Luận văn: Xác định các dạng Asen (As III, V, MMA, DMA) trong nước tiểu

Luận văn trình bày quy trình xác định các dạng asen (As III, V, MMA, DMA) trong nước tiểu bằng phương pháp HPLC-ICP-MS và kết quả phân tích chi tiết.

• Chuyên ngành: Hoá học phân tích
• Đề tài: Phân tích Asen trong nước tiểu bằng HPLC-ICP-MS
• Loại tài liệu: Luận văn

Tóm tắt

I. Tổng quan về Asen và phương pháp phân tích

Asen (As) là một nguyên tố vi lượng quan trọng trong hệ thống sinh học, tham gia vào quá trình trao đổi chất, tổng hợp nucleic và hemoglobin ở hàm lượng nhất định. Tuy nhiên, khi vượt quá mức cần thiết, asen trở thành chất cực độc với độc tính phụ thuộc vào các dạng hợp chất tồn tại. Các tổ chức FAO/WHO đã khuyến cáo mức hấp thụ asen vô cơ tối đa là 15µg As/kg trọng lượng cơ thể/tuần. Phân tích asen trong nước tiểu là một ứng dụng quan trọng để đánh giá mức độ tiếp xúc với chất độc này. Kỹ thuật HPLC-ICP-MS (High Performance Liquid Chromatography - Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) đã nổi lên như một phương pháp hiệu quả, cho phép xác định đồng thời các dạng asen khác nhau trong mẫu sinh học.

1.1. Đặc tính và độc tính của asen

Asen tồn tại dưới nhiều dạng hợp chất khác nhau, bao gồm asen vô cơ trị số +3 (As³⁺), asen vô cơ trị số +5 (As⁵⁺), monomethylarsonic (MMA) và dimethylarsonic (DMA). Độc tính giảm dần theo thứ tự: asin > asen vô cơ +3 > asen hữu cơ +3 > asen vô cơ +5. Nhiễm độc asen gây cản trở tổng hợp ATP, dẫn đến các bệnh mãn tính nguy hiểm như ung thư và bệnh tim mạch.

1.2. Các phương pháp phân tích asen hiện nay

Các phương pháp phân tích dạng asen bao gồm HPLC-UV-HG-AFS, HPLC-HG-AAS, HPLC-ICP-AES, và HPLC-ICP-MS. Sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC) được ghép nối với các hệ phát hiện khác nhau để tách và định lượng các dạng asen. Phương pháp HPLC-ICP-MS nổi bật nhờ khả năng phát hiện cao, độ chọn lọc tốt và khả năng xác định đồng thời nhiều đồng vị.

II. Nguyên lý và ưu điểm của HPLC ICP MS

HPLC-ICP-MS là sự kết hợp của hai kỹ thuật mạnh mẽ: sắc kí lỏng hiệu năng cao để tách các dạng asen và khối phổ cảm ứng cao tần để định lượng. Hệ ghép nối HPLC-ICP-MS cho phép tách biệt các dạng asen khác nhau dựa trên tính chất hóa học, sau đó phát hiện chúng thông qua đo khối lượng nguyên tử. Chất nội chuẩn Ge (Germanium) được sử dụng để chuẩn hóa tín hiệu và tăng độ chính xác của phương pháp. Pha động chứa methanol, phosphate (PO₄³⁻) và được điều chỉnh pH thích hợp để đạt độ tách biệt tối ưu. Tốc độ dòng pha động, nồng độ methanol và nồng độ phosphate là những thông số quan trọng cần tối ưu hóa để đạt hiệu suất phân tích tối đa.

2.1. Tối ưu hóa điều kiện ICP MS

Điều kiện tối ưu trên thiết bị ICP-MS bao gồm chuẩn hóa số khối, tốc độ khí mang cho bộ sol khí, công suất nguồn năng lượng ICP và thế điều khiển thấu kính điện tử-ion. Các thông số này cần được khảo sát và điều chỉnh để đạt tín hiệu tối đa và độ lặp lại tốt. Hiệu chuẩn số khối giúp xác định chính xác các ion nguyên tố trong mẫu.

2.2. Tối ưu hóa điều kiện phân tách HPLC

Thời gian lưu của từng dạng asen phụ thuộc vào nồng độ methanol, nồng độ phosphate, pH pha động và tốc độ dòng pha động. Khảo sát ảnh hưởng của từng thông số giúp xác định điều kiện tối ưu để đạt độ phân giải cao. Thể tích bơm mẫu và nồng độ ion clo cũng ảnh hưởng đến kết quả phân tích.

III. Tính chất phân tích và ứng dụng trên mẫu nước tiểu

Phương pháp phân tích asen bằng HPLC-ICP-MS được đánh giá thông qua các thông số chất lượng quan trọng: độ lặp lại, giới hạn phát hiện (LOD), giới hạn định lượng (LOQ), độ thu hồi và đường hồi quy tuyến tính. Kết quả khảo sát cho thấy phương pháp có độ đúng cao với độ thu hồi tốt cho các dạng asen (As³⁺, DMA, MMA, As⁵⁺). Điều kiện bảo quản mẫu nước tiểu cần được xác định để đảm bảo ổn định các dạng asen trong quá trình lưu trữ. Quy trình phân tích mẫu nước tiểu bao gồm bước chuẩn bị mẫu, lọc qua bộ lọc 0,45 µm, và phân tích trực tiếp trên hệ HPLC-ICP-MS. Sắc đồ phân tích cho thấy khả năng tách biệt hiệu quả các dạng asen với cường độ tín hiệu rõ ràng.

3.1. Đánh giá độ chính xác của phương pháp

Độ lặp lại, giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng được xác định cho mỗi dạng asen. Độ thu hồi được khảo sát bằng cách thêm asen chuẩn vào mẫu và so sánh kết quả. Đường hồi quy tuyến tính được xây dựng từ hỗn hợp chuẩn As ở các nồng độ 2, 5, 10, 25 và 50 µg/L. Độ đúng của phương pháp được xác minh bằng mẫu chuẩn CRM No.18 và CRM No.2.

3.2. Ứng dụng phân tích mẫu thực tế

Quy trình phân tích mẫu nước tiểu thực tế bao gồm bước chuẩn bị mẫu, lọc lạc nước và phân tích trực tiếp. Sơ đồ phân tích chi tiết các bước từ lấy mẫu đến định lượng. Sắc đồ đo mẫu thực tế cho thấy hàm lượng DMA và các dạng asen khác có trong mẫu. Kết quả phân tích được so sánh với giá trị tham chiếu để đánh giá mức độ nhiễm độc asen ở bệnh nhân.

IV. Ý nghĩa lâm sàng và triển vọng phát triển

Phân tích asen trong nước tiểu có ý nghĩa lâm sàng cao trong đánh giá mức độ tiếp xúc và chẩn đoán nhiễm độc asen. Phương pháp HPLC-ICP-MS không chỉ xác định tổng hàm lượng asen mà còn phân biệt các dạng asen khác nhau, giúp đánh giá độc tính chính xác hơn. Vì asen vô cơ độc hại hơn asen hữu cơ, khả năng phân biệt dạng của phương pháp là rất quan trọng. Ứng dụng phương pháp này trong các cơ sở y tế giúp phát hiện sớm các trường hợp nhiễm độc asen và can thiệp điều trị kịp thời. Phương pháp nghiên cứu này mở ra hướng phát triển mới trong phân tích các chất độc trong mẫu sinh học và giám sát sức khỏe cộng đồng.

4.1. Giá trị trong chẩn đoán lâm sàng

Phân tích asen trong nước tiểu là phương pháp không xâm lấn để đánh giá tiếp xúc asen và mức độ nguy hiểm. Nồng độ asen trong nước tiểu phản ánh tiếp xúc gần đây với chất độc này. Khả năng phân biệt các dạng asen giúp bác sĩ đánh giá chính xác mức độ độc tính và lên kế hoạch điều trị phù hợp. Phương pháp HPLC-ICP-MS với độ chính xác cao là công cụ lý tưởng cho chẩn đoán nhiễm độc asen mãn tính.

4.2. Triển vọng ứng dụng và phát triển

Phương pháp phân tích asen có thể mở rộng ứng dụng cho các sinh học khác như máu, tóc và các mô sinh học. Phát triển phương pháp tự động và tích hợp hệ thống giúp tăng năng suất và giảm chi phí phân tích. Ứng dụng trong giám sát các khu vực ô nhiễm asen có ý nghĩa quan trọng cho bảo vệ sức khỏe cộng đồng và quản lý môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Asen (As) là nguyên tố vi lượng cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của động vật và con người. Ở hàm lượng nhất định As tham gia vào quá trình trao đổi chất, tổng hợp nucleic, protit và hemoglobin. Chính vì vậy mà các chuyên gia về thực phẩm của tổ chức FAO/WHO đã đưa ra mức hấp thụ lượng asen vô cơ tối đa cho người là 15µg As/kg trọng lượng cơ thể/tuần [7, 18, 19]. Mặc dù As là một nguyên tố không thể thiếu trong trong hệ thống sinh học, nhưng nếu hấp thụ một hàm lượng vượt quá mức cần thiết, nó lại là một chất cực độc.

Độc tính của As phụ thuộc vào các dạng hợp chất tồn tại của nó, mức độ độc hại của các hợp chất này giảm dần theo thứ tự sau: asin > các hợp chất asen vô cơ hóa trị +3 > các hợp chất asen hữu cơ hóa trị +3 > các hợp chất asen vô cơ hóa trị +5 > các hợp chất asen hữu cơ hóa trị +5 > các hợp chất của asen có gốc amin > nguyên tố asen [9, 10, 16]. Asen chủ yếu ở dạng các hợp chất vô cơ (có độc tính cao) được đưa vào cơ thể từ nhiều nguồn khác nhau: thực phẩm, nước uống, không khí. Trong cơ thể, thông qua phản ứng metyl hóa và khử liên tục các hợp chất As này được chuyển thành dạng không độc, sau đó được bài tiết qua nước tiểu, phân, và tích lũy ở da, tóc, móng. Vì vậy, hàm lượng As trong nước tiểu, phân, da, tóc, móng được dùng làm chỉ thị cho sự phơi nhiễm As trong cơ thể.

Việc xác định nồng độ của từng dạng asen trong nước tiểu sẽ đánh giá được mức độ rủi ro đến sức khỏe con người. Vì vậy, một phương pháp xác định phù hợp để có thể tách và định lượng chính xác các dạng khác nhau của asen trong nước tiểu là cần thiết. Do đó, luận văn này sẽ thực hiện các nghiên cứu cụ thể như sau: - Nghiên cứu xây dựng phương pháp ghép nối HPLC-ICP-MS để xác định đồng thời Asen (III), Mono-methylarsonic (MMA), Dimethylarsonic (DMA) và arsen (V) trong nước tiểu. - Áp dụng phương pháp ghép nối HPLC-ICP-MS để xác định một số mẫu nước tiểu của người dân xã Chuyên Ngoại, Hà Nam.

Tổng quan Asen hay còn gọi là thạch tín, ký hiệu As và số nguyên tử 33. Asen lần đầu tiên được Albertus Magnus (Đức) đề cập tới vào năm 1250. Khối lượng nguyên tử của nó bằng 74,92. Asen là một á kim gây ngộ độc cao và có nhiều dạng thù hình: màu vàng (phân tử phi kim), một vài dạng màu đen và xám (á kim).

Ba dạng có tính kim loại của asen với cấu trúc tinh thể khác nhau cũng được tìm thấy trong tự nhiên (các khoáng vật asen sensu stricto và hiếm hơn là asenolamprit cùng parasenolam- prit), nhưng nói chung nó hay tồn tại dưới dạng các hợp chất asenua và asenat. Người ta đã tìm thấy asen tồn tại trong khoảng 200 loại khoáng khác nhau. [1] Asen và các hợp chất của nó được sử dụng như là thuốc trừ dịch hại, thuốc trừ cỏ, thuốc trừ sâu và trong một loạt các hợp kim. Trạng thái ôxi hóa 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-As 4S4) và các ion As43- vuông trong khoáng coban asenua có tên skutterudit. Ở trạng thái ôxi hóa +3, tính chất hóa học lập thể của asen chịu ảnh hưởng bởi sự có mặt của cặp electron không liên kết. Tính chất vật lí và hóa học của Asen. Tính chất vật lí [1, 2] Asen có tính chất gần với các kim loại, nó có bốn dạng thù hình: dạng kim loại, vàng, xám và nâu.

Asen thường gặp ở dạng kim loại có màun sáng bạc. Asen kim loại có ánh kim, có cấu trúc tinh thể gần giống phốt pho đen. Sau đây là một số thông số vật lí của asen: tỉ trọng: 5,7g/cm 3, bán kính nguyên tử: 1,21A0, năng lượng ion hoá thứ nhất: 9,81 eV,nhiệt độ nóng chảy là 8170C, nhiệt độ bay hơi của asen là 6150C, khi gặp lạnh nó ngưng lại thành tinh thể tà phương, hơi asen có mùi tỏi rất độc. 2 Asen là một chất bán dẫn, dễ nghiền thành bột.

Người ta có thể tạo hợp chất bán dẫn của asen như GaAs, có tính chất bán dẫn như silic và gecmani. Tính chất hóa học của Asen. [1, 2] Asen là nguyên tố bán kim loại, có tính chất hoá học gần với tính chất của á kim, cấu hình lớp vỏ điện tử hoá trị của asen là 4s 24p3. Trong cấu hình điện tử của asen có sự tham gia của các obital d vì vậy có khả năng mở rộng vỏ hoá trị, trong các hợp chất asen có 3 giá trị số oxi hoá: -3, +3, +5.

Số oxi hoá -3 rất đặc trưng cho asen. Khi đun nóng trong không khí asen cháy tạo thành oxit, ngọn lửa màu xanh là của As2O3. Về tính chất điện thế, asen đứng giữa hidro và đồng nên nó không tác dụng với các axit không có tính oxi hoá, nhưng dễ dàng phản ứng với các axit HNO3, H2SO4 đặc… 3As + 5HNO3 + 2H2O  3H3AsO 4 + 5NO Khi phản ứng với các halogen, các halogenua asen được tạo ra, hợp chất này trong môi trường nước dễ bị thuỷ phân tạo axit tương ứng 2As + 5Cl2 +8 H2O  2H3AsO4 + 10HCl Các hợp chất của As3+ rất phổ biến như As2S3, H3AsO3, AsCl3, As2O3… chúng đều tan tốt trong axit HNO3 đặc nóng, NaOH, NH4OH, (NH4)2S và (NH4)2CO3. As2S3 + 8 HNO3 + 4H2O  2H3AsO4 + 3H2SO4 + 8NO hay As2S3 + (NH4)2S  (NH4)3AsS3 Khi cho khí H2S qua dung dịch AsCl3 có kết tủa màu vàng tươi, đó là As2S3.

Asen không tạo pentaclorua mà chỉ có triclorua asen, đây là một hợp chất quan trọng của asen, AsCl3 dễ bay hơi, dễ bị thuỷ phân trong môi trường nước. AsCl3 + 3H2O  2H3AsO3 + 3HCl Khi khử H3AsO3 ta thu được khí asin: H3AsO3 + 3Zn + 6HCl  3ZnCl2 + AsH3 + 3H2O H3AsO3 thể hiện tính chất như một axit khi tác dụng với muối tạo thành muối mới và axit mới. 3 H3AsO3 + CuSO4  CuHAsO3 + H2SO4 CuHAsO3 có kết tủa màu vàng lục trong môi trường kiềm nó tan trong dung dịch màu xanh. CuHAsO3 + NaOH  CuNaAsO3 + H20 Một số hợp chất quan trọng của As5+ như As2S5, H3AsO4, Ag3AsO4,… Trong đó As2S5 không tan trong nước và axit HCl, chỉ tan trong NaOH, HNO 3, NH4OH, vì vậy dựa vào tính chất này có thể xác định asen bằng phương pháp phổ khối lượng.

As2S5+ (NH4)2S  (NH4)3AsS4 Khi cho axit asenic tác dụng với molipdat amoni trong môi trường axit HNO3 cho kết tủa màu vàng, muối này được dùng để định tính và định lượng asen. H3AsO4 +12(NH4) 2 MoO4 + 21HNO3  (NH4)3H4[As(Mo2O7)6] + 21NH4NO3+ 10H2O Trong hợp chất này As5+ có vai trò như P5+, nó làm ion trung tâm điển hình tạo phức dị đa axit, và phức này cũng có thể khử về phức dị đa màu xanh. Trong hợp chất AsH3, asen thể hiện tính oxy hoá -3, liên kết trong asin là liên kết cộng hoá trị, đây cũng là đặc điểm do cấu hình điện tử của asen. AsH 3 thể hiện tính khử mạnh ví dụ như khi tác dụng với H2SO4 loãng: 2AsH3 + 6H2SO4  6SO2 + As2O3 + 9H2O hay khi tác dụng với I2: AsH3 + 4I2 + 4H2O  H3AsO3 + 8HI 1.

Các dạng tồn tại và độc tính của Asen. a) Các dạng tồ tại. Asen là một nguyên tố tồn tại khá phổ biến trong tự nhiên, nó đứng thứ 20 và chiếm khoảng 1.10-4% tổng nguyên tố trong vỏ trái đất. Hàm lượng trung bình của asen trong vỏ trái đất là 1,8 ppm; trong đất nó có hàm lượng từ khoảng 5,5 đến 13 ppm, trong sông suối nhỏ hơn 2ng/ml; trong nước ngầm nhỏ hơn 100ng/ml.

Asen phân bố chủ yếu trong các quặng sunfua như pyrit có thể lên đến hàng trăm mg/kg, hàm lượng cao của asen có thể tìm thấy trong than đá lên đên 1500 mg/kg, ngoài ra còn trong các khoáng vật như: asenua đồng, niken, sắt,… Trong tự 4 nhiên asen tồn tại ở cả dạng vô cơ và hữu cơ. Asen là nguyên tố có khả năng kết hợp với lưu huỳnh tạo thành hợp chất sunfua, tạo hợp chất với selen, telua và đặc biệt là với đồng, niken, sắt, bạc. Có khoảng gần 140 khoáng vật độc lập của asen, trong đó 60% là asenat và 35% là các sunfua. Các khoáng vật quan trọng nhất của asen là: rialga (AsS), ocpimen (As 2S3), asopyrit (FeAsS)… Asen còn kết hợp các nguyên tố khác thay thế lưu huỳnh trong các hợp chất như: Loellingite (FeAs2), Smartina (As2Co).

Các loại hợp chất này thường được tạo thành ở nhiệt độ thấp. Asen thường di chuyển trong đất, trong trầm tích, trong thực động vật và trong các vùng có hoạt động sinh học trong đại dương. Trong nước asen thường tồn tại chủ yếu dưới các dạng asenit, asenat, monometylasonic axit, hay dimetylasinic axit… nhưng có hàm lượng rất thấp, chủ yếu asen bị thuỷ phân lắng xuống bùn. Môi trường nước có tính oxi hoá, As thường ở dạng asenat, nhưng dưới điều kiện khử thì asenit lại là chủ yếu.

Hàm lượng asen trung bình trong nước chỉ khoảng 10µg/l, tuy nhiên có thể cao hơn do ảnh hưởng của chất thải công nghiệp, thuốc diệt cỏ… Sự metyl hoá asen vô cơ sang metyl và dimetyl asenic là được tạo bởi các hoạt động của các vi sinh vật trong nước. Một vài sinh vật biển có khả năng chuyển asen vô cơ sang hợp chất asen hữu cơ phức tạp, chẳng hạn như arsenobetaine, arsenocholine, arsoniumphospholiphid. Metylasin được chuyển hóa vào không khí từ việc xử lí các loại hợp chất của asen. Dimetylasin và trimetylasin được phát hiện trong các khu vực có sử dụng các hợp chất metylasen.

Từ các mỏ tập trung, asen bị phong hoá cùng các kim loại khác và sau đó được vận chuyển đi phân tán trong môi trường. Một phần lớn asenat được kết tủa trở lại hoặc hấp phụ trên các hạt kiểu phù sa và được các dòng sông, suối mang từ trên núi xuống bồi đắp các đồng bằng châu thổ của các con sông. Cùng với nhôm, sắt và các kim loại khác và khoảng 6% các vật chất hữu cơ trong trầm tích chứa một lượng đáng kể asen. Trong điều kiện yếm khí (ở trong lòng đất), các vi sinh vật 5 phân huỷ các chất hữu cơ nói trên, tạo ra môi trường khử CO 2.

Tiếp đó là quá trình khử, hoà tan sắt và giải phóng asen đã bị hấp phụ trên đó.