d. Tác dụng sinh hóa của cadimi [25]
1.4.2. Phương pháp phổ khối lượng nguyên tử ICP MS
Hai phương pháp phân tích ICP phổ biến hiện nay là phương pháp quang phổ phát xạ (ICP-OES) và phương pháp phổ khối lượng nguyên tử (ICP – MS). Ưu điểm của hai phương pháp này so với các phương pháp thông thường khác là sử dụng nguồn plasma cao tần cảm ứng có thể tạo ra nhiệt độ từ 5000-80000C. Với nhiệt độ này có thể nguyên tử hóa hoàn toàn các nguyên tố các nguyên tố cần phân tích. So với ICP-OES thì kỹ thuật ICP-MS có khả năng phân tích tốt hơn bởi vì nó có thể phân tích chính xác các ion khác nhau, xác định các đồng vị trong mẫu dựa trên giá trị tỷ lệ m/z và được tính toán theo các đường chuẩn độc lập. Hiệu quả phân tích của ICP-MS so với các kỹ thuật phân tích khác như quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), ICP-OES, … đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu. Bảng sau cho thấy khả năng phát hiện của ICP-MS hơn so với các kỹ thuật khác: [16]
Bảng 1.9: So sánh LOD của các phương pháp phân tích, ppb Nguyên
tố F-AAS GFA-AAS ICP-OES ICP-MS La-ICP-MS
Ni 100 2 1 0,0005 0,0002 Co 100 0,4 0,5 0,0008 0,0004 Cu 50 0,2 0,5 0,0006 0,0003 Ti 800 2 1 0,0008 0,0004 Bi 300 3 2 0,0008 0,0004 Sn 500 3 2 0,0007 0,0004 La 800 2 2 0,0005 0,0004 Ce 800 4 2 0,0007 0,0005 Pb 400 1 0,6 0,0008 0,0005 V 600 2 1 0,0007 0,0004 Th 800 2 1 0,0008 0,0005 Zn 50 0,1 0,5 0,0004 0,0002
Bảng 1.10: So sánh các loại phổ nguyên tử với nguồn khác nhau
Nguốn Nhiệt độ (0C) Phép đo LOD (ppb)
Ngọn lửa 1800-3300 F-AES 50-250 Ngọn lửa 1800-3300 F-AAS 25-200 Lò Graphit 1700-3300 GF-AAS 0,1-10 Hồ quang điện 2500-6500 AES 100-500
Tia lửa điện 4000-6500 AES 100-1000 ICP- 4500-10.000 ICP-OES 0,5-10
Lade- 5000-9000 AES 0,5-50 ICP- 4500-10.000 ICP-MS 0,00005-0,0005 La-ICP 4500-10.000 La-ICP-MS 0,00001-0,0005 Thuật ngữ ICP (Inductively Coupled Plasma) dùng để chỉ ngọn lửa plasma tạo thành bằng dòng điện có tần số cao (cỡ MHz) được cung cấp bằng một máy phát Radio Frequency Power (RFP). Ngọn lửa plasma có nhiệt độ rất cao (5000 - 80000C) có tác dụng chuyển các nguyên tố trong mẫu cần phân tích thành dạng ion.
MS (Mass Spectrometry) là phép ghi phổ theo số khối hay chính xác hơn là theo tỷ số giữa số khối và điện tích (m/Z).
Từ khi xuất hiện plasma cảm ứng với các tính năng và ưu điểm về vận hành hơn hẳn các nguồn hồ quang và tia điện thì một công cụ mới đã dần dần được phát triển thành một tổ hợp ICP ghép với một khối phổ kế. Hai ưu điểm nổi bật của ICP- MS là có độ phân giải cao và dễ tách các nhiễu ảnh hưởng lẫn nhau do đó có thể phát hiện được hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Phương pháp phân tích này dựa trên các nguyên tắc của sự bay hơi, phân tách, ion hóa của các nguyên tố hóa học khi chúng được đưa vào môi trường plasma có nhiệt độ cao. Sau đó các ion này được phân tách ra khỏi nhau theo tỷ số khối lượng / điện tích (m/z) của chúng, bằng thiết bị phân tích khối lượng có từ tính và độ phân giải cao phát hiện, khuyếch đại tín hiệu và đếm bằng thiết bị điện tử kĩ thuật số.
Phương pháp ICP – MS ra đời vào đầu những năm 80 của thế kỉ trước và ngày càng chứng tỏ là kĩ thuật phân tích có ưu điểm vượt trội so với các kĩ thuật phân tích khác như quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), quang phổ phát xạ plasma cảm ứng (ICP-AES hay ICP-OES)…Phương pháp ICP-MS hơn hẳn các kĩ thuật phân tích kim loại nặng khác ở các điểm sau: có độ nhạy cao, độ lặp lại cao, xác định đồng thời được hàng loạt các kim loại trong thời gian phân tích ngắn.[16]
* Sự xuất hiện và bản chất của phổ khối nguyên tử [16]
Trong Plasma ICP (ngọn lửa ICP), khi thể sol khí của mẫu phân tích được dẫn vào plasma ICP, các chất mẫu sẽ hóa hơi, rồi bị phân ly thành các nguyên tử tự do ở trạng thái khí và trong plasma ICP các nguyên tử và đồng vị của nó sẽ bị ion hóa, tạo ra đám hơi ion dương bậc I (dạng Me+). Đó là các ion của nguyên tố có
trong mẫu phân tích, điện tích +1, số khối m/Z. Các ion này là nguồn sinh ra phổ khối lượng nguyên tử theo số khối (m/Z) của mỗi ion, khi chúng ta thu chùm ion khối này, phân giải chúng theo số khối m/Z, ta sẽ được một giải phổ khối của các nguyên tố có trong mẫu phân tích, đó là phổ khối lượng của các nguyên tố và các đồng vị tự nhiên của nó.
Nghĩa là khi tạo sol khí và dẫn thể sol khí vào trong ICP plasma thì có các quá trình hóa lý:
1. Dung môi bay hơi: MnXm (l) → MnXm (r) 2. Hóa hơi: MnXm (r) → MnXm (k)
3. Phân ly (NTH): MnXm (k) → nM (k) + mX(k) 4. Ion hóa: M(k)0 + Enhiệt → M(k)+
5. Thu và phân giải các ion khối (m/Z) ta được phổ ICP-MS của nguyên tố M
Như vậy, sự xuất hiện của phổ ICP-MS là do sự tương tác của vật chất mẫu, là các nguyên tử của chất ở trạng thái hơi (khí) đã bị ion hóa bởi năng lượng nhiệt plasma ICP thành ion Me+, số khối m/Z. Nên về bản chất đây là phổ khối lượng của các nguyên tố hóa học.
Nguồn ICP có năng lượng lơn, nên hiệu suất ion hóa rất cao. Vì thế phép đo phổ ICP-MS có độ nhạy cao.
Mỗi nguyên tố hóa học có một số đồng vị (từ 2 - 7 đồng vị) có số khối khác nhau, nên đề bị ion hóa và chúng cũng tạo ra một số ion của nguyên tử đó có số khối tương ứng. Do đó mỗi nguyên tố hóa học cũng có một số pic phổ khối ICP-MS nhất định. Nói chung nguyên tố hóa học nào có nhiều đồng vị tự nhiên bền, thì cũng có số pic phổ khối ICP đúng bằng số đồng vị của nó trong tự nhiên.
* Hệ thống nguồn ICP [16]
ICP là nguồn năng lượng cảm ứng cao tần (Inductively Coupled Plasma) do máy phát cao tần RF cung cấp, công suất từ 0 - 5 kW. Nguồn ICP này làm nhiệm vụ cung cấp năng lượng cho bộ ICP-Torch tạo ngọn lửa nhiệt độ cao (5000 - 80000C) để hóa hơi mẫu, nguyên tử hóa đám hơi và ion hóa đám hơi nguyên tử của các
nguyên tố trong mẫu phân tích, tạo ra các phần tử ion dương 1 (M+) có số khối nhất định m/Z của các nguyên tố phân tích, nó là phần tử sinh ra phổ khối lượng cho phép đo ICP-MS.
Hệ thống ICP gồm hai bộ phận chính:
- Phần 1: Máy phát cao tần. Là các máy phát cao tần RF, có công suất làm việc biến thiên từ 0,2 - 5 kW, được chế tạo và hoạt động ở nhiều tần số khác nhau tùy vào mỗi hãng chế tạo nó. Trong đó tần số 27;12; 40; 45; 450 MHz hiện đang đang được dùng phổ biến. Nó đáp ứng được đủ các yêu cầu của nguồn năng lượng hóa hơi mẫu, nguyên tử hóa và ion hóa các nguyên tố cho phép đo ICP-MS.
- Phần 2: Hệ thống đèn nguyên tử hóa mẫu và ion hóa nguyên tố phân tích. Đó là hệ thống Torch ICP, được chế tạo bằng thạch anh chịu nhiệt cao, ở miệng đèn có nguồn cảm ứng cao tần RF bằng ống đồng để cung cấp năng lượng cho plasma. Hệ thống đèn nguyên tử hóa mẫu và ion hóa nguyên tố phân tích (Plasma torch) gồm các bộ phận sau: Hệ thống nguyên tử hóa mẫu để dẫn thể sol khí của mẫu (cả khí mang), dẫn khí plasma, dẫn khí làm mát đèn nguyên tử hóa (thường là khí Ar) và hệ vòng cuộn cảm ứng RF để cung cấp năng lượng cho plasma ICP, tạo ra ICP flame là ngọn lửa nhiệt độ cao để hóa hơi, nguyên tử hóa chất mẫu và ion hóa nguyên tố phân tích thành các ion bậc I số khối m/Z và điện tích +1 (dạng M+).
* Nguyên tắc của phép đo phổ khối ICP-MS [16]
1. Chuyển mẫu phân tích về dạng dung dịch đồng nhất, 2. Dẫn dung dịch mẫu vào hệ tạo sol khí để tạo sol khí mẫu, 3. Dẫn thể sol khí mẫu vào vào ngọn lửa ICP (ICP Plasma Torch),
4. Trong Plasma Torch ICP, các chất sẽ có sự hóa hơi của các chất mẫu, nguyên tử hóa (phân ly thành nguyên tử tự do) và sự ion hóa các nguyên tử của nguyên tố có trong chất mẫu. Tức là biến tất cả vật chất mẫu phân tích sang trạng thái hơi của các ion Me+, số khối m/Z.
5. Thu toàn bộ đám hơi ion khối m/Z của chất mẫu, lọc, tách loại bỏ các phần tử không ion, các photon và dẫn chùm các ion M+ số khối m/Z vào buồng
phân giải phổ (hệ phân giải phổ khối) để phân ly chúng thành phổ theo số khối m/Z của nó.
6. Dùng một loại detector phù hợp để thu nhận và phát hiện các số khối m/Z của mỗi nguyên tố và đồng vị của nó trong mẫu.
7. Ghi phổ để đánh giá định tính và định lượng theo phổ thu được. * Ưu điểm của phương pháp phân tích bằng ICP-MS
Phép đo phổ ICP - MS là một kỹ thuật mới, ra đời cách đây không lâu nhưng được phát triển rất nhanh và sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: quá trình sản xuất nhiên liệu hạt nhân, xác định đồng vị phóng xạ, nước làm lạnh sơ cấp trong ngành hạt nhân (chiếm tỷ trọng 5%); phân tích nước uống, nước biển, nước bề mặt, đất, bùn, phân tích định dạng Hg, As, Pb và Sn trong nghiên cứu và bảo vệ môi trường (48%); quá trình hoá học, chất nhiễm bẩn trong Si Wafers trong công nghiệp sản xuất chất bán dẫn (33%); máu, tóc, huyết thanh, nước tiểu, mô trong y tế (6%); đất, đá, trầm tích, nghiên cứu đồng vị phóng xạ trong địa chất ( 2%); hoá chất (4%); dấu vết đạn, đặc trưng vật liệu, nguồn gốc, chất độc trong khoa học hình sự (1%) và phân tích thực phẩm (1%)...
- Nguồn ICP là nguồn năng lượng kích thích phổ có năng lượng cao, nó cho phép phân tích hơn 70 nguyên tố từ Li – U và có thể xác định đồng thời chúng với độ nhạy và độ chọn lọc rất cao (giới hạn phát hiện từ ppb-ppt đối với tất cả các nguyên tố).
- Khả năng phân tích bán định lượng rất tốt do không cần phải dùng mẫu chuẩn mà vẫn đạt độ chính xác cao; có thể phân tích các đồng vị và tỷ lệ của chúng.
- Tuy có độ nhạy cao nhưng nguồn ICP lại là nguồn kích thích phổ rất ổn định, nên phép đo ICP - MS có độ lặp lại cao và sai số rất nhỏ.
- Phổ ICP - MS ít vạch hơn phổ ICP - AES nên có độ chọn lọc cao, ảnh hưởng thành phần nền hầu như ít xuất hiện, nếu có thì cũng rất nhỏ, dễ loại trừ.
- Vùng tuyến tính trong phép đo ICP - MS rộng hơn hẳn các kỹ thuật phân tích khác, có thể gấp hàng trăm lần và khả năng phân tích bán định lượng rất tốt do không cần dùng mẫu chuẩn mà vẫn cho kết quả tương đối chính xác.
-Ngoài ra ICP-MS còn được sử dụng như là một detector cho LC, CE, GC... Với nhiều ưu điểm vượt trội, kỹ thuật phân tích ICP - MS được ứng dụng rộng rãi để phân tích nhiều đối tượng khác nhau đặc biệt là trong các lĩnh vực phân tích vết và siêu vết phục vụ nghiên cứu sản xuất vật liệu bán dẫn, vật liệu hạt nhân, nghiên cứu địa chất và môi trường...
*Nhược điểm: Giá thành thiết bị cao, điều kiện môi trường các phòng thí nghiệm khá khắt khe.
* Một số công trình nghiên cứu xác định kim loại nặng bằng phương pháp ICP-MS
- Xác định lượng vết một số kim loại nặng trong các loài trai, ốc ở Hồ Tây- Hà Nội bằng phương pháp ICP-MS. Trong nghiên cứu này tác giả Trần Tứ Hiếu, Lê Hồng Minh, Nguyễn Viết Thức đã xác định được lượng vết của 6 kim loại nặng: Cu, Zn, As, Ag, Cd, Pb bằng phương pháp ICP-MS với mẫu đông khô và mẫu tươi.Căn cứ theo cách phân loại chất lượng môi trường nước dựa trên làm lượng các kim loại vết trong trai, ốc các tác giả kết luận nước Hồ Tây bị ô nhiễm nhẹ bởi đồng, bạc, asen, cadimi, bị ô nhiễm ở mức bình thường bởi các nguyên tố như kẽm, chì. Giới hạn phát hiện của Cu: 0,01 µg/kg; Zn: 0,19 µg/kg; As: 0,02 µg/kg; Cd: 0,01 µg/kg; Pb: 0,03 µg/kg. [10]
- Marcos Pérez-López và cộng sự [34] phân tích Pb, Cd, Zn và As có trong thịt một số loài chim hoang dã ở vùng Galicia (Tây Bắc Tây Ban Nha) bằng phương pháp ICP-MS. Kết quả cho thấy hàm lượng Zn trong khoảng 1,47 -2,98ppm, hàm lượng As trong khoảng 1,21 đến 6,88ppm. Hàm lượng Pb và Cd trong đó tương đối cao, có mẫu lên tới trên 18ppm Pb, và hàm lượng Cd cao nhất thu được lên tới 39ppm.
- Tác giả Mohamed Maanan [36], trường đại học Nates, Pháp đã sử dụng phương pháp ICP-MS để phân tích Hg và Pd trong các động vật thân mềm ở vùng biển. Kết quả cho thấy hàm lượng Pb là 9,6 mg.kg−1 và hàm lượng Hg là 0,6 mg.kg−1.
- Simone Griesel và cộng sự [37] đã sử dụng phương pháp ICP-MS để xác định hàm lượng của 23 kim loại (Be, Al, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Rb, Sr, Mo, Pd, Cd, Sn, Pt, Pb) trong máu của hải cẩu ở vùng biển Wadden, Đức và đảo Danish. Kết quả chỉ ra rằng hàm lượng một số nguyên tố như As, Cr, Mn, Mo, Se, V trong máu hải cẩu cao hơn so với trong máu người. Một số nguyên tố như Al, Mn, Cu, và Pt khác nhau đáng kể trong máu hải cẩu ở hai vùng địa lí khác nhau. Sự khác biệt này có thể do ảnh hưởng của nguồn thức ăn.
A.T. Townsend và I. Snape [29]đã tiến hành xác định hàm lượng Pb trong các mẫu trầm tích ở cửa sông thuộc nam Australia bằng phương pháp ICP-MS. Các mẫu trầm tích ở Brown Bay hàm lượng Pb trong khoảng 18–215 mg.kg− 1, còn ở vùng Broken Hill và Mt Isa Australian hàm lượng Pb lần lượt từ 35,5 đến 36 và từ 16,0 đến 16,1 mg.kg-1. Còn ở khu vực Wilkes Station hàm lượng Pb được xác định trong khoảng 13–40 mg.kg− 1.