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+, selennocystein, selennocystin, selenomethionin…[3]. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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. 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.
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. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com + 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG I.
Phân tích dạng các nguyên tố và vai trò của phân tích dạng trong đánh giá ô nhiễm môi trƣờng 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.