Tài liệu Nghiên cứu phương pháp phân tích một số dạng as, se trong một số đối tượng môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------------------------------ PHẠM HỒNG CHUYÊN NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MỘT SỐ DẠNG As, Se TRONG MỘT SỐ ĐỐI TƢỢNG MÔI TRƢỜNG CHUYÊN NGÀNH: HÓA HỌC PHÂN TÍCH MÃ SỐ: 62 44 01 18 LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. TẠ THỊ THẢO HÀ NỘI - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. PHẠM HỒNG CHUYÊN LỜI CÁM ƠN Luận án được hoàn thành tại Phòng thí nghiệm Hóa Phân tích, Bộ môn Hóa Phân tích, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Luận án được hỗ trợ kinh phí đề tài đặc biệt cấp Đại học Quốc gia Hà Nội, mã số QG – 13 – 06. Với lòng biết ơn chân thành, tôi xin cảm ơn PGS. TS. Tạ Thị Thảo đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ trong suốt quá trình làm luận án. Tôi xin chân thành cám ơn Quý Thầy Cô trong Bộ môn Hóa Phân tích, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội; Ban Giám hiệu, Khoa Khoa học Cơ bản và Bộ môn Hóa trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải đã tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành bản luận án này. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thành viên trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận án. MỤC LỤC Trang MỤC LỤC .................................................................................................................. i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ............................................... iv DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .............................................................. viii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1.1. Phân tích dạng các nguyên tố và vai trò của phân tích dạng trong đánh giá ô nhiễm môi trƣờng ...................................................................................................6 1.1.1. Khái niệm về dạng nguyên tố và phân tích dạng nguyên tố .....................6 1.1.2. Vai trò của phân tích dạng trong nghiên cứu môi trƣờng .........................7 1.1.3. Ý nghĩa của phân tích dạng As, Se trong các đối tƣợng môi trƣờng ........8 1.2. Các phƣơng pháp phân tích dạng As, Se .......................................................13 1.2.1. Nhóm các phƣơng pháp tách riêng từng dạng trƣớc khi phân tích ........13 1.2.2. Nhóm các phƣơng pháp sử dụng sắc ký ghép nối với các detector khác nhau ........18 1.2.3. Phân tích dạng dựa vào phản ứng xúc tác ..............................................23 1.2.4. Phân tích dạng sử dụng Chemometrics ..................................................24 1.3. Sơ lƣợc về các thuật toán hồi quy đa biến dùng trong phân tích dạng .......26 1.3.1. Phƣơng pháp bình phƣơng tối thiểu nghịch đảo - ILS ..........................28 1.3.2. Phƣơng pháp hồi qui cấu tử chính – PCR .............................................30 1.4. Xử lý và bảo quản mẫu trong phân tích dạng nguyên tố .............................32 1.4.1. Dụng cụ chứa mẫu và cách bảo quản mẫu .............................................32 1.4.2. Các kỹ thuật tách chiết mẫu trong phân tích dạng ..................................35 CHƢƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................40 2.1. Hóa chất và thiết bị ..........................................................................................40 2.1.1. Thiết bị, dụng cụ .....................................................................................40 2.1.2. Hóa chất ..................................................................................................40 2.2. Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu..........................................................41 2.2.1. Mẫu phân tích .........................................................................................41 i 2.2.2. Phƣơng pháp lấy mẫu và xử lý sơ bộ......................................................41 2.2.3. Phƣơng pháp phân tích ...........................................................................42 2.2.4. Đánh giá phƣơng pháp phân tích dạng As và Se ....................................47 2.2.5. So sánh phƣơng pháp phân tích dạng .....................................................49 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................50 3.1. Nghiên cứu xác lập điều kiện phân tích đồng thời các dạng của từng nguyên tố As, Se .................................................................................................... 50 3.1.1. Khảo sát hiệu suất khử các dạng As, Se thành hợp chất hiđrua .............50 3.1.2. Khảo sát điều kiện khử các dạng As, Se thành As(III), Se(IV) ..............51 3.1.3. Khảo sát điều kiện khử trực tiếp các dạng As, Se thành hợp chất hiđrua trong các môi trƣờng khác nhau ................................................................................56 3.1.4. Khảo sát ảnh hƣởng của các ion có thể có trong dung dịch mẫu đến tín hiệu đo phổ AAS của As, Se .....................................................................................57 3.2. Nghiên cứu xây dựng các mô hình hồi quy đa biến xác định đồng thời các dạng của từng nguyên tố As, Se .............................................................................60 3.2.1. Khảo sát khoảng tuyến tính của từng dạng As, Se .................................61 3.2.2. Khảo sát tính cộng tính của các dạng .....................................................61 3.2.3. Xây dựng mô hình hồi quy đa biến và đánh giá khả năng ứng dụng .....63 3.3. Đánh giá phƣơng pháp phân tích dạng As và Se trong mẫu tự tạo ............69 3.3.1. Giới hạn phát hiện và giới hạn định lƣợng của phƣơng pháp ................69 3.3.2. So sánh phƣơng pháp HG – AAS - PCR với phƣơng pháp HPLC – HG - AAS ...69 3.3.3. Ảnh hƣởng của dạng khác đến phép xác định đồng thời ........................70 3.3.4. Đánh giá độ thu hồi của phƣơng pháp HG – AAS - PCR ......................71 3.3.5. Độ chụm và độ đúng của phƣơng pháp HG – AAS - PCR ....................72 3.4. Nghiên cứu các điều kiện bảo quản mẫu phân tích ......................................73 3.4.1. Ảnh hƣởng của vật liệu bình chứa ..........................................................73 3.4.2. Ảnh hƣởng của pH ..................................................................................75 3.4.3. Ảnh hƣởng khi để dung dịch trong không khí ........................................76 3.4.4. Ảnh hƣởng của ion Fe3+ ..........................................................................77 ii 3.5. Nghiên cứu quá trình xử lý mẫu phân tích dạng ..........................................79 3.5.1. Khảo sát quá trình chiết rút As, Se với mẫu đất, bùn .............................79 3.5.2. Khảo sát quá trình chiết rút As, Se với mẫu thực vật .............................82 3.5.3. Đánh giá độ thu hồi của quá trình xử lý mẫu .........................................85 3.6. Xây dựng quy trình phân tích các mẫu thực tế .............................................86 3.6.1. Quy trình phân tích xác định tổng hàm lƣợng As, Se.............................86 3.6.2. Quy trình phân tích dạng As, Se .............................................................87 3.6.3. Kết quả phân tích mẫu thực tế ................................................................ 88 KẾT LUẬN ..............................................................................................................92 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .......................................................................................................94 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................95 PHẦN PHỤ LỤC...................................................................................................105 iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt AAS Atomic Absorption Spectrophotometry Phƣơng pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AES Atomic Emission Spectrophotometry Phƣơng pháp quang phổ phát xạ nguyên tử As(III) Arsenite (AsO33-) Asen (III) vô cơ As(V) Arsenate (AsO43-) Asen (V) vô cơ CZE Capillary Zone Electrophoresis Điện di mao quản vùng CLS Classical least square Bình phƣơng tối thiểu thông thƣờng CV Coefficient variation Hệ số biến động DMA Dimethylarsonic (CH3)2AsO(OH) Axit đimetylasonic DMDSe Dimetyldiselenite CH3 – Se – Se – CH3 Đimetyl điselenit GC Gas Chromatography Sắc ký khí GC – MS Gas Chomatography Mass Spectrometer Phƣơng pháp sắc ký khí khối phổ HCL Hollow Cathode Lamp Đèn catot rỗng HVG Hydride Vapor Generator Bộ hyđrua hóa HVG – AAS Hydride Vapor Generator Spectrophotometry HPLC High Performance Liquid Chomatography Atomic Absorption Phƣơng pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng kỹ thuật hiđrua hóa Phƣơng pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao iv Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt ICP Inductively Coupled Plasma Plasma cao tần cảm ứng ICP – MS Inductively Coupled Plasma Mass Spectropetry Phƣơng pháp khối phổ plasma cao tần cảm ứng ILS Inverse Least Squares Bình phƣơng tối thiểu nghịch đảo LOD Limit Of Detection Giới hạn phát hiện LOQ Limit Of Quantity Giới hạn định lƣợng MMA Monomethylarsonic acid CH3AsO(OH)2 Axit monometylasonic ppb Part Per Billion Phần tỷ ppm Part Per Million Phần triệu PCR Principal component regression Hồi quy cấu tử chính PC Principal component Cấu tử chính PLS Partial least square Bình phƣơng tối thiểu từng phần IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry Hiệp hội hóa học ứng dụng quốc tế Se(IV) Selenite (SeO32-) Selen (IV) vô cơ Se(VI) Selenate (SeO43-) Selen(VI) vô cơ SeMet Selenomethionine CH3 – Se – (CH2 )2 – CH(NH2)-COO- v Selenmethionin DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1. 1 Một số dạng As trong các đối tƣợng sinh học và môi trƣờng ....................9 Bảng 1. 2. Một số dạng tồn tại của selen đã đƣợc tìm thấy ......................................11 Bảng 1. 3. Dụng cụ chứa dung dịch mẫu và điều kiện bảo quản ..............................33 Bảng 2. 1. Các điều kiện đo phổ AAS của As, Se bằng kỹ thuật hiđrua hóa ...........44 Bảng 2. 2. Các thông số của máy HPLC trong phƣơng pháp HPLC- HVG - AAS .49 Bảng 3. 1 Hiệu suất khử các dạng As, Se trong môi trƣờng HCl 6M bằng NaBH4 .51 Bảng 3. 2. Hiệu suất (%) khử các dạng As bằng KI ................................................51 Bảng 3. 3. Hiệu suất (%) khử các dạng As thành As(III) bằng hệ khử KI/Ascobic .52 Bảng 3. 4. Hiệu suất (%) khử các dạng As thành As(III) bằng NaHSO3 ................53 Bảng 3. 5. Hiệu suất (%) khử các dạng As thành As(III) bằng L-Cystein ..............53 Bảng 3. 6. Hiệu suất khử các dạng Se bằng HCl ......................................................54 Bảng 3. 7. Hiệu suất khử các dạng Se thành Se(IV) bằng KBr/HCl 4M ..................55 Bảng 3. 8. Hiệu suất khử các dạng Se thành Se(IV) bằng Thioure ..........................55 Bảng 3. 9 Hiệu suất khử trực tiếp các dạng As, Se thành khí hiđrua trong các môi trƣờng phản ứng bằng NaBH4 ..................................................................................57 Bảng 3. 10. Ảnh hƣởng của các ion đến tín hiệu đo của As, Se ...............................58 Bảng 3. 11. Khảo sát khả năng sử dụng L-Cystein làm chất loại ảnh hƣởng của cation đến tín hiệu đo của As ....................................................................................59 Bảng 3. 12. Khả năng loại trừ ảnh hƣởng của Sb(III) đến tín hiệu đo As(III) bằng tactrat ..............................................................................................................60 Bảng 3. 13. Khoảng tuyến tính và đƣờng chuẩn xác định riêng các dạng As, Se ...61 Bảng 3. 14. Kết quả kiểm tra tính cộng tính của các dạng As, Se ............................62 Bảng 3. 15. Ma trận nồng độ các mẫu tự tạo ............................................................64 Bảng 3. 16. Ma trận hệ số hồi qui (P) tính theo thuật toán ILS ................................ 64 Bảng 3. 17. Kết quả phân tích mẫu tự tạo theo mô hình ILS ....................................65 vi Bảng 3. 18. Ma trận hệ số hồi qui (Fj) tính theo thuật toán PCR ..............................66 Bảng 3. 19. Hệ số của các PC tính theo hàm SVD ..................................................66 Bảng 3.20. Phƣơng sai của các PC...........................................................................66 Bảng 3. 21. Kết quả phân tích mẫu tự tạo theo mô hình PCR ..................................68 Bảng 3. 22. Kết quả xác định giá trị LOD và LOQ theo mô hình hồi quy đa biến .69 Bảng 3. 23. Kết quả phân tích mẫu tự tạo theo phƣơng pháp HPLC – HG – AAS và HG – AAS - PCR ......................................................................................................70 Bảng 3. 24. So sánh kết quả phân tích mẫu tự tạo khi có dạng As khác ..................71 Bảng 3. 25. Kết quả phân tích mẫu thực tế thêm chuẩn .........................................72 Bảng 3. 26. Kết quả tính độ đúng của phƣơng pháp HVG – AAS – PCR ...............72 Bảng 3. 38. Độ thu hồi của quá trình xử lý mẫu .......................................................85 Bảng 3. 39. Hàm lƣợng As trong các mẫu thực tế ....................................................89 Bảng 3. 40. Hàm lƣợng Se trong một số mẫu rau xanh ............................................90 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1. 1 Sơ đồ chuyển hóa các dạng As trong cơ thể ngƣời ...................................10 Hình 1. 2. Sơ đồ phân tích dạng nhờ các quá trình phân tách ..................................13 Hình 1. 3. Các phƣơng pháp tách riêng rẽ các chất phân tích ..................................14 Hình 1. 4. Sơ đồ phân tách các dạng Se trong mẫu hải sản bằng phƣơng pháp chiết lỏng- lỏng ..................................................................................................................15 Hình 1. 5. Sơ đồ phân tích dạng nhờ các thiết bị ghép nối .......................................18 Hình 1. 6. Hệ thống ghép nối HPLC - MS ................................................................ 19 Hình 1. 7. Sơ đồ xác định các dạng As bằng hệ ghép nối HPLC – UV – HG – AAS........21 Hình 2. 1. Sơ đồ đo độ hấp thụ quang của As, Se bằng phƣơng pháp HG – AAS ...44 Hình 2. 2. Sơ đồ mô tả quá trình tính toán trong mô hình hồi quy đa biến ..............45 Hình 3. 1. Hiệu suất khử As(V) thành As(III) bằng các hệ khử khác nhau ..............54 Hình 3. 2. Hiệu suất khử Se(VI) thành Se(IV) bằng các chất khử khác nhau ..........56 Hình 3. 3. Ảnh hƣởng của vật liệu bình chứa đến hàm lƣợng các dạng As, Se .......74 Hình 3. 4. Ảnh hƣởng của pH đến sự tồn tại các dạng As, Se ..................................75 Hình 3. 6. Ảnh hƣởng của không khí đến sự tồn tại các dạng As, Se.......................76 Hình 3. 7. Ảnh hƣởng của ion Fe3+ đến sự chuyển dạng của các nguyên tố As, Se .77 Hình 3. 8. Độ thu hồi khi sử dụng EDTA loại trừ ảnh hƣởng của ion Fe3+ ..............78 Hình 3. 9. Khả năng chiết các dạng As ra khỏi mẫu bùn đất bằng H3PO4 ...............80 Hình 3. 10. Khả năng chiết các dạng Se ra khỏi mẫu bùn đất bằng H3PO4 ..............81 Hình 3. 11. Khả năng chiết các dạng As ra khỏi mẫu thực vật .................................83 Hình 3. 12. Khả năng chiết các dạng Se ra khỏi mẫu thực vật .................................84 Hình 3. 13. Sơ đồ xác định tổng hàm lƣợng As, Se trong mẫu thực tế ....................87 Hình 3. 14. Sơ đồ quy trình phân tích dạng As, Se cho mẫu thực tế ........................88 viii MỞ ĐẦU Hiện nay, vấn đề phân tích dạng các nguyên tố đang là nhu cầu rất cấp thiết trong đánh giá ô nhiễm môi trƣờng, trong nghiên cứu các quá trình chuyển hóa và tích lũy sinh học, trong nghiên cứu các quá trình địa hóa... Tuy nhiên các phép xác định thông thƣờng chỉ cho biết tổng hàm lƣợng các nguyên tố chứ chƣa cho biết hàm lƣợng các nguyên tố ở các dạng cụ thể, trong khi đó để đánh giá tính độc, các quá trình chuyển hóa chất trong cơ thể sinh vật, các chất tồn tại trong các tầng địa chất, sự tồn tại của nguyên tố trong môi trƣờng lại cần đến thông tin về hàm lƣợng và số lƣợng của các dạng nguyên tố [20, 37]. Có thể đề cập đến một nguyên tố gây ô nhiễm mang độc tính cao nhƣ As, nguyên tố này đƣợc coi là chất độc bảng A vì nó gây ra bệnh ung thƣ nguy hiểm cho con ngƣời [13, 65], nó có khả năng xâm nhập và tích lũy cao trong cơ thể, chính vì vậy hàm lƣợng As trong nƣớc sinh hoạt theo tiêu chuẩn quy định khá thấp (≤10µg/lít). Trong tự nhiên As đã đƣợc tìm thấy dƣới nhiều dạng hợp chất khác nhau nhƣ As(III), As(V), MMA, DMA…trong đó dạng As(III) độc hơn dạng As(V); các dạng As vô cơ có độc tính cao hơn các dạng As hữu cơ, các dạng lại có thể chuyển hóa qua lại với nhau nhờ tác động của các yếu tố trong môi trƣờng sống [13, 84, 94]. Một nguyên tố khác nữa nhƣ Se, nguyên tố này có nhiều mức oxy hóa khác nhau là + 4, +6 và – 2, đây là nguyên tố vừa có thể đóng vai trò là nguyên tố vi lƣợng vừa có thể là độc tố khi ở hàm lƣợng cao, khoảng nồng độ Se đƣợc phép có trong cơ thể ngƣời mà không gây độc hại là rất hẹp và tùy thuộc vào dạng tồn tại của Se, lƣợng Se nên đƣa vào cơ thể ngƣời hàng ngày khoảng 50-200μg/ngày [3]. Các dạng hợp chất có độc tính của selen thƣờng gặp là selen đioxit (SeO2), axit selenơ (H2SeO3), muối selenit (SeO32-), axit selenic (H2SeO4), muối selenat (SeO42-) hoặc dạng selenua (Se2-) [72, 75]. Các hợp chất selen đáng chú ý trong dinh dƣỡng và sức khỏe là (CH3)2Se, (CH3)2Se+, selenomethionin…[3]. 1 selennocystein, selennocystin, Nhƣ vậy, mỗi dạng tồn tại của một nguyên tố có những tính chất khác nhau nếu chỉ phân tích tổng hàm lƣợng các nguyên tố thì chƣa chỉ ra đƣợc độc tính hoặc ứng dụng của nó, chính vì vậy việc định lƣợng các dạng của các nguyên tố là cần thiết. Để phân tích dạng các nguyên tố, phƣơng pháp chủ yếu hiện nay hầu hết đều dựa trên nguyên tắc tách các dạng ra khỏi nhau rồi xác định hàm lƣợng của chúng bằng các phƣơng pháp phân tích thông thƣờng hoặc sử dụng các phƣơng pháp ghép nối các thiết bị phân tích, quy trình phân tích có thể tách thành các giai đoạn khi áp dụng kỹ thuật phân tích không ghép nối hoặc khép kín khi xử dụng kỹ thuật ghép nối. Có thể kể đến là nhóm các phƣơng pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao ghép nối với phép đo phổ hấp thụ nguyên tử (HPLC – AAS), hoặc ghép nối với phép đo phổ khối (HPLC – ICP – MS)…[20, 37]. Tuy nhiên, nhƣợc điểm lớn nhất của các phƣơng pháp tách là qua nhiều công đoạn phức tạp, dễ làm nhiễm bẩn, mất chất phân tích hoặc chất phân tích bị chuyển hóa. Trong thực tế tại Việt Nam, mặc dù đã có rất nhiều phòng thí nghiệm đƣợc trang bị các thiết bị nhƣ HPLC, AAS, ICP – MS, LC – MS, GC – MS…nhƣng hầu hết các thiết bị này hoạt động độc lập, việc ghép nối các thiết bị với nhau đòi hỏi kỹ thuật tiên tiến và khó thực hiện đƣợc. Với sự phát triển mạnh của công nghệ thông tin đặc biệt là ứng dụng tin học trong hóa học (Chemometrics) sử dụng các thuật toán hồi qui đa biến, việc xác định riêng rẽ từng cấu tử trong cùng một hỗn hợp không cần tách loại chúng dựa trên các tính chất đặc trƣng của từng cấu tử có thể tiến hành một cách đơn giản mà vẫn cho kết quả định lƣợng có độ chính xác cao. Quá trình phân tích dạng các nguyên tố trong các đối tƣợng môi trƣờng có thể triển khai đƣợc ở tất cả các phòng thí nghiệm sử dụng các thiết bị hiện có mà không cần ghép nối chúng với nhau. Trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu xác định đồng thời hàm lƣợng các chất trong cùng một hỗn hợp sử dụng thuật toán hồi qui đa biến, ví dụ nhƣ ứng dụng mạng nơron nhân tạo để xác định hàm lƣợng các axit amin hoặc áp dụng các thuật toán bình phƣơng tối thiểu từng phần, toàn phần để định lƣợng đồng thời các cấu tử tạo phức chất với các ion kim loại [22, 79, 93]. Tuy nhiên số công trình sử dụng thuật 2 toán hồi qui đa biến để định lƣợng các dạng nguyên tố còn ít, đặc biệt là ở Việt Nam đến thời điểm hiện tại hầu nhƣ chƣa có công trình nào nghiên cứu xác định đồng thời các dạng nguyên tố dựa vào Chemometrics. Với những lý do trên, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu phương pháp phân tích một số dạng As, Se trong một số đối tượng môi trường” Mục tiêu nghiên cứu: Xây dựng quy trình xác định đồng thời các dạng As vô cơ (As(III), As(V)), As hữu cơ (MMA, DMA); Se vô cơ (Se(IV), Se(VI)), Se hữu cơ (DMDSe, SeMet) trong mẫu môi trƣờng bằng phƣơng pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng kỹ thuật hidrua hóa (HG – AAS) kết hợp với thuật toán hồi qui đa biến. Nội dung nghiên cứu: Để đạt đƣợc mục tiêu đề ra, luận án tập trung vào các nội dung chính sau: 1. Xác lập lại các điều kiện đo As(III) bằng HG – AAS và đánh giá hiệu suất khử riêng rẽ các dạng As(III), As(V), MMA, DMA, Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet thành hợp chất hiđrua trên cơ sở tối ƣu hóa các điều kiện đo tổng hàm lƣợng các dạng trên hệ đo HG – AAS. 2. Khảo sát các điều kiện và xây dựng mô hình hồi qui đa biến xác định đồng thời các dạng của As: As(III), As(V), DMA, MMA; của Se: Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet trong cùng một dung dịch, đồng thời kiểm tra khả năng áp dụng vào phân tích mẫu thực tế. 3. Nghiên cứu ảnh hƣởng của các yếu tố đến sự biến đổi hàm lƣợng các dạng As, Se trong quá trình bảo quản mẫu phân tích và phƣơng pháp chiết rút các dạng ra khỏi nền mẫu môi trƣờng. 4. Đánh giá phƣơng pháp phân tích đồng thời các dạng As(III), As(V), DMA, MMA, Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet và áp dụng phân tích mẫu thực tế. Điểm mới, những đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn của luận án:  Về mặt khoa học: - Dựa vào sự khác biệt hiệu suất khử các dạng As(III), As(V), DMA, MMA hoặc các dạng Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet thành hợp chất hiđrua bằng chất khử 3 NaBH4 trong môi trƣờng axit có nồng độ khác nhau, đã tìm ra khả năng xác định đồng thời các dạng As, Se bằng phƣơng pháp HG – AAS kết hợp với chemometrics. - Đã xây dựng đƣợc mô hình hồi quy đa biến tuyến tính dựa vào dữ liệu đo phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng kỹ thuật hiđrua hóa của 40 dung dịch chuẩn chứa đồng thời 4 dạng As(III), As(V), DMA, MMA hoặc 4 dạng Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet ở các môi trƣờng axit HCl 6M, 1M, đệm tactric/tactrat có pH = 2, 3, 4 (với As) hoặc ở các môi trƣờng axit HCl 6M, 4M, 2M, 1M, 0,01M (với Se). Qua phân tích các mẫu tự tạo, mẫu thực tế thêm chuẩn và so sánh với phƣơng pháp HPLC – HG – AAS cho thấy mô hình hồi quy sử dụng thuật toán phân tích cấu tử chính (PCR) có độ đúng, độ nhạy, độ chụm và độ tin cậy cao. - Đã xây dựng đƣợc các quy trình phân tích dạng hoàn chỉnh và ứng dụng để phân tích đồng thời các dạng As(III), As(V), DMA, MMA hoặc Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet trong một số mẫu môi trƣờng nhƣ mẫu nƣớc, mẫu bùn đất, mẫu thực vật thân thảo.  Về mặt thực tiễn: - Đã tiến hành xác định hàm lƣợng các dạng As(III), As(V), DMA, MMA hoặc Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet trong các mẫu nƣớc mặt, mẫu bùn đất, mẫu thực vật thân thảo ở khu vực Định Công – Hoàng Mai – Hà Nội bằng phƣơng pháp HG – AAS - PCR. Kết quả nhƣ sau: + Trong các mẫu rau, hàm lƣợng As(V) rất thấp (nhỏ hơn LOD của phƣơng pháp) coi nhƣ không có, dạng As(III), DMA, MMA là chủ yếu với tổng hàm lƣợng của chúng chiếm xấp xỉ 70% hàm lƣợng As có mẫu. + Trong các mẫu cây dƣơng xỉ, thủy trúc đều tìm thấy cả As(III), As(V), DMA, MMA với hàm lƣợng cao, trên 100µg/kg mỗi dạng. Tổng hàm lƣợng các dạng này chiếm trên 90% lƣợng As trong mẫu, trong đó dạng As hữu cơ trong cây thủy trúc chiếm gần 70% nhƣng trong cây dƣơng xỉ chỉ chiếm 30%. + Trong các mẫu bùn ao, đất ruộng các dạng As vô cơ chiếm gần 100% trong đó dạng As(V) chiếm phần lớn (60 – 80%). 4 + Trong mẫu nƣớc ao khảo sát có cả dạng As hữu cơ và As vô cơ nhƣng As vô cơ chiếm phần lớn (trên 70%), trong đó dạng As(V) là chủ yếu (>50% As vô cơ). + Kết quả phân tích các dạng Se trong các mẫu rau bắp cải, rau muống, rau má, súp lơ đều có 4 dạng Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet với hàm lƣợng trung bình 7 – 80 µg/kg, trong đó hàm lƣợng các dạng Se hữu cơ chiếm trên 60%. Tổng hàm lƣợng 4 dạng Se chiếm trên 95% lƣợng Se có trong mẫu. - Quy trình phân tích của luận án có thể áp dụng để phân tích các dạng As(III), As(V), DMA, MMA hoặc Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet trong các mẫu nƣớc, mẫu thực vật thân thảo, mẫu bùn đất tại các phòng thí nghiệm hiện chỉ có thiết bị AAS mà không cần trang bị thêm thiết bị ghép nối. 5 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN 1.1. Phân tích dạng các nguyên tố và vai trò của phân tích dạng trong đánh giá ô nhiễm môi trƣờng 1.1.1. Khái niệm về dạng nguyên tố và phân tích dạng nguyên tố Theo tài liệu của hiệp hội hóa học cơ bản và ứng dụng quốc tế (IUPAC) đã công bố [20, 37], một số khái niệm trong hóa học phân tích dạng nguyên tố đƣợc diễn giải nhƣ sau: + Dạng hóa học của một nguyên tố (Chemical species): hình thái đặc trƣng của một nguyên tố nhƣ đồng vị hóa học; trạng thái oxi hóa - khử; trạng thái hóa trị; hợp chất hoặc cấu tạo phân tử. + Phân tích dạng (Speciation analysis): các hoạt động phân tích nhằm định tính hoặc định lƣợng một hay nhiều dạng hóa học riêng biệt trong một mẫu phân tích. + Quá trình phân tách dạng nguyên tố (Fractionation): quá trình tách rời dạng cụ thể của một nguyên tố ở giữa những dạng hóa học khác có trong một hệ. Cũng theo tài liệu này, quá trình phân tích dạng thƣờng không có khả năng xác định đƣợc nồng độ của tất cả các dạng hóa học khác nhau của nguyên tố có trong mẫu phân tích, đồng thời không xác định đƣợc tổng hàm lƣợng của nguyên tố trong mẫu nếu chỉ dựa vào các dạng hóa học đã xác định đƣợc. Các dạng hóa học của nguyên tố có trong mẫu cũng không tồn tại lâu dài, chúng thƣờng chuyển hóa lẫn nhau, hoặc thành các dạng hóa học khác trong quá trình phân tích. Chính vì vậy, vấn đề giữ nguyên hoặc hạn chế sự biến đổi của các dạng của nguyên tố cần xác định trong quy trình phân tích dạng là rất cần thiết và phải đƣợc duy trì trƣớc khi áp dụng phƣơng pháp phân tích cụ thể. Hiện nay phân tích dạng nguyên tố trong các đối tƣợng môi trƣờng thƣờng tập trung vào xác định các dạng sau: + Dạng hóa trị hoặc số oxi hóa cụ thể của một nguyên tố trong mẫu phân tích (ví dụ nhƣ xác định hàm lƣợng Cr(III) hoặc Cr(VI) có trong nƣớc). 6 + Dạng liên kết (nhƣ dạng hòa tan và dạng lơ lửng trong nƣớc, dạng liên kết trong đất và trầm tích…) + Dạng hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ (ví dụ xác định hàm lƣợng monometylarsenate - MMA trong các mẫu hải sản) 1.1.2. Vai trò của phân tích dạng trong nghiên cứu môi trƣờng Trong thực tế, một nguyên tố tồn trong môi trƣờng ở nhiều trạng thái oxi hóa khác nhau, khi thay đổi trạng thái oxi hóa sẽ tạo nên sự ảnh hƣởng mạnh đến hoạt tính sinh học và độ độc tố của chúng, ví dụ nguyên tố Cr khi tồn tại ở trạng thái Cr(III) có độc tính thấp hơn là ở trạng thái Cr(VI) [87]. Phép phân tích tổng hàm lƣợng Cr là không đủ để đánh giá mức độ độc hại, nếu chúng ta biết đƣợc trong mẫu phân tích hàm lƣợng Cr tồn tại ở trạng thái hóa trị nào cao hơn sẽ đánh giá đƣợc mức độ độc hại của mẫu phân tích đó. Độc tính của nguyên tố liên quan mật thiết với dạng tồn tại của chúng trong các đối tƣợng mẫu khác nhau, có thể ở dạng này nó không hoặc ít độc nhƣng ở dạng khác độc tính của nó lại rất cao. Ví dụ, nhìn chung các dạng As(III) và As(V) đều độc, nhƣng nếu ở dạng hữu cơ thì lại ít độc hơn, nhƣ dạng arsenocholine (AC) chẳng hạn [81]. Hoặc nhƣ với thủy ngân, tất cả các dạng đều độc, tuy nhiên nếu ở dạng metyl thủy ngân thì lại độc hơn nhiều lần so với Hg2+ hay thủy ngân kim loại. Metyl thủy ngân có xu hƣớng tích lũy sinh học, do đó nó gây nhiễm độc trầm trọng, đặc biệt là với cá [26]. Trong khi đó việc xác định tổng hàm lƣợng nguyên tố trong một mẫu nghiên cứu không cho biết đầy đủ các thông tin của nguyên tố cần phân tích. Mặt khác, phép phân tích dạng liên kết vết nguyên tố còn dùng để đánh giá đặc trƣng liên kết và dung lƣợng liên kết của vết nguyên tố hóa học trong mẫu, những thông số rất cần trong nghiên cứu sinh học, độc học, địa hóa, môi trƣờng. Trong sinh học, để hiểu đƣợc cơ chế của các quá trình tích lũy sinh học, vận chuyển và trao đổi, chuyển hóa sinh học của các nguyên tố dạng vết, thì việc nghiên cứu về phân tích dạng là hết sức cần thiết. Trên cơ sở nghiên cứu dạng của các nguyên tố vết cho phép nghiên cứu sự tích lũy sinh học của các độc chất. Ví dụ trong nƣớc 7 biển nồng độ As chỉ khoảng 2 ng/kg nhƣng trong cá lƣợng As đã lên tới 100 mg/kg [56, 76]. Điều này có nghĩa là từ những nồng độ rất nhỏ của một nguyên tố dạng vết trong môi trƣờng nào đó có thể dẫn đến những vấn đề độc hại nghiêm trọng nếu sự tích lũy sinh học đƣợc kết hợp với sự chuyển hóa sinh học thành các chất độc hại. Nghiên cứu về dạng tồn tại của các nguyên tố còn cho phép nghiên cứu sự chuyển hóa sinh học, sự biến chuyển độc tính cũng nhƣ về bản chất sinh học của các chất độc. Trong nghiên cứu địa chất, phân tích dạng giúp giải thích sự vận chuyển và trao đổi chất, quá trình hình thành và phân bố các nguyên tố, đặc biệt các nguyên tố hàm lƣợng nhỏ, tồn tại đa dạng trong mẫu. Trên cở sở phân tích dạng của nguyên tố, nhà địa chất dễ dàng đánh giá trữ lƣợng cũng nhƣ sự phân chia, phân bố của các nguyên tố. Nhờ những ƣu điểm vƣợt trội nói trên mà trong vài thập niên gần đây, cùng với sự phát triển ngày càng cao của khoa học và kỹ thuật phân tích, phép phân tích dạng đã đƣợc nghiên cứu và phát triển mạnh và đã trở thành một lĩnh vực khoa học quan trọng của phân tích học hiện đại. Do đó, việc nghiên cứu dạng hóa học cũng nhƣ dạng hợp chất của các nguyên tố đang là vấn đề thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học ở mọi nơi trên thế giới. 1.1.3. Ý nghĩa của phân tích dạng As, Se trong các đối tƣợng môi trƣờng 1.1.3.1. Sự tồn tại của As trong môi trường và ý nghĩa của phân tích dạng As As phân bố rất rộng rãi trong tự nhiên, đặc biệt là trong nguồn nƣớc nhƣ nƣớc ngầm, nƣớc biển, nguồn nƣớc khoáng, nƣớc sông suối. Việc sử dụng rộng rãi As trong nhiều ngành công nghiệp nhƣ dƣợc, sản xuất kính, chất nhuộm, chất độc ăn mòn, thuốc trừ sâu, thuốc diệt nấm, thuộc da, hoặc ngành công nghiệp sử dụng nhiên liệu hóa thạch nhƣ công nghiệp xi măng, nhiệt điện, công nghệ đốt chất thải rắn là nguồn gây ô nhiễm As. Các ngành công nghiệp khai thác và chế biến các loại quặng, nhất là quặng sunfua, luyện kim tạo ra nguồn ô nhiễm As do việc khai đào ở các mỏ nguyên sinh đã phơi lộ các quặng sunfua, làm gia tăng quá trình phong hóa, bào mòn và tạo ra khối lƣợng lớn đất đá thải có lẫn asenopyrit ở lân cận khu mỏ. 8 Bên cạnh đó, các quá trình tự nhiên nhƣ địa chất, địa hóa, sinh địa hóa, ... đã làm cho As nguyên sinh có mặt trong một số thành tạo địa chất (các phân vị địa tầng, các biến đổi nhiệt dịch và quặng hóa sunfua chứa As) tiếp tục phân tán hay tập trung gây ô nhiễm môi trƣờng sống [29, 60, 82]. Sau khi phát tán vào môi trƣờng, 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 trƣờng tồn tại. Bảng 1.1 mô tả một số dạng thƣờng thấy của As [56, 70, 74]. Bảng 1. 1 Một số dạng As trong các đối tượng sinh học và môi trường STT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Tên gọi Công thức Asin Asenit Asenat Axit dimetylasonic, DMA Axit monometylasonic, MMA Trimetylasin Oxit trimetylasin, TMAO Ion tetrametylasoni Trimetylasoniaxetat Asenocholin (2-trimetylasonietanol) Dimetylasinoyletanol AsH3 AsO33AsO43(CH3)2AsO2H CH3AsO3H2 (CH3)3As (CH3)3As+-O(CH3)4As+ (CH3)3As+CH2COO(CH3)3As+CH2CH2OH (CH3)3As+(O-)CH2CH2OH Đối với As, để đánh giá độc tính của nguyên tố này trƣớc hết phải xác định dạng tồn tại của chúng. Các dạng chủ yếu của As trong môi trƣờng nƣớc – đối tƣợng đƣợc quan tâm nhất trong phân tích môi trƣờng – là bốn dạng As(III), As(V), DMA và MMA, trong đó hai dạng vô cơ có độc tính cao hơn [77, 84]. Hàm lƣợng As trong nƣớc ngầm phụ thuộc vào tính chất và trạng thái môi trƣờng địa hóa. As vô cơ tồn tại trong nƣớc ngầm ở dạng H2AsO4- (trong môi trƣờng pH axit đến gần trung tính), HAsO42- (trong môi trƣờng kiềm), hợp chất H3AsO3 đƣợc hình thành chủ yếu trong môi trƣờng oxi hóa-khử yếu [65, 70, 74]. Nhƣ chúng ta đã biết, As là nguyên tố vi lƣợng, rất cần thiết cho sự sinh trƣởng và phát triển của con ngƣời và sinh vật. Ở hàm lƣợng nhất định, As có vai trò quan trọng trong trao đổi chất nuclein, tổng hợp protit và hemoglobin. Tuy nhiên, khi xuất hiện ở hàm lƣợng cao hơn, As và các hợp chất của nó là tác nhân 9