Nghiên cứu các điều kiện tối ưu trong quá trình phân tích mẫu trên thiết bị ICP- MS (điều kiện chuẩn hóa máy, tốc độ khí mang cho bộ tạo sol khí, nguồn năng lượng, thế điều khiển thấu kính điện tử, thời gian phân tích mẫu, thời gian rửa sạch mẫu).
- Chuẩn hóa số khối được tiến hành bằng cách sử dụng dung dịch chứa các nguyên tố với số khối bao toàn bộ khoảng số khối của các nguyên tố phân tích. Tiến hành chuẩn hóa số khối với dung dịch có nồng độ 10 ppb của Mg, Rh, Ce, Pb và U. Số khối được chuẩn hóa sao cho tất cả các nguyên tố trong dải đều thu được với độ chính xác 0,05 đơn vị.
- Tối ưu tốc độ khí mang tạo sol khí, sử dụng dung dịch Ce có nồng độ 10 ppb cho việc khống chế tốc độ khí mang dựa vào tỉ số CeO/Ce, tốc độ khí mang hợp lí nhất sẽ cho tín hiệu Ce cao nhất nhưng tỉ số CeO/Ce nhỏ hơn 0,03 để đảm bảo lượng oxit trong quá trình phân tích không quá lớn.
- Tối ưu nguồn năng lượng ICP, để khảo sát nguồn năng lượng của ICP-MS, ta phân tích dung dịch Rh có nồng độ 10 ppb và thay đổi công suất của máy phát cao tần RF
37
từ 700 đến 1200 W với thay biên độ thay đổi 25W một lần. Công suất của máy phát cao tần RF tối ưu đạt được khi tín hiệu của Rh cao nhất.
- Tối ưu thế điều khiển thấu kính điện tử - ion. Bằng cách phân tích dung dịch Rh 10 ppb và thay đổi thế điều khiển đặt vào hệ thấu kính với các bước 0,2 vôn/lần ta thu được tín hiệu của Rh. Thế điều khiển thấu kính là tối ưu khi cường độ tín hiệu của Rh là cao nhất.
- Thời gian phân tích mẫu được khảo sát với dung dịch mẫu của U với nồng độ 10 ppb, khi tín hiệu thu được lớn nhất và ổn định thì kết quả mới có giá trị và thời gian từ khi bắt đầu phân tích cho tới khi thu được tín hiệu lớn nhất và ổn định gọi là thời gian phân tích.
- Thời gian rửa sạch mẫu được khảo sát với dung dịch mẫu của U với nồng độ cao 100ppm. Thời gian mẫu được rửa bằng nước cất để tín hiệu của chất phân tích trở về trạng thái trước khi phân tích mẫu là thời gian rửa mẫu.
Nghiên cứu các điều kiện tối ưu trong quá trình xử lý mẫu.
Khảo sát lượng đồng vị thêm vào phù hợp
Nghiên cứu các ảnh hưởng do trùng số khối của các thành phần chính trong mẫu sữa.
Xây dựng đường chuẩn, xác định giới hạn phát hiện và định lượng của các nguyên tố trên thiết bị ICP-MS dựa trên các điều kiện tối ưu đã khảo sát.
Đánh giá độ lập lại, độ lệch chuẩn và độ thu hồi của phương pháp.
Nghiên cứu, đánh giá phương pháp. So sánh kết quả với các phương pháp khác.
Xây dựng quy trình phân tích xác định Pb, Cd và Zn trong mẫu sữa.
Áp dụng các điều kiện tối ưu trong phân tích mẫu thực tế trên địa phận Thành phố Hà Nội..
2.2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu tài liệu
Thu thập, nghiên cứu và phân tích, kế thừa các tài liệu đã có trên thế giới và Việt Nam về phương pháp phân hủy xác định chì, cadimi và kẽm trong mẫu sữa.
Phương pháp nghiên cứu xây dựng quy trình phân tích chì, cadimi và kẽm trong sữa trên thiết bị ICP-MS
38
Phương pháp nghiên cứu xây dựng quy trình xác định đồng thời chì, cadimi và kẽm trong sữa bằng phương pháp ICP-MS bao gồm 2 phần chính sau: quy trình phân hủy mẫu sữa và quy trình phân tích mẫu trên thiết bị ICP-MS.
Phương pháp xử lý số liệu
Sử dụng các thuật toán để tính toán kết quả phân tích.
2.3. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị
Hóa chất:
* Dung dịch chuẩn gốc Pb 1000 ppm Perkin Elmer, Mỹ. * Dung dịch chuẩn gốc Zn 1000 ppm Perkin Elmer, Mỹ. * Dung dịch chuẩn gốc Cd 1000 ppm Perkin Elmer, Mỹ.
* Đồng vị 68Zn 99,4 %. Trace Sciences International Corp.; Canada. * Đồng vị 110Cd 94,39 %. Trace Sciences International Corp.; Canada. * Dung dịch chuẩn 207Pb10 ppm, SPEX CertiPrep, Mỹ.
* Dung dịch chuẩn máy: Mg, Rh, Ce, Pb, U, In, Be, Co 10ppb Perkin Elmer-Mỹ.
* Axit HNO3 đặc, H2SO4 đặc, H3PO4 đặc, HCl đặc, HF đặc, NH3 đặc, H2O2 30%: siêu sạch (ultra – high – purity grade) Merck, Đức hay Aldrich-Sigma, Mỹ. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
* Axit HNO3 đặc: siêu sạch (ultra – high – purity grade ) Cica, Nhâ ̣t Bản. * Nước cất siêu sạch có điện trở 18,2 M, Millipore.
* Khí Ar >99.9995% (>5.5) Messer, Singapo. * ERM-BD 151, Châu Âu.
Dung dịch chuẩn hỗn hợp Pb 2 ppm, Cd 1 ppm, Zn 100 ppm được pha từ dung dịch gốc. Lấy 100L dung dịch chuẩn gốc của Pb, 50L dung dịch chuản gốc của Cd, 5000L dung dịch chẩn gốc của Zn cho vào bình định mức 50mL và định mức đến vạch định mức bằng dung dịch axit HNO3 1%. Dung dịch này được bảo quản lạnh và sử dụng trong tuần.
Dung dịch chuẩn hỗn hợp của các đồng vị 207Pb 2 ppm, 110Cd 1ppm, 68Zn 100ppm được pha từ dung dịch gốc: dung dịch chuẩn 207Pb 10 ppm, đồng vị 110Cd 94,39 %, đồng vị 68Zn 99,4 % bằng dung dịch HNO3 1%. Dung dịch này được bảo quản lạnh và sử dụng trong tuần.
Dung dịch ảnh hưởng chứa: Na 10000ppm, Ca 3000ppm, Mg 200ppm, Sr 2ppm, Ba và Zr 1ppm; Sn 0,5ppm, Mo 0,3ppm, Ni và Ti 0,2ppm; Ce 0,1ppm; Pd, Th và W
39
0,05ppm được pha từ dung dich Na 50000ppm, Ca 15000ppm và dung dịch gốc của các kim loại Mg, Ni, Sn, Sr, Pd, Ti, Ba, Mo, Zr, W, Th và Ce đều có nồng độ 1000ppm. Lấy 20mL dung dich Na, Ca và Mg, 200µL dung dich gốc của Sr, 100µL dung dịch gốc của Ba và Zr, 50µL dung dịch gốc của Sn, 30µL dung dịch gốc của Mo, 20µL dung dịch gốc của Ni và Ti, 10µL dung dịch gốc của Ce, 5µL dung dịch gốc của Pd, W và Th vào bình định mức 100mL và định mức đến vạch định mức bằng dung dịch axit HNO31%.
Dung dịch Na 50000 ppm và Ca 15000 ppm được pha từ muối NaNO3 và Ca(NO3)2 khan của Merck.
Axit HNO3 1% được pha từ HNO3 đặc. Cho vào bình định mức 1000 ml khoảng 500 ml nước siêu sạch, thêm 15 ml axit HNO3 đặc (ultra – high – purity grade) vào và lắc đều. Dùng nước cất siêu sạch điền đến vạch định mức.
Dụng cụ
Dụng cụ dùng trong nghiên cứu bao gồm:
* Micropipet 2-20l, 20 -200l, 100 – 1000l, 1000 – 5000l, Epensdorf, Đức. * Chén teflon 50 ml, 100 ml.
* Bình định mức 10, 20, 50, 100 ml. Duran, Đức. * Ống nghiệm 30mL. Duran, Đức.
* Bếp điện
* Lò vi sóng Microwave Speed Wave 4 (SW4), Berhof, Đức.
* Cân phân tích của hãng Adam (Anh), có độ chính xác 0,0001mg dùng để cân mẫu. Vì hàm lượng các nguyên tố trong sữa là dạng vết và siêu vết nên dụng cụ dùng trong thí nghiệm phải được tráng rửa sạch bằng cách ngâm trong axit HNO3 (10%) từ 1-2 ngày. Sau đó siêu âm it nhất 30 phút trong axit HNO3(10%), tráng rửa lại bằng nước cất 3 lần, rồi sấy ở nhiệt độ 800C.
Thiết bị:
Thiết bị ICP-MS (Perkin Elmer, ELAN 9000) (hình 2.1) với hệ từ trường bát cực, sử dụng nguồn năng lượng cao tần cho quá trình hóa hơi và ion hóa tất cả các nguyên tử với hiệu suất cao và ổn định. ICP-MS ghép nối hệ sol hóa mẫu giúp quá trình làm giàu mẫu và tăng khả năng phát hiện rất phù hợp với phân tích vết các kim loại.
40
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
6. Bộ phân giải khối 7. Detector
Trong đó:
1) Bộ dẫn dung dịch mẫu và tạo sol khí (Sample Introduction and Nebulizer System)
Sau khi dẫn mẫu phân tích vào buồng tạo sol khí bằng bơm nhu động (Peristalic Pump), người ta có thểthực hiện tạo sol khí mẫu theo hai nguyên tắc: - Kiểu siêu âm
- Kiểu mao dẫn áp suất thấp (hình 2.2)
41
2) Bộ tạo plasma (Inductively Coupled Plasma- ICP) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Một số nguồn plasma đã được nghiên cứu phát triển như plasma dòng một chiều (DCP) và plasma cảm ứng vi sóng (microwave-induced plasma-MIP). DCP được hình thành khi dẫn khí (thường là Ar) qua giữa hai hoặc ba điện cực có cường độ dòng điện cao. Sự ion hoá khí sinh ra plasma có hình chữ Y ngược. DCP có nhược điểm là có hiệu ứng nhiễu, không ổn định, có vấn đề về độ tin cậy. Do đó kỹ thuật này không được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên lợi ích chính của nó là nó có thể hút ở mức độ cao chất rắn hoà tan và huyền phù bởi không có sự hạn chế bơm mẫu cho chất rắn. Nhưng hiện nay, ưu việt và kinh tế nhất là nguồn ICP.
Hình 2.3. Bộ tạo plasma và nhiệt độ các vùng của plasma
Phần cơ bản của bộ tạo plasma bao gồm: Máy phát RF, hệ ICP-Torch, vòng cảm ứng và hệ cấp khí.
3) Hệ phân giải phổ khối
Bộ phân giải khối được đặt giữa các thấu kính ion và detector và luôn luôn được duy trì chân không xấp xỉ 10-6 Torr bằng bơm turbo phân tử thứ cấp. Có 4 nguyên lý khác nhau để chế tạo hệ thống phân giải phổ theo số khối đó là:
- Kiểu cung nam châm từ (Magnetic and Electric Sector). - Kiểu hệ lọc khối trường tứ cực ( Quadrupole).
- Kiểu đo thời gian bay (Time of Flight Measurement).
42
Hình 2.4. Kiểu hệ lọc khối trường tứ cực 4) Detector ion
Detector là bộ phận biến dòng ion thành tín hiệu điện. Cũng như bộ phân giải
khối, detector được nghiên cứu phát triển không ngừng nhằm nâng cao độ nhạy và tốc độ v.v... Cho đến nay có một số loại detector được sử dụng để phát hiện ion như sau:
- Detector cốc Faraday (Faraday Cup).
- Detector nhân electron EMD hoặc DEMD (Electron Multiplier and Channel Electron Multiplier detector).
- Detector bản mỏng vi kênh (Microchannel Plate). - Daly Detector (Scintillation Counter or Photomultiplier).
Hình ảnh thiết bị phân tích ICP-MS được sử dụng để phân tích mẫu tại phòng PTCLMT – Viện Công Nghệ Môi Trường.
Hình 2.5. Hình ảnh máy ICP – MS (ELAN 9000)
2.4. Phƣơng pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu
+ Mẫu sữa bột được lấy tại một số nhà trẻ và nhà dân trên địa bàn Thành phố Hà Nội, mẫu được lấy khoảng 250 – 300g cho vào túi nilon có mép gấp để tránh không khí lọt vào trong.
+ Mẫu sữa nước được mua tại các cửa hàng trên địa bàn Thành phố Hà Nội.
Các mẫu được bảo quản ở nơi khô thoáng, tại phòng phân tích chất lượng môi trường của Viện Công Nghệ Môi Trường.
43
Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Khảo xát và lựa chọn các điều kiện tối ƣu trên thiết bị ICP-MS 3.1.1. Chuẩn hóa số khối - Tunning
Bước đầu tiên khi phân tích trên ICP-MS đó là chuẩn hoá số khối (Tunning). Mỗi đồng vị có một số khối nhất định tuy nhiên không thể chuẩn hoá toàn bộ các nguyên tố mà việc chuẩn hoá phải thực hiện theo từng khoảng từ số khối nhỏ tới số khối lớn. Các nguyên tố dùng cho chuẩn hoá số khối gồm có: He(3,016), Mg(23,985), Rh(102,905), Ce(139,905), Pb(207,977), U(238,05) có nồng độ 10 ppb hay (10 ng/mL). Các nguyên tố này có số khối từ nhỏ tới lớn bao phủ được toàn bộ các nguyên tố khác. Sau khi chuẩn hóa số khối ta tiến hành tối ưu các điều kiện phân tích. Hình ảnh chuẩn hoá số khối như trong hình 3.1 sau:
44
3.1.2. Tối ƣu tốc độ khí mang tạo sol khí
Tốc độ khí mang có ảnh hưởng rất lớn tới hiệu suất tạo sol khí, nếu tốc độ khí nhỏ hiệu quả tạo sol sẽ kém, tuy nhiên nếu tốc độ khí quá lớn sẽ kéo theo một lượng đáng kể oxy, điều này là không mong muốn trong Plasma, việc có mặt oxy sẽ tạo ra một lượng oxit cản trở tới phổ, oxit của nguyên tố này có số khối trùng với số khối của nguyên tố khác. Việc khống chế tốc độ khí mang dựa vào tỉ số CeO/Ce, tốc độ khí mang hợp lí nhất sẽ cho tín hiệu cao nhất nhưng tỉ số CeO/Ce nhỏ hơn 0,03. Sử dụng dung dịch chuẩn Ce 10 ng/mL làm dung dịch để khảo sát. Kết quả khảo sát ở bảng 3.1 và thể hiện trên hình 3.2 cho thấy khi tốc độ khí mang tăng từ 0,3 tới 1,2 lít/phút với khoảng thay đổi 0.025 lít/phút thì tín hiệu của Ce (hạt/giây-cps) tăng dần nhưng tín hiệu của CeO cũng tăng dần. Khi tốc độ khí đạt giá trị 0,50 lít/phút thì tín hiệu Ce không tăng nữa mà giảm khi tốc độ khí tăng. Tuy nhiên, tín hiệu CeO vẫn tăng và tăng nhanh và điều này làm cho tỉ số CeO/Ce tăng nhanh vượt quá tỉ lệ cho phép. Như vậy, tốc độ khí mang phù hợp để có được độ nhạy lớn nhất mà không ảnh hưởng tới việc tạo oxit là: 0.50 lít/phút.
Bảng 3.1. Kết quả khảo sát tốc độ khí sol hóa mẫu
Tốc độ khí (L/phút) Ce (cps) CeO (cps) CeO/Ce 0,3 12532 56 0,004 0,325 15345 90 0,006 0,35 60540 546 0,009 0,375 100264 1203 0,012 0,4 161897 2240 0,014 0,425 243593 3854 0,016 0,45 300240 6005 0,02 0,475 340589 8174 0,024 0,5 364268 10564 0,029 0,525 378920 13262 0,035 0,55 392678 16492 0,042 0,575 364250 19305 0,053 0,6 302481 90744 0,3 0,625 260240 117108 0,45 0,65 202800 141960 0,7 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
45
Hình 3.2. Tỉ lệ cường độ tín hiệu theo tốc độ khí mang
3.1.3. Khảo sát nguồn năng lƣợng (ICP)
Năng lượng là yếu tố quyết định trong quá trình nguyên tử hoá hay ion hoá mẫu. Nguồn năng lượng ICP có ưu việt hơn hẳn so với các thiết bị khác. Nhiệt độ trong tâm Plasma có thể đạt từ 6000oC đến 10000oC cao hơn hẳn AAS (3000oC). Trong máy ICP- MS, nguồn năng lượng phụ thuộc vào công suất của máy phát cao tần. Khảo sát công suất của máy phát cao tần RF từ 700 đến 1200 W với thay đổi 25 W một lần cho thấy công suất của máy phát cao tần RF tối ưu là 1000W (Cường độ tín hiệu của Rh cao nhất). Sử dụng dung dịch chuẩn Rh 10 ng/mL làm dung dịch để khảo sát. Kết quả bảng 3.2 cho thấy khi công suất máy phát cao tần tăng thì tín hiệu Rh tăng nhưng đến một ngưỡng mà công suất tiếp tục tăng thì quá trình ion hóa sẽ tạo ra ion 2+ và tín hiệu của ion 1+ sẽ giảm. Vì vậy, mức công suất 1000W là tối ưu nhất.
Bảng 3.2. Kết quả khảo sát công suất máy phát cao tần
Công suất máy phát cao tần
(W) Rh (cps) 725 205628 750 215699 775 222548 800 236589 825 245970 850 253694 875 265400 900 289777 925 320568 950 355698 975 372478 L/phút cps
46 1000 380804 1025 375475 1050 352190 1075 335481 1100 302569 1125 286947 1150 253311 1175 230098 W 0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 700 725 750 775 800 825 850 875 900 925 950 975100010251050
Hình 3.3. Tín hiệu của Rh theo công suất của máy phát cao tần
3.1.4. Khảo sát thế điều khiển thấu kính điện tử - ion
Hệ thấu kính điện tử - ion có tác dụng chọn và hội tụ chùm ion. Ngoài ra, nó còn có tác dụng hạn chế không cho các photon, các điện tử và phần tử trung hoà đi vào buồng phân giải phổ và tác động vào detector. Hoạt động của hệ thấu kính được điều khiển bởi thế đặt vào. Qua khảo sát thế điều khiển tối ưu là 7,2 volt – Cường độ tín hiệu của Rh cao nhất.
Hình 3.4: Tín hiệu Rh phụ thuộc thế thấu kính điện tử -ion
3.1.5. Khảo sát thời gian phân tích mẫu cps cps
47
Trong phân tích ICP-MS sử dụng khí Ar tinh khiết có giá thành cao, công suất của máy phát cao tần lớn vì vậy chi phí vận hành cũng được đặt ra. Trong đó thời gian phân mẫu càng giảm thì sẽ càng giảm được chi phí phân tích.
Mẫu trước hết được bơm bằng bơm nhu động vào hệ sol hóa mẫu rồi vào tâm