I. Khám phá toàn cảnh phức Sắt III PAR trong hóa phân tích
Sắt (Fe) là một trong những kim loại vi lượng quan trọng nhất, đóng vai trò thiết yếu trong nhiều quá trình sinh học và công nghiệp. Tuy nhiên, ở nồng độ cao, nó có thể gây độc hại cho môi trường và sức khỏe con người. Do đó, việc xác định hàm lượng sắt trong mẫu thực tế như nước, thực phẩm, hay dược phẩm là một yêu cầu cấp thiết trong lĩnh vực hóa học phân tích. Nhiều phương pháp hiện đại đã được phát triển, nhưng chúng thường đòi hỏi thiết bị đắt tiền và quy trình phức tạp. Luận án hóa học này tập trung vào việc phát triển một giải pháp thay thế hiệu quả: sử dụng phương pháp trắc quang UV-VIS để nghiên cứu sự tạo phức giữa ion sắt(III) với một thuốc thử hữu cơ nhạy màu. Cụ thể, nghiên cứu này đi sâu vào phản ứng giữa Fe(III) và thuốc thử PAR – viết tắt của 4-(2-pyridylazo)resorcinol. Đây là một thuốc thử được biết đến với khả năng tạo phức màu bền và có độ nhạy cao với nhiều ion kim loại. Mục tiêu chính của luận án là khảo sát chi tiết các điều kiện tối ưu cho sự hình thành phức chất của sắt (III) với PAR, xác định các đặc trưng phổ, thành phần, và độ bền của phức. Từ đó, xây dựng một quy trình phân tích hoàn chỉnh, đơn giản, chi phí thấp nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cao, mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi trong công tác kiểm soát chất lượng và giám sát môi trường. Nghiên cứu này, thực hiện tại Khoa Hóa học HUS, hứa hẹn đóng góp những dữ liệu khoa học giá trị và một phương pháp phân tích thiết thực.
1.1. Tầm quan trọng của việc định lượng sắt trong thực tiễn
Sắt là nguyên tố phổ biến thứ tư trong vỏ Trái Đất và là kim loại chuyển tiếp có vai trò không thể thiếu. Trong cơ thể sống, sắt là thành phần trung tâm của hemoglobin, chịu trách nhiệm vận chuyển oxy. Trong công nghiệp, sắt là nền tảng của ngành luyện kim. Tuy nhiên, sự hiện diện của sắt vượt ngưỡng cho phép trong nguồn nước có thể gây ra các vấn đề như làm thay đổi mùi vị, màu sắc và thúc đẩy sự phát triển của vi khuẩn. Việc định lượng sắt chính xác giúp đánh giá chất lượng nước sinh hoạt, nước thải công nghiệp và mức độ ô nhiễm môi trường. Trong dược phẩm và thực phẩm, việc kiểm soát hàm lượng sắt là bắt buộc để đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng. Do đó, việc phát triển các phương pháp phân tích sắt, đặc biệt là các phương pháp phân tích vết kim loại, luôn là một chủ đề được quan tâm hàng đầu.
1.2. Giới thiệu thuốc thử 4 2 pyridylazo resorcinol PAR
Thuốc thử 4-(2-pyridylazo)resorcinol, hay thuốc thử PAR, là một hợp chất hữu cơ thuộc nhóm thuốc thử azo. Đặc điểm nổi bật của PAR là khả năng tạo phức chelate bền vững với nhiều ion kim loại, trong đó có sắt(III). Phản ứng tạo phức này thường đi kèm với sự thay đổi màu sắc rõ rệt, tạo ra một phức chất có khả năng hấp thụ mạnh trong vùng khả kiến (VIS). Chính đặc tính này làm cho PAR trở thành một thuốc thử lý tưởng cho các phương pháp phân tích dựa trên đo quang phổ hấp thụ. Ưu điểm của PAR bao gồm độ nhạy cao, độ chọn lọc tương đối tốt, điều kiện phản ứng không quá khắt khe và giá thành hợp lý. Những yếu tố này đã thúc đẩy nhiều nhà khoa học, trong đó có các nghiên cứu tại Khoa Hóa học HUS, lựa chọn PAR làm đối tượng để phát triển các quy trình phân tích mới.
II. Thách thức trong định lượng Sắt III và vai trò PAR
Việc định lượng sắt ở nồng độ thấp (vết và siêu vết) đối mặt với nhiều thách thức đáng kể. Các phương pháp phân tích công cụ hiện đại như Quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) hay Quang phổ phát xạ Plasma cảm ứng (ICP-MS) cho độ chính xác và độ nhạy rất cao. Tuy nhiên, các phương pháp này đòi hỏi chi phí đầu tư và vận hành lớn, cần kỹ thuật viên có trình độ cao và không phù hợp cho các phòng thí nghiệm quy mô nhỏ hoặc cho việc phân tích tại hiện trường. Một thách thức khác là sự ảnh hưởng của ion lạ trong nền mẫu phức tạp. Nhiều ion kim loại khác có thể cản trở quá trình xác định sắt, dẫn đến sai số trong kết quả. Do đó, việc tìm kiếm một phương pháp vừa đơn giản, chi phí thấp, vừa có độ chọn lọc cao là mục tiêu quan trọng. Phương pháp trắc quang UV-VIS sử dụng thuốc thử tạo màu như thuốc thử PAR nổi lên như một giải pháp tiềm năng. Phương pháp này dựa trên một nguyên lý đơn giản: đo lường sự hấp thụ ánh sáng của phức chất của sắt (III). Cường độ màu của phức, tuân theo định luật Lambert-Beer, tỷ lệ thuận với nồng độ của sắt trong dung dịch. Luận án này giải quyết các thách thức trên bằng cách nghiên cứu sâu về bản chất phản ứng tạo phức, tìm ra các điều kiện tối ưu để phản ứng diễn ra hoàn toàn và chọn lọc, từ đó giảm thiểu sai số và nâng cao hiệu quả của quy trình phân tích vết kim loại.
2.1. Hạn chế của các phương pháp phân tích sắt truyền thống
Các phương pháp phân tích sắt truyền thống, chẳng hạn như phương pháp chuẩn độ, thường chỉ phù hợp với nồng độ sắt tương đối lớn và dễ bị ảnh hưởng bởi các chất oxy hóa-khử khác có trong mẫu. Trong khi đó, các phương pháp phân tích công cụ hiện đại như AAS và ICP-MS tuy có giới hạn phát hiện (LOD) rất thấp nhưng lại không kinh tế. Chi phí cho mỗi lần phân tích mẫu khá cao, và việc bảo trì thiết bị cũng rất tốn kém. Điều này tạo ra rào cản cho việc ứng dụng rộng rãi, đặc biệt tại các quốc gia đang phát triển hoặc trong các chương trình giám sát môi trường quy mô lớn đòi hỏi phân tích hàng loạt mẫu. Sự phức tạp trong vận hành cũng là một điểm trừ đáng kể.
2.2. Ưu điểm của phương pháp trắc quang UV VIS trong hóa học
So với các phương pháp khác, phương pháp trắc quang UV-VIS sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội. Thứ nhất, thiết bị máy quang phổ UV-VIS tương đối rẻ, dễ vận hành và bảo trì. Thứ hai, quy trình phân tích thường đơn giản, nhanh chóng, không đòi hỏi các bước xử lý mẫu phức tạp. Thứ ba, bằng cách lựa chọn thuốc thử phù hợp và tối ưu hóa điều kiện phản ứng, phương pháp này có thể đạt được độ nhạy và độ chọn lọc cao, cho phép định lượng sắt ở nồng độ ppm (phần triệu) hoặc thấp hơn. Việc sử dụng thuốc thử PAR trong luận án hóa học này là một minh chứng cho nỗ lực khai thác tối đa tiềm năng của kỹ thuật đo quang để giải quyết các bài toán phân tích thực tiễn.
III. Hướng dẫn tối ưu hóa điều kiện tạo phức Sắt III PAR
Để xây dựng một quy trình phân tích hiệu quả, bước quan trọng nhất là phải tìm ra điều kiện tối ưu tạo phức. Luận án này đã tiến hành một loạt khảo sát hệ thống và chi tiết để xác định các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến sự hình thành phức chất của sắt (III) với thuốc thử PAR. Các yếu tố chính được nghiên cứu bao gồm: ảnh hưởng của pH, nồng độ thuốc thử, thời gian phản ứng và nhiệt độ. Kết quả thực nghiệm cho thấy phức Fe(III)-PAR hình thành và bền nhất trong môi trường axit yếu. Bằng cách khảo sát độ hấp thụ quang tại bước sóng hấp thụ cực đại (λmax) theo sự thay đổi pH, luận án đã xác định được khoảng pH tối ưu cho phản ứng là từ 2.0 đến 2.5. Nồng độ của 4-(2-pyridylazo)resorcinol cũng được khảo sát để đảm bảo phản ứng xảy ra hoàn toàn. Nghiên cứu chỉ ra rằng cần sử dụng một lượng dư thuốc thử PAR so với nồng độ sắt. Thời gian để phản ứng đạt trạng thái cân bằng cũng được xác định, đảm bảo độ hấp thụ quang của phức đạt giá trị cực đại và ổn định trước khi đo. Thông qua các thí nghiệm này, một bộ thông số tối ưu đã được thiết lập, làm nền tảng vững chắc cho việc xây dựng phương pháp định lượng sau này. Đây là phần cốt lõi của nghiên cứu, thể hiện sự nghiêm túc và bài bản trong hóa học phân tích.
3.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến sự tạo phức Fe III PAR
pH là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến quá trình tạo phức. Nó không chỉ quyết định dạng tồn tại của ion kim loại (Fe³⁺, Fe(OH)²⁺,...) mà còn ảnh hưởng đến trạng thái proton hóa của thuốc thử. Luận án đã sử dụng các hệ đệm khác nhau để khảo sát ảnh hưởng của pH trong một khoảng rộng. Kết quả đo độ hấp thụ quang cho thấy phức chất của sắt (III) bắt đầu hình thành ở pH khoảng 1.5, đạt giá trị cực đại và ổn định trong khoảng pH 2.0-2.5, và giảm dần khi pH tăng cao hơn do sự tạo thành hydroxit sắt. Do đó, pH 2.2 đã được chọn làm giá trị tối ưu cho các nghiên cứu tiếp theo.
3.2. Xác định tỷ lệ mol và hằng số bền của phức chất
Để hiểu rõ hơn về bản chất của phức, việc xác định thành phần của nó là rất cần thiết. Luận án đã áp dụng phương pháp biến đổi liên tục (phương pháp Job) và phương pháp tỷ số mol để xác định tỷ lệ kết hợp giữa Fe(III) và PAR. Cả hai phương pháp đều cho kết quả thống nhất, khẳng định rằng phức được tạo thành có tỷ lệ Fe:PAR là 1:2. Dựa trên thành phần phức, hằng số bền của phức (hay hằng số tạo thành) đã được tính toán. Giá trị hằng số bền điều kiện lớn cho thấy phức Fe(III)-(PAR)₂ rất bền, chứng tỏ phản ứng diễn ra gần như hoàn toàn, là một điều kiện lý tưởng cho việc định lượng sắt bằng phương pháp trắc quang.
IV. Phương pháp trắc quang xác định Sắt III với PAR
Dựa trên các điều kiện tối ưu tạo phức đã được thiết lập, luận án tiến hành xây dựng đường chuẩn để định lượng sắt. Một dãy dung dịch chuẩn sắt(III) có nồng độ đã biết được chuẩn bị và cho phản ứng với thuốc thử PAR trong điều kiện tối ưu (pH 2.2, nồng độ PAR dư, thời gian phản ứng đủ). Độ hấp thụ quang của các dung dịch phức màu sau đó được đo tại bước sóng hấp thụ cực đại là 510 nm. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang (A) vào nồng độ sắt (C) cho thấy một mối quan hệ tuyến tính, tuân thủ nghiêm ngặt định luật Lambert-Beer trong một khoảng nồng độ xác định. Phương trình hồi quy tuyến tính của đường chuẩn có dạng A = aC + b với hệ số tương quan (R²) rất cao (thường > 0.999), chứng tỏ độ tin cậy của phương pháp. Từ phương trình này, nồng độ sắt trong một mẫu chưa biết có thể dễ dàng được xác định sau khi đo độ hấp thụ quang của nó. Bên cạnh đó, các thông số quan trọng của phương pháp như giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) cũng được đánh giá. Kết quả cho thấy phương pháp có độ nhạy cao, có khả năng phát hiện sắt ở nồng độ rất thấp, đáp ứng tốt yêu cầu của phân tích vết kim loại.
4.1. Xây dựng đường chuẩn theo định luật Lambert Beer
Quá trình xây dựng đường chuẩn là bước nền tảng của mọi phương pháp phân tích định lượng dựa trên đo quang. Luận án đã chứng minh được rằng sự tuân theo định luật Lambert-Beer của phức Fe(III)-PAR là rất tốt trong khoảng nồng độ từ 0.1 đến 2.0 mg/L. Phương trình đường chuẩn thu được có dạng y = 0.215x + 0.008 với R² = 0.9995. Hệ số tương quan gần bằng 1 khẳng định mối quan hệ tuyến tính chặt chẽ giữa độ hấp thụ quang và nồng độ, cho phép ngoại suy để xác định nồng độ mẫu một cách chính xác. Độ lặp lại của các phép đo cũng được đánh giá thông qua độ lệch chuẩn tương đối (RSD), cho kết quả thấp, thể hiện độ chụm cao của phương pháp.
4.2. Đánh giá LOD LOQ và ảnh hưởng của các ion lạ
Một phương pháp phân tích tốt không chỉ cần có độ đúng và độ chụm cao mà còn phải có độ nhạy và độ chọn lọc tốt. Luận án đã tính toán giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) dựa trên tín hiệu của mẫu trắng. Kết quả cho thấy phương pháp có thể phát hiện sắt ở nồng độ cỡ µg/L. Để đánh giá độ chọn lọc, nghiên cứu đã khảo sát ảnh hưởng của ion lạ thường có mặt trong mẫu nước như Cu²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺, Mn²⁺, Cl⁻, SO₄²⁻,... ở các nồng độ khác nhau. Kết quả cho thấy hầu hết các ion này không gây ảnh hưởng đáng kể ở nồng độ cao gấp nhiều lần so với sắt. Với một số ion gây cản trở, các biện pháp che phù hợp cũng được đề xuất, nâng cao tính ứng dụng của phương pháp.
V. Ứng dụng thực tiễn định lượng sắt trong mẫu nước
Để khẳng định tính khả thi và độ tin cậy của phương pháp đã xây dựng, luận án đã tiến hành ứng dụng quy trình để xác định hàm lượng sắt trong mẫu thực tế. Các đối tượng mẫu được lựa chọn bao gồm mẫu nước máy, nước giếng khoan và nước thải từ một phòng thí nghiệm của Khoa Hóa học HUS. Các mẫu nước này được lấy, bảo quản và xử lý sơ bộ theo quy trình chuẩn trước khi phân tích. Hàm lượng sắt tổng được xác định bằng cách sử dụng phương pháp trắc quang với thuốc thử PAR dựa trên đường chuẩn đã xây dựng. Để kiểm chứng kết quả, phương pháp thêm chuẩn được áp dụng. Tỷ lệ thu hồi (recovery) của lượng sắt thêm vào nằm trong khoảng chấp nhận được (95-105%), cho thấy phương pháp không bị ảnh hưởng đáng kể bởi hiệu ứng nền mẫu. Song song đó, các mẫu này cũng được phân tích bằng một phương pháp chuẩn, phổ biến là phương pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử (AAS). Kết quả thu được từ hai phương pháp được so sánh bằng các phép kiểm chuẩn thống kê (chuẩn t và chuẩn F). Sự tương đồng giữa hai bộ kết quả đã khẳng định rằng phương pháp trắc quang Fe(III)-PAR có độ chính xác và độ tin cậy tương đương với phương pháp chuẩn, nhưng lại đơn giản và kinh tế hơn nhiều. Thành công trong việc phân tích mẫu nước đã chứng minh tiềm năng ứng dụng to lớn của phương pháp này.
5.1. Quy trình phân tích hàm lượng sắt trong mẫu nước thực tế
Quy trình phân tích được tóm tắt như sau: Mẫu nước sau khi lấy được axit hóa để bảo quản. Một thể tích chính xác của mẫu được lấy vào bình định mức, thêm dung dịch đệm để điều chỉnh về pH 2.2, sau đó thêm một lượng dư dung dịch thuốc thử PAR. Lắc đều và để yên trong thời gian tối ưu để phản ứng tạo phức xảy ra hoàn toàn. Cuối cùng, định mức tới vạch bằng nước cất và tiến hành đo quang phổ hấp thụ tại bước sóng 510 nm. Nồng độ sắt trong mẫu được tính toán dựa vào phương trình đường chuẩn. Quy trình này nhanh chóng, dễ thực hiện và không yêu cầu các hóa chất độc hại hay thiết bị phức tạp.
5.2. So sánh và xác nhận kết quả với phương pháp chuẩn AAS
Việc so sánh với một phương pháp đã được công nhận là bước cuối cùng và quan trọng nhất để xác nhận giá trị của một quy trình phân tích mới. Trong luận án này, phương pháp Quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) được chọn làm phương pháp đối chứng. Kết quả định lượng sắt từ phương pháp trắc quang mới (kết quả X) và phương pháp AAS (kết quả Y) trên cùng một bộ mẫu được xử lý thống kê. Phép kiểm chuẩn t cho thấy không có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê giữa giá trị trung bình của hai phương pháp. Phép kiểm chuẩn F cũng chỉ ra rằng độ chụm của hai phương pháp là tương đương. Những bằng chứng này là lời khẳng định mạnh mẽ nhất về tính đúng đắn và độ tin cậy của phương pháp được đề xuất.
