5. Phương pháp nghiên cứu
1.5.2.Kỹ thuật phân tích trên hệ thống khối phổ plasma cảm ứng (ICP-MS)
MS)
* Nguyên tắc và sự xuất hiện phổ khối ICP-MS
Khi dẫn mẫu phân tích vào vùng nhiệt độ cao của ngọn lửa plasma (ICP), vật chất có trong mẫu khi đó bị chuyển hoàn toàn thành trạng thái hơi. Các phân tử chất khí được tạo ra lại bị phân ly thành các nguyên tử tự do ở trạng thái khí; trong điều kiện nhiệt độ cao của plasma (80000C) phần lớn các nguyên tử trong mẫu phân tích bị ion hoá tạo thành ion dương có điện tích +1 và các electron tự do. Thu và dẫn dòng ion đó vào thiết bị phân giải để phân chia chúng theo số khối (m/z), nhờ hệ thống phân giải theo số
khối và detector thích hợp ta thu được phổ khối của các đồng vị của các nguyên tố cần phân tích có trong mẫu. Quá trình xảy ra trong ngọn lửa plasma có thể được tóm tắt theo 4 mức như sau:
Dung môi bay hơi → Hóa hơi mẫu → Nguyên tử hóa mẫu→ Ion hóa mẫu Như vậy, phổ ICP - MS của nguyên tử chỉ xuất hiện khi nó ở trạng thái hơi và khi nguyên tử bị ion hoá trong nguồn năng lượng ICP thành các ion điện tích +1. Mà vật chất được cấu tạo bởi các nguyên tử theo các kiểu liên kết nhất định. Các mẫu phân tích cũng thế, chúng hoặc là ở trạng thái rắn của các kim loại, hợp kim, hoặc là tồn tại ở trạng thái các hợp chất như oxit, muối, khoáng chất, quặng, đất, đá... Vì thế muốn thực hiện phép đo phổ ICP - MS phải tiến hành các bước sau đây:
1. Chuyển mẫu phân tích về dạng dung dịch đồng nhất 1. Dẫn dung dịch vào hệ thống tạo sol khí để tạo sol khí 2. Dẫn thể sol khí của mẫu vào ngọn lửa ICP, Plasma Torch.
3. Trong Plasma Torch sẽ có sự hoá hơi, nguyên tử hoá và ion hoá. Tức là biến vật chất mẫu phân tích sang trạng thái hơi, nguyên tử hoá đám hơi đó, và ion hoá các nguyên tử của chất mẫu thành các ion nhờ nguồn năng lượng của ICP.
4. Thu toàn bộ đám hơi ion của mẫu, lọc và phân ly chúng thành phổ nhờ hệ thống phân giải khối theo số khối của ion, phát hiện chúng bằng Detector, ghi lại phổ.
5. Đánh giá định tính, định lượng phổ thu được
* Phân tích định lượng bằng phổ ICP - MS: 3 phương pháp 1. Phương pháp đư ờng chuẩ n
1. Phương pháp thêm chuẩ n 2. Phương pháp một mẫ u chuẩn
Vì vùng tuyến tính của phép đo ICP - MS rất rộng, nên trong nhiều trường hợp không cần dựng đường chuẩn mà chỉ cần dùng một mẫu chuẩn để tính nồng độ của chất X trong mẫu phân tích.
C
á c h 1 : Dùng mẫu tiêu chuẩn
Nếu mẫu chuẩn có nồng độ là Cch và mẫu phân tích có nồng độ là Cx, thì ta có:
Với mẫu phân tích: Ix = k.Cx Với mẫu chuẩn: Ich = k.Cch
Do đó chúng ta có: Cx = (Ix / Ich).Cch (a)
Như vậy sau khi đo phổ sẽ thu được gía trị Imsx và Imsch, chúng ta dễ dàng tính được Cx của chất phân tích X trong mẫu phân tích theo biểu thức (a).
Cách này có khó khăn là khi mẫu phân tích có thành phần phức tạp và không biết chính xác thì khó chuẩn bị được một mẫu chuẩn có thành phần và nền giống như mẫu phân tích, do đó thường mắc phải sai số lớn.
C
á c h 2 : Không dùng mẫu tiêu chuẩn
Nếu mẫu phân tích có nồng độ chưa biết là Cx, chúng ta lấy 2 lượng mẫu như nhau (có 2 mẫu), một mẫu để nguyên và một mẫu thêm một lượng chính xác ∆Cx của chất phân tích X, rồi xử lý trong cùng điều kiện, sau đó tiến hành đo phổ.
Với mẫu phân tích: Ix = k.Cx
Với mẫu chuẩn: Itch = k.(Cx + ∆Cx) Do đó ta có: Cx = (∆Cx.Ix)/(Itch - Ix) (b)
Cách này có ưu điểm hơn cách 1 là nó loại trừ được ảnh hưởng của thành phần và nền của mẫu. Vì chúng ta dùng ngay mẫu phân tích để
làm chuẩn theo phương pháp thêm, nên mẫu phân tích và mẫu chuẩn đều có cùng thành phần và chất nền [4].
CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1. Phương pháp lấy mẫu và xử lý mẫu
2.1.1. Phương pháp lấy mẫu
Việc lấy mẫu lá và quả được tiến hành vào cuối tháng 11 – 2013, vào thời gian chính vụ thu hoạch cam, tại các vườn cam Nghĩa Đàn và Quỳ Hợp.
2.1.1.1. Lấy mẫu lá
- Các mẫu lá được hái bằng tay ở chiều cao ngang tầm với (khoảng 1,4 – 1,8m), hái các lá thứ 5, 6 tính từ ngọn của các cành phân bố hướng đông – tây. Các lá bình thường không dị tật, không sâu bệnh. Mỗi mẫu lá khoảng 20 – 30 lá. Cho lá vào túi PE có đục lỗ, ghi rõ tên và ký hiệu mẫu, đặt trong thùng bảo ôn.
2.1.1.2. Lấy mẫu quả
Chọn quả có độ chín đồng đều ở mức độ thu hoạch được, không có dị tật, trên cùng cây thu mẫu lá và cùng hướng đông - tây. Mẫu quả cũng được bảo quản theo từng cây trong túi PE ghép mí, ghi tên mẫu tương ứng và bảo ôn trong khi vận chuyển về phòng thí nghiệm để xử lý.
2.1.2. Xử lý mẫu
2.1.2.1. Xử lý mẫu lá
Mẫu lá được rửa kĩ bề mặt bằng nước lọc, sau đó được rửa lại bằng nước cất. Sau khi rửa sạch mẫu lá thì dùng giấy khô lau thật khô rồi đem cân. Tiếp đó, mẫu lá đã cân được đưa vào tủ sấy sấy khô đến khối lượng không đổi. Xác định khối lượng khô và cho vào túi PE được dán nhãn, bảo quản trong tủ lạnh đến khi phân tích.
2.1.2.2. Xử lý mẫu quả
Trong một mẫu quả ta lấy mỗi quả ra và lấy dao sạch cắt thành múi, lấy mỗi quả khoảng 3-4 múi cam. Múi cam sau đó được bóc bỏ vỏ và loại hạt.
Cân định lượng lượng múi cam tươi, sau đó đông khô bằng máy đông khô. Sau khoảng 1 ngày múi cam được đông khô trong máy, lấy thật cẩn thận toàn bộ mẫu ra, cho vào túi PE mới đã cân trước, tiến hành cân định lượng và dán nhãn. Bảo quản trong tủ lạnh đến khi phân tích.
2.2. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị
2.2.1. Hóa chất
- Nước siêu sạch.
- Dung dịch chuẩn các kim loại Zn, Cu, Mn, Mo, B, Pb, As, Cd. - HNO3 Merck PA d = 1,42; 2 M; 0,35 M.
- HClO4 Merck PA 67%. - HF Merck PA 40%. - HCl Merck d=1,19.
- Hỗn hợp nung chảy K2CO3-Na2CO3-Na2B4O7
2.2.2. Dụng cụ, thiết bị
- Dụng cụ thí nghiệm: bình Kendal dung tích 100 ml; cốc Teflon 50 ml, 100 ml, 250 ml, 1000 ml; bình định mức các loại 100ml, 50ml, 25ml, cốc 50ml; phễu lọc, pipet các loại, bếp điện, giấy lọc, chỉ thị vạn năng, nồi cách thủy, lưới amiăng, chén sứ, ống đong, cối sứ…
-Cân phân tích có độ chính xác 0,1mg. - Hệ thống đun khuấy đa vị trí
- Buret 25 ml; pipet 2ml, 5ml, 10ml, 25ml. - Máy đo pH-điện cực thuỷ tinh.
- Tủ sấy.
- Máy khuấy từ gia nhiệt
- Máy khối phổ plasma cảm ứng (ICP - MS) Agilent 7500a. Khoảng khối lượng 7-250 amu. Độ phân giải 1 amu (độ rộng peak ở 5% độ cao peak).
2.3. Quá trình phân tích hàm lượng một số vi lượng và kim loại nặngbằng phương pháp khối phổ plasma cảm ứng ICP – MS bằng phương pháp khối phổ plasma cảm ứng ICP – MS
2.3.1. Chuẩn bị mẫu phân tích
Cân mẫu cho vào chén teflon dung tích 50 ml, cho dung dịch hỗn hợp HF,HClO4, HNO3. Gia nhiệt hòa tan mẫu trên bếp điện có nhiệt độ không quá 3000C. Cô cạn dung dịch mẫu cho đến trạng thái muối ẩm. Cho tiếp HNO3
d=1,42 g/cm3 và tiếp tục cô cạn đến trạng thái muối ẩm lặp lại một lần nữa. Hòa tan muối ẩm bằng HNO3 loãng. Lọc trên giấy lọc băng xanh, rửa phần không tan bằng HNO3 loãng. Tro hóa cặn cùng với giấy lọc trong chén platin sau đó nung chảy với hỗn hợp nung chảy. Để nguội, hòa tan trong HNO3
loãng. Gộp 2 dung dịch thu được và chuyển dung dịch vào bình định mức 100 ml. Thêm dung dịch nội chuẩn. Định mức tới vạch bằng HNO3loãng. Với mẫu xác định B thì hỗn hợp chảy không dùng Na2B4O7.
Mẫu trắng được tiến hành qua tất cả các giai đoạn như mẫu phân tích .
2.3.2. Dung dịch đường chuẩn
Chuẩn bị dãy dung dịch chuẩn các kim loại Zn, Cu, Mn, Mo, B, Pb, Cd, As có nồng độ thích hợp trong môi trường HNO3.
2.3.3. Tối ưu hoá điều kiện phân tích bằng ICP - MS
2.3.3.1. Chọn đồng vị phân tích [4]
Trong tự nhiên, các nguyên tố hóa học thường có một số đồng vị. Trong phép phân tích ICP - MS người ta thường chọn đồng vị dựa trên ba tiêu chí:
+ Phải là một trong những đồng vị phổ biến nhất trong tự nhiên + Ảnh hưởng bởi sự chèn khối phải không có hoặc bé nhất
+ Sự hiệu chỉnh ảnh hưởng của các mảnh ion oxít phải đơn giản và càng ít bước càng tốt.
Tuỳ theo sự phức tạp của nền mẫu mà có thể chọn các đồng vị phân tích khác nhau. Tuy nhiên, hầu hết các tác giả đều thống nhất trong việc lựa chọn
số khối phân tích như trong bảng dưới đây (bảng 2.1), chúng tôi cũng chọn các số khối phân tích này.
Bảng 2.1: Tỷ số khối lượng/điện tích (M/Z) của các kim loại cần phân tích STT Nguyêntố hiệuKý M/Z STT Nguyêntố hiệuKý M/Z
1 Bo B 11 5 Molipden Mo 95
2 Mangan Mn 55 6 Cadmi Cd 111
3 Đồng Cu 63 7 Chì Pb 208
4 Kẽm Zn 66 8 Asen As 75
Khi phân tích, máy chỉ thu tín hiệu của các đồng vị đã chọn theo nguyên tắc phân giải khối bằng bộ phân chia tứ cực.
2.3.3.2. Độ sâu mẫu (Sample Depth - SDe)
SDe là khoảng cách giữa đỉnh cone giao diện đến bên phải vòng dây tạo plasma (hình 2.1).
Hình 2.1: Độ sâu mẫu của máy ICP - MS
SDe có ảnh hưởng đến nhiều đại lượng trong đó có cường độ vạch phổ. Khi tăng giá trị SDe cường độ vạch phổ giảm dần. Kết quả cho thấy khi công suất cao tần RF lớn từ 1200W trở lên thì cường độ vạch phổ giảm nhanh hơn. Trong phép phân tích chúng tôi chọn độ sâu mẫu là 3 mm.
2.3.3.3. Công suất cao tần (Radio Frequency Power - RFP)
RFP là công suất điện tần số radio cung cấp cho cuộn dây tạo plasma. Công suất càng lớn nhiệt độ ngọn lửa plasma càng lớn và ngược lại. Khi tăng dần công suất RF cường độ vạch phổ tăng dần nhưng đến một giá trị RFP nào đó cường độ vạch phổ lại giảm và sau đó không thay đổi. Trong phép phân tích chúng tôi chọn cường độ cao tần là 1000 W.
2.3.3.4. Lưu lượng khí mang (Carier Gas Flow Rate - CGFR)
CRFG có ảnh hưởng đáng kể đến độ nhạy của phương pháp ICP-MS. CGFR lớn lượng mẫu được đưa vào vùng plasma lớn và ngược lại. Điều này dẫn đến tỷ lệ tín hiệu trên một đơn vị nồng độ tăng hoặc giảm, dẫn đến ảnh hưởng độ nhạy của phép phân tích. Tuy nhiên không phải khi tăng CGFR là cường độ vạch phổ tăng, hoặc khi giảm CGFR là cường độ vạch phổ giảm. Sự tăng hay giảm chỉ nằm trong một phạm vi nhất định và còn tuỳ thuộc vào nhiều thông số khác. Kết quả thực nghiệm thu được tốt nhất khi lưu lượng khí mang là 2,0 l/phút.
2.3.3.5. Thông số máy
Ngoài các qui định về QA/QC, các thông số chính của máy khi phân tích các kim loại như sau:
Công suất cao tần (RF Power) 1400 W Độ sâu mẫu (Sample Depth) 5,1 mm Tốc độ khí tạo plasma 15 l/ph Tốc độ khí mang 1,14 l/ph Tốc độ khí phụ trợ 0,9 l/ph Tốc độ bơm (Uptake) 0,4 rps Thời gian (Uptake) 60 s Tốc độ bơm (Stable) 0,1 rps Thời gian (Stable) 30 s
Nước làm nguội 2,4 l/ph
Dạng phổ 3 điểm (Full Quant(3)) Thời gian đo cho 1 điểm 0,1 s
Số lần đo lặp cho một điểm 3-5
2.4. Đánh giá phương pháp phân tích
Trong phép đo ICP-MS, việc định lượng một nguyên tố dựa vào phương trình cơ bản:
Ims = K.Cb
Trong đó: Ims: Cường độ (số đếm/giây, CPS) của vạch phổ K: Hằng số thực nghiệm
C: Nồng độ của nguyên tố trong dung dịch mẫu phân tích
b: Hằng số (0 <b ≤1)
Trong một khoảng nồng độ nào đó thì b có giá trị bằng 1. Khi đó, mối quan hệ giữa Ims và C là tuyến tính:
Ims = K.C
Khoảng nồng độ này gọi là khoảng tuyến tính của nồng độ nguyên tố phân tích. Khoảng tuyến tính của mỗi nguyên tố ở mỗi số khối (m/z) khác nhau là khác nhau. Số khối phân tích nào có cường độ (CPS) càng lớn thì khoảng tuyến tính càng hẹp. Do đó, để xác định các nguyên tố kim loại nặng ta phải xây dựng đường chuẩn để xác định khoảng tuyến tính của phép đo.
Tuy nhiên, trong phương pháp ICP - MS, tín hiệu của phép đo (CPS) có thể thay đổi trong khoảng giá trị rất lớn (từ vài CPS đến bão hoà, 4.109 CPS) nên khoảng tuyến tính của phép đo rất rộng (từ vài ppt đến vài chục hay vài trăm ppm). Do đó, đối với phép đo ICP - MS người ta thường không chú ý nhiều đến khoảng tuyến tính. Vì vậy trong đề tài luận văn này chúng tôi không nghiên cứu đến khoảng tuyến tính mà chỉ xây dựng đường chuẩn của các
nguyên tố và sử dụng đường chuẩn để phân tích nếu hệ số tương quan R> 0,993.
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết quả xác định hàm lượng các nguyên tố vi lượng Cu, Zn, Mn, Mo,B và kim loại nặng Pb, Cd, As trong cây cam Vinh bằng phương pháp B và kim loại nặng Pb, Cd, As trong cây cam Vinh bằng phương pháp khối phổ plasma cảm ứng
Các mẫu lá và quả được phân tích tại phòng thí nghiệm ICP - MS của Trung tâm phân tích - Viện công nghệ xạ hiếm.
Kết quả xác định hàm lượng của mỗi nguyên tố (đơn vị tính bằng mg/kg mẫu khô) trong mẫu lá cam thu hái ở hai huyện Quỳ Hợp và Nghĩa Đàn được nêu trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Hàm lượng các nguyên tố trong mẫu lá cam
TT Chỉtiêu Đơnvị
Hàm lượng các mẫu lá nghiên cứu
NĐ-L (1) NĐ-LT- Lá (2) NĐ-Lá (3) NĐ-ĐC (4) QH-L -Lá (5) QH-Lá (6) QH-LT -Lá (7) QH-Đc (8) 1 B mg/kg 29,282 26,185 48,317 24,587 19,218 17,56 17,783 15,956 2 Mn mg/kg 64,173 75,215 65,67 65,222 154,147 162,05 141,434 218,376 3 Cu mg/kg 9,818 8,086 9,628 7,791 10,734 15,866 8,257 7,616 4 Zn mg/kg 12,188 9,968 7,033 5,929 18,317 24,651 16,832 13,011 5 As mg/kg 0,15 0,19 0,138 0,256 0,457 0,424 0,383 0,28 6 Mo mg/kg 0,03 0,022 0,019 0,066 0,035 0,028 0,033 0,036 7 Cd mg/kg 0,106 0,055 0,236 0,032 0,17 0,213 0,06 0,039 8 Pb mg/kg 0,796 0,76 1,029 1,162 1,294 1,588 0,836 0,705
Kết quả xác định hàm lượng của mỗi nguyên tố trong mẫu quả cam thu hái ở hai huyện Quỳ Hợp và Nghĩa Đàn được nêu trong bảng 3.2.
Bảng 3.2. Hàm lượng các nguyên tố trong mẫu quả cam
TT Chỉtiêu Đơnvị NĐ-L Hàm lượng các mẫu quả nghiên cứu
(1) NĐ-Lá (2) NĐ-LT -Lá (3) NĐ-ĐC (4) QH-L (5) QH-L- Lá (6) QH-LT -Lá (7) QH-Đc (8) 1 B mg/kg 3,681 2,332 2,459 3,926 3,497 3,364 3,949 3,807 2 Mn mg/kg 3,967 6,144 4,779 3,873 7,323 30,41 9,92 21,427 3 Cu mg/kg 5,725 5,532 5,92 5,348 6,234 5,806 5,851 5,277 4 Zn mg/kg 4,386 3,219 4,852 2,518 2,32 3,853 3,187 2,847 5 As mg/kg 0,086 0,038 0,045 0,034 0,051 0,042 0,086 0,013 6 Mo mg/kg 0,018 0,011 0,01 0,011 0,016 0,016 0,023 0,016 7 Cd mg/kg 0,077 0,127 0,971 0,056 0,289 0,128 0,7 0,116 8 Pb mg/kg 0,192 0,164 0,119 0,068 0,64 0,526 0,1796 0,478
Bảng 3.3. Ý nghĩa của các ký hiệu trong mẫu
Ký hiệu mẫu Ý nghĩa
NĐ Mẫu lấy ở Nghĩa Đàn
QH Mẫu lấy ở Qùy Hợp
L Mẫu ở cây có bón lót phân ĐH (Phấn Tiên) Lá Mẫu ở cây có dùng phân bón lá (Thủy Tiên)
LT Mẫu ở cây có bón lót và bón thúc phân ĐH (Phấn Tiên) ĐC Mẫu đối chứng, không bón phân ĐH, chăm sóc theo công
thức bình thường của người dân
Qua hai bảng trên, ta thấy đa số các nguyên tố vi lượng và kim loại nặng