Vì các cation sắt tồn tại trong mẫu sẽ không thể đi vào mao quản nên sắt sẽ không gây ảnh hƣởng đến quá trình phân tích As(III) nhƣ các anion nền. Tuy nhiên, do việc phân tích As(III) đƣợc tiến hành ở pH>9 nên sắt trong mẫu sẽ bị kết tủa và có thể gây tắc mao quản. Thêm vào đó, theo các nghiên cứu khoa học [45, 57] cho thấy, các quặng hay kết tủa sắt là những chất hấp phụ Asen mạnh, do đó sự hiện diện của các kết tủa sắt sẽ làm giảm lƣợng anion H2AsO3- tự do trong mẫu và ảnh hƣởng đến độ chính xác của kết quả đo. Nhƣ vậy, để không làm ảnh hƣởng đến kết quả phân tích trƣớc hết phải loại trừ ảnh hƣởng của sắt.
58
Thông thƣờng, để khắc phục ảnh hƣởng của sắt có thể sử dụng phƣơng pháp loại bỏ sắt dƣới dạng kết tủa hay dùng các thuốc thử để tạo phức với sắt. Nhƣ đã trình bày ở trên, việc tạo kết tủa là không phù hợp với yêu cầu phân tích, do đó, chúng tôi đã tiến hành khảo sát và lựa chọn thuốc thử để tạo phức với sắt(II). Yêu cầu để lựa chọn các chất tạo phức là các phức chất tạo thành phải bền trong khoảng điều kiện pH từ 6 – 10. Dựa vào tài liệu tham khảo [5] các thuốc thử sau: 4- (pyridyl-Z-azo)-rezoexin (P.A.R), 1– (2–pyridylazo) –2–naphthol (P.A.N), ferroin và 1,10 – phenantrolin cho thấy là phù hợp với yêu cầu đặt ra.
Tuy nhiên, qua quá trình khảo sát và phân tích chỉ có 1,10-phenantrolin cho thấy sự xuất hiện của pic As(III) trên sắc đồ, còn các chất khác lại có sự xuất hiện của nhiều pic lạ nên không thể xác định đƣợc tín hiệu của asen. Do đó, 1,10 – phenantrolin đƣợc lựa chọn làm chất tạo phức để loại ảnh hƣởng của sắt trong quá trình phân tích As(III).
59
Hình 3.14. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của các chất tạo phức với sắt đến tín hiệu của As(III) 100µg/L.
Trong nƣớc ngầm, hàm lƣợng của sắt thƣờng dao động trong khoảng từ 0 đến 20mg/L [15, 39]. Các mẫu khảo sát là hỗn hợp của As(III) 100µg/L, muối Fe(CH3COO)2 ở các nồng độ khác nhau đƣợc pha trong dung dịch Arginine 2mM (pH=9,6) .Tuy nhiên, do có kèm theo gốc anion acetat ở nồng độ vài mg/L (lớn hơn rất nhiều so với nồng độ của As(III)) nên vẫn gây ảnh hƣởng đến tín hiệu của
60
As(III) (tƣơng tự nhƣ các anion nền). Trong trƣờng hợp này sẽ làm thêm mẫu so sánh là mẫu gồm As(III) 100µg/L cùng với lƣợng CH3COO- (CH3COONa) tƣơng đƣơng với lƣợng CH3COO- ((CH3COO)2Fe) nhƣ trong mẫu khảo sát.
Bảng 3.7. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của Fe2+ đến tín hiệu As(III) 100µg/L
Nồng độ Fe2+
(mg/L) Chiều cao pic As(III) (mV) Tín hiệu nhiễu nền (mV) 0 2,950,03 0,16 1 2,750,01 0,15 2 2,430,03 0,15 5 2,200,01 0,13 Mẫu so sánh (10mg/L CH3COO-) 2,180,05 0,16 10 1,6450,04 0,14 Mẫu so sánh (20mg/L CH3COO-) 1,6230,02 0,17
Dựa theo các kết quả đã trình bày trong Bảng 3.7. cho thấy rằng dù tín hiệu của As(III) trong các mẫu có sắt có giảm nhƣng nguyên nhân gây ra không phải do ảnh hƣởng của sắt mà là do hàm lƣợng các gốc anion trong mẫu (gốc acetat) quá lớn. Điều này cũng đã chứng minh rằng việc sử dụng 1,10-phenantrolin đã loại bỏ đƣợc ảnh hƣởng của Fe(II) trong quá trình phân tích As(III).
61
Hình 3.15. Chứng minh ảnh hƣởng của Fe(II) đến tín hiệu As(III) 100µg/L. 3.5. Khảo sát ảnh hƣởng của điện thế tách
Điện thế tách đƣợc sử dụng trong quá trình phân tích mẫu có ảnh hƣởng rất lớn đến các tín hiệu thu đƣợc trên sắc đồ. Khi tăng điện thế thì thời gian phân tích mẫu sẽ giảm, pic trở nên sắc nét hơn. Ảnh hƣởng của điện thế tách sẽ đƣợc khảo sát bằng cách thay đổi điện thế tách từ -10kV đến -25kV; các điều kiện khác vẫn đƣợc giữ nguyên không đổi sau mỗi lần đo: mẫu As(III) 100µg/L vẫn đƣợc pha trong dung dịch Arg 2mM, bơm mẫu 60s bằng phƣơng pháp bơm điện với thế bơm -6kV.
Kết quả thu đƣợc qua quá trình khảo sát cho thấy rất phù hợp với lý thuyết, khi tăng điện thế tách thì thời gian phân tích giảm, chiều cao pic tăng và do đó pic trở nên sắc nhọn hơn. Việc tăng chiều cao pic sẽ rất có lợi vì nhƣ vậy sẽ làm giảm đƣợc giới hạn phát hiện của phƣơng pháp (đây là nhƣợc điểm chính của phƣơng pháp điện di mao quản trong phân tích môi trƣờng). Tuy nhiên, khi sử dụng điện thế quá cao, độ phân giải của pic giảm vì các tín hiệu trên điện di đồ bị dồn lại gần nhau, và do đó đối với các mẫu nƣớc ngầm có nền mẫu phức tạp có thể xuất hiện hiện tƣợng các pic bị chồng lên nhau. Vì vậy, chúng tôi lựa chọn điện thế tách tối ƣu để phân tích As(III) là -20kV.
62
Hình 3.16. Ảnh hƣởng của điện thế tách đến tín hiệu của As(III) 75µg/L. Đệm 12mM MES - 21mM Arg - 30µM CTAB.
63
Hình 3.17. Ảnh hƣởng của hiệu điện thế tách đến tín hiệu As(III) 75g/L
3.6. Thẩm định phƣơng pháp
3.6.1. Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lƣợng (LOQ) của thiết bị
Giới hạn phát hiện đƣợc xác định dựa trên giá trị S/N [10, 34] với:
Từ giá trị LOD, chúng ta sẽ tìm đƣợc giá trị LOQ với:
Qua quá trình phân tích, đánh giá dựa vào giá trị tín hiệu /nhiễu (S/N) cho thấy giới hạn phát hiện As(III) của thiết bị là 5µg/L. Các kết quả đo đƣợc sẽ đƣợc trình bày trong Bảng 3.8.
64
Bảng 3.8. Kết quả khảo sát giá trị LOD của thiết bị điện di mao quản trong phân tích As(III) Nồng độ As(III) (g/L) Lần Chiều cao pic As(III) (S) (mV) Chiều cao nhiễu nền (N) (mV) Tỷ lệ S/N SD % RSD 5 1 0,63 0,18 3,50 0,04 6,06 2 0,67 0,17 3,94 3 0,74 0,21 3,52 4 0,73 0,19 3,85 5 0,69 0,19 3,63 6 0,65 0,21 3,08 7 0,74 0,16 4,60 8 0,68 0,15 4,53 Giá trị TB 0,69 0,18 3,84
Nhƣ vậy, giá trị LOD của thiết bị là 5µg/L (5µg/L). Từ đó,giá trị LOQ của thiết bị là 16,67 µg/L (17 µg/L).
3.6.2. Khảo sát khoảng tuyến tính
Khoảng tuyến tính của quy trình phân tích As(III) bằng phƣơng pháp điện di mao quản đƣợc khảo sát với các mẫu As(III) có nồng độ từ 20 đến 200µgL. Các mẫu As(III) đều đƣợc pha thêm 2mM Arg và đƣợc tiến hành dựa trên các điều kiện tối ƣu đã khảo sát. Mỗi điểm trong khoảng tuyến tính đều đƣợc lặp lại ít nhất 3 lần và cho giá trị độ lệch chuẩn tƣơng đối dao động trong khoảng từ 1% đến 7%. Kết quả cho thấy trong khoảng từ 20 đến 150µgL, diện tích tín hiệu As(III) có quan hệ
65
tuyến tính tốt với nồng độ (hệ số tƣơng quan R2=0,998). Khi tới nồng độ 200µg/L, diện tích tín hiệu chệch ra khỏi vùng tuyến tính do khi hàm lƣợng As(III) trong mẫu cao, tỉ lệ va chạm giữa các ion tăng lên và làm xuất hiện hiệu ứng nhiệt Jun làm cho pic As(III) bị giãn rộng và diện tích pic tăng bất thƣờng.
Bảng 3.9. Khảo sát khoảng tuyến tính phân tích As(III) bằng phƣơng pháp CE Nồng độ As(III)
(µg/L)
Số thí nghiệm
Diện tích pic trung
bình (mV.s) SD % RSD 20 7 3,22 0,21 6,52 50 3 9,18 0,13 1,42 75 3 14,45 0,40 2,77 100 7 18,86 0,47 2,49 150 7 29,53 0,82 2,78 200 3 47,11 1,05 2,22
Hình 3.18. Khoảng tuyến tính phân tích As(III) bằng phƣơng pháp điện di mao quản.
66
3.6.3. Đánh giá độ lặp lại và hiệu suất thu hồi của phƣơng pháp thêm chuẩn trong phân tích As(III) bằng hệ thiết bị điện di mao quản
Nhƣ đã trình bày ở mục 3.4.1, do các anion nền trong nƣớc ngầm có ảnh hƣởng rất lớn đến phép đo As(III) nên khi phân tích As(III) phải áp dụng phƣơng pháp thêm chuẩn để loại ảnh hƣởng của nền mẫu.
Độ lặp lại đƣợc đánh giá bằng cách đo lặp lại 6 lần để xác định nồng độ As(III) trong hai mẫu X và Y. Mẫu X là mẫu đƣợc tạo thành bằng cách pha thêm 20µg/L As(III) vào nền mẫu nƣớc ngầm VPNN14 (đã đƣợc xác định bằng phƣơng pháp HVG-AAS là không bị ô nhiềm asen) và mẫu Y là mẫu gồm 70µg/L As(III) đƣợc pha thêm vào nền mẫu nƣớc ngầm VPNN14.
Để xác định nồng độ As(III) trong mẫu X, chúng tôi áp dụng phƣơng pháp thêm chuẩn và đo ở 3 mức nồng độ khác nhau gồm: X, X+30µg/L As(III) và X+60µg/L As(III). Tƣơng tự đối với mẫu Y cũng đƣợc đo ở 3 điểm: Y, Y+30µg/L As(III) và Y+60µg/L As(III).
Kết quả cho thấy độ lặp lại và hiệu suất thu hồi đạt đƣợc rất tốt khi RSD=6% (H%=101,5) và RSD=3,2% (H%=99,1%) ở hai mức nồng độ 20 và 70 µg/L. Các kết quả đƣợc thể hiện trong Bảng 3.10.
Bảng 3.10. Đánh giá độ lặp lại và hiệu suất thu hồi của phƣơng pháp phân tích As(III) bằng hệ thiết bị điện di mao quản
Lần Mẫu Hàm lƣợng As(III) phân tích đƣợc (g/L) RSD (%) Nồng độ trung bình SD (g/L) Hệ số thu hồi (%) 1 X (VPNN 14 + 20µg/L As(III)) 19,6 6,0 20,3 1,2 101,5 2 21,5 3 18,9 4 21,1
67 5 21,6 6 19,1 1 Y (VPNN 14 + 70µg/L As(III)) 68,2 3,2 69,4 2,3 99,1 2 72,4 3 72,0 4 67,8 5 67,2 6 68,6
3.6.4. Phân tích hàm lƣợng As(III) trong mẫu nƣớc ngầm
Địa điểm lấy mẫu đƣợc lựa chọn là 15 giếng khoan tại xã Vạn Phúc, Thanh Trì, Hà Nội, đây là nơi điển hình có hiện tƣợng As dao động tƣơng đối mạnh giữa các địa điểm khác nhau [15]. Hàm lƣợng As (III) trong các mẫu này đều đƣợc phân tích bằng phƣơng pháp CE-C4D theo các điều kiện tối ƣu đã khảo sát và so sánh bằng phƣơng pháp AAS với kết quả cụ thể đƣợc trình bày trong Bảng 3.11.
Quy trình xử lý mẫu trƣớc khi phân tích đƣợc bao gồm các bƣớc sau:
Bƣớc 1: Các mẫu nƣớc ngầm đƣợc lấy lên trong điều kiện không có oxi và
đƣợc lọc nhanh qua màng xenlulo acetat có kích thƣớc 0,45 µm.
Bƣớc 2: Đối với các mẫu phân tích As (III) bằng phƣơng pháp AAS; để tách
riêng As(III) và As(V), mẫu nƣớc ngầm sẽ đƣợc rửa qua cột nhôm silicat [19]. Khi đó, As(V) sẽ bị giữ lại trên cột tách và As(III) đi ra khỏi cột. Cuối cùng, các mẫu nƣớc chỉ chứa As(III) đƣợc axit hóa tới pH < 2, bảo quản ở nhiệt độ 4oC cho đến khi phân tích.
Bƣớc 3: Với phƣơng pháp điện di mao quản, mẫu nƣớc ngầm sau khi lọc sẽ
đƣợc thêm 1,10-Phenanthroline để tạo phức với sắt(II) nhằm tránh hiện tƣợng As bị hấp phụ lên bề mặt của kết tủa sắt. Sau đó, mẫu nƣớc sẽ đƣợc rửa qua cột chứa nhựa
68
trao đổi cation loại axit mạnh-Wolfatit KPS để loại bỏ thành phần bicacbonat trong nƣớc. Để tránh sự oxi hóa As(III) thành As(V) phải tiến hành sục khí nitơ trong suốt quá trình xử lí mẫu. Cuối cùng, các mẫu này đƣợc cho vào lọ kín, chứa đầy mẫu và đƣợc bảo quản ở nhiệt độ 4oC cho đến khi phân tích.
Tất cả 15 mẫu nƣớc giếng khoan đều đƣợc phân tích bằng phƣơng pháp điện di mao quản dựa trên các điều kiện tối ƣu đã khảo sát: Mao quản silica có đƣờng kính trong 50µm, chiều dài tổng 60cm (chiều dài hiệu dụng 52cm); đệm: 12mM MES - 21mM Arg - 30µM CTAB (pH=8,90); mẫu đƣợc pha thêm 2mM Arginin; việc bơm mẫu đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp điện động học trong 60s với thế bơm -6kV; hiệu điện thế tách tối ƣu là -20kV.
Hình 3.19. Quy trình phân tích trực tiếp As(III) bằng phƣơng pháp CE-C4D và so sánh bằng AAS.
69
Bảng 3.11. Kết quả phân tích As(III) của 15 mẫu nƣớc giếng khoan tại xã Vạn Phúc, Thanh Trì, Hà Nội
STT Tên mẫu Nồng độ As(III) (µg/L)
% Sai số CE AAS 1 VPNN 1 373 ± 17 367 1,6 2 VPNN 2 394± 4 408 3,5 3 VPNN 3 198±16 201 1,5 4 VPNN 4 343± 11 356 3,7 5 VPNN 5 ND <5 - 6 VPNN 6 185 ±11 183 1,1 7 VPNN 7 394± 5 404 2,5 8 VPNN8 321± 5 323 0,6 9 VPNN 9 ND 7,6 - 10 VPNN 10 ND <5 - 11 VPNN 11 ND <5 - 12 VPNN 12 231± 2 222 3,9 13 VPNN 13 324± 8 326 0,6 14 VPNN 14 ND <5 - 15 VPNN 15 57,4 ± 2 53,5 7,0 “ND”: không phát hiện đƣợc (<5 µg/L) “ – ”: không xác định
70
Hình 3.20. So sánh kết quả đo As(III) trong mẫu nƣớc ngầm bằng hai phƣơng pháp CE-C4D và AAS.
Hàm lƣợng As(III) tìm thấy trong các mẫu nƣớc giếng khoan dao động trong khoảng nhỏ hơn 5µg/L đến 400 µg/L. Sử dụng phần mềm Minitab 14.0 để phân tích mức độ tƣơng quan của kết quả đo bằng hai phƣơng pháp CE-C4
D và AAS cho thấy phƣơng pháp nghiên cứu có tƣơng quan rất tốt với phƣơng pháp AAS với hệ số tƣơng quan R2
= 0,9967, các hệ số của phƣơng trình hồi quy: a=-8,914 và b=1,039. Các đại lƣợng thống kê tƣơng ứng là Sy/x=6,989; SEa=6,344; SEb=0,02108.
Riêng với hệ số a= -8,914, để so sánh a với giá trị 0 chúng tôi đã dùng chuẩn thống kê Fisher [10]. Nếu xem a0 thì phƣơng trình y=a+bx đƣợc viết thành y=b’x. Thay các giá trị yi và xi vào phƣơng trình y=b’x sẽ đƣợc các giá trị bi’ và tính đƣợc giá trị btb. Giá trị phƣơng sai của hai phƣơng trình tƣơng ứng là:
Khi P=0,95 và f1=8, f2=9 thì Ftính=S’2
y/ S2y=1,71<F(P,f1,f2)=3,23. Do đó, sự sai khác giữa giá trị a và 0 không có ý nghĩa thống kê và phƣơng pháp không mắc sai
71
số hệ thống. Nhƣ vậy, với độ tin cậy 95%, hệ số a và b không khác nhau có nghĩa so với giá trị 0 và 1. Điều đó chứng minh không có bằng chứng về sự khác nhau có nghĩa giữa hai tập số liệu. Nhƣ vậy, áp dụng phƣơng pháp CE-C4D trong phân tích As(III) cho các kết quả có độ tin cậy cao.
Hình 3.21. Điện di đồ As(III) của mẫu nƣớc ngầm VPNN 15
Đệm 12mM MES - 21mM Arg - 30µM CTAB.
Thời gian bơm mẫu 60s, bơm mẫu kiểu điện động học - thế bơm -6kV, thế tách -20kV.
a)Mẫu VPNN15 b) Mẫu VPNN15 + 30µg/L As(III) c) Mẫu VPNN15 + 50µg/L As(III) Ngoài việc xác định hàm lƣợng As(III) trong các mẫu nƣớc ngầm, chúng tôi còn phân tích hàm lƣợng của các ion nền cơ bản trong nƣớc nhƣ F-, Cl-, NO2-, SO42-,…để đánh giá toàn diện hiệu quả của phƣơng pháp nghiên cứu. Các kết quả đƣợc trình bày trong Bảng 3.12. Nhờ việc sử dụng các phƣơng pháp loại trừ ảnh hƣởng của nền mẫu nhƣ phƣơng pháp thêm chuẩn, tạo phức và loại bicacbonat mà phƣơng pháp nghiên cứu cho kết quả phân tích As(III) có độ chính xác cao ngay cả trong trƣờng hợp hàm lƣợng các anion, cation dao động trong khoảng rộng từ vài trăm µg/L đến 140mg/L.
72 STT Tên mẫu Các cation* (mg/L) Các anion** (mg/L) Fe tổng K Na Mg Ca Cl- F- NO2- SO42- 1 VPNN 1 9 7,3 11,7 41,6 98,5 9,3 0,1 <0,2 0,2 2 VPNN 2 11,6 5 13,3 36 86,1 4,5 0,2 <0,2 <0,2 3 VPNN 3 5,4 5,2 14,4 33,2 79,3 10,1 0,2 <0,2 0,2 4 VPNN 4 11,7 5,5 15,5 30,1 99,7 3,4 0,3 <0,2 0,3 5 VPNN 5 <5 4,8 14,7 34 114,2 14,7 0,5 18 0,2 6 VPNN 6 14 2,6 6,4 34,4 131,7 2,4 0,1 <0,2 1,4 7 VPNN 7 13 5,6 10,2 28,8 64,6 7,2 0,1 <0,2 0,3 8 VPNN8 13,3 5 12,2 27 139,1 1,8 0,4 5,7 0,2 9 VPNN 9 16,2 4,4 31,2 33,6 30,4 5,2 0,4 <0,2 4,1 10 VPNN 10 <5 2 30,1 8,5 2,3 5,1 0,2 <0,2 11,2 11 VPNN 11 <5 2,5 26,8 25,7 16,4 6,3 0,3 <0,2 5,2 12 VPNN 12 26,6 2,3 11,5 28 115,4 9,2 0,1 <0,2 <0,2 13 VPNN 13 14,7 3 12,4 34,5 114,4 13,7 0,1 <0,2 <0,2 14 VPNN 14 <5 2,9 24,3 13,8 8 2,3 0,4 <0,2 2,6 15 VPNN 15 16,3 0,9 13,3 27,8 109,7 12,7 0,1 <0,2 0,2
Ghi chú: * Đo bằng phƣơng pháp AAS, ** Đo bằng phƣơng pháp sắc ký ion (IC) ND: không phát hiện đƣợc (<5µg/L)
73
Các kết quả thu đƣợc từ Bảng 3.11 cho thấy tại khu vực khảo sát (xã Vạn Phúc, huyện Thanh Trì, Hà Nội) xuất hiện hiện tƣợng ô nhiễm asen rất nghiêm trọng và gây nguy hại lớn đến sức khỏe của ngƣời dân nơi đây. Trong số 15 mẫu khảo sát, có 10 mẫu (66,67%) là có hàm lƣợng asen vƣợt quá QCVN 09: 2008/BTNMT về hàm lƣợng As trong nƣớc ngầm (50µg/L). Mặt khác, trong 10 mẫu có hàm lƣợng As lớn hơn 50µg/L thì chỉ có mẫu VPNN15 là có hàm lƣợng As(III) là 57,4µg/L, còn các mẫu khác đều có hàm lƣợng As(III) rất cao (trên 185µg/L) thậm chí có mẫu lên tới 400µg/L (VPNN2, VPNN7).
Ngoài ra, dựa theo QCVN 09: 2008/BTNMT thì giá trị giới hạn cho phép của các chỉ tiêu khác là: sắt (5mg/L), Cl- (250mg/L), F- (1mg/L), NO2- (1mg/L), SO42- (400mg/L). Nhƣ vậy, theo Bảng 3.12 cho thấy ngoài 11/15 mẫu phân tích Fe (73,33% ) và 2/15 mẫu phân tích nitrit (1,33%) cho thấy có hàm lƣợng vƣợt quá giới hạn, các mẫu