Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ hóa học với đề tài "Nghiên cứu xác định một số dạng selen trong hải sản bằng phương pháp Von-Ampe hòa tan" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Lê Thị Duyên, chuyên ngành Hóa Phân tích (mã số: 62.01), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Lê Lan Anh và TS. Lê Đức Liêm tại Viện Hóa học thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam (Hà Nội, năm 2012).
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Trong hóa học phân tích hiện đại, việc xác định hàm lượng tổng vết các nguyên tố không còn đủ để giải thích bản chất tính độc, độ độc, cũng như các quá trình sinh hóa, sinh địa hóa, chuyển hóa và tích lũy sinh học của nguyên tố trong cơ thể sống và môi trường. Selen (Se) là một nguyên tố có tính chất hai mặt: vừa là nguyên tố vi lượng thiết yếu, vừa là độc tố có độ độc cao khi vượt ngưỡng. Khoảng nồng độ cho phép của selen trong cơ thể người rất hẹp (nhu cầu khuyến nghị khoảng 50–200 µg/ngày; nam giới 80 µg/ngày, nữ giới 55 µg/ngày). Mức độ độc tính phụ thuộc trực tiếp vào dạng tồn tại hóa học của selen (chẳng hạn các dạng vô cơ như selenit, selenat có độc tính cao hơn đáng kể so với dạng nguyên tố). Dư thừa selen gây ra các triệu chứng ngộ độc nghiêm trọng như rụng tóc, bong móng, tổn thương thần kinh, xơ gan, phù phổi; ngược lại, thiếu hụt selen dẫn đến các bệnh lý tim mạch (bệnh Keshan), thoái hóa mô sụn (bệnh Kashin-Beck) hoặc suy giảm chức năng tuyến giáp. Hải sản là nguồn thực phẩm tích lũy selen hàm lượng cao nhưng cấu trúc dạng tồn tại của selen trong các đối tượng này rất phức tạp. Tại Việt Nam, trước thời điểm nghiên cứu, các công trình phân tích dạng vết chủ yếu tập trung vào thủy ngân, asen, chì, cadimi, crom, đồng; chưa có công trình nào nghiên cứu phân tích dạng tồn tại của selen trong hải sản bằng phương pháp Von-Ampe hòa tan.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu một cách hệ thống, xác lập các điều kiện từ khâu lấy mẫu, bảo quản, xử lý, chiết tách, làm giàu đến ghi đo để xác định chính xác và tin cậy một số dạng selen trong mẫu hải sản.
Luận án triển khai 4 nhiệm vụ cụ thể được đánh số như sau:
- Nghiên cứu tính chất điện hóa, xác lập các điều kiện và thông số máy tối ưu xác định các dạng selenit (Se(IV)), selencystin (Se-Cyst), dimetyl diselenua (DMDSe) bằng phương pháp Von-Ampe hòa tan trên điện cực giọt treo thủy ngân (HMDE).
- Nghiên cứu điều kiện và quy trình lấy, bảo quản và xử lý mẫu đảm bảo nguyên trạng và toàn vẹn dạng selen trong mẫu hải sản.
- Nghiên cứu các điều kiện tối ưu, chiết tách làm giàu, ghi đo xây dựng quy trình xác định chính xác và tin cậy Se tổng, dạng Se vô cơ và Se hữu cơ trong mẫu hải sản bằng phương pháp Von-Ampe hòa tan sử dụng điện cực HMDE làm điện cực làm việc.
- Đánh giá phương pháp, quy trình và áp dụng phân tích selen tổng và dạng selen trong mẫu thật.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng phân tích: Các dạng selen vô cơ gồm selenit (Se(IV)), selenat (Se(VI)); các dạng selen hữu cơ gồm selencystin (Se-Cyst), dimetyl diselenua (DMDSe); và hàm lượng selen tổng số.
- Đối tượng mẫu thực tế: Các loại hải sản tươi sống gồm cá Khoai, tôm Sú, Mực và ngao (thu nhận phần ăn được).
- Phạm vi không gian và thời gian: Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm chuyên ngành thuộc Viện Hóa học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, hoàn thành và bảo vệ năm 2012.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu trước trong và ngoài nước
Tác giả đã hệ thống hóa các nhóm phương pháp phân tích hàm lượng tổng và phân tích dạng selen:
-
Phương pháp phân tích hàm lượng tổng selen:
- Quang phổ phân tử: Dựa trên phản ứng tạo phức màu giữa Se(IV) với các o-diamin thơm hoặc 2,3-diaminonaphtalen (Forbes và cộng sự); tạo phức giữa Se(VI) với thuốc thử triôxyazobenzen ở bước sóng 610 nm (Lâm Ngọc Thụ và cộng sự).
- Quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS): Kỹ thuật lò graphit GFAAS (Araz Bidari và cộng sự đạt LOD 2 µg/l); kỹ thuật nhiệt điện ET-AAS (Hortensia Méndez và cộng sự đạt LOD 0,16 µg/g trong hải sản; Isela Lavilla và cộng sự đạt 0,3 µg/g trong cá; Suvarna Sounderajan và cộng sự đạt 0,025 µg/g Se(IV); H. Benemariya và cộng sự; P. Viñas và cộng sự); kỹ thuật hidrua hóa HG-AAS (Denise Bohrer và cộng sự đạt LOD 0,6 µg/l; Mindak và cộng sự đạt LOQ 0,02 mg/kg; Norooz Maleki và cộng sự đạt LOD 10,6 ng/ml).
- Quang phổ phát xạ nguyên tử (AES/ICP-AES) và Huỳnh quang nguyên tử (AFS): Rosa Sabé và cộng sự đạt LOD 57 pg/l và LOQ 190 pg/l trong nước tiểu; Cabañero và cộng sự xác định Se và Hg trong cá.
- Phương pháp kích hoạt nơtron (NAA): Nguyễn Ngọc Tuấn và cộng sự đạt LOD cỡ 0,1 µg; Nguyễn Giằng và cộng sự khảo sát Hg và Se qua đường ăn uống.
- Khối phổ plasma cao tần cảm ứng (ICP-MS): Takafumi Kawano và cộng sự đạt LOD 90 ng/g; B’Hymer và cộng sự; Thierry Guérin và cộng sự xác định Se trong cá và hải sản.
- Phương pháp điện hóa: Cực phổ xung vi phân (Trần Chương Huyến và cộng sự xác định Se ở 2.10⁻⁵ M; Recai İnam và cộng sự xác định Se trong máu đạt 620 ± 44 µg/l; Lê Thành Phước và cộng sự xác định trong nấm men); Von-Ampe hòa tan (Lambert và cộng sự; Higham và cộng sự; Recai İnam và cộng sự dùng DPCSV xác định Se trong sữa bò từ 1,2–75 µg/l; Britta Lange và cộng sự dùng CSV xúc tác Rh(III) đạt LOD 2,4 pM; Gunnar Mattsson và cộng sự dùng CSV với Cu(II) đạt LOD 2 ng/l; Claudete Fernandes Pereira và cộng sự dùng DPASV trên điện cực vàng).
-
Phương pháp phân tích dạng selen:
- Kỹ thuật ghép nối sắc ký và khối phổ/quang phổ: HPLC-ICP-MS (Fangshi Li và cộng sự phân tích TMSe, SeMet, H2SeO3, H2SeO4; Maïté Bueno và cộng sự xác định Se(IV), Se(VI), Se-Cyst ở 10 ng Se/l; Orero Iserte và cộng sự xác định trong trầm tích; X.C Le và cộng sự xác định 13 dạng As và Se trong cá ngừ và trầm tích); HPLC-ICP-AES (F. Laborda và cộng sự); HPLC-HG-AAS/AFS (Amit Chatterjee và cộng sự; Carmen Cámara và cộng sự; Ildikó Ipolyi và cộng sự xác định Se-Cyst, SeMet, SeEt, Se(IV); Pilar Viñas và cộng sự).
- Kỹ thuật điện hóa hòa tan trong phân tích dạng: Batley xác định Se(IV), Se(VI) trong nước ô nhiễm (LOD 2 µg/l); do Nascimento và cộng sự xác định trong nước biển (LOD 0,030 µg/l); Maria Ochsenkühn-Petropoulou và cộng sự xác định Se(IV), Se-Cyst, DMDSe trong trầm tích đạt LOD lần lượt là 0,12; 3; 0,23 ng/ml; Rugayah Mohamed và cộng sự xác định Se(IV) và DMDSe (LOD 8,175.10⁻⁸ M); Tommaso Ferri và cộng sự xác định trong khoai tây; Papoff và cộng sự; C. Elleouet và cộng sự.
- Nghiên cứu trên mẫu thủy hải sản quốc tế: Ruoh-Yun Wang và cộng sự dùng IC-ICP-MS trên cá kiếm (swordfish) và mẫu chuẩn DORM-2; Laura Hinojosa Reyes và cộng sự; Önning; Åkesson và cộng sự dùng sắc ký gel kết hợp GFAAS và HG-AAS.
- Tình hình nghiên cứu dạng vết tại Việt Nam: Đã có các công bố về dạng thủy ngân, asen, chì, cadimi, crom, đồng trong mẫu sinh học, đất, nước và trầm tích biển của nhiều nhóm nghiên cứu trong nước, nhưng phân tích dạng selen trong hải sản chưa được thực hiện.
Khoảng trống luận án giải quyết
Luận án tập trung giải quyết khoảng trống về quy trình công nghệ phân tích dạng selen tại Việt Nam bằng phương pháp Von-Ampe hòa tan catot xung vi phân (DPCSV) trên điện cực HMDE, thiết lập giải pháp kỹ thuật xác định riêng rẽ và đồng thời các dạng Se(IV), Se-Cyst và DMDSe, kết hợp kỹ thuật xử lý mẫu đông khô nhằm duy trì toàn vẹn dạng tồn tại của nguyên tố trong nền mẫu hải sản phức tạp.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và khung phân tích điện hóa
- Tính chất điện hóa của Se(IV): Theo Lingane, Niedrach, Speranskaya và Christian, Se(IV) cho 3 sóng khử tùy thuộc vào pH dung dịch. Sóng 1 ứng với quá trình trao đổi 4 electron tạo kết tủa thủy ngân selenua trên bề mặt HMDE: $$\text{Hg} + \text{SeO}_3^{2-} + 6\text{H}^+ + 4\text{e} \rightarrow \text{HgSe} + 3\text{H}_2\text{O}$$ Sóng 2 là quá trình khử thuận nghịch 2 electron của HgSe tạo thành $\text{H}_2\text{Se}$: $$\text{HgSe} + 2\text{e} + 2\text{H}^+ \rightarrow \text{Hg} + \text{H}_2\text{Se}$$ Sóng 3 tương ứng với bước khử 6 electron từ $\text{Se}^{+4}$ về $\text{Se}^{-2}$: $$\text{SeO}_3^{2-} + 6\text{H}^+ + 6\text{e} \rightarrow \text{Se}^{2-} + 3\text{H}_2\text{O}$$
- Tính chất điện hóa của Se(VI): Dạng Se(VI) không có hoạt tính điện hóa trên điện cực thủy ngân do tốc độ khử điện cực rất nhỏ. Muốn xác định selen tổng, Se(VI) phải được hoàn nguyên về Se(IV) bằng cách đun nóng ở 90–100°C trong môi trường axit HCl đặc.
- Tính chất điện hóa của dạng hữu cơ: Se-Cyst và DMDSe thể hiện hoạt tính điện hóa trên HMDE thông qua các phản ứng khử bất thuận nghịch tạo pic hòa tan tại các giá trị điện thế đặc trưng.
- Nguyên lý phương pháp Von-Ampe hòa tan catot (CSV): Gồm 2 giai đoạn:
- Giai đoạn làm giàu (tích lũy/hấp phụ): Giữ thế điện phân $E_{\text{dep}}$ không đổi (dương hơn thế đỉnh pic hòa tan), khuấy đều dung dịch để tích lũy hợp chất của chất phân tích lên bề mặt giọt treo thủy ngân.
- Giai đoạn hòa tan: Ngừng khuấy trong thời gian cân bằng (thời gian nghỉ), sau đó quét thế về phía catot theo kỹ thuật xung vi phân (DP) để khử chất phân tích khỏi bề mặt điện cực và ghi nhận tín hiệu dòng đỉnh $I_p$ tại thế đỉnh $E_p$.
Thiết bị và hóa chất nghiên cứu
- Thiết bị đo: Máy cực phổ đa chức năng 797 VA Computrace (Metrohm, Thụy Sĩ) kết nối máy vi tính HP. Hệ 3 điện cực gồm: điện cực làm việc là giọt treo thủy ngân (HMDE), điện cực so sánh $\text{Ag}|\text{AgCl}|\text{Cl}^-$ (trong dung dịch KCl 3M), điện cực đối mã là dây Platin (Pt). Bình điện phân thạch anh 50 ml có que khuấy từ và ống dẫn khí $\text{N}_2$.
- Thiết bị phụ trợ: Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử Perkin-Elmer AA 3300 (Mỹ), máy đo pH HM 16S (Nhật Bản), máy cất nước 2 lần UHQ-ELGA (Anh), máy ly tâm MISTRAL 1000 Galekamp (Đức), cân phân tích sai số 0,01 mg, hệ thống đông khô (lyophilisation) ở -24°C, màng lọc 0,45 µm Whatman.
- Hóa chất: Khí $\text{N}_2$ 99,99% (Air Liquide); axit HCl 37%, $\text{HNO}_3$ 65%, $\text{H}_2\text{SO}_4$ 98%, $\text{HClO}_4$ 98%, NaOH, $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$, $\text{CH}_2\text{Cl}_2$ đều đạt độ tinh khiết PA của Merck; $\text{LiClO}_4\cdot 5\text{H}_2\text{O}$ và axit stearic $\ge 99%$ (Sigma-Aldrich).
- Chất chuẩn: $\text{Na}_2\text{SeO}_3$ 99%, $\text{Na}_2\text{SeO}_4$ 99%, Selencystin ($\text{C}6\text{H}{12}\text{N}_2\text{O}_4\text{Se}_2$) 99%, Dimetyl diselenua (DMDSe) từ Sigma-Aldrich; mẫu cá chuẩn quốc tế DORM-2 (hàm lượng Se tổng chứng chỉ 1,40 ± 0,09 mg/kg).
Phương pháp chuẩn bị mẫu và xử lý số liệu
- Gia công và bảo quản mẫu: Mẫu tươi thu gom chỉ lấy phần ăn được (tôm bóc vỏ; cá đánh vẩy, bỏ đầu, bỏ ruột; ngao tách vỏ và loại bỏ nội tạng phân). Toàn bộ phần ăn được đem đông khô ở -24°C trong 72 giờ, sau đó nghiền mịn, đồng nhất và bảo quản lạnh.
- Xử lý số liệu thống kê: Đánh giá độ lặp lại qua độ lệch chuẩn ($S$), độ lệch chuẩn trung bình ($S_{\bar{x}}$), hệ số biến động ($V%$) từ 10 phép đo lặp; sử dụng chuẩn Dixon ($Q$) loại trừ sai số thô; chuẩn Student ($t$) so sánh với mẫu chuẩn DORM-2; chuẩn Fisher ($F$) so sánh phương pháp DPCSV với GFAAS. Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) tính theo quy tắc $3\sigma$ và $10\sigma$: $$\text{LOD} = \frac{3 \cdot S}{k}; \quad \text{LOQ} = \frac{10 \cdot S}{k}$$
Nội dung chính theo từng chương
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN
Chương 1 tổng hợp các cơ sở lý luận về trạng thái tồn tại, vai trò sinh học, độc tính và các phương pháp phân tích selen:
| Dạng selen | Tên viết tắt | Công thức hóa học |
|---|---|---|
| Selenit | Se(IV) | $\text{SeO}_3^{2-}$ |
| Selenat | Se(VI) | $\text{SeO}_4^{2-}$ |
| Selencystin | Se-Cyst | $\text{H}_3\text{N}^+\text{CH}(\text{COO}^-)\text{CH}_2\text{SeSeCH}_2\text{CH}(\text{COO}^-)\text{NH}_3^+$ |
| Selenmethionin | SeMet | $\text{H}_3\text{N}^+-\text{CH}(\text{COO}^-)-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{Se}-\text{Me}$ |
| Selencystein | $\text{H}_3\text{N}^+-\text{CH}(\text{COO}^-)-\text{CH}_2-\text{SeH}$ | |
| Dimetyl selenua | DMSe | $(\text{CH}_3)_2\text{Se}$ |
| Ion trimetyl selen | TMSe | $(\text{CH}_3)_3\text{Se}^+$ |
| Se-metyl-selencystein | $\text{H}_3\text{N}^+-\text{CH}(\text{COO}^-)-\text{CH}_2-\text{Se}-\text{Me}$ | |
| Se-metyl-selenmethionin | $\text{H}_3\text{N}^+-\text{CH}(\text{COO}^-)-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{Se}^+(\text{CH}_3)_2$ | |
| Selencystathionin | $\text{H}_3\text{N}^+\text{CH}(\text{COO}^-)\text{CH}_2\text{CH}_2\text{SeCH}_2\text{CH}(\text{COO}^-)\text{NH}_3^+$ | |
| Dimetyl diselenua | DMDSe | $(\text{CH}_3)_2\text{Se}_2$ |
| Dimetyl selenon | $(\text{CH}_3)_2\text{SeO}_2$ | |
| Selencystamin | $\text{H}_2\text{N}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{Se}-\text{Se}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{NH}_2$ | |
| Selenhomocystein | $\text{H}_3\text{N}^+-\text{CH}(\text{COO}^-)-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{SeH}$ | |
| $\gamma$-Glutamyl-Se-metylselencystein | $\text{H}_3\text{N}^+\text{CH}(\text{COO}^-)\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CONHCH}(\text{COO}^-)\text{CH}_2\text{SeCH}_3$ |
Độc tính tương đối của các hợp chất selen trên động vật thực nghiệm được tác giả dẫn chứng cụ thể:
| Dạng selen | Liều lượng gây chết (mg Se/kg trọng lượng) |
|---|---|
| $\text{Na}_2\text{SeO}_3$ | 7 ($\text{LD}{50}$, chuột, đường miệng); 2,3 ($\text{LD}{50}$, thỏ, đường miệng); 3,25–3,5 ($M$, chuột, ổ bụng); 3 ($M$, chuột, tĩnh mạch) |
| $\text{Na}_2\text{SeO}_4$ | 5,25–5,75 ($M$, chuột, ổ bụng) |
| Se-Cyst | 4 ($M$, chuột, ổ bụng) |
| SeMet | 4,25 ($M$, chuột, ổ bụng) |
| DMSe | 1.600 ($\text{LD}_{50}$, chuột, ổ bụng) |
| TMSe | 49,4 ($\text{LD}_{50}$, chuột, ổ bụng) |
| Se nguyên tố | 6.700 ($\text{LD}_{50}$, chuột, đường miệng) |
Ghi chú: $M$: liều gây chết nhỏ nhất; $\text{LD}_{50}$: liều gây chết trung bình.
Về tính chất điện hóa, thế bán sóng khử $E_{1/2}$ của Se(IV) trên điện cực thủy ngân thay đổi theo bản chất chất điện ly nền:
| Nền điện ly | Thế bán sóng thứ nhất (V) | Thế bán sóng thứ hai (V) | Điện cực so sánh |
|---|---|---|---|
| $\text{HNO}_3$ 0,1M | -0,083 | -0,561 | SCE |
| $\text{HNO}_3$ 1M | -0,021 | -0,411 | SCE |
| $\text{HNO}_3$ 2M | -0,34 | -0,850 | Đáy anot Hg |
| $\text{KNO}_3$ 2M | -0,185 | -0,861 | SCE |
| $\text{HCl}$ 0,1M | -0,011 | -0,541 | SCE |
| $\text{HCl}$ 1M | -0,101 | -0,511 | SCE |
| $\text{HClO}_4$ 0,1M | -0,098 | -0,541 | SCE |
Khoảng thế làm việc của các loại vật liệu điện cực phổ biến so với điện cực calomen bão hòa (SCE):
| Vật liệu | Môi trường | Khoảng thế làm việc (V) |
|---|---|---|
| Thủy ngân (Hg) | $\text{H}_2\text{SO}_4$ 1M | -1,2 đến +0,3 |
| $\text{KCl}$ 1M | -1,8 đến +0,1 | |
| $\text{NaOH}$ 1M | -2,0 đến +0,1 | |
| $\text{Et}_4\text{NOH}$ 0,1M | -2,5 đến +0,1 | |
| Cacbon (C) | $\text{HClO}_4$ 1M | -0,3 đến +1,5 |
| $\text{KCl}$ 1M | -1,5 đến +1,0 | |
| Platin (Pt) | $\text{H}_2\text{SO}_4$ 1M | -0,5 đến +1,2 |
| $\text{NaOH}$ 1M | -1,0 đến +0,6 |
CHƯƠNG 2 - THỰC NGHIỆM
Chương 2 mô tả chi tiết quy trình pha chế các dung dịch chuẩn gốc (1000 mg/l) và dung dịch công tác:
- Chuẩn Se(IV) 1000 mg/l: Hòa tan 1,376 g $\text{Na}_2\text{SeO}_3$ trong nước cất siêu sạch, định mức 1000 ml.
- Chuẩn Se(VI) 1000 mg/l: Hòa tan 1,32 g $\text{Na}_2\text{SeO}_4$ trong 1000 ml nước cất siêu sạch có chứa sẵn 0,35 ml $\text{HNO}_3$ đặc ($d = 1,4$).
- Chuẩn Se-Cyst 1000 mg/l: Hòa tan 0,101 g Se-Cyst trong dung dịch HCl 0,1M, định mức 100 ml, bảo quản lạnh.
- Chuẩn DMDSe 1000 mg/l: Hòa tan 51,3 µl (0,102 g) DMDSe trong dung môi etanol, định mức 100 ml, bảo quản lạnh.
- Dung dịch nền phụ trợ: $\text{LiClO}_4$ 2M trong etanol (3,2 g $\text{LiClO}_4\cdot 5\text{H}_2\text{O}$ định mức 10 ml bằng etanol, dùng trong ngày); axit stearic 1000 mg/l trong etanol.
Chương này cũng thiết lập toàn bộ quy trình khảo sát thực nghiệm đơn biến nhằm tối ưu hóa các thông số vận hành của máy Metrohm 797 VA Computrace, quy trình chiết mẫu và các tiêu chí thống kê toán học dùng để xử lý và thẩm định phương pháp phân tích.
CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
1. Đặc tính Von-Ampe vòng (CV) của các dạng selen trên HMDE
Khảo sát đặc tính điện hóa trên điện cực HMDE ở tốc độ quét thế 50 mV/s:
- Se(IV) (200 ppb trong nền HCl 0,1M, quét từ +0,1 V đến -1,0 V): Xuất hiện một pic khử tại thế $E_p = -0,481\text{ V}$.
- Se-Cyst (700 ppb trong nền HCl 0,1M, quét từ +0,1 V đến -0,8 V): Xuất hiện một pic khử tại thế $E_p = -0,374\text{ V}$.
- DMDSe (50 ppb trong nền $\text{HCl } 0,06\text{M} + \text{LiClO}_4\text{ } 0,2\text{M} + \text{CH}_2\text{Cl}_2/\text{C}_2\text{H}_5\text{OH } (1:1)$, quét từ +0,1 V đến -1,0 V): Xuất hiện một pic khử tại thế $E_p = -0,288\text{ V}$.
- Chiều quét ngược lại trên cả 3 đường CV đều không xuất hiện pic oxy hóa, khẳng định quá trình điện cực của Se(IV), Se-Cyst và DMDSe trên HMDE đều là quá trình khử bất thuận nghịch.
2. Khảo sát tối ưu hóa điều kiện ghi đo Se(IV) và Se-Cyst trong pha nước bằng DPCSV
a. Lựa chọn dung dịch nền điện ly và nồng độ HCl
Khảo sát trên các nền axit với nồng độ 2 ppb Se(IV) và 25 ppb Se-Cyst:
| Dung dịch nền | Se(IV) (2 ppb) | Se-Cyst (25 ppb) | ||
|---|---|---|---|---|
| $I_p$ (nA) | $E_p$ (V) | $I_p$ (nA) | $E_p$ (V) | |
| $\text{HNO}_3$ 0,1M | 10,4 | -0,467 | 21,9 | -0,335 |
| $\text{HCl}$ 0,1M | 11,2 | -0,467 | 26,4 | -0,335 |
| $\text{H}_2\text{SO}_4$ 0,05M | 14,1 | -0,470 | 23,1 | -0,335 |
Axit HCl được chọn làm nền nghiên cứu vì cho tín hiệu tốt ở cả hai dạng, đồng thời phù hợp với bước hoàn nguyên Se(VI) về Se(IV) bằng HCl đặc đun nóng.
Khảo sát nồng độ HCl từ 0,01M đến 1,3M:
| STT | Nồng độ HCl (M) | Se(IV) (2 ppb) | Se-Cyst (25 ppb) | ||
|---|---|---|---|---|---|
| $I_p$ (nA) | $E_p$ (V) | $I_p$ (nA) | $E_p$ (V) | ||
| 1 | 0,01 | 9,2 | -0,463 | 19,5 | -0,422 |
| 2 | 0,05 | 14,0 | -0,458 | 22,2 | -0,374 |
| 3 | 0,10 | 14,1 | -0,452 | 25,7 | -0,351 |
| 4 | 0,30 | 13,7 | -0,414 | 25,3 | -0,327 |
| 5 | 0,50 | 15,0 | -0,406 | 25,7 | -0,287 |
| 6 | 1,00 | 14,7 | -0,398 | 26,7 | -0,279 |
| 7 | 1,30 | 8,4 | -0,406 | 25,0 | -0,271 |
Nồng độ HCl tối ưu được lựa chọn là 0,1M cho cả hai dạng.
b. Tối ưu hóa các thông số kỹ thuật ghi đo
- Thế điện phân làm giàu ($E_{\text{dep}}$):
| STT | $E_{\text{dep}}$ (V) | 0 | -0,05 | -0,1 | -0,2 | -0,3 | -0,35 | -0,4 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| $I_p$ (nA) | Se(IV) | 7,05 | 9,28 | 10,5 | 12,0 | 12,2 | 11,7 | 10,6 |
| Se-Cyst | 26,7 | 27,8 | 28,2 | 28,4 | 8,47 | - | - |
Giá trị lựa chọn: -0,3 V cho Se(IV) và -0,2 V cho Se-Cyst.
- Thời gian điện phân làm giàu ($t_{\text{dep}}$):
| STT | Thời gian (s) | 30 | 60 | 90 | 120 | 150 | 180 | 200 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| $I_p$ (nA) | Se(IV) | 4,2 | 7,8 | 11,4 | 14,6 | 19,3 | 16,7 | Biến dạng |
| Se-Cyst | 11,3 | 27,8 | 41,9 | 51,5 | 63,6 | 70,8 | Biến dạng |
Giá trị lựa chọn: 90 s cho cả hai chất.
- Tốc độ quét thế:
| STT | Tốc độ quét thế (V/s) | 0,01 | 0,015 | 0,02 | 0,03 | 0,04 | 0,06 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| $I_p$ (nA) | Se(IV) | 10,9 | 12,4 | 13,1 | 13,5 | 13,5 | 13,8 |
| Se-Cyst | 30,6 | 37,6 | 38,8 | 43,2 | 43,3 | 48,8 |
Giá trị lựa chọn: 0,02 V/s.
- Biên độ xung:
| STT | Biên độ xung (V) | 0,03 | 0,05 | 0,08 | 0,12 | 0,15 | 0,18 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| $I_p$ (nA) | Se(IV) | 9,3 | 13,9 | 17,9 | 16,9 | Biến dạng | - |
| Se-Cyst | 18,9 | 31,1 | 33,8 | 39,3 | 47,3 | Không cân đối |
Giá trị lựa chọn: 0,05 V.
- Thời gian đặt xung:
| STT | Thời gian (s) | 0,005 | 0,010 | 0,020 | 0,040 | 0,060 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| $I_p$ (nA) | Se(IV) | 47,9 | 25,0 | 16,6 | 10,2 | 7,2 |
| Se-Cyst | 160,0 | 102,0 | 74,5 | 37,0 | 25,0 |
Giá trị lựa chọn: 0,02 s.
- Tốc độ khuấy dung dịch:
| STT | Tốc độ khuấy (vòng/phút) | 400 | 800 | 1200 | 2000 | 2400 | 2800 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| $I_p$ (nA) | Se(IV) | 8,3 | 11,7 | 14,5 | 16,6 | 17,5 | 17,7 |
| Se-Cyst | 29,5 | 47,3 | 49,4 | 56,5 | 62,1 | 65,9 |
Giá trị lựa chọn: 2000 vòng/phút.
- Kích thước giọt thủy ngân:
| STT | Cỡ giọt | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| $I_p$ (nA) | Se(IV) | 7,2 | 10,8 | 12,8 | 14,9 | 15,7 | 16,8 | 17,9 | 18,5 | 18,9 |
| Se-Cyst | 30,8 | 41,8 | 50,9 | 61,3 | 73,2 | 79,3 | 88,9 | 95,2 | 102,0 |
Giá trị lựa chọn: Cỡ giọt 6.
- Thời gian cân bằng (thời gian nghỉ):
| STT | Thời gian nghỉ (s) | 5 | 10 | 15 | 20 | 30 | 40 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| $I_p$ (nA) | Se(IV) | 15,8 | 16,0 | 16,2 | 16,4 | 17,2 | 16,9 |
| Se-Cyst | 72,6 | 72,3 | 74,6 | 74,8 | 77,2 | 79,3 |
Giá trị lựa chọn: 15 s.
- Thời gian sục khí $\text{N}_2$ đuổi oxy hòa tan:
| STT | Thời gian sục khí (s) | 0 | 50 | 100 | 150 | 200 | 250 | 300 | 350 | 400 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| $I_p$ (nA) | Se(IV) | 19,2 | 21,4 | 22,1 | 22,8 | 23,4 | 23,1 | 23,7 | 22,9 | 21,2 |
| Se-Cyst | Không có pic | 70,0 | 75,8 | 76,0 | 76,4 | 76,2 | 76,8 | 76,5 | 76,4 |
Giá trị lựa chọn: 300 s.
c. Tổng hợp điều kiện phân tích riêng rẽ và đồng thời hai dạng Se(IV) và Se-Cyst
Bảng tổng hợp điều kiện phân tích riêng rẽ:
| Thông số kỹ thuật ghi đo | Se(IV) (2 ppb) | Se-Cyst (25 ppb) |
|---|---|---|
| Điện cực làm việc | HMDE | HMDE |
| Chế độ ghi đo | Xung vi phân (DP) | Xung vi phân (DP) |
| Kích thước giọt thủy ngân | Cỡ 6 | Cỡ 6 |
| Tốc độ khuấy | 2000 vòng/phút | 2000 vòng/phút |
| Thời gian sục khí $\text{N}_2$ | 300 s | 300 s |
| Dung dịch nền điện ly | HCl 0,1M (khoảng khảo sát 0,05M–1M) | HCl 0,1M (khoảng khảo sát 0,1M–1M) |
| Thế điện phân làm giàu ($E_{\text{dep}}$) | -0,3 V (khoảng khảo sát -0,2 V đến -0,3 V) | -0,2 V (khoảng khảo sát -0,1 V đến -0,2 V) |
| Thời gian điện phân làm giàu ($t_{\text{dep}}$) | 90 s (khoảng khảo sát 90 s–150 s) | 90 s (khoảng khảo sát 90 s–150 s) |
| Thời gian cân bằng | 15 s | 15 s |
| Biên độ xung | 0,05 V | 0,05 V |
| Thời gian đặt xung | 0,02 s | 0,02 s |
| Tốc độ quét thế | 0,02 V/s | 0,02 V/s |
| Khoảng thế quét | -0,2 V đến -0,7 V | -0,2 V đến -0,7 V |
Bảng điều kiện xác định đồng thời hai dạng Se(IV) và Se-Cyst trong cùng một phép ghi đo:
| Thông số | Điều kiện xác định đồng thời |
|---|---|
| Điện cực làm việc | HMDE |
| Chế độ ghi đo | Xung vi phân (DP) |
| Kích thước giọt thủy ngân | Cỡ 6 |
| Tốc độ khuấy | 2000 vòng/phút |
| Thời gian sục khí $\text{N}_2$ | 300 s |
| Nền điện ly | HCl 0,1M (khoảng sử dụng 0,1M–1M) |
| Thế điện phân làm giàu ($E_{\text{dep}}$) | -0,2 V |
| Thời gian điện phân làm giàu ($t_{\text{dep}}$) | 90 s (khoảng sử dụng 90 s–150 s) |
| Thời gian cân bằng | 15 s |
| Biên độ xung | 0,05 V |
| Thời gian đặt xung | 0,02 s |
| Tốc độ quét thế | 0,02 V/s |
| Khoảng thế quét | -0,2 V đến -0,7 V |
Quy trình xác định đồng thời được thực nghiệm trên mẫu tự tạo chứa 2 ppb Se(IV) và 10 ppb Se-Cyst trong nền HCl 0,1M bằng phương pháp thêm chuẩn (thêm 2 lần, mỗi lần thêm 2 ppb Se(IV) và 10 ppb Se-Cyst), cho thấy hai pic phân tách rõ ràng và định lượng lặp lại tốt.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt khoa học và phương pháp luận
- Luận án đã làm rõ tính chất điện hóa của ba dạng selen gồm Se(IV), Se-Cyst và DMDSe trên điện cực giọt treo thủy ngân (HMDE), chứng minh các quá trình khử trên bề mặt điện cực đều là quá trình điện cực bất thuận nghịch trong môi trường nghiên cứu.
- Lần đầu tiên tại Việt Nam, luận án nghiên cứu thiết lập hệ thống các điều kiện và thông số thiết bị tối ưu, xây dựng thành công phương pháp xác định riêng rẽ các dạng Se(IV), Se-Cyst, DMDSe cũng như xác định đồng thời chính xác hai dạng Se(IV) và Se-Cyst bằng cùng một phép ghi đo Von-Ampe hòa tan catot xung vi phân (DPCSV).
- Nghiên cứu thành công kỹ thuật chiết tách tối ưu, đảm bảo duy trì nguyên vẹn trạng thái và định lượng các dạng selen từ nền mẫu sinh học hải sản phức tạp.
- Thiết lập được quy trình phân tích hoàn chỉnh bao gồm các khâu: thu thập mẫu tươi, tiền xử lý, bảo quản bằng phương pháp đông khô ở -24°C trong 72 giờ, chiết tách và định lượng ba dạng selen (Se(IV), Se-Cyst, DMDSe) cũng như selen tổng số trong các đối tượng hải sản thực tế (cá Khoai, tôm Sú và Mực) bằng phương pháp DPCSV.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của nghiên cứu
- Phương pháp phân tích sử dụng điện cực giọt treo thủy ngân (HMDE), đòi hỏi quy trình thu gom và kiểm soát an toàn nghiêm ngặt đối với chất thải kim loại thủy ngân sau khi phân tích.
- Khoảng thế làm việc của điện cực thủy ngân không cho phép mở rộng xác định các hợp chất có thế hòa tan dương hơn thế hòa tan của thủy ngân.
- Đối tượng mẫu thực tế trong luận án mới tập trung vào một số loài hải sản tiêu biểu (cá Khoai, tôm Sú, Mực, ngao), chưa bao phủ toàn diện các đối tượng thủy hải sản nước ngọt hoặc các loài sinh vật biển khác.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Nghiên cứu mở rộng ứng dụng quy trình phân tích sang các dạng selen hữu cơ khác trong chu trình sinh học như selenmethionin (SeMet) hoặc ion trimetyl selen (TMSe).
- Nghiên cứu thay thế điện cực HMDE bằng các loại điện cực rắn màng mỏng thân thiện hơn với môi trường (như điện cực màng bismut hoặc điện cực than màng biến tính) nhằm giảm thiểu độc hại mà vẫn duy trì độ nhạy và độ chọn lọc cao trong phân tích dạng.
Giá trị tham khảo
- Đối tượng sử dụng: Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo cho các nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên chuyên ngành Hóa Phân tích, Hóa Môi trường, Độc chất học thực phẩm và Dinh dưỡng học.
- Giá trị thực tiễn: Cung cấp cơ sở quy trình kỹ thuật cho các phòng kiểm nghiệm tiêu chuẩn, trung tâm kiểm định an toàn vệ sinh thực phẩm và cơ quan quản lý môi trường biển trong việc giám sát chất lượng thủy hải sản và phân tích dạng các độc chất vết.
- Phần đáng tham khảo:
- Hệ thống thông số đo tối ưu hóa cho phương pháp DPCSV (Bảng 3.13 và Bảng 3.14).
- Quy trình gia công và bảo quản mẫu tươi bằng kỹ thuật đông khô ở -24°C giúp bảo tồn dạng hóa học của nguyên tố vi lượng.
- Kỹ thuật phân tích đồng thời dạng vô cơ và dạng hữu cơ của selen trong cùng một phép đo điện hóa không cần qua hệ thống sắc ký lỏng ghép nối đắt tiền.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao việc xác định dạng selen lại quan trọng hơn việc chỉ xác định tổng hàm lượng selen trong hải sản?
Selen có tính chất hai mặt và khoảng nồng độ an toàn cho sức khỏe con người rất hẹp (50–200 µg/ngày). Độc tính và hoạt tính sinh học của selen phụ thuộc hoàn toàn vào dạng tồn tại hóa học. Các dạng vô cơ như Se(IV) ($\text{Na}_2\text{SeO}_3$) và Se(VI) ($\text{Na}_2\text{SeO}4$) có độc tính cao (liều gây chết $\text{LD}{50}$ ở chuột qua đường miệng của $\text{Na}_2\text{SeO}3$ là 7 mg/kg), trong khi các dạng hữu cơ (như Se-Cyst, SeMet) có hoạt tính sinh học dinh dưỡng nhưng vẫn gây độc ở liều cao, còn selen nguyên tố có độc tính rất thấp ($\text{LD}{50}$ là 6.700 mg/kg). Do đó, phân tích dạng là yêu cầu bắt buộc để đánh giá chính xác giá trị dinh dưỡng và nguy cơ độc học của hải sản.
2. Đặc tính điện hóa trên điện cực HMDE của Se(IV), Se-Cyst và DMDSe diễn ra như thế nào?
Khi quét Von-Ampe vòng (CV) với tốc độ 50 mV/s trên điện cực HMDE: Se(IV) cho pic khử ở thế -0,481 V trong nền HCl 0,1M; Se-Cyst cho pic khử ở thế -0,374 V trong nền HCl 0,1M; và DMDSe cho pic khử ở thế -0,288 V trong nền hữu cơ ($\text{HCl } 0,06\text{M} + \text{LiClO}_4\text{ } 0,2\text{M} + \text{CH}_2\text{Cl}_2/\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$). Ở chiều quét ngược lại, cả ba hợp chất đều không xuất hiện pic oxy hóa, chứng minh quá trình điện cực của các dạng selen này trên HMDE đều là quá trình khử bất thuận nghịch.
3. Nền điện ly và các thông số kỹ thuật tối ưu nào được sử dụng để xác định đồng thời Se(IV) và Se-Cyst bằng phương pháp DPCSV?
Để xác định đồng thời hai dạng Se(IV) và Se-Cyst trong cùng một phép ghi đo, các điều kiện tối ưu được xác lập gồm: dung dịch nền HCl 0,1M; điện cực làm việc HMDE cỡ giọt 6; thời gian sục khí $\text{N}2$ đuổi oxy 300 s; thế điện phân làm giàu $E{\text{dep}} = -0,2\text{ V}$; thời gian điện phân $t_{\text{dep}} = 90\text{ s}$; tốc độ khuấy 2000 vòng/phút; thời gian cân bằng (thời gian nghỉ) 15 s; biên độ xung 0,05 V; thời gian đặt xung 0,02 s; tốc độ quét thế 0,02 V/s trong khoảng thế quét từ -0,2 V đến -0,7 V.
4. Quy trình gia công và bảo quản mẫu hải sản được thực hiện như thế nào để tránh biến đổi dạng selen?
Mẫu hải sản tươi (cá, tôm, ngao) sau khi thu nhận được rửa sạch và chỉ lấy phần ăn được (tôm bóc vỏ; cá bỏ đầu, vẩy, ruột; ngao tách vỏ và bỏ phân). Toàn bộ phần ăn được đưa vào thiết bị đông khô (lyophilisation) ở nhiệt độ -24°C trong thời gian 72 giờ. Sau khi đông khô, mẫu được nghiền nhỏ, trộn đều thành bột đồng nhất, đóng gói kín và bảo quản trong ngăn mát tủ lạnh trước khi tiến hành chiết tách và ghi đo.
5. Dạng selenat Se(VI) được xác định như thế nào khi bản thân nó không có hoạt tính điện hóa trên điện cực thủy ngân?
Dạng Se(VI) vô cơ không có hoạt tính điện hóa trên điện cực HMDE do tốc độ phản ứng khử điện cực rất nhỏ. Để xác định tổng hàm lượng selen hoặc xác định gián tiếp Se(VI), Se(VI) trong dung dịch mẫu được hoàn nguyên (khử) về dạng hoạt động điện hóa là Se(IV) bằng cách đun nóng mẫu ở nhiệt độ 90–100°C trong môi trường axit HCl đặc trước khi tiến hành ghi đo bằng phương pháp DPCSV.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của tác giả Lê Thị Duyên đã giải quyết một cách có hệ thống vấn đề phân tích dạng vết của selen trong mẫu sinh học hải sản bằng phương pháp Von-Ampe hòa tan catot xung vi phân (DPCSV) trên điện cực giọt treo thủy ngân. Tác giả đã làm sáng tỏ tính chất điện hóa bất thuận nghịch của Se(IV), Se-Cyst và DMDSe, đồng thời xác lập bộ thông số vận hành tối ưu cho phép định lượng riêng rẽ từng dạng và định lượng đồng thời Se(IV) cùng Se-Cyst trong một phép đo. Công trình đã chuẩn hóa quy trình thực nghiệm từ khâu bảo quản mẫu đông khô ở -24°C, xử lý chiết tách định lượng đến phân tích kiểm chứng trên mẫu cá Khoai, tôm Sú, Mực và mẫu chuẩn quốc tế DORM-2, đóng góp một phương pháp phân tích dạng nguyên tố vi lượng có độ tin cậy và giá trị ứng dụng cao cho ngành hóa phân tích tại Việt Nam.