% (pha trong etanol), để khô ở nhiệt độ phòng 10 phút sau đó thổi 1 luồng khí nóng khoảng 1 phút rồi làm lạnh ở nhiệt độ phòng. Sau đó màng bismut được gắn lên trên bề mặt điện cực biến tính bằng kỹ thuật in situ. Khoảng hoạt động của điện cực từ -0,6V đến -1,1V. Sóng phổ thu được ở giá trị điện thế -300mV so với điện cực g/ gCl trong dung dịch nền axetat (pH =4,0) có mặt của Cu2+. Giới hạn phát hiện 0,38 g/l , khoảng nồng độ tuyến tính 3,0 – 40,0 g/l với độ lệch chuẩn tương đối 2,4% ở nồng độ 5 g/l (n=10). Phương pháp được sử dụng để xác định hàm lượng Cd(II) trong các mẫu tảo biển cho kết quả tốt.
Các kim loại nặng như Cd, Cu, Pb và Zn cũng được xác định trong một số mẫu nước bằng phương pháp von-ampe xung vi phân anot hòa tan [28], [33]. Các mẫu nước bề mặt được axit hóa bằng HNO3, còn các trầm tích được lắc với nước trong 24h sau đó phần nổi trên bề mặt được tách ra bằng ly tâm lạnh ở 4oC, dịch lọc được axit hóa đem đi phân tích bằng phương pháp von- ampe xung vi phân hòa tan anot. Các kim loại hấp phụ ở điện cực thủy ngân giọt rơi (HDME), sóng phổ quét thế của Cu là -0,45V – 0,0V và -0,35V – 0,05V, của Cd là -0,9V - -0,6V và của Zn là -1,2V – -0,9V với tốc độ quét 2mV/s, thời gian làm giàu 300s và nghỉ 15s.
Tác giả Ell – Hasani và các cộng sự [32 đã xác định Zn, Cu, Pb và Cd trong nước thải bằng phương pháp cực phổ xung vi phân và von-ampe xung vi phân hóa tan anot. Các mẫu sau khi thu thập được chiếu xạ để loại bỏ những ảnh hưởng giao thoa của các hợp chất hữu khi phân tích. Tiến hành chiết 2 lần để làm giàu hàm lượng kim loại cũng như để giảm thiểu tác động của các hợp chất hữu cơ trong quá trình phân tích. Định lượng bằng phương pháp nội chuẩn thu được hàm lượng các kim loại Zn, Cu, Pb và Cd tương ứng là 0.11–0.16, 0.020– 0.025, 0.01–0.02 and 0.008 –0.012 ppm.
Nguyễn Thị Hường [9 đã đề xuất một quy trình phân tích để xác định hàm lượng Cu trong rau muống ở thành phố Đà Nẵng bằng phương pháp cực phổ xung vi phân. Mẫu rau sau khi vô cơ hóa bằng phương pháp khô và khô ướt kết hợp sẽ được xác định bằng phương pháp cực phổ với kỹ thuật xung vi phân anot hòa tan trong dung dịch nền KCl 0,1M+HCl 0,15M, thời gian làm giàu 120s, nghỉ 10s. Các mẫu rau có hàm lượng Cu nằm trong giới hạn cho phép của Bộ Tế.
Các phương pháp cực phổ là một trong những phương pháp thông dụng trong phân tích các kim loại nói chung và kim loại nặng nói riêng hiện nay. Tuy nhiên nó có nhược điểm là độ nhạy bị hạn chế bởi những ảnh hưởng của dòng tụ điện, dòng cực đại, của oxi hòa tan, bề mặt điện cực….
1.3.2. Phƣơng pháp trắc quang
Nguyên tắc của phương pháp dựa trên việc đo độ hấp thụ ánh sáng của một dung dịch phức tạo thành giữa ion cần xác định với một thuốc thử hữu cơ hoặc vô cơ trong môi trường thích hợp khi được chiếu bởi chùm sáng. Phương pháp định lượng theo phương trình cơ bản:
Trong đó: : độ hấp thụ quang của chất ɛ : hệ số hấp thụ mol
l: bề dày lớp dung dịch
C: nồng độ của chất phân tích
Phương pháp trắc quang đã được sử dụng lâu đời để phân tích các kim loại nặng trong các đối tượng thực phẩm và môi trường. Có rất nhiều các thuốc thử vô cơ cũng như hữu cơ được sử dụng để xác định các ion kim loại nặng như PAR, MEDTA, Oxazolin v.v…[25], [36], [41], [46].
Tác giả Crystal E.S. và cộng sự [31 đã xác định Zn, Cu, Co trong các protein chứa kim loại bằng phương pháp trắc quang. Cơ sở của phương pháp dựa trên sự hấp thụ cực đại của các ion kim loại Zn2+
, Cu2+, Co2+với Zincon (2- carboxy-2’-hydroxy-5’-sulfoformazylbenzene) tại pH =9 ở bước sóng tối ưu lần lượt là 620, 600 và 656 nm.
Shayma .S. và cộng sự [44 đã nghiên cứu xác định Co, Ni, Cu, Zn và Cd bằng cách tạo phức với Thiophilin (TP) và xianat ( ) dưới dạng phức [M(TP)4Y2] . Phổ hấp thụ cực đại của các phức kim loại Co, Ni, Cu, Zn và Pb lần lượt ở bước sóng 282 nm, 284nm, 287nm, 277nm và 279nm với hệ số hấp thụ phân tử gam lần lượt là 1939, 1935, 2090, 1781 và 1858 L.Mol-1
.cm-1.
Phương pháp trắc quang phân tử nói chung đặc biệt là chiết trắc quang phức màu chelat đaliagn có độ nhạy, độ ổn định, độ chính xác cao, xác định nồng độ của chất ở khoảng 10-5 – 10-7M. Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp là không chọn lọc, một thuốc thử có thể tạo nhiều phức với nhiều ion.
1.3.3. Phƣơng pháp phổ khối plasma cảm ứng ICP-MS
Nguyên tắc của phương pháp dựa trên cơ sở : Khi dẫn mẫu phân tích vào vùng nhiệt độ cao của ngọn lửa plasma (ICP), vật chất có trong mẫu khi đó bị
chuyển hoàn toàn thành trạng thái hơi. Các phân tử chất khí được tạo ra lại bị phân ly thành các nguyên tử tự do ở trạng thái khí; trong điều kiện nhiệt độ cao của plasma (80000C) phần lớn các nguyên tử trong mẫu phân tích bị ion hóa tạo thành ion dương có điện tích +1 và các electron tự do. Thu và dẫn dòng ion đó vào thiết bị phân giải để phân chia chúng theo số khối (m/z), nhờ hệ thống phân giải theo số khối và detector thích hợp ta thu được phổ khối của các đồng vị của các nguyên tố cần phân tích có trong mẫu. Phương pháp này cho phép phân tích hơn 70 nguyên tố từ Li – U với độ nhạy rất cao ( giới hạn phát hiện thông thường cỡ ppt) [47], độ chọn lọc cao, ảnh hưởng của thành phần nền (matrix effect) hầu như ít xuất hiện, hoặc có thì cũng ở mức độ nhỏ và dễ loại trừ.). Vùng tuyến tính trong phép đo ICP-MS rộng hơn hẳn các kỹ thuật phân tích khác. Vùng tuyến tính của phép đo phổ ICP-MS có thể kéo dài từ 1-1.000.000 lần.
Một dãy các kim loại nặng như Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb và Zn trong đất được tưới bằng nước thải đã được xác định bằng phương pháp ICP – OES và UV – Vis [26 . Kết quả cho thấy nồng độ kim loại nặng trong nước thải bị ảnh hưởng theo mùa, cũng như là phươg pháp xử l nước thải. Bên cạnh đó, so sánh giữa phương pháp ICP và UV-Vis cho thấy hàm lượng kim loại nặng trong đất xác định bằng phương pháp UV – Vis cao hơn so với ICP –OES. Điều này được giải thích bởi ảnh hưởng nhiễu nền của các chất có trong mẫu khi phân tích bằng UV – Vis. Vì vậy ICP- OES được đề xuất để phân tích đất tưới bằng nước thải thứ cấp.
Phương pháp ICP- MS đã được sử dụng để phân tích các kim loại s, Cd, Hg, Pb và U trong máu [42]. Trong nghiên cứu này mẫu được pha loãng 50 lần với chất pha loãng gồm NH4OH, EDT , Triton-X100 và 5 chất nội chuẩn. Các nghiên cứu cho thấy nếu pha loãng 50 lần mà chưa thêm NaCl và CaCl2 thì độ
chính xác cho các phép phân tích không cao. Phương pháp này đã được sử dụng để phân tích mẫu máu trong chương trình môi trường của Califorrnia .
1.3.4. Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử [16].
1.3.4.1. Ngu ên tắc của phương pháp
Cơ sở lý thuyết của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) là dựa trên sự hấp thụ năng lượng bức xạ đơn sắc của nguyên tử tự do của nguyên tố ở trạng thái hơi, khi chiếu chùm tia bức xạ qua đám hơi nguyên tử của nguyên tố ấy. Môi trường hấp thụ chính là đám hơi các nguyên tử tự do của mẫu phân tích. Do đó, để thực hiện phép đo S cần phải có các quá trình sau:
Chuyển mẫu phân tích thành trạng thái hơi của các nguyên tử tự do (quá trình nguyên tử hoá mẫu). Quá trình nguyên tửhoá mẫu tốt hay không tốt đều ảnh hưởng tới kết quả phân tích. Có hai kỹ thuật nguyên tử hoá mẫu là kỹ thuật nguyên tử hoá trong ngọn lửa (F-AAS) và kỹ thuật nguyên tử hoá mẫu không ngọn lửa (GF-AAS). Nguyên tắc chung là dùng nhiệt độ cao để hoá hơi và nguyên tử hoá mẫu phân tích.
Chiếu chùm sáng phát xạ của nguyên tố cần phân tích từ nguồn bức xạvào đám hơi nguyên tử đó để chúng hấp thụ những bức xạ đơn sắc nhạy hay bức xạ cộng hưởng có bước sóng nhất định ứng đúng với tia phát xạ nhạy của chúng. Nguồn phát xạ chùm tia đơn sắc có thể là đèn catot rỗng (HCL), các đèn phóng điện không điện cực (EDL) hay nguồn phát xạ liên tục đã được biến điệu.
Sau đó, nhờ một hệ thống máy quang phổ người ta thu toàn bộ chùm sáng, phân ly và chọn một vạch phổ hấp thụ của nguyên tố cần phân tích để đo cường độc của nó. Cường độ đó chính là tín hiệu hấp thụ. Trong một giới hạn nồng độ xác định, tín hiệu này phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ của nguyên tố cần xác định trong mẫu theo định luật Lamber – Beer- Bouger:
Trong đó: : cường độ hấp thụ K: hằng số thực nghiệm
C: nồng độ nguyên tố trong mẫu
b: hằng số bản chất, phụ thuộc vào nồng độ(0<b≤1)
Phương trình trên là cơ sở định lượng cho phép đo S tùy thuộc vào kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu mà người ta phân biệt phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F-AAS) cho độ nhạy cỡ 0,1 ppm. Phổ hấp thụ không ngọn lửa (GF- S) có độ nhạy cao hơn kỹ thuật ngọn lửa 50- 1000 lần cỡ 0,1 – 1 ppb.
Kĩ thuật đo F-AAS
Đây là kĩ thuật, người ta dùng năng lượng nhiệt của ngọn lửa đèn khí để hoáhơi và nguyên tử hoá mẫu phân tích. Vì thế mọi quá trình xảy ra trong khi nguyêntử hoá mẫu phụ thuộc vào các đặc trưng và tính chất của ngọn lửa đèn khí, nhưngchủ yếu là nhiệt độ ngọn lửa. Đó là yếu tố quyết định hiệu suất nguyên tử hoá mẫuphân tích, và mọi yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ ngọn lửa đèn khí đều ảnh hưởng đến kết quả của phương pháp phân tích.
Kĩ thuật đo F-AAS
Kĩ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa ra đời sau kĩ thuật nguyên tử hoátrong ngọn lửa. Nhưng kĩ thuật này được phát triển rất nhanh và hiện nay đang được sử dụng rất phổ biến vì kĩ thuật này có độ nhạy rất cao (mức ppb). Do đó, khi phân tích lượng vết kim loại trong trường hợp không cần thiết phải làm giàu sơ bộ các nguyên tố cần phân tích.
Về nguyên tắc, kĩ thuật nguyên tử hoá mẫu không ngọn lửa là quá trình nguyên tử hoá tức khắc trong thời gian rất ngắn nhờ năng lượng nhiệt của dòng điệncó công suất lớn và trong môi trường khí trơ. Quá trình nguyên tử hoá xảy ra
theo 3 giai đoạn kế tiếp nhau: sấy khô, tro hoá luyện mẫu, nguyên tử hoá để đo phổ hấp thụ nguyên tử và cuối cùng là làm sạch cuvet. Nhiệt độ trong cuvet graphit là yếu tố chínhquyết định mọi sự diễn biến của quá trình nguyên tử hoá mẫu.
1.3.4.2. ng ụng của ph p đo
Phương pháp S được ứng dụng để phân tích định lượng thành phần các nguyên tố, đặc biệt với chất có nồng độ rất thấp trong mẫu phân tích. Phương pháp này có thể xác định được hơn 70 nguyên tố kim loại trong các đối tượng khác nhau như mẫu nước, thực phẩm, nông sản, dược, mỹ phẩm, các sản phảm hợp kim, các sản phẩm hóa chất vô cơ, quặng, silicat, các đối tượng sinh học và