Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Các hợp chất hữu cơ nhóm nitro vòng thơm được ứng dụng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp như sản xuất thuốc nổ, đạn dược, khí đốt, thuốc nhuộm, dược phẩm, thuốc trừ sâu và sản xuất giấy. Trong đó, nitrobenzen, các dẫn xuất nitrophenol, dinitrotoluen và trinitrotoluen cùng các sản phẩm phân hủy trung gian (như hợp chất hydroxylamin hay nitroso) đều có độc tính cao, tiềm ẩn khả năng gây đột biến gen và ung thư cho con người cũng như hệ sinh thái. Các hợp chất này phát tán và tồn lưu phổ biến trong đất, nước mặt, nước ngầm và không khí xung quanh các nhà máy sản xuất, bảo quản vật liệu nổ quân sự.

Để đánh giá mức độ ô nhiễm, các phương pháp phân tích truyền thống như sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC), sắc ký khí (GC) hay điện di mao quản (CE) đòi hỏi quy trình xử lý mẫu, chiết tách và làm giàu phức tạp, tốn kém thời gian và chi phí hóa chất. Phương pháp quang phổ (UV-Vis, IR, Raman) có độ nhạy hạn chế và độ chọn lọc thấp đối với hỗn hợp. Trong khi đó, phương pháp điện hóa Von-Ampe trên điện cực giọt thủy ngân treo (HMDE) sở hữu độ nhạy cao, giới hạn phát hiện thấp và thiết bị tương đối đơn giản. Tuy nhiên, do cấu trúc phân tử của các hợp chất nitro thơm tương tự nhau nên thế đỉnh pic khử của chúng nằm rất gần nhau, dẫn đến hiện tượng xen phủ phổ nghiêm trọng khi có mặt đồng thời trong cùng một mẫu. Các nghiên cứu trước đây chỉ giải quyết việc định lượng đơn lẻ từng chất hoặc hỗn hợp 2–3 chất có độ tách pic rõ ràng bằng điện cực biến tính. Việc kết hợp phương pháp Von-Ampe với các thuật toán hồi quy đa biến (chemometrics) nhằm giải quyết bài toán định lượng đồng thời nhiều hợp chất nitro vòng thơm xen phủ phổ phức tạp trong môi trường nước mà không cần qua giai đoạn tách loại hóa học chính là khoảng trống nghiên cứu trọng tâm mà luận án hướng tới.

Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng phương pháp phân tích đồng thời các chất hữu cơ vòng thơm chứa nhóm nitro trong mẫu nước, ứng dụng để xác định mẫu nước mặt và nước thải tại các nhà máy quốc phòng bằng phương pháp Von-Ampe sử dụng điện cực giọt thủy ngân treo (HMDE) kết hợp với các phương pháp hồi quy đa biến.

Nội dung nghiên cứu của luận án

  1. Nghiên cứu lựa chọn điều kiện phù hợp để xác định các hợp chất nitro vòng thơm gồm nitrobenzen (NB), 2-nitrophenol (2-NP), 3-nitrophenol (3-NP), 4-nitrophenol (4-NP), dinitrotoluen (DNT) và trinitrotoluen (TNT) trên điện cực HMDE (khảo sát pH, dung dịch nền điện ly, nồng độ đệm, tốc độ quét, biên độ xung, thời gian sục khí nitơ, thời gian nghỉ).
  2. Đánh giá tính cộng tính tín hiệu đo của 6 hợp chất nitro vòng thơm nhằm xác định khả năng áp dụng các mô hình hồi quy đa biến.
  3. Nghiên cứu lựa chọn mô hình hồi quy đa biến tuyến tính (CLS, ILS, PLS, PCR) và mô hình hồi quy đa biến phi tuyến tính (mạng nơ-ron nhân tạo - ANN) trên cơ sở ma trận nồng độ dung dịch chuẩn, đánh giá độ chính xác qua sai số chuẩn tương đối (RSE, RSEt) và độ thu hồi.
  4. Nghiên cứu xây dựng mô hình hồi quy đa biến trên nền mẫu thực tế (nước mặt, nước thải) nhằm loại trừ ảnh hưởng của hiệu ứng nền mẫu.
  5. Ứng dụng quy trình phân tích để xác định các hợp chất trong mẫu nước thực tế và so sánh, đối chứng kết quả với phương pháp sắc ký lỏng khối phổ (LC-MS/MS) và HPLC-UV.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: 6 hợp chất nitro vòng thơm bao gồm nitrobenzen (NB), 2-nitrophenol (2-NP), 3-nitrophenol (3-NP), 4-nitrophenol (4-NP), 2,4-dinitrotoluen (DNT) và 2,4,6-trinitrotoluen (TNT).
  • Đối tượng mẫu thực tế: Các loại mẫu nước thải và nước mặt thu thập tại các ao, hồ xung quanh các nhà máy, xí nghiệp sản xuất và bảo quản vũ khí, đạn dược thuộc Bộ Quốc phòng.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Nghiên cứu thực nghiệm được hoàn thành tại Phòng Phân tích thuộc Viện Hóa học - Vật liệu (Viện Khoa học - Công nghệ Quân sự) và Phòng thí nghiệm Hóa phân tích thuộc Khoa Hóa học (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN), công bố năm 2019. Thông tin cụ thể về thời gian và địa điểm lấy mẫu thực tế không công bố do tính chất đặc thù của lĩnh vực quốc phòng.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu phân tích hợp chất nitro vòng thơm

Luận án đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế về các phương pháp phân tích hợp chất nitro vòng thơm:

  1. Phương pháp quang phổ:

    • Phổ UV-Vis: Dựa trên phản ứng tạo phức màu Meisenheimer trong môi trường kiềm với sự có mặt của chất hoạt động bề mặt (như CPB) hoặc dung môi hữu cơ. Halasz (2002) [58] xác định TNT tạo cặp ion với trioctylmetylammonium clorua hấp thụ ở 520 nm (LOD 0,9 mg/l, tuyến tính 3–200 mg/l). Tamate (2004) [103] tạo phức màu đỏ của TNT với isobutyl methyl keton (IBMK) ở bước sóng >500 nm và nitrophenol ở 490 nm (LOD ~1,5 mg/l). Steuckart (1994) [104] dùng dicyclohexylamin (DCHA) và IBMK cho phức màu đỏ tím tại 531 nm. Nhìn chung, phương pháp quang phổ UV-Vis có độ nhạy thấp (cỡ mg/l) và không định lượng riêng rẽ được từng cấu tử khi ở dạng hỗn hợp.
    • Phổ IR và Raman: Chủ yếu phục vụ phân tích cấu trúc hoặc định tính dựa trên màng nano bạc cộng hưởng plasmon bề mặt [60, 82] hoặc màng polyme tán xạ bề mặt [45].

  2. Phương pháp sắc ký và điện di:

    • HPLC-MS/MS và HPLC-UV: Báo cáo của Holmgren [14] phân tích TNT và sản phẩm phân hủy qua HPLC-MS/MS (LOD 4–114 µg/l); Bell (2002) [15] xác định nitrophenol trong không khí; Xu (2013) [44] phân tích 18 hợp chất nitro thơm trong nước thải (LOD 0,026–23 µg/l); tiêu chuẩn EPA 8330 [69] và EN ISO 22478:2006 [28] ứng dụng HPLC-UV phân tích chất nổ nhóm nitro trong đất và nước.
    • GC-MS và GC-FID: Calderara (2004) [24] định lượng 5 chất nổ nitro thơm trong nước bằng GC-MS (LOD 0,03–0,91 µg/l); Zou (2009) [97] dùng GC-FID xác định 3 đồng phân mononitrotoluen trong thủy sản (LOD 0,5 µg/l).
    • Điện di mao quản (CE): Hilmi (1999) [78] dùng CE detector điện hóa xác định TNT, TNB, DNT, DNB trong nước thải (LOD 3,0–4,7 µg/l).
    • Hạn chế: Các kỹ thuật sắc ký đòi hỏi trang thiết bị đắt tiền, chi phí vận hành cao, thời gian xử lý tách chiết dung môi kéo dài.

  3. Phương pháp điện hóa Von-Ampe:

    • Cơ chế khử catot của nhóm nitro (-NO2) diễn ra thuận lợi trên điện cực giọt thủy ngân treo (HMDE), màng thủy ngân hoặc các điện cực rắn biến tính (G-C biến tính nano vàng [22, 80], nano cacbon [23, 113], kim cương [89], composit bạc [105]).
    • Khảo sát của tác giả Xavier [106], Aysem Uzer [102], Sanoit [89] chỉ ra rằng các hợp chất nitro thơm có thế khử rất gần nhau (khoảng -0,4 V đến -0,8 V), các pic khử chồng lấn mạnh khi phân tích đồng thời nhiều cấu tử.

  4. Ứng dụng Chemometrics trong phân tích đa biến:

    • Trên thế giới: Hồi quy đa biến kết hợp Von-Ampe đã được ứng dụng xác định đồng thời kháng sinh (levofloxacin, gatifloxacin, lomefloxacin với mô hình PCR đạt RSEt 7,71% [117]), glucocorticoid [73], thuốc trừ sâu chứa nhóm nitro (parathion, fenitrothion với mô hình ANN có RSEt < 10% [74]), hỗn hợp thuốc nổ RDX, TNT, PETN bằng ANN trên điện cực graphite biến tính [106].
    • Tại Việt Nam: Chemometrics chủ yếu mới được áp dụng trên tín hiệu quang học như phổ cận hồng ngoại NIR phân tích kháng sinh sulfamid và beta-lactam (Thái Khắc Minh và cộng sự, 2012, 2013 [3, 10]), phổ UV-Vis xác định đồng thời Pd, Co, Ni [9], phổ AAS xác định các dạng asen (Tạ Thị Thảo, 2008 [1]). Luận án ghi nhận chưa có công bố nào trong nước kết hợp phương pháp Von-Ampe với hồi quy đa biến để phân tích đồng thời các hợp chất trong hỗn hợp.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn

Luận án tập trung giải quyết bài toán định lượng đồng thời hệ hỗn hợp 6 hợp chất nitro vòng thơm (chứa cả các đồng phân vị trí nitrophenol) có phổ Von-Ampe xen phủ hoàn toàn trên điện cực HMDE. Đồng thời, nghiên cứu đề xuất giải pháp xây dựng mô hình hồi quy đa biến trực tiếp trên nền mẫu thực để triệt tiêu ảnh hưởng của ma trận nền, khắc phục hạn chế của các phương pháp phân tích thông thường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết hóa học và điện hóa

Phân tử hợp chất nitro vòng thơm chứa một hoặc nhiều nhóm chức nitro ($-NO_2$) liên kết trực tiếp với nhân thơm. Nhóm nitro có hoạt tính điện hóa mạnh và bị khử trên điện cực catot:

  • Giả thiết khử trao đổi 6 electron: Nhóm $-NO_2$ bị khử hoàn toàn thành nhóm amin ($-NH_2$) qua các sản phẩm trung gian là hợp chất nitroso ($-NO$) và hydroxylamin ($-NHOH$): $$R(NO_2)_n + 6n e^- + 6n H^+ \rightarrow R(NH_2)_n + 2n H_2O$$
  • Giả thiết khử trao đổi 4 electron: Nhóm $-NO_2$ bị khử tạo thành dẫn xuất hydroxylamin ($R-NHOH$), quá trình oxy hóa khử giữa hydroxylamin và nitroso diễn ra thuận nghịch: $$RNO_2 + 4 e^- + 4 H^+ \rightarrow RNHOH + H_2O$$

Đặc tính lý - hóa của 6 hợp chất nitro vòng thơm nghiên cứu được tổng hợp trong bảng sau:

Hợp chất Công thức phân tử Khối lượng riêng ở 25 °C ($g/cm^3$) Nhiệt độ nóng chảy (°C) Độ tan trong nước ở 20 °C ($g/l$) Hằng số $pK_a$
Nitrobenzen (NB) $C_6H_5NO_2$ 1,199 - 1,900 -
2-Nitrophenol (2-NP) $HOC_6H_4NO_2$ 1,490 44 - 45 2,100 7,21
3-Nitrophenol (3-NP) $HOC_6H_4NO_2$ 1,490 95 - 98 13,500 8,00
4-Nitrophenol (4-NP) $HOC_6H_4NO_2$ 1,480 110 - 114 11,600 7,15
2,4-Dinitrotoluen (DNT) $C_6H_3(CH_3)(NO_2)_2$ 1,520 70 0,166 -
2,4,6-Trinitrotoluen (TNT) $C_6H_2(NO_2)_3CH_3$ 1,654 80,35 0,130 -

Cơ sở lý thuyết các mô hình hồi quy đa biến (Chemometrics)

  1. Mô hình bình phương tối thiểu thông thường (CLS): Giả thiết cường độ dòng $I$ là hàm của nồng độ $C$: $$I_{n \times k} = C_{n \times m} K_{m \times k}$$ Trong đó ma trận hệ số $K = (C^t C)^{-1} C^t I$, nồng độ mẫu phân tích được tính theo công thức: $$C_0 = a_0 K^t (K K^t)^{-1}$$
  2. Mô hình bình phương tối thiểu nghịch đảo (ILS): Giả thiết nồng độ $C$ là hàm của cường độ dòng $I$: $$C_{n \times m} = I_{n \times k} P_{k \times m}$$ Với ma trận $P = (I^t I)^{-1} I^t C$, nồng độ xác định qua: $$C_0 = a_0 P$$
  3. Mô hình hồi quy cấu tử chính (PCR): Phân tích thành phần chính (PCA) trên ma trận tín hiệu dòng $Y$ để chuyển sang không gian vector trực giao của các cấu tử chính (PC), sau đó thực hiện hồi quy nghịch đảo trên các biến thành phần chính được giữ lại: $$X = a + bY \quad (\text{với } b = P \times Q)$$
  4. Mô hình bình phương tối thiểu từng phần (PLS): Đồng thời phân tích ma trận nồng độ $X$ và ma trận tín hiệu $Y$ để trích xuất ma trận điểm số $T$ chung, tối đa hóa hiệp phương sai giữa biến độc lập và biến phụ thuộc.
  5. Mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANN): Áp dụng cấu trúc mạng lan truyền nhiều lớp (MLP 1 lớp ẩn) và mạng xuyên tâm (RBF) với các hàm kích hoạt (ngưỡng, tuyến tính từng đoạn, sigmoid, tanh) và các thuật toán luyện mạng gồm trainlm (Levenberg-Marquardt), trainscg (Scaled Conjugate Gradient), trainbfg (BFGS Quasi-Newton) và trainbr (Bayesian Regularization).

Hóa chất, thiết bị và phương pháp phân tích thực nghiệm

  • Thiết bị điện hóa: Máy phân tích điện hóa Metrohm 797 (Thụy Sỹ) sử dụng hệ 3 điện cực: điện cực làm việc giọt thủy ngân treo (HMDE), điện cực so sánh Ag/AgCl/Cl, điện cực phụ trợ dây Pt.
  • Thiết bị đối chứng:
    • Thiết bị sắc ký lỏng ghép khối phổ tứ cực thời gian bay LC-MS/MS SCIEX X500R QTOF (Mỹ), sử dụng cột tách $C_{18}$ $110\text{ Å}$ ($2,0\text{ mm} \times 50\text{ mm} \times 3\text{ }\mu\text{m}$), nguồn ion hóa ESI (xác định các nitrophenol) và APCI (xác định DNT, TNT).
    • Hệ thống HPLC HP 1100 Vectra (Nhật) với cột Hypersil $C_{18}$ ($200\text{ mm} \times 4\text{ mm} \times 5\text{ }\mu\text{m}$) và detector quang phổ hấp thụ phân tử UV.
  • Dụng cụ phụ trợ: Cân phân tích HR 200 (độ chính xác $\pm 0,0002\text{ g}$), máy đo pH Precisa (độ chính xác $\pm 0,02\text{ pH}$).
  • Hóa chất và dung dịch đệm: Chuẩn NB, 2-NP, 3-NP, 4-NP, DNT, TNT đạt độ tinh khiết phân tích (PA); dung dịch đệm axetat $0,1\text{ M}$ ($CH_3COOH + CH_3COONH_4$), đệm amoni $0,1\text{ M}$, đệm vạn năng Britton-Robinson (RB) pH từ 2 đến 10.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương này tổng kết cấu tạo, tính chất lý - hóa, độc tính và các quy chuẩn kỹ thuật về hàm lượng giới hạn cho phép của các hợp chất nitro vòng thơm (QCVN 20:2009/BTNMT quy định nồng độ NB trong khí thải công nghiệp là $5\text{ mg/m}^3$; tiêu chuẩn Mỹ quy định DNT trong không khí nơi sản xuất là $1,5\text{ mg/m}^3$ và trong nước thải là $0,15\text{ mg/l}$; TCVN/QS 658:2011 quy định TNT trong không khí nơi sản xuất là $0,5\text{ mg/m}^3$, trong nước thải là $0,5\text{--}1\text{ mg/l}$).

Chương 1 phân tích ưu - nhược điểm của các phương pháp phân tích công cụ hiện hành:

  • Các phương pháp sắc ký (HPLC, GC, CE) tuy có độ chọn lọc và độ nhạy cao nhưng chi phí phân tích đắt đỏ, quy trình tách chiết phức tạp.
  • Phương pháp UV-Vis và quang phổ bề mặt bị hạn chế về độ chọn lọc và độ nhạy.
  • Phương pháp Von-Ampe sở hữu nhiều đặc tính ưu việt về độ nhạy và thời gian phân tích nhưng gặp trở ngại do hiện tượng xen phủ tín hiệu khi các chất cùng xuất hiện.
  • Phần cuối chương luận giải nguyên lý toán học của các thuật toán chemometrics (CLS, ILS, PLS, PCR, ANN) và điểm lại các ứng dụng thành công trên thế giới trong xử lý tín hiệu Von-Ampe đa biến.

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình chuẩn bị hóa chất, pha chế các dung dịch chuẩn gốc ($100\text{ mg/l}$), dãy chuẩn làm việc, các dung dịch đệm và quy trình vận hành hệ thiết bị:

  • Quy trình phân tích Von-Ampe trên thiết bị Metrohm 797 với điện cực HMDE.
  • Thiết lập quy trình phân tích tham chiếu trên thiết bị LC-MS/MS SCIEX X500R QTOF với các thông số tối ưu pha động (dung môi $A$: nước cất $+ 0,1%\text{ HCOOH}$; dung môi $B$: metanol $+ 0,1%\text{ HCOOH}$) và thiết bị HPLC HP 1100.
  • Phương pháp thiết kế ma trận mẫu chuẩn (calibration matrix) và ma trận mẫu kiểm tra (validation matrix) chứa hỗn hợp 6 chất nitro thơm ở các tỷ lệ nồng độ khác nhau.
  • Phương pháp thu thập và bảo quản mẫu nước mặt, nước thải tại các khu vực quân sự.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày toàn bộ kết quả khảo sát thực nghiệm và các tính toán toán học:

  1. Khảo sát điều kiện phân tích Von-Ampe đơn chất:

    • Đánh giá ảnh hưởng của dung dịch nền điện ly, nồng độ đệm axetat, giá trị pH (ảnh hưởng đồng thời đến cường độ dòng pic $I_p$ và thế đỉnh pic $E_p$), thời gian sục khí nitơ đuổi oxy hòa tan, tốc độ quét thế, biên độ xung và thời gian nghỉ của giọt thủy ngân.
    • Xác định khoảng tuyến tính, giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) cho từng chất (NB, 2-NP, 3-NP, 4-NP, DNT, TNT) trên điện cực HMDE.

  2. Khảo sát tính cộng tính của tín hiệu Von-Ampe:

    • So sánh phổ Von-Ampe thực nghiệm của hỗn hợp 6 chất với phổ tổng lý thuyết (tổng đại số tín hiệu đơn lẻ). Kết quả chứng minh tín hiệu đo có tính chất cộng tính, đáp ứng điều kiện tiên quyết để ứng dụng các mô hình hồi quy đa biến tuyến tính.

  3. Nghiên cứu mô hình hồi quy đa biến trên nền chuẩn:

    • Mô hình CLS và ILS: Đánh giá độ chính xác thông qua sai số của các mẫu kiểm tra; phân tích các hạn chế của CLS và ILS khi ma trận dữ liệu có độ nhiễu và số chiều biến số lớn.
    • Mô hình PCR và PLS: Khảo sát sự phụ thuộc của sai số chuẩn tương đối ($RSE$), sai số chuẩn tương đối ước đoán ($RSE_t$), hệ số tương quan ($R$) và độ thu hồi vào số lượng cấu tử chính (PC). Áp dụng thuật toán phát hiện và loại trừ các mẫu bất thường (outliers). Kết quả tối ưu của mô hình PLS xác định số cấu tử chính $PC = 11$. Tiến hành thử nghiệm thành công trên các mẫu giả tự tạo.
    • Mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANN): Khảo sát các hàm luyện mạng (trainlm, trainscg, trainbfg, trainbr), tối ưu hóa số nơ-ron trong lớp ẩn và đánh giá độ chính xác phân tích.

  4. Nghiên cứu mô hình hồi quy đa biến xây dựng trên nền mẫu thực:

    • Phân tích nền mẫu thực tế bằng phương pháp chuẩn hóa LC-MS/MS để xác định hàm lượng nền ban đầu của các chất.
    • Thiết lập ma trận mẫu chuẩn và mẫu kiểm tra tự tạo ngay trên nền mẫu thực tế.
    • Tối ưu hóa mô hình PCR (chọn $PC = 13$) và mô hình PLS (chọn $PC = 7$). Kết quả cho thấy mô hình xây dựng trên nền mẫu thực triệt tiêu đáng kể ảnh hưởng của chất cản trở trong ma trận nền, đưa sai số chuẩn tương đối của cả hai mô hình PCR và PLS về mức dưới $10%$.

  5. Phân tích mẫu thực tế và so sánh liên phương pháp:

    • Áp dụng quy trình phân tích Von-Ampe kết hợp PLS và PCR để định lượng 6 hợp chất trong các mẫu nước mặt và nước thải thực tế thu thập từ cơ sở quốc phòng.
    • Đối chứng kết quả với phương pháp LC-MS/MS và HPLC-UV, khẳng định độ tin cậy và sự phù hợp của quy trình xây dựng.

Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật và phương pháp chính của luận án:

Hạng mục nghiên cứu Thông số / Phương pháp áp dụng
Kỹ thuật phân tích điện hóa Von-Ampe trên điện cực giọt thủy ngân treo (HMDE), thiết bị Metrohm 797
Hệ điện cực Làm việc: HMDE; So sánh: $Ag/AgCl/Cl^-$; Phụ trợ: Dây Pt
Dung dịch đệm tối ưu Đệm axetat, dung dịch Britton-Robinson
6 cấu tử phân tích đồng thời Nitrobenzen (NB), 2-Nitrophenol, 3-Nitrophenol, 4-Nitrophenol, DNT, TNT
Thuật toán hồi quy đa biến khảo sát CLS, ILS, PCR, PLS và ANN (các hàm trainlm, trainscg, trainbfg, trainbr)
Số cấu tử chính ($PC$) tối ưu trên nền mẫu thực PCR: $PC = 13$; PLS: $PC = 7$
Sai số chuẩn tương đối ($RSE, RSE_t$) Dưới $10%$ cho cả mô hình PLS và PCR trên nền mẫu thực
Phương pháp đối chứng kiểm tra LC-MS/MS (SCIEX X500R QTOF) và HPLC-UV (HP 1100 Vectra)

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

  • Luận án đã xây dựng quy trình phân tích đồng thời 6 hợp chất nitro vòng thơm (NB, 2-NP, 3-NP, 4-NP, DNT và TNT) trong môi trường nước bằng phương pháp Von-Ampe trên điện cực giọt thủy ngân treo (HMDE) kết hợp với thuật toán hồi quy đa biến tuyến tính (PLS và PCR). Quy trình này cho phép xác định trực tiếp các cấu tử trong hỗn hợp có phổ xen phủ nghiêm trọng mà không cần qua giai đoạn tách chiết hóa học.
  • Đề xuất giải pháp xây dựng ma trận mẫu chuẩn trực tiếp trên nền mẫu thực, giúp loại trừ hiệu quả ảnh hưởng của ma trận nền phức tạp. Sai số chuẩn tương đối ($RSE$) của phương pháp ở cả hai mô hình PLS và PCR đều đạt giá trị nhỏ hơn $10%$.

Ý nghĩa thực tiễn và kiến nghị

  • Ý nghĩa thực tiễn: Quy trình phân tích đề xuất có độ nhạy cao, thời gian phân tích nhanh, thao tác đơn giản và tiết kiệm đáng kể kinh phí hóa chất, dung môi so với các hệ thống sắc ký đắt tiền. Phương pháp đã được áp dụng thành công để kiểm soát hàm lượng ô nhiễm các hợp chất nitro thơm trong nước thải và nước mặt tại các cơ sở sản xuất, bảo quản vật liệu nổ thuộc Bộ Quốc phòng.
  • Kiến nghị: Tiếp tục phát triển và ứng dụng quy trình phân tích Von-Ampe kết hợp hồi quy đa biến cho các hệ mẫu có nền ma trận phức tạp hơn như mẫu sinh thái học, mẫu thực phẩm và mẫu bệnh phẩm sinh học.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Do yêu cầu bảo mật thông tin trong lĩnh vực quốc phòng, các thông tin chi tiết về tọa độ địa lý, nguồn gốc cụ thể và thời gian thu thập các mẫu nước thải thực tế không được công bố công khai trong văn bản luận án. Nghiên cứu chỉ giới hạn khảo sát trên 6 hợp chất nitro vòng thơm đơn nhân và dẫn xuất toluen phổ biến.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Luận án định hướng mở rộng phạm vi nghiên cứu sang các đối tượng nền mẫu phức tạp hơn (như mẫu phủ tạng, huyết tương, mô sinh học và thực phẩm), đồng thời nghiên cứu bổ sung các hợp chất nitro đa vòng hoặc các hóa chất bảo vệ thực vật chứa nhóm nitro khác.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng thụ hưởng:
    • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Hóa phân tích, Hóa môi trường và Độc chất học có tài liệu tham khảo chuyên sâu về việc ứng dụng kỹ thuật Chemometrics xử lý tín hiệu điện hóa đa biến.
    • Kỹ thuật viên, cán bộ phân tích tại các phòng thí nghiệm: Thuộc các viện nghiên cứu quân sự, trung tâm quan trắc môi trường có thể ứng dụng quy trình phân tích nhanh để đánh giá ô nhiễm chất nổ tồn lưu.
  • Nội dung giá trị: Các thuật toán tối ưu hóa thông số thực nghiệm Von-Ampe, phương pháp xây dựng ma trận chuẩn đa chiều loại trừ ảnh hưởng nền mẫu và quy trình kiểm định đối chứng liên phương pháp giữa điện hóa và LC-MS/MS, HPLC.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án nghiên cứu định lượng đồng thời những hợp chất nitro vòng thơm cụ thể nào?

Luận án nghiên cứu đồng thời 6 hợp chất hữu cơ vòng thơm chứa nhóm nitro: nitrobenzen (NB), 2-nitrophenol (2-NP), 3-nitrophenol (3-NP), 4-nitrophenol (4-NP), 2,4-dinitrotoluen (DNT) và 2,4,6-trinitrotoluen (TNT).

2. Vì sao phương pháp Von-Ampe thông thường không thể định lượng riêng rẽ từng chất trong hỗn hợp nếu không kết hợp hồi quy đa biến?

Do các hợp chất này có cấu trúc phân tử tương đồng (đều chứa nhóm $-NO_2$ liên kết trực tiếp với nhân thơm), thế đỉnh pic khử catot của chúng xuất hiện ở các giá trị điện thế rất gần nhau trên điện cực HMDE (trong khoảng từ $-0,4\text{ V}$ đến $-0,8\text{ V}$). Tín hiệu phổ Von-Ampe của các chất bị xen phủ hoàn toàn, làm mất độ chọn lọc nếu chỉ đo đơn biến thông thường.

3. Những mô hình hồi quy đa biến nào đã được tác giả nghiên cứu, so sánh?

Tác giả đã khảo sát 4 mô hình hồi quy đa biến tuyến tính bao gồm: bình phương tối thiểu thông thường (CLS), bình phương tối thiểu nghịch đảo (ILS), hồi quy cấu tử chính (PCR), bình phương tối thiểu từng phần (PLS); cùng mô hình hồi quy phi tuyến tính sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) với các hàm luyện trainlm, trainscg, trainbfg, trainbr. Trong đó, PCR và PLS cho kết quả tối ưu trên cả nền chuẩn và nền mẫu thực.

4. Phương pháp nào được sử dụng làm đối chứng để kiểm tra độ chính xác của quy trình phân tích?

Tác giả đã sử dụng hai phương pháp phân tích chuẩn hóa độc lập làm đối chứng tham chiếu gồm: sắc ký lỏng ghép khối phổ thời gian bay (LC-MS/MS SCIEX X500R QTOF) và sắc ký lỏng hiệu năng cao đầu dò quang phổ hấp thụ phân tử UV (HPLC HP 1100 Vectra).

5. Giải pháp nào được luận án đưa ra nhằm triệt tiêu ảnh hưởng của ma trận nền mẫu thực tế?

Luận án đã xây dựng ma trận mẫu chuẩn và mẫu kiểm tra trực tiếp trên nền mẫu thực (nước mặt, nước thải đã được xác định trước hàm lượng bằng LC-MS/MS) thay vì chỉ sử dụng nền dung dịch chuẩn tinh khiết. Kỹ thuật này giúp mô hình PLS và PCR tự động bù trừ nhiễu nền, đưa sai số chuẩn tương đối $RSE$ xuống dưới $10%$.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Khuất Hoàng Bình đã phát triển thành công quy trình phân tích định lượng đồng thời 6 hợp chất nitro vòng thơm (NB, 2-NP, 3-NP, 4-NP, DNT, TNT) bằng phương pháp Von-Ampe trên điện cực giọt thủy ngân treo kết hợp hồi quy đa biến (PLS và PCR). Việc xây dựng mô hình hồi quy trực tiếp trên nền mẫu thực tế đã giải quyết triệt để sự xen phủ phổ điện hóa và triệt tiêu ảnh hưởng của ma trận nền với sai số chuẩn tương đối dưới $10%$. Kết quả nghiên cứu cung cấp phương pháp phân tích nhanh, tin cậy và tiết kiệm chi phí, phục vụ hiệu quả công tác kiểm soát môi trường nước tại các cơ sở quốc phòng.