Phân tích các dạng Asen trong mẫu môi trường

bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử kết

hợp với chemometrics

Nguyễn Thị Phương Thùy

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn Thạc sĩ ngành: Hóa Phân tích; Mã số: 60 44 29

Người hướng dẫn: GS. TS. Trần Tứ Hiếu

Năm bảo vệ: 2012

Abstract: Ứng dụng các điều kiện đo phổ hấp thụ As(III) để xây dựng đường chuẩn

đa biến xác định đồng thời các dạng As trong dung dịch. Dựa trên đường chuẩn đa

biến xác định đồng thời các dạng asen bằng HVG – AAS vừa xây dựng được, nghiên

cứu các điều kiện bảo quản mẫu: vật liệu bình chứa, pH, lượng oxi hòa tan, các ion

thường có trong thành phần mẫu, nhiệt độ và thời gian bảo quản mẫu. Đánh giá kết

quả của các điều kiện tối ưu và phương pháp phân tích thông qua mẫu kiểm chứng.

Xác định hàm lượng các dạng asen trong 5 mẫu thực tế ở khu vực Lâm Thao – Phú

Thọ.

Keywords: Asen; Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử; Hóa phân tích

Content MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành toán học thống kê và tin học ứng dụng,

Chemometrics - một nhánh của hóa học phân tích hiện đại - đã phát triển nhanh chóng và

được ứng dụng ngày một rộng hơn. Một mảng quan trọng trong Chemometrics đang được

nghiên cứu và sử dụng hiệu quả là kĩ thuật hồi qui đa biến – thuật toán xác định đồng thời

nhiều cấu tử trong hỗn hợp mà không cần tách loại. Thuật toán này đã được ứng dụng rộng rãi

để giải quyết nhiều bài toán định dạng phức tạp. Đối với vấn đề xác định các dạng As trong

hỗn hợp, hiện nay chưa có nhiều công trình nghiên cứu theo hướng này tuy ưu điểm của nó là

rất lớn so với các hướng nghiên cứu khác.

Trong dung dịch asen tồn tại ở các dạng khác nhau. Trong đó, chúng ta quan tâm chủ

yếu đến bốn dạng là As(III), As(V), DMA, MMA. Tùy thuộc vào thành phần nền mẫu và

từng điều kiện cụ thể của quá trình bảo quản mẫu, các dạng asen có thể chuyển hóa lẫn nhau.

Vì vậy một yêu cầu cấp thiết đặt ra là phải nghiên cứu quá trình bảo quản mẫu, tránh sự

chuyển đổi giữa các dạng asen trong quá trình bảo quản từ đó mới xác định chính xác từng

dạng asen, đánh giá đúng mức độ ô nhiễm của môi trường nước để có biện pháp xử lí, hạn chế

sự ảnh hưởng của nó đến sức khỏe con người.

2

Vì vậy, chúng tôi đã lựa chọn đề tài : ‘‘ Phân tích các dạng asen trong mẫu môi

trƣờng bằng phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử kết hợp với chemometrics’’ với mục tiêu

đặt ra là nghiên cứu quá trình chuyển các dạng asen trên cơ sở những nghiên cứu trước đó về

xác định các dạng asen bằng kĩ thuật HVG - AAS và hồi qui đa biến để định lượng các dạng

asen trong mẫu nước.

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. SƠ LƢỢC TÌNH HÌNH Ô NHIỄM ASEN TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

Vấn đề ô nhiễm asen đang là một vấn đề thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học,

nhiều tổ chức trong và ngoài nước. Sự ô nhiễm asen đặc biệt là trong nước ngầm đã được phát

hiện ở nhiều nơi trên thế giới như Achentina, Mêhico, Chile, Mỹ, Canada, Trung Quốc, Đài

Loan, Ấn Độ, Băngladet và Việt Nam. Một phần lớn người dân đã bị nhiễm độc asen mãn

tính do sự có mặt của asen trong nước ngầm. Ở Mêhico, Chile, Đài Loan, Ấn Độ, Băngladet

hàm lượng Asen trong nước cao từ vài trăm đến hơn 1000 μg/L. Ở một số bang phía Tây

nước Mỹ, người dân đang phải sử dụng asen cao hơn giới hạn tối đa cho phép 50 g/L ( Tổ

chức Y tế Thế giới đã đưa ra giới hạn cho phép về hàm lượng asen trong nước ăn là 10 g/L

từ năm 1993).

Ở Châu Á, những vùng nhiễm độc asen cao như Băngladet và Ấn Độ, nồng độ asen trong tóc

và nước tiểu được sử dụng phổ biến làm chỉ thị cho sự phơi nhiễm asen mãn tính và tạm thời

(Awanar et al, 2002).

Đặc biệt là ở Băngladet, qua khảo sát 8000 giếng khoan ở 60 tỉnh trên tổng số 64 tỉnh

ở nước này người ta thấy rằng có khoảng 51% số giếng khoan có hàm lượng asen lớn hơn

0,05 mg/L. Theo ước tính ở dây có khoảng 50 triệu dân sử dụng nước bị ô nhiễm Asen.

Ở Việt Nam, theo một vài báo cáo cho thấy, hàm lượng asen lấy từ các giếng khoan tại

vùng châu thổ sông Hồng khá cao. Nồng độ asen trung bình tìm thấy là 159 g/L. Hà Nội,

Hà Nam, Hưng Yên, Nam Định, Ninh Bình, Thái Bình, Hải Dương là những vùng bị ô nhiễm

asen nặng nề nhất. Ở đồng bằng sông Cửu Long, các nhà khoa học cũng đã phát hiện ra các

giếng khoan có hàm lượng asen cao ở các tỉnh Đồng Tháp và An Giang.

Hiện nay, ở các vùng đô thị mới và nông thôn tỉ lệ người dân sử dụng nước ngầm

(nước giếng khoan) có hàm lượng asen làm nước ăn vẫn còn nhiều. Vì vậy cần phải theo dõi

tiến hành điều tra tình trạng ô nhiễm asen và tác động của nó đến môi trường và sức khỏe

người dân, tìm biện pháp giảm thiểu.

1.2. CÁC DẠNG TỒN TẠI TRONG MÔI TRƢỜNG CỦA ASEN

1.2.1. Các dạng asen tồn tại trong môi trƣờng

Sau khi phát tán vào môi trường, As tồn tại ở nhiều dạng khác nhau tùy theo bản chất của

nguồn phát tán, điều kiện phát tán và điều kiện của môi trường tồn tại.

Bảng 1.1. Một số dạng As trong các đối tượng sinh học và môi trường

STT Tên gọi Công thức

3

1. Asin AsH3

2. Asenit AsO33-

3. Asenat AsO43-

4. Axit dimetylasenic, DMAA Me2AsO2H

5. Axit metylasonic, MMAA MeAsO3H2

6. Trimetylasin Me3As

7. Oxit trimetylasin, TMAO Me3As+-O

-

8. Ion tetrametylasoni Me4As+

9. Trimetylasoniaxetat Me3As+CH2COO

-

10. Asenocholin (2-

trimetylasonietanol)

Me3As+CH2CH2OH

11. Dimetylasinoyletanol Me3As+(O

-

)CH2CH2OH

Các dạng chủ yếu của As trong môi trường nước là bốn dạng As(III), As(V), DMA và

MMA, trong đó hai dạng vô cơ có độc tính cao hơn.

1.2.2. Độc tính các dạng Asen

Độ độc của asen phụ thuộc vào trạng thái oxi hóa của asen, phụ thuộc vào dạng tồn tại

vô cơ hay hữu cơ. As(III) độc hơn nhiều so với As(V), asen vô cơ độc hơn rất nhiều so với

asen hữu cơ. Qua nhiều nghiên cứu người ta thấy rằng độ độc giảm dần theo thứ tự: Asin >

asenit > asenat > monometyl asenat > dimetyl asenat. Dạng xâm nhập chính vào cơ thể là

asen dạng vô cơ, đặc biệt là Asen(III) dễ hấp thụ vào cơ thể con người qua đường ăn uống.

Các hợp chất asenit và asenat vô cơ bền, có khả năng hòa tan trong nước đều dễ dàng hấp thụ

vào dạ dày và các tế bào của cơ thể. As(V) được bài tiết (chủ yếu qua nước tiểu) nhanh hơn

As(III) vì ái lực với nhóm thiol (-SH) kém hơn. As(III) cản trở nhóm (-SH) gắn vào các

enzym và giữ lại trong các protein tế bào của cơ thể như keratin đisunfua trong tóc, móng và

da. As(V) không độc bằng As(III) và không gây ức chế đối với hệ enzym. Tuy nhiên As(V)

lại ngăn cản sự tổng hợp ATP.

* Cơ chế gây độc

Asen vô cơ phá hủy các mô trong hệ hô hấp, trong gan và thận, nó tác động lên các enzim tấn

công vào các nhóm hoạt động -SH của enzim làm vô hiệu hoá enzim:

4

As(III) ở nồng độ cao còn làm đông tụ protein, có lẽ do As(III) tấn công vào các liên

kết có nhóm sunfua. Trong môi trường yếm khí As(III) có thể tạo hợp chất (CH3)3As rất độc.

As(V) ở dạng AsO43-

có tính chất tương tự PO43-

sẽ thay thế PO42-

gây ức chế enzim,

ngăn cản quá trình tạo ATP là chất sản sinh ra năng lượng sinh học. Nó can thiệp và làm rối

loạn một số quá trình sinh hóa của cơ thể.

Asen hữu cơ tác động lên các tế bào sinh học.

Các dạng As hữu cơ có tính độc thấp hơn rất nhiều, một số hợp chất As(V) vô cơ thậm

chí không độc.

1.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DẠNG ASEN

1.3.1. Các phƣơng pháp xác định Asen có sử dụng kĩ thuật hidrua hóa (HVG)

Phương pháp này dựa trên nguyên tắc khử các hợp chất As về dạng asin và metylasin sau đó

định lượng sản phẩm sinh ra để tính ngược lại hàm lượng các hợp chất ban đầu.

Số lượng công trình áp dụng kĩ thuật hidrua hoá xác định As rất lớn và đa dạng cho

thấy tính ưu việt vượt trội của kĩ thuật này, đặc biệt là khi kết hợp sử dụng một hệ sắc kí và bộ

phận hidrua hoá với một detector như MS hay các detector quang khác.

1.3.2. Phƣơng pháp sử dụng hệ tách HPLC kết hợp với một detector

Nhiều công trình nghiên cứu theo hướng này đã đạt được những thành tựu nhất định

trong việc định lượng các dạng As cũng như phát hiện và ghi nhận thời gian lưu của các dạng

chưa biết. Việc sử dụng các hệ xác định này cho nhiều tiện ích trong việc xác định hàm lượng

As, đặc biệt là ưu thế sử dụng lượng mẫu nhỏ nên nó phù hợp với yêu cầu xác định lượng vết

ở nhiều đối tượng khác nhau.

Tuy nhiên đối với phương pháp này lại có một nhược điểm rất lớn đó là chi phí cho phép xác

định cao, trang thiết bị hiện đại.

1.4. ỨNG DỤNG CHEMOMETRICS TRONG PHÂN TÍCH DẠNG ASEN

1.4.1. Thuật toán hồi qui đa biến tuyến tính

Một mảng lớn trong Chemometrics gắn liền với toán học và tin học là hồi qui đa biến

– kỹ thuật đa biến được dùng rộng rãi trong phòng thí nghiệm hoá học giúp giải quyết các bài

toán xác định đồng thời nhiều cấu tử cùng có mặt trong hỗn hợp mà không cần tách loại

trước. Về nguyên tắc, chỉ cần xây dựng dãy dung dịch chuẩn có mặt tất cả các cấu tử cần xác

định với nồng độ biết trước trong hỗn hợp (các biến độc lập x), đo tín hiệu phân tích của các

dung dịch này dưới dạng một hay nhiều biến phụ thuộc y và thiết lập mô hình toán học mô tả

quan hệ giữa hàm y (tín hiệu đo) và các biến độc lập x (nồng độ các chất trong hỗn hợp). Dựa

trên mô hình này có thể tìm được nồng độ của các cấu tử trong cùng dung dịch định phân khi

có tín hiệu phân tích của dung dịch đó.

5

Nếu các cấu tử có mặt trong hỗn hợp cho tín hiệu đo có tính chất cộng tính thì có thể

sử dụng phương pháp hồi qui đa biến tuyến tính thông thường như phương pháp bình phương

tối thiểu thông thường hoặc hiệu quả hơn như bình phương tối thiểu từng phần, phương pháp

hồi qui cấu tử chính, …. Nhưng nếu trong hỗn hợp, các cấu tử có sự tương tác lẫn nhau làm

mất tính chất cộng tính ở tín hiệu đo thì phải sử dụng mô hình hồi qui đa biến phi tuyến tính

mà phổ biến là các phương pháp kết hợp với mạng nơron nhân tạo.

Tùy thuộc vào đặc điểm của hàm phụ thuộc, có thể chia các phương pháp hồi qui đa

biến tuyến tính thành 2 nhóm chính: Các phương pháp hồi qui đa biến tuyến tính sử dụng phổ

toàn phần như phương pháp CLS, PLS, ... và phương pháp sử dụng dữ liệu phổ riêng phần

như ILS. Trong luận văn này, tín hiệu của các dung dịch chứa các dạng As được đo ở 5 điểm

rời rạc nên chúng tôi chọn sử dụng phương pháp hồi qui trên phổ riêng phần PCR.

1.4.2. Phân tích các dạng As bằng phƣơng pháp HVG – AAS sử dụng Chemometrics

Dựa trên những ưu điểm nổi bật của việc sử dụng Chemometrics nhiều tác giả đã có

những ứng dụng Chemometrics vào phân tích các hỗn hợp có nhiều cấu tử trong đó có phân tích

dạng As.

CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM

2.1. NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1.1. Cơ sở của phƣơng pháp

Cơ sở của phương pháp là dựa trên sự chênh lệch hiệu suất phản ứng khi khử các dạng

As thành asin bằng NaBH4 trong các môi trường có nồng độ H+ khác nhau. Các phản ứng xảy

ra khi khử 4 dạng As khảo sát (As(III) vô cơ, As(V) vô cơ, DMA(V) và MMA(V)) như sau:

vô cơ hóa các dạng asen hữu cơ rồi khử thành asin theo phản ứng

AsO43-

+ BH4- + H

+ → AsO3

3- + H2 + BO3

-

AsO33-

+ BH4- + H

+ → AsH3 + H2 + BO3

-

Dòng khí mang Ar sẽ dẫn AsH3 khác sang vùng nguyên tử hóa:

Định lượng As sinh ra bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử tại bước sóng đặc

trưng của As là λ = 193,7nm.

2.1.2. Nội dung nghiên cứu

Để xây dựng qui trình xác định đồng thời các dạng As bằng phương pháp phổ hấp thụ

nguyên tử kết hợp với việc sử dụng thuật toán hồi qui đa biến, từ đó nghiên cứu một số điều

kiện bảo quản mẫu Asen trên cơ sở kế thừa các nghiên cứu trước đó, trong luận văn này

chúng tôi tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:

1. Ứng dụng các điều kiện đo phổ hấp thụ As(III) để xây dựng đường chuẩn đa

biến xác định đồng thời các dạng As trong dung dịch.

6

2. Dựa trên đường chuẩn đa biến xác định đồng thời các dạng asen bằng HVG –

AAS vừa xây dựng được, nghiên cứu các điều kiện bảo quản mẫu: vật liệu

bình chứa, pH, lượng oxi hòa tan, các ion thường có trong thành phần mẫu,

nhiệt độ và thời gian bảo quản mẫu.

3. Đánh giá kết quả của các điều kiện tối ưu và phương pháp phân tích thông

qua mẫu kiểm chứng.

4. Xác định hàm lượng các dạng asen trong 5 mẫu thực tế ở khu vực Lâm Thao

– Phú Thọ.

2.2. HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM

2.2.1. Hóa chất

Các loại hoá chất được sử dụng là loại tinh khiết phân tích (P.A) và các dung dịch

được pha chế bằng nước cất 2 lần.

2.2.2. Dụng cụ và trang thiết bị đo

- Bình định mức thủy tinh loại 10ml, 25ml, 50ml, 100ml, 250ml

- Các loại pipet vạch, pipet bầu

- Phễu, cốc, bình tam giác, đũa thủy tinh

- Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) Model AA-6800 ghép nối hệ thống HVG,

hãng Shimadzhu, Nhật Bản.

- Cân phân tích và cân kĩ thuật.

- Máy đo pH HANNA Instrument 211

2.2.3. Các phần mềm tính toán và xử lí

- Xử lý thống kê trên phần mềm Origin 6.0

- Lập trình tính toán theo phương pháp hồi qui đa biến trên phần mềm Matlab 7.0

2.3. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

2.3.1. Các điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử của Asen

Dựa theo tài liệu tham khảo, chúng tôi lựa chọn các điều kiện tối ưu cho quá trình đo phổ xác

định asen như sau:

Bảng 2.1: Tóm tắt các điều kiện tối ưu xác định As(III) bằng phương pháp HVG-AAS

Yếu tố Giá trị lựa

chọn Yếu tố

Giá trị lựa

chọn

Vạch phổ 193,7nm Tốc độ dòng

NaBH4 2ml/phút

7

Cường độ dòng

đèn 7mA

Tốc độ dòng

mẫu 6ml/phút

Chiều cao đèn

nguyên tử hóa 16mm Tốc độ dòng axit 2ml/phút

Tốc độ dòng khí

C2H2 1,8L/phút

Khoảng tuyến

tính của As(III) 0,2 – 10 ppb

Tốc độ dòng

không khí 8L/phút

Khoảng tuyến

tính của As(V) 1 – 40 ppb

Môi trường khử HCl 6M Khoảng tuyến

tính của DMA 0,5 – 30 ppb

Nồng độ chất khử

NaBH4 1%

Khoảng tuyến

tính của MMA 0,5 – 15 ppb

2.3.3. Các thuật toán hồi qui đa biến

Phƣơng pháp hồi qui cấu tử chính (PCR)

Các bước tính toán PCR trong phần mềm Matlab:

1. Khởi động phần mềm MATLAB

2. Nhập các ma trận dữ liệu trong cửa sổ WORKSPACE

+ Nhập ma trận nồng độ X0 (30x4) của 30 dung dịch chuẩn chứa 4 dạng Asen

+ Nhập ma trận tín hiệu phân tích Y0(30x5) (5 môi trường đo tín hiệu)

+ Nhập ma trận X0ktra(10x4), Y0ktra(10x5)

+Nhập tín hiệu phân tích Y của mẫu cần định phân

1. Lưu các dữ liệu vừa nhập vào thành 1 file trong Matlab: PCR.mat

2. Mở một M-flie trong cửa sổ EDITOR( vào Matlab 7.6 chọn desktop , chọn editor và

chọn New M-File) và viết các câu lệnh sau :

load pcr.mat;

D=Y0'*Y0;

[V S]=svd(D);

d=diag(S)/sum(diag(S))*100;

f=V(:,1:5);

Yj=Y0*f;

F=inv(Yj'*Yj)*Yj'*X0;

8

Fj=f*F;

Xktra=Yktra*Fj;

Saiso=(X0ktra-Xktra)*100/X0ktra;

X=Y*Fj;

- Lưu lại M-file vừa thực hiện được: PCR.m

4. Gọi hàm M-file vừa viết được trong cửa sổ COMMAND WINDOW :

>> PCR

Khi đó chương trình sẽ chạy cho kết quả cần tìm.

9

CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỒI QUY ĐA BIẾN TUYẾN TÍNH PHÂN TÍCH DẠNG

ASEN

3.1.1. Đƣờng chuẩn xác định các dạng asen riêng rẽ trong môi trƣờng HCl 6M

Sau khi khảo sát khoảng tuyến tính của các dạng As ta thu được két quả như sau:

Bảng 3.1: Khoảng tuyến tính và đường chuẩn xác định riêng các dạng As

Hợp chất Khoảng

tuyến tính

Phương trình hồi qui đầy

đủ

(CAs: ppb)

Giá trị hệ số

tương quan R

As(III) 0,2 – 10ppb A = (0,00875 0,00114) +

(0,0124 0,00022)CAs(III) R = 0,9989

As(V) 1 – 40ppb A = (0,01066 0,00123) +

(0,00311 0,00005)CAs(V) R = 0,9994

DMA 0,5 – 30ppb A = (0,00919 0,00118) +

(0,00403 0,00007)CDMA R = 0,9991

MMA 0,5 – 15ppb A = (0,00732 0,00126) +

(0,0089 0,00015)CMMA R = 0,9999

Như vậy, với cả 4 dạng As ở các vùng nồng độ nhất định có tương quan tuyến tính cao

giữa tín hiệu đo và nồng độ các dạng. Do tín hiệu của các dạng ở các môi trường phản ứng

khác có tỉ lệ xác định so với tín hiệu đo ở môi trường HCl 6M nên có thể cho rằng cũng có

tương quan tuyến tính tương tự ở các môi trường khử khác. Có thể kết luận rằng, hệ đo này đã

thỏa mãn điều kiện của phương pháp hồi qui đa biến tuyến tính.

3.1.2. Giới hạn phát hiện(LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) khi xác định đồng thời các

dạng asen.

Pha 8 mẫu trắng, đo phổ hấp thụ nguyên tử 1M, Đệm xitrat pH = 2, 3. Áp dụng công thức tính

LOD, LOQ theo của asen trong 8 mẫu này ở 5 môi trường phản ứng là HCl 6M, HCl 2M, HCl

phương pháp đa biến theo câu lệnh

LOD = 3*norm(Z)/norm(M) ;

LOQ = 10*norm(Z)/norm(M) ,

với Z là ma trận phổ hấp thụ nguyên tử của asen trong các mẫu trắng, M là ma trân hệ số hồi

qui tính theo phương pháp PCR. Kết quả thu được như sau

Bảng 3.2: Giá trị LOD và LOQ khi phân tích đồng thời các dạng As

Dạng As As(III) As(V) DMA MMA

LOD, ppb 0,11 0,43 0,33 0,15

10

LOQ, ppb 0,36 1,44 1,09 1,09

3.1.3. Kiểm tra tính cộng tính của các dạng As

Để kiểm tra, chúng tôi tiến hành xác định mối quan hệ giữa tín hiệu đo và nồng độ một dạng

As khi có mặt lượng xác định các dạng khác trong dung dịch và so sánh với đường biểu diễn

quan hệ giữa hai đại lượng này khi trong dung dịch không có mặt các dạng khác. Kết quả cho

thấy các dạng asen có khả năng cộng tính cao, có thể sử dụng mô hình đa biến tuyến tính.

3.1.2.5. Đƣờng chuẩn đa biến

Chuẩn bị dãy dung dịch chuẩn gồm 40 dung dịch có nồng độ thay đổi đo độ hấp thụ ở 5 môi

trường phản ứng bao gồm: HCl 6M, HCl 2M, HCl 1M, dung dịch đệm xitric-xitrat 1M có pH

= 2, 3, các điều kiện đo tối ưu đã xác định ở trên với dung dịch so sánh là mẫu trắng. Tín hiệu

đo được chuyển vào matlab làm đường chuẩn xác định các dạng asen.

3.2. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CHUYỂN DẠNG

ASEN

3.2.1. Khảo sát ảnh hƣởng của vật liệu bình chứa đến sự chuyển dạng As

Khi khảo sát ảnh hưởng của vật liệu bình chứa chúng tối thấy, đối với những mẫu

đựng trong chai thủy tinh và chai nhựa đều có sự thay đổi nồng độ các dạng của asen đồng

thời có sự mất asen. Tuy nhiên, với mẫu đựng trong chai thủy tinh sự mất mát trong tổng

lượng asen lớn hơn nhiều so với những mẫu đựng trong chai nhựa. Cụ thể sau 3 tuần bảo

quản, tổng nồng độ asen trong chai nhựa còn lại là 87(%), trong chai thủy tinh tổng nồng độ

các dạng còn lại là 68% .

Điều đó có nghĩa là, đối với mẫu đựng trong bình chứa là thủy tinh đã có sự hấp thụ của các

dạng asen lên thành bình thủy tinh làm tổng nồng độ các dạng asen giảm. Do đó, để bảo quản

mẫu ta phải đựng trong chai nhựa.

Mặt khác, ánh sáng là yếu tố làm tăng tốc độ phản ứng oxi hóa – khử do xảy ra quá

trình quang phân làm cho quá trình chuyển dạng của asen xảy ra với tốc độ cao hơn. Vì vậy

quá trình bảo quản mẫu ta phải đựng mẫu trong chai nhựa tối mầu hoặc để trong bóng tối.

3.2.2. Khảo sát ảnh hƣởng của pH đến sự chuyển dạng của As trong quá trình bảo quản

mẫu.

Kết quả thu được cho thấy ở pH >2 xảy ra sự giảm tổng nồng độ asen có trong mẫu,

sau 3 tuần bảo quản tổng nồng độ asen giảm từ 15 - 18%. Ở pH <2 tổng nồng độ các dạng

asen khá ổn định, tổng nồng độ asen thay đổi không đáng kể, do ở khoảng pH này ngăn cản

được sự kết tủa của sắt dưới dạng oxit hoặc hiđroxit và như vậy asen sẽ không bị cộng kết,

không làm mất asen trong dung dịch mẫu.

Như vậy để bảo quản các mẫu asen ta phải giữ các mẫu ở pH <2. Ở các thí nghiệm sau

chúng tôi sử dụng pH này để bảo quản các mẫu trong các nghiên cứu tiếp theo.

3.2.3. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian bảo quản mẫu đến quá trình chuyển

dạng

Ở nhiệt độ thường tốc độ chuyển dạng của asen lớn hơn ở nhiệt độ dưới 50C. Điều này là

do nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng oxi hóa khử. Hầu hết các phản ứng khi tăng nhiệt độ

thì tốc độ của phản ứng tăng làm cho sự chuyển dạng của asen xảy ra nhanh hơn. Đồng thời ở

11

nhiệt độ thường, các vi sinh vật trong nước hoạt động mạnh hơn, điều này cũng làm ảnh hưởng

đến quá trình chuyển dạng.

Về thời gian bảo quản mẫu, mặc dù khi bảo quản trong điều kiện dưới 50C nhưng từ

kết quả thu được ta thấy, bước sang tuần thứ 5 tốc độ chuyển dạng của asen lại tăng nhanh

đồng thời có sự mất asen trong dung dịch. Như vậy quá trình bảo quản mẫu phân tích không

nên để quá thời gian 4 tuần.

3.2.4. Khảo sát ảnh hƣởng của oxi hòa tan đến quá trình chuyển dạng

Hàm lượng oxi hòa tan trong dung dịch sẽ ảnh hưởng đến quá trình chuyển dạng. Oxi

tham ra vào phản ứng oxi hóa As(III) lên As(V) làm cho nồng độ As(III) giảm đồng thời làm

tăng nồng độ As(V). Như vậy trong quá trình bảo quản mẫu nên để trong chai kín. Quá trình

lấy mẫu phân tích từ các giếng khoan cũng cần lấy nước ở phía dưới để tránh sự tiếp xúc với

không khí làm thay đổi thành phần mẫu, kết quả phân tích không thể hiện đúng bản chất của

mẫu.

3.2.5. Khảo sát ảnh hƣởng của các ion đến quá trình bảo quản các dạng As

Mặc dù các ion khảo sát ở nồng độ khá cao nhưng hầu như không ảnh hưởng đến quá

trình chuyển dạng của asen trừ ion Fe3+

, Cl- và NO3

- ở ngưỡng nồng độ 0,5M cũng không ảnh

hưởng đến sự chuyển dạng của asen, vì vậy trong quá trình bảo quản mẫu khi điều chỉnh pH<

2 ta có thể sử dụng HCl đặc hoặc HNO3 đặc thêm vào để bảo quản mẫu. Ion Fe3+

có ảnh

hưởng rất lớn đến quá trình chuyển dạng asen, do Fe3+

là xúc tác cho phản ứng oxi hóa As(III)

thành As(V), làm cho một lượng lớn As(III) chuyển thành As(V), vì vậy cần phải tìm biện

pháp để loại bỏ ảnh hưởng của ion này đảm bảo nồng độ các dạng asen ổn định trong suốt

thời gian bảo quản.

3.2.6. Khảo sát ảnh hƣởng của Fe3+

khi có mặt EDTA

khi nồng độ EDTA lớn hơn 1ppm thì nồng độ các dạng asen ổn định trong suốt

khoảng thời gian mà chúng tôi tiến hành khảo sát. Ở nồng độ EDTA là 1,5 và 2ppm cũng cho

kết quả tương tự, điều đó đồng nghĩa với việc lượng dư EDTA không ảnh hưởng đến quá

trình xác định asen. Như vậy EDTA có thể sử dụng để bảo quản tốt các dạng asen trong mẫu

có sắt do ở điều kiện pH < 2 EDTA tạo phức bền với sắt. Vì vậy, làm cho sắt không ảnh

hưởng đến sự chuyển dạng của asen.

Tóm lại : Sau khi tiến hành nghiên cứu quá trình chuyển dạng của asen ta có thể xây

dựng quy trình lấy mẫu và bảo quản mẫu trong phân tích dạng asen như sau:

Nước giếng khoan bơm lên 5 phút để loại bỏ nước cũ đã bị lắng đọng một phần hoặc

oxi hóa trong không khí, sau đó lấy vào chai nhựa đã xử lí sạch, thêm HCl đặc sao cho pH

khoảng 2 ( Cho khoảng 5ml HCl đặc vào 1 lít mẫu), thêm khoảng 5ml EDTA 0,25M/lít mẫu,

đậy kín, đánh số và chuyển về phòng thí nghiệm, bảo quản ở nhiệt độ dưới 50C trong bóng

tối.

3.3. ĐÁNH GIÁ PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH

phương pháp có độ ổn định cao, độ lệch chuẩn và hệ số biến động nhỏ. Vì vậy có thể

kết luận rằng, đối với cả 4 dạng As này, phương pháp HVG-AAS sử dụng mô hình PCR cho

kết quả tương đối tốt, có thể áp dụng vào thực tế phân tích.

3.4. ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH MẪU THỰC TẾ

12

3.4.1. Lấy mẫu nƣớc ngầm và xử lí sơ bộ mẫu

Qui trình lấy mẫu nước ngầm: Tiến hành lấy mẫu theo quy trình lấy mẫu vừa nghiên

cứu trên.

Địa điểm lấy mẫu: Khảo sát hàm lượng các dạng As trong nước ngầm ở khu vực

huyện Lâm Thao – Phú Thọ. Bảo quản trong điều kiện tối ưu sau 2 ngày đem phân tích.

3.4.2. Xác định hàm lƣợng các dạng As trong mẫu thực

Xác định nồng độ các dạng As trong 5 mẫu nước ngầm theo phương pháp HVG-AAS sử dụng

mô hình PCR. Kết quả thu được như sau:

Bảng 3.3: Hàm lượng các dạng As trong các mẫu tính theo phương pháp

đường chuẩn (đã tính đến hệ số pha loãng)

Mẫu Nồng độ các chất, ppb

As(III) As(V) DMA MMA

1 5,10,1

RSD = 2%

2,1 0,2

RSD = 2% <LOD

1,6 0,1

RSD = 2%

2 3,2 0,1

RSD = 3%

1,2 0,2

RSD = 2%

0,70,1

RSD = 17%

1,3 0,2

RSD = 3%

3 4,5 0,2

RSD = 6%

2,5 0,2

RSD = 3% <LOD

1,1 0,1

RSD = 3%

4 5,1 0,2

RSD = 6%

2,1 0,2

RSD = 3%

0,4 0,1

RSD = 26%

2,1 0,1

RSD = 3%

5 3,8 0,2

RSD = 6%

1,4 0,1

RSD = 1%

0,2 0,1

RSD = 45%

1,0 0,1

RSD = 3%

Nhận thấy hàm lượng As(III) có mặt trong mẫu là lớn hơn cả, dạng DMA có hàm

lượng rất thấp thậm chí có những mẫu không phát hiện như mẫu 1 và 3. Phần lớn các mẫu đều

có tổng hàm lượng As dưới 10ppb. Có thể thấy độc tính As trong phần lớn các mẫu này

không cao, tổng hàm lượng As nằm trong giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn của WHO. Như

vậy, các mẫu đều có hàm lượng As trong giới hạn an toàn cho nước sinh hoạt.

KẾT LUẬN

Với mục tiêu đặt ra cho luận văn là tối ưu hóa các điều kiện xác định đồng thời các

dạng As bằng phương pháp HVG – AAS sử dụng chemometrics, áp dụng phương pháp đó

nghiên cứu quá trình chuyển dạng của asen, sau một thời gian nghiên cứu, chúng tôi thu được

một số kết quả chính sau:

1. Lựa chọn các điều kiện tối ưu cho quá trình xác định đồng thời các dạng As bằng

phương pháp HVG – AAS.

2. Đã xác định được khoảng tuyến tính phép xác định riêng rẽ từng dạng As bằng

phương pháp HVG – AAS: Khoảng tuyến tính của As(III) từ 0,2 – 10ppb, As(V) 1 – 40ppb,

DMA 0,5 – 30ppb, MMA 0,5 – 15ppb. Khả năng cộng tính trong tín hiệu đo trên toàn vùng

13

tuyến tính của các dạng này đều cao, hoàn toàn thỏa mãn điều kiện của phương pháp hồi qui

đa biến tuyến tính xác định đồng thời các cấu tử trong dung dịch.

3. Đã xây dựng ma trận nồng độ từ đó thiết lập phương trình hồi qui đa biến và áp

dụng phần mềm Matlab để tính toán ma trận hệ số hồi qui dựa trên thuật toán PCR.

4. Đã nghiên cứu quá trình chuyển dạng của các dạng As và tìm điều kiện tối ưu cho

quá trình bảo quản. Cụ thể: Bảo quản mẫu trong chai nhựa tối màu, đậy kín tránh tiếp xúc với

oxi không khí, ở nhiệt độ dưới 50C, mẫu được bảo quản ở pH dưới 2 và có thêm EDTA để

ngăn cản quá trình chuyển dạng của asen, thời gian bảo quản mẫu trong quá trình phân tích

không quá 4 tuần.

5. Tiến hành đánh giá phương pháp phân tích và kết quả cho thấy phương pháp này có

hiệu suất thu hồi cao, độ đúng và độ chụm cao, có thể áp dụng phân tích các đối tượng thực

tế.

6. Phân tích hàm lượng các dạng As trong 5 mẫu nước ngầm ở khu vực huyện Lâm

Thao – Phú Thọ theo phương pháp HVG – AAS sử dụng mô hình PCR. Kết quả phân tích các

mẫu đó cũng cho thấy, độc tính của As trong phần lớn các mẫu đều không cao do hàm lượng

As vô cơ thấp và tổng hàm lượng các dạng As trong đó đều không quá cao so với giới hạn cho

phép nên có thể sử dụng trong sinh hoạt.

References

Tiếng Việt:

1. Đỗ Văn Ái, Mai Trọng Nhuận, Nguyễn Khắc Vinh (2000), Một số đặc điểm phân bố

Asen trong tự nhiên và vấn đề ô nhiễm Asen trong môi trường ở Việt Nam, Hội thảo

Asen quốc tế.

2. Bách khoa toàn thư mở Wikipedia (2007), Phân tích As bằng phương pháp AAS

3. Bùi Thị Bích (2003) nghiên cứu phương pháp động học xúc tác định lương vết asen

trong nước dưới tác dụng hoạt hóa của asen(III) với phản ứng chỉ thị Fe(II)-O-

Phenantrolin K2Cr2O7, Luận văn tốt nghiệp, Khoa hóa học, Đại học Khoa Học Tự

Nhiên-Đại học Quốc Gia Hà Nội.

4. Cấp báo ô nhiễm thạch tín – cần ngăn chặn nguy cơ đối với nước ngầm

http://www.neo.gov.vn/thongtinmt/noidung/kt28-2-03.htm.

5. Điều tra ô nhiễm Asen trong nước ngầm tại ngoại thành Hà Nội(2005), hội khoa học kĩ

thuật phân tích l y, hóa, sinh học Việt Nam.

6. Nguyễn Thị Thu Hằng(2008), Nghiên cứu các điều kiện xác định các dạng Asen bằng

phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử, Luận văn thạc sĩ, Khoa hóa học, Đại học Khoa Học

Tự Nhiên-Đại học Quốc Gia Hà Nội.

14

7. Nguyễn Hoàng Hải, Nguyễn Việt Anh (2005), Lập trình Matlab và ứng dụng, NXB

KHKT, Hà Nội.

8. Trần Tứ Hiếu, Phạm Hùng Việt, Nguyễn Văn Nội, Giáo trình hóa học môi trường cơ sở,

Hà Nội, 1999.

9. Phạm Luận, Phạm Thị Chung (2001), Nghiên cứu tối ưu hóa các điều kiện tạo hợp chất

hyđrua asin để xác định lượng nhỏ asen trong quặng địa chất bằng phép đo phổ hấp thụ

nguyên tử với kỹ thuật hyđrua hóa, Tạp chí Phân tích : Hóa, L‎, Sinh học, tập 6, số 1.

10. Lê Tùng Linh(2006) Nghiên cứu điện cực đã tàng và ứng dụng Phân tích lượng vết asen

bằng phương pháp von-ampe hòa tan, Luận văn tốt nghiệp, Khoa hóa học, Đại học Khoa

Học Tự Nhiên-Đại học Quốc Gia Hà Nội.

11. Trần Tố Mai(2004), Sử dụng phức asenômlypdat dạng xanh đo quang xác định lượng vết

asen, Luận văn tốt nghiệp, Khoa Hóa Học, ĐH KHTN-ĐHQG.

12. Mạng thông tin khoa học và công nghệ Việt Nam, nước nhiễm Asen 10 triệu người có

nguy cơ mắc bệnh

13. Nhiễm độc Asen qua nước uống

http://www.idm.gov.vn/nguonluc/Xuatban/AnPham/Asen/a23.htm

14. Hoàng Nhâm (2001), Hoá học vô cơ, tập 2, NXB Giáo Dục.

15. Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab và Simulink, NXB KHKT, Hà Nội.

16. Nguyễn Như Tùng(2003), Xác định lượng vết asen trong nước bằng phương pháp Von-

ampe hòa tan hấp phụ, Luận văn tốt nghiệp, Khoa hóa học, Đại học Khoa Học Tự

Nhiên-Đại học Quốc Gia Hà Nội.

17. PGS-TS Nguyễn Khắc Hải : Ảnh hưởng của ô nhiễm Asen trong nguồn nước đến sức

khỏe con người- Viện y học lao động và Vệ sinh môi trường :

www.nea.goc.vn/tapchi/toanvan/07-2k6-09.htm

18. Phạm Thị Ngọc Yến, Ngô Hữu Tình, Lê Tần Hùng, Ngô Thị Lan Hương (2007), Cơ sở

Matlab và ứng dụng, NXB KHKT, Hà Nội.

Tiếng Anh:

19. Mohammed Joinal Abedin, Jo¨ rg Feldmann, and Andy A. Meharg (2002), Uptake

Kinetics of Arsenic Species in Rice Plants, Plant Physiology,Vol.128, 1120–1128.

15

20. Mike J. Adams (2004), Chemometrics in Analytical Spectroscopy, Royal Society of

Chemistry, UK.

21. Kazi Farzana Akter, Zuliang Chena, Lester Smith, David Davey, Ravi Naidu (2005),

Speciation of arsenic in ground water samples: A comparative study of CE-UV, HG-

AAS and LC-ICP-MS, Talanta, Vol.68, 406–415.

22. A.J. Bednar, J.R. Garbarino, M.R. Burkhardt, J.F. Ranville,T.R. Wildeman (2004), Field

and laboratory arsenic speciation methods and their application to natural-water

analysis, Water Research, Vol.38, 355–364.

23. K. P. Cantor (1997), Drinking water and cancer, Cancer Causes Control, Vol.8(3), 292-

308.

24. C. Ferreccio, C. Gonzalez, V. Milosavjlevic, G. Marshall, A. M. Sancha and A. H. Smith

(2000), Lung cancer and arsenic concentrations in drinking water in Chile,

Epidemiology, Vol.11(6), 673-679.

25. R. T. Gettar, R. N. Garavaglia, E.A. Gautier, D.A. Batiston (2000), Determination of

inorganic and organic anionic arsenic species in water by ion chromatography coupled

to hydride generation–inductively coupled plasma atomic emission spectrometry, Journal

of Chromatography A, Vol.884, 211–221.

26. Jose Luis Gómez-Arina, Daniel Sánchez-Rodas, Inmaculada Giráldez, Emilio Morales

(1999), A comparision between ICP-MS and AFS detection for arsenic speciation in

environmental samples, Talanta , Vol.51, 257-268.

27. Zhilong Gong, Xiufen Lu, Mingsheng Ma, Corinna Watt, X. Chris Le (2002), Arsenic

speciation analysis, Talanta, Vol.58, 77–96.

28. Bin He, Yu Fang, Guibin Jiang, Zheraing Ni (2002), Optimization of the extraction for

the determination of arsenic species in plant materials by high-performance liquid

chromatography coupled with hydride generation atomic fluorescence spectrometry,

Spectrochimica Acta, Vol.57(Part B), 1708-1711.

29. Shizuko Hirata, Hideki Toshimitsu (2007), Determination of arsenic species and

arsenosugars in marine samples by HPLC-ICP-MS, 447 - 454

30. Richard Kramer (1998), Chemometric techniques for quantitative analysis, Marcel

Dekker, Inc, New York, USA.

16

http://www.utexas.edu/research/ceer/dfe/project2.pdf

31. M. Morita, J. S. Edmonds (1992), Determination of Arsenic species in Environmental

and Biological samples, Pure and Applied Chemistry, Vol.64(4), 575 – 590.

32. L.M. Del Razo, M. Styblo, W.R Cullen, and D.J. Thomas (2001), Determination of

Trivalent Methylated Arsenicals in Biological Matrices, Toxicology and Applied

Pharmacology, Vol.174, 282 – 293

33. V.K. Saxena, Sanjeev Kumar and V. S. Singh (2004), Occurrence, behaviour and

speciation of arsenic in groundwater, Current Science, Vol.86(2), 281 – 284.

34. Richard Schaeffer, Csilla Soeroes, Ildiko Ipolyi, Peter Fodor, Nikolaos S.Thomaidis

(2005), Determination of arsenic species in seafood samples from the Aegean Sea by

liquid chromatography–(photo-oxidation)–hydride generation–atomic fluorescence

spectrometry, Analytica Chimica Acta, Vol.547, 109–118.

35. Jian-bo Shi, Zhi-yong Tang, Ze-xiang Jin, Quan Chi, Bin He, Gui-bin Jiang (2005),

Determination of As(III) and As(V) in soils using sequential extraction combined with

flow injection hydride generation atomic fluorescence detection, Analytica Chimica

Acta, Vol.477, 139-147.

36. Tran Thanh Nha (2004), Determination of arsenic species in contaminated. soil

leachates using hydride generation-GC. coupled to ICPMS or quarts tube AAS