Thiết bị Nguyên tố Se As
Máy AAS
Vạch phổ (nm) 196 193,7
Cƣờng độ dòng đèn (mA) 20 7
Chiều cao đèn nguyên tử hóa (mm) 16 16
Độ rộng khe đo (nm) 1,0 1,0 Tốc độ dịng khí C2H2 (lít/phút) 1,8 1,8 Mơi trƣờng khử HCl 6M 6M Số lần đo lặp 3 3 Độ lệch chuẩn (RSD) <20% <20% Bổ chính Đèn D2 Đèn D2 Bộ HVG Nồng độ chất khử NaBH4 (%) trong NaOH 0,1M 0,5 0,5 Tốc độ dòng NaBH4 (ml/phút) 2 2 Tốc độ dịng mẫu (ml/phút) 6 6
Hình 2. 1. Sơ đồ đo độ hấp thụ quang của As, Se bằng phương pháp HG – AAS
2.2.3.2. Nguyên tắc của phương pháp HG – AAS - Chemometrics xác định đồng thời các dạng As, Se
- Cơ sở của phương pháp và các câu lệnh tính tốn [10, 22, 67-68]
Tín hiệu phân tích dƣới dạng độ hấp thụ quang thu đƣợc từ quá trình hidrua hóa các dung dịch chứa tất cả các dạng của nguyên tố cần định lƣợng, ở các môi trƣờng phản ứng khác nhau (có nồng độ H+
trận tín hiệu phân tích Y có mối quan hệ tuyến tính với nồng độ các dạng nguyên tố cùng tồn tại trong một dung dịch (ma trân nồng độ X) theo phƣơng trình:
Y = kX + C.
Trong đó, k là ma trân hệ số hồi qui của phƣơng trình, C là ma trận sai số của mơ hình. Để xác định nồng độ các dạng nguyên tố trong cùng một dung dịch, trƣớc hết cần xây dựng đƣợc các phƣơng trình hồi qui trên. Từ ma trận X và ma trận Y tƣơng ứng, có thể dùng các thuật tốn hồi qui đa biến nhƣ ILS hoặc PCR…để xác định các hệ số k. Từ đó, khi đã có tín hiệu phân tích của một mẫu nào đó, ta có thể tính đƣợc nồng độ các dạng của nguyên tố trong dung dịch dựa vào các phƣơng trình hồi qui đã xây dựng đƣợc theo sơ đồ hình 2.2.
Hình 2. 2. Sơ đồ mơ tả q trình tính tốn trong mơ hình hồi quy đa biến
Căn cứ vào cơ sở trên, chúng tôi chuẩn bị các mẫu chuẩn chứa các dạng của nguyên tố cần phân tích thành một ma trận nồng độ mẫu chuẩn (X0) dựa trên khảo sát về khoảng tuyến tính của từng dạng. Đo tín hiệu phân tích ở các mơi trƣờng tạo hợp chất hiđrua hóa khác nhau thành ma trận tín hiệu đo (Y0), nhập các thông tin X0, Y0 vào phần mềm rồi thực hiện các câu lệnh tính tốn xây dựng mơ hình hồi quy đa biến theo các thuật toán lựa chọn.
+ Nhập dữ liệu ma trận nồng độ các dung dịch chuẩn: X = X0;
+ Nhập dữ liệu ma trận độ hấp thụ quang của các dung dịch chuẩn đo ở các môi trƣờng khác nhau: Y=Y0;
+ Tính ma trận hệ số hồi qui: P = inv(Y'*Y)*Y*X;
+ Nhập ma trận độ hấp thụ quang của mẫu định phân: Yx = Ymẫu;
+ Tính nồng độ các dạng trong mẫu định phân: Xx = Yx*P;
- Các câu lệnh của thuật toán PCR giải trong Matlab 6.0:
+ Nhập dữ liệu: Tƣơng tự nhƣ thuật tốn ILS.
+ Bình phƣơng tập số liệu chứa biến phụ thuộc: D = Y’*Y; + Tính các PC: [VS] = svd(D);
+ Tính ma trận phần trăm phƣơng sai của các PC:
d = diag(S)/sum(diag(S))*100;
+ Chọn số PC làm cơ sở cho không gian mới: f = V(:,1:n); (n là số PC chọn có tổng phƣơng sai lớn nhất, đã đƣợc sắp xếp từ lớn đến nhỏ)
+ Chuyển đổi tập số liệu ban đầu và tính ma trận hệ số hồi qui:
Yj = Y*f ; F = inv(Yj'*Yj)*Yj'*X; Fj=f*F; + Tính nồng độ các dạng trong mẫu định phân: Xx=Yx*Fj;
- Quy trình xác định dạng nguyên tố As, Se trong mẫu thực tế
Dung dịch mẫu phân tích thu đƣợc từ các quá trình xử lý mẫu ở mục 2.2.1 đƣợc bơm thẳng vào hệ thống tạo khí hiđrua, độ hấp thụ quang của các nguyên tố phân tích đƣợc đo ở các mơi trƣờng tạo hiđrua hóa khác nhau với các thông số đƣa ra ở bảng 2.1, chỉ thay đổi môi trƣờng axit. Ma trận độ hấp thụ quang thu đƣợc sẽ nhập vào phần mềm Matlab dƣới dạng bảng trong đó hàng là tín hiệu đo của các dung dịch cịn cột là mơi trƣờng khử, dựa vào mơ hình hồi qui đa biến xây dựng đƣợc sẽ định lƣợng các dạng của nguyên tố cần phân tích.
vào miệng các lọ đựng các dung dịch. Sơ đồ thực nghiệm và sơ đồ tính tốn đƣợc chúng tơi tóm tắt qua hình 2.1 và 2.2; giao diện tính tốn của phần mềm Matlab đƣợc chú thích ở phụ lục số 4.
2.2.4. Đánh giá phƣơng pháp phân tích dạng As và Se
2.2.4.1. Đánh giá mơ hình hồi qui đa biến kết hợp với số liệu từ HG- AAS
Khả năng áp dụng mơ hình hồi quy đa biến vào thực tế đƣợc đánh giá qua các thông số sau:
- Đánh giá độ chụm
Để xác định độ chụm của mơ hình hồi quy, tín hiệu ba lần liên tiếp của một số mẫu tự tạo ở các điểm đo khác nhau đƣợc thu thập, mẫu tự tạo đƣợc chế tạo bằng cách lấy các dạng của As hoặc Se với các lƣợng thay đổi [11], thêm chất chống chuyển dạng, một số ion gây ảnh hƣởng và chất loại trừ ảnh hƣởng của các ion đó rồi định mức bằng nƣớc cất nhƣ mô tả ở mục 2.1.2. Nồng độ các dạng đƣợc tính theo mơ hình hồi quy đƣợc dùng để tính độ chụm theo các cơng thức:
n xi x,tb i 1 (C C ) S n 1 2.3 CV(%) = (S/Cx,tb)*100% 2.4
Trong đó S là độ lệch chuẩn; Cxi nồng độ của dạng x ở lần đo thứ i; Cx,tb nồng độ trung bình của dạng x qua n lần đo; CV là hệ số biến động.
- Đánh giá độ đúng
Độ đúng đƣợc đánh giá qua sai số tƣơng đối khi phân tích mẫu tự tạo [11]. Sai số tƣơng đối đƣợc tính theo cơng thức:
% Sai số = [(Xx – X0)/X0]*100% 2.5
Trong đó Xx là nồng độ dạng nguyên tố trong mẫu tự tạo xác định đƣợc theo mơ hình hồi quy; X0 là nồng độ dạng nguyên tố thực có trong mẫu tự tạo.
- Xác định các giá trị LOD, LOQ của phương pháp hồi qui đa biến
ảnh hƣởng của các ion cản trở, đƣợc đo tín hiệu phân tích với các thơng số và điều kiện đo của máy và bộ hyđrua hóa nhƣ thí nghiệm xây dựng mơ hình hồi quy [10].
Các giá trị LOD, LOQ đƣợc tính theo các cơng thức sau:
3 10 LOD ; LOQ bk bk 2.6 Trong đó ║bk║ là kí hiệu ma trận hệ số hồi quy tƣơng ứng với cấu tử phân
tích, nó đƣợc xác định thơng qua mơ hình hồi quy đa biến theo thuật tốn lựa chọn; cịn ║ε║ là ma trận tín hiệu mẫu trắng của thiết bị phân tích.
Câu lệnh chạy trong phần mềm Matlab nhƣ sau:
LOD = 3*norm(Z)/norm(M); LOQ = 10*norm(Z)/norm(M);
Với Z là ma trận phổ hấp thụ nguyên tử của các mẫu trắng của từng nguyên tố As, Se; M là ma trận hệ số hồi quy tính theo mơ hình lựa chọn.
- Đánh giá độ thu hồi khi phân tích mẫu thực
Các mẫu nƣớc do không phải qua giai đoạn xử lý mẫu đƣợc dùng làm mẫu thực. Mẫu thực đƣợc phân tích trực tiếp để xác định hàm lƣợng các dạng của nguyên tố cần phân tích. Một thí nghiệm khác, thêm dung dịch chuẩn chứa từng dạng của nguyên tố phân tích với các mức khác nhau vào mẫu thực, xác định hàm lƣợng các dạng đó rồi tính độ thu hồi theo cơng thức:
%H = ((X2 – X1)/X0)*100%; 2.7 hoặc % H = (X/X0)*100%; 2.8 Trong đó X2 là nồng độ dạng trong dung dịch sau khi thêm chuẩn, X1 là nồng độ dạng trong dung dịch mẫu thực, X0 nồng độ dạng thêm vào, X là nồng độ dạng tìm thấy trong mẫu tự tạo, H là độ thu hồi (%).
2.2.4.2. Đánh giá quy trình xử lý mẫu phân tích dạng
Thí nghiệm đƣợc tiến hành bằng cách cho thêm dung dịch chuẩn các dạng As hoặc Se với lƣợng khác nhau vào mẫu lúc ban đầu rồi thực hiện các quy trình xử lý mẫu. Quy trình xử lý mẫu đƣợc đánh giá qua độ thu hồi tính theo cơng thức 2.7.
2.2.5. So sánh phƣơng pháp phân tích dạng
Phƣơng pháp ghép nối HPLC – HG - AAS đƣợc lựa chọn để so sánh với mơ hình hồi quy đa biến, đây là phƣơng pháp đƣợc áp dụng rất phổ biến trong các phịng thí nghiệm hiện đại trên thế giới. Mẫu kiểm chứng là các mẫu tự tạo từ các dung dịch chuẩn của As nhƣ mô tả ở mục 2.2.4. Theo phƣơng pháp HPLC – HG – AAS, các dạng As sẽ đƣợc tách trƣớc trong cột sắc ký của máy HPLC nhờ hệ dung mơi thích hợp sau đó đƣợc dẫn qua hệ thống tạo khí hiđrua, cuối cùng hàm lƣợng các dạng đƣợc xác định nhờ máy AAS. Nhờ đó, phƣơng pháp có độ nhạy, độ tin cậy và độ đúng rất cao. Các thông số của máy HPLC đƣợc đƣa ra trong bảng 2.2 [2, 4], các thông số của máy AAS đƣa ra ở bảng 2.1. Sai số của phƣơng pháp tính theo cơng thức 2.5.
Bảng 2. 2. Các thông số của máy HPLC trong phương pháp HPLC- HVG – AAS
Thiết bị Thông số Giá trị
Máy HPLC Thể tích vịng mẫu 500µl Cột tách Hamilton PRP – X100 L=250mm; d = 4,6mm; dp=10µm Nhiệt độ cột tách Nhiệt độ phịng Thành phần pha động pH=6,5; tổng nồng độ phốt phát 20mM; EDTA 0,2mM Tốc độ pha động 1,0 ml/phút
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Nghiên cứu xác lập điều kiện phân tích đồng thời các dạng của từng nguyên tố As, Se nguyên tố As, Se
Trong luận án này chúng tơi sử dụng phƣơng pháp phân tích HG – AAS để đo tín hiệu của các nguyên tố As, Se. Các điều kiện phân tích As(III), Se(IV) trên thiết bị đo HG – AAS đƣợc tham khảo từ các thông số của nhà sản xuất và kế thừa từ các nghiên cứu trƣớc, chỉ kiểm nghiệm lại bằng thực nghiệm theo phƣơng pháp đơn biến. Tín hiệu đo là tín hiệu của tổng các dạng và phụ thuộc vào phản ứng tạo khí hiđrua hóa của các dạng với các chất khử, mỗi dạng lại có hiệu suất khử khác nhau, đây là cơ sở để chúng tơi sử dụng các thuật tốn hồi qui đa biến nhằm xác định hàm lƣợng từng dạng. Chính vì vậy, chúng tơi làm các thí nghiệm khảo sát các điều kiện để xác định đồng thời các dạng của từng nguyên tố trong một dung dịch mẫu phân tích bao gồm: khảo sát hiệu suất khử các dạng thành hợp chất hiđrua ở các môi trƣờng khử khác nhau, khảo sát khả năng khử sơ bộ các dạng bởi các hệ chất khử khác nhau cho từng nguyên tố As, Se.
3.1.1. Khảo sát hiệu suất khử các dạng As, Se thành hợp chất hiđrua
Một số cơng trình nghiên cứu trƣớc đây đã khảo sát nhiều hệ khử As(III), Se(IV) thành khí hiđrua và kết luận là hệ khử NaBH4/HCl cho kết quả tốt hơn cả [9, 14, 62, 64], do đó chất khử này đƣợc sử dụng trong các thí nghiệm tiếp theo. Kết quả thực nghiệm khảo sát hiệu suất khử từng dạng riêng rẽ của As, Se bằng NaBH4 trong môi trƣờng axit HCl 6M đƣợc trình bày ở bảng 3.1. Do As(III) và Se(IV) cho tín hiệu đo cao nhất, nên coi hiệu suất khử các dạng As(III), Se(IV) là 100%, còn hiệu suất khử của các dạng khác đƣợc tính bằng cách lấy tín hiệu đo của từng dạng chia cho tín hiệu đo của As(III) hoặc Se(IV). Các thông số của máy đo AAS và bộ hiđrua hóa đƣợc cố định nhƣ bảng 2.1.
Qua kết quả ở bảng 3.1 cho thấy hiệu suất khử các dạng khác không lớn đặc biệt là các dạng hữu cơ, do đó để xác định tổng hàm lƣợng As, Se cần thực hiện quá trình chuyển các dạng thành dạng As(III) hoặc Se(IV) trƣớc khi tiến hành hidrua hóa.
Bảng 3. 1 Hiệu suất khử các dạng As, Se trong môi trường HCl 6M bằng NaBH4
Dạng nguyên tố Nồng độ (ppb) Abs Hiệu suất khử (%)
As(III) 5 0,1596 100 As(V) 5 0,0414 26 DMA 5 0,0556 35 MMA 5 0,1199 75 Se(IV) 10 0,1886 100 Se(VI) 10 0,1690 90 DMDSe 10 0,1111 59 SeMet 10 0,1219 65
3.1.2. Khảo sát điều kiện khử các dạng As, Se thành As(III), Se(IV)
Trong các thí nghiệm này, các chất khử đƣợc cho thêm vào dung dịch chứa từng dạng As, Se với lƣợng thay đổi, các quá trình khử đƣợc tiến hành trên bếp đun cách thủy ở 800C – 1000C với thời gian 60 phút [8-9], dung dịch sau khi khử đem đo tín hiệu và so sánh với tín hiệu đo của dung dịch As(III), Se(IV) tƣơng ứng có cùng nồng độ nhƣng khơng thực hiện quy trình khử để tính hiệu suất khử. Các thông số của máy đo AAS và bộ hiđrua hóa đƣợc cố định nhƣ bảng 2.1.
3.1.2.1. Khả năng khử các dạng As thành As(III)
- Khảo sát khả năng khử các dạng As thành As(III) bằng KI
Với khoảng nồng độ dung dịch KI khảo sát từ 0,1% đến 5%, kết quả thu đƣợc ở bảng 3.2 cho thấy dung dịch KI tuy có nồng độ khá lớn so với các dạng As trong dung dịch nhƣng hiệu suất khử các dạng As(V), DMA, MMA vẫn thấp. Kết quả cũng cho thấy rằng, khi tăng hàm lƣợng KI hiệu suất khử các dạng As(V), MMA tăng nhƣng với dạng DMA lại thay đổi không đáng kể.
Bảng 3. 2. Hiệu suất (%) khử các dạng As bằng KI
Nồng độ chất, ppb
CKI, %
0,1% 0,5% 1% 2% 5%
Abs H% Abs H% Abs H% Abs H% Abs H%
As(III) 1 0,0332 107 0,0327 105 0,0335 107 0,0317 103 0,0339 107 4 0,1285 105 0,1284 105 0,1274 104 0,1267 104 0,1287 105 10 0,3241 100 0,3192 100 0,3195 100 0,3235 101 0,3248 102 As(V) 2 0,0259 38 0,0357 55 0,0429 65 0,0499 75 0,0568 84 10 0,1289 40 0,1795 55 0,2117 65 0,2481 77 0,2892 85 15 0,1929 40 0,2682 55 0,3151 64 0,3749 77 0,4322 82 MMA 1 0,0236 70 0,0244 72 0,0256 75 0,0252 75 0,0272 80 4 0,0895 70 0,0929 74 0,0958 77 0,0954 76 0,1031 82 10 0,2272 70 0,2339 72 0,2405 74 0,2438 75 0,2604 80 1 0,0101 30 0,0118 35 0,0138 40 0,0138 40 0,0141 40
- Khảo sát khả năng khử các dạng As thành As(III) của hệ khử KI/Ascobic
Axit Ascobic có tính khử yếu, do đó có thể kết hợp với KI để tăng khả năng khử. Thí nghiệm đƣợc tiến hành với các dung dịch chứa KI có nồng độ từ 0,1% - 5% trong axit ascobic 5%. Kết quả thu đƣợc ở bảng 3.3 cho thấy hiệu suất khử đã tăng rõ rệt ở hai dạng MMA và As(V) vô cơ (đạt tới 85% khi dung dịch có KI 1%), nhƣng hiệu suất khử dạng DMA vẫn khá thấp (<40%). Mặt khác, khi tăng lƣợng KI hiệu suất khử các dạng thay đổi không đáng kể.
Bảng 3. 3. Hiệu suất (%) khử các dạng As thành As(III) bằng hệ khử KI/Ascobic
Nồng độ chất,ppb
C% KI/axit ascobic 5%
0,1% 0,5% 1% 2% 5%
Abs H% Abs H% Abs H% Abs H% Abs H%
As(III) 1 0,0325 101 0,0314 98 0,0329 103 0,0338 106 0,0339 106 4 0,1281 105 0,1255 102 0,1271 104 0,1262 103 0,1277 105 10 0,3248 102 0,3204 100 0,3221 101 0,3209 100 0,3197 100 As(V) 2 0,0324 50 0,0454 70 0,0552 85 0,0550 85 0,0561 87 10 0,1685 52 0,2269 70 0,2722 84 0,2691 83 0,2754 85 15 0,2431 50 0,3500 72 0,4133 85 0,4121 85 0,4228 87 MMA 1 0,0238 70 0,0272 80 0,0271 80 0,0278 82 0,0270 80 4 0,0899 70 0,1040 80 0,1065 83 0,1029 80 0,1027 80 10 0,2205 68 0,2591 80 0,2531 78 0,2626 81 0,2659 82 DMA 1 0,0103 30 0,0137 40 0,0135 40 0,0138 40 0,0136 40 4 0,0417 32 0,0534 41 0,0522 40 0,0548 42 0,0538 41 10 0,1015 30 0,1288 38 0,1455 43 0,1459 43 0,1452 43
- Khả năng khử các dạng As thành As(III) của NaHSO3
Tƣơng tự nhƣ trên, khả năng khử của NaHSO3 với các dạng As đƣợc khảo sát trong vùng nồng độ NaHSO3 từ 0,01 – 1%. Kết quả khảo sát đƣợc đƣa ra trong bảng 3.4 cho thấy, NaHSO3 khử As(V) thành As(III) tốt hơn KI/axit ascobic, hiệu suất khử hai dạng MMA và As(V) vô cơ (đạt tới 80-90%), nhƣng hiệu suất khử dạng DMA vẫn khá thấp (45%).
- Khả năng khử các dạng As thành As(III) của L-Cystein
L-Cystein là tác nhân loại trừ ảnh hƣởng của các ion kim loại rất hiệu quả. Nếu có thể sử dụng L-Cystein làm chất khử trƣớc các dạng As về As(III) thì tác
thí nghiệm với nồng độ L-Cystein thay đổi từ 0,05 – 5%, các kết quả khảo sát thể