Tài liệu Nghiên cứu phương pháp xác định lượng vết một số dạng asen trong mẫu huyết thanh bằng phương pháp ghép nối hplc icp ms

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------------------- Nguyễn Thị Liên NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH LƯỢNG VẾT MỘT SỐ DẠNG ASEN TRONG MẪU HUYẾT THANH BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP NỐI HPLC-ICP/MS LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------------- Nguyễn Thị Liên NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH LƯỢNG VẾT MỘT SỐ DẠNG ASEN TRONG MẪU HUYẾT THANH BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP NỐI HPLC-ICP/MS Ngành: Hóa phân tích Mã số: 60440118 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Tạ Thị Thảo Hà Nội – 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung của luận văn là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Tạ Thị Thảo. Các số liệu, kết quả trong luận văn hoàn toàn trung thực, chưa từng được công bố trên bất kì tạp chí nào đến thời điểm ngoài công trình của tác giả. Hà Nội, ngày 17 tháng 01 năm 2020 Tác giả Nguyễn Thị Liên Xác nhận Xác nhận của giáo viên hướng dẫn của Chủ tịch HĐ chấm luận văn Tạ Thị Thảo PGS.TS. Nguyễn Văn Ri LỜI CẢM ƠN Luận văn này được hỗ trợ kinh phí từ đề tài nghiên cứu Khoa học và Công nghệ cấp ĐHQG Hà Nội trong đề tài mã số: QG. 17. 17. Bản luận văn được thực hiện và hoàn thành tại trường ĐH Khoa học tự nhiên Hà Nội với sự hướng dẫn của PGS.TS. Tạ Thị Thảo. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Tạ Thị Thảo đã định hướng nghiên cứu, hướng dẫn, góp ý, cung cấp tài liệu giúp em hoàn thành bản luận văn này. Em xin được gửi lời cảm ơn đến TS. Chu Đình Bính và Ths-NCS Nguyễn Mạnh Hà cùng các thầy, các cô trong bộ môn Hóa Phân tích - Khoa Hóa Học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội đã giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quý báu để em hoàn thiện luận văn này. Em xin cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội, Phòng Sau đại học, các Phòng, Ban chức năng đã tạo những điều kiện tốt nhất để em học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Cuối cùng, em xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới gia đình, người thân và các anh, chị, em, bạn bè, đặc biệt là các thành viên của lớp K26 chuyên ngành Hóa Phân tích đã luôn bên em, động viên giúp em trong học tập cũng như trong quá trình hoàn thành luận văn. Do thời gian thực hiện đề tài có hạn, bản thân cũng còn thiếu kinh nghiệm thực tiễn cũng như kiến thức chuyên môn sâu nên nội dung bài không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô, các bạn để bài luận văn hoàn thiện hơn và có ích cho thực tiễn cũng như nghiên cứu sau này. Em xin trân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm Tác giả Nguyễn Thị Liên MỤC LỤC MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………1 CHƯƠNG I – TỔNG QUAN .....................................................................................3 1.1 Tổng quang về Asen .................................................................................... 3 1.1.1 Trạng thái và nguồn gốc Asen trong tự nhiên ........................................3 1.1.2 Asen trong hệ sinh thái ...........................................................................5 1.1.3 Dạng Asen và chuyển hóa giữa các dạng Asen ......................................8 1.1.4 Độc tính và cơ chế gây độc của Asen ...................................................10 1.2 Các phương pháp phân tích Asen ............................................................ 15 1.2.1 Phương pháp điện di mao quản (CE)....................................................16 1.2.2 Phương pháp điện hóa ..........................................................................18 1.2.3 Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử nguồn cảm ứng cao tần plasma (ICP-AES) ..............................................................................................18 1.2.4 Phương pháp khối phổ nguyên tử nguồn ion hóa cảm ứng cao tần plasma (ICP-MS) ................................................................................................19 1.2.5 Phương pháp Sắc kí lỏng hiệu năng cao ghép nối với hệ Hydrua quang phổ huỳnh quang nguyên tử (HPLC – UV – HG – AFS) ..................................19 1.2.6 Phương pháp sắc kí lỏng hiệu năng cao ghép nối với hệ quang phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng kĩ thuật hydrua hóa (HPLC-HG-AAS)..........................20 1.2.7 Phương pháp sắc kí lỏng hiệu năng cao ghép nối với cảm ứng cao tần và quang phổ phát xạ nguyên tử (HPLC – ICP – AES). ....................................22 1.2.8 Sắc ký lỏng hiệu năng cao kết hợp quang phổ cảm ứng cao tần Plasma HPLC – ICP/MS .................................................................................................23 CHƯƠNG II - THỰC NGHIỆM .............................................................................31 2.1 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị ........................................................................ 31 2.1.1 Hóa chất ................................................................................................31 2.1.2 Chuẩn bị hóa chất và dung dịch chuẩn .................................................31 2.1.3 Dụng cụ .................................................................................................33 2.1.4 Thiết bị thí nghiệm ................................................................................34 2.2 Điều kiện phân tích 75As trên hệ ICP/MS ............................................... 34 2.3 Phương pháp lấy mẫu, bảo quản mẫu phân tích.................................... 36 2.3.1 Lấy mẫu và tiền xử lý mẫu ...................................................................36 2.3.2 Bảo quản mẫu .......................................................................................36 2.4 Xử lý mẫu ................................................................................................... 37 2.5 Phương pháp phân tích HPLC – ICP/MS ............................................... 38 2.5.1 Nguyên tắc ............................................................................................38 2.5.2 Phương pháp khảo sát điều kiện tối ưu .................................................38 2.5.3 Đánh giá phương pháp phân tích ..........................................................39 2.5.4 Phương pháp xử lý số liệu ....................................................................41 CHƯƠNG III – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................42 3.1 Nghiên cứu tối ưu hóa các điều kiện trên hệ thống HPLC .................... 42 3.1.1 Lựa chọn cột tách ..................................................................................42 3.1.2 Khảo sát thời gian lưu của các dạng Asentrên cột tách ........................42 3.1.3 Khảo sát lựa chọn pha động ..................................................................44 3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của các Ion cản trở đến quá trình phân tích dạng Asen.............................................................................................................. 50 3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Ion Cl- ..............................................50 3.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng kim loại Ca, Mg, Fe ...............52 3.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của cacbon trong pha động tới cường độ tín hiệu Asen ............................................................................................................54 3.3 Tối ưu hóa quá trình xử lý mẫu huyết thanh .......................................... 58 3.4 Xác nhận giá trị sử dụng của phương pháp phân tích dạng ................. 61 3.4.1 Xây dựng đường chuẩn xác định 5 dạng Asen .....................................61 3.4.2 Giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng và độ lặp lại ..........................65 3.4.3 Độ thu hồi .............................................................................................66 3.4.4 Độ lặp lại ...............................................................................................67 3.5 Ứng dụng phân tích mẫu thực tế.............................................................. 67 KẾT LUẬN ...............................................................................................................71 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................73 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ chuyển hóa các dạng Asen trong môi trường tự nhiên Hình 1.2. Sơ đồ chuyển hóa các dạng Asen trong cơ thể người Hình 1.3. Sự nhiễm độc và tích tụ Asen trong cơ thể người và động vật Hình 1.4. Quá trình nhiễm độc Asen can thiệp vào quá trình tổng hợp ATP Hình 1.5 Sự chuyển hóa Asen trong quá trình Trao đổi chất Hình 1.6 Cấu tạo hệ điện di mao quản CE Hình 1.7. Hệ ghép nối HPLC – UV – HG – AFS Hình 1.8. Sơ đồ ghép nối hệ HPLC – HG – AAS Hình 1.9. Sơ đồ ghép nối hệ HPLC – HG – ICP – AES Hình 1.10. Hệ thống HPLC – ICP/MS Hình 2.1. Thiết bị phân tích dạng Asen Hình 2.2. Quy trình xử lý mẫu huyết thanh theo phương pháp 1 Hình 2.3. Quy trình xử lý mẫu huyết thanh theo phương pháp 2 (lần 1) Hình 2.4. Quy trình xử lý mẫu huyết thanh theo phương pháp 2 (lần 2) Hình 3.1. Sắc đồ 5 dạng As 50ppb xác định thời gian lưu Hình 3.2. Sắc đồ 5 dạng As 50ppb khi thay đổi loại pha động Hình 3.3. Sắc đồ của 5 dạng As 50ppb khi thay đổi nồng độ MeOH Hình 3.4. Sắc đồ của 5 dạng As 50ppb khi thay đổi pH của pha động Hình 3.5. Sắc đồ của 5 dạng As 50ppb khi thay đổi tốc độ dòng pha động Hình 3.6. Sắc đồ của 5 dạng As 50ppb khi thay đổi phương pháp rửa giải Hình 3.7. Sắc đồ của 5 dạng As 50ppb khi thay đổi nồng độ clorua Hình 3.8. Sắc đồ của tổng các dạng As ở nồng độ 50ppb Hình 3.9. Sắc đồ của 5 dạng As 50ppb khi thêm hoặc không thêm EDTA. Hình 3.10. Sắc đồ đường nền Hình 3.11. Sắc đồ As(V) 50ppb, bơm lặp 2 lần/phút Hình 3.12. Sắc đồ đường nền, không gradient, pha động nước deion Hình 3.13. Sắc đồ As(V), không gradient, pha động nước deion Hình 3.14. Sắc đồ 5 dạng Asen trong huyết thanh theo phương pháp 1 Hình 3.15. Sắc đồ 5 dạng Asen trong huyết thanh theo phương pháp 2 Hình 3.16. Quy trình xử lý mẫu huyết thanh tối ưu Hình 3.17. Sắc đồ 5 dạng Asen ở các nồng độ khác nhau Hình 3.18. Đường hồi quy tuyến tính của 5 dạng Asen Hình 3.19. Sắc đồ 5 dạng As trong huyết thanh bệnh nhân mã 4387 và 4397 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Các loại cột sắc ký cho hệ HPLC-ICP/MS và pha động tương ứng. Bảng 2.1. Điều kiện phân tích của thiết bị ICP/MS. Bảng 3.1. Nồng độ As, Ca, Mg, Fe được thêm vào mẫu chuẩn 5 dạng As nồng độ 50ppb. Bảng 3.2. Điều kiện phân tích của thiết bị HPLC-ICP/MS Bảng 3.3. Phương trình đường chuẩn của 5 dạng Asen Bảng 3.4. Các đại lượng đặc trưng của phép phân tích dạng Asen bằng phương pháp HPLC-ICP/MS Bảng 3.5. Hiệu suất thu hồi của mẫu huyết thanh Bảng 3.6. Đánh giá độ lặp phương pháp Bảng 3.7 Nồng độ các dạng Asen trong huyết thanh của bệnh nhân DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Tên đầy đủ Số thứ tự Tên viết tắt 1 AAS Quang phổ hấp thụ nguyên tử 2 AES Quang phổ phát xạ nguyên tử 3 As 4 AsB Arsenobetaine 5 AsIII Arsenite 6 AsV Arsenate 7 DMA Dimethylarsonic 13 EDTA Ethylendiaminetetraacetic acid 8 HPLC Sắc ký lỏng hiệu năng cao 9 ICP-MS 10 LOD Giới hạn phát hiện 11 LOQ Giới hạn định lư 12 MMA Monomethylarsonic acid 13 ppb Một phần tỷ 14 ppm Một phần triệu 14 RSD Độ lệch tương đối 15 TBHA Arsen Quang phổ nguồn plasma cao tần kết hợp khối phổ Tetrabutylammonium hydroxide MỞ ĐẦU Asen (As) hay còn gọi là Thạch Tín - là chất độc khá phổ biến trong tự nhiên. Nhưng Asen cũng là một nguyên tố vi lượng rất cần thiết cho sự sinh trưởng, phát triển của con người cũng như các vi sinh vật. Ở Việt Nam hiện nay cũng như trên thế giới, qua sự khảo sát của các nhà khoa học thì có rất nhiều nơi lượng Asen vượt quá tiêu chuẩn cho phép gấp nhiều lần. Nhiều quốc gia bị ô nhiễm Asen nặng nề như Ấn Độ, Ý, Nhật, Mỹ,… Asen không chỉ tồn tại trong nước, đất mà trong cả các loại cây trồng nông nghiệp như ngũ cốc, hoa quả, gạo, rau xanh và thủy sản, asen tồn tại trong thực phẩm có nguồn gốc từ quá trình trao đổi chất với môi trường, hấp thu nước và các chất dinh dưỡng từ đất của các loài động, thực vật. Xuất hiện ngày càng nhiều “làng ung thư” ở rất nhiều nơi, nó đã trở thành mối quan tâm đáng lo ngại của mọi người và các cơ quan chức năng. Từ lâu các nhà khoa học không chỉ xác nhận vai trò quan trọng của các nguyên tố hàm lượng vết trong nghiên cứu môi trường, sinh y học,lương thực thực phẩm, hóa học, vật liệu mới mà còn quan tâm nghiên cứu kỹ hơn về hóa trị (trạng thái oxi hóa), dạng liên kết của chúng do độc tính, hoạt tính sinh học, sinh địa hóa,…của lượng vết các nguyên tố này cũng khác nhau [25; 47]. Do vậy, trong sinh y học, sinh địa hóa, môi trường thì việc nghiên cứu về hóa trị, dạng tồn tại của các nguyên tố hàm lượng vết để hiểu được các quá trình tích lũy sinh học, sự vận chuyển, quá trình chuyển hóa sinh hóa, độc tính và sự tiến triển của độc tính, bản chất sinh học của các độc chất cũng như có hướng điều chỉnh liệu pháp điều trị trên cơ sở mức độ độc các dạng là rất quan trọng. Tại Việt Nam, tính tới thời điểm hiện tại cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu về Asen, tuy nhiên chủ yếu chỉ tập chung vào phân tích tổng hàm lượng Asen trong gạo, nước ngầm, hải sản, tóc, nước tiểu mà rất ít các công trình nghiên cứu về dạng Asen trong mẫu máu. Để đánh giá chính xác độc tính của Asen cũng như sự tích lũy của các hợp chất này trong các mẫu sinh học và đánh giá nguy cơ phơi nhiễm tới con người thông qua chuỗi thức ăn, nước uống và các nguồn tiếp xúc khác thì việc phân tích các dạng tồn tại của As bên cạnh hàm lượng tổng số là một yêu cầu rất quan trọng. Thực tế 1 hiện nay việc phân tích dạng Asen có rất nhiều các phương pháp khác nhau. Tuy nhiên mỗi quy trình, phương pháp phân tích đều bộc lộ những hạn chế nhất định do vậy các kỹ thuật phân tích cho độ tin cậy cao tập trung vào nhóm phương pháp mới. Mà chủ yếu là nhóm phương pháp ghép nối với ưu điểm là các dạng chất trong cùng một mẫu có thể được tách và xác định với độ chọn lọc, độ nhạy thuộc vùng từ ng-pg. Trên cơ sở đó, nội dung đề tài đã tiến hành nghiên cứu xây dựng quy trình phân tích các dạng tồn tại của asen trong mẫu sinh học (huyết thanh) với tiêu đề “NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH LƯỢNG VẾT MỘT SỐ DẠNG ASEN TRONG MẪU HUYẾT THANH BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP NỐI HPLC-ICP/MS”. Mục tiêu của đề tài: Xây dựng quy trình phân tích các dạng Asen gồm (AsB, As(III), DMA, MMA, As(V)) trong các mẫu sinh học mà cụ thể là mẫu huyết thanh bằng phương pháp ghép nối HPLC-ICP-MS. Nội dung nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu Asen trên hệ ICP-MS, từ đó chọn điều kiện phân tích các dạng Asen phù hợp. Tối ưu hóa điều kiện chiết tách các dạng Asen bằng phương pháp ghép nối thiết bị HPLC – ICP/MS. Đánh giá phương pháp phân tích và áp dụng để phân tích một số mẫu huyết thanh. 2 1 CHƯƠNG 1.1 Tổng quang về Asen I – TỔNG QUAN 1.1.1 Trạng thái và nguồn gốc Asen trong tự nhiên Asen (ký hiệu hóa học là As), số hiệu nguyên tử Z = 33, khối lượng nguyên tử 74,92159 đv.C. Trong Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, Asen thuộc nhóm VA, chu kỳ 4. Trong tự nhiên Asen không tồn tại dạng đơn chất mà ở dạng hợp chất, nó có thể kết hợp với nhiều kim loại và phi kim khác nhau để tạo ra các hợp chất vô cơ, hữu cơ, tồn tại nhiều nhất trong các trầm tích, khoáng vật tự nhiên đặc biệt là quặng sunfua. Asen là nguyên tố phổ biến, nó có mặt ở khắp mọi nơi trong khí quyển, nước, đất, trong trầm tích cũng như trong sinh vật. Về mức độ phổ biến thì Asen được xếp thứ 20 trong tự nhiên với hàm lượng trung bình 1,5 – 2mg/kg, chiếm 1,2 – 4,0 % tổng nguyên tử trong vỏ trái đất [7], thứ 14 trong nước biển và thứ 12 trong cơ thể con người [76]. Asen rất dễ bị biến đổi với nhiều dạng khác nhau thông qua khí quyển, đất, nước, sinh vật trước khi sa lắng thành trầm tích. Nguyên nhân một phần do tự nhiên, một phần do chính tác động của con người. Theo thống kê các tác nhân tự nhiên và con người đóng góp 60:40 vào sự lắng đọng Asen, trong khi đó có một số báo cáo ước tính được là 30:70 [60]. Do đó cần có cơ chế đặc thù để kiểm soát việc tích tụ và chuyển hóa asen trong môi trường. Asen tồn tại và phân bố rộng trong tự nhiên, phần lớn Asen tồn tại trong địa quyển ở dạng khoáng phân tán, là thành phần chính trong hơn 200 khoáng chất, hầu hết trong số đó là quặng khoáng sản hoặc các sản phẩm phong hóa của chúng. Một số nghiên cứu cho thấy Asen cũng có nhiều trong than đá với hàm lượng tương đối cao, ví như ở Mỹ hàm lượng trung bình trong than đá là 1 – 10mg/kg, ở Séc là 1500mg/kg. Còn trong trầm tích tự nhiên là < 10mg/kg trọng lượng khô [7]. Ngoài ra Asen còn được tìm thấy trong hơn 245 khoáng chất, trong đó 60% là dạng Asenat, 20% là dạng sunfua và muối sunfua, 20% là dạng Asenua, Asenit, oxit và nguyên tố. Khoáng vật phổ biến nhất là Asenopyrit (FeAsS) [9]. 3 Không chỉ có trong các khoáng vật, Asen còn đi vào trong nước một cách có chọn lọc, nó phụ thuộc vào các yếu tố như pH, khả năng oxi hóa khử. Nhờ quá trình phong hóa, tác động của các yếu tố khách quan môi trường,…Asen từ trong các khoáng vật bị phân hủy đưa vào môi trường nước, trải qua quá trình sa lắng, trầm tích Asen đi vào môi trường đất, chuyển vào vật trung gian như động thực vật và vào cơ thể con người. Bên cạnh đó Asen xuất hiện trong môi trường là do quá trình công nghiệp, khai thác khoáng sản, các hoạt động nông nghiệp cũng như sản phẩm phụ của quá trình đốt than. Theo Nriagu và Pacyna [40] ước tính thì tổng lượng Asen đầu vào có nguồn gốc không tự nhiên khoảng 64000 – 132000 tấn mỗi năm tác động lên môi trường đất. Asen lần đầu tiên được biết đến bởi Albertus Magnus (Đức) vào năm 1250 thế kỷ thứ XIII, nó được dùng như một chất độc giết người nhưng cũng là một phương thuốc chữa bệnh trong dân gian. Cho tới thế kỷ 20 thì Asen đã được sản xuất, dùng rộng rãi trong nông nghiệp, công nghiệp và cả y học. Sản lượng Asen trên thế giới ước tính vào khoảng 7500-10300 tấn mỗi năm, trong đó quốc gia Thụy Điển đứng đầu về việc sản xuất Asen và Hoa Kỳ là quốc gia tiêu thụ Asen lớn nhất thế giới với một nửa lượng Asen sản xuất ra được dùng để cung cấp cho quốc gia này [31]. Lượng asen sản xuất ra chủ yếu được phục vụ cho nhu cầu công nghiêp và nông nghiệp là chính, bên cạnh đó số ít asen được ứng dụng vào trong y học. Năm 1940 Asen hữu cơ được dùng làm thuốc chữa bệnh. Loại được biết nhiều nhất những năm đó là Salvarsan (Asen phenamin) dùng để trị bệnh giang mai và một số bệnh lây nhiễm qua đường tình dục [56]. Ngày nay Asen vẫn được dùng như tác nhân chống ký sinh trùng trong thú y và trong các phương thuốc dân gian. Gần đây, các nhà khoa học còn nghiên cứu Asen trioxit để điều trị bệnh bạch cầu máu. Lượng asen dùng trong nông nghiệp chủ yếu là sản xuất các chế phẩm thuốc trừ sâu. Từ những năm 1970 tại Hoa Kỳ người ta đã biết dùng muối Natri asenit để kiểm soát cỏ dại thủy sinh, dù rằng phát kiến đó cũng đã gây ra không ít hậu quả xấu và tiềm tàng nguy cơ gây mất an toàn nhưng nó cũng là một phát kiến lớn có giá trị ngay thời bấy giờ. Do tính chất độc hại của Asen nên hiện nay tổng lượng Asen dùng trong 4 nông nghiệp đang giảm dần ở các nước đang phát triển và tiến tới loại bỏ hoàn toàn ở các nước phát triển. Asen được ứng dụng nhiều vào những năm đầu thế kỷ 20 nhưng phần lớn đã được thay thế bởi Asen hữu cơ để giảm thiểu tính độc hại. Mức độ độc hại của asen vô cơ và hữu cơ là khác nhau, ảnh hưởng của Asen phụ thuộc nhiều vào tính chất lý, hóa, độ độc, dạng và sự chuyển hóa cũng như biến đổi sinh học qua lại của các dạng Asen [64]. Do đó việc xây dựng, nghiên cứu các phương pháp, quy trình phân tích dạng Asen trong các đối tượng khác nhau đã trở thành đề tài cần thiết và cũng là thách thức cho các nhà khoa học trong nghiên cứu môi trường, sức khỏe tại các nước chậm phát triển và đang phát triển, trong đó có Việt Nam. 1.1.2 Asen trong hệ sinh thái 1.1.2.1 Asen trong đất Hàm lượng của As tự nhiên trong đất phụ thuộc vào loại đất, đá, hàm lượng bình thường từ 1-40µg As/g [31]. Nói chung, hàm lượng asen trong đất không bị ô nhiễm và không được xử lý hiếm khi vượt quá 10µg/g. Hàm lượng Asen cao thường được tìm thấy trong đất phèn do sự phong hóa của pyrit. Nồng độ Asen trong pyrit, chalcopyrit, galena và marcasit có thể rất khác nhau nhưng có khả năng đạt tới vài % trọng lượng nếu đất đó được hình thành là sản phẩm phong hóa của khoáng chất sunfua, khoáng chất oxit và các oxit kim loại màu [62]. Ở các khu vực nông nghiệp, dư lượng asen có thể tích lũy tới 600µg/g. Đất ô nhiễm cao có thể là đất trong khu vực của các nhà máy khai thác hoặc các nhà máy nhiệt điện dùng than thì nồng độ có thể lên tới hơn 1000µg/g [28]. Khả năng biến đổi của asen là kết quả của sự tương tác phức tạp giữa đất và dung dịch đất với tác động của phản ứng oxi hóa khử, độ pH, kích thước hạt, hàm lượng chất hữu cơ, khả năng phong hóa của khoáng sản và các ion cạnh tranh [29]. Asen trong đất chủ yếu là asenat. Tuy nhiên, axit arsenic là dạng chiếm ưu thế trong điều kiện đất xấu [31]. Các điều kiện đất khác nhau cũng có thể dẫn đến một sự thay đổi trong trạng thái oxi hóa hoặc dễ bị methyl hóa bởi hoạt động của vi sinh vật. 5 1.1.2.2 Asen trong nước Nồng độ asen trong nước ngọt thay đổi theo các cấp độ khác nhau, tùy thuộc vào nguồn Asen, lượng có sẵn và môi trường địa hoá, hàm lượng Asen an toàn trong nước uống là 0,01mg/L (< 10ppb). Trong điều kiện tự nhiên, phạm vi lớn nhất và nồng độ asen cao nhất được tìm thấy trong nước ngầm do ảnh hưởng mạnh mẽ của tương tác nước - đá và điều kiện địa lý thuận lợi cho việc phân giải và tích lũy Asen. Hàm lượng Asen trong nước ngầm phụ thuộc nhiều vào môi trường và tính chất địa hóa của nơi ấy. Ở những vùng trầm tích núi lửa lớn, hay một số khu vực mỏ dầu khí, mỏ than hay có nhiều quặng,…thường giàu Asen hơn nơi khác. Hàm lượng Asen trong nước ngầm thông thường dao động từ <0,5 đến 10µg/L nhưng nồng độ cũng có thể lên tới 370µg/L như đã được báo cáo ở Wyoming và Montana là kết quả của vùng núi lửa từ hệ thống núi lửa Yellowstone [30]. Người ta có thể quan sát thấy sự thay đổi theo mùa trong nồng độ Asen. Theo nghiên cứu của Hong Li, Ronald B Smart cho biết tỉ lệ As(III) so với As(V) có thể dao động từ 0,1 : 1 – 10:1 tùy từng vùng và tùy từng mùa khác nhau [63]. Trong nước biển hàm lượng trung bình của Asen là khoảng 2µg/L, trong khi ở nước ngọt thì hàm lượng asen có thể dao động từ 0,4 - 80µg/L [68]. Nước mặt thường có độ pH và kiềm cao cho thấy nồng độ Asen tự nhiên dao động từ 21,8 190µg/L. Nồng độ lên tới 556µg/L trong báo cáo được tìm thấy ở các dòng suối liền kề với các mỏ than khoáng sản ở British Columbia [31]. Nguyên nhân sự gia tăng đáng kể nồng độ Asen của nước là do ô nhiễm từ nước thải công nghiệp hoặc từ chất thải của nhà máy hoặc chất thải khai thác mỏ hoặc thuốc diệt cỏ. Ngoài ra quá trình Methyl hóa asen vô cơ tạo ra methyl và dimethyl asen bởi các hoạt động của vi sinh vật trong nước hay một số sinh vật biển cũng có khả năng biến đổi asen vô cơ thành hợp chất asen hữu cơ, như arsenobetaine, arsenocholine và arsoniumphospholiphid [69] cũng là nguyên nhân làm tăng hàm lượng Asen trong nước. 1.1.2.3 Asen trong không khí Hiện tượng tự nhiên (phong hóa, hoạt động sinh học và hoạt động núi lửa) cũng như các nguồn nhân tạo (hoạt động nấu chảy, đốt nhiên liệu hóa thạch, thuốc 6 trừ sâu) giải phóng Asen vào khí quyển. Asen có mặt trong không khí chủ yếu ở dạng hạt Asen trioxit. Hàm lượng asen đo ở vùng sâu vùng xa hoặc nông thôn dao động từ 0,02 - 4 ng/m3[62], tại các khu vực đô thị, dao động 3-200 ng/m3. Ở vùng lân cận quanh các khu công nghiệp hàm lượng cao hơn nhiều (> 1000 ng/m3) [15]. Việc nấu chảy quặng và đốt than làm tăng nồng độ Asen theo các cấp độ khác nhau và nồng độ có thể lên tới 16µg/L con số này đã được tìm thấy trong lượng nước mưa xuống của một lò luyện đồng [39]. Những con số minh chứng này có thể cho chúng ta thấy rằng trong không khí, nguồn khói bụi cũng đóng góp một phần đáng kể lượng Asen trong đất, nước, mà nguyên nhân của lượng Asen trong không khí này lại bắt nguồn phần lớn do các hoạt động của con người mà ra. 1.1.2.4 Asen trong cở thể người và động thực vật Trong cơ thể con người Asen là nguyên tố đứng vị trí thứ 12 về mức độ phổ biến và cần thiết, theo khuyến cáo của tổ chức y tế thế giới WHO thì hàm lượng Asen trong cơ thể con người ở mức an toàn là 15µg/kg [10]. Nhưng Asen không phải một nguyên tố thiết yếu trong quá trình sinh học, mặc dù một số hợp chất hữu cơ của Asen được dùng làm chất kích thích để kích thích sự phát triển của thực vật và làm phụ gia thực phẩm để thúc đẩy tăng trưởng của động vật (trong thức ăn chăn nuôi). Cả asenit và asenat tích tụ trong các mô sống vì ái lực của chúng đối với protein, lipid và các hợp chất tế bào khác [41]. Người ta đã biết rằng nồng độ Asen trong sinh vật biển nói chung dao động từ 1–100 mg/kg (trọng lượng khô) và thường cao hơn so với trong nước ngọt, chủ yếu là các loài Asen hữu cơ [43, 54]. Nguyên nhân chính là do sự ô nhiễm môi trường sống và do các động vật thủy sinh có khả năng biến đổi Asen vô cơ thành các hợp chất hữu cơ phức tạp và được giữu lại dọc theo chuỗi thức ăn ví như cá biển có thể giữu lại tới 99% asen ở dạng hữu cơ [38]. Trong động vật biển và nấm thì Arsenobetan và arsenocolin được tìm thấy là chủ yếu [44]. Năm 1977, arsenobetan được công nhận là hợp chất Asen phong phú nhất trong động vật biển. Arsenocholine và các dẫn xuất 7 có chứa Asen được tìm thấy ở nồng độ đáng kể trong tôm và cá biển. Còn Trimethylasin oxit được tìm thấy với hàm lượng thấp và hầu như không đáng kể [45]. Ngoài ra có hơn 25 dạng asen cũng đã được báo cáo tìm thấy trong các mô sinh học biển [9]. Nhìn chung, các dạng Asen hữu cơ trong thực vật thủy sinh được tìm thấy chủ yếu là hợp chất dimethylasen nhưng hàm lượng Asen thường nhỏ hơn 1µg/g. Brandstetter và các cộng sự của mình đã báo cáo hàm lượng Asen trong các mô thực vật ở vùng Alp của Áo là từ 0,03 - 34,5µg/g [46]. Một số lượng hạn chế các loài thực vật và tảo được biết là tích lũy Asen đến một mức độ cao hơn đáng kể hoặc tương quan trực tiếp với nồng độ Asen của môi trường xung quanh thông qua rễ để hấp thụ các hợp chất Asen vô cơ, qua lá hoặc vỏ cây hấp thụ các hợp chất hữu cơ. Những cây này có thể được sử dụng để xử lý các khu vực ô nhiễm hoặc để theo dõi sinh học ô nhiễm Asen [45]. Theo WHO hàm lượng Asen cho phép trong rau quả khô là ≤1mg/kg [10]. Hiện nay hệ lụy của vấn đề ô nhiễm Asen đã để lại những hậu quả nghiêm trọng tới đời sống, sức khỏe của con người. Chính vì vậy việc nghiên cứu các dạng Asen trong mẫu sinh học của cơ thể người là điều rất cần thiết, là cơ sở để đánh giá mức độ nguy hiểm, xây dựng và điều chỉnh các phác đồ điều trị trên cơ sở mức độ nhiễm độc các dạng, hạn chế tới mức thấp nhất các tổn thất về người do nhiễm độc Asen mang lại. 1.1.3 Dạng Asen và chuyển hóa giữa các dạng Asen Asen được mô tả giống như hợp chất cộng hóa trị hoặc dạng anion. Trạng thái oxi hóa chủ yếu của Asen là -3, 0, +3, +5 phổ biến nhất của nó là -3 (asenua: thông thường trong các hợp chất liên kim loại tương tự như hợp kim), +3 (asenat (III) hay asenit và phần lớn các hợp chất asen hữu cơ), +5 (asenat (V): phần lớn các hợp chất vô cơ chứa ôxy của asen ổn định). Asen cũng dễ tự liên kết với chính nó, chẳng hạn tạo thành các cặp As-As trong sulfua đỏ hùng hoàng (α-As4S4) và các ion As43- vuông trong khoáng coban asenua có tên skutterudit. Asen là một á kim gây ngộ độc cao và 8 có ba dạng thù hình: màu vàng (phân tử phi kim), một vài dạng màu đen và xám (á kim) trong đó dạng xám là dạng bền hơn cả [31]. Có hơn 25 dạng Asen khác nhau phổ biến trong các mẫu sinh học và các dạng Asen có thể được biến đổi thông qua các quá trình sinh học hoặc phi sinh học như oxi hóa, phân giải, giải hấp phụ, kết tủa, bay hơi,…. Trong môi trường, Asen tồn tại chủ yếu ở dạng As(-III), As(0), As(III) và As(V) ở cả dạng vô cơ và hữu cơ. Trong nước tự nhiên, nó chủ yếu được tìm thấy ở dạng vô cơ như anion oxit của arsenit [As (III)] hoặc asenat [As (V)] và một lượng nhỏ dạng hữu cơ là MMA (V), DMA (V) [59,70], dạng hữu cơ của asen hiếm khi có trong nước tự nhiên [68], tuy nhiên trong nước thải, Asen lại tồn tại ở nhiều dạng khác nhau [27]. Metylasin được chuyển hóa vào không khí từ việc xử lí các loại hợp chất của asen. [18]. Sự trao đổi chất của asen trong môi trường được thể hiện trong hình 1.1 Hình 1.1 Sơ đồ chuyển hóa các dạng Asen trong môi trường tự nhiên Cơ chế biến đổi của các dạng Asen trong cơ thể con người rất phức tạp, nó bao gồm nhiều quá trình: Sự hấp thụ, phân bố, chuyển hóa, tích lũy và đào thải các hợp chất của Asen. Theo Prohaska T. và Stingeder G. có thể mô tả quá trình chuyển hóa các dạng Asen trong cơ thể người và dộng vật qua sơ đồ sau: [65] 9 Hình 1.2 Sơ đồ chuyển hóa các dạng Asen trong cơ thể người Các quá trình biến đổi này đã được nghiên cứu lâm sàng, thử nghiệm trên chuột và một số động vật khác để đưa ra các kết luận về cơ chế biến đổi và đào thải chất độc ra môi trường ngoài. Dạng xâm nhập chính vào cơ thể người là dạng vô cơ, nhất là As (III) dễ dàng được hấp thụ vào cơ thể con người thông qua ăn uống và trao đổi chất vì dễ hòa tan vào nước hơn so với As(V). Trong cơ thể con người cũng giống như hầu hết động vật có vú, asen vô cơ được methyl hóa và tạo thành axit monomethylarsonic (MMAA) và dimethylarsonic (DMAA) bằng phản ứng khử từ As (V) thành As (III) và gắn thêm một nhóm methyl. Có khoảng 60 – 70% asen vô cơ đi vào cơ thể và được giải phóng ra ngoài bằng đường nước tiểu ở dạng DMAA và MMAA [57, 66]. 1.1.4 Độc tính và cơ chế gây độc của Asen 1.1.4.1 Độc tính của Asen Các hợp chất Asen và Asen nguyên tố được phân loại là "độc hại" và "nguy hiểm cho môi trường" theo chỉ thị 67/548/EEC của Liên minh châu Âu. Cơ quan nghiên cứu ung thư quốc tế (IARC) công nhận hợp chất Asen và Asen nguyên tố là chất gây ung thư nhóm 1 và EU liệt kê Asen trioxide, Asen pentoxit và muối Asen là chất gây ung thư loại 1. 10