Phương phỏp phổ khối lượng (khối phổ) dựa trờn sự tỏch cỏc hạt tớch điện theo tỉ số khối lượng/điện tớch của chỳng (m/z). Trong những năm qua, phương phỏp này ngày càng trở nờn cú ý nghĩa đối với cỏc ngành khoa học trỏi đất, nhất là từ sau khi Taylor đi đầu trong việc ỏp dụng khối phổ nguồn tia điện để phõn tớch cỏc mẫu địa chất.
Từ khi xuất hiện plasma cảm ứng với cỏc tớnh năng và ưu điểm về vận hành hơn hẳn cỏc nguồn hồ quang và tia điện thỡ một cụng cụ mới đó dần dần được phỏt triển thành một tổ hợp ICP ghộp với một khối phổ kế (ICP - MS). Hai ưu điểm nổi bật của ICP - MS là:
1) Phổ đơn giản, dễ giải và dễ tỏch cỏc nhiễu ảnh hưởng lẫn nhau. 2) Thuộc tớnh của phương phỏp là thụng tin về độ giàu đồng vị.
Phương phỏp này ưu việt ở chỗ cú thể phỏt hiện được hầu hết cỏc nguyờn tố trong bảng tuần hoàn.
Phương phỏp khối phổ plasma cảm ứng ICP - MS là một kỹ thuật phõn tớch cỏc chất vụ cơ (nguyờn tố) dựa trờn sự đo phổ theo số khối (m/z) của nguyờn tử cỏc nguyờn tố cần phõn tớch.
- ICP (Inductively Coupled Plasma) là ngọn lửa plasma tạo thành bằng d ̣ũng điện cú tần số cao (cỡ MHz) được cung cấp bằng một mỏy phỏt RF. Ngọn lửa plasma cú nhiệt độ rất cao cú tỏc dụng chuyển cỏc nguyờn tố trong mẫu cần phõn tớch ra dạng ion.
- MS (Mass Spectrometry): phộp ghi phổ theo số khối hay chớnh xỏc hơn là theo tỷ số giữa số khối và điện tớch (m/z).
* Nguyờn tắc và sự xuất hiện phổ khối ICP - MS
Khi dẫn mẫu phõn tớch vào vựng nhiệt độ cao của ngọn lửa plasma (ICP), vật chất cú trong mẫu khi đú bị chuyển hoàn toàn thành trạng thỏi hơi. Cỏc phõn
tử chất khớ được tạo ra lại bị phõn ly thành cỏc nguyờn tử tự do ở trạng thỏi khớ; ở nhiệt độ cao của plasma (8000oC) phần lớn cỏc nguyờn tử trong mẫu phõn tớch bị ion hoỏ tạo thành ion dương cú điện tớch +1 và cỏc electron tự do. Thu và dẫn dũng ion đú vào thiết bị phõn giải để phõn chia chỳng theo số khối (m/z), nhờ hệ thống tỏch theo số khối và detector thớch hợp ta thu được phổ khối cỏc đồng vị của cỏc nguyờn tố cần phõn tớch cú trong mẫu. Quỏ tŕnh xảy ra trong ngọn lửa plasma cú thể được túm tắt theo 4 mức như sau:
Dung mụi bay hơi → Húa hơi mẫu → Nguyờn tử húa mẫu→ Ion húa mẫu. Như vậy, phổ ICP - MS của nguyờn tử chỉ xuất hiện khi nú ở trạng thỏi hơi và khi nguyờn tử bị ion hoỏ trong nguồn năng lượng ICP thành cỏc ion điện tớch +1. Mà vật chất được cấu tạo bởi cỏc nguyờn tử theo cỏc kiểu liờn kết nhất định. Cỏc mẫu phõn tớch cũng thế, chỳng hoặc là ở trạng thỏi rắn của cỏc kim loại, hợp kim, hoặc là tồn tại ở trạng thỏi cỏc hợp chất như oxit, muối, khoỏng chất, quặng, đất, đỏ... Vỡ thế muốn thực hiện phộp đo phổ ICP - MS phải tiến hành cỏc bước sau đõy:
1. Chuyển mẫu phõn tớch về dạng dung dịch đồng nhất. 2. Dẫn dung dịch vào hệ thống tạo sol khớ để tạo sol khớ. 3. Dẫn thể sol khớ của mẫu vào ngọn lửa ICP, Plasma Torch.
4. Trong Plasma Torch sẽ cú sự hoỏ hơi, nguyờn tử hoỏ và ion hoỏ. Tức là biến vật chất mẫu phõn tớch sang trạng thỏi hơi, nguyờn tử hoỏ đỏm hơi đú, và ion hoỏ cỏc nguyờn tử của chất mẫu thành cỏc ion nhờ nguồn năng lượng của ICP.
5. Thu toàn bộ đỏm hơi ion của mẫu, lọc và phõn ly chỳng thành phổ nhờ hệ thống phõn giải khối theo số khối của ion, phỏt hiện chỳng bằng Detector, ghi lại phổ.
6. Đỏnh giỏ định tớnh, định lượng phổ thu được.
* Đặc điểm của phương phỏp phõn tớch bằng ICP - MS Phộp đo phổ ICP - MS cú những đặc điểm và ưu việt sau đõy:
- Nguồn ICP là nguồn kớch thớch phổ cú năng lượng cao. Nú cho phộp phõn tớch hơn 70 nguyờn tố từ Li - U với độ nhạy rất cao (giới hạn phỏt hiện
thụng thuờng là cỡ ppt).
- Tuy cú độ nhạy cao nhưng nguồn ICP lại là nguồn kớch thớch phổ rất ổn định, nờn phộp đo ICP - MS cú độ lặp lại cao và sai số rất nhỏ.
- Phổ ICP - MS ớt vạch hơn phổ ICP - AES nờn cú độ chọn lọc cao, ảnh hưởng của thành phần nền (matrix effect) hầu như ớt xuất hiện, hoặc cú thỡ cũng ở mức độ nhỏ và dễ loại trừ.
- Kỹ thuật phõn tớch ICP - MS cú thể đo đồng thời nhiều nguyờn tố cựng một lỳc nờn cú ý nghĩa rất lớn trong trong sản xuất vỡ nú cho kết quả một cỏch nhanh chúng mà lại tốn ớt mẫu.
- Vựng tuyến tớnh trong phộp đo ICP - MS rộng hơn hẳn cỏc kỹ thuật phõn tớch khỏc. Vựng tuyến tớnh của phộp đo phổ ICP - MS cú thể kộo dài từ 1 - 1.000.000 lần.
- Khả năng phõn tớch bỏn định lượng rất mạnh do khụng cần dựng mẫu chuẩn mà vẫn cho kết quả tương đối chớnh xỏc.
- ICP - MS cũn cho phộp phõn tớch đồng vị, tỷ lệ đồng vị và pha loóng đồng vị.
Kỹ thuật phõn tớch ICP - MS là một trong những kỹ thuật phõn tớch hiện đại. Kỹ thuật này được nghiờn cứu và phỏt triển rất mạnh trong những năm gần đõy. Với nhiều ưu điểm vượt trội của nú, kỹ thuật này được ứng rộng rất rộng rói trong phõn tớch rất nhiều đối tượng khỏc nhau đặc biệt là trong cỏc lĩnh vực phõn tớch vết và siờu vết phục vụ nghiờn cứu sản xuất vật liệu bỏn dẫn, vật liệu hạt nhõn, nghiờn cứu địa chất và mụi trường...
* Phõn tớch định lượng bằng phổ ICP - MS: 3 phương phỏp 1. Phương phỏp đường chuẩn.
2. Phương phỏp thờm chuẩn. 3. Phương phỏp một mẫu chuẩn.
Vỡ vựng tuyến tớnh của phộp đo ICP - MS rất rộng, nờn trong nhiều trường hợp khụng cần dựng đường chuẩn mà chỉ cần dựng một mẫu chuẩn để tớnh nồng độ của chất X trong mẫu phõn tớch.
Nếu mẫu chuẩn cú nồng độ là Cch và mẫu phõn tớch cú nồng độ là Cx, thỡ ta cú: Với mẫu phõn tớch: Ix = k.Cx
Với mẫu chuẩn: Ich = k.Cch
Do đú chỳng ta cú: Cx = (Ix / Ich).Cch (c) Như vậy sau khi đo phổ sẽ thu được giỏ trị Ims x và Ims ch, chỳng ta dễ dàng tớnh được Cx của chất phõn tớch X trong mẫu phõn tớch theo biểu thức (c). Cỏch này cú khú khăn là khi mẫu phõn tớch cú thành phần phức tạp và khụng biết chớnh xỏc thỡ khú chuẩn bị được một mẫu chuẩn cú thành phần và nền giống như mẫu phõn tớch, do đú thường mắc phải sai số lớn.
Cỏch 2: Khụng dựng mẫu tiờu chuẩn
Nếu mẫu phõn tớch cú nồng độ chưa biết là Cx, chỳng ta lấy 2 lượng mẫu như nhau (cú 2 mẫu), 1 mẫu để nguyờn và 1 mẫu thờm một lượng chớnh xỏc ΔCx của chất phõn tớch X, xử lý trong cựng điều kiện, sau đú tiến hành đo phổ.
Với mẫu phõn tớch: Ix = k.Cx
Với mẫu chuẩn: Itch = k.(Cx + ∆Cx)
Do đú ta cú: Cx = (∆Cx.Ix)/(Itch - Ix) (d) Cỏch này cú ưu điểm hơn cỏch 1 là nú loại trừ được ảnh hưởng của thành phần và nền của mẫu. Vỡ chỳng ta dựng ngay mẫu phõn tớch để làm chuẩn theo phương phỏp thờm, nờn mẫu phõn tớch và mẫu chuẩn đều cú cựng thành phần và chất nền.
Chương 2
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1. Chuẩn bị mẫu đo bằng phương phỏp von-ampe hoà tan anot 2.1.1. Thiết bị, dụng cụ và hoỏ chất
Thiết bị cực phổ 797 VA Computrace (Metrohm Thụy Sỹ). - Pipet cỏc loại: 5ml, 10ml, 20ml. Micropipet 500 àl.
- Chộn sứ.
- Bỡnh định mức: 25ml, 50ml, 100ml. - Cốc thuỷ tinh: 50 ml, 100 ml.
- Cõn phõn tớch cú độ chớnh xỏc 10-4 g, cõn kỹ thuật. - Lũ nung, tủ sấy, bếp điện.
- Mỏy đo pH.
- Thỡa thuỷ tinh, đũa thuỷ tinh. - Giấy lọc.
- Chậu thuỷ tinh. - Ống hỳt hoỏ chất.
- Hoỏ chất dựng làm thớ nghiệm thuộc loại tinh khiết PA: axit HNO3
đặc 65 - 68%, nước cất. Cỏc dung dịch chuẩn kim loại đều của hóng Merck.
2.1.2. Pha chế dung dịch
2.1.2.1. Pha chế dung dịch Pb2+
Lấy 0,1 ml dung dịch chuẩn Pb2+ 1000 ppm cho vào bỡnh định mức 50 ml rồi định mức bằng nước cất tới vạch thu được dung dịch Pb2+ 2 ppm.
Cỏc dung dịch Pb2+ cú nồng độ 0,1 ppm; 0,3 ppm; 1 ppm thỡ pha loóng từ dung dịch Pb2+ 2 ppm.
2.1.2.2. Pha chế dung dịch Cd2+
Lấy 0,1 ml dung dịch Cd2+ 1000 ppm cho vào bỡnh định mức 50 ml rồi định mức bằng nước cất tới vạch thu được dung dịch Cd2+ 2 ppm.
Cỏc dung dịch Cd2+ cú nồng độ 0,1 ppm; 0,3 ppm; 1 ppm được pha loóng từ dung dịch Cd2+ 2 ppm.
2.1.2.3. Pha chế dung dịch Cu2+
Lấy 0,1 ml dung dịch Cu2+ 1000 ppm cho vào bỡnh định mức 50 ml rồi định mức bằng nước cất tới vạch thu được dung dịch Cu2+ 2 ppm.
Cỏc dung dịch Cu2+ cú nồng độ 0,1 ppm; 0,3 ppm; 1 ppm thỡ pha loóng từ dung dịch Cu2+ 2 ppm.
2.1.2.4. Pha chế dung dịch Zn2+
Lấy 0,1 ml dung dịch Zn2+ 1000 ppm cho vào bỡnh định mức 50 ml rồi định mức bằng nước cất tới vạch thu được dung dịch Zn2+ 2 ppm.
Cỏc dung dịch Zn2+ cú nồng độ 0,1 ppm; 0,3 ppm; 1 ppm thỡ pha loóng từ dung dịch Zn2+ 2 ppm.
2.1.2.5. Pha chế dung dịch khỏc
- Pha chế dung dịch HNO3 0,01N: Hỳt chớnh xỏc 0,6925 ml axit HNO3
đặc 65 - 68% ( d = 1,4 g/cm3), sau đú thờm vào 99,3075 ml nước cất hai lần thu được dung dịch HNO3 0,01N.
2.1.3. Lấy mẫu và xử lý mẫu2.1.3.1. Lấy mẫu 2.1.3.1. Lấy mẫu
Mẫu nấm được thu hỏi ở khu bảo tồn thiờn nhiờn Pự Huống, huyện Quỳ Hợp, tỉnh Nghệ An, thời gian từ thỏng 6 đến thỏng 8 năm 2011.
a. Nấm linh chi đỏ (Ganoderma lucidum)
Hỡnh 11: Nấm linh chi đỏ (Ganoderma lucidum) b. Nấm sũ trắng (Pleurotus ostreatus)
Hỡnh 12: Nấm sũ trắng (Pleurotus ostreatus) 2.1.3.2. Xỏc định hệ số khụ kiệt
a. Nguyờn tắc
Cỏc kết quả phõn tớch được tớnh dựa trờn cơ sở nấm khụ tuyệt đối (sau khi sấy). Vỡ vậy xỏc định hệ số khụ kiệt của nấm được dựng làm số liệu để tớnh cỏc phõn tớch thớ nghiệm sau.
Phương phỏp: sấy khụ mẫu ở 100-1050C cho đến khi khối lượng khụng đổi, trờn cơ sở đú tớnh khối lượng nước bay hơi và từ đú suy ra hệ số khụ kiệt.
b. Quy trỡnh thực nghiệm
Cõn chớnh xỏc 5g nấm khụ khụng khớ trờn cõn phõn tớch và cho vào chộn sứ khụ. Sấy trong tủ sấy ở nhiệt độ 100 - 1050C trong khoảng 4h. Lấy ra và để nguội trong bỡnh hỳt ẩm ở nhiệt độ phũng. Cõn khối lượng lần thứ nhất.
- Tiếp tục sấy ở 100 - 1050C thờm 3giờ. Lấy ra để nguội trong bỡnh hỳt ẩm đến nhiệt dộ phũng. Cõn khối lượng lần thứ 2 và tiếp tục làm như vậy cho đến khi khối lượng lần cõn sau khụng thay đổi hoặc thay đổi khụng quỏ 0,0010 g so với lần trước.
- Trường hợp khối lượng lần cõn sau lớn hơn lần cõn trước là do mẫu bị oxi hoỏ, nờn ngừng sấy khi cú hiện tượng đú.
- Hệ số khụ kiệt được tớnh theo cụng thức: K = với A là % độ ẩm.
Kết quả xỏc định hệ số khụ kiệt của cỏc mẫu Nấm nghiờn cứu theo bảng sau:
Bảng 4: Xỏc định hệ số khụ kiệt của cỏc mẫu Nấm
TT Khối lượng Nấm trước khi sấy Khối lượng Nấm sau khi sấy lần 1 (g), 4 giờ Khối lượng Nấm sau khi sấy lần 2 (g), 2 giờ Khối lượng Nấm sau khi sấy lần 3 (g), 1 giờ Hệ số K M1 5 g 3,9345 3,9002 3,8996 1,2822 M2 5 g 3,9032 3,8851 3,8845 1,2872 M3 5 g 3,9189 3,9019 3,9013 1,2816 S1 5 g 3,8886 3,8602 3,8596 1,2955 S2 5 g 3,8725 3,8525 3,8519 1,2981 S3 5 g 3,8636 3,8465 3,8462 1,2999
Hệ số khụ kiệt của mẫu nấm dựng để xỏc định hàm lượng nguyờn tố vi lượng và kim loại nặng là khỏ ổn định.
2.1.3.3. Xử lý mẫu cho phõn tớch von-ampe
Trong đề tài này chỳng tụi tiến hành vụ cơ hoỏ mẫu bằng phương phỏp khụ rồi sau đú xử lý ướt.
Chỳng tụi tiến hành xử lý mẫu theo phương phỏp sau đõy:
Lấy 5g mẫu nấm đó phơi khụ khụng khớ, cắt nhỏ, xay nhuyễn bằng mỏy xay sinh tố cho vào chộn sứ, sấy cho đến khi khối lượng khụng thay đổi đế tớnh hệ số khụ kiệt. Tiến hành nung trong lũ nung ở nhiệt độ 5500C trong 4 giờ, thành than đen. Sau đú thờm 2,5 ml dung dịch HNO3 65 - 68%. Tiếp tục nung trong lũ nung ở nhiệt độ 5500C trong vũng 2 giờ, thu được tro khụng cũn đen. Hoà tan tro cũn lại trong 0,5 ml HNO3 65 - 68%, đun trờn bếp điện cho tan hết và đuổi hết axit cũn dư đến khi cũn muối ẩm. Sau đú định mức tới 25 ml dung dịch HNO3 0,01N và đem đo trờn mỏy cực phổ. Với mỗi loại nấm tiến hành làm 3 mẫu song song.
Cỏc dung dịch phõn tớch chưa đo ngay được chuyển vào bỡnh polietien để bảo quản, trỏnh sự tạo thành hidroxit kim loại.
2.2. Chuẩn bị mẫu đo bằng phương phỏp phổ khối plasma cảm ứngICP - MS ICP - MS
2.2.1. Thiết bị, dụng cụ và hoỏ chất
- Mỏy khối phổ plasma cảm ứng (ICP - MS) Agilent 7500a. Khoảng khối lượng 7 - 250 amu. Độ phõn giải 1 amu (độ rộng peak ở 5% độ cao peak).
- Khớ trơ argon cú độ tinh khiết cao (99,999 % - 99,9995 %). - Nước siờu sạch (miliQ) 18 MΩ.
- Cõn phõn tớch độ chớnh xỏc 0,1 mg. - Cỏc dụng cụ của phũng thớ nghiệm.
- Dung dịch chuẩn cỏc kim loại IV - STOCK - 27 (Inorganic Ventures). - HNO3 Merck PA d = 1,42; 0,35 M.
- H2O2 Merck PA.
2.2.2. Quỏ trỡnh phõn tớch
2.2.2.1. Chuẩn bị mẫu phõn tớch
Mẫu được lấy giống như ở phương phỏp cực phổ nhưng quỏ trỡnh xử lý mẫu được tiến hành như sau:
- Cõn chớnh xỏc một lượng mẫu. Cho mẫu vào bomb teflon. Cho vào bomb chứa mẫu một lượng HNO3, H2O2. Đặt bomb chứa mẫu vào lũ vi súng. Chạy lũ vi súng ở giỏ trị cụng suất “high” và thời gian thớch hợp. Chuyển dung dịch mẫu vào bỡnh định mức 25 ml. Thờm dung dịch nội chuẩn. Định mức bằng nước cất tinh khiết (điện trở 18 MΩ).
- Mẫu dung dịch được tiến hành qua tất cả giai đoạn giống như mẫu phõn tớch, cú thờm dung dịch nội chuẩn.
2.2.2.2. Dung dịch đường chuẩn
Chuẩn bị dóy dung dịch chuẩn nguyờn tố Cu, Pb, Zn, Cd cú nồng độ thớch hợp trong mụi trường HNO3. Thờm dung dịch nội chuẩn.
2.2.2.3. Thụng số mỏy
Ngoài cỏc quy định về phương thức QA/QC, cỏc thụng số chớnh của mỏy khi phõn tớch cỏc nguyờn tố Cu, Pb, Zn, Cd như sau:
Bảng 5: Cỏc thụng số chớnh của mỏy khi phõn tớch hàm lượng đồng, chỡ, kẽm, cadimi, selen trong nấm bằng phương phỏp ICP - MS
Cụng suất cao tần (RF Power) 1400 W Độ sõu mẫu (Sample Depth) 5,1 mm
Khớ tạo plasma 15 l/ph
Khớ mang 1,14 l/ph
Khớ phụ trợ 0,9 l/ph
Tốc độ bơm (Uptake) 0,4 rps
Thời gian (Uptake) 60 s
Tốc độ bơm (Stable) 0,1 rps
Thời gian (Stable) 30 s
Nước làm mỏt 2,4 l/ph
Nhiệt độ nước 18oC.
Dạng phổ 3 điểm (Full Quant(3))
Thời gian đo cho 1 điểm 0,1 s Số lần đo lặp cho một điểm 3-5
2.2.2.4. Chọn vạch phõn tớch (số khối)
Bảng 6: Cỏc số khối phõn tớch đồng, chỡ, kẽm, cadimi, selen trong nấm bằng phương phỏp ICP - MS: TT Nguyờn tố Đồng vị 1 Cu 63 2 Pb 206, 207, 208 3 Cd 111 4 Zn 66 5 Se 78 CHƯƠNG 3
3.1. Kết quả đo mẫu bằng phương phỏp von-ampe hũa tan anot 3.1.1. Điều kiện chung để xỏc định đồng thời hàm lượng đồng, chỡ, kẽm, cadimi trong nấm
- Điện cực làm việc: là điện cực giọt thuỷ ngõn (HMDE), - Điện cực so sỏnh là điện cực Ag/AgCl.
- Điện cực phụ trợ platin.
- Phương phỏp phõn tớch: phương phỏp thờm chuẩn. - Số lần thờm: 2 lần.