d. Tác dụng sinh hóa của cadimi [25]
1.5. Các phương pháp xử lý mẫu[18]
1.5.1. Nguyên tắc xử lý mẫu
Xử lý mẫu là các quá trình vật lý và hoá học để phân huỷ, phá huỷ cấu trúc của chất mẫu ban đầu và hoà tan, 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.
Xử lý mẫu là giai đoạn đầu tiên nhưng cũng rất quan trọng của quá trình phân tích. Dù chỉ sai sót rất nhỏ trong giai đoạn xử lý mẫu cũng dẫn đến sai số cho kết quả phân tích có khi còn làm cho sai số lớn. Vì vậy mọi cách xử lý mẫu để phân tích đều phải tuân thủ các điều kiện của QA/QC (Quality Assurance/Quality Control), và đảm bảo các yêu cầu cụ thể sau:
- Lấy được hoàn toàn, không làm mất chất phân tích.
- Không làm nhiễm bẩn thêm chất phân tích vào mẫu do bất kỳ nguồn nào. - Kết quả xử lý phải phù hợp với phương pháp phân tích đã chọn.
- Dùng các hoá chất phải đảm bảo có độ sạch đúng yêu cầu, mục đích phân tích và mức độ phân tích.
- Không đưa thêm các chất có ảnh hưởng vào mẫu.
- Có thể kết hợp tách hay làm giàu được các chất cần phân tích trong quá trình xử lý mẫu thì càng tốt.
Để vô cơ hóa mẫu, chuyển chất phân tích về dạng phù hợp với phương pháp phân tích, có hai phương pháp phổ biến hiện nay là xử lý ướt và xử lý khô.
Các loại trang thiết bị và dụng cụ để xử lý mẫu phân tích: hiện nay có rất nhiều loại, nhưng được chia thành 2 nhóm:
- Nhóm 1. Các loại dụng cụ đơn giản: Các loại cốc đun và ống nghiệm (thuỷ tinh, thạch anh, teflon,..), các loại chén, bát nung (sứ, thạch anh, kim loại, teflon,..), Lò nung và tủ sấy, các loại bình Kendan, v.v.
- Nhóm 2. Các loại trang bị hoàn chỉnh và tự động, gồm các loại: Các loại hệ chưng cất (cất chân không, áp suất cao,..), hệ thống bình Kendan đóng kín, có hồi lưu và tự động, các loại lò vi sóng (nhiều kiểu Roto và có kiểm tra được,..), các hệ thống chiết lỏng-lỏng liên tục tự động, ...
Một số hình ảnh minh họa về trang thiết bị và dụng cụ xử lý mẫu phân tích:
Hình 1.4: Hệ chiết Soxhlet Hình 1.5: Hệ phá mẫu kejdal
Kỹ thuật xử lý ướt:
- Kỹ thuật này dùng các axit mạnh đặc nóng, kiềm mạnh đặc nóng hoặc hỗn hợp axit hay hỗn hợp kiềm, … để phân huỷ mẫu trong điều kiện đun nóng trong bình Kendan, trong ống nghiệm, trong cốc hay trong lò vi sóng.
- Lượng axit cần dùng để phân huỷ mẫu thường gấp 10 - 15 lần lượng mẫu, tuỳ thuộc mỗi loại mẫu và cấu trúc vật lý hoá học của nó.
- Thời gian phân huỷ mẫu (xử lý) trong các hệ hở, bình Kendan, ống nghiệm, cốc, .. thường từ vài giờ đến hàng chục giờ, cũng tuỳ loại mẫu, bản chất của các chất. Còn nếu trong lò vi sóng hệ kín thì chỉ cần 30-50 phút.
Kỹ thuật xử lý khô:
Kỹ thuật xử lý khô (tro hoá khô) là kỹ thuật nung để xử lý mẫu trong lò nung ở một nhiệt độ thích hợp (450-750 oC), song thực chất đây chỉ là bước đầu tiên của quá trình xử lý mẫu. Vì sau khi nung, mẫu bã còn lại phải được hoà tan (xử lý tiếp) bằng dung dịch muối hay dung dịch axit phù hợp, thì mới chuyển được các chất cần phân tích trong tro mẫu vào dạng dung dịch, để sau đó xác định được nó theo một phương pháp đã chọn. Khi nung các chất hữu cơ của mẫu sẽ bị đốt cháy thành CO2
và nước, các kim loại chuyển thành dạng muối hay oxit (tro mẫu). Phương pháp vô cơ hóa mẫu khô - ướt kết hợp:
Các quá trình vật lý và hoá học xảy ra khi xử lí là tương tự như trong xử lí ướt và khô đã nêu ở trên, song ở đây là sự kết hợp cả hai kế tiếp nhau. Trong đó xử lý ướt ban đầu là để bảo vệ một số nguyên tố cho xử lí khô tiếp theo không bị mất. Cách này thích hợp cho các mẫu có nền (matrix) là chất hữu cơ, như rau quả, thực phẩm,.., xử lí để xác định các kim loại và một số phi kim. Những phòng thí nghiệm không có thiết bị lò vi sóng, thì đây là một cách tốt cho việc xử lý mẫu xác định các kim loại nặng trong các đối tượng mẫu sinh học, mẫu môi trường và quặng đất đá. Ưu điểm của kỹ thuật vô cơ hoá mẫu khô - ướt kết hợp:
- Hạn chế được sự mất đi của một số chất phân tích.
- Không phải dùng nhiều axit tinh khiết cao. - Thời gian xử lý tro hoá nhanh hơn tro hoá ướt.
- Không phải đuổi axit dư lâu nên hạn chế được sự nhiễm bẩn do môi trường. - Phù hợp cho nhiều loại mẫu khác nhau để xác định kim loại.
- Không cần trang bị phức tạp như lò vi sóng đắt tiền.
Phá mẫu hệ hở:
Phương pháp này đơn giản, không cần dụng cụ phức tạp và cho kết quả phân tích chính xác.
Các axit được trong phá mẫu hệ hở như: HF, HCl, H2SO4, HClO4 …, tùy theo loại mẫu và nguyên tố cần phân tích để có quy trình thích hợp.
Phá mẫu bằng lò vi sóng:
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 hủy mẫu triệt để và không mất chất phân tích, hiệu suất xử lý mẫu cao.
Dưới tác dụng phá hủy và hòa tan các hạt hay 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 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 ra ngoàì, do các phân tử nước hấp thụ (> 90%) năng lượng vi sóng và nó có động năng rất lớn, nên chúng có chuyển động nhiệt rất mạnh, làm căng và xé các hạt mẫu từ trong ra. Thêm vào đó lại là hệ kín, nên có áp suất cao và sẽ làm nhiệt độ sôi lại cao hơn và đây là tác nhân phân huỷ mạnh nhất, do đó thúc đẩy quá trình phân huỷ mẫu rất nhanh từ trong ra và từ ngoài vào. Vì thế nên việc xử lý mẫu trong lò vi sóng chỉ cần thời gian ngắn (30-60 phút) mà lại triệt để.
1.5.2. Một số phương pháp xử lý mẫu xác định hàm lượng kim loại nặng trong nhuyễn thể
Lê Hồng Minh đã vô cơ hóa mẫu trong lò vi sóng, bằng cách thêm lần lượt 5 ml HNO3 65% và 1 ml H2O2, đậy kín bình, đặt vào giá bình mẫu, đưa giá vào lò vi sóng và vận hành lò theo chương trình: công suất vi sóng: ~ 400W, cho lò chạy trong 3 phút, nghỉ 5 phút, cho lò chạy tiếp 3 phút, để yên trong lò 5 phút, lấy bình để nguội đến nhiệt độ phòng (khoảng 25 - 30 phút). Sau đó mẫu được định mức và đem đo bằng hệ thống ICP-MS. [9]
Lê Thị Mùi đã vô cơ hóa mẫu động vật nhuyễn thể theo phương pháp khô - ướt kết hợp sử dụng HClO4 đặc, HNO3 đặc và H2O2 để xác định Cu và Pb bằng phương pháp Von - Ampe hòa tan xung vi phân. [7]
Các tác giả Jose Usero Morillo, Ignacio Gracia mẫu trai sau khi lấy về được ngâm 24h. Các bộ phận cơ thể khác nhau của 30 mẫu độc lập lấy tại các khu vực và các loại khác nhau được tách bằng dao plastic, sau đó chúng được làm đông khô và đồng nhất mẫu đến mịn trước klhi đem phân tích. Mẫu được phân hủy trong trong lò vi sóng dùng axit HNO3 cùng với tác dụng của áp suất và nhiệt độ, mẫu được phân hủy hoàn toàn. [30]
Để phân hủy mẫu nhuyễn thể, tác giả Sari Arias thêm 2 ml HNO3 và 0,5 ml H2O2 vào 1 g mẫu khô rồi tiến hành hủy mẫu trong lò vi sóng. [27]
Tác giả M.Lucia Lares, Gilberto Flores - Munozb, Ruben Lara - Lara đã nghiên cứu đánh giá những biến đổi theo thời gian về hàm lượng Cd, Al, Hg, Zn, Mn theo các tháng trong trai và trong rong biển được nghiên cứu tại khu vực bờ đá Vịnh San Quintin, Baja Califfornia, Mexico [35]. Kết quả cho thấy mối liên quan giữa điều kiện thời tiết, thủy văn và các bộ phận trong cơ thể con trai bằng cách phân tích mối tương quan và phương pháp phân tích thành phần chính PCA. Tác giả đã đưa ra phương pháp xử lý mẫu như sau: Mẫu trai được xử lý sạch và rửa bằng nước cất sau đó cho vào cốc sạch sấy khô ở 700C đến khối lượng không đổi. Sau đó cân khoảng 1 g mẫu khô, thêm lượng HNO3 xác định để phân hủy mẫu, sau đó thêm H2O2 để phá hủy hoàn toàn lượng lipit khó tan. [35]
Mohamed Maanan đã phá hủy mẫu nhuyễn thể bằng HNO3 đặc, sau đó sử dụng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử để xác định hàm lượng các kim loại nặng. [36]
Tác giả Locatelli đã dùng hỗn hợp H2SO4 và HNO3 phân hủy mẫu trai, ốc, cá để xác định hàm lượng vết các kim loại nặng. [15]
1.5.3. Một số phương pháp xử lý mẫu đất, trầm tích xác định hàm lượng kimloại nặng loại nặng
Hoàng Thị Thanh Thủy, Nguyễn Như Hà Vy, Từ Cẩm Loan đã phá mẫu trầm tích bằng HClđ và HNO3đđ theo tỷ lệ thể tích là 3:1 trong bình cầu và đun nóng trong vòng 2h ở nhiệt độ 80o C( trước đó ngâm hóa chất trong vòng 10-12h) để xác định các kim loại nặng trong trầm tích sông, rạch tại thành phố Hồ Chí Minh. Hàm lượng tổng các kim loại được đo bằng máy hấp thụ nguyên tử ngọn lửa AAS.[ 26]
Xiaodan Wang, Genwei Cheng, Xianghao Zhong và Mai – Heli đã sử dụng các axit H2SO4, HNO3 và HF để xử lý mẫu đất, xác định tổng hàm lượng các kim loại B, Mo, Zn, Cu, Se, Cd, Pb, Cr, Ni, Hg và As trong các mẫu đất rừng lấy tại vùng núi cao phía đông Tibetan Plateu của Trung Quốc. Kết quả cho thấy có sự tương quan giữa các tính chất của đất và tổng hàm lượng các kim loại. [39]
Yanhong Wu, Xinhua Hou, Xiaoying Cheng, Shuchun Yao, Weilan Xia, Sumin Wang đã sử dụng hỗn hợp các axit HNO3, HF và HClO4 để xử lý mẫu trầm tích tại các vùng hồ Dongjiu, Taihu của Trung Quốc để đánh giá mức độ ô nhiễm các kim loại Al, Ba, Be, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Li, K, Mg, Mn, Na, Ni, Pb, Sr, Ti, V và Zn.[40]
Các tác giả M. Bettinelli, G. M. Beone, S. Speziaa và C. Baffi đã sử dụng hỗn hợp dung dịch gồm HF: HCl: HNO3 theo tỷ lệ thể tích 1: 3: 1 xử lý mẫu đất và trầm tích để xác định hàm lượng tổng các ion kim loại (Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb và Zn) trong các mẫu đó bằng kỹ thuật ICP-MS. [33]
Các tác giả Mustafa Soylaka, Sibel Saracoglub, Umit Divriklic và Latif Elci đã sử dụng hỗn hợp nước cường thủy( 12 ml HCl đđ và 4 ml HNO3 đđ) và đun nóng
đến 95oC, đồng thời tác giả cũng sử dụng phương pháp đồng kết tủa với erbi hydroxit 0,05 M trong NaOH để xác định lượng vết Cu, Mn, Co, Cr, Fe, Pb trong mẫu trầm tích, kết quả cho thấy hiệu suất phá mẫu đạt 95 %. [32]
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
2.1. Hóa chất, thiết bị và dụng cụ 2.1.1. Hóa chất
Hóa chất được sử dụng là các loại hóa chất siêu tinh khiết của Merck như: HNO3, H2O2, …dung dịch chuẩn đa nguyên tố dùng cho phân tích ICP-MS. Dung dịch chuẩn của các kim loại Cu, Pb, Cd đều là các hóa chất siêu sạch được mua từ hãng Merck có nồng độ gốc 1000ppm. Từ nồng độ gốc, pha chế thành các dung dịch có nồng độ nhỏ hơn. Các dung dịch chuẩn được bảo quản trong tủ lạnh. Dung dịch chuẩn được pha chế hàng ngày.
Các dung dịch chuẩn máy (Mg; Rh; Ce; Pb; U; In; Be; Co) nồng độ 10ppb được mua từ hãng Perkin Elmer, Mỹ.
Nước cất dùng cho nghiên cứu và phân tích là nước cất siêu sạch được cung cấp từ thiết bị Milipore có độ dẫn điện nhỏ hơn 18,2Ω/cm (250C). Khí Argon siêu sạch chất lượng 99,999% được mua từ hãng Messer.
2.1.2. Dụng cụ
Dụng cụ dùng trong nghiên cứu bao gồm: Ống phá mẫu trong lò vi sóng làm bằng Teflon, cốc thủy tinh 50 ml, 100 ml, bình định mức các loại 100ml, 50ml, 25ml, cốc 50ml, phễu lọc, pipet thủy tinh, các loại micropipet 100µL, 200µL, 1000µL và 5mL các loại, bếp điện, giấy lọc…
Vì hàm lượng các nguyên tố trong các loại mẫu là 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 rửa siêu âm trong 20 phút bằng Bể siêu âm Elma (Đức), tráng rửa lại bằng nước cất 3 lần, rồi sấy ở nhiệt độ 800C.
Cân phân tích của hãng Metler Toledo (Thụy Sỹ), có độ chính xác 0,0001mg dùng để cân mẫu và hóa chất.
2.1.3. Thiết bị
Hệ phân hủy mẫu bằng lò vi sóng Milestone (Start D), có chương trình điều khiển nhiệt độ bên trong, bên ngoài lò, áp suất và thời gian gia nhiệt.
Lò vi sóng có các ống phá mẫu bằng teflon, có thể tích 100mL. Nhiệt độ và áp suất lớn nhất có thể đạt được ở trong ống lần lượt là 2300C và 40 bar. Khối lượng mẫu lớn nhất cho vào trong ống là 500 mg. Thể tích mẫu tối thiểu trong ống là 5 ml. * Thiết bị phân tích mẫu
Thiết bị ICP-MS (Perkin Elmer, ELAN 9000) 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.
Hệ thống phân tích ICP-MS điển hình có dạng như hình 2.1. Hình 2.2 là hình ảnh thiết bị phân tích ICP-MS được sử dụng để phân tích mẫu tại khoa Hoá- Viện Khoa học và Công nghệ môi trường - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội .
11 9 8 7 6 5 4 Ar 1 2 14 3 10 12 13
Hình 2.1: Sơ đồ khối về nguyên tắc cấu tạo của hệ ICP- MS
1. Hệ bơm dẫn mẫu vào buồng tạo sol khí. 2. Bộ tạo sol khí mẫu.
3. Đèn nguyên tử hóa mẫu. 4. Bộ khử đầu ngọn lửa ICP. 5. Hệ thấu kính ion.
6. Hệ phân giải phổ khối. 7. Trường tứ cực và bộ lọc ion. 8. Detector.
9. Hệ điện tử.
10. Bơm chân không.
11. Bơm chân không loại tubor phân tử. 12. Hệ buồng chân không của máy. 13. Bộ phận cấp khí Ar.
Hình 2.2: Hình ảnh máy ICP – MS (ELAN 9000)
*Cấu tạo của thiết bị ICP-MS 9000 bao gồm các bộ phận sau - Nguồn ion plasma
- Bộ quang học ion (tứ cực)
- Thiết bị đo phổ khối lượng - tứ cực
- Bộ lấy mẫu tự động Autosampler AS-93 plus, Perkin Elmer, Mỹ
- Bộ sol hóa mẫu bằng sóng siêu âm (USN, Perkin Elmer, Mỹ) trước khi đưa mẫu vào buồng plasma. Hệ này giúp cho quá trình làm giàu mẫu lên nhiều lần tăng khả năng phát hiện.
- Vùng ghép nối (Interface) - Máy tính
Ngoài ra còn có máy lạnh tuần hoàn và hệ thống quạt hút.
* Phân tích định lượng bằng ICP-MS [16]
Phân tích định lượng bằng ICP-MS có các phương pháp: Phương pháp đường chuẩn, phương pháp thêm chuẩn, phương pháp đường chuẩn cố định và phương pháp một mẫu chuẩn. Trong khuôn khổ luận văn này chúng tôi áp dụng phương pháp đường chuẩn để phân tích định lượng bằng thiết bị ICP-MS.
Trong phép đo ICP-MS, phương pháp đường chuẩn dựa trên phương trình cơ bản:
Ims = K.Cb