Chiết pha rắn SPE (Solid - Phase Extraction) là quá trình phân bố chất tan giữa hai pha lỏng - rắn. Pha rắn có thể là các hạt silicagen xốp, các polime hữu cơ hoặc các loại nhựa trao đổi ion hay than hoạt tính. Phương pháp này tách, làm giàu được chất phân tích có lượng vết ra khỏi mẫu ban đầu bằng cách hấp phụ chúng vào một cột chiết pha rắn, sau đó rửa giải chất phân tích với dung môi thích hợp cho phân tích công cụ. Chiết pha rắn thay thế cho chiết lỏng – lỏng rất tốt do chuẩn bị mẫu tiện lợi, có các ưu điểm như: thu hồi các chất phân tích với hiệu suất cao, chiết chất phân tích và làm sạch tạp chất dễ dàng, phương pháp tiến hành đơn giản, giảm lượng dung môi hữu cơ dẫn đến giá thành hạ. Hiện nay, chiết pha rắn SPE được ứng dụng rất rộng rãi trong phân tích mẫu môi trường, mẫu thuốc, mẫu lâm sàng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
1.7. Phƣơng pháp xử lý mẫu phân tích xác định Cd và Pb [26], [30]
Để xác định hàm lượng Cd và Pb trong chè xanh, trước hết ta phải tiến hành xử lý mẫu nhằm chuyển các nguyên tố cần xác định có trong mẫu từ trạng thái ban đầu (dạng rắn) về dạng dung dịch. Đây là công việc rất quan trọng vì nó có thể dẫn đến những sai lệch trong kết quả phân tích do sự nhiễm bẩn mẫu hay làm mất chất phân tích nếu thực hiện không tốt. Hiện nay có nhiều kĩ thuật xử lí mẫu phân tích, với đối tượng chè xanh thì hai kĩ thuật chính dùng để phá mẫu gồm kĩ thuật tro hoá ướt bằng axit đặc oxi hoá mạnh (phương pháp xử lí ướt) và kĩ thuật tro hoá khô (phương pháp tro hoá khô).
1.7.1. Phương pháp xử lý ướt (bằng axit đặc oxi hóa mạnh)
Nguyên tắc chung: Dùng axit đặc có tính oxi hoá mạnh (HNO3, HClO4…), hay hỗn hợp các axit đặc có tính oxi hoá mạnh (HNO3 + HClO4) hoặc hỗn hợp một axit mạnh và một chất oxi hoá (HNO3 + H2O2)… để phân huỷ hết chất hữu cơ và chuyển các kim loại ở dạng hữu cơ về dạng ion trong dung dịch muối vô cơ. Lượng axit thường phải dùng gấp từ 10 - 15 lần lượng mẫu, tuỳ thuộc mỗi loại mẫu và cấu trúc vật lý hoá học của nó. Thời gian phân huỷ mẫu trong bình Kendan, ống nghiệm, cốc… thường từ vài giờ đến hàng chục giờ, cũng tuỳ loại mẫu, bản chất của các chất. Khi phân huỷ xong phải đuổi hết axit dư trước khi định mức và tiến hành đo phổ.
Ưu điểm: không bị mất các chất phân tích.
Nhược điểm: Thời gian phân hủy mẫu rất dài, tốn nhiều axit đặc tinh khiết cao, dễ bị nhiễm bẩn do môi trường hay axit và phải đuổi axit dư nên dễ bị nhiễm bụi bẩn vào mẫu.
1.7.2. Phương pháp xử lý khô
Nguyên tắc: Đối với các mẫu hữu cơ trước hết phải được xay hay nghiền thành bột, vữa hay thể huyền phù. Sau đó dùng nhiệt để tro hóa mẫu, đốt cháy chất hữu cơ và đưa các kim loại về dạng oxit hay muối của chúng. Cụ thể là:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Cân lấy một lượng mẫu nhất định (5-10 gam) vào chén nung. Nung chất mẫu ở một nhiệt độ thích hợp, để đốt cháy hết các chất hữu cơ, và lấy bã vô cơ còn lại của mẫu là các oxit, các muối,… Sau đó hòa tan bã thu được này trong axit vô cơ, như HCl (1/1), HNO3 (1/2), … để chuyển các kim loại về dạng các ion trong dung dịch. Quyết định việc tro hóa ở đây là nhiệt độ nung và thời gian nung (nhiệt độ tro hóa và thời gian tro hóa) và các chất phụ gia thêm vào mẫu khi nung. Nhiệt độ tro hóa các chất hữu cơ thường được chọn thích hợp trong vùng từ 400 - 550oC, nó tùy theo mỗi loại mẫu và chất cần phân tích.
Ưu điểm của phương pháp:
+ Tro hóa triệt để được mẫu, hết các chất hữu cơ,
+ Đơn giản, dễ thực hiện, quá trình xử lý không lâu như phương pháp ướt,
+ Không tốn nhiều axit tinh khiết cao và không có axit dư, + Hạn chế được sự nhiễm bẩn do dùng ít hóa chất,
+ Mẫu dung dịch thu được sẽ sạch và trong.
Nhược điểm của phương pháp:
+ Một số nguyên tố như Cd, Pb, Zn,… nếu không dùng chất bảo vệ và chất chảy dễ bị mất mẫu phân tích.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chƣơng 2
ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tƣợng và mục tiêu nghiên cứu
2.1.1. Đối tượng và mục tiêu
Từ xưa đến nay, chè là loại thức uống quen thuộc đối với mọi người, và được xem là một loại thức uống mang tính toàn cầu. Chè xanh có thể bị nhiễm các chất độc hại từ môi trường trong đó có ô nhiễm kim loại nặng. Do đó, ngoài việc nghiên cứu những hoạt tính sinh học của chè ta cũng cần phải kiểm tra hàm lượng của các chất có hại ảnh hưởng đến chất lượng chè và có hại cho sức khỏe con người không. Đặc biệt phải kiểm tra hàm lượng các kim loại nặng, bởi vì một lượng rất nhỏ của chúng cũng có thể gây độc hại đối với con người.
Chính vì vậy, đối tượng và mục tiêu của luận văn này là nghiên cứu xác định hàm lượng Cadimi và Chì trong chè xanh bằng phép đo phổ hấp thụ nguyên tử GF - AAS.
2.1.2. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử là phương pháp xác định đặc hiệu đối với hầu hết các nguyên tố kim loại, giới hạn định lượng của phương pháp ở mức ppm đối với kỹ thuật ngọn lửa (F – AAS) và ở mức ppb đối với kỹ thuật không ngọn lửa (GF – AAS). Các tác giả ở Viện kiểm nghiệm đã xây dựng phương pháp phân tích xác định Cu, Pb (2001), As (2003) trong các chế phẩm đông dược bằng phép đo AAS [6]. Do đó trong luận văn này chúng tôi chọn phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử kỹ thuật không ngọn lửa để xác định hàm lượng Cd và Pb trong chè xanh.
Đối với phương pháp xử lý mẫu, chúng tôi lựa chọn phương pháp vô cơ hóa ướt để xử lý mẫu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.1.3. Nội dung và nhiệm vụ nghiên cứu
Để thực hiện đề tài “Xác định hàm lượng Cadimi và Chì trong chè
xanh” Chúng tôi chọn phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (GF-AAS) vì hàm
lượng Cd và Pb trong chè ở dạng vết và vì những ưu điểm của phương pháp này, chúng tôi tiến hành nghiên cứu một cách có hệ thống các vấn đề sau:
- Khảo sát chọn các điều kiện phù hợp để đo phổ GF – AAS của Cd và Pb. - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến phép xác định Cd và Pb trong phép đo.
- Khảo sát khoảng tuyến tính và xây dựng đường chuẩn phép đo. - Xác định giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của phép đo. - Đánh giá sai số và độ lặp lại của phương pháp.
- Ứng dụng phương pháp xác định hàm lượng Cd và Pb trong các mẫu chè tại Thái Nguyên.
- Từ việc nghiên cứu các vấn đề trên, chúng tôi sẽ lựa chọn các điều kiện đo phù hợp và xây dựng một phương pháp xác định lượng vết Cd và Pb trong chè bằng kỹ thuật GF-AAS.
2.2. Giới thiệu về phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử [13], [27], [29]
2.2.1. Nguyên tắc của phương phápphổ hấp thụ nguyên tử (AAS)
Khi nguyên tử tồn tại tự do ở thể khí và ở trạng thái năng lượng cơ bản, thì nguyên tử không thu hay không phát ra năng lượng. Tức là nguyên tử ở trạng thái cơ bản. Song nếu nguyên tử đang tồn tại ở trạng thái này mà chúng ta kích thích nó bằng một chùm tia sáng đơn sắc có năng lượng phù hợp, có độ dài sóng trùng với các vạch phổ phát xạ đặc trưng của nguyên tố đó, thì chúng sẽ hấp thụ các tia sáng đó sinh ra một loại phổ của nguyên tử. Phổ này được gọi là phổ hấp thụ của nguyên tử.
Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử dựa trên sự xuất hiện của phổ hấp thụ nguyên tử khi nguyên tử tồn tại ở trạng thái khí tự do và trong mức năng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
lượng cơ bản.Vì vậy, muốn thực hiện được phép đo phổ AAS cần phải thực hiện các công việc sau:
- Chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu (rắn, dung dịch) thành trạng thái hơi. Đó là quá trình hóa hơi mẫu.
- Nguyên tử hóa đám hơi đó, phân li các phân tử, tạo ra đám hơi nguyên tử tự do của các nguyên tố cần phân tích trong mẫu để chúng có khả năng hấp thụ bức xạ đơn sắc. Đây là giai đoạn quan trọng nhất và quyết định đến kết quả của phép đo AAS.
- Chọn nguồn phát tia sáng có bước sóng phù hợp với nguyên tố phân tích và chiếu vào đám hơi nguyên tử đó. Phổ hấp thụ sẽ xuất hiện.
- Nhờ một hệ thống máy quang phổ, người ta thu toàn bộ chùm sáng sau khi đi qua môi trường hấp thụ, phân li chúng thành phổ và chọn một vạch phổ cần đo của nguyên tố phân tích hướng vào khe đo để đo cường độ của nó. Trong một giới hạn nhất định của nồng độ, giá trị cường độ này phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ của nguyên tố cần phân tích theo phương trình:
Aλ = k.C.L Trong đó Aλ: Cường độ vạch phổ hấp thụ
k: Hằng số thực nghiệm
L: Chiều dài môi trường hấp thụ
C: Nồng độ nguyên tố cần xác định trong mẫu đo phổ. - Thu và ghi lại kết quả đo cường độ vạch phổ hấp thụ.
Tác giả Nguyễn Ngọc Sơn [20] đã sử dụng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa GF-AAS để xác định lượng vết chì trong đất hiếm tinh khiết (≥ 99,5%) có so sánh với kỹ thuật ICP-MS và có đưa ra nhận xét: phương pháp GF-AAS có thể xác định tạp chất trong đất hiếm tinh khiết với độ nhạy và độ chính xác cao. Sự sai khác giữa hai phương pháp GF-AAS và ICP-MS là rất nhỏ, dưới 9% đối với Pb.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.2.2. Hệ trang bị của phép đo AAS
Dựa vào nguyên tắc của phép đo, ta có thể mô tả hệ thống trang thiết bị của máy phổ hấp thụ nguyên tử gồm các phần:
2.2.2.1. Nguồn phát trùm bức xạ đơn sắc của các nguyên tố cần phân tích
- Đèn catot rỗng (Hollow Cathode Lamp - HCL).
- Đèn phóng điện không điện cực (Electrodeless Discharge Lamp - EDL). - Đèn phát phổ liên tục đã biến điệu (Deuterium Hollow Cathode Lamp – D2).
Hình 2.1. Đèn catot rỗng Hình 2.2. Đèn D2
Hình 2.1. Đèn catot rỗng Hình 2.2. Đèn D2
2.2.2.2. Hệ thống nguyên tử hóa mẫu phân tích theo kĩ thuật GF - AAS
Trong kĩ thuật này, người ta dùng một lò nung bằng graphit (cuvet graphit) hay thuyền Tantan để nguyên tử hóa mẫu. Kĩ thuật nguyên tử hóa mẫu không ngọn lửa là quá trình nguyên tử hóa mẫu tức khắc trong thời gian rất ngắn nhờ năng lượng của dòng điện công suất lớn có thế thấp (nhỏ hơn 12V) nhưng dòng cao (50 – 800A) trong môi trường khí trơ. Quá trình nguyên tử hóa xảy ra theo các giai đoạn kế tiếp nhau: Sấy khô, tro hóa luyện mẫu, nguyên tử hóa để đo phổ hấp thụ và cuối cùng là làm sạch cuvet. Trong đó hai
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
giai đoạn đầu là chuẩn bị cho giai đoạn nguyên tử hóa đạt kết quả tốt. Nhiệt độ trong cuvet graphit là yếu tố chính quyết định mọi diễn biến của quá trình nguyên tử hóa mẫu. Kĩ thuật này có độ nhạy rất cao, gấp hàng trăm có khi đến hàng nghìn lần phép đo trong ngọn lửa mà lượng mẫu tiêu tốn ít (mỗi lần 20- 50μL). Do đó, không cần nhiều mẫu phân tích, việc chuẩn bị mẫu cũng dễ dàng, không tốn nhiều hóa chất cũng như các dung môi tinh khiết cao.
Hình 2.3. Cuvet graphite Hình 2.4. Bộ phận nguyên tử hóa mẫu
2.2.2.3. Hệ quang học và detector dùng để thu, phân ly toàn bộ phổ của mẫu và chọn vạch phổ hấp thụ cần đo hướng vào nhân quang điện để phát tín hiệu hấp thụ của vạch phổ
2.2.2.4. Hệ thống hiển thị kết quả đo có nhiều cách khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp
Để tiến hành nghiên cứu xác định hàm lượng Cd và Pb trong chè chúng tôi xử dụng hệ thống máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AA – 6300 của hãng Shimadzu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 2.5. Sơ đồ hệ thống máy quang phổ hấp thụ nguyên tử
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.3. Giới thiệu về phƣơng pháp xử lý ƣớt mẫu
2.3.1. Nguyên tắc và bản chất
Dùng một axit đặc có tính oxi hóa mạnh, hay hỗn hợp các axit có tính oxi hóa mạnh để phân huỷ hết chất hữu cơ trong bình kín, để chuyển các kim loại về dạng các ion trong dung dịch muối vô cơ dễ tan.
Sự phân huỷ mẫu ở đây là do các tác nhân xẩy ra đồng thời: + Năng lượng nhiệt (nhiệt độ)
+ Axit đặc
2.3.2. Cơ chế phân huỷ
Dưới tác dụng của axit các hạt (phân tử) mẫu bị phá huỷ và hòa tan, đồng thời tác nhân năng lượng nhiệt làm tan rã các hạt mẫu. Sự khuyếch tán đối lưu, chuyển động nhiệt và va chạm của các hạt mẫu với nhau cũng làm chúng hao mòn dần. Các tác nhân này tấn công và bào mòn dần các hạt mẫu từ ngoài vào, làm cho các hạt mẫu bị mòn dần dần, bé dần và rồi tan mất hết.
Các quá trình xảy ra khi phân huỷ mẫu, dưới tác dụng của axit đặc và năng lượng nhiệt (nhiệt độ), các quá trình vật lý và hóa học sau đây sẽ xảy ra:
+ Sự phá vỡ mạng lưới cấu trúc của hạt mẫu để giải phóng các chất phân tích và chuyển chúng vào dung dịch dưới dạng các muối tan.
+ Quá trình oxi hóa khử làm thay đổi hóa trị, chuyển đổi dạng, làm tan vỡ các hạt vật chất mẫu để giải phóng chất phân tích về dạng muối tan.
+ Tạo ra hợp chất dễ bay hơi, làm mất đi các anion trong phân tử chất mẫu… làm mẫu bị phân huỷ tạo ra các hợp chất tan trong dung dịch.
+ Sự tạo thành các hợp chất hay muối phức tan trong dung dịch.
Như vậy, trong quá trình xử lý mẫu có thể có các phản ứng hóa học xảy ra như phản ứng oxi hóa khử, phản ứng thuỷ phân, phản ứng tạo phức, phản ứng hòa tan, phản ứng kết tủa… của các phân tử chất mẫu với các axit dùng để phân hủy mẫu và các chất có trong mẫu với nhau. Trong đó, quá trình nào
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
là chính hay phụ được quyết định bởi thành phần, chất nền, bản chất của chất mẫu và các loại axit dùng để phân hủy và hòa tan mẫu.
2.4. Hóa chất và dụng cụ
2.4.1. Hóa chất
- Dung dịch chuẩn Cd2+, Pb2+, K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Ba2+, Al3+, Sn2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Cr3+, Mn2+, Cu2+, Zn2+…dùng cho AAS (1000ppm, Merrck )
- Axit đặc HCl 36%, HNO3 65%, H2O2 30% Merrck.
- Nước cất hai lần, các dung dịch nền và các muối: NH4Ac, NaAc, LaCl3, Mg(NO3)2, Pb(NO3)2, NH4H2PO4 tinh khiết loại PA.
- Dung dịch rửa sunfocromic (hỗn hợp H2SO4 đặc và K2Cr2O7 ).
2.4.2. Dụng cụ
- Máy xay, tủ xấy, máy quang phổ hấp thụ nguyên tử SHIMADZU – 6300 Nhật Bản.
- Cốc thủy tinh loại 50, 100, 150, 500 ml (Merck) - Bình định mức 10, 25, 50, 100, 250, 500, 1000 ml. - Pipet 1, 2, 5, 10 ml.
- Pipetman 100-5000 l.
- Bình kendal, lọ đựng mẫu 25ml.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chƣơng 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Khảo sát điều kiện đo phổ GF- AAS của Cd và Pb