Tổng quan luận án

Phân tích dạng các nguyên tố hóa học giữ vai trò then chốt trong đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường, nghiên cứu chu trình chuyển hóa địa hóa và cơ chế tích lũy sinh học. Các phương pháp phân tích thông thường chỉ xác định tổng hàm lượng nguyên tố mà không phân biệt được các dạng hóa học cụ thể. Trong khi đó, độc tính và khả năng tác động sinh học phụ thuộc trực tiếp vào trạng thái hóa trị và cấu trúc phân tử của từng dạng.

Asen (As) là chất độc có khả năng tích lũy cao và gây ung thư, với quy định hàm lượng trong nước sinh hoạt ở mức thấp ($\le 10\ \mu\text{g/L}$). Trong tự nhiên, As tồn tại dưới nhiều dạng như As(III), As(V), monometylasenic (MMA), đimetylasenic (DMA); trong đó dạng As(III) độc hơn As(V) khoảng 50 lần và các dạng vô cơ có độc tính cao hơn các dạng hữu cơ. Đối với selen (Se), đây là nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể ở mức 50–200 $\mu\text{g/ngày}$, nhưng lại trở thành độc tố ở nồng độ cao do khoảng giới hạn an toàn rất hẹp. Các dạng vô cơ như selenit $\text{Se(IV)}$, selenat $\text{Se(VI)}$ có độc tính cao, trong khi các hợp chất hữu cơ như đimetyl điselenit (DMDSe), selenomethionin (SeMet) mang hoạt tính sinh học đặc thù.

Các phương pháp phân tích dạng truyền thống chủ yếu dựa trên kỹ thuật tách chiết riêng rẽ từng dạng (chiết lỏng - lỏng, chiết pha rắn SPE, vi chiết pha rắn SPME) hoặc sử dụng các hệ thống thiết bị ghép nối hiện đại (HPLC-ICP-MS, HPLC-AAS, HPLC-UV-HG-AAS). Nhược điểm của phương pháp tách riêng rẽ là quy trình nhiều công đoạn, dễ gây nhiễm bẩn, làm hao hụt hoặc chuyển hóa dạng chất phân tích. Phương pháp ghép nối đòi hỏi thiết bị đắt tiền, kỹ thuật phức tạp, khó trang bị đồng bộ tại các phòng thí nghiệm ở Việt Nam vốn hoạt động với các thiết bị độc lập. Nhằm giải quyết khoảng trống này, luận án nghiên cứu ứng dụng hóa học tính toán (Chemometrics) kết hợp phổ hấp thụ nguyên tử hiđrua hóa (HG-AAS) để định lượng đồng thời các dạng As và Se mà không cần qua giai đoạn phân tách vật lý.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án: 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 trường bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng kỹ thuật hiđrua hóa (HG-AAS) kết hợp với thuật toán hồi quy đa biến.

Nội dung nghiên cứu gồm 4 phần:

  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 ưu hóa các điều kiện đo tổng hàm lượng các dạng trên hệ đo HG-AAS.
  2. Khảo sát các điều kiện và xây dựng mô hình hồi quy đa biến xác định đồng thời các dạng của As (As(III), As(V), DMA, MMA) và 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.
  3. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến sự biến đổi hàm lượng các dạng As, Se trong quá trình bảo quản mẫu phân tích và phương pháp chiết rút các dạng ra khỏi nền mẫu môi trường.
  4. Đánh giá phương 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.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng phân tích: 4 dạng của As gồm As(III), As(V), MMA, DMA và 4 dạng của Se gồm Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet.
  • Đối tượng nền mẫu môi trường: Mẫu nước mặt (nước ao), mẫu bùn đất (bùn ao, đất ruộng), mẫu thực vật thân thảo (rau bắp cải, rau muống, rau má, súp lơ, cây dương xỉ, cây thủy trúc).
  • Địa bàn khảo sát thực tế: Khu vực Định Công – Hoàng Mai – Hà Nội.
  • Thời gian công bố: Năm 2015 tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội (đề tài đặc biệt mã số QG–13–06).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng quan các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế về phân tích dạng nguyên tố, phân loại thành bốn nhóm kỹ thuật chính:

Nhóm các phương pháp tách riêng từng dạng trước khi phân tích:

  • Chiết lỏng - lỏng: Bernhard và cộng sự (1998) chiết As(III) dưới dạng cặp ion $[\text{AsO}^+][\text{Cl}^-]$ bằng HCl 9M vào dung môi $\text{CCl}_4$ hoặc $\text{CHCl}_3$ với hiệu suất 73%, hoặc tạo cặp ion $[\text{AsO}^+][\text{Br}^-]$ từ $\text{H}_2\text{SO}_4$ 1,4–1,7M với 200 mg KBr để chiết $100\ \mu\text{g}$ As(III) trong 25 mL dung dịch mẫu. Lê Thị Duyên và Lê Lan Anh (2010) sử dụng HCl 0,5M chiết các dạng Se từ hải sản, sau đó dùng $\text{CH}_2\text{Cl}_2$ tách pha hữu cơ chứa DMDSe và pha nước chứa Se(IV), Se(VI), Se-Cyst, đo bằng Von-Ampe hòa tan catot xung vi phân (DPCSV) đạt giới hạn phát hiện LOD cho Se(IV) là $0,029\ \mu\text{g/L}$, Se-Cyst là $0,241\ \mu\text{g/L}$, DMDSe là $0,195\ \mu\text{g/L}$. S. Forbes và cộng sự (1995) tạo phức Se(IV) với 2,3-diaminonaphtalen tại $\text{pH}=1$, chiết vào cyclohexan và đo huỳnh quang ở 520 nm (kích thích 380 nm).
  • Chiết pha rắn (SPE): Yalcin (2001) dùng cột nền Alumina gắn nhựa trao đổi cation axit mạnh để giữ DMA (giải chiết bằng HCl 1M) và nhựa anion bazơ mạnh giữ MMA (giải chiết bằng axit axetic 60 mM), As(V) (giải chiết bằng HCl 1M), As(III) đi qua cột không bị giữ, xác định bằng HG-AAS/AES với LOD $0,05\ \text{mg/L}$. Xianzhong Cheng (2009) tạo phức APDC-As(III) hấp phụ trên ống nano cacbon tại pH 2,0–5,0, giải chiết bằng HCl 2M để đo HG-AAS, đạt độ thu hồi 98–102%, LOD $2,6\ \text{mg/L}$.
  • Vi chiết pha rắn (SPME): Gomes Silva và cộng sự (2008) làm giàu Se(IV) trên sợi polymetylmetacrylat phủ APDC, giải hấp nhiệt ở $250^\circ\text{C}$ đo bằng GC-MS, đạt LOD $0,37\ \mu\text{g/L}$, độ thu hồi 97% trên mẫu chuẩn SRM 1643e. C. Dietz và cộng sự (2002) dùng cột Carboxen $75\ \mu\text{m}$ phủ PDMS hấp phụ DMSe, DEtSe, DMDSe từ hải sản ở $25^\circ\text{C}$ trong 30 phút, giải hấp ở $240^\circ\text{C}$ với khí mang He đưa vào ICP-MS, đạt LOD $0,57\ \mu\text{g/L}$ (DMSe), $0,47\ \mu\text{g/L}$ (DEtSe), $0,19\ \mu\text{g/L}$ (DMDSe).

Nhóm các phương pháp sắc ký ghép nối:

  • Kỹ thuật HPLC-ICP-MS: A. Bednar và cộng sự (2002) xác định As trong nước tự nhiên với độ nhạy $< 1\ \mu\text{g/L}$. Zhilong (2006) tách 5 dạng As (As(III), As(V), DMA, MMA, AB) trong huyết thanh trên cột ODS phủ phosphatidylcholin, pha động đệm citrat pH 4 với độ nhạy $< 5\ \mu\text{g/L}$ và thể tích mẫu $20\ \mu\text{L}$. Bueno và cộng sự (2007) xác định Se(IV), Se(VI), Se-Cyst trong nước tự nhiên với LOQ cỡ $10\ \text{ng/L}$.
  • Kỹ thuật HPLC-AAS / HPLC-UV-HG-AAS: Chu Đình Bính và cộng sự (2009) sử dụng hệ HPLC-UV-HG-AAS xác định As(III), DMA, MMA, As(V) trong nước ngầm và sinh vật thủy sinh, đạt LOD $5\ \text{ng/mL}$ (cho As(III), MMA, As(V)) và $10\ \text{ng/mL}$ (cho DMA). Lê Lan Anh (2008) ứng dụng HPLC-AAS xác định As(III) và As(V) trong nước và trầm tích biển. Chatterjee (2003) phân tích Se(IV), Se(VI), SeMet trong nước tiểu bằng HPLC-HG-AAS với LOD lần lượt là 0,2; 0,4 và $0,2\ \mu\text{g/L}$.

Nhóm phương pháp dựa vào phản ứng xúc tác:

  • Vimlesh Chand và cộng sự (2006) sử dụng phản ứng xúc tác của Se(IV) đối với phản ứng giữa Metyl da cam và $\text{BrO}_3^-$ có mặt hydrazin.
  • Zhu Ren-He (2007) dùng phản ứng động học huỳnh quang xác định vết As(III) qua xúc tác oxy hóa chất màu trung tính của $\text{KIO}_3$ trong môi trường $\text{H}_2\text{SO}_4$, đạt LOD $0,6\ \mu\text{g/L}$.

Nhóm phân tích dạng sử dụng Chemometrics:

  • Torralba và cộng sự (2004) xác định đồng thời 4 dạng As (As(III), As(V), DMA(V), MMA(V)) bằng thuật toán bình phương tối thiểu nghịch đảo (ILS) dựa trên tín hiệu HG-AAS khử bởi $\text{NaBH}_4$ ở 6 môi trường: HCl 6M, HCl 1M, HCl 0,5M, $\text{CH}_3\text{COOH}$ 1M, đệm citric/citrat pH 2 và pH 4, tính toán qua phần mềm Matlab với sai số $\text{RSD} < 10%$.
  • Pettersson và cộng sự (2006) dùng thuật toán PLS xác định đồng thời photphat và asenat trong đất qua phổ hấp thụ quang phức màu xanh molypdat ở 410–820 nm, đạt LOD $0,2\ \mu\text{mol/L}$ (photphat) và $0,7\ \mu\text{mol/L}$ (asenat).

Vị trí của luận án: Tại thời điểm nghiên cứu, ở Việt Nam hầu như chưa có công trình nào công bố việc xác định đồng thời các dạng As và Se dựa trên Chemometrics. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng việc xây dựng mô hình hồi quy đa biến trên hệ thiết bị HG-AAS đơn lẻ sẵn có, thay thế các quy trình tách chiết phức tạp và giảm thiểu chi phí đầu tư thiết bị ghép nối đắt tiền.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án được triển khai dựa trên các cơ sở lý thuyết và phương pháp phân tích thực nghiệm sau:

  1. Khái niệm chuẩn hóa theo IUPAC:
  • Dạng hóa học (Chemical species): Trạng thái đặc trưng của nguyên tố về đồng vị, trạng thái oxy hóa - khử, trạng thái hóa trị, hoặc cấu tạo phân tử.
  • Phân tích dạng (Speciation analysis): Hoạt động định tính hoặc định lượng một hay nhiều dạng hóa học riêng biệt trong mẫu.
  • Phân tách dạng (Fractionation): Quá trình tách rời một dạng cụ thể ra khỏi các dạng khác trong hệ.

  1. Cơ chế phản ứng hiđrua hóa (Hydride Generation - HG): Các hợp chất As và Se tác dụng với chất khử $\text{NaBH}_4$ trong môi trường axit sinh ra các khí hiđrua tương ứng: $$\text{As(III), As(V), MMA, DMA} + \text{NaBH}_4 + \text{H}^+ \rightarrow \text{AsH}_3\uparrow, \text{CH}_3\text{AsH}_2\uparrow, (\text{CH}_3)_2\text{AsH}\uparrow + \text{H}_2\uparrow$$ $$\text{Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet} + \text{NaBH}_4 + \text{H}^+ \rightarrow \text{H}_2\text{Se}\uparrow, \text{CH}_3\text{SeH}\uparrow + \text{H}_2\uparrow$$ Hiệu suất tạo khí hiđrua của từng dạng phụ thuộc chặt chẽ vào nồng độ ion $\text{H}^+$, bản chất môi trường axit và hệ đệm.

  2. Lý thuyết hồi quy đa biến tuyến tính trong Chemometrics: Mô hình toán học tổng quát biểu diễn mối quan hệ giữa tín hiệu đo $y$ và nồng độ các cấu tử $X_i$: $$y = a + b_1X_1 + b_2X_2 + \dots + b_kX_k \quad \text{hay} \quad y = a + Xb$$ Trong điều kiện đo tại $p$ môi trường phản ứng khác nhau đối với $m$ mẫu chuẩn:

  • Phương pháp bình phương tối thiểu nghịch đảo (ILS / Ma trận P): Giả thiết nồng độ $C$ là hàm tuyến tính của tín hiệu đo $A$: $$C = A \cdot P \implies P = (A^T \cdot A)^{-1} \cdot A^T \cdot C$$ Dự đoán nồng độ mẫu chưa biết: $C_x = A_x \cdot P$.
  • Phương pháp hồi quy cấu tử chính (PCR): Tiến hành bình phương toàn tập dữ liệu $D = A^T \cdot A$, sử dụng giải thuật phân tích giá trị kỳ dị (Singular Value Decomposition - SVD) để phân tích các vector riêng (PC), chọn lọc các PC có phương sai tích lũy lớn để khử nhiễu phổ và loại bỏ sai số ngẫu nhiên trước khi hồi quy.
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                      BƯỚC 1: THIẾT KẾ THỰC NGHIỆM                            |
|  - Chuẩn bị 40 dung dịch chuẩn chứa hỗn hợp 4 dạng As hoặc 4 dạng Se          |
|  - Đo tín hiệu phổ HG-AAS tại các môi trường axit/pH khác nhau                |
+-------------------------------------------------------------------------------+
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                      BƯỚC 2: XỬ LÝ DỮ LIỆU CHEMOMETRICS                       |
|  - Xây dựng ma trận nồng độ C và ma trận tín hiệu A                           |
|  - Phân tích cấu tử chính SVD, xác định các PC có nghĩa (PCR)                 |
|  - Tính toán ma trận hệ số hồi quy P (ILS) và Fj (PCR)                        |
+-------------------------------------------------------------------------------+
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                      BƯỚC 3: ĐỊNH LƯỢNG VÀ KIỂM ĐỊNH MẪU                      |
|  - Nhập tín hiệu đo Ax của mẫu thực tế vào mô hình Cx = Ax · P hoặc Ax · Fj   |
|  - Kiểm chứng chéo với phương pháp chuẩn HPLC-HG-AAS                          |
+-------------------------------------------------------------------------------+
  1. Thiết bị, hóa chất và nguồn mẫu:
  • Thiết bị: Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS, bộ hóa hơi hiđrua HVG, đèn catot rỗng (HCL) cho As và Se, hệ thống HPLC, máy rung siêu âm, máy ly tâm.
  • Hóa chất: Các chất chuẩn $\text{As(III)}$, $\text{As(V)}$, $\text{MMA}$, $\text{DMA}$, $\text{Se(IV)}$, $\text{Se(VI)}$, $\text{DMDSe}$, $\text{SeMet}$; chất khử $\text{NaBH}_4$, KI, axit ascorbic, $\text{NaHSO}_3$, L-Cystein, KBr, thioure; các chất che tạo phức EDTA, tactrat.
  • Dữ liệu thực nghiệm: 40 dung dịch mẫu chuẩn hỗn hợp đa cấu tử, các dãy mẫu tự tạo, mẫu thêm chuẩn và mẫu thu thập tại khu vực Định Công (Hoàng Mai, Hà Nội).

Nội dung chính theo từng chương

Chương I. Phân tích dạng các nguyên tố và vai trò của phân tích dạng trong đánh giá ô nhiễm môi trường

  • Luận điểm về tính đặc thù độc học: Làm rõ sự khác biệt về độc tính giữa các dạng ion vô cơ và phức chất hữu cơ của As và Se. Mô tả đường chuyển hóa của As trong cơ thể sinh vật từ As(V) thành As(III) và các dẫn xuất metyl hóa (MMA, DMA) trước khi đào thải.
  • Đánh giá các phương pháp phân tích dạng: Phân tích cơ chế và giới hạn của phương pháp tách chiết (chiết lỏng - lỏng, SPE, SPME), phương pháp sắc ký ghép nối (HPLC-ICP-MS, HPLC-AAS), phương pháp động học xúc tác và ứng dụng Chemometrics.
  • Điều kiện bảo quản và xử lý mẫu: Hệ thống hóa tiêu chuẩn bảo quản mẫu theo ISO (ISO 6595, ISO 8288, ISO 5666). Khảo sát hiện tượng hấp phụ thành bình (thủy tinh hấp phụ anion vô cơ, nhựa PE/PTFE hấp phụ DMDSe không phân cực), sự oxy hóa As(III) thành As(V) do oxy hòa tan và ion $\text{Fe}^{3+}$, cùng các kỹ thuật trích ly mẫu rắn bằng sóng siêu âm kết hợp dung môi $\text{MeOH}:\text{H}_2\text{O}$ và $\text{H}_3\text{PO}_4$.
Thông số Dạng Asen (As) Dạng Selen (Se)
Các dạng phân tích chính As(III), As(V), MMA, DMA Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet
Trạng thái oxy hóa +3, +5 -2, +4, +6
Độc tính tương đối As(III) độc gấp ~50 lần As(V); vô cơ độc hơn hữu cơ Se(IV), Se(VI) cực độc; hữu cơ có hoạt tính sinh học cao
Dung môi chiết mẫu thực vật $\text{MeOH} : \text{H}_2\text{O}$ (tỷ lệ 9:1 hoặc 5:5) + Siêu âm $\text{MeOH} : \text{H}_2\text{O}$ + Siêu âm
Dung môi chiết mẫu đất/bùn Dung dịch $\text{H}_3\text{PO}_4$ loãng / đệm photphat Dung dịch $\text{H}_3\text{PO}_4$ loãng / đệm photphat

Chương II. Nội dung và phương pháp nghiên cứu

  • Thiết lập điều kiện vận hành thiết bị: Tối ưu hóa các thông số đèn catot rỗng HCL, lưu lượng khí mang, tốc độ dòng dung dịch mẫu và chất khử $\text{NaBH}_4$ trên hệ đo phổ HG-AAS và thông số cột tách trong hệ đối chứng HPLC-HVG-AAS.
  • Quy trình lấy mẫu và xử lý sơ bộ: Thu thập mẫu nước mặt, mẫu bùn ao, đất ruộng và các loài thực vật thân thảo tại khu vực Định Công - Hoàng Mai - Hà Nội. Quy trình làm khô, nghiền rây mẫu rắn và quy trình axit hóa, bảo quản mẫu nước.
  • Quy trình toán học xây dựng mô hình Chemometrics: Lập ma trận nồng độ 40 mẫu chuẩn cho từng nguyên tố; đo tín hiệu phổ hấp thụ nguyên tử trong các môi trường axit/pH chuyên biệt; áp dụng thuật toán SVD để trích xuất các cấu tử chính PC và tính toán hệ số hồi quy theo ILS và PCR trên phần mềm tính toán.
  • Tiêu chí đánh giá phương pháp: Khảo sát khoảng tuyến tính, kiểm tra tính cộng tính tín hiệu của các dạng hỗn hợp, xác định giới hạn phát hiện (LOD), giới hạn định lượng (LOQ), độ chụm (RSD), độ đúng qua mẫu thêm chuẩn và so sánh song song với hệ HPLC-HG-AAS.

Chương III. Kết quả và thảo luận

  • Nghiên cứu hiệu suất khử hiđrua hóa:
    • Đối với As: Khảo sát hiệu suất khử riêng rẽ của As(III), As(V), DMA, MMA bằng $\text{NaBH}_4$ trong 5 môi trường: HCl 6M, HCl 1M, hệ đệm tactric/tactrat tại pH = 2, pH = 3 và pH = 4. Đánh giá khả năng khử As(V) về As(III) bằng hệ KI/Ascorbic, $\text{NaHSO}_3$ và L-Cystein.
    • Đối với Se: Khảo sát hiệu suất khử của Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet bằng $\text{NaBH}_4$ trong 5 môi trường axit: HCl 6M, HCl 4M, HCl 2M, HCl 1M và HCl 0,01M. Khảo sát khử Se(VI) về Se(IV) bằng KBr/HCl 4M và Thioure.
    • Loại trừ ảnh hưởng cản trở: Dùng L-Cystein và tactrat để che ion cản $\text{Sb(III)}$ và các cation kim loại ảnh hưởng đến tín hiệu đo HG-AAS.
  • Xây dựng mô hình hồi quy đa biến và phân tích mẫu tự tạo:
    • Kiểm tra tính cộng tính: Tín hiệu đo của hỗn hợp các dạng trùng khớp với tổng tín hiệu đo riêng rẽ từng dạng tại các môi trường phản ứng.
    • Tính toán ma trận hệ số hồi quy $P$ (thuật toán ILS) và $F_j$ (thuật toán PCR). Hàm SVD xác định các PC có nghĩa, loại bỏ các PC có phương sai nhỏ chứa tín hiệu nhiễu.
    • Mô hình PCR cho kết quả phân tích mẫu tự tạo có độ đúng và độ ổn định cao hơn mô hình ILS. Sai số tương đối của phương pháp HG-AAS-PCR so với HPLC-HG-AAS nằm trong giới hạn cho phép.
  • Nghiên cứu điều kiện bảo quản và chiết rút mẫu:
    • Khảo sát ảnh hưởng của vật liệu bình chứa, pH, oxy không khí và ion $\text{Fe}^{3+}$. Bổ sung EDTA giúp cố định và ngăn chặn quá trình chuyển hóa giữa As(III) và As(V).
    • Khảo sát chiết As, Se trong bùn đất bằng $\text{H}_3\text{PO}_4$ và trong thực vật bằng hỗn hợp $\text{MeOH}:\text{H}_2\text{O}$ rung siêu âm, đạt độ thu hồi quy trình xử lý $> 90%$.
  • Kết quả phân tích mẫu thực tế tại Hoàng Mai - Hà Nội:
    • Mẫu nước ao: As vô cơ chiếm $> 70%$ tổng lượng As (chủ yếu là As(V) chiếm $> 50%$ As vô cơ); phát hiện cả As hữu cơ.
    • Mẫu bùn ao, đất ruộng: As vô cơ chiếm gần 100%, trong đó dạng As(V) chiếm 60–80%.
    • Mẫu rau xanh: Hàm lượng As(V) thấp dưới LOD; dạng As(III), DMA, MMA chiếm xấp xỉ 70% tổng lượng As. Đối với Se, phát hiện đủ 4 dạng Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet trong bắp cải, rau muống, rau má, súp lơ với hàm lượng trung bình 7–80 $\mu\text{g/kg}$ (dạng Se hữu cơ chiếm $> 60%$, tổng 4 dạng chiếm $> 95%$ tổng Se).
    • Cây dương xỉ và thủy trúc: Tồn tại cả 4 dạng As với hàm lượng $> 100\ \mu\text{g/kg}$ mỗi dạng (tổng 4 dạng chiếm $> 90%$ tổng As). As hữu cơ chiếm gần 70% ở thủy trúc nhưng chỉ chiếm 30% ở dương xỉ.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt khoa học

  • Đã chứng minh và khai thác sự khác biệt về hiệu suất khử tạo khí hiđrua của các dạng As (As(III), As(V), DMA, MMA) và Se (Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet) bởi $\text{NaBH}_4$ trong các môi trường nồng độ axit và pH khác nhau, thiết lập cơ sở để định lượng đồng thời bằng HG-AAS kết hợp Chemometrics.
  • Xây dựng thành công mô hình hồi quy đa biến tuyến tính PCR (sử dụng thuật toán phân tích giá trị kỳ dị SVD) dựa trên bộ dữ liệu phổ hấp thụ nguyên tử của 40 dung dịch chuẩn trong các môi trường phản ứng: HCl 6M, HCl 1M, đệm tactric/tactrat pH 2, 3, 4 (đối với As) và HCl 6M, HCl 4M, HCl 2M, HCl 1M, HCl 0,01M (đối với Se).
  • Chứng minh mô hình hồi quy PCR có độ đúng, độ nhạy, độ chụm tương đương với phương pháp sắc ký ghép nối HPLC-HG-AAS khi kiểm nghiệm trên các mẫu tự tạo và mẫu thực tế thêm chuẩn.
  • Hoàn thiện hệ thống phương pháp luận xử lý và bảo quản mẫu (kiểm soát vật liệu bình chứa, pH, oxy hòa tan, ion $\text{Fe}^{3+}$ bằng EDTA) và trích ly mẫu rắn (dung dịch $\text{H}_3\text{PO}_4$ cho đất bùn, $\text{MeOH}:\text{H}_2\text{O}$ siêu âm cho thực vật).

Đóng góp về mặt thực tiễn

  • Cung cấp bộ số liệu thực nghiệm về hàm lượng và sự phân bố các dạng hóa học của As và Se tại khu vực Định Công – Hoàng Mai – Hà Nội:
Đối tượng mẫu Đặc điểm phân bố dạng Asen (As) Đặc điểm phân bố dạng Selen (Se)
Mẫu rau xanh (bắp cải, rau muống, rau má, súp lơ) $\text{As(V)} < \text{LOD}$; $\text{As(III)}$, $\text{DMA}$, $\text{MMA}$ là chủ yếu, chiếm $\approx 70%$ tổng As. Có mặt cả 4 dạng ($\text{Se(IV)}$, $\text{Se(VI)}$, $\text{DMDSe}$, $\text{SeMet}$), hàm lượng 7–80 $\mu\text{g/kg}$; Se hữu cơ $> 60%$; tổng 4 dạng $> 95%$ tổng Se.
Cây tích lũy (thủy trúc, dương xỉ) Cả 4 dạng đều $> 100\ \mu\text{g/kg}$, chiếm $> 90%$ tổng As. Thủy trúc chứa $\approx 70%$ As hữu cơ; dương xỉ chứa $\approx 30%$ As hữu cơ. (Không khảo sát sâu dạng Se trên đối tượng này)
Mẫu bùn ao, đất ruộng As vô cơ chiếm gần 100%, trong đó $\text{As(V)}$ chiếm chủ yếu (60–80%). (Nghiên cứu tập trung vào hiệu suất chiết mẫu)
Mẫu nước ao As vô cơ chiếm $> 70%$ (trong đó $\text{As(V)} > 50%$ As vô cơ); có phát hiện As hữu cơ. (Nghiên cứu tập trung vào điều kiện bảo quản)
  • Đề xuất quy trình phân tích dạng có tính khả thi cao, có thể triển khai trực tiếp tại các phòng thí nghiệm trang bị máy AAS tiêu chuẩn mà không cần đầu tư thêm hệ thống sắc ký ghép nối đắt tiền.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Luận án tập trung giải quyết định lượng đồng thời cho 4 dạng As (As(III), As(V), DMA, MMA) và 4 dạng Se (Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet). Các dạng hợp chất hữu cơ phức tạp khác của As (như Arsenobetaine, Arsenocholine, Arsenosugar) và của Se (như Dimethylselenua, Selenocystein) chưa được đưa vào mô hình phân tích đồng thời do đặc tính sinh hiđrua khác biệt.
  • Phạm vi khảo sát thực tế mới dừng lại ở các đối tượng mẫu nước, bùn đất và một số loài thực vật thân thảo tại một khu vực địa bàn (Định Công, Hoàng Mai, Hà Nội).
  • Mô hình hồi quy phụ thuộc vào tính cộng tính nghiêm ngặt của tín hiệu phổ, đòi hỏi việc loại trừ ảnh hưởng của các ion cản ($\text{Fe}^{3+}$, $\text{Sb}^{3+}$) phải được thực hiện triệt để trước khi đo.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng thuật toán hồi quy đa biến để xác định thêm các dạng hợp chất hữu cơ khác của As và Se trong các nền mẫu sinh học phức tạp như hải sản, mô động vật, huyết thanh.
  • Áp dụng phương pháp HG-AAS kết hợp Chemometrics cho các nguyên tố tạo hiđrua hoặc hơi lạnh khác có nhiều trạng thái oxy hóa độc hại như Antimon (Sb), Thủy ngân (Hg), Crom (Cr).
  • Mở rộng điều tra, quan trắc sự biến đổi dạng As và Se trên diện rộng tại nhiều vùng địa lý, khu công nghiệp và vùng canh tác nông nghiệp khác nhau.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên: Chuyên ngành Hóa phân tích, Hóa môi trường và Khoa học môi trường; đặc biệt là phương pháp luận ứng dụng Chemometrics (ILS, PCR, phân tích SVD) trong xử lý số liệu phổ phân tích đa biến.
  • Cán bộ phân tích tại các phòng kiểm nghiệm môi trường: Tham khảo quy trình phân tích dạng As, Se bằng hệ thiết bị AAS thông dụng, quy trình trích ly mẫu bùn đất, thực vật bằng siêu âm và kỹ thuật bảo quản mẫu chống chuyển dạng bằng hóa chất cố định (EDTA, L-Cystein).
  • Các nhà quản lý và nghiên cứu độc học: Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá chính xác mức độ độc hại của môi trường thông qua nồng độ từng dạng hóa học cụ thể thay vì chỉ dựa vào tổng hàm lượng nguyên tố.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguyên lý cơ bản để xác định đồng thời các dạng As và Se mà không cần tách rời từng dạng là gì?
Phương pháp dựa trên sự khác biệt về hiệu suất phản ứng tạo khí hiđrua ($\text{AsH}_3$, $\text{H}_2\text{Se}$ và các hiđrua hữu cơ) của từng dạng chất khi tác dụng với $\text{NaBH}_4$ trong các môi trường nồng độ axit và pH khác nhau. Tín hiệu độ hấp thụ nguyên tử thu được tại mỗi môi trường là tổng tín hiệu cộng tính của các dạng có mặt. Thông qua các thuật toán hồi quy đa biến (ILS, PCR), nồng độ từng dạng riêng biệt được giải mã từ ma trận tín hiệu đo.

2. Các môi trường phản ứng nào được chọn để xây dựng mô hình hồi quy đa biến cho As và Se?

  • Đối với 4 dạng As: Sử dụng 5 môi trường đo gồm dung dịch HCl 6M, HCl 1M và hệ đệm tactric/tactrat tại 3 giá trị pH = 2, pH = 3, pH = 4.
  • Đối với 4 dạng Se: Sử dụng 5 môi trường axit gồm dung dịch HCl 6M, HCl 4M, HCl 2M, HCl 1M và HCl 0,01M.

3. Vì sao phương pháp hồi quy cấu tử chính (PCR) cho kết quả ưu việt hơn phương pháp bình phương tối thiểu nghịch đảo (ILS)?
Thuật toán PCR thực hiện nén dữ liệu và phân tích các vector riêng thông qua hàm SVD. Nhờ đó, mô hình PCR giữ lại các cấu tử chính (PC) chứa thông tin đặc trưng có phương sai lớn và loại bỏ các PC có phương sai nhỏ mang tín hiệu nhiễu phổ hoặc sai số ngẫu nhiên, giúp nâng cao độ đúng và độ chụm của phép định lượng.

4. Phân bố các dạng Asen trong mẫu thực vật và đất bùn tại Định Công (Hà Nội) có đặc điểm gì?

  • Trong mẫu rau xanh: As(V) hầu như không phát hiện ($< \text{LOD}$), các dạng As(III), DMA, MMA chiếm ưu thế ($\approx 70%$ tổng As).
  • Trong cây thủy trúc và dương xỉ: Tích lũy cả 4 dạng với hàm lượng cao ($> 100\ \mu\text{g/kg}$ mỗi dạng); As hữu cơ chiếm tới 70% ở thủy trúc nhưng chỉ chiếm 30% ở dương xỉ.
  • Trong bùn ao và đất ruộng: As vô cơ chiếm gần 100%, trong đó As(V) chiếm đa số (60–80%).

5. Kết quả định lượng các dạng Selen trong các mẫu rau ăn lá đạt được như thế nào?
Các mẫu rau bắp cải, rau muống, rau má, súp lơ đều phát hiện đủ 4 dạng Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet với hàm lượng trung bình dao động từ 7 đến $80\ \mu\text{g/kg}$. Trong đó, các dạng Se hữu cơ chiếm hơn 60% và tổng hàm lượng của cả 4 dạng chiếm trên 95% tổng lượng Se có trong mẫu.

Kết luận

Luận án đã nghiên cứu và phát triển phương pháp xác định đồng thời 4 dạng As (As(III), As(V), DMA, MMA) và 4 dạng Se (Se(IV), Se(VI), DMDSe, SeMet) trong mẫu môi trường bằng kỹ thuật HG-AAS kết hợp hồi quy cấu tử chính (PCR). Công trình đã tối ưu hóa các điều kiện phản ứng hiđrua hóa chọn lọc, xây dựng mô hình Chemometrics khử nhiễu bằng giải thuật SVD và hoàn thiện quy trình bảo quản, trích ly mẫu đất, bùn và thực vật. Kết quả ứng dụng thực tế tại khu vực Định Công (Hoàng Mai, Hà Nội) đã làm rõ đặc điểm phân bố các dạng As và Se trong nước, bùn đất và rau xanh, mở ra giải pháp phân tích dạng nguyên tố hiệu quả, kinh tế trên các thiết bị phân tích độc lập sẵn có.