Ở chu trình axit citric, asen ức chế axit lipoic. Ngoài ra, bằng cách cạnh tranh với phosphat, arsenate oxy hóa, tách phosphoryl hóa As ức chế giảm liên kết năng lượng của NAD+
, hô hấp ty thể và tổng hợp ATP.[46]
Ngộ độc asen mãn tính thường gây ra các bệnh như xơ vữa động mạch, tăng huyết áp, bệnh tim mạch, thiếu máu cục bộ, tiểu đường, nhiễm độc gan, thận, ung thư da, bàng quang và phổi. Tuy nhiên, không phải tất cả asen được hấp thụ vào cơ thể con người đều có thể tích lũy và gây bệnh. Khi hấp thụ vào cơ thể, vì q trình methyl hóa, asen chuyển thành dạng khơng độc và bài tiết qua nước tiểu.
Đối với thực vật khi bị nhiễm độc Asen có thể gây hạn chế quá trình quang hợp của lá, làm rụng lá cây, gây thiếu sắt và làm cho cây bị chết. Đất bị nhiễm asen thì khó gieo trồng cây cối được, nếu có gieo trồng, nhẹ thì cây còi cọc, năng suất kém, nặng thì cây héo, úa vàng và chết.
Hình 1.3. Sự chuyển hóa Asen trong q trình trao đổi chất [46]
1.2. Các phƣơng pháp phân tích tổng hàm lƣợng asen 1.2.1. Phƣơng pháp phân tích phổ hấp thụ phân tử UV/VIS
Nguyên tắc của phương pháp là dựa trên khả năng tạo phức màu của chất phân tích với một thuốc thử nào đó. Đo độ hấp thụ quang của phức màu tại bước sóng cực đại hấp thụ sẽ biết được nồng độ chất phân tích.
Có thể xác định As bằng thuốc thử bạc dietydithiocacbanat ở mơi trường pH 6, khí asin được dẫn đi trong dòng N2 qua bình thủy tinh đựng chì axetat, sau đó được dẫn vào bình chứa bạc dietydithiocacbanat, ở đó asen sẽ tạo phức màu đỏ với bạc dietydithiocacbanat có bước sóng hấp thụ cực đại tại 520nm. Trong phương pháp này sunfua và các nguyên tố kim loại coban, đồng, thủy ngân... có ảnh hưởng đến việc xác định asen, song có thể loại trừ ảnh hưởng bằng cách dùng chì axetat để giữ lại khí sunfua. Đặc biệt antimony có ảnh hưởng nhiều đến việc xác định asen do hợp chất SbH3 cũng tạo ra trong quá trình tạo asin và cũng tạo phức màu đỏ với bạc dietydithiocacbanat phức này có bước sóng hấp thụ cực đại tại 510nm. Nhưng chỉ khi hàm lượng antimon lớn hơn 5mg/l mới có ảnh hưởng vì vậy phương pháp này chỉ cho phép xác định asen trong mẫu có hàm lượng antimon nhỏ [38].
Độ nhạy của phương pháp này tương đối cao cho phép xác định cỡ 1µg/ml. Năm 1979 tác giả David Blo đã nghiên cứu so sánh giới hạn phát hiện asen trong tế bào động vật bằng 2 phương pháp so màu với thuốc thử bạc dietydithiocacbanat và hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa thấy rằng cả hai phương pháp có độ nhạy là tương đương. Phương pháp này được dùng làm phương pháp tiêu chuẩn xác định asen trong mẫu nước.[8]
1.2.2. Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS
Do As và hợp chất của nó có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp nên ta thường chọn hệ thống nguyên tử hóa mẫu bằng phương pháp ngọn lửa (F-AAS), khơng khí nén và C2H2 có nhiệt độ ngun tử hóa mẫu khoảng 37000C, với độ nhạy khoảng 0,5µg/ml, giới hạn phát hiện 0,2µg/ml, khoảng tuyến tính 1-50µg/ml. Sự kết hợp của F-AAS với kỹ thuật tạo ra hydride chắc chắn là một trong những kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất để xác định asen trong các mẫu môi trường. Việc sử dụng phổ hấp thụ nguyên tử nhiệt điện (ET = AAS) hoặc phổ hấp thụ nguyên tử lò than chì (GF- AAS) được sử dụng rộng dãi để xác định asen trong các mẫu mơi trường. Bên cạnh đó, F-AAS kết hợp với kỹ thuật tạo hydride là một trong những phương pháp được sử dụng thường xuyên nhất để xác định asen ở nồng độ vi lượng, phương pháp này đã cải thiện giới hạn phát hiện 100 lần. [75]
- Ưu nhược điểm của phương pháp + Ưu điểm:
Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử có độ nhạy và độ chọn lọc tương đối cao. Chính vì có độ nhay cao nên phương pháp này được sử dụng rộng dãi trong rất nhiều lĩnh vực để xác định vết các kim loại. Đặc biệt trong phân tích các nguyên tố vi lượng trong đối tượng mẫu y học, sinh học, nơng nghiệp, thủy sản ...kiểm tra hóa chất có độ tinh khiết cao. Đồng thời cũng do có độ nhạy cao trong nhiều trường hợp không phải làm giàu nguyên tố cần xác định trước phân tích, mặt khác cũng tránh được sự nhiễm bẩn mẫu khi xử lý qua các giai đoạn phức tạp. Với các trang thiết bị ngày nay người ta có thể xác định đồng thời hay liên tiếp nhiều nguyên tố trong một mẫu, các kết quả phân tích có độ ổn định, sai số nhỏ.
+ Nhược điểm
Phương pháp này cần có hệ thống thiết bị AAS đắt tiền và do có độ nhạy cao nên sự nhiễm bẩn ảnh hưởng tới kết quả phân tích hàm lượng vết.
1.2.3. Phƣơng pháp điện hóa
Nguyên tắc: Phương pháp cực phổ nói chung cho độ nhạy cỡ 10-4-10-5 M. Cường độ dòng điện phụ thuộc vào thế điện phân trong dung dịch và thế điện cực. Người ta tiến hành điện phân và đo cường độ dòng điện với một dãy dung dịch chuẩn biết trước nồng độ. Dựa vào đồ thị xác định được nồng độ chất phân tích khi biết cường độ dịng. Giá trị nửa thế sóng E ½ cho biết thành phần định tính, chiều cao sóng (I) cho biết hàm lượng chất phân tích.
Từ lâu phương pháp Vol-Ampe hòa tan đã được dùng để xác định asen trong mẫu sinh học với giới hạn phát hiện cỡ ng/ml.[76]
Nói chung, một số phương pháp điện hóa có sẵn để xác định asen ở mức độ vi lượng. Hầu hết các phương pháp điện hóa đều bị ảnh hưởng của nền mẫu. Các phép đo đơn giản chỉ có thể thực hiện được nếu nền mẫu được loại bỏ hoàn toàn bằng cách tách bằng sắc ký hoặc bằng q trình vơ cơ hóa mẫu hồn tồn . Phép phân tích cực phổ trực tiếp hiện tại có thể xác định asenite ở nồng độ trên 0,7 mg /l, giới hạn nồng độ này là quá cao đối với việc xác định asen trong các mẫu môi trường không bị ô nhiễm. Giới hạn phát hiện arsenite với phân cực xung vi phân, một kỹ thuật cực phổ phổ biến nhất hiện nay, là khoảng 20 μg / l. Giới hạn phát hiện thấp là 0,3 μg /l thu được khi kết hợp với phương pháp chiết sử dụng để xác định asen. Các phương pháp điện hóa có thể được sử dụng cho việc xác định asen, tuy nhiên các phương pháp này bị ảnh hưởng bởi nhiễu nền mẫu và độ không đảm bảo đo thường là lớn. Do đó, các phương pháp điện hóa khơng được sử dụng phổ biến trong phân tích asen.[76]
1.2.4. Phƣơng pháp khối phổ nguyên tử nguồn ion hóa cảm ứng cao tần plasma (ICP-MS)
Phương pháp này được giới thiệu vào năm 1983 và được nhiều phịng thí nghiệm áp dụng. ICP-MS kết hợp nguồn ICP (Inductively Coupled Plasma) nhiệt độ cao với một phổ kế khối. Nguồn ICP chuyển đổi các nguyên tử của các nguyên
tố trong mẫu thành các ion. Các ion này sau đó được phân tách và phát hiện bằng máy quang phổ khối. Mẫu thường được đưa vào plasma ICP như bộ tạo sol khí, hoặc bằng cách hút mẫu rắn hoặc chất lỏng hòa tan bộ tạo sol khí hoặc sử dụng laser để chuyển trực tiếp mẫu rắn thành bình phun. Một khi sol khí của mẫu được đưa vào nguồn ICP , nó hồn tồn bị phá hủy và các nguyên tố trong sol khí được chuyển đổi đầu tiên thành các nguyên tử ở trạng thái khí và sau đó được ion hóa vào cuối plasma.
Trong phân tích asen (As) với ICP-MS, trong mẫu huyết tương thấy rằng việc bổ sung metanol vào mẫu huyết tương làm ảnh hưởng tới kết quả phân tích As..Với việc thêm metanol vào mẫu, cường độ tín hiệu 12C35Cl + tăng 11,1 lần trong khi 40Ar35Cl+ chỉ tăng 1,17 lần.[77]
Phân tích tổng As trong mẫu cá ngừ, phân hủy mẫu bằng lị vi sóng, và đo bằng ICP-MS-7500 đã cho tổng nồng độ asen tương ứng là 3,49 ± 0,08 μg/g và 3,56 ± 0,011μg/g. Tiến hành trên 2 mẫu chuẩn cá là DORM-2, và DORM-3, kết quả hàm lượng tổng lần lượt là 17,7 ± 0,08µg/g và 6,77±0,14µg/g. Giới hạn định lượng và giới hạn phát hiện phương pháp, LOD và LOQ lần lượt là 0,067ng/g và 0,195ng/g.[15]. Trong số các phương pháp thường được sử dụng để xác định asen, phổ khối phổ plasma cảm ứng (ICP-MS) vượt trội về giới hạn phát hiện, phân tích đa nguyên tố, phân tích đồng vị và khoảng tuyến tính động học rộng.
1.2.5. Phƣơng pháp quang phổ phát xạ nguyên tử nguồn cảm ứng cao tần plasma (ICP-AES)
Quang phổ phát xạ nguyên tử plasma cảm ứng (ICP-AES) liên quan đến plasma, thường là argon, ở nhiệt độ từ 6000 đến 8000o
K như nguồn kích thích. Chất phân tích đi vào plasma.. Ở vùng nhiệt độ cao của plasma, phân tử, nguyên tử và ion ở các trạng thái năng lượng khác nhau được hình thành. Giới hạn phát hiện điển hình đạt được đối với asen với kỹ thuật này là 30 μg / l [68]. Do giới hạn phát hiện khá cao, ICP-AES không thường được sử dụng để xác định asen trong các mẫu sinh học. Việc sử dụng bộ tạo sol khí đặc biệt, chẳng hạn như siêu âm, tăng hiệu suất vận chuyển mẫu từ 1 - 2% (bộ tạo sol khí thơng thường) lên 10–20% và do đó cải thiện giới hạn phát hiện đối với hầu hết các thành phần 10 lần. Ngồi thực tế là tạo sol khí siêu âm là khá tốn kém, nó được cho là rất nhạy cảm với nền mẫu [68]. Quang phổ phát xạ nguyên tử plasma cảm ứng được biết là bị nhiễu do phổ phát xạ khá phức tạp bao gồm nguyên tử cũng như các dòng ion. Để giảm nhiễu và tăng giới hạn phát hiện, ICP-AES thường được kết hợp với các hệ thống tạo hydro [15].
1.3. Các phƣơng pháp phân tích dạng asen.
Để xác định các hợp chất asen, cần phải xem xét ba bước chính.
Bước 1: Các loại asen phải được chiết xuất từ mẫu. Trong bước chiết xuất, các hợp chất asen khơng được thay đổi hoặc phân hủy hóa học. Do đó, bước chiết phải càng nhẹ càng tốt và gần như tất cả các asen có trong mẫu phải được chiết xuất.
Bước 2: Sau khi phân tích (các asen) đã được đưa vào dung dịch phân tích, một bước tách phải được sử dụng để tách các hợp chất khác nhau. Do các đặc tính hóa học khác nhau của các hợp chất asen - chúng có thể là anion, trung tính hoặc cation - một sự phân tách đáng tin cậy trong một lần chạy đơn là không thể. Một sự kết hợp của các thủ tục tách khác nhau phải được sử dụng, sắc ký lỏng, sắc ký khí, hoặc điện di thường được sử dụng.
Bước 3: Sau khi các hợp chất đã được tách ra, chúng phải được phát hiện bởi AAS, AFS, MS, ICP- MS,….
Có nhiều phương pháp để xác định hàm lượng asen. Tuy nhiên, chúng có thể được phân loại thành hai phương pháp chính: phương pháp phi sắc ký và phương pháp sắc ký.
1.3.1. Phƣơng pháp sắc kí lỏng hiệu năng cao ghép nối hệ hydrua quang phổ huỳnh quang nguyên tử (HPLC-UV-HG-AFS)
Hệ thống LC bao gồm một bơm (DIONEX P580) bốn cổng với một hệ thống loại bỏ khí trực tiếp và một bơm tự động sáu cổng với vòng mẫu 100 àl, ct sc kớ loi DIONEX AS7 (250mm ì 4 mm) có cột bảo vệ là DIONEX AG7 [39, 42].
Các dung dịch oxi hóa được bơm bằng bơm nhu động (Gilson Minipuls 2) với tốc độ bơm 0,5 ml/phút và được đấu nối vào cổng T ở đầu ra của cột sắc kí.
Phản ứng quang hóa xảy ra trong đoạn ống PTFE được quấn quanh đèn Philips TUV-15 (253,7 nm, 15W, dài 44 cm). Chiều dài và đường kính trong của bóng đèn được chọn sau khi quá trình tối ưu.
Dung dịch HCl và NaBH4 sử dụng cho q trình hydrua hóa asen được bơm vào bằng bơm nhu động Labcraft qua các cổng chữ T với tốc độ 0,3 ml/phút. Hơi asin được dẫn sang detector huỳnh quang nguyên tử bằng dịng khí Ar [16, 50].
Một trong những ưu điểm của phương pháp này là độ nhạy cao, tuy nhiên giới hạn phát hiện thấp. Điểm hạn chế của phương pháp là tính đơn sắc của ánh sáng và hiệu ứng nền là nguyên nhân chính gây hiệu ứng nhiễu xuất hiện khi phân tích mẫu thực. Tuy nhiên ảnh hưởng của thành phần nền được loại bỏ bằng cách tách khí asin do đó độ nhạy của detector AFS được tăng lên đáng kể [45].
1.3.2. Phƣơng pháp sắc kí lỏng hiệu năng cao ghép nối với hệ quang phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng kĩ thuật hydrua hóa (HPLC-HG-AAS)
Phương pháp này cho phép xác định được các dạng asen độc như As(III), As(V), MMA và DMA. Tuy nhiên với phương pháp này asenobetain (AsB) và arsenocholine (AsC) khơng xác định được vì hai chất này khơng bị hydrua hóa bởi hydro nguyên tử [13].
Nguyên tắc của phương pháp: các dạng asen được tách trên cột trao đổi ion của thiết bị HPLC sau đó được dẫn trực tiếp vào bộ hydrua hóa của thiết bị AAS. Ở đây asen được chuyển thành hơi asin bởi NaBH4 trong môi trường axit HCl. Hơi asin tiếp tục được dẫn sang bộ ngun tử hóa mẫu bằng khí mang Ar, hơi asin được nguyên tử hóa tạo thành những đám hơi nguyên tử tự do. Một chùm ánh sáng đơn sắc chiếu qua đám hơi nguyên tử tự do này, tiến hành đo cường độ dòng của chùm sáng chiếu qua ta thu được phổ hấp thụ của nguyên tố [13].
Phân tích Asen và selen trong nước ngầm bị ô nhiễm từ Kelheim (Đức). Bằng phương pháp (HPLC-HG-AAS). Giới hạn phát hiện của phương pháp: As(III) 0,9 µg/l; DMA 2,3 µg/l; MMA 1,4 µg/l và As(V) 2,0 µg/l.[13]
Ưu điểm chính của phương pháp này là ít nhiễu nền, tốc độ phân tích một nguyên tố tương đối nhanh, chi phí vận hành thấp [13].
1.3.3. Phƣơng pháp điện di mao quản CE-UV.
Nguyên tắc của sự tách: là dựa trên cơ sở tính chất điện di (sự di chuyển - Mobility) của các phần tử chất tan (các ion chất tan, chất phân tích) trong mao quản (đường kính 25 - 100 m ID) trên nền của dung dịch chất điện ly ở tại pH thích hợp, dưới tác dụng của một từ trường điện E nhất định được cung cấp bởi một nguồn điện thế một chiều cao áp thơng thường thì điện thế một chiều nằm trong khoảng V: 15 - 40 kV) đặt vào hai đầu mao quản. Nghĩa là CEC là kỹ thuật tách được thực hiện trong mao quản nhờ lực từ trường điện E điều khiển sự tách của các chất. Việc dùng cột mao quản có nhiều ưu việt, như tốn ít mẫu và các hố chất khác phục vụ cho quá trình tách, số đĩa hiệu dụng Nef lớn, sự tách các chất sảy ra nhanh và hiệu quả cao.[52]
Cơ chế điện di: Sự điện di của các phần tử chất tan (các ion) trong ống mao quản là cơ chế di chuyển khác nhau của chất tan ( chất phân tích ), dưới tác dụng của lực điện trường E nhất định (Electric Field Force: EFF) và tính chất (đặc trưng) của dịng điện di thẩm thấu (Electro-Osmotic Flow: EOF), trong sự phụ thuộc vào điện tích và kích thước của chúng. (Trong đó dịng EOF gọi là dòng điện di thẩm thấu, hay dòng điện thẩm) [3, 7].
Ứng dụng
Xác định As(III), As(V) và DMA trong các mẫu nước từ quá trình xử lý quặng thiếc. Detector độ dẫn được phát hiện vượt trội so với detector UV vì ion phân tích khơng nhất thiết có khả năng hấp thụ ánh sáng ở vùng UV. Với phương pháp này, cho giới hạn phát hiện của As ~ 0,05 mg/l. Sự phát xạ tia X do proton gây ra cũng đã được nghiên cứu như một phương pháp phát hiện cụ thể yếu tố có thể để xác định các hợp chất asen. Nồng độ asen cần thiết cho detector này (~1 mg/l) chắc chắn là quá cao đối với một ứng dụng có thể đối với các mẫu thực tế không bị ô nhiễm. Để cải thiện các giới hạn phát hiện detector UV từ 10 đến 20 lần có thể đạt được. Bằng cách thay đổi các chất cải biến hữu cơ đã được nghiên cứu với mục đích giảm độ dẫn mẫu cho việc áp dụng các mẫu khuếch đại với phát hiện trực tiếp bằng