1.4.1. Phương pháp đo các dạng thủy ngân sau khi xử lý mẫu chuyển về dạng Hg2+
Hiện nay, có nhiều kỹ thuật được sử dụng để xác định thuỷ ngân trong mẫu sau khi đã xử lý mẫu và chuyển các dạng thủy ngân về dạng dung dịch Hg2+ như: Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử, phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử (AES), phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), phương pháp quang phổ hấp thụ huỳnh quang nguyên tử (AFS), phương pháp sử dụng nguồn plasma cảm ứng cao tần (ICP), phương pháp phân tích trực tiếp bằng phân hủy nhiệt, phương pháp kích hoạt nơtron (NAA), phương pháp quang phổ huỳnh quang tia X (XRF), phương pháp điện hóa,...
a) Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử
Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử là phương pháp phổ biến nhất để xác định thuỷ ngân từ những năm 1960, bằng cách sử dụng chất tạo phức là diphenylthiocarbazone hoặc dithizon. Phương pháp này dựa trên phép đo quang của phức màu được chiết vào dung môi hữu cơ sau khi tất cả các dạng thuỷ ngân của mẫu đã được chuyển thành Hg2+ rồi tạo phức với dithizon. Tuy nhiên phương pháp này vẫn tồn tại một số nhược điểm là độ chọn lọc thấp do ảnh hưởng của các kim loại đi kèm cũng phản ứng với dithizon. Đối với phương pháp này, c nhiều nghiên cứu để phát triển phương pháp đo thuỷ ngân nhanh hơn, hiệu quả hơn, nhạy hơn.
b) Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử
23
Cơ sở lí thuyết của phương pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) dựa trên sự hấp thụ năng lượng (bức xạ đơn sắc) của nguyên tử tự do của một nguyên tố ở trạng thái hơi (khí) khi chiếu chùm tia bức xạ đơn sắc qua đám hơi nguyên tử tự do của nguyên tố ấy trong môi trường hấp thụ.
Đối với thủy ngân, không dùng các kỹ thuật nguyên tử hóa ở nhiệt độ cao như các nguyên tố khác mà phải h a hơi ở nhiệt độ thường bằng các phản ứng hóa học. Các kỹ thuật h a hơi thủy ngân trong phương pháp AAS phổ biến là kỹ thuật h a hơi lạnh và kỹ thuật hydrua hóa.
Kỹ thuật hóa hơi lạnh (CV - AAS)
Kỹ thuật h a hơi lạnh dựa trên việc chuyển các nguyên tố cần xác định về dạng nguyên tử tự do dễ bay hơi. Kỹ thuật này thường được sử dụng cho các nguyên tố: Hg, As, Se,..là nguyên tố dễ chuyển về dạng tự do nhờ phản ứng với các chất khử mạnh SnCl2, bột kẽm, bột Magie, NaBH4.
Đối với nguyên tố thủy ngân, trong dung dịch tồn tại dưới dạng cation, sau khi được khử thành thủy ngân nguyên tử sẽ bay hơi thành các nguyên tử tự do ngay ở nhiệt độ phòng, chất khử thường sử dụng là NaBH4 và SnCl2, các phản ứng xảy ra:
2NaBH4 +2Hg2+ → Hg0 + B2H6+ 2H2+ 2Na+ SnCl2 + Hg2+ → Sn4+ + Hg0+2Cl-
Các phản ứng xảy ra trong hệ kín, sau khi được chuyển về dạng hơi, thủy ngân nguyên tử được lôi cuốn ra khỏi dung dịch mẫu bằng một dòng khí mang (thường là N2, Ar, hay không khí). Hơi thủy ngân được mang tới ống hấp thụ bằng thạch anh, thủy tinh hoặc plastic. Do hơi thủy ngân nguyên tử gần như không thể chuyển hóa thành hợp chất thủy ngân nên sự hấp thụ của thủy ngân là ổn định. Việc định lượng thủy ngân được thực hiện bằng cách đo độ hấp thụ của đám hơi thủy ngân tại bước sóng 253,7 nm ở nhiệt độ phòng.
Kỹ thuật hydrua hóa (HG - AAS)
Hg(II) được khử bởi NaBH4 trong môi trường axit HCl thành hợp chất Hydrua thủy ngân dễ bay hơi, hợp chất Hydrua thủy ngân được mang vào buồng nguyên tử hóa của máy AAS bằng dòng khí mang (argon); dùng năng
24
lượng điện làm nguồn duy trì đám hơi nguyên tử của Hg; chiếu chùm đơn sắc từ đèn catốt rỗng của Hg vào đám hơi nguyên tử, khi đ Hg sẽ hấp thụ ở bước sóng 253,7 nm; chọn và đo định lượng cường độ vạch phổ của Hg nhờ bộ thu và phân tích phổ hấp thụ.
4Hg2+ + 2NaBH4 + 6H2O → 4Hg0 + 7H2 +2 H3BO3 + 2Na+ c) Phương pháp phổ huỳnh quang nguyên tử
Hơi thủy ngân được chiếu sáng bởi một nguồn sáng đơn sắc c bước sóng 253,7 nm phát ra từ đèn catot rỗng. Các nguyên tử thủy ngân hấp thu bức xạ kích hoạt này, ngay sau đ (trong tích tắc) phát ra bức xạ huỳnh quang theo mọi hướng ở bước sóng 253,7nm (ứng với bước chuyển điện tử 3P1 - 1S0). Để đo được cường độ tia huỳnh quang phát ra mà không bị ảnh hưởng bởi bức xạ phát ra từ đèn catot rỗng, người ta bố trí đo tia huỳnh quang tại vị trí thẳng góc với tia tới. Dựa vào cường độ của bức xạ huỳnh quang phát ra để xác định hàm lượng thủy ngân có trong mẫu.
Trong phương pháp này cần sử dụng khí Ar tinh khiết 99.999% làm khí mang.
d) Phương pháp sử dụng nguồn plasma cảm ứng cao tần
Các phương pháp sử dụng nguồn plasma cảm ứng cao tần cấp nhiệt cho mẫu trong môi trường ngọn lửa plasma của khí argon. Sự kích thích nhiệt làm giải phóng các nguyên tử và ion để chúng có thể được đo bằng phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử hoặc phương pháp khối phổ.
Nhiệt độ của ngọn lửa plasma trong khoảng 6000 - 10.000K. Giới hạn phát hiện thủy ngân khi sử dụng phương pháp ICP - AES khá cao (1-10 ppb), nhưng với phương pháp ICP - MS thì giới hạn phát hiện có thể đạt tới mức1ppt.
e) Phương pháp phân tích trực tiếp bằng phân hủy nhiệt
Nguyên lý của phương pháp định lượng Thủy ngân bằng thiết bị phân tích thủy ngân trực tiếp (DMA) là kết hợp quá trình phân hủy bởi nhiệt độ cao, có chất xúc tác, hỗn hống hóa thủy ngân và phép đo quang phổ hấp thụ nguyên tử.
25
Phương pháp này được sử dụng đối với cả các mẫu lỏng và rắn nhưng đặc biệt lý tưởng cho các mẫu rắn vì phương pháp này không cần phải xử lý mẫu trước khi phân tích. Ngoài ra, phương pháp phân hủy nhiệt cũng không cần đến các chất khử và do vậy giảm được các chất thải độc hại cũng như khả năng nhiễm bẩn mẫu.
f) Phương pháp phân tích điện hóa
Những kỹ thuật cực phổ đã được sử dụng để phân tích dạng thuỷ ngân trong mẫu nước. Thế oxy hóa khử của những dạng thuỷ ngân khác nhau là khác nhau, do đ người ta có thể xác định dạng thuỷ ngân bằng phương pháp cực phổ. Metyl thuỷ ngân có thể được xác định trong môi trường không tạo phức bằng phương pháp vôn-ampe hòa tan anot xung vi phân trên điện cực màng vàng, giới hạn phát hiện khoảng 2,10 - 8mol/l với thời gian điện phân là 5 phút. Tuy nhiên, khi áp dụng phương pháp này cho các mẫu môi trường và sinh học cần phải tiến hành loại bỏ những chất ảnh hưởng mà quá trình thao tác không đơn giản như đối với phương pháp CV-AAS.
1.4.2. Phương pháp định lượng metyl thủy ngân [1, 25]
a) Phương pháp sắc ký khí GC/ ECD
Sắc ký khí là kỹ thuật chọn để tách các hợp chất vô cơ và hữu cơ bay hơi và bền nhiệt. Sắc ký hấp phụ khí - rắn sử dụng chất hấp phụ rắn làm pha tĩnh và pha động khí. Sắc ký phân bố khí - lỏng thực hiện sự tách nhờ sự phân bố các cấu tử của hỗn hợp giữa pha động khí và pha tĩnh lỏng được giữ trên chất mang rắn.
Phương pháp sắc ký khí kết hợp với detector cộng kết điện tử (GC-ECD) là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để xác định metyl thuỷ ngân trong các mẫu môi trường.
Trong phương pháp sắc ký, các dạng thủy ngân được tách dựa trên sự khác nhau của nhiệt độ bay hơi và sự tương tác của chúng với pha động. Hiện nay người ta thường sử dụng hai loại cột tách là cột nhồi và cột mao quản. Cột mao quản thông thường có chiều dài từ 10 đến 100 m và đường kính trong từ 0,2 đến 0,7 mm, thành trong của loại cột này được tẩm một lớp pha tĩnh mỏng, cú chiều dày từ 0,2 đến 5 àm. Cột sắc ký đặt trong buồng điều nhiệt và được
26
điều khiển bởi chương trình nhiệt độ. Pha động thường được sử dụng là khí trơ hêli hoặc nitơ để vận chuyển các chất bay hơi đến detector. Nhiệt độ và tốc độ pha động có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tách các dạng thủy ngân.
Để đạt được hiệu quả cao trong quá trình tách bằng sắc ký khí, các dạng thủy ngân phải được chuyển hóa thành các hợp chất bay hơi và bền nhiệt. Một số thuốc thử được sử dụng để chuyển các dạng thủy ngân thành hợp chất dễ bay hơi như thuốc thử Grignard để butyl hóa các dạng thủy ngân; natri tetraetyl borat để etyl hóa các dạng thủy ngân trong dung dịch [26].
Trong phương pháp này cột nhồi được sử dụng thay cho cột mao quản để phân tích thuỷ ngân vô cơ và hữu cơ trong các mẫu sinh học. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, khi sử dụng cột nhồi pha tĩnh AT-1000 cho hiệu quả tốt nhất để tách các dạng metyl thuỷ ngân, etyl thuỷ ngân và phenyl thuỷ ngân [27].
b) Phương pháp GC/MS
GC-MS là sự kết hợp của 2 kỹ thuật GC (sắc ký khí) và MS (khối phổ) vì các hợp chất thích hợp để phân tích bằng phương pháp GC (khối lượng phân tử thấp, độ phân cực trung bình hoặc thấp, ở nồng độ ppb - ppm) cũng tương thích với các yêu cầu của phương pháp MS và đều thực hiện quá trình phân tích ở pha hơi (cùng trạng thái).