CHƢƠNG 2 : THỰC NGHIỆM
2.4. Phân tích hàm lƣợng kim loại bằng phƣơng pháp ICP-MS
2.4.1. Điều kiện đo trên thiết bị ICP - MS
2.4.1.1. Lựa chọn đồng vị đo và phƣơng trình hiệu chỉnh
Ngồi sự ảnh hƣởng của mơi trƣờng nền, đồng vị của các nguyên tố khảo sát
cần phải lựa chọn phù hợp để tránh trùng khối. Ví dụ 52
Cr trùng khối với 35Cl16O1H, 56Fe trùng với 40Ar16O, 54Fe trùng với 40Ar14N+, 65Cu trùng với 36Ar14N21H+, 67Zn
Cân 1g mẫu, cho vào ống Teflon (của lị vi sóng)
Thêm 4 ml HNO3 đặc, 1 ml H2O2 đặc và 0,5ml HF
Phá mẫu bằng lị vi sóng, gia nhiệt ở nhiệt độ 200⁰C
Đo ICP MS
Mẫu phá xong đƣợc để nguội, định mức bình 25ml
bằng dung dịch axit HNO3 2% .
Sấy khô đến khối lƣợng khơng đổi, nghiền mịn Mẫu trầm tích
trùng với 35Cl16O2+, 68Zn trùng với 40Ar14N2+, 70Zn trùng khối với 35Cl35Cl+,... Những mảnh khối này đƣợc gọi là chất trùng khối, ảnh hƣởng đến phân tích các chất có cùng tỉ số khối lƣợng/điện tích (m/z) [101]. Hiện tƣợng này có thể đƣợc loại bỏ nếu độ phân giải khối phổ đủ lớn, sử dụng nền axit và lựa chọn đồng vị đo phù hợp. Sau khi xem xét sự trùng khối của các ngun tố, chúng tơi lựa chọn phân tích hàm lƣợng kim loại nặng theo tỉ số m/z [9] nhƣ bảng 2.2.
Bảng 2.2. Tỉ số khối lượng/điện tích của các nguyên tố (m/z)
STT Nguyên tố Ký hiệu m/z STT Nguyên tố Ký hiệu m/z 1 Crôm Cr 53 6 Đồng Cu 63 2 Mangan Mn 55 7 Kẽm Zn 66 3 Sắt Fe 57 8 Cadmi Cd 111 4 Coban Co 59 9 Chì Pb 208 5 Niken Ni 60
Với các thiết bị đo có buồng phản ứng động (dynamic reaction cell) sẽ sử
dụng phản ứng tỏa nhiệt của khí nhƣ NH3, N2O hay CO để loại các ảnh hƣởng của
ion phân tử nhƣ ArO+
hoặc chuyển chất phân tích thành một ion phân tử khác, không trùng khối với các ion khảo sát. Với thiết bị đo Elan 9000 khơng có buồng va chạm nên việc lựa chọn nền mẫu và đồng vị các nguyên tố cũng chƣa xử lý triệt để hiện tƣợng trùng khối của 2 nguyên tố Cd và Pb. Do vậy cần có phƣơng trình hiệu chỉnh cho 2 ngun tố này thể hiện qua bảng 2.3 [101].
Bảng 2.3. Phương trình hiệu chỉnh đối với 2 nguyên tử trùng khối
Nguyên tố Số khối Tỉ lệ đồng vị Các khả năng
trùng khối Phương trình hiệu chỉnh
Cd 111 12,8 95 Mo16O+; 94Zr16OH+; 39 K216O2H+ I(111 Cd) = I(m/z111) - 1,073[I(m/z108) - 0,712 I(m/z106)] Pb 208 52,4 192Pt16O+ I( 208 Pb) = I(m/z 208) + 1×I(206Pb) + 1× I(207Pb)
2.4.1.2. Lựa chọn dung dịch axit làm môi trƣờng mẫu
Một số axit dùng làm mơi trƣờng trong phƣơng pháp phân tích ICP-MS nhƣ HCl, HNO3, H2SO4, H3PO4. Tuy nhiên, các axit này có thể kết hợp cùng các yếu tố khác của môi trƣờng phân tích nhƣ nƣớc, khí mang argon,... tạo thành các mảnh đa nguyên tử có số khối trùng với số khối của nguyên tố cần khảo sát. Ví dụ nền mẫu HCl hình thành mảnh 40
Ar35Cl trùng khối với 75As, nền mẫu H3PO4 hình thành mảnh 31P16O16O trùng khối với 63Cu... [101]. Axit HNO3 thƣờng đƣợc dùng làm môi trƣờng để pha các dung dịch chuẩn phân tích, đồng thời ít tạo ra ảnh hƣởng trùng khối với các nguyên tố khảo sát. Do đó HNO3 đƣợc chọn làm mơi trƣờng của dung dịch mẫu đo ICP-MS trong nghiên cứu này.
2.4.1.3. Khảo sát một số thông số làm việc của thiết bị
Trong khuôn khổ của luận án này, chúng tôi khảo sát sự ảnh hƣởng của 3 thơng số cơ bản tới cƣờng độ tín hiệu phổ là: cơng suất cao tần, thế thấu kính ion và lƣu lƣợng khí mang. Các thơng số cịn lại áp dụng theo hƣớng dẫn của nhà sản xuất đƣợc ghi trong bảng 2.4
Bảng 2.4. Các thông số của thiết bị ICP-MS Elan 9000
STT Thông số tự động của máy Giá trị
1 Lƣu lƣợng Ar tạo plasma 15 L/phút
2 Tốc độ khí phụ trợ 2,0 L/phút 3 Tốc độ bơm rửa 48 vòng/ phút 4 Tốc độ bơm mẫu 26 vòng/ phút 5 Thế quét phổ trƣờng tứ cực Tự động theo m/z 6 Độ sâu plasma 5,1 mm 7 Số lần đo lặp 3 lần
8 Thời gian đo cho 1 lần 5,8 giây
9 Thời gian bơm ổn định 30 giây
10 Thời gian bơm làm sạch 120 giây
11 Tốc độ bơm ổn định 0,1 vòng/giây
12 Áp suất chân không khi đo mẫu 1,2 -1,3.10-5 Torr
* Các bước tiến hành
Bước 1: Chuẩn bị dung dịch chuẩn hỗn hợp 9 nguyên tố Cr, Mn, Ni, Cu, Co,
Cd, Zn, Pb nồng độ 5 ppb và Fe nồng độ 10 ppb trong dung dịch HNO3 2%.
Bước 2: Đo phổ trong điều kiện thay đổi một trong các yếu tố nhƣ sau:
- Thay đổi công suất cuộn cao tần RF từ 900W đến 1400W. Đặt thế thấu kính ở 6V, lƣu lƣợng khí mang là 1 L/phút (ngẫu nhiên trong khoảng khảo sát)
- Thay đổi thế thấu kính ion từ 3V đến 9V, cố định lƣu lƣợng khí mang 1 L/phút và công suất cuộn cao tần đã đƣợc lựa chọn tối ƣu theo khảo sát trên.
- Thay đổi lƣu lƣợng khí mang từ 0,7 đến 1,2 L/phút sau khi đã lựa chọn công suất cao tần và thế thấu kính tối ƣu theo khảo sát trên
- Các yếu tố còn lại đƣợc xác định theo bảng 2.4
2.4.2. Đánh giá phƣơng pháp phân tích 2.4.2.1. Xây dựng đƣờng chuẩn 2.4.2.1. Xây dựng đƣờng chuẩn
* Các bƣớc tiến hành
Bước 1: Từ dung dịch chuẩn làm việc chứa đồng thời 9 kim loại (đƣợc pha
loãng từ dung dịch chuẩn gốc đa nguyên tố dùng cho ICP-MS có nồng độ 1000 ppm của Merck trên nền dung dịch HNO3 1M), chuẩn bị 4 dung dịch với nồng độ của mỗi ion kim loại nặng trong bình lần lƣợt là 4 ppb; 20 ppb; 100 ppb và 200 ppb, riêng sắt có nồng độ lần lƣợt là 8 ppb; 40 ppb; 200 ppb và 400 ppb. Các dung dịch chuẩn đƣợc pha gián tiếp qua dung dịch chuẩn trung gian có nồng độ 1000 ppb. Các dung dịch có nồng độ ppb đƣợc pha trong ngày.
Bước 2: Chuẩn bị mẫu trắng: là dung dịch HNO3 2% dùng để định mức các dung dịch chuẩn làm việc.
Bước 3: Ghi phổ ICP-MS với các thông số của thiết bị đƣợc nêu trong bảng
4, sử dụng mẫu trắng để hiệu chỉnh đo.
2.4.2.2. Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lƣợng (LOQ)
Giới hạn phát hiện (LOD - Limit of Detection) là hàm lƣợng nhỏ nhất của
chất phân tích có thể phát hiện đƣợc nhƣng không nhất thiết phải xác định hàm lƣợng trong điều kiện thí nghiệm. LOD tính theo cơng thức dƣới đây (đơn vị ppt):
blank I STD I STD 3.S.C LOD (1)
Giới hạn định lƣợng (LOQ - Limit of Quantification) là hàm lƣợng thấp nhất của chất phân tích có thể định lƣợng đƣợc với độ chụm, độ đúng chấp nhận đƣợc trong điều kiện thí nghiệm. LOQ đƣợc tính theo cơng thức dƣới đây (đơn vị ppt)
blank I STD I STD 10S.C LOQ
Trong đó: CSTD là nồng độ của nguyên tố trong dung dịch chuẩn làm việc;
ISTD: là tín hiệu phổ (CPS) đo đƣợc của dung dịch chuẩn làm việc; Iblank: là tín hiệu trung bình (CPS) của mẫu trắng sau n lần đo lặp lại;
S: là độ lệch chuẩn khi ghi phổ ICP-MS của mẫu trắng, tính theo cơng thức:
1 n 2 ) blank I i (I S
Ii là tín hiệu đo đƣợc của mẫu trắng ở lần thứ i, n là số lần đo lặp mẫu trắng. Tiến hành đo lặp mẫu trắng 10 lần (n = 10) và ghi tín hiệu đo phổ của các
dung dịch chuẩn ở nồng độ C = 100 ppb (dung dịch chuẩn hỗn hợp) và CFe = 200
ppb (dung dịch chuẩn Fe3+) trong cùng điều kiện làm việc của thiết bị. Thay các giá trị ISTD, Iblank, Ii vào các cơng thức (1); (2); (3) để tính các giá trị LOD và LOQ.
* Xác định LOD của phƣơng pháp (MDL)
- Đối với mẫu nƣớc, lấy một mẫu nƣớc, đo lặp lại nhiều lần để tính LOD của mẫu theo công thức (1). MDL của mẫu nƣớc đƣợc tính theo quy trình phân tích.
- Đối với mẫu trầm tích: lấy một mẫu đất bất kì, làm theo quy trình phân tích mẫu đất, sau đó đo lặp lại nhiều lần, xác định độ lệch chuẩn của mẫu và xác định LOD theo cơng thức (1). MDL của mẫu trầm tích đƣợc tính theo quy trình phân tích kèm theo hệ số pha lỗng.
2.4.2.3. Đánh giá độ chính xác
* Đánh giá độ chụm và độ đúng của phép đo
Độ chụm (precision): dùng để chỉ mức độ gần nhau của các giá trị đo trong phép đo lặp lại hoặc sự sai khác giữa giá trị đo với giá trị trung bình. Độ chụm đƣợc đánh giá qua độ lệch chuẩn tƣơng đối (RSD - relative standard devition) của các
phép đo lặp lại trên mẫu. RSD là tỷ số giữa độ lệch chuẩn S và giá trị trung bình , thƣờng đƣợc biểu thị bằng phần trăm (nhân với 100%).
(2)
Độ đúng (trueness): dùng để chỉ mức độ gần nhau của giá trị đo (thƣờng là giá trị trung bình ) với giá trị thật μ (giá trị mẫu chuẩn đã đƣợc chấp nhận hoặc giá
trị trong mẫu đã biết) và thƣờng phản ảnh qua giá trị sai số tƣơng đối ER (relative
error) là tỷ số giữa sai số tuyệt đối và giá trị thật hay giá trị đã biết trƣớc đó
Độ chính xác của phƣơng pháp dùng để chỉ sự gần nhau của kết quả thực nghiệm và giá trị quy chiếu đƣợc chấp nhận, khi cả độ chụm và độ đúng đều đạt các giá trị chấp nhận đƣợc.
* Các bước tiến hành:
- Cách thứ nhất: tạo mẫu giả bằng phƣơng pháp thêm chuẩn
Bước 1: Chuẩn bị 3 dung dịch mẫu giả bằng cách pha từ dung dịch chuẩn
làm việc sao cho nồng độ của sắt lần lƣợt là 40 ppb, 200 ppb và 400 ppb; các kim loại cịn lại có nồng độ lần lƣợt là 20 ppb, 100 ppb, 200 ppb
Bước 2: Sử dụng các đƣờng chuẩn đã thiết lập (theo mục 2.4.2.1) để định
lƣợng các kim loại nặng có trong các dung dịch chuẩn vừa pha chế với điều kiện hoạt động của thiết bị ICP-MS ghi trong bảng 2.4.
Bước 3: Tính tốn các giá trị RSD và ER theo công thức.
- Cách thứ hai: phân tích mẫu chuẩn để so sánh kết quả đo với giá trị thực. Mẫu
chuẩn MESS-3 trong nghiên cứu này là mẫu trầm tích biển, có giá trị hàm lƣợng các
kim loại đƣợc xác nhận của Hội đồng nghiên cứu Quốc gia Canada (National
Research Council of Canada). (Phụ lục 10)