Kỹ thuật pha loãng đồng vị

Kỹ thuật pha loãng đồng vị là một kỹ thuật mới dựa vào các tỉ số của các đồng vị

29

trước nồng độ vào mẫu cần phân tích. Sau khi thêm, tỉ lệ giữa các đồng vị sẽ không còn là hằng số. Giả sử trong tự nhiên nguyên tố X có hai đồng vị: A1X là x1% và A2X là x2%. Trong một mẫu bất kỳ, tỷ lệ đồng vị A2X/A1X được xác định trên ICP-MS là a, khi ta thêm một lượng đồng vị A2X là b vào mẫu này thì tỷ lệ A2X/A1X được xác định trên ICP- MS là c. Từ đó ta có thể xác định được hàm lượng nguên tố X theo công thức sau:

A2X/A1X = a (1) (A2X + b)/A1X = c (2)

Từ (1) và (2) ta có: A2X/A1X + b/A1X = c (3) Từ (1) và (3) ta có: a + b/A1X = c (4)

Trong phương trình (4) thì: a, b, c là các giá trị đã biết từ đó xác định được hàm lượng đồng vị A1X và tính được hàm lượng X trong mẫu là: A1

1

X

X= .100

x .

Phương pháp ID-ICP-MS được chứng minh là có độ chính xác cao trong việc xác đi ̣nh nồng đô ̣ tổng số mô ̣t số kim loa ̣i trong các nền mẫu khác nhau . Phương pháp này có ưu điểm hơn mô ̣t số phương pháp đường chuẩn truyền thống khác . Viê ̣c mất nguyên tố sau khi thêm đồng vi ̣ là không ảnh hưởng tới đô ̣ chính xác . Mô ̣t số cản trở vâ ̣t lý và các cản trở hóa học là giống nhau đối với các đồng vị của cùng một nguyên tố . Tỷ lệ của đồng vi ̣ có thể đo được bằng thiết bi ̣ ICP -MS với đô ̣ chính xác cao , RSD <0,25%. Đi ̣nh lươ ̣ng trực tiếp bằng phương trình toán ho ̣c từ tỷ lê ̣ đồng vi ̣ đo được và lượng đồng vi ̣ thêm vào, không phu ̣ thuô ̣c đường chuẩn và đô ̣ thu hồi của mẫu.

Tuy nhiên, phương pháp ID -ICP-MS yêu cầu sự đồng nhất giữa đồng vi ̣ thêm vào và đồng vị tự nhiên . Đồng vị thêm vào và mẫu có thể ở dạng khác nhau và chỉ có dạng tổng số đươ ̣c xác đi ̣nh . Vì vậy, ID-ICP-MS yêu cầu mẫu phải được phân hủy về da ̣ng đồng nhất, tất cả các đồng vi ̣ đều ở cùng tra ̣ng thái oxi hóa . Các mẫu lỏng như nước sạch có thể thêm đồng vị trực tiếp vào và phân tích . Các mẫu nước thải, mẫu rắn, mẫu thức ăn cần phân hủy về tra ̣ng thái đồng nhất trướ c khi phân tích. Trong số các nguyên tố Pb , Cd và Zn thì Pb có 4 đồng vi ̣, trong đó 3 đồng vi ̣ là 206Pb, 207Pb và 208Pb không bi ̣ ảnh hưởng và chiếm tỷ lệ lớn nên đều có thể sử dụng cho nghiên cứu . Trong đề tài này tỷ lê ̣ 207Pb/208Pb đươ ̣c nghiên cứu, trong đó 207Pb là đồng vi ̣ thêm vào mẫu ; đối với Zn thì 64Zn tuy chiếm tỷ lê ̣ lớn (48,63%) nhưng la ̣i bi ̣ ảnh hưởng của CaO , ArMg (Ca, Mg thường có mă ̣t trong sữa) nên không được lựa cho ̣n. Hai đồng vi ̣ 67Zn và 69Zn có tỷ lê ̣ thấp (4,1% và

30

0,62%) và bị ảnh hưởng của ClO2 nên không đươ ̣c cho ̣n . Hai đồng vi ̣ 66Zn và 68Zn có tỷ lê ̣ tương đối trong tự nhiên (27,9% và 18,75%) và ít bị ảnh hưởng của nền mẫu được lựa chọn trong đó đồng vị 68Zn (chiếm 18,75%) làm đồng vị thêm vào mẫu ; Đối với Cd, có 6 đồng vi ̣ 110Cd, 111Cd, 112Cd, 113Cd, 114Cd và 116Cd đều có thể khảo sát . Tuy nhiên, tỷ lệ 110Cd/114Cd hoă ̣c 111Cd/114Cd hay đươ ̣c lựa cho ̣n . Trong đề tài này, tỷ lệ 110Cd/114Cd đươ ̣c sử du ̣ng.

Như vậy, phương pháp pha loãng đồng vị có ưu điểm là không phải xây dựng đường chuẩn (khoảng 5 đến 7 điểm chuẩn) mà thêm vào mẫu cần phân tích một hàm lượng chất đồng vị của nguyên tố đó đã được biết trước, sau đó xác định hai mẫu không cho thêm và cho thêm chất đồng vị. Kết quả sẽ được tính toán theo công thức toán học. Ưu điểm của phương pháp là không cần phải xây dựng đường chuẩn, mẫu phân tích trên cùng một nền mẫu nên kết quả đo có độ lặp lại và chính xác rất cao. Nhược điểm của phương pháp này là chỉ những nguyên tố nào có từ 2 đồng vị trở lên mới có thể áp dụng được [32].

Bảng 1.4 dưới đây cho biết nguyên tố, số khối, tỷ lệ đồng vị và các yếu tố ảnh hưởng do trùng số khối :

Bảng 1.6. Nguyên tố, số khối, tỷ lệ đồng vị và các yếu tố ảnh hưởng do trùng số khối

Nguyên tố Đồng vị Tỷ lệ đồng vị Yếu tố ảnh hƣởng do trúng số khối

Zn 63.9291 65.926 66.9271 67.9249 69.9253 48.63 27.9 4.1 18.75 0.62

Ni,SO2, TiO, PO2,CaO, ArMg, ArCO TiO, VO, SO2, Ba++, ArMg,

ArP, ClO2,VO, TiO, Ba++

ArS, TiO, SO2, VO, ClO2, Ba++ Ce++,Ge, ArS, ClO2, Pr++, Ce++

Cd 105.907 107.904 109.903 110.904 111.903 112.905 113.904 115.905 1.25 0.89 12.49 12.8 24.13 12.22 28.73 7.49 Pd, SrO, ZrO, YO Pd, SrO, MoO Pd, MoO, ZrO MoO Sn, ZrO, MoO In, MoO Sn, MoO Sn, MoO, Th++

31 Pb 203.937 205.975 206.976 2077.98 1.4 24.1 22.1 52.4 Hg, WO

 Một số công trình nghiên cứu xác định hàm lượng kim loại nặng ở trong nước và Quốc tế bằng phương pháp pha loãng đồng vị trong phép đo ICP-MS.

Trên thế giới, George de Hevesy là chuyên gia hàng đầu về phóng xạ. Năm 1918 tại WIEN (Áo), ông đề xuất phương pháp dùng nguyên tử đánh dấu trong nghiên cứu y học, sinh học, là người phát minh ra nguyên tố photpho 32. Năm 1932, ông tìm ra phương pháp pha loãng đồng vị và dùng để xác định hàm lượng chì trong quặng. Với sự phát hiện ra photpho 32, ông dùng nó để xác định sự trao đổi chất trong xương, máu, khối u ác tính. Nhờ những phát minh của ông mà kỹ thuật pha loãng đồng vị ngày càng được ứng dụng rộng rãi cho phân tích lượng vết với độ chính xác cao.

Năm 1991, Kristine Y và các công sự [41] đã xác định hàm lượng kẽm trong các

mẫu sinh học bằng phương pháp pha loãng đồng vị với giới hạn phát hiện 0,06 µg Zn/ mẫu với độ lệch chuẩn tương đối RSD đạt 0,3-0,8 %.

Năm 1996, Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (EPA) đã xuất bản phương pháp EPA 6800:1996 hướng dẫn qui trình phân tích một số nguyên tố và đồng vị bằng phương pháp pha loãng đồng vị cho mẫu nước và nước thải [32].

Năm 1997, Jingfeng Wu và Edward A. Boyle [37] đã sử dụng kĩ thuật pha loãng đồng vị xác định hàm lượng Pb, Cu và Cd trong mẫu nước biển với giới hạn phát hiện của Pb là 1.3 pM, Cu là 39 pM, và Cd là 5.0pM và blanks của Pb là 0.62pM, Cu là 27pM, và Cd là 6.0pM.

Năm 1999, Hsien-Chung Liao, Shiuh-Jen Jiang [35] sử dụng kỹ thuật bay hơi bằng nhiệt và pha loãng đồng vị xác định Cd, Hg, và Pb trong tro than bùn và xác định được giới hạn phát hiện nằm trong khoảng 24-58; 6-28 và 108-110 ng/g cho Cd, Hg và Pb, tương ứng.

Năm 1999, Hung- Wei Liu và các cộng sự [34] sử dụng kỹ thuật bay hơi bằng nhiệt và pha loãng đồng vị xác định Cd, Hg, và Pb trong nước biển và xác định được giới

32

hạn phát hiện nằm trong khoảng 0.002, 0.005 và 0.001 ng/ml đối với Cd, Hg và Pb trong nước biển.

Năm 2002, Paulo C. F. C. Gardolinski và cộng sự [47] sử dụng kĩ thuật ID-ICP- MS xác định hàm lượng các kim loại Cd, Pb, Zn và Cu trong mẫu trầm tích cho hiệu suất thu hồi đối với Cd là 96,3%, Pb là 94%, Zn là 102.1% và Cu là 99%.

Năm 2003, Ana Paula Packer và cộng sự [25] sử dụng kỹ thuật điện giải và pha loãng đồng vị để xác định Pb trong đồng có độ tinh khiết cao. Độ chính xác của phép đo cho một mẫu có chứa 7-70g Pb/g với độ lệch chuẩn tương đối RSD đạt 0,5-4%.

Năm 2009, Jens Heilmann và cộng sự [36] sử dụng kỹ thật tách Laser kết hợp với phương pháp ID-ICP-MS xác định các kim loại vi lượng trong mẫu dầu. Giới hạn phát hiện của phương pháp trong khoảng 0.02 g/g (V) đến 0,2 g/g (Fe).

Năm 2012, các tác giả Phạm Hải Long, Vũ Văn tú, Nguyễn Thị Huệ [9] ở Viện Công nghệ môi trường cũng đã tiến hành nghiên cứu cấp cơ sở đề tài “Xây dựng quy trình phân tích Chì trong nước tinh khiết bằng phương pháp pha loãng đồng vị trên thiết bị ICP-MS ”. Kết quả nghiên cứu đã xây dựng được quy trình phân tích Pb bằng kỹ thuật pha loãng đồng vị ICP-MS cho mẫu nước tinh khiết với giới hạn định lượng 0,08 µg/L, độ thu hồi đạt 89 đến 103% độ lệch chuẩn tương đối nhỏ hơn 2%. Đây là những kiến thức rát bổ ích và sẽ được đề tài tiếp tục sử dụng cho nghiên cứu đối với mẫu sữa.

1.6. Các phƣơng pháp sử lý mẫu thực phẩm để xác định kim loại 1.6.1. Nguyên tắc sử lý mẫu [12]

Xử lý mẫu là quá trình hoà tan (dissolution) và phân huỷ (digestion), phá huỷ cấu trúc mẫu ban đầu lấy từ đối tượng cần phân tích, để giải phóng và chuyển các chất cần xác định về một dạng đồng thể phù hợp (ví dụ dạng dung dịch) cho một phép đo đã chọn để xác định hàm lượng của chất mà chúng ta mong muốn.

Để xác định kim loại trong mẫu thực phẩm phải vô cơ hóa mẫu, chuyển chất phân tích về dạng phù hợp, có ba phương pháp phổ biến hiện nay là sử lý ướt, sử lý khô và sử lý khô-ướt kết hợp.

* Kỹ thuật sử lý ướt: Dùng axit mạnh đặc và nóng (ví dụ HCl, H2SO4), hay axit mạnh, đặc và nóng có tính ôxy hoá mạnh (HNO3, HClO4), hoặc hỗn hợp 2 axit (HNO3 + H2SO4), hay 3 axit (HNO3 + H2SO4 + HClO4), hoặc là 1 axit đặc và một chất ôxy hoá

33

mạnh (H2SO4 + KMnO4), v.v. hoặc dùng các dung dịch kiềm mạnh, đặc nóng (NaOH, KOH 15-20%), hay hỗn hợp của kiềm mạnh và muối kim loại kiềm (NaOH +NaHCO3), hay một kiềm mạnh và peroxit (KOH + Na2O2), nồng độ (10 -20%) để phân huỷ mẫu trong điều kiện đun nóng trong bình Kendan, trong ống nghiệm, trong cốc hay trong lò vi sóng.

*Kỹ thuật sử lý khô: Nung mẫu trong lò nung ở một nhiệt độ thích hợp (450- 750oC), mẫu bã còn lại được hoà tan bằng dung dịch muối hay dung dịch axit phù hợp. Khi nung các chất hữu cơ của mẫu sẽ bị đốt cháy thành CO2 và nước.

*Kỹ thuật sử lý khô-ướt kết hợp: Bằng cách kết hợp hai phương pháp trên chúng ta có phương pháp khô- ướt kết hợp.

 Phá mẫu hệ hở

Phương pháp này đơn giản, không cần dụng cụ phức tạp và cho kết quả khá chính xác.

Các axit được sử dụng trong phá mẫu hệ hở như: HF, HCl, H2SO4, HClO4…, tùy theo loại mẫu và nguyên tố cần phân tích mà ta có quy trình phân tích phù hợp. Ví dụ như để xác định các nguyên tố dễ bay hơi như Hg thì cần khống chế nhiệt độ < 1200C, để phá các mẫu chứa nhiều SiO2 cần cho thêm HF….

 Phá mẫu hệ kín

Hiện nay phổ biến nhất là kỹ thuật xử lý mẫu ướt với axit đặc trong lò vi sóng hệ kín do có nhiều ưu điểm như: thời gian xử lý mẫu ngắn, phá huỷ mẫu triệt để và không mất chất phân tích, hiệu suất xử lý mẫu cao.

Dưới tác dụng phá hủy và hoà tan các hạt (phần tử) mẫu của axit, năng lượng nhiệt cùng axit làm tan rã các hạt mẫu đồng thời do khuếch tán, đối lưu, chuyển động nhiệt và va chạm của các hạt mẫu với nhau làm chúng bị bào mòn dần, các tác nhân này tấn công và bào mòn dần các hạt mẫu từ bên ngoài vào, làm cho các hạt mẫu bị mòn dần và tan hết.

Ngoài ra, trong lò vi sóng còn có sự phá vỡ từ trong lòng hạt mẫu do các phân tử nước hấp thụ (> 90%) năng lượng vi sóng và do có động năng lớn nên chúng chuyển động nhiệt rất mạnh, làm căng và xé các hạt mẫu từ trong ra. Hơn nữa, do xử lý mẫu

34

trong hệ kín nên áp suất cao sẽ làm nhiệt độ sôi cao hơn, đây là tác nhân phân huỷ mạnh nhất do vậy thúc đẩy quá trình phân huỷ mẫu từ bên trong ra và từ ngoài vào. Do đó, xử lý mẫu trong lò vi sóng chỉ cần thời gian rất ngắn 50 đến 90 phút và rất triệt để.

1.6.2. Phƣơng pháp tách chiết, làm giàu bằng dung môi

*) Phương pháp chiết lỏng - lỏng

Nguyên tắc: Dựa vào sự phân bố của chất phân tích vào hai pha lỏng (dung môi) không trộn lẫn vào nhau, trong hai dung môi này có dung môi chứa chất phân tích. Do vậy, hệ số phân bố nhiệt động Kb của cân bằng chiết là yếu tố quyết định hiệu suất của sự chiết. Có hai kiểu chiết: chiết tĩnh và chiết theo dòng chảy.

- Phương pháp chiết tĩnh: Đơn giản, không cần máy móc phức tạp, chỉ cần một số phễu chiết. Việc lắc chiết thao tác bằng tay hay bằng máy. Chiết các ion kim loại nặng (Cd, Cu, Pb, Zn, Fe, Cr, Ni, Co, Mn) người ta phải dùng dung môi MIBK và tạo phức với thuốc thử APDC trong môI trường pH=3-4. sau đó xác định các nguyên tố này bằng phương pháp AAS. Cách này thường dùng để tách chiết làm giàu lượng vết các kim loại trong mẫu nước thải, nước biển.

- Phương pháp chiết dòng chảy liên tục: Khi hai pha lỏng không trộn lẫn vào nhau được bơm liên tục với tốc độ nhất định qua hệ chiết. Một pha chuyển động. Chất phân tích sẽ được phân bố vào hai dung môi theo tính chất của chúng để đạt trạng thái cân bằng. Phương pháp này cho hiệu quả cao, được ứng dụng trong chiết sản xuất công nghệ.

*) Phương pháp chiết pha rắn

Chất mẫu ở dạng lỏng, chất chiết ở dạng rắn, hạt nhỏ và xốp ( đường kính cỡ 5- 10um). Chất chiết là các hạt silicagel gọi là pha tĩnh được nhồi vào cột sắc ký nhỏ. Dung dịch mẫu được dội qua cột. Dựa vào tương tác giữa pha tĩnh và pha động, thu được nhóm chất phân tích. Sau đó dùng dung môi thích hợp để rửa giải chúng ra khỏi pha tĩnh. Chất chiết pha rắn thường là các chất hấp phụ pha thường (silicagel trung tính), hấp phụ pha ngược (silica được alkyl hoá), trao đổi ion (cation, anion), hấp phụ pha khí-rắn,.v.v.

1.6.3. Một số phƣơng pháp sử lý mẫu sữa xác định hàm lƣợng kim loại nặng

Tro hoá mẫu sữa để xác định các kim loại (Na, K, Ca, Mg, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn). Lấy 5,0 gam mẫu vào chén thạch anh, thêm chất phụ gia (8 mL H2SO4 45% và 2 gam. KNO3 (hay 2 gam. LiBO3), trộn đều, sấy khô cẩn thận cho mẫu khô (mẫu dễ sùi bọt và bắn, cẩn thận và đun nhẹ) và thành than đen, sau đó đem nung 3 giờ đầu ở

35

nhiệt độ 400-450oC, rồi sau đó ở 550oC, đến khi hết than đen, được tro mẫu trắng. Sau đó hoà tan tro thu được trong 15 mL dung dịch HCl 18% và 1 mL HNO3 65%, đun nhẹ cho mẫu tan hết, đun nhẹ làm bay hơi axit đến còn muối ẩm, định mức thành 25 mL bằng dung dịch axit HCl 2%. Đó là dung dịch để xác định các nguyên tố kim loại nói trên [15].

Michalis Leotsinidisa, Athanasios Alexopoulos, Evangelia Kostopoulou-Farri [43] đã xác định hàm lượng các nguyên tố vi lương độc hại và cần thiết (Zn, Fe, Cu, Mn, Cd và Pb) trong sữa mẹ từ phụ nữ cho con bú bằng phương pháp AAS. Mẫu được phân hủy bằng axit HNO3 đặc, trong nồi hấp, ở 1500C, trong 3 giờ.

A.Ataro, R.I. McCrindle, B.M.Botha, C.M.E.McCrindle, P.P.Ndibewu [23]

đã phá mẫu sữa bò nguyên liệu bằng axit HNO3 đặc (65%) trong lo vi sóng để xác định các nguyên tố vi lượng (V, Cr, Mn, Sr, Cd và Pb) bằng phương pháp ICP-MS.

36

Chƣơng 2: THỰC NGHIỆM 2.1. Mục tiêu nghiên cứu

Ứng dụng phương pháp pha loãng đồng vị nhằm nâng cao độ chính xác, ổn định trong đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại độc hại trong sữa.

Thu thập các thông tin về hiện trạng tình trạng an toàn thực phẩm cũng như các phương pháp phân tích, đánh giá hàm lượng kim loại độc hại trong các mẫu thực phẩm.

Xây dựng và hoàn thiện phương pháp pha loãng đồng vị trong phân tích các kim loại độc hại trong đối tượng mẫu thực phẩm.