Luận văn: Phân tích hàm lượng Bo trong thực phẩm bằng pha loãng đồng vị ICP-MS

Luận văn thạc sĩ phân tích hàm lượng Bo trong thực phẩm bằng phương pháp pha loãng đồng vị ICP-MS, bao gồm quy trình, kết quả và đánh giá phương pháp.

• Tác giả: Nguyễn Thị Liên
• Người hướng dẫn: Pgs. Tạ Thị Thảo
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hóa phân tích
• Đề tài: Phân tích hàm lượng Bo trong mẫu thực phẩm bằng phương pháp pha loãng đồng vị - khối phổ plasma cao tần cảm ứng
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ Khoa học
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Phương Pháp ID ICP MS Trong Phân Tích Thực Phẩm

Phương pháp ID-ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry kết hợp với Isotope Dilution) là một kỹ thuật phân tích tiên tiến được sử dụng rộng rãi trong việc xác định hàm lượng bo trong thực phẩm. Phương pháp này kết hợp hai công nghệ mạnh mẽ: khối phổ plasma cao tần cảm ứng (ICP-MS) và kỹ thuật pha loãng đồng vị (ID). Sự kết hợp này cho phép các nhà phân tích đạt được độ chính xác cao trong phân tích bo, một nguyên tố vi lượng có vai trò quan trọng với sức khỏe con người. Phương pháp này đặc biệt hữu ích vì nó có thể phát hiện hàm lượng bo ở mức vết, cung cấp kết quả định lượng chính xác mà không cần sử dụng đường chuẩn ngoài.

1.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của ICP MS

Thiết bị ICP-MS hoạt động bằng cách tạo ra một plasma cao tần cảm ứng ở nhiệt độ khoảng 10.000 K. Mẫu được đưa vào plasma dưới dạng aerosol lỏng, nơi các nguyên tố được ion hóa thành các dạng ion dương. Các ion này sau đó được tách rời theo khối lượng bằng cách sử dụng khối phổ, cho phép phát hiện đồng vị bo (10B và 11B) với độ nhạy cực cao.

1.2. Ưu Điểm Của Phương Pháp ID ICP MS

Phương pháp ID-ICP-MS mang lại nhiều ưu điểm vượt trội bao gồm: độ chính xác cao, giới hạn phát hiện thấp, và không phụ thuộc vào đường chuẩn ngoài. Kỹ thuật pha loãng đồng vị cho phép khử các sai số do hiệu suất thu hồi và hiệu ứng ma trận. Đây là phương pháp tham chiếu được công nhận quốc tế cho phân tích trace element trong thực phẩm.

II. Vai Trò Của Bo Trong Thực Phẩm Và Sức Khỏe Con Người

Bo (Boron) là một nguyên tố vi lượng thiết yếu với vai trò quan trọng trong sức khỏe con người. Hàm lượng bo trong thực phẩm ảnh hưởng trực tiếp đến hấp thu canxi và sức khỏe xương. Tuy nhiên, nếu tiêu thụ quá nhiều bo, con người sẽ gặp phải tình trạng độc tính bo, gây ra các vấn đề sức khỏe như rối loạn tiêu hóa và ảnh hưởng đến sinh sản. Do đó, phân tích bo trong thực phẩm là cần thiết để kiểm soát chất lượng và đảm bảo an toàn thực phẩm. Cơ thể con người cần một lượng bo cân bằng để duy trì sức khỏe tối ưu, nhưng vượt quá ngưỡng cho phép sẽ gây hại.

2.1. Tác Dụng Dương Tính Của Bo Với Cơ Thể

Bo đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hấp thu canxi và hỗ trợ phát triển xương. Nguyên tố này giúp điều chỉnh quá trình trao đổi chất và cải thiện chức năng thần kinh. Những thực phẩm có chứa bo như rau xanh, trái cây và các sản phẩm thực vật cung cấp liều lượng bo phù hợp cho cơ thể con người.

2.2. Rủi Ro Khi Tiêu Thụ Quá Nhiều Bo

Tiêu thụ quá mức bo có thể dẫn đến độc tính bo, gây ra các triệu chứng như buồn nôn, nôn và rối loạn tiêu hóa. Các mức bo cao có thể ảnh hưởng đến hệ sinh sản và gây độc tính ở mức độ nặng. Phân tích chính xác bo trong thực phẩm giúp kiểm soát rủi ro này.

III. Quy Trình Chuẩn Bị Mẫu Và Xử Lý Dữ Liệu

Quy trình chuẩn bị mẫu là bước quan trọng nhất để đảm bảo độ chính xác của phân tích bo bằng ID-ICP-MS. Mẫu thực phẩm được lấy mẫu cẩn thận và bảo quản ở điều kiện phù hợp để tránh nhiễm bẩn hoặc tổn thất bo. Xử lý mẫu thường bao gồm tiêu hủy hữu cơ bằng cách sử dụng acid hoặc nhiệt độ cao, và loại bỏ các tạp chất để có được dung dịch mẫu sạch. Dữ liệu thu được từ ICP-MS được xử lý thông qua phần mềm chuyên dụng để tính toán hàm lượng bo sử dụng công thức ID-ICP-MS.

3.1. Phương Pháp Lấy Mẫu Và Bảo Quản

Lấy mẫu thực phẩm cần tuân theo quy trình chuẩn hóa để đảm bảo tính đại diện của mẫu. Mẫu được bảo quản ở nhiệt độ phòng hoặc tủ lạnh tùy thuộc vào loại thực phẩm. Tính kịp thời trong xử lý mẫu rất quan trọng để tránh sự giải phóng bo hoặc nhiễm bẩn từ môi trường ngoài.

3.2. Các Bước Xử Lý Mẫu Trước Phân Tích

Mẫu thực phẩm được cân và xử lý bằng acid mạnh (thường là HNO3 loãng) trong lò vi sóng hoặc bàn nóng để tiêu hủy hữu cơ. Sau đó dung dịch được pha loãng để có nồng độ phù hợp cho thiết bị ICP-MS. Kiểm soát chất lượng bằng cách sử dụng chứng chỉ mẫu tiêu chuẩn và mẫu trắng để xác minh độ chính xác của quá trình xử lý.

IV. Đánh Giá Hiệu Suất Phương Pháp Và Ứng Dụng Thực Tế

Đánh giá hiệu suất phương pháp ID-ICP-MS bao gồm xác định giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ), đánh giá độ lặp lại và hiệu suất thu hồi. Phương pháp này thường có LOD ở mức μg/kg, cho phép phát hiện bo ở nồng độ cực thấp. Độ lặp lại của phương pháp thường dưới 10%, đảm bảo kết quả đáng tin cậy. Ứng dụng thực tế của phân tích bo bao gồm kiểm tra giò lụa, chả lụa, bún, phở và các sản phẩm thực phẩm khác để đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng.

4.1. Các Chỉ Tiêu Kiểm Định Hiệu Suất

Giới hạn phát hiện được xác định bằng cách sử dụng 3 lần độ lệch chuẩn của tín hiệu nền, trong khi giới hạn định lượng là 10 lần độ lệch chuẩn. Độ không đảm bảo đo được tính toán bao gồm các nguồn sai số từ cân, pha loãng và tín hiệu thiết bị. Hiệu suất thu hồi được kiểm tra bằng spiking samples với bo đã biết rồi so sánh với giá trị lý thuyết.

4.2. Ứng Dụng Trong Kiểm Soát Chất Lượng Thực Phẩm

Phương pháp ID-ICP-MS được áp dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm phân tích để kiểm soát hàm lượng bo trong các sản phẩm thực phẩm. Kết quả phân tích giúp cơ quan chức năng xác định mức độ an toàn của sản phẩm so với tiêu chuẩn quốc tế. Dữ liệu thu được từ phân tích bo được sử dụng để cảnh báo về các sản phẩm có nguy cơ cao và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Tổng quan chung về thực phẩm 1. Định nghĩa chung về thực phẩm Thực phẩm hay còn gọi là thức ăn là bất kỳ vật phẩm nào, bao gồm ba nhóm chính: Chất bột (cacbohydrat), chất béo (lipit), chất đạm (protein) hoặc nước mà con người có thể ăn hay uống được, với mục đích cơ bản là thu nạp các chất dinh dưỡng duy trì các hoạt động sống của cơ thể [1]. Phân loại thực phẩm Cách phân loại thực phẩm hiện nay còn phụ thuộc theo từng quốc gia.

Tuy nhiên, thông thường thực phẩm được phân loại theo các cách sau [1]:  Theo nguồn gốc: Thực phẩm có nguồn gốc động vật (trên cạn, dưới nước, trên không…), thực phẩm có nguồn gốc thực vật (rau, củ, quả, hạt, gia vị).  Theo cách bảo quản: thực phẩm tươi, đông lạnh, đóng hộp…  Theo cách chế biến: thực phẩm chưa qua chế biến, thực phẩm đã qua chế biến.  Theo mức độ quan trọng: thực phẩm chính (tinh bột), thực phẩm phụ (trái cây, bánh kẹo, nước, ngọt…). Sự tích lũy B trong thực phẩm Sự tích lũy B trong thực phẩm có thể đánh giá trên hai đối tượng thực phẩm.

Thứ nhất là sự tích lũy B trong các loại thực phẩm chưa qua chế biến, hay các thực phẩm có nguồn gốc tự nhiên. Axít Boric là hợp chất tự nhiên của B được tìm thấy trong các loại rau quả và nước uống. Thông thường, thực phẩm có nguồn gốc thực vật được cho là nguồn giàu B. Hàm lượng B trong một số loại thực phẩm của một số nước đã được công bố bao gồm thực phẩm từ Mỹ, Phần Lan, Úc, Hàn Quốc, Singapore, Vương quốc Anh, Pháp và Thổ Nhĩ Kỳ [38].

Nồng độ B trong nước đóng chai của một số nước dao động từ 0 ppm (Áo) đến 4,3 ppm (Mỹ). Đối với thực vật trên cạn hàm lượng B từ 2,3 đến 94,7 mg/kg mẫu khô, đối với động vật không xương sống và cá biển từ 0,5 đến 4 mg/kg mẫu khô. Hàm lượng B tích lũy tự Chuyên ngành Hóa phân 3 Trường Luận văn Thạc sĩ khoa Nguyễn Thị Liên- K26 Hóa nhiên trong thịt, cá, sữa không cao [47]. Sau đây là một số kết quả xác định B trong một số loại thực phẩm được công bố tại Úc, Phần Lan, Mỹ và Đức [38].

Hàm lượng B trong một số loại thực phẩm Hàm lượng B (mg/100g mẫu khô) Loại Úc Phần Lan Mỹ Đức Quả lê 20,60 KPH* 11,1 9,5 Chuối 1,66 1,70 1,04 0,79 Quà chà là 10,86 9,20 KPH KPH Quả mận 18,85 27,00 21,5 KPH Hạnh nhân 28,00 23,00 KPH 14,00 Củ cải đường 3,24 2,40 1,15 21,00 Cà rốt 3,00 3,20 1,90 3,10 Gà 0,30 0,40 0,34 0,19 Trứng 0,40 0,30 0,12 0,75 Mật ong 5,00 7,00 6,07 3,50 Thịt cừu 0,20 0,20 0,14 0,37 *KPH: Không phát hiện Qua đó, có thể thấy được thực phẩm có nguồn gốc tự nhiên là nguồn bổ sung B cần thiết cho con người. Thứ hai, là sự tích lũy B trong các loại thực phẩm đã qua chế biến. Nguyên nhân là các hợp chất của B từ lâu đã được coi là chất bảo quản thực phẩm và được thêm vào thông qua quá trình chế biến. Borac và axít Boric là hai hợp chất quan trọng của B và là phụ gia thực phẩm tại một số quốc gia với mã số E285.

Từ những năm 1870 việc thêm Borac vào thực phẩm đã được chú ý đến là một trong những cách tốt nhất để bảo quản một số loại thực phẩm như tôm cá, thịt, kem, bơ và bơ thực vật. Nó được sử dụng tương tự như muối ăn và nó có trong món trứng muối của Pháp và Iran. Trong khoảng thời gian này, B bao gồm cả axít Boric và Borac được xem là những hợp chất có ích. Từ năm 1920 đến 1953 các nước công nghiệp cho sử dụng Borac và axít Boric làm chất bảo quản trong thực phẩm như sữa, thịt… Chuyên ngành Hóa phân 4 Trường Luận văn Thạc sĩ khoa Nguyễn Thị Liên- K26 Hóa với nồng độ 0,2-0,5%.

Một số nước ở châu Á như Malaysia, Trung Quốc cũng đã sử dụng axít Boric và Borac với mục đích tương tự. Ngày 15 tháng 06 năm 2007, Hiệp hội người tiêu dùng Penang – Malaysia (CAP) đã công bố kết quả nồng độ axít Boric trong mẫu bánh bao trong khoảng từ 0,4 ppm đến 479,6 ppm [55]. Tại Việt Nam, cho đến những năm 1990 việc thêm Borac với vai trò bảo quản thực phẩm khá phổ biến. Khi cho Borac vào các loại thực phẩm tinh bột như bún, miến, bánh đa, bánh tráng, phở,… Borac sẽ làm tinh bột có độ đặc cao, tăng tính dai, giòn của các loại sản phẩm.

Ngoài ra trong thực phẩm có nhiều protein như thịt, cá…lượng nước tồn tại khá lớn (65-80%) ở dạng tự do hay liên kết, khi thêm Borac thì sự liên kết này càng bền chặt, cấu trúc protein càng vững chắc làm tăng độ dai độ giòn, độ đàn hồi và có thể giữ nước ở mức tối đa làm cho sản phẩm tươi ngon và lâu bị ôi thiu [5]. Theo khảo sát của Viện vệ sinh y tế công cộng thực hiện trong ba năm (2003-2005) tại thành phố Hồ Chí Minh trên một số thực phẩm chế biến sẵn từ thịt, cá như chả lụa, giò lụa, bò viên, cá viên chiên, mì sợi tươi, bánh su sê, bánh da lợn ở các chợ, quầy bán lẻ, bán rong cho thấy có 135 trong tổng số 200 mẫu kiểm tra có sử dụng Borac, chiếm tỷ lệ 67,5%. Trong đó các mẫu chả lụa và mì sợi tươi có tỷ lệ sử dụng Borac cao nhất, 100% mẫu giò chả kiểm tra năm 2004 và 100% mẫu mì sợi tươi kiểm tra năm 2005 có chứa Borac. Theo thống kê cũng cho thấy mức độ thêm Borac vào thực phẩm ngày càng cao, năm 2003-2004 lượng Borac cho vào thực phẩm là 1000 – 3000 mg/kg, đến năm 2005 là 3000 mg/kg [3].

Tác giả Đỗ Thị Hòa và cộng sự [4] đã tiến hành khảo sát thực trạng sử dụng Borac trong thực phẩm trên địa bàn quận Hai Bà Trưng và quận Đống Đa năm 2004-2005. Kết quả cho thấy, đối với nhóm thực phẩm là thịt đã chế biến thì 39,6% mẫu phát hiện có Borac tại các chợ của quận Đống Đa. Tỷ lệ mẫu có Borac cao nhất là giò lụa (46,6%), tiếp theo là chả quế (44%), chả nạc (mộc) thấp nhất (27,8%). Tỷ lệ mẫu phát hiện có Borac tại các chợ của quận Hai Bà Trưng là 21,4%, trong đó tỷ lệ cao cũng là giò lụa và chả quế (25%), sau đó đến giò bò và chả mỡ (21,4%).

Đối với nhóm thực phẩm chế biến từ gạo, có từ 10-20% số mẫu có Borac. Năm 2008, Chuyên ngành Hóa phân 5 Trường Luận văn Thạc sĩ khoa Nguyễn Thị Liên- K26 Hóa theo khảo sát của Viện vệ sinh an toàn thực phẩm do Sở y tế Hà Nội chủ trì thì có đến 2/3 cửa hàng bày bán các sản phẩm được chế biến từ thịt có chứa Borac. Tại Bắc Ninh, theo điều tra năm 2003 của tác giả Nguyễn Khắc Từ và cộng sự [8] thì trên 80% các đối tượng thực phẩm nghiên cứu có sử dụng Borac để bảo quản. Như vậy có thể thấy rằng việc cho thêm Borac vào quá trình chế biến là nguồn gây tích lũy B trong thực phẩm cao nhất có thể gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người.

Tổng quan về nguyên tố B 1. Trạng thái tồn tại Bor khá hiếm trong vũ trụ và hệ mặt trời do sự tạo thành vết trong vụ nổ BigBang và trong khí quyển các ngôi sao. Trong môi trường oxi cao của Trái đất, B thường được tìm thấy ở dạng bị oxi hóa hoàn toàn thành Borat. Nồng độ trung bình của B trong lớp vỏ trái đất khoảng 17 ppm.

Trong đất đá với hàm lượng khoảng từ 10 – 300 mg B/kg, trong nước khoáng <0,01 mg/l đến 1,5 mg/l, nước biến từ 0,5 mg/l đến 9,6 mg/l. Bor tích tụ trong thực vật thủy sinh và trên cạn nhưng không tích tụ theo chuỗi thực phẩm. B có 2 đồng vị tự nhiên ổn định là 11B (80,1%) và 10B (19,9%). Thành phần đồng vị tự nhiên của B Đồng vị Phân bố tự nhiên (%) Trạng thái 10 B 19,1-20,3 Bền với 5 nơtron 11 B 79,7-80,9 Bền với 6 nơtron Sự chênh lệch về khối lượng tạo ra một khoảng rộng của các giá trị δB-11 trong các loại nước tự nhiên, dao động từ -16 đến +59.

Có 13 đồng vị đã biết của B, chu kỳ bán rã ngắn nhất là 7B, nó phân rã bởi bức xạ prôton và phóng xạ alpha. Chu kỳ bán rã của nó là 3,26500x10−22 s. Sự phân đoạn đồng vị của bo được kiểm soát bởi các phản ứng trao đổi giữa axit B(OH)3 và anion Borat B(OH)-4. Khi nồng độ B, Chuyên ngành Hóa phân 6 Trường Luận văn Thạc sĩ khoa Nguyễn Thị Liên- K26 Hóa nhiệt độ, pH và cơ chế phản ứng phù hợp có thể xảy ra sự phân đoạn của các đồng vị B, thể hiện qua phương trình cân bằng: 11 B(OH)3 + 10B(OH)4- = 10B(OH)3 + 11B(OH) 4 - (1.1) Trong dung dịch cũng tồn tại một trạng thái cân bằng phụ thuộc vào pH của dung dịch giữa B(OH)3 và B(OH)-4 theo phản ứng: B(OH)3 + H2O = B(OH)4- + H+ (1.1 chỉ ra rằng, ở giá trị pH cao (pH>11) và giá trị pH thấp (pH<7) B tồn tại ở hai dạng chủ yếu B(OH)4- và B(OH)3.

Quá trình phân đoạn này chỉ xảy ra khi dung dịch có pH= 7-11. Như vậy trong dung dịch nước B là chất ổn định và không bị ảnh hưởng bởi phản ứng oxi hóa khử [57]. Đồ thị phân bố dạng tồn tại của B 1. Tính chất lý-hóa học B là nguyên tố á kim nằm trong nhóm IIIA, số thứ tự 5 trong bảng hệ thống tuần hoàn có khối lượng nguyên tử trung bình là 10,811.

Cấu trúc nguyên tử của B là thiếu hụt điện tử, có quỹ đạo p trống, trạng thái oxi hóa 3, 2, 1, -1, -5. Áp suất hơi của B phụ thuộc nhiệt độ được trình bày trong bảng 1. Áp suất hơi của B phụ thuộc nhiệt độ P(Pa) 1 10 100 1000 10000 100000 Nhiệt độ(K) 2348 2562 2822 3141 3545 4072 Tính chất của B phụ thuộc nhiều vào mức độ tinh khiết và dạng tinh thể. Trong điều kiện thường B rất trơ về mặt hóa học [6].

Chuyên ngành Hóa phân 7 Trường Luận văn Thạc sĩ khoa Nguyễn Thị Liên- K26 Hóa Người ta đã tìm ra được rất nhiều các hợp chất của B, trong đó axit Boric và Borac được xem là hai hợp chất chính có nhiều ứng dụng nhất của B [6]. Axit Boric (H3BO3) Borac (Na2B4O7.10H2O) Trạng thái cân bằng giữa axit Boric và anion Borat phụ thuộc vào pH môi trường quy định tính chất hóa học đặc trưng của B trong dung dịch.