CHƢƠNG 2 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Địa điểm và đối tƣợng nghiên cứu
2.1.1. Địa điểm nghiên cứu
Địa điểm đƣợc chọn nghiên cứu trong luận văn này là xã Thƣợng Cát, huyện Từ Liêm, Hà Nội. Địa điểm đối chứng là xã Nghĩa Dân, huyện Kim Động, tỉnh Hƣng Yên (hình 2.1).
Hình 2.1. Địa điểm nghiên cứu
Thƣợng Cát
Theo kết quả khảo sát sơ bộ 83 mẫu nƣớc giếng khoan nằm dọc hai bên bờ sông Hồng từ xã Thƣợng Cát, Từ Liêm tới xã Duyên Hà, Thanh Trì của tác giả Phạm Thị Kim Trang và các cộng sự (2005) cho thấy nƣớc ngầm ở đây có hàm lƣợng mangan trung bình là 0,8 mg/L [32], cao hơn so với qui chuẩn mangan trong nƣớc ăn uống do bộ Y Tế Việt Nam ban hành năm 2009 (0,3 mg/L) và tổ chức Y Tế Thế Giới (0,4 mg/L). Tuy nhiên, nghiên cứu sâu với số lƣợng mẫu lớn tại một khu vực ô nhiễm nặng mangan kèm theo các khảo sát về ảnh hƣởng của hàm lƣợng mangan theo độ sâu, theo tuổi, theo giới tính chƣa đƣợc nghiên cứu kĩ. Vì vậy, tác giả đã chọn xã Thƣợng Cát làm địa điểm nghiên cứu. Khu vực này nằm ven sơng Hồng, với diện tích 3,88 km2 (tính cả diện tích ao hồ). Trong xã có khoảng 2000 giếng khoan và 100% các hộ dân đều khoan giếng để sử dụng. Số mẫu nƣớc và mẫu tóc lấy tại xã Thƣợng Cát tƣơng ứng là 99 và 86 mẫu.
Xã Nghĩa Dân thuộc huyện Kim Động, tỉnh Hƣng Yên đƣợc chọn làm điểm đối chứng vì theo kết quả nghiên cứu của Winkel (2011) [40] và những khảo sát sơ bộ của trung tâm Nghiên Cứu Công Nghệ Môi Trƣờng và Phát Triển Bền Vững, trƣờng Đại Học Khoa Học Tự Nhiên thì nƣớc ngầm ở vùng này hầu nhƣ khơng bị ô nhiễm mangan. Xã Nghĩa Dân có có dân số 6346 ngƣời với diện tích hành chính 4,46km2. Các mẫu nƣớc và tóc đƣợc lấy với số lƣợng tƣơng ứng là 20 và 73 mẫu.
2.1.2. Đối tượng nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn là
* Mẫu nƣớc giếng khoan: 99 mẫu ở xã Thƣợng Cát và 20 mẫu ở xã Nghĩa Dân. * Mẫu tóc: 86 mẫu ở xã Thƣợng Cát và 73 mẫu ở xã Nghĩa Dân.
Bảng 2.1. Các mẫu nước và mẫu tóc tại Thượng Cát và Nghĩa Dân
Địa điểm Số lƣợng mẫu nƣớc Số lƣợng mẫu tóc
Thƣợng Cát 99 86
Nghĩa Dân 20 73
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp lấy mẫu
Mẫu nƣớc
Mẫu nƣớc đƣợc thu thập ngẫu nhiên và phân bố tƣơng đối đồng đều trong toàn bộ khu vực nghiên cứu. Tiêu chí lấy mẫu nƣớc là: nƣớc thô, chƣa qua bất kì hệ thống xử lí nào và ngƣời dân dùng trực tiếp nguồn nƣớc này để ăn uống sinh hoạt.
Ngồi ra, những thơng tin có thể ảnh hƣởng tới nồng độ mangan trong nƣớc nhƣ: năm khoan giếng, độ sâu của giếng đều đƣợc thu thập. Đồng thời, thông tin về tên chủ hộ, địa chỉ liện hệ, tọa độ GPS, các thành viên trong gia đình... cũng đƣợc thu thập để phục vụ cho việc lấy mẫu tóc sau này.
Mẫu tóc
Khác với mẫu nƣớc đƣợc lấy ngẫu nhiên, việc lấy mẫu tóc là hồn tồn có chủ đích. Với mục đích đánh giá nguy cơ tác động đến sức khỏe ngƣời dân do sử dụng nguồn nƣớc giếng khoan bị ơ nhiễm, các gia đình có nồng độ mangan cao, có nhiều thành viên đƣợc lựa chọn để lấy mẫu tóc. Để tránh mắc sai số do sự khác nhau về hàm lƣợng các nguyên tố ở các phần tóc khác nhau, cần cắt tóc ở nhiều vị trí khác nhau. Lƣợng mẫu đƣợc lấy ít nhất là 1g.
Trong quá trình lấy mẫu, từng cá nhân đƣợc phỏng vấn về thời gian sử dụng nguồn nƣớc trong năm, thời gian sinh sống tại xã, có ép nhuộm tóc hay khơng, chế độ ăn uống và các biểu hiện bất thƣờng về sức khỏe.
Chi tiết mẫu phiếu phỏng vấn xem ở phần phụ lục.
2.2.2. Phương pháp vơ cơ hóa mẫu tóc
Mục đích của việc vơ cơ hóa mẫu tóc là chuyển mangan có trong mẫu tóc từ trạng thái ban đầu (dạng rắn) về dạng dung dịch.
Các nghiên cứu đã cho thấy hệ thống lị vi sóng với các ống kín tỏ ra rất hiệu quả trong việc phá hủy mẫu. Thực chất đây là q trình phân hủy mẫu khi đun nóng bằng dung dịch a xít mạnh, đặc có tính oxy hóa hay bằng dung dịch kiềm đặc nóng. Năng lƣợng đun nóng mẫu đƣợc cung cấp trực tiếp bằng bức xạ vi sóng có tần số
cao. Hơn nữa, các phân tử mẫu đều nhận đƣợc năng lƣợng đồng đều làm cho cấu trúc nền mẫu dễ dàng bị phá vỡ từ phía trong. Do đó, thời gian xử lý xảy ra rất nhanh, thƣờng chỉ mất vài chục phút. Mặt khác, vì đựợc thực hiện trong hệ kín có áp suất và nhiệt độ cao nên q trình vơ cơ hóa rất triệt để và tốn ít a xít. Kỹ thuật phân hủy mẫu tóc trong lị vi sóng cũng có ý nghĩa thực tiễn cao vì có thể xử lý đồng thời hàng loạt mẫu [4]. Ngoài ra, mẫu đƣợc đựng trong các ống teflon kín, trơ với các hóa chất kim loại nên giảm khả năng bị nhiễm bẩn từ bên ngoài.
Kỹ thuật vơ cơ hóa mẫu trong lị vi sóng đã đƣợc tác giả Vi Thị Mai Lan và các cộng sự lựa chọn nghiên cứu, từ đó đƣa ra đƣợc qui trình tối ƣu phân tích asen trong mẫu tóc. Độ chính xác và độ lặp lại của phƣơng pháp đã đƣợc kiểm định trên mẫu tóc kiểm chứng CRM (NCS ZC 81002) với hiệu suất thu hồi đạt đƣợc rất cao 99,1 ± 5,5%. Điều này chứng tỏ hỗn hợp oxi hóa và chƣơng trình nămg lƣợng đã vơ cơ hóa hồn tồn lƣợng asen có trong mẫu [2].
Dựa vào nghiên cứu này, tác giả thấy rằng qui trình sau đƣợc sử dụng để phá hủy mẫu tóc, phân tích mangan:
Cân 0,3 g tóc cho vào ống teflon. Sau đó thêm 3mL dung dịch axít HNO3 65% chờ khoảng 5 phút. Tiếp tục thêm 1mL H2O2 30%, đợi 15 phút cho đến khi bay hết khí nâu. Đậy nắp, cho vào lị vi sóng và đun theo chƣơng trình dƣới đây
Bảng 2.2. Chương trình xử lí mẫu tóc trong lị vi sóng
Chƣơng trình Thời gian (phút)
Năng lƣợng thấp (300W) 10
0 2
Năng lƣợng cao (600W) 15
0 1
2.2.3. Phương pháp phân tích mangan bằng quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS
Nồng độ mangan trong mẫu nƣớc ngầm và mẫu tóc đƣợc xác định bằng phƣơng pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS. Đây là phƣơng pháp phân tích phổ biến nhất đƣợc sử dụng để phân tích mangan khơng chỉ trong nƣớc, trong tóc mà cịn trong nhiều đối tƣợng mẫu khác nhau.
Nguyên tắc của phƣơng pháp đó là dung dịch mẫu phân tích đƣợc hóa hơi, nguyên tử hóa tạo thành môi trƣờng của các nguyên tử mangan tự do. Khi chiếu một chùm tia sáng có bƣớc sóng đặc trƣng của mangan vào đám hơi nguyên tử tự do này thì các nguyên tử mangan sẽ hấp thụ và sinh ra phổ hấp thụ của mangan. Thu toàn bộ chùm sáng, phân li và chọn một vạch phổ hấp thụ có bƣớc sóng đặc trƣng (279,50nm) để đo cƣờng độ của nó ta sẽ xác định đƣợc nồng độ mangan có trong mẫu [3].
Hàm lƣợng mangan trong mẫu tóc khơ đƣợc tính tốn theo cơng thức: Cmẫu =Cmáy * 5* V/ m (mg/kg)
Trong đó: C máy là nồng độ mangan trong dung dịch sau xử lý(mg/L) 5: hệ số pha loãng
V là thể tích đã định mức khi xử lý lị vi sóng (mL) m là khối lƣợng tóc khơ đã cân (g)
Các thơng số đo mangan trên thiết bị AAS
- Vạch đo 279,50 nm
- Dòng đèn 10 mA
- Độ rộng khe sáng 0,2 nm
- Chế độ đèn BGC-D2
- Loại khí acetylen – khơng khí
- Tốc độ dịng khí 2,0 L/phút
CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM 3.1. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị
3.1.1. Hóa chất
* Dung dịch chuẩn gốc mangan 1000 ±2 mg/L, loại p.a, Merck, Đức * Dung dịch chuẩn ICP (IV) chứa 23 nguyên tố, loại p.a, Merck, Đức
* Dung dịch chuẩn ARS 24, viện nghiên cứu nguồn nƣớc Eawag, Thụy Sỹ * Nƣớc cất 2 lần, nƣớc deion
* Các dung dịch a xít HNO3 65%, HCl 37% và dung dịch H2O2 30%, loại p.a, Merck, Đức
* Mẫu tóc kiểm chứng CRM (NCS ZC 81002b), trung tâm phân tích quốc gia Trung Quốc
* Dầu gội trung tính Johson’s baby shampoo (Johnson & Johnson)
3.1.2. Dụng cụ
* Các bình chứa mẫu P.P 250 mL, các ống nghiệm nhựa có nắp đậy P.P 15 mL, 50 mL (Greiner), giá để ống nghiệm
* Bình định mức nhựa P.P 10mL, 20 mL, 25 mL, 50 mL, 100 mL * Lọ nhựa P.P đựng dung dịch chuẩn
* Micropipet 100, 200, 1000, 5000 µL, Eppendorf * Khí axetilen 99%, khơng khí
3.1.3. Thiết bị
* Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS Model AA-6800, đèn catot rỗng mangan, Shimadzu, Nhật Bản
* Thiết bị lấy mẫu tự động ASC- 6100, Shimadzu, Nhật Bản
* Lị vi sóng Dimension 4, National, Model NN- C988W (năng lƣợng tối đa 900W) kèm theo bộ ống teflon MRP 600/10M (Milestone), Panasonic
* Máy cất nƣớc 2 lần
* Cân phân tích AW 220 có độ chính xác 10-4 g, Shimadzu, Nhật Bản * Tủ sấy, tủ hút
3.2. Thực nghiệm
Toàn bộ các ống nghiệm, lọ nhựa, bình định mức đều đƣợc làm sạch bằng cách: rửa bằng nƣớc máy, tráng lại bằng nƣớc cất 3 lần, để khơ tự nhiên.
3.2.1. Phân tích mẫu nước
3.2.1.1 Lấy mẫu và bảo quản mẫu
Mẫu nƣớc ngầm đƣợc lấy ngẫu nhiên từ 99 giếng khoan gia đình tại xã Thƣợng Cát vào tháng 9/2011 với mật độ trung bình khoảng 25 mẫu/km2. Vùng nghiên cứu có vĩ độ từ 21,0870N đến 21,0990N; kinh độ từ 105,7290E đến 105,7390E.
Quá trình lấy mẫu nƣớc đƣợc thực hiện nhƣ sau: Bật máy bơm khoảng 10 phút. Tráng chai đựng mẫu 3 lần bằng chính nƣớc giếng. Sau đó, lọc qua màng lọc xenlulo axetat cỡ 0,45 µm để loại bỏ tạp chất rồi thu vào các chai đựng mẫu thể tích 250mL. Mẫu đƣợc axit hóa ngay tại hiện trƣờng bằng 0,5mL dung dịch a xít HNO3 để đảm bảo pH của mẫu < 2 và chuyển về phịng thí nghiệm[15].
3.2.1.2. Xây dựng đường chuẩn phân tích mangan [3],[15]
Mangan có khoảng tuyến tính khá rộng, từ 0,05 – 5 mg/L. Trong luận văn này, đƣờng chuẩn mangan đƣợc xây dựng với nồng độ từ 0,05 – 4 mg/L bao gồm 6 điểm 0,05; 0,1; 0,5; 1; 2; 4 mg/L.
* Đo trực tiếp
- Chuẩn bị dung dịch chuẩn Mn 10 mg/L
Lấy 0,5mL dung dịch chuẩn gốc Mn 1000 mg/L vào bình định mức 50mL, định mức tới vạch bằng nƣớc deion.
- Đuờng chuẩn
Lấy lần lƣợt các thể tích: 0,125; 0,25; 1,25; 2,5; 5; 10 mL dung dịch chuẩn Mn 10 mg/L vào 6 bình định mức 25 mL. Định mức tới vạch bằng dung dịch a xít HCl 2% (0,55M).
* Pha lỗng tỉ lệ 1:5
- Chuẩn bị dung dịch chuẩn Mn 50 mg/L
Lấy 1,25 mL dung dịch chuẩn gốc Mn 1000 mg/L vào bình định mức 25 mL, định mức tới vạch bằng nƣớc deion.
- Chuẩn bị các dung dịch chuẩn Mn 0,25; 0,5 ; 2,5; 5 ; 10 ; 20 mg/L.
Lấy lần lƣợt các thể tích: 0,05; 0,1; 0,5; 1; 2;4 mL dung dịch chuẩn Mn 50 mg/L vào 6 bình định mức 10 mL. Định mức tới vạch bằng nƣớc deion.
- Đƣờng chuẩn
Lấy 5 mL các dung dịch chuẩn có nồng độ lần lƣợt là 0,25; 0,5; 2,5; 5; 10; 20 mg/L vào 6 bình định mức 25 mL. Định mức tới vạch bằng dung dịch a xít HCl 2% (0,55M).
3.2.1.3. Chuẩn bị dung dịch kiểm chứng [15]
- Dung dịch chuẩn ICP: đây là dung dịch chuẩn gồm 23 nguyên tố khác nhau đã biết trƣớc nồng độ.
Pha loãng 0,5mL dung dịch ICP Mn 997 mg/L thành 10mL bằng nƣớc deion. Khi đó ta thu đƣợc dung dịch ICP 49,85 mg/L.
Sau đó lấy 0,25 mL dung dịch ICP 49,85 mg/L vào bình định mức 25 mL. Định mức tới vạch bằng dung dịch HCl 2% (0,55M) ta thu đƣợc dung dịch chuẩn ICP 0,5mg Mn/L.
- Dung dịch chuẩn ARS 24: đây là mẫu nƣớc ngầm chứa các nguyên tố lƣợng vết đã biết trƣớc nồng độ.
+ Chuẩn bị dung dịch ARS 0,506 mg Mn/L
Pha loãng 2mL dung dịch ARS 24 2,53 mg Mn/L thành 10mL bằng nƣớc deion. Khi đó ta thu đƣợc dung dịch ARS 0,506 mg Mn/L.
3.2.1.4. Chuẩn bị mẫu phân tích [15] * Khơng pha lỗng * Khơng pha lỗng
Lấy khoảng 10 mL dung dịch mẫu vào các ống nghiệm nhựa có nắp đậy P.P 15 mL, lắc đều rồi đem phân tích trên máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS.
* Pha loãng mẫu theo tỉ lệ 1:5.
Lấy 2mL dung dịch mẫu vào các ống nghiệm nhựa có nắp đậy P.P 15 mL, định mức lên 10 mL bằng nƣớc deion, lắc đều rồi đem phân tích máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS.
3.2.2. Phân tích mẫu tóc
3.2.2.1. Lấy mẫu và bảo quản mẫu
Mẫu tóc đƣợc cắt sát da đầu ở vùng chỏm hoặc vùng sau gáy bằng kéo inox khơng gỉ. Mẫu tóc cắt xong cho vào túi nilon có khóa kéo, dán nhãn.
3.2.2.2. Xử lí mẫu
Mẫu tóc đƣợc đƣa từ các túi nilon sang các lọ nhựa rồi rửa sạch bằng dầu gội đầu trung tính (Johson’s baby shampoo), xả nhiều lần bằng nƣớc thƣờng tới khi hết bọt, rửa lại 3 lần bằng nƣớc deion. Đem sấy ở nhiệt độ 700C đến khô. Dùng kéo ceramic cắt nhỏ tóc đến < 1cm, trộn đều rồi bảo quản trong túi PE sạch có khóa zip.
Sau khi xử lí trong lị vi sóng, mẫu đƣợc phân tích trên máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS sử dụng đƣờng chuẩn nhƣ ở phần 3.2.1.2.
Qui trình phân tích mangan trong mẫu tóc đƣợc trình bày trong hình dƣới đây Rửa sạch bằng dầu gội đầu trung tính Rửa nƣớc deion 3 lần, sấy đến khô ở 700C
3ml HNO3, 5 phút 1 mL H2O2, 15 phút Năng lƣợng thấp (300W) :10 phút 0 : 2 phút Năng lƣợng cao (600W) : 15 phút 0 : 1 phút Năng lƣợng trung bình (450W) : 10 phút 2mL dung dịch mẫu Định mức tới 10 mL Phân tích AAS Bƣớc sóng 279,50nm Để nguội Định mức đến 10 mL Mẫu tóc Cắt nhỏ tóc bằng kéo ceramic 0,3g tóc Cho vào ống teflon
Hình 3.3. Một số hình ảnh xử lí mẫu tóc
Trong mỗi mẻ xử lý, 1 mẫu ngẫu nhiên đƣợc làm lặp lại để kiểm tra tay nghề của ngƣời phân tích, một mẫu trắng đƣợc thực hiện kèm theo để kiểm tra sự nhiễm bẩn của hóa chất và dụng cụ ở phịng thí nghiệm. Với mẫu trắng, 1mL nƣớc deion đƣợc dùng làm nền mẫu. Sau mỗi mẻ xử lí, các ống teflon đƣợc làm sạch bằng cách cho 1mL nƣớc deion vào ống teflon, thêm hỗn hợp oxi hóa rồi đun theo chƣơng trình năng lƣợng nhƣ bảng 2.2. Sau đó các ống teflon đƣợc rửa sạch, tráng nƣớc cất 3 lần và để khô tự nhiên.
3.2.3. Hiệu suất thu hồi và độ lặp lại
3.2.3.1. Xác định hiệu suất thu hồi
Hiệu suất thu hồi đƣợc xác định trên 2 đối tƣợng mẫu: mẫu tóc kiểm chứng và mẫu tóc thật.
- Mẫu kiểm chứng: mẫu tóc kiểm chứng NCS ZC 81002b của trung tâm phân tích quốc gia Trung Quốc, có nồng độ mangan trong mẫu là 3,83 ± 0,39 mg/kg.
Cân 0,3 g tóc cho vào ống teflon. Sau đó thêm hỗn hợp oxi hóa và xử lí mẫu theo chƣơng trình năng lƣợng nhƣ bảng 2.2. Làm lặp lại 3 lần.
- Mẫu tóc thật thêm chuẩn: Chọn 2 mẫu tóc khác nhau. Cân 0,3 g tóc cho vào ống teflon. Thêm 100 µL dung dịch chuẩn mangan 100 mg/L. Sau đó thêm hỗn hợp oxi hóa và xử lí mẫu theo chƣơng trình năng lƣợng nhƣ bảng 2.2. Mỗi mẫu làm lặp lại 2 lần.
3.2.3.2. Kiểm tra độ lặp lại của qui trình phân tích mẫu tóc
Chọn 3 mẫu tóc khác nhau. Cân 0,3 g tóc cho vào ống teflon. Sau đó thêm hỗn hợp oxi hóa và xử lí mẫu theo chƣơng trình năng lƣợng nhƣ bảng 2.2. Mỗi mẫu làm lặp lại 6 lần.
3.2.4. Phương pháp xử lý số liệu
Kết quả thực nghiệm đƣợc xử lý theo phƣơng pháp thống kê, sử dụng các phần mềm Excel 2003, Minitab 15.
CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1. Độ tin cậy của qui trình phân tích