Tài liệu Xác định kim loại nặng trong thực phẩm bằng phương pháp phổ khối lượng cao tần cảm ứng Plasma ICP-MS

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TƢ̣ NHIÊN ----------------------- NGUYỄN THỊ NGA XÁC ĐỊNH KIM LOẠI NẶNG TRONG THỰC PHẨM BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƢỢNG CAO TẦN CẢM ỨNG PLASMA ICP-MS LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TƢ̣ NHIÊN ----------------------- NGUYỄN THỊ NGA XÁC ĐỊNH KIM LOẠI NẶNG TRONG THỰC PHẨM BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƢỢNG CAO TẦN CẢM ỨNG PLASMA ICP-MS Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 60 44 29 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS LÊ NHƢ THANH Hà Nội - 2012 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Hệ trang bị ICP-MS Hình 2.2: Hình ảnh máy ICP – MS (ELAN 9000) Hình 3.1: Giá trị SDe Hình 3.2: Ảnh hƣởng của công suất cao tần Hình 3.3: Ảnh hƣởng của lƣu lƣợng khí mang Hình 3.4: Ảnh hƣởng của thế thấu kính ion Hình 3.5: Đƣờng chuẩn các kim loại cần phân tích DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Ngƣỡng giới hạn một số kim loại nặng Bảng 2.1: Hệ số dw% của các mẫu Bảng 3.1: Số khối và tỉ lệ đồng vị đối với các nguyên tố phân tích Bảng 3.2: Các thông số tối ƣu cho máy ICP-MS Bảng 3.3: LOD và LOQ của phép đo ICP-MS Bảng 3.4: Nồng độ các kim loại trong dung dịch chuẩn kiểm tra Bảng 3.5: Hiệu suất thu hồi khi xử lý mẫu theo quy trình 1 Bảng 3.6: Hiệu suất thu hồi khi xử lý mẫu theo quy trình 2 Bảng 3.7: Hiệu suất thu hồi khi xử lý mẫu theo quy trình 3 Bảng 3.8: Hiệu suất thu hồi khi xử lý mẫu theo quy trình 4 Bảng 3.9: Hiệu suất thu hồi khi xử lý mẫu theo quy trình 5 Bảng 3.10: Hàm lƣợng các kim loại (mg/kg) trong mẫu thực phẩm khi phân tích lặp lại Bảng 3.11: Kết quả phân tích hàm lƣợng các kim loại nặng (mg/kg) trong mẫu thực phẩm Bảng 3.12: Hàm lƣợng giới hạn của một số kim loại trong thực phẩm Bảng 3.13: Danh sách các mẫu có hàm lƣợng một số kim loại vƣợt quá quy định. MỤC LỤC CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN................................................................................................ 3 1.1.Tổng quan chung về thực phẩm ....................................................................................... 3 1.1.1. Định nghĩa chung về thực phẩm [15] .......................................................................... 3 1.1.2. Phân loại thực phẩm .................................................................................................... 3 1.2. Chất lƣợng nguồn thực phẩm ở nƣớc ta hiện nay. ......................................................... 3 1.2.1. Các yếu tố gây ô nhiễm nguồn thực phẩm ................................................................... 3 1.2.2. Tình hình ô nhiễm kim loại nặng trong thực phẩm hiện nay [ 10, 12 ] ....................... 5 1.3. Ảnh hƣởng của kim loại nặng đến cơ thể sống ............................................................... 7 1.3.1. Cơ chế gây độc của kim loại nặng [4, 9] .................................................................... 7 1.3.1.1.Vùng tác động ............................................................................................................ 7 1.3.1.2. Các yếu tố làm thay đổi độc tính .............................................................................. 8 1.3.2. Các tác dụng độc của kim loại [ 4, 9] ......................................................................... 9 1.3.2.1. Gây ung thƣ ............................................................................................................. 9 1.3.2.2. Giảm chức năng miễn dịch ....................................................................................... 9 1.3.2.3. Ảnh hƣởng hệ thần kinh ........................................................................................... 9 1.3.2.4. Ảnh hƣởng đến thận................................................................................................ 10 1.3. Các phƣơng pháp xác định lƣợng vết kim loại nặng .................................................... 10 1.3.1. Phƣơng pháp phổ khối lƣợng plasma cao tần cảm ứng ICP-MS ............................... 10 1.3.2. Các phƣơng pháp phân tích quang học ...................................................................... 14 1.3.2.1. Phƣơng pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS ................................................. 14 1.3.2.2. Phƣơng pháp quang phổ phát xạ nguyên tử AES .................................................. 15 1.3.2.3. Phƣơng pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS .................................................. 16 1.3.2.4. Phƣơng pháp huỳnh quang .................................................................................... 18 1.3.3. Các phƣơng pháp phân tích điện hoá ......................................................................... 19 1.3.3.1. Phƣơng pháp cực phổ ............................................................................................ 19 1.3.3.2. Phƣơng pháp Von-Ampe hoà tan ............................................................................ 20 1.4. Phƣơng pháp xử lý mẫu thực phẩm .............................................................................. 21 1.4.1. Nguyên tắc xử lý mẫu ................................................................................................ 21 1.4.2. Một số phƣơng pháp xử lý mẫu thực phẩm xác định hàm lƣợng kim loại nặng ....... 22 Chƣơng 2-THỰC NGHIỆM ................................................................................................ 25 2.1. Đối tƣợng và nội dung nghiên cứu. .............................................................................. 25 2.1.1. Đối tƣợng: .................................................................................................................. 25 2.1.2. Nội dung nghiên cứu.................................................................................................. 25 2.2. Hóa chất, thiết bị và dụng cụ ........................................................................................ 25 2.2.1. Hóa chất .................................................................................................................... 25 2.2.2. Thiết bị và dụng cụ .................................................................................................... 25 Hệ trang bị của phép đo ICP-MS ......................................................................................... 26 2.3. Lấy mẫu, bảo quản mẫu. ............................................................................................... 27 2.3.1. Lấy mẫu ..................................................................................................................... 27 Chƣơng 3- KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................................... 30 3.1. Tối ƣu hoá các điều kiện phân tích bằng phƣơng pháp ICP-MS .................................. 30 3.1.1. Chọn đồng vị phân tích .............................................................................................. 30 3.1.2. Độ sâu mẫu (Sample Depth - SDe):........................................................................... 31 3.1.3. Công suất cao tần (Radio Frequency Power - RFP): ................................................. 31 3.1.4. Lƣu lƣợng khí mang (Nebulized gas flow – NGF) .................................................... 32 3.1.5.Thế thấu kính ion ........................................................................................................ 33 3.2. Đánh giá phƣơng pháp phân tích .................................................................................. 35 3.2.1. Khoảng tuyến tính ...................................................................................................... 35 3.2.2. Đƣờng chuẩn .............................................................................................................. 36 3.2.3. Giới hạn phát hiện và giới hạn định lƣợng ................................................................ 40 3.3. Xây dựng quy trình xử lý mẫu thực phẩm .................................................................... 46 3.3.1. Các quy trình xử lý mẫu khảo sát .............................................................................. 46 3.3.2. Đánh giá hiệu suất thu hồi ......................................................................................... 47 3.3.3. Độ lặp lại của phƣơng pháp khi phân tích mẫu thực tế ............................................. 56 3.4. Kết quả phân tích hàm lƣợng kim loại nặng trong mẫu thực phẩm.............................. 57 KẾT LUẬN .......................................................................................................................... 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 64 MỞ ĐẦU Xã hội càng phát triển thì nhu cầu của con ngƣời ngày càng tăng. Kinh tế tăng trƣởng dẫn tới con ngƣời yêu cầu những sản phẩm, dịch vụ tốt nhất. Trong đó nhu cầu về thực phẩm sạch, an toàn và đảm bảo sức khỏe trở thành nhu cầu thiết yếu, cấp bách và đƣợc xã hội và ngƣời dân hết sức quan tâm. Tuy nhiên ở nƣớc ta hiện nay, sự bùng nổ của dân số cùng với tốc độ đô thị hóa, công nghiệp hóa, hiện đại hóa nhanh chóng đã tạo ra một sức ép lớn tới môi trƣờng sống của ngƣời dân. Nhu cầu về lƣợng thực phẩm ngày càng tăng trong khi đó diện tích để sản xuất ngày càng bị thu hẹp.Thêm vào đó do lợi nhuận mà nhiều nhà sản xuất đã sử dụng nhiều hóa chất, chế phẩm, phụ gia có hại cho sức khỏe con ngƣời và môi trƣờng vào thực phẩm từ khâu sản xuất, chế biến, bảo quản…Do đó vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm hiện nay đang là vấn đề nóng, đƣợc cả nhà nƣớc và ngƣời dân hết sức quan tâm. Thực phẩm quan trọng đối với con ngƣời có thể ví nhƣ không khí để thở, nƣớc để uống. Chúng là nguồn cung cấp năng lƣợng, vitamin, khoáng chất cho cơ thể. Tuy nhiên hiện nay chất lƣợng nguồn thực phẩm đang rất báo động, nhiều trƣờng hợp bị ngộ độc thức ăn, nhiều căn bệnh ở ngƣời mà nguyên nhân chủ yếu do con đƣờng ăn uống. Thực phẩm hiện nay có thể bị ô nhiễm nhiều thứ nhƣ: thuốc trừ sâu, chất kích thích, thuốc tăng trọng, chất bảo quản….và đặc biệt là ô nhiễm kim loại nặng. Theo các chuyên gia về vệ sinh an toàn thực phẩm, thực phẩm có thể bị ô nhiễm các kim loại nặng (các kim loại có khối lƣợng nguyên tử lớn nhƣ: chì, asen, kẽm, đồng, thủy ngân, cadmi, crom...) do việc sử dụng các nguyên liệu, phụ gia để sản xuất, chế biến không tinh khiết, có hàm lƣợng kim loại nặng vƣợt mức cho phép. Khi nhiễm vào cơ thể, kim loại nặng tích tụ trong các mô. Cơ thể cũng có cơ chế đào thải, nhƣng tốc độ tích tụ lớn hơn gấp nhiều lần. Ở ngƣời, kim loại nặng có thể tích tụ vào nội tạng nhƣ gan, thận, thần kinh, xƣơng khớp gây nhiều căn bệnh nguy hiểm đặc biệt là bệnh ung thƣ. Vì vậy việc điều tra, đánh giá chất lƣợng nguồn thực phẩm hiện nay là rất quan trọng, một trong những chỉ tiêu để đánh giá là hàm lƣợng các kim loại nặng. 1 Trong các phƣơng pháp đƣợc sử dụng hiện nay (AAS, AES, UV-VIS, ICP-MS….) thì phƣơng pháp ICP-MS là một phƣơng pháp ƣu việt vì có thể xác định đồng thời nhiều kim loại với giới hạn phát hiện thấp. Trong bản luận văn này 11 kim loại Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb, Hg, Fe đƣợc xác định trong các mẫu rau, củ, quả và mẫu thịt bằng phƣơng pháp ICP-MS. 2 CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN 1.1.Tổng quan chung về thực phẩm 1.1.1. Định nghĩa chung về thực phẩm [15] Thực phẩm hay còn đƣợc gọi là thức ăn là bất kỳ vật phẩm nào, bao gồm chủ yếu các chất: chất bột (cacbohydrat), chất béo (lipit), chất đạm (protein), hoặc nƣớc, mà con ngƣời có thể ăn hay uống đƣợc, với mục đích cơ bản là thu nạp các chất dinh dƣỡng nhằm nuôi dƣỡng cơ thể hay vì sở thích. 1.1.2. Phân loại thực phẩm Có rất nhiều cách phân loại thực phẩm:  Theo nguồn gốc: thực phẩm có nguồn gốc động vật (trên cạn, dƣới nƣớc, trên không…) , thực vật ( rau, củ, quả, hạt,hoa...)  Theo cách bảo quản: thực phẩm tƣơi, đông lạnh, đóng hộp….  Theo cách chế biến : thực phẩm chƣa qua chế biến, thực phẩm đã qua chế biến … Ngoài ra hiện nay còn xuất hiện nhiều loại thực phẩm mới do sự phát triển của xã hội :  Thực phẩm chức năng  Thực phẩm dinh dƣỡng 1.2. Chất lƣợng nguồn thực phẩm ở nƣớc ta hiện nay. 1.2.1. Các yếu tố gây ô nhiễm nguồn thực phẩm  Trong quá trình sản xuất: +) Các loại cây đƣợc trồng trên các khu đất bị ô nhiễm, tƣới nguồn nƣớc không đảm bảo, sử dụng quá nhiều loại thuốc bảo vệ thực vật và thuốc kích thích tăng trƣởng; tiến hành thu hoạch khi thời gian sử dụng thuốc bảo vệ thực vật vẫn còn trong giai đoạn gây độc…. +) Các loại con ( gia súc, gia cầm, thủy hải sản….) có chất lƣợng con giống không đảm bảo, trong quá trình chăn nuôi sử dụng nguồn thức ăn không sạch, dùng quá nhiều thuốc kích thích tăng trƣởng dẫn tới chất lƣợng thực phẩm không cao và 3 còn có thể gây hại cho sức khỏe con ngƣời nếu dƣ lƣợng của chúng còn lại trong sản phẩm vƣợt quá quy định cho phép.  Trong quá trình chế biến và bảo quản: Ngƣời ta sử dụng một số hóa chất, phụ gia trong khi chế biến, bảo quản nhằm mục đích cho sản phẩm để đƣợc lâu hơn, tránh nấm mốc, hình thức bắt mắt hơn …..tuy nhiên nếu lạm dụng quá sẽ gây nên tác hại cho ngƣời sử dụng. TS.BS. Vƣơng Tuấn Anh, Viện Vệ sinh dịch tễ trung ƣơng cho biết, nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát, nghiên cứu tại hai điểm khu vực ven đô TP. Hà Nội trong mùa mƣa và mùa khô. Điểm thứ nhất là phƣờng Hoàng Liệt (Quận Hoàng Mai) nơi lấy nƣớc tƣới từ sông Tô Lịch và Kim Ngƣu - 2 con sông chứa nƣớc thải lớn nhất thành phố thông qua trạm bơm và hệ thống kênh dẫn. Điểm nghiên cứu thứ hai là Long Biên với nguồn nƣớc tƣới chủ yếu là ao chứa nƣớc mƣa và nƣớc sông Hồng hoặc nƣớc giếng hộ gia đình. Ở mỗi điểm, nhóm nghiên cứu lựa chọn ngẫu nhiên 6 hộ gia đình tham gia trồng rau với loại rau nghiên cứu chính là rau muống. TS. Vƣơng Tuấn Anh cho biết: “Mỗi hộ gia đình chúng tôi lấy 6 mẫu. Thƣờng vào buổi sáng, hộ gia đình tại Hoàng Liệt thu hoạch rau muống và rửa rau tại kênh dẫn nƣớc tƣới để giữ cho rau ẩm. Sau đó, rau muống đƣợc những ngƣời bán buôn mua và vận chuyển đến các chợ trong nội thành. Tại Long Biên, nông dân thu hoạch rau vào buổi chiều và rửa rau bằng nƣớc giếng tại hộ gia đình để giữ ẩm sau đó, để qua đêm cho tới sáng hôm sau mới mang ra chợ”. [6] Cùng thời điểm, một nghiên cứu độc lập khác cũng đƣợc tiến hành tại chợ Hoàng Liệt (gần khu vực nuôi trồng rau bằng nƣớc thải) và chợ Hàng Bè (tập trung rau từ nhiều khu vực sản xuất khác nhau). Các loại rau chủ yếu là rau húng, rau mùi, kinh giới, rau muống, rau rút. Tổng cộng có 96 mẫu rau đƣợc lấy tại Hoàng Liệt và 118 mẫu từ Long Biên. Sau đó, các mẫu này đƣợc đƣa đi xét nghiệm tại Viện Vệ sinh dịch tễ trung ƣơng. Kết quả cho thấy, những mẫu rau thu thập đƣợc tại chợ đều ẩn chứa rất nhiều vi khuẩn coliform và các vi khuẩn gây ra bệnh đƣờng ruột. Đặc biệt, những vi khuẩn này có nhiều nhất trong các loại rau nhƣ rau muống, rau húng, kinh giới, rau rút [6]. 4 “Đa số các mẫu sản phẩm nhƣ mì sợi tƣơi, thực phẩm chay dƣơng tính với formol, mẫu hoa chuối, bẹ chuối, măng chua có chất tẩy trắng, phẩm mầu…”[11] Đó là kết luận của các đợt kiểm tra từ tháng 5-10/2011, tại TP HCM và các tỉnh phía Nam, đoàn kiểm tra của cục an toàn vệ sinh thực phẩm (Bộ Y tế) phát hiện khoảng 300/440 mẫu sản phẩm có chứa hóa chất độc hại. Tại các tỉnh phía Bắc, phổ biến tình trạng tƣơng ớt đƣợc sử dụng hoá chất độc hại Rhodamine B để nhuộm màu. Đặc biệt, có 15% mẫu bún, bánh phở, bánh giò, bánh phu thê có hàn the, phẩm màu, mì ăn liền và nƣớc giải khát chứa kiềm…Đáng chú ý là sản phẩm ớt tấm Thành Lộc, loại hũ 50g (lô hàng có ngày sản xuất 3/7/2011, hạn sử dụng 3/7/2012) của Công ty Cổ phần sản xuất đầu tƣ thƣơng mại Thành Lộc, chi nhánh trên đƣờng Cộng Hòa, phƣờng 12, quận Tân Bình, TP.HCM có chứa chất rhodamin B - chất gây ung thƣ. Sản phẩm mứt kaze lá dứa (thƣờng đƣợc dùng làm bánh kem), loại hũ 1kg (lô hàng có ngày sản xuất 20/10/2011, hạn sử dụng 20/10/2012) của Công ty TNHH một thành viên sản xuất thƣơng mại dịch vụ Mộc Thủy (đƣờng TA09, tổ 10, khu phố 3, phƣờng Thới An, Q.12) có chứa chất nhuộm màu cực kỳ nguy hiểm là malachite green, chỉ dùng trong sản xuất công nghiệp. Trƣớc đó, cơ quan chức năng đã thanh tra nhiều bếp ăn tập thể, các cơ sở sản xuất mứt, giò, chả, lạp xƣởng… và phát hiện nhiều mẫu hạt dƣa, ớt bột, tƣơng ớt, gia vị lẩu… không nhãn mác, không hạn sử dụng, chủ sạp không chứng minh đƣợc nguồn gốc mặt hàng đang bày bán. Trong đó, hạt dƣa và ớt bộc có chứa chất hóa học độc hại. 1.2.2. Tình hình ô nhiễm kim loại nặng trong thực phẩm hiện nay [ 10, 12 ] Các nhà chuyên môn về vệ sinh an toàn thực phẩm cảnh báo rằng nhiều loại rau sinh trƣởng trong vùng đất thấp, ao hồ, kênh rạch nhƣ rau muống, rau rút, rau cần, ngó sen dễ tích tụ những kim loại nặng nhƣ đồng, chì, kẽm, thủy ngân... Các chất này có trong nƣớc thải chƣa đƣợc xử lý triệt để từ các nhà máy, xí nghiệp, cơ sở sản xuất. Đề tài nghiên cứu hàm lƣợng kim loại nặng trong bùn đáy, trong nƣớc và trong một số loại rau thủy sinh, của TS Bùi Cách Tuyến, Hiệu trƣởng ĐH Nông Lâm TP HCM, thực hiện trong 2 năm (1999-2000) tại TP HCM cho thấy, nhiều 5 mẫu rau đƣợc lấy phân tích không an toàn, rất nhiều loại bị ô nhiễm nặng. Hàm lƣợng kẽm trong mẫu rau muống ở Bình Chánh cao gấp 30 lần mức cho phép, tại các ao rau muống ở Thạnh Xuân cao gấp 2-4 đến 12 lần. Hai mẫu rau rút ở Thạnh Xuân có hàm lƣợng chì gấp 8,4-15,3 lần mức cho phép, mẫu rau muống ở Thạnh Xuân có hàm lƣợng chì cao gấp 2,24 lần, mẫu rau muống ở Bình Chánh có hàm lƣợng chì cao gấp 3,9 lần, mẫu ngó sen ở Tân Bình có hàm lƣợng chì cao gấp 13,65 lần. Hàm lƣợng kim loại đồng tại một ruộng rau muống ở Thạnh Xuân cao gấp 2 lần mức cho phép...[12] Theo GS-TS Nguyễn Thị Kê, Trƣởng khoa Kiểm nghiệm trung tâm, Viện Vệ sinh Y tế công cộng, nguyên nhân chính dẫn đến rau bị nhiễm kim loại nặng, là do trồng gần cơ sở sản xuất, nguồn nƣớc, vi lƣợng trong phân vƣợt quá hàm lƣợng, bón phân hoá học và thời gian khai thác rau. Một số kim loại nặng với hàm lƣợng thích hợp sẽ có lợi cho cơ thể nhƣng nếu vƣợt quá mức cho phép sẽ gây ngộ độc. Ngoài ra, một số kim loại khác xâm nhập vào cơ thể ảnh hƣởng đến thần kinh, tóc, răng, da và có thể gây ung thƣ. [12] Ông Huỳnh Thanh Hùng, giảng viên khoa Nông học ĐH Nông lâm TP HCM, còn cho biết ngƣời trồng rau phần lớn đều sử dụng phân chuồng từ lợn, gà, trong khi đó những gia súc gia cầm này đƣợc nuôi từ thức ăn tổng hợp là khá phổ biến. Thức ăn dạng này có nhiều khoáng vi lƣợng. Hàm lƣợng kim loại trong phân sẽ xâm nhập vào đất trồng và tồn lƣu trong các loại nông sản đặc biệt là đối với các loại rau ăn lá nhƣ cải ngọt, cải xanh, xà lách. [12] Viện Dinh dƣỡng Quốc gia vừa công bố số liệu điều tra khẩu phần ăn của trẻ từ 24-36 tháng tuổi ở các phƣờng thuộc 4 quận nội thành Hà Nội, gồm: Ba Đình, Hoàn Kiếm, Đống Đa và Hai Bà Trƣng. Kết quả cho thấy, 12 loại thực phẩm nhƣ: gạo, thịt lợn, rau muống… có tỷ lệ nhiễm chì và asen rất cao [10]. Theo kết quả xét nghiệm 12 mẫu thực phẩm cho thấy, nhóm thực phẩm ăn hàng ngày bị nhiễm chì cao nhất là ở gạo, thịt lợn, rau muống, tôm dảo, cam, quýt… Thực phẩm vƣợt quá quy định của Bộ Y tế về cadimin nhiều nhất cũng có ở gạo, thịt lợn, thịt bò. cadimin cũng xuất hiện tại các thực phẩm khác nhƣ trứng gà. 6 Nhóm nghiên cứu cũng cho rằng, lƣợng cadimin trong gạo chiếm tới 358%, trong sữa bột là 31% và trong cam là 15,6% lƣợng tối đa cho phép ăn vào hàng ngày của trẻ dƣới hai tuổi (cân nặng trung bình 13kg). Còn trong thịt lợn đã lên tới 177,5%, thịt bò là 60,58%, tôm rảo là 35,73% và thịt gà là 6,84% so với lƣợng tối đa cho phép ăn hàng tuần của trẻ. Theo các bác sĩ, cần thay đổi chế độ ăn nhằm bổ sung thêm các chất sắt và kẽm để ngăn chặn tình trạng hấp thu chì. [10] 1.3. Ảnh hƣởng của kim loại nặng đến cơ thể sống 1.3.1. Cơ chế gây độc của kim loại nặng [4, 9] 1.3.1.1.Vùng tác động  Enzym: Kim loại gây độc bằng cách kìm hãm hoạt động của enzym. Hiệu ứng độc của nhiều kim loại thƣờng do kết quả của tƣơng tác giữa kim loại và nhóm tiol của enzym, hoặc do chuyển đổi mất một cofactor kim loại cần thiết của enzym. Ví dụ, chì làm chuyển đổi mất kẽm của enzym dehydratase của axit -aminolevulinic. Một cơ chế gây độc khác của kim loại là kìm hãm sự tổng hợp của enzym. Ví dụ, niken và platin làm kìm hãm sự tổng hợp ra enzym -aminolevulinicsynthetase, do đó phong toả tổng hợp hem vốn là thành phần quan trọng của hemoglobin và cytocrom.  Các bào quan dƣới tế bào Nói chung hiệu ứng độc của kim loại là do phản ứng của chúng với các hợp phần nội bào. Muốn gây độc, kim loại phải xâm nhập vào bên trong tế bào, do đó nếu nó là một chất ƣa béo, nhƣ metyl thuỷ ngân chẳng hạn, thì sẽ đƣợc vận chuyển qua màng tế bào một cách dễ dàng. Khi kim loại liên kết với một protein nó sẽ đƣợc hấp thu qua đƣờng nội thấm tế bào. Sau khi xâm nhập vào trong tế bào, các kim loại sẽ tác động đến các bào quan. Các bào quan dƣới tế bào có thể làm tăng cƣờng hay làm giảm chuyển động của kim loại qua màng sinh học và làm thay đổi độc tính của nó. Hơn nữa, một số protein có mặt trong bào tƣơng, trong lyzosom và trong nhân tế bào có thể liên kết 7 với các kim loại độc nhƣ Cd, Pb, Hg do đó làm giảm hoạt tính sinh học của các protein này. Một số kim loại độc có thể gây hƣ hỏng cấu trúc của lƣới nội thất. Các ti thể do có hoạt động trao đổi chất cao và có khả năng vận chuyển qua màng một cách mạnh mẽ nên là một bào quan đích chính, vì vậy các enzym hô hấp của chúng dễ dàng bị kìm hãm bởi các kim loại. 1.3.1.2. Các yếu tố làm thay đổi độc tính  Mức độ và thời gian nhiễm độc Cũng nhƣ đối với các chất độc khác, tác dụng độc của kim loại liên quan đến mức độ và thời gian nhiễm độc. Nói chung, mức độ nhiễm độc càng cao thì thời gian ảnh hƣởng càng kéo dài và hiệu ứng độc càng lớn. Nếu thay đổi liều lƣợng và thời gian nhiễm độc thì có thể thay đổi bản chất của tác dụng độc. Ví dụ, khi tiêu hoá dù chỉ một lần nhƣng với lƣợng lớn Cd sẽ dẫn tới rối loạn dạ dày-ruột, trong khi đó nếu hấp thụ một lƣợng nhỏ Cd trong một thời gian dài sẽ làm rối loạn chức năng thận.  Dạng tồn tại hoá học Dạng tồn tại hoá học của kim loại ảnh hƣởng rất lớn đến độc tính của nó. Thuỷ ngân là một ví dụ điển hình. Khi ở dạng vô cơ, thuỷ ngân chủ yếu là những chất độc thận, nhƣng khi ở dạng hữu cơ nhƣ metyl thuỷ ngân hay etyl thuỷ ngân sẽ gây độc hệ thần kinh.  Các yếu tố sinh lý Cũng nhƣ đối với nhiều chất độc khác, động vật non hay động vật già thƣờng nhạy cảm với kim loại hơn động vật trƣởng thành. Ví dụ, trẻ em đặc biệt nhạy cảm với chì do độ nhạy cảm cao hơn, do hấp thu qua đƣờng dạ dày-ruột lớn hơn (có tài liệu cho rằng lớn hơn 4-5 lần so với ngƣời trƣởng thành). Nhiều bằng chứng cho thấy trẻ em ở giai đoạn trƣớc khi sinh thƣờng bị nhiễm các kim loại nhƣ chì, thuỷ ngân ở mức độ lớn hơn mẹ chúng nhiều 8 1.3.2. Các tác dụng độc của kim loại [ 4, 9] 1.3.2.1. Gây ung thƣ Nhiều kim loại đƣợc coi là tác nhân gây ung thƣ cho ngƣời hay cho động vật hoặc cả ngƣời và động vật. Asen và các hợp chất của nó, một số dẫn xuất của crom và niken đều là các tác nhân gây ung thƣ cho ngƣời. Ngoài ra beri, cadimi có thể là các tác nhân gây ung thƣ. Các kim loại này gây ung thƣ qua các cơ chế tác động nhƣ thay thế Zn 2+ bởi Ni2+, Co2+ hoặc Cd2+ trong các protein vận chuyển, hoặc gây tổn thƣơng tế bào, do đó ảnh hƣởng đến tính chính xác của của polymerase vốn tham gia vào sinh tổng hợp ADN. 1.3.2.2. Giảm chức năng miễn dịch Khi nhiễm một số kim loại có thể dẫn đến kìm hãm các chức năng miễn dịch. Các kim loại nặng, các hợp chất cơ kim nhƣ chì, cadimi, niken, asen, metyl thuỷ ngân… là các chất loại bỏ miễn dịch. Còn các kim loại nhƣ bari, platin là các chất kích thích miễn dịch. Chúng thƣờng gây ra các phản ứng quá nhạy cảm hay dị ứng. 1.3.2.3. Ảnh hƣởng hệ thần kinh Do tính nhạy cảm lớn nên hệ thần kinh luôn là mục tiêu tấn công của kim loại. Dạng thức lí hoá của kim loại thƣờng là yếu tố quyết định độc tính. Hơi thuỷ ngân (dạng kim loại) và metyl thuỷ ngân dễ dàng xâm nhập vào hệ thống thần kinh và gây tác dụng độc, trong khi các dẫn xuất vô cơ của nó lại ít có khả năng xâm nhập vào hệ thống thần kinh nên chúng không phải là những chất độc thần kinh. Chất hữu cơ của chì chủ yếu là các chất độc thần kinh, còn các dẫn xuất vô cơ lại ảnh hƣởng mạnh đến quá trình tổng hợp hem và khi ở mức độ nhiễm cao chúng có thể gây ra các bệnh về não. Ở trẻ em khi bị nhiễm mức vừa phải cũng có thể dẫn đến các rối loạn tâm thần. Các kim loại khác nhƣ trietylen thiếc, vàng, liti…đều có tác dụng độc thần kinh. 9 1.3.2.4. Ảnh hƣởng đến thận Thận là một bộ phận đào thải chính, do đó cũng là một trong những mục tiêu tấn công của kim loại. Cadmi ảnh hƣởng tới các tế bào của các ống đầu gần gây ra bài tiết nƣớc tiểu có protein phân tử lƣợng thấp, axit amin và glucose. Crom, platin và dẫn xuất vô cơ thuỷ ngân cũng là tác nhân gây thiệt hại các ống đầu gần. Bảng 1.1: Ngƣỡng giới hạn một số kim loại nặng Kim loại (mg/kg) Cho ngƣời/ngày Cu 0,05-0,5 Pb 0,05 Zn 0,3-1,0 Cd 0,0067-0,0083 Fe 0,2-0,6 Mn 0,1 1.3. Các phƣơng pháp xác định lƣợng vết kim loại nặng 1.3.1. Phƣơng pháp phổ khối lƣợng plasma cao tần cảm ứng ICP-MS Thuật ngữ ICP (Inductively Coupled Plasma) dùng để chỉ ngọn lửa plasma tạo thành bằng dòng điện có tần số cao (cỡ MHz) đƣợc cung cấp bằng một máy phát Radio Frequency Power (RFP). Ngọn lửa plasma có nhiệt độ rất cao 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 ƣu điểm về vận hành hơn hẳn các nguồn hồ quang và tia điện thì một công cụ mới đã dần dần đƣợc phát triển thành một tổ hợp ICP ghép với một khối phổ kế. Hai ƣu điểm nổi bật của ICPMS là có độ phân giải cao và dễ tách các nhiễu ảnh hƣởng lẫn nhau do đó có thể phát hiện đƣợc hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Phƣơng pháp phân tích 10 này dựa trên các nguyên tắc của sự bay hơi, phân tách, ion hóa của các nguyên tố hóa học khi chúng đƣợc đƣa vào môi trƣờng plasma có nhiệt độ cao. Sau đó các ion này đƣợc phân tách ra khỏi nhau theo tỷ số khối lƣợng / điện tích (m/Z) của chúng, bằng thiết bị phân tích khối lƣợng có từ tính và độ phân giải cao phát hiện, khuyếch đại tín hiệu và đếm bằng thiết bị điện tử kĩ thuật số. Phƣơng pháp ICP – MS ra đời vào đầu những năm 80 của thế kỉ trƣớc và ngày càng chứng tỏ là kĩ thuật phân tích có ƣu điểm vƣợt trội so với các kĩ thuật phân tích khác nhƣ quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), quang phổ phát xạ plasma cảm ứng (ICP-AES hay ICP-OES)…Phƣơng 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 đƣợc hàng loạt các kim loại trong thời gian phân tích ngắn. * Sự xuất hiện và bản chất của phổ ICP-MS Dƣới tác dụng của nguồn ICP, các phân tử trong mẫu phân tích đƣợc phân li thành các nguyên tử tự do ở trạng thái hơi. Các phần tử này khi tồn tại trong môi trƣờng kích thích phổ ICP năng lƣợng cao sẽ bị ion hóa, tạo ra đám hơi ion của chất mẫu (thƣờng có điện tích +1). Nếu dẫn dòng ion đó vào buồng phân cực để phân giải chúng theo số khối (m/Z) sẽ tạo ra phổ khối của nguyên tử chất cần phân tích và đƣợc phát hiện nhờ các detector thích hợp. Các quá trình xảy ra trong nguồn ICP: - Hóa hơi chất mẫu, nguyên tử hóa các phân tử, ion hóa các nguyên tử, sự phân giải của các ion theo số khối sẽ sinh ra phổ ICP-MS: Hóa hơi: MnXm(r)  Mnxm(k) Phân li: MnXm(k)  nM(k) + mX(k) Ion hóa: M(k)0 + Enhiệt  M(k)+ - 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. - Đánh giá định tính, định lƣợng phổ thu đƣợc. 11 Nhƣ vậy thực chất phổ ICP - MS là phổ của các nguyên tử ở trạng thái khí tự do đã bị ion hóa trong nguồn năng lƣợng cao tần ICP theo số khối các chất. * Ƣu điểm của phƣơng pháp phân tích bằng ICP-MS Phép đo phổ ICP - MS là một kỹ thuật mới, ra đời cách đây không lâu nhƣng đƣợc phát triển rất nhanh và sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ quá trình sản xuất nhiên liệu hạt nhân, xác định đồng vị phóng xạ, nƣớc làm lạnh sơ cấp trong ngành hạt nhân (chiếm tỷ trọng 5%); phân tích nƣớc uống, nƣớc biển, nƣớc bề mặt, đất, bùn, đất hoang, phân tích định dạng Hg, As, Pb và Sn trong nghiên cứu và bảo vệ môi trƣờng (48%); quá trình hoá học, chất nhiễm bẩn trong Si Wafers trong công nghiệp sản xuất chất bán dẫn (33%); máu, tóc, huyết thanh, nƣớc 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 trƣng vật liệu, nguồn gốc, chất độc trong khoa học hình sự (1%) và phân tích thực phẩm (1%)... Ưu điểm phép đo phổ ICP- MS: - Nguồn ICP là nguồn năng lƣợng kích thích phổ có năng lƣợng 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 lƣợng 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 nhƣng 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 hƣởng thành phần nền hầu nhƣ 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 lƣợng rất tốt do không cần dùng mẫu chuẩn mà vẫn cho kết quả tƣơng đối chính xác. - Ngoài ra ICP-MS còn đƣợc sử dụng nhƣ là một detector cho LC, CE, GC... 12 Với nhiều ƣu điểm vƣợt trội, kỹ thuật phân tích ICP - MS đƣợc ứng dụng rộng rãi để phân tích nhiều đối tƣợng 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 trƣờng... Một số công trình nghiên cứu xác định kim loại nặng bằng phƣơng pháp ICP-MS: Peter Heiland và Helmut D. Koster [40] ứng dụng phƣơng pháp ICP-MS để xác định lƣợng vết 30 nguyên tố Cu, Pb, Zn, Cd … trong mẫu nƣớc tiểu của trẻ em và ngƣời trƣởng thành. Marcos Pérez-López và cộng sự [31] 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 phƣơng pháp ICP-MS. Kết quả cho thấy hàm lƣợng Zn trong khoảng 1,47 -2,98ppm, hàm lƣợng As trong khoảng 1,21 đến 6,88ppm. Hàm lƣợng Pb và Cd trong đó tƣơng đối cao, có mẫu lên tới trên 18ppm Pb, và hàm lƣợng Cd cao nhất thu đƣợc lên tới 39ppm. Tác giả Mohamed Maanan [34], trƣờng đại học Nates, Pháp đã sử dụng phƣơng pháp ICP-MS để phân tích Hg và Pd trong các động vật thân mềm ở vùng biển. Kết quả cho thấy hàm lƣợng Pb là 9,6 mg.kg−1 và hàm lƣợng Hg là 0,6 mg.kg−1. Simone Griesel và cộng sự [42] đã sử dụng phƣơng pháp ICP-MS để xác định hàm lƣợng của 23 nguyên tố 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 lƣợng một số nguyên tố nhƣ As, Cr, Mn, Mo, Se, V trong máu hải cẩu cao hơn so với trong máu ngƣời. Một số nguyên tố nhƣ 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 hƣởng của nguồn thức ăn. Wenling Hu, Fei Zheng và Bin Hu [44] tách và xác định hàm lƣợng của As(III), As(V), Cr(III), Cr(VI) trong nƣớc tự nhiên sử dụng kỹ thuật sol-gel và ICPMS. Giới hạn phát hiện của phƣơng pháp là 0,7 và 18 ng.L−1 với As(V) và Cr(VI), 13 3,4 và 74 ng.L−1 với As(III) and Cr(III). Độ lệch chuẩn là 3,1; 4,0; 2,8 và 3,9% (C = 1 ng.mL−1) tƣơng ứng với As(V), As(III), Cr(VI) và Cr(III). Với nƣớc máy và nƣớc hồ hiệu suất thu hồi đạt đƣợc từ 94 đến 105%. Hye-Sook Lim, Jin-Soo Lee, Hyo-Taek Chon và Manfred Sager [26] đã đánh giá sự ô nhiễm các kim loại nặng ở vùng mỏ vàng bạc Songcheon, Hàn Quốc. Các mẫu đất, nƣớc, thực vật…xung quanh khu mỏ đƣợc thu thập, xử lí sau đó đem xác định hàm lƣợng kim loại nặng bằng ICP-AES và ICP-MS. Hàm lƣợng As và Hg trong đất trồng cao hơn rất nhiều so với giới hạn cho phép, kết quả cao nhất lên tới 626mg As/kg và 4,9mg Hg/kg . Hàm lƣợng cao nhất trong cây trồng là 33 mg As/kg và 3,8 mg Pb/kg (trong củ hành), 0,87mg Cd/kg và 226mg Zn/kg (trong rễ rau diếp), 16,3 mg Cu/kg (trong lá cây vừng). Điều này đƣợc giải thích do cây trồng đƣợc trồng trên vùng đất bị ô nhiễm As và các kim loại nặng. Mặt khác hàm lƣợng cao nhất của As, Cd và Zn đƣợc tìm thấy trong nƣớc suối- nguồn nƣớc uống chủ yếu của khu vực này- lần lƣợt là: 0,71 mg/L, 0,19 mg/L và 5,4 mg/L, cao hơn rất nhiều so với giới hạn cho phép của Hàn Quốc. A.T. Townsend và I. Snape [18] đã tiến hành xác định hàm lƣợng Pb trong các mẫu trầm tích ở cửa sông thuộc nam Australia bằng phƣơng pháp ICP-MS. Các mẫu trầm tích ở Brown Bay hàm lƣợng Pb trong khoảng 18–215 mg.kg− 1, còn ở vùng Broken Hill và Mt Isa Australian hàm lƣợng Pb lần lƣợt từ 35,5 đến 36 và từ 16,0 đến 16,1 mg.kg-1. Còn ở khu vực Wilkes Station hàm lƣợng Pb đƣợc xác định trong khoảng 13–40 mg.kg− 1. 1.3.2. Các phƣơng pháp phân tích quang học 1.3.2.1. Phƣơng pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS Cơ sở của phƣơng pháp phân tích quang phổ hấp thụ phân tử là sự tƣơng tác hấp thụ ánh sáng của chất phân tích hay hợp chất của nó với một chùm sáng thích hợp trong vùng phổ UV-VIS. Đa số việc phân tích các kim loại nặng bằng UV-VIS cần sử dụng thuốc thử để đƣa ion kim loại về dạng phức có phổ UV-VIS Phƣơng pháp này cho phép xác định ở khoảng nồng độ 10-7 đến 10-5M và là phƣơng pháp phổ biến. 14