Từ tổng quan tài liệu cho thấy: Xác định lƣợng vết các kim loại nặng trong các đối tƣợng môi trƣờng là điều cần thiêt. Từ trƣớc đến nay, phƣơng pháp điện hóa hòa tan nghiên cứu xác định lƣợng vết các kim loại nặng nhƣ Zn, Cd, Pb, Cu là một trong những phƣơng pháp phân tích hữu hiệu đƣợc dùng rất phổ biến. Tuy vậy, các phƣơng pháp này chủ yếu sử dụng điện cực thủy ngân (điện cực HMDE, SMDE, MFE). Các điện cực này cho kết quả phân tích có độ nhạy, độ lặp cao nhƣng do sử dụng thủy ngân là chất độc nên dễ gây hại cho môi trƣờng cũng nhƣ sức khỏe ngƣời phân tích. Nghiên cứu chế tạo và đƣa vào hoạt động điện cực paste cacbon biến tính với oxit thủy ngân là một hƣớng mới về việc sử dụng một điện cực thủy ngân thân thiện với môi trƣờng. Do không thải thủy ngân ra môi trƣờng, bề mặt điện cực dễ tái tạo lại sau mỗi lần đo, dễ sử dụng nên điện cực này có thể sử dụng cho phân tích di động.
Ngoài việc xác định đồng thời Zn2+, Cd2+, Pb2+, Cu2+ bằng phƣơng pháp von ampe hòa tan anot (ASV), điện cực HgO-MPCE còn có thể áp dụng để phân tích đồng thời lƣợng vết Pb2+
và Cd2+ theo phƣơng pháp von ampe hòa tan hòa tan hấp phụ (AdSV). Phƣơng pháp này có độ nhạy và độ chọn lọc cao hơn nhờ lựa chọn và sử dụng thuốc thử và điều kiện tạo phức thích hợp. Điều này mở ra một hƣớng nghiên cứu về tạo phức và hấp phụ trên điện cực biến tính, nên cần đƣợc khảo sát trên thực nghiệm. Nghiên cứu này sẽ góp một phần trong việc tìm hƣớng giải quyết những đòi hỏi về phân tích lƣợng vết trong các đối tƣợng môi trƣờng.
Chƣơng 2
NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Trong luận án này, chúng tôi nghiên cứu chế tạo điện cực paste cacbon biến tính bởi oxit thủy ngân (HgO-MPCE), ứng dụng điện cực trong việc xác định lƣợng vết các kim loại nhƣ Cu, Pb, Cd, Zn. Mục đích cuối cùng là phải chế tạo đƣợc điện cực có các đặc tính điện hóa thích hợp để áp dụng phân tích lƣợng vết các kim loại trên trong một số đối tƣợng môi trƣờng.
Để giải quyết nhiệm vụ đó, cần phải chế tạo điện cực, nghiên cứu đặc tính điện hóa của điện cực. Sau đó khảo sát tìm các điều kiện thí nghiệm thích hợp nhằm phân tích chính xác các kim loại bằng các phƣơng pháp von ampe hòa tan (ASV) và phƣơng pháp von ampe hòa tan hấp phụ (AdSV). Các nội dung nghiên cứu cụ thể nhƣ sau:
1. Chế tạo điện cực và nghiên cứu đặc tính điện hóa của điện cực: - Chế tạo điện cực paste cacbon biến tính với HgO.
- Khảo sát đƣờng von ampe vòng để tìm hiểu đặc tính điện hóa và tìm biện pháp nâng cao đặc tính điện hóa của điện cực.
- Khảo sát đƣờng von ampe vòng để tìm hiểu đặc tính von ampe hòa tan của các ion kim loại Cu2+
, Pb2+, Cd2+, Zn2+ trên điện cực HgO-MPCE và khả năng ứng dụng điện cực trong phân tích.
2- Nghiên cứu xác định các kim loại trên điện cực HgO-MPCE.
- Nghiên cứu xác định các ion Cu2+, Pb2+, Cd2+, Zn2+ trên điện cực HgO-MPCE bằng phƣơng pháp ASV.
- Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng tới tín hiệu hòa tan của Cu2+, Pb2+, Cd2+, Zn2+ theo phƣơng pháp ASV:
+ Thành phần nền, pH dung dịch phân tích, thế điện phân, thời gian điện phân làm giàu;
+ Các thông số kỹ thuật khi ghi tín hiệu hòa tan theo kỹ thuật von ampe sóng vuông (SqW): biên độ, tần số sóng vuông, tốc độ phân cực;
+ Ảnh hƣởng của một số anion và cation cản trở.
- Đánh giá độ tin cậy của phƣơng pháp bao gồm: độ lặp lại, độ nhạy, GHPH và khoảng tuyến tính.
- Nghiên cứu xác định Pb2+, Cd2+ trên điện cực HgO-MPCE bằng phƣơng pháp AdSV:
- Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng tới tín hiệu hấp phụ của Pb2+, Cd2+ theo phƣơng pháp AdSV:
+ Thành phần nền, pH dung dịch phân tích, nồng độ thuốc thử, thế điện phân, thời gian điện phân làm giàu, thế hấp phụ, thời gian hấp phụ;
+ Kỹ thuật khi ghi tín hiệu hòa tan hấp phụ: kỹ thuật sóng vuông (SqW), kỹ thuật xung vi phân (DP);
+ Ảnh hƣởng của một số anion và cation cản trở.
- Đánh giá độ tin cậy của phƣơng pháp bao gồm: độ lặp lại, độ nhạy, GHPH và khoảng tuyến tính.
3- Áp dụng phân tích một số mẫu thực tế:
- Kiểm soát chất lƣợng quy trình phân tích qua việc xác định độ thu hồi của phƣơng pháp.
- Áp dụng phƣơng pháp ASV và AdSV dùng điện cực HgO-MPCE để phân tích Cu2+
, Pb2+, Cd2+, Zn2+ trong một số mẫu thực tế.
2.2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2.1. Quá trình thí nghiệm
Các yếu tố ảnh hƣởng đến tín hiệu hòa tan (EP và IP) của Cu2+
, Pb2+, Cd2+, Zn2+ (gọi chung là Me2+) đều đƣợc khảo sát theo phƣơng pháp đơn biến. Từ đó đánh giá ảnh hƣởng của chúng tới độ nhạy, độ lặp lại, GHPH của các phép đo. Các thí nghiệm đƣợc tiến hành ở nhiệt độ phòng (khoảng 250
C), theo trình tự sau:
2.2.1.1. Chế tạo điện cực làm việc - điện cực paste cabon biến tính với HgO
Điện cực HgO-MPCE đƣợc chế tạo bằng cách trộn bột than nhão (paste cacbon) với oxit thủy ngân theo tỉ lệ nhất định, thêm chất kết dính và nhồi vào ống nhựa teflon đƣờng kính 2,3 mm, ép với áp suất 1 atm. Bề mặt điện cực đƣợc mài nhẵn, sau đó hoạt hóa bề mặt điện cực bằng cách phân cực tuần hoàn 5 chu trình trong khoảng thế -1 đến +1 V. Để tăng cƣờng đặc tính điện hóa và mở rộng khả năng ứng dụng của điện cực trong các dung dịch nền có pH cao, trƣớc khi phân tích đặt vào điện cực một thế thích hợp và giữ ở thế đó một thời gian nhất định trong dung dịch có pH ≈2. Sau đó tráng rửa điện cực bằng nƣớc cất sạch và đƣa điện cực vào hoạt động. Thông thƣờng điện cực có thể làm việc ổn định sau 30 đến 50 phép đo. Khi độ nhạy của điện cực có xu hƣớng giảm, cần hoạt hóa lại điện cực. Điện cực đƣợc sấy nóng, và đánh bóng lại bề mặt bằng giấy mềm và bóng, rồi lặp lại quá trình hoạt hóa nhƣ trên.
2.2.1.2. Ghi đường von ampe hòa tan anot và đường von ampe hòa tan hấp phụ
Chuẩn bị dung dịch nghiên cứu chứa nền đệm và Me2+, cho vào bình điện phân chứa ba điện cực: điện cực làm việc HgO-MPCE; điện cực so sánh Ag/AgCl/KCl 3M; điện cực phụ trợ glassy cacbon. Làm giàu bằng cách điện
phân kết tủa Me2+lên bề mặt điện cực ở thế xác định (Eđp) âm hơn thế khử của Me2+ trong một thời gian xác định (tđp). Lúc này dung dịch đƣợc khuấy với tốc độ không đổi. kết thúc quá trình điện phân làm giàu, ngừng quay điện cực trong 5 s. Quét thế anot từ Eđp đến + 100mV, ghi đƣờng von ampe hòa tan bằng kỹ thuật DP hoặc SqW với các thông số kỹ thuật thích hợp.
Chuẩn bị dung dịch nghiên cứu chứa nền đệm và Me2+, thêm thuốc thử có khả năng tạo phức với Me2+ cho vào bình điện phân với các điện cực nhƣ trên. Quá trình điện phân làm giàu đƣợc tiến hành tƣơng tự nhƣ phƣơng pháp ASV. Khi kết thúc thời gian làm giàu, đột ngột chuyển thế về phía dƣơng hơn thế khử của Me2+
(Ehp), dừng quay điện cực trong 2-5 s (thp). Lúc này toàn bộ Me2+
đã kết tủa trên điện cực sẽ hòa tan hoàn toàn, tạo phức với thuốc thử có trong dung dịch và hấp phụ lên bề mặt điện cực. Tiếp theo, quét thế catot từ Ehp đến - 900 mV, ghi đƣờng von ampe hòa tan hấp phụ bằng kỹ thuật SqW với các thông số kỹ thuật phù hợp. Do thp rất ngắn nên các ion kim loại vừa hòa tan chƣa kịp khuếch tán vào dung dịch, đã tạo phức và hấp phụ trở lại trên bề mặt điện cực, nên độ nhạy của phƣơng pháp tăng lên so với phƣơng pháp ASV.
Từ đƣờng von ampe hòa tan thu đƣợc có thể xác định EP và IP của Me2+. Đƣờng nền của mẫu là đƣờng von ampe hòa tan ghi ở cùng điều kiện với dung dịch nghiên cứu, có thành phần tƣơng tự nhƣng không chứa kim loại nghiên cứu.
2.2.2. Phương pháp định lượng Cu2+
, Pb2+, Cd2+, Zn2+ và xác định độ nhạy, GHPH
Để định lƣợng các kim loại trên, sử dụng phƣơng pháp thêm chuẩn. Sử dụng phần mềm ORIGIN 7.5 để vẽ đồ thị, thiết lập phƣơng trình đƣờng chuẩn theo phƣơng pháp hồi quy tuyến tính và tính hệ số tƣơng quan, xác định độ nhạy và GHPH.
Độ nhạy đƣợc xác định từ phƣơng trình đƣờng chuẩn: độ nhạy = độ dốc (b) của đƣờng chuẩn y = a + b*C (mục 2.2.2.3).
GHPH đƣợc tính theo “quy tắc 3σ” [83]. Để thuận tiện cho việc tính nhanh GHPH, trong tất cả các trƣờng hợp, yb (tín hiệu hoặc nồng độ mẫu trắng) và Sb (độ lệch chuẩn của tín hiệu hoặc nồng độ mẫu trắng) đều đƣợc tính theo cách 2 (tính toán dựa vào phƣơng trình đƣờng chuẩn, mục 2.2.3.4)
2.2.3. Xử lý số liệu phân tích
Các yếu tố đánh giá độ tin cậy của một phép đo cũng nhƣ của một phƣơng pháp phân tích bao gồm: độ lặp lại, độ đúng, độ nhạy và GHPH,…
2.2.3.1. Độ lặp lại và độ hồi phục
Độ lặp lại và độ hồi phục là độ sai lệch giữa các giá trị riêng lẻ xi và các giá trị trung bình x đo đƣợc (hay xác định đƣợc) trong những điều kiện (ngƣời phân tích, phƣơng pháp, thời gian, thiết bị và hoá chất) giống nhau và không giống nhau. Độ lặp lại và độ hồi phục đều đƣợc xác định qua độ lệch chuẩn hoặc độ lệch chuẩn tƣơng đối. Nhƣ vậy khi độ lệch chuẩn (S) hoặc độ lệch chuẩn tƣơng đối (RSD) càng lớn, thì sai số của phép đo hay của phƣơng pháp phân tích càng lớn [82].
2.2.3.2. Độ nhạy
Độ nhạy của phép đo hay của PPPT đƣợc xác định bởi độ biến thiên của tín hiệu đo (y) khi có biến thiên của thông số kích thích, chẳng hạn nồng độ của chất phân tích (C), hoặc pH, hoặc nhiệt độ,... Nhƣ vậy, độ nhạy chính là độ dốc (hay tang góc nghiêng) của đƣờng chuẩn. Nếu phƣơng trình đƣờng chuẩn có dạng: y = a + b*C, thì độ nhạy = Δy/ΔC = b.
2.2.3.3. Độ đúng
Độ đúng là độ gần sát giữa kết quả xác định đƣợc (X ) và giá trị thật (µ) của nó. Giá trị µ của một chất phân tích đƣợc chấp nhận là giá trị thông báo trong chứng chỉ đi kèm với vật liệu so sánh (CRM). Các mẫu chuẩn (hay mẫu CRM) đƣợc cung cấp bởi đơn vị chế tạo – thƣờng là một số tổ chức quốc
tế nổi tiếng nhƣ Community Bureau of Reference (CBR), National Institute of Standards & Technology (NIST),… Độ đúng của phƣơng pháp phân tích đƣợc đánh giá thông qua việc phân tích mẫu chuẩn. Phƣơng pháp phân tích có độ đúng tốt khi kết quả xác định đƣợc (X ) nằm trong khoảng tin cậy của giá trị thực (µ±ε) (ε đƣợc thông báo kèm theo µ trong chứng chỉ của mẫu chuẩn); hoặc có thể so sánh kết quả xác định đƣợc (X ) với giá trị thực µ theo chuẩn Student: t = S n X .
Trong trƣờng hợp không có mẫu chuẩn, có thể đánh giá độ đúng thông qua việc phân tích mẫu thêm chuẩn, rồi tính độ thu hồi (recovery, ký hiệu Rev). Rev = lƣợng tìm thấy.100/(lƣợng thêm vào + lƣợng có sẵn trong mẫu). Rev càng gần 100 %, phƣơng pháp càng đạt độ đúng tốt.
Ngoài ra, độ đúng của phƣơng pháp phân tích có thể đƣợc đánh giá thông qua việc so sánh phƣơng pháp phân tích đã nghiên cứu với phƣơng pháp chuẩn khác bằng phƣơng pháp thống kê kiểm tra cặp (paired test) [82], [22], tức là so sánh kết quả thu đƣợc từ hai phƣơng pháp phân tích, bao gồm các bƣớc sau:
+ Xác định di = xi –yi ; trong đó di là độ lệch, xi là kết quả xác định theo phƣơng pháp thứ nhất, yi là các kết quả xác định theo phƣơng pháp thứ hai, i = 1 ÷ n (n là số mẫu thí nghiệm)
+ Tính độ lệch trung bình : d =
+ Tính độ lệch chuẩn của các giá trị riêng lẻ di : Sđ = + Tính ttính =
(0 là giá trị thực của d , tức là không có sai lệch giữa kết quả của hai phƣơng pháp phân tích) n di 1 ) ( 2 n d di d S n d 0.
+ So sánh ttính với t(p=0,05 ; f= n-1), f là bậc tự do. Nếu ttính < t(p=0,05 ; f= n-1) thì kết quả xác định theo 2 phƣơng pháp không khác nhau có ý nghĩa về mặt thống kê ở mức ý nghĩa p = 0,05 và ngƣợc lại.
2.2.3.4. Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng
Giới hạn phát hiện (GHPH) là nồng độ nhỏ nhất của chất phân tích tạo ra một tín hiệu có thể phân biệt một cách tin cậy với tín hiệu trắng (hay tín hiệu nền). Có nhiều quan điểm khác nhau và do đó cũng có nhiều cách xác định GHPH khác nhau, chẳng hạn: xác định theo quy định của IUPAC – “quy tắc 3σ” [83], hoặc theo cơ quan bảo vệ môi trƣờng của Mỹ (EPA) [47],…
Phổ biến nhất hiện nay vẫn là cách xác định GHPH theo “quy tắc 3σ”. Theo quy tắc này, GHPH đƣợc tính nhƣ sau [83]:
y = yb + 3 σ b hay y = yb + 3Sb (2.1)
Trong đó, y – GHPH hay tín hiệu tƣơng ứng với GHPH (biết tín hiệu y sẽ tính đƣợc GHPH từ phƣơng trình đƣờng chuẩn: y = a + b*C → GHPH = C = [y – a]/b), yb – nồng độ hoặc tín hiệu mẫu trắng; σ b (hay Sb) – độ lệch chuẩn của nồng độ hoặc tín hiệu mẫu trắng.
Có thể xác định yb và Sb theo 2 cách:
Cách 1: Tiến hành n thí nghiệm để xác định nồng độ mẫu trắng, thu đƣợc các giá trị ybi (i = 1 đến n). Từ đó tính yb và Sb theo các công thức sau:
yb = (2.2) Sb = (2.3)
Sau đó tính GHPH theo (2.1). Việc xác định yb và Sb nhƣ vậy sẽ tốn nhiều thời gian. Để giảm số lƣợng thí nghiệm và tính nhanh GHPH, có thể tiến hành theo cách 2 :
Cách 2 : Tiến hành thí nghiệm để thiết lập phƣơng trình đƣờng chuẩn y = a + b*C. Từ đó xác định yb và Sb bằng cách : chấp nhận yb (tín hiệu trắng) là giá
trị của y khi C = 0 → yb = a và Sb = Sy (độ lệch chuẩn của tín hiệu y trên đƣờng chuẩn): Sb = Sy = (2.4)
Ở đây, yi – các giá trị thực nghiệm của y ; Yi – các giá trị tính từ phƣơng trình đƣờng chuẩn của y.
Sau đó, tính tín hiệu ứng với GHPH theo (1.4.3.4.1) : y = yb + 3Sb hay y = yb + 3Sy. Thay y vào phƣơng trình đƣờng chuẩn, biến đổi sẽ đƣợc công thức tính GHPH : GHPH = (2.5)
Giới hạn định lƣợng (GHĐL) là tín hiệu hay nồng độ thấp nhất trên một đƣờng chuẩn tin cậy và thƣờng ngƣời ta chấp nhận GHĐL = 10Sb.[83].
2.2.3.5. Giới hạn tuyến tính
Trong phân tích định lƣợng khi tăng nồng độ chất phân tích đến giá trị nào đó thì quan hệ giữa tín hiệu đo và nồng độ chất phân tích không còn phụ thuộc tuyến tính. Tại nồng độ lớn nhất của chất phân tích mà tín hiệu phân tích còn tuân theo phƣơng trình tuyến tính bậc nhất thì gọi là giới hạn tuyến tính. Khoảng nồng độ chất phân tích từ giới hạn định lƣợng đến giới hạn tuyến tính gọi là khoảng tuyến tính.
2.3. THIẾT BỊ, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT
2.3.1. Thiết bị - dụng cụ
- Thiết bị phân tích điện hóa AUTOLAB A III (Hà Lan) kết nối với hệ VA Stand 663 (Metrohm, Thuỵ Sĩ) với hệ điện cực:
+ Điện cực làm việc: Điện cực HgO/C (tỉ lệ 1:2), kích thƣớc 2,3 ±0,1 mm + Điện cực so sánh: Ag/AgCl/KCl bão hoà;
- Bình điện phân của hãng Metrohm có dung tích 80 ml. - Cân phân tích (±0,01 mg) Scientech SA 210- Mỹ - Máy đo pH 211 của hãng HANA – ITALIA.
- Các dụng cụ thủy tinh nhƣ buret, pipet, bình định mức, bình điện phân... đều đƣợc rửa sạch trƣớc khi sử dụng bằng cách ngâm trong HNO3 2M, tráng rửa bằng nƣớc cất hai lần sạch. Khi kết thúc mỗi phép đo, tráng rửa bình điện phân bằng HNO3 2M, rồi rửa bằng nƣớc sạch.
2.3.2. Hóa chất
- Các dung dịch làm việc của các ion kim loại (Cu2+, Pb2+, Cd2+, Zn2+, Fe2+..) đƣợc pha hằng ngày từ các dung dịch chuẩn tƣơng ứng có nồng độ 1000 ppm trong HNO3 0,5M của hãng Merck (Đức).
- Các dung dịch đệm đƣợc chuẩn bị nhƣ sau: đệm axetat 1,0 M (pH =4,5) đƣợc pha từ CH3COOH đậm đặc (98%) và CH3COONa rắn bằng cách hòa tan 52,5036 g CH3COONa trong nƣớc cất, thêm CH3COOH (~22,0 ml