Nội dung nghiên cứu

+ Tối ƣu hoá điều kiện phân tích đồng thời các kim loại nặng bằng phƣơng pháp ICP-MS.

+ Nghiên cứu xây dựng quy trình xử lý mẫu thực phẩm để phân tích hàm lƣợng các kim loại nặng.

+ Phân tích đánh giá hàm lƣợng kim loại nặng trong một số mẫu thực phẩm

2.2. Hóa chất, thiết bị và dụng cụ 2.2.1. Hóa chất

+ Tất cả các hoá chất sử dụng đều thuộc loại tinh khiết phân tích (PA) hoặc tinh khiết thuốc thử (PR) và đƣợc pha chế bằng nƣớc cất hai lần.

+ Nƣớc sạch cấp thuốc thử (nƣớc siêu sạch): Nƣớc cất đƣợc cho qua hệ trao đổi ion hay qua thiết bị lọc đạt tiêu chuẩn ICP-MS, LC và có trở kháng nhỏ hơn 18M.

+ Dung dịch chuẩn gốc chứa đồng thời các ion của các nguyên tố cần phân tích (trừ Hg) nồng độ 10 ppm trong môi trƣờng axit HNO3 2% và dung dịch chuẩn đơn của Hg nồng độ 10 ppm trong môi trƣờng axit HNO3 2%

Các dung dịch chuẩn có nồng độ nhỏ hơn đƣợc pha loãng từ dung dịch chuẩn gốc trong môi trƣờng HNO3 2%.

+ Các loại axit đặc, tinh khiết: HNO3, HCl, H2SO4 và H2O2 đặc. + Các loại hoá chất cơ bản khác.

26

+ Hệ thống ICP – MS (Model ELAN 9000 – Perkin Elmer) và các thiết bị phụ trợ (hình 2)

+ Tủ sấy, tủ hút, bếp điện

+ Cân phân tích có độ chính xác 0,0001 gam; cân kỹ thuật có độ chính các 0,1 gam

+ Bộ dụng cụ phá mẫu bằng ống teflon có bọc inox ở ngoài (sẽ trình bày chi tiết ở chƣơng 3)

+ Máy nƣớc cất 1 lần, 2 lần

+ Pipet các loại: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5; 10 ml + Bình Kendal các loại 50; 100 ml

+ Bình định mức các loại: 25; 50; 100 ml.

Hệ trang bị của phép đo ICP-MS

Hệ máy đo ICP-MS bao gồm các bộ phận chính sau, và đƣợc chỉ ra trên hình 2.1:

Hình 2.1: Hệ trang bị ICP-MS 1. Bộ tạo sol khí

2. Plasma 3. Hệ lăng kính

4. Van ngăn cách giữa vùng chân không cao của phổ kế và vùng ion 5. Lăng kính ion

27

6. Bộ phân giải khối 7. Detector

Hình ảnh thiết bị phân tích ICP-MS đƣợc sử dụng để phân tích mẫu tại khoa Hoá- Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc Gia Hà Nội.

Hình 2.2:Hình ảnh máy ICP – MS (ELAN 9000)

2.3. Lấy mẫu, bảo quản mẫu. 2.3.1. Lấy mẫu 2.3.1. Lấy mẫu

Trong nghiên cứu này chúng tôi tiến hành xác định hàm lƣợng kim loại trong 3 đối tƣợng.

+ Rau xanh và một số loại củ quả + Thịt : thịt gà và thịt lợn

+ Nội tạng động vật: gan lợn

Những mẫu này chúng tôi mua ở chợ Vạn Kiếp, quận Hoàn Kiếm, thành phố Hà Nội vào ngày 15 tháng 9 năm 2011, sau đó xử lý sơ bộ và bảo quản nhƣ trình bày ở phần 2.3.2 dƣới đây. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

2.3.2. Xử lý mẫu sơ bộ và bảo quản mẫu.

Mẫu rau, củ, quả: Mẫu mua về nhặt bỏ những phần không ăn đƣợc,rửa sạch bằng nƣớc máy sau đó tráng lại bằng nƣớc cất 1 lần rồi nƣớc cất 2 lần, để ráo nƣớc,

28

hong cho hết nƣớc bám vào. Sau đó đem sấy khô tới khối lƣợng không đổi trong tủ sấy ở nhiệt độ 60o

C.

Mẫu thịt và gan lợn: mua về rửa sạch và tráng bằng nƣớc cất 1 lần rồi nƣớc cất 2 lần, thấm khô nƣớc. Sau đó xay nhỏ rồi đem sấy tới khối lƣợng không đổi trong tủ sấy ở nhiệt độ 60oC.

Các mẫu trên sau khi đã sấy khô đƣợc nghiền thành bột mịn,bảo quản trong bình hút ẩm. Xác định hàm lƣợng nƣớc trong mẫu theo công thức sau

sww sdw

dw%  100

Trong đó : dw % là hàm lƣợng khô của mẫu

sdw là khối lƣợng của mẫu sau khi sấy khô ( g ) sww là khối lƣợng của mẫu tƣơi ( g )

Ta có bảng hệ số dw% của các mẫu nhƣ sau

Bảng 2.1: Hệ số dw% của các mẫu STT Mẫu sww (g) sdw (g) dw (%) 1 Bắp cải 230 21,4 9,30 2 Bí ngô 200 29,1 14,50 3 Mƣớp đắng 230 15,8 6,87 4 Rau muống 250 23,2 9,28 5 Cà rốt 265 25,7 9,88 6 Rau ngót 150 28,6 19,07 7 Khoai tây 350 71,8 20,51 8 Xu xu 350 25,8 7,37

29

9 Rau cần 240 19,6 8,17 10 Gan lợn 170 50,2 29,53 11 Thịt lợn 200 52,1 26,05 12 Thịt gà 200 55,4 27,70

30

Chƣơng 3- KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Tối ƣu hoá các điều kiện phân tích bằng phƣơng pháp ICP-MS 3.1.1. Chọn đồng vị phân tích 3.1.1. Chọn đồng vị phân tích

Trong tự nhiên, các nguyên tố có một số đồng vị. Trong phép phân tích bằng ICP-MS ngƣời ta thƣờng chọn đồng vị dựa trên ba tiêu chí:

+ Phải là một trong những đồng vị phổ biến nhất trong tự nhiên + Ảnh hƣởng bởi sự chèn khối phải không có hoặc bé nhất

+ Sự hiệu chỉnh ảnh hƣởng của các mảnh ion oxit phải đơn giản và càng ít bƣớc càng tốt.

Tuỳ theo sự phức tạp của nền mẫu mà có thể chọn các đồng vị phân tích khác nhau. Tuy nhiên, hầu hết các tác giả đều thống nhất trong việc lựa chọn số khối phân tích này chỉ trừ một vài trƣờng hợp đặc biệt . Trong đề tài này chúng tôi lựa chọn các đồng vị nhƣ bảng 3.1

Bảng 3.1: Số khối và tỉ lệ đồng vị đối với các nguyên tố phân tích STT Nguyên tố phân tích Số khối (m/z) Tỉ lệ đồng vị (%) 1 Cr 52 83,79 2 Mn 55 100 3 Fe 57 2,12 4 Co 59 100 5 Ni 60 26,22 6 Cu 63 69,17 7 Zn 65 27,90 8 As 75 100 9 Cd 114 28,73 10 Hg 202 29,86 11 Pb 208 52,40

31

Khi phân tích, máy chỉ thu tín hiệu của các đồng vị đã chọn theo nguyên tắc phân giải khối bằng bộ phân chia tứ cực.

3.1.2. Độ sâu mẫu (Sample Depth - SDe):

SDe là khoảng cách giữa đỉnh cone giao diện đến bên phải vòng dây tạo plasma (đƣợc biểu diễn trong hình 3.1).

Hình 3.1: Giá trị SDe (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

SDe có ảnh hƣởng đến nhiều đại lƣợng trong đó có cƣờng độ vạch phổ. Khi tăng giá trị SDe cƣờng độ vạch phổ giảm dần. Kết quả cho thấy khi công suất cao tần RF lớn từ 1200W trở lên thì cƣờng độ vạch phổ giảm nhanh hơn.

Trong phép phân tích chúng tôi chọn độ sâu mẫu là 3 mm.

3.1.3. Công suất cao tần (Radio Frequency Power - RFP):

Với mục đích xác định đồng thời lƣợng vết và siêu vết 11 ion kim loại nặng trong mẫu thực phẩm bằng phƣơng pháp ICP-MS thì việc khảo sát ảnh hƣởng của công suất cao tần (RF) là rất cần thiết. Tiến hành tối ƣu thông số này ở chế độ tự động sử dụng dung dịch hỗn hợp 11 nguyên tố Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb nồng độ 5 ppb và Hg 2 ppb, Fe 10 ppb trong HNO3 2%.

32

Hình 3.2: Ảnh hƣởng của công suất cao tần

Các kết quả khảo sát ảnh hƣởng của công suất RFP: Khi tăng công suất RFP thì cƣờng độ khối phổ của các ion kim loại Cr, Cu, Mn có xu hƣớng giảm sau đó tăng, xuất hiện cực đại trong khi tín hiệu phổ của Co, Ni tăng sau đó giảm và nếu tiếp tục tăng công suất RFP thì lại tăng và đạt cực đại ở 1300W và 1250W. Với các nguyên tố Cd, Hg cƣờng độ tăng liên tục tới khi công suất RFP đạt 1300W sau đó giảm dần nếu tiếp tục tăng công suất RFP trong khi tín hiệu đo As liên tục tăng và tín hiệu của Fe và Zn liên tục giảm đến điểm cuối lại tăng. Đƣờng biểu diễn cƣờng độ vạch phổ của Pb theo công suất RFP dao động liên tục và cực đại ở vùng 1200W. Nhƣ vậy, để xác định đồng thời 11 ion kim loại nặng thì chọn công suất RFP bằng 1200W là thích hợp nhất.

3.1.4. Lƣu lƣợng khí mang (Nebulized gas flow – NGF)

NGF có ảnh hƣởng đáng kể đến độ nhạy của phƣơng pháp ICP-MS. NGF lớn lƣợng mẫu đƣợc đƣa vào vùng plasma lớn và ngƣợc lại. Điều này dẫn đến tỷ lệ tín hiệu trên một đơn vị nồng độ tăng hoặc giảm, dẫn đến ảnh hƣởng độ nhạy của phép phân tích. Tuy nhiên không phải khi tăng NGF là cƣờng độ vạch phổ tăng, hoặc khi giảm NGF là cƣờng độ vạch phổ giảm. Sự tăng hay giảm chỉ nằm trong một phạm

Đồ thị khảo sát công suất RF

0.00 5000.00 10000.00 15000.00 20000.00 25000.00 800.0 900.0 1000.0 1100.0 1200.0 1300.0 1400.0 W Cps Cr Fe Cu Co As Cd Hg Mn Ni Zn Pb

33

vi nhất định và còn tuỳ thuộc vào nhiều thông số khác. Tƣơng tự ta tiến hành tối ƣu thông số này ở chế độ tự động sử dụng dung dịch hỗn hợp 11 nguyên tố Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb nồng độ 5 ppb và Hg 2 ppb, Fe 10 ppb trong HNO3 2%.

Hình 3.3: Ảnh hƣởng của lƣu lƣợng khí mang

Kết quả nghiên cứu cho thấy khi NGF tăng dần thì tín hiệu đo 11 ion kim loại nặng đều tăng nhƣng nếu NGF quá cao thì cƣờng độ khối phổ lại giảm, nhƣng mức độ thay đổi rất khác nhau. Đối với nhóm các nguyên tố Cr, Co, Cd, Mn và Fe, Cu, Zn, Ni, Pb tín hiệu đạt cực đại khi NGF lần lƣợt là 1,00 l/phút và 1,05 l/phút trong khi đối với As và Hg cƣờng độ phổ khối lớn nhất ở điểm 0,95 l/phút và 0,85 l/phút. Do hàm lƣợng các ion kim loại nặng trong các mẫu thực phẩm rất nhỏ nên chọn tốc độ NGF là 0,95 l/phút là phù hợp nhất với phép đo.

3.1.5.Thế thấu kính ion

Tiến hành tối ƣu thông số này ở chế độ tự động sử dụng dung dịch hỗn hợp 11 nguyên tố Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb nồng độ 5 ppb và Hg 2 ppb, Fe 10ppb trong HNO3 2%.

Đồ thị khảo sát lưu lượng khí mang

0.00 5000.00 10000.00 15000.00 20000.00 25000.00 0.65 0.75 0.85 0.95 1.05 1.15 1.25 LLKM (L/phút) Cps Cr Fe Cu Co As Cd Hg Mn Ni Zn Pb

34

Hình 3.4: Ảnh hƣởng của thế thấu kính ion

Từ đồ thị khảo sát ảnh hƣởng của thế thấu kính ion có thể thấy khi tăng thế tín hiệu đo phổ của 11 ion kim loại đều có xu hƣớng tăng dần. Tuy nhiên, từ nhiều thí nghiệm đo phổ cho thấy nếu chọn thế thấu kính ion quá cao thì sự nhiễu nền và tín hiệu đo mẫu blank sẽ quá lớn làm giảm độ nhạy của phép đo. Do đó, khi đo phổ ICP-MS xác định các ion kim loại trên sẽ sử dụng thế thấu kính ion là 7,0V.

Ngoài các thông số trên thì một số thông số khác cũng đƣợc khảo sát và đƣợc tóm tắt và chỉ ra ở dƣới đây

Bảng 3.2: Các thông số tối ƣu cho máy ICP-MS Tốc độ khí mang 0,95 l/phút Tốc độ khí phụ trợ 2,0 l/phút Lƣu lƣợng khí tạo plasma 15,0 l/phút

Áp suất chân không (khi đo mẫu) 1,0 -1,2. 10-5 Torr Áp suất chân không (khi để máy

Standby)

2,0 – 3,0. 10-6 Torr Tốc độ bơm rửa 48 vòng/phút

Đồ thị khảo sát thế thấu kính ion

0.00 5000.00 10000.00 15000.00 20000.00 25000.00 30000.00 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 V Cps Cr Fe Cu Co As Cd Hg Mn Ni Zn Pb

35 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Tốc độ bơm mẫu 26 vòng/phút Nhiệt độ nƣớc làm mát 200C

Công suất nƣớc làm mát 1750W Công suất cao tần RFP 1200W Thế thấu kính ion 7,0V

Thế xung cấp 1000V

Số lần quét khối 5 lần Thời gian đo cho 1 lần 5,8 giây

Độ sâu mẫu 3 mm

Thời gian bơm làm sạch 120 (giây) Tốc độ bơm ổn định 0,1 (vòng/giây) Thời gian bơm ổn định 30 (s)

Nƣớc làm mát 2,4 (lít/phút) Số lần đo lặp cho 1 điểm 3 (lần)

3.2. Đánh giá phƣơng pháp phân tích 3.2.1. Khoảng tuyến tính 3.2.1. Khoảng tuyến tính

Trong phép đo ICP-MS, việc định lƣợng một nguyên tố dựa vào phƣơng trình cơ bản: Ims = K.Cb

Trong đó:

Ims: Cƣờng độ (số đếm, CPS) của vạch phổ K: Hằng số thực nghiệm

C: Nồng độ của nguyên tố trong dung dịch mẫu phân tích b: Hằng số (0 <b ≤1)

36

Trong một khoảng nồng độ nào đó thì b có giá trị bằng 1. Khi đó, mối quan hệ giữa Ims và C là tuyến tính:

Ims = K.C

Khoảng nồng độ này gọi là khoảng tuyến tính của nguyên tố phân tích. Khoảng tuyến tính của mỗi nguyên tố ở mỗi số khối (m/Z) khác nhau là khác nhau. Số khối phân tích nào có cƣờng độ (CPS) càng lớn thì khoảng tuyến tính càng hẹp. Do đó, để xác định các nguyên tố kim loại nặng ta phải xây dựng đƣờng chuẩn để xác định khoảng tuyến tính của phép đo.

Tuy nhiên trong phƣơng pháp ICP-MS, tín hiệu của phép đo (CPS) có thể thay đổi trong khoảng giá trị rất lớn (từ vài CPS đến bão hoà, 4.109

CPS) nên khoảng tuyến tính của phép đo rất rộng (từ vài ppt đến vài chục hay vài trăm ppm). Do đó, đối với phép đo ICP-MS ngƣời ta thƣờng không chú ý nhiều đến khoảng tuyến tính. Vì vậy trong đề tài luận văn này chúng tôi không nghiên cứu đến khoảng tuyến tính mà chỉ xây dựng đƣờng chuẩn của các nguyên tố.

3.2.2. Đƣờng chuẩn

Đƣờng chuẩn của các kim loại Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb,As, đƣợc xây dựng với 3 điểm có nồng độ lần lƣợt là: 20 ppb, 100 ppb, 200 ppb.

Đƣờng chuẩn Fe đƣợc xây dựng bởi 3 điểm có nồng độ lần lƣợt là: 100 ppb, 500 ppb, 1000 ppb.

Đƣờng chuẩn của Hg đƣợc xây dựng với 3 điểm có nồng độ lần lƣợt là: 4 ppb, 20 ppb, 40 ppb.

Các thông số máy đo đƣợc chọn nhƣ điều kiện tối ƣu, tiến hành đo với các mẫu chuẩn thu đƣợc đƣờng chuẩn của 11 kim loại nặng, kết quả đƣợc trình bày ở

37 ppb Đƣờng chuẩn As Số đếm(CPS) ppb Đƣờng chuẩn Hg ppb Đƣờng chuẩn Mn

38 ppb Đƣờng chuẩn Pb ppb Đƣờng chuẩn Cd ppb Đƣờng chuẩn Zn

39 ppb Đƣờng chuẩn Fe ppb Đƣờng chuẩn Cr ppb Đƣờng chuẩn Co

40

ppb

Đƣờng chuẩn Ni

ppb (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Đƣờng chuẩn Cu

Hình 3.5: Đƣờng chuẩn các kim loại cần phân tích

Các phƣơng trình đƣờng chuẩn đều có hệ số tƣơng quan R gần bằng 1 và cắt qua gốc tọa độ chứng tỏ phƣơng pháp không mắc sai số hệ thống và có

khoảng tuyến tính rộng 3.2.3. Giới hạn phát hiện và giới hạn định lƣợng

Giới hạn phát hiện (LOD) hay giới hạn định tính đƣợc định nghĩa là nồng độ nhỏ nhất của chất phân tích mà thiết bị còn có thể phát hiện đƣợc.

Giới hạn định lƣợng (LOQ) là nồng độ nhỏ nhất mà thiết bị đo cho phép định lƣợng đƣợc với độ chính xác trên 95%.

41

Đối với hệ thống ICP-MS, LOD và LOQ có thể đƣợc tính theo các công thức: LOD = B S CSTD  . 3 (1) LOQ = B S CSTD  . 10 (2) Trong đó: : độ lệch chuẩn mẫu trắng CSTD : Nồng độ mẫu chuẩn

S: Tín hiệu của mẫu chuẩn (số đếm, CPS)

B: Tín hiệu trung bình của mẫu trắng (số đếm, CPS)

Nhƣ vậy để xác định LOD và LOQ của phép đo, ta tiến hành đo lặp mẫu trắng 10 lần rồi tính độ lệch chuẩn theo công thức:

 = 1 ) ( 2    n B Bi (3) Trong đó:

Bi: Tín hiệu mẫu trắng đo đƣợc ở lần thứ i

B: Giá trị trung bình tín hiệu mẫu trắng của n lần đo lặp n: Số lần đo lặp

Sau đó tiến hành đo lặp 10 lần dung dịch chuẩn : Fe có nồng độ 500 ppb, Hg có nồng độ 20 ppb và các kim loại còn lại có nồng độ 100 ppb, tính số đếm trung bình rồi thay số liệu vào các công thức (1), (2), (3) ta tính đƣợc các giá trị LOD và LOQ

42

Bảng 3.3: LOD và LOQ của phép đo ICP-MS

Nguyên tố Nồng độ chuẩn (ppb) Tín hiệu mẫu trắng B(CPS) Tín hiệu mẫu chuẩn S(CPS)  LOD(ppt) LOQ(ppt) Cr 100 20,243 143030 2,701 5,6 18,9 Co 100 20,016 185366 3,682 5,9 19,8 Ni 100 23,667 50949 4,273 25,1 83,9 Cu 100 15,671 94669 2,451 7,7 25,9 As 100 26,671 35926 4,082 34,1 113,7 Hg 20 10,265 400 0,047 7,2 24,1 Pb 100 30,639 168824 4,653 8,2 27,6 Cd 100 24,016 291450 5,262 5,4 18,1 Zn 100 35,005 200054 6,085 9,1 30,4 Mn 100 28,415 225225 5,533 7,4 24,5 Fe 500 40,616 215962 6,271 43,5 145,2

Kết quả tính toán cho thấy giới hạn phát hiện (LOD), giới hạn định lƣợng