Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khóa luận tốt nghiệp cử nhân hóa học của tác giả Nguyễn Hoàng Dung (ngành Hóa học, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng, niên khóa 2014–2018, hoàn thành tháng 3/2018 dưới sự hướng dẫn của ThS. Ngô Thị Mỹ Bình) giải quyết vấn đề kiểm soát ô nhiễm kim loại nặng trong nông sản thực phẩm.

Xuất phát từ thực tế ô nhiễm môi trường đất và nguồn nước do chất thải công nghiệp, phế thải sinh hoạt và hóa chất nông nghiệp tồn dư chưa qua xử lý thích hợp, các độc chất tích tụ vào đất trồng làm suy thoái dinh dưỡng và truyền dẫn vào cây trồng. Tại Việt Nam, rau xanh là nhóm nhu yếu phẩm quan trọng cung cấp chất xơ, vitamin và khoáng chất thiết yếu cho bữa ăn hàng ngày. Tuy nhiên, việc lạm dụng phân bón hóa học, thuốc bảo vệ thực vật sát ngày thu hoạch, cùng với việc canh tác trên vùng đất ô nhiễm hoặc dùng nguồn nước tưới ô nhiễm, khiến rau xanh đối mặt với nguy cơ tích lũy kim loại nặng độc hại, đặc biệt là kẽm ($Zn$) và chì ($Pb$). Để góp phần giám sát an toàn vệ sinh thực phẩm và bảo vệ sức khỏe cộng đồng tại địa bàn quận Liên Chiểu – thành phố Đà Nẵng, đề tài đã được triển khai.

Nhiệm vụ nghiên cứu của khóa luận được phân định thành 3 nội dung chính:

  1. Nghiên cứu và lựa chọn các điều kiện tối ưu trong quá trình xử lý mẫu để định lượng các kim loại kẽm và chì trong các loại rau.
  2. Đưa ra quy trình phân tích kẽm và chì trong rau bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử trên thiết bị AAS.
  3. Áp dụng phân tích một số đối tượng mẫu thực tế.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hàm lượng hai nguyên tố kẽm ($Zn$) và chì ($Pb$) trong các mẫu rau ăn lá phổ biến gồm rau muống, rau cải và rau xà lách. Phạm vi không gian nghiên cứu được giới hạn tại địa bàn quận Liên Chiểu, thành phố Đà Nẵng. Thời gian thực hiện đề tài kéo dài từ tháng 9/2017 đến tháng 3/2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về cơ sở lý thuyết, khóa luận hệ thống hóa khái niệm rau sạch và rau an toàn. Theo đó, rau an toàn là sản phẩm rau tươi có chất lượng đúng đặc tính giống, hàm lượng hóa chất độc và mức độ nhiễm sinh vật gây hại dưới ngưỡng tiêu chuẩn cho phép theo Quyết định số 46/2007/QĐ-BYT ngày 19/12/2007 và Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia QCVN 8-2:2011/BYT của Bộ Y tế ("Quy định về giới hạn ô nhiễm kim loại nặng trong thực phẩm và các yêu cầu có liên quan"). Ngoài ra, tác giả đối chiếu với các ngưỡng ăn vào chấp nhận được hàng ngày và hàng tuần do Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) cùng Tổ chức Lương Nông Liên Hiệp Quốc (FAO) thiết lập (hàm lượng chì tạm thời chịu đựng được đối với trẻ sơ sinh và thiếu nhi là 25 µg/kg thể trọng/tuần).

Về phương pháp thực nghiệm, khóa luận sử dụng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (Flame Atomic Absorption Spectrometry - F-AAS) dựa trên nguyên lý hấp thụ bức xạ cộng hưởng của đám hơi nguyên tử tự do ở trạng thái cơ bản, tuân theo hệ thức định lượng $A = a \cdot C_x$ (hoặc $A = K \cdot C^b$, với vùng tuyến tính $b = 1$). Thiết bị đo quang phổ hấp thụ nguyên tử được vận hành là hệ thống máy AAS – iCE 3500 của hãng Thermo (Mỹ), đặt tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng.

Tác giả so sánh ba phương pháp xử lý và vô cơ hóa mẫu thực vật:

  • Phương pháp tro hóa ướt: Phân hủy mẫu bằng axit đặc có tính oxy hóa mạnh ($HNO_3$, $HClO_4$, hỗn hợp $HNO_3 + H_2O_2$) trong bình Kjeldahl hệ hở hoặc hệ kín. Phương pháp này tránh mất mát các nguyên tố bay hơi nhưng thời gian phân hủy kéo dài (10–12 giờ) và tiêu tốn nhiều axit tinh khiết.
  • Phương pháp tro hóa khô: Nung mẫu trong chén nung ở nhiệt độ 400–550°C để đốt cháy hoàn toàn chất hữu cơ, sau đó hòa tan bã tro vô cơ bằng dung dịch axit ($HCl$ hoặc $HNO_3$). Phương pháp này thao tác đơn giản, không tồn dư axit nhưng dễ gây thất thoát nguyên tố vi lượng nếu không có chất phụ gia bảo vệ.
  • Phương pháp tro hóa khô – ướt kết hợp: Tẩm ướt sơ bộ mẫu bằng một lượng nhỏ axit để phá vỡ liên kết ban đầu và giữ các nguyên tố dễ bay hơi, sau đó mới nung ở nhiệt độ thích hợp. Kỹ thuật này giảm 4 đến 5 lần lượng axit tiêu hao, rút ngắn thời gian xử lý và cho dung dịch sau hòa tan trong suốt.

Nguồn hóa chất sử dụng trong nghiên cứu bao gồm: dung dịch chuẩn gốc chì ($Pb^{2+}$ 1000 ppm), kẽm ($Zn^{2+}$ 1000 ppm), axit $HNO_3$ 65%, axit $HCl$ 37%, $KNO_3$ và nước cất 2 lần.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu về rau xanh, kim loại kẽm, chì và các phương pháp phân tích lượng vết

Chương này tập trung trình bày tổng quan tài liệu về giá trị dinh dưỡng, công dụng của ba loại rau nghiên cứu (rau muống, rau xà lách, cải thìa), độc tính sinh học của các kim loại và lý thuyết các công cụ phân tích hiện đại:

  • Vai trò và độc tính sinh học: Kẽm là nguyên tố vi lượng thiết yếu cấu thành hơn 80 loại enzyme, tham gia vận chuyển, xúc tác gắn kết chuỗi ADN và phân giải protein; nhu cầu ở người trưởng thành là 10–15 mg/ngày. Tuy nhiên, tiêu thụ quá mức kẽm gây hôn mê và ức chế hấp thu đồng. Ngược lại, chì là kim loại độc hại tích lũy, ức chế enzyme ALA-dehidraza I (delta-aminolevulinic acid dehydratase), ngăn cản tổng hợp porphobilinogen dẫn đến ức chế tạo hemoglobin và hồng cầu. Chì gây tổn thương thận, thần kinh trung ương và đặc biệt nguy hiểm cho trẻ em dưới 6 tuổi (mức độ hấp thụ chì gấp 4–5 lần người lớn).

  • Đặc tính hóa lý của hai kim loại: Khóa luận tổng hợp các hằng số vật lý của kẽm và chì (theo tài liệu văn bản trích dẫn):

Đại lượng vật lý Chì ($Pb$) Kẽm ($Zn$)
Số thứ tự trong bảng tuần hoàn 82 30
Nguyên tử khối ($u$) 207,21 65,37
Cấu hình electron $[Kr]6s^26p^2$ $[Kr]3d^{10}4s^2$
Năng lượng ion hóa $I_1$; $I_2$ (eV) 7,42; 15,03 9,39; 17,96
Bán kính nguyên tử (Å) 1,75 1,39
Nhiệt độ nóng chảy (°C) 327,4 419,5
Nhiệt độ sôi (°C) 1740 906
Khối lượng riêng ($g/cm^3$) 11,34 7,13
  • Quy định giới hạn hàm lượng chì theo QCVN 8-2:2011/BYT: Mức giới hạn cho phép của chì trong rau ăn quả (không gồm nấm) là 0,3 mg/kg; rau họ đậu là 0,2 mg/kg; rau ăn củ và rễ (bao gồm khoai tây gọt vỏ) là 0,1 mg/kg; nấm là 0,3 mg/kg; rau khô và quả khô là 2,0 mg/kg; rau quả đóng hộp là 1,0 mg/kg; nước ép rau quả là 0,05 mg/L.
  • So sánh các phương pháp phân tích lượng vết: Tác giả điểm luận các phương pháp điện hóa (cực phổ DPP, SQWP; Von-Ampe hòa tan với độ nhạy $10^{-6}$–$10^{-9}$ M), quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS (theo định luật Lambert-Beer $A = \varepsilon \cdot l \cdot C$, độ nhạy $10^{-5}$–$10^{-6}$ M nhưng kém chọn lọc), phổ phát xạ nguyên tử AES, phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F-AAS, độ nhạy khoảng 0,1 ppm) và không ngọn lửa (GF-AAS, độ nhạy 0,1–1 ppb). Đồng thời phân tích nguyên lý xây dựng đường chuẩn và phương pháp thêm chuẩn để loại trừ ảnh hưởng của hiệu ứng nền mẫu phức tạp.

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết toàn bộ quy trình pha chế hóa chất, thiết lập thông số máy đo, khảo sát khoảng tuyến tính, xây dựng đường chuẩn, đánh giá sai số thống kê và xử lý mẫu thực vật:

  • Chuẩn bị dãy dung dịch chuẩn: Pha dung dịch axit $HCl$ 18% và $HNO_3$ 0,1N. Dung dịch làm việc của chì được pha loãng từ dung dịch gốc 1000 mg/L về dung dịch trung gian 50 mg/L; dãy chuẩn Pb gồm 11 điểm ($S_0$ đến $S_{10}$) có nồng độ từ 0,0 mg/L đến 10,0 mg/L trong nền $HNO_3$ 0,1N. Dung dịch kẽm trung gian 10 mg/L được pha loãng thành dãy chuẩn 11 điểm ($S_0$ đến $S_{10}$) có nồng độ từ 0,0 mg/L đến 3,5 mg/L.
Ký hiệu bình chuẩn $S_0$ $S_1$ $S_2$ $S_3$ $S_4$ $S_5$ $S_6$ $S_7$ $S_8$ $S_9$ $S_{10}$
Nồng độ $Pb$ ($mg/L$) 0,0 0,25 1,0 2,0 3,0 4,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0
Nồng độ $Zn$ ($mg/L$) 0,0 0,25 0,4 0,6 0,8 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
  • Điều kiện đo phổ F-AAS tối ưu trên máy AAS – iCE 3500:
Yếu tố thông số Nguyên tố Chì ($Pb$) Nguyên tố Kẽm ($Zn$)
Vạch phổ hấp thụ (nm) 217,5 213,9
Cường độ dòng đèn (% $I_{max}$) 70 75
Lưu lượng khí đốt $C_2H_2$ (L/phút) 1,2 1,2
Chiều cao đèn nguyên tử hóa (mm) 7,0 7,0
  • Khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính: Mối quan hệ giữa độ hấp thụ quang ($Abs$) và nồng độ được khảo sát thực nghiệm qua 3 lần đo lặp. Khoảng nồng độ tuân theo định luật tuyến tính được ghi nhận đối với kẽm là từ 0,05 ppm đến 3,5 ppm; đối với chì là từ 0,25 ppm đến 8,0 ppm (đồ thị duy trì tuyến tính lên đến 9,0 ppm).
  • Xây dựng đường chuẩn và phương trình hồi quy: Sử dụng công cụ Regression trong Microsoft Excel:
    • Phương trình đường chuẩn của Kẽm: $Y = A + B \cdot C_{Zn}$, trong đó hệ số chặn $A = 0,00350$, hệ số góc $B$ tương ứng hệ số tương quan tuyến tính chặt chẽ ($R$ xấp xỉ 1). Tác giả tính toán giới hạn phát hiện ($LOD$) và giới hạn định lượng ($LOQ$) của Zn dựa trên độ lệch chuẩn của đường chuẩn và phân phối Student.
    • Phương trình đường chuẩn của Chì: $Y = A + B \cdot C_{Pb}$, với hệ số chặn $A = 0,00042$, xác lập mối tương quan tuyến tính giữa mật độ quang và nồng độ $Pb$.
  • Đánh giá sai số và độ lặp lại của phép đo: Thực hiện đo 10 lần độc lập ($n = 10$) tại 3 mức nồng độ chuẩn đại diện cho điểm đầu, điểm giữa và điểm cuối của khoảng tuyến tính. Kết quả thực nghiệm được xử lý thống kê bằng công thức độ lệch chuẩn lặp lại ($S_r$), độ lệch chuẩn tương đối ($RSD_r%$), chuẩn Student ($t$) và khoảng tin cậy giá trị phân tích:
    • Phép đo Kẽm: Khảo sát tại 3 mức nồng độ. Độ lệch chuẩn tương đối $RSD_r%$ đạt giá trị nhỏ (ở mức nồng độ thấp đạt khoảng 3,1181%). Giá trị chuẩn Student thực nghiệm tính toán được ở mọi mức nồng độ đều nhỏ hơn giá trị giới hạn tra bảng $t_{(\alpha = 0,05;, f = 9)} = 2,262$.
    • Phép đo Chì: Khảo sát tại các mức nồng độ 1 ppm, 4 ppm và 8 ppm. Độ lệch chuẩn tương đối $RSD_r%$ biến thiên trong ngưỡng 2,4423%. Giá trị chuẩn Student $t$ thực nghiệm tính được đều nhỏ hơn giá trị tới hạn 2,262.
    • Kết luận kiểm định thống kê: Phương pháp đo quang phổ F-AAS trên thiết bị AAS – iCE 3500 đạt độ lặp lại cao và không mắc sai số hệ thống (loại sai số phát sinh do kỹ thuật đo, thiết bị phân tích hay kỹ năng người vận hành).

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã hoàn thành các nội dung chuyên môn đặt ra thông qua các kết quả thực nghiệm định lượng cụ thể:

  1. Thiết lập bộ thông số đo phổ F-AAS chuẩn xác cho hai kim loại: Xác định bước sóng tối ưu ($213,9$ nm đối với $Zn$; $217,5$ nm đối với $Pb$), cường độ dòng đèn ($75% I_{max}$ đối với $Zn$; $70% I_{max}$ đối với $Pb$), lưu lượng khí axetilen $C_2H_2$ cố định ở mức 1,2 L/phút và chiều cao đèn nguyên tử hóa 7,0 mm.
  2. Xác định dải tuyến tính và phương trình hồi quy tin cậy: Khoảng làm việc tuyến tính của phương pháp đo được xác định từ 0,05 đến 3,5 ppm đối với kẽm và từ 0,25 đến 8,0 ppm đối với chì. Các hệ số đường chuẩn được tối ưu hóa qua xử lý hồi quy tuyến tính trong phần mềm bảng tính.
  3. Chứng minh độ tin cậy và độ chụm của phương pháp: Bằng phép kiểm định lặp lại 10 lần trên các mẫu chuẩn ở 3 mức nồng độ khác nhau, nghiên cứu chứng minh độ lệch chuẩn tương đối $RSD_r%$ đều đạt mức thấp (từ xấp xỉ 2,44% đến 3,12%). Tất cả các giá trị kiểm định Student thực nghiệm đều nhỏ hơn mức chuẩn ngưỡng $t_{(0,05;, 9)} = 2,262$, khẳng định quy trình phân tích hoàn toàn loại trừ được sai số hệ thống.
  4. Đóng góp khoa học và thực tiễn tự nêu: Khóa luận đã hệ thống hóa và đề xuất một quy trình phân tích định lượng vi lượng kẽm và chì trong mẫu rau ăn lá trên thiết bị quang phổ hấp thụ nguyên tử hiện đại AAS – iCE 3500. Quy trình này có độ nhạy cao, tiêu tốn ít lượng mẫu, rút ngắn thời gian phân tích, không đòi hỏi bước làm giàu mẫu phức tạp trước khi đo, tạo điều kiện thuận lợi cho việc kiểm tra chất lượng vệ sinh an toàn thực phẩm đối với rau xanh tiêu thụ trên thị trường quận Liên Chiểu nói riêng và thành phố Đà Nẵng nói chung.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận phản ánh các nội dung nghiên cứu gắn liền với điều kiện thực tế của phòng thí nghiệm và thời gian làm đồ án:

  • Hạn chế: Phạm vi lấy mẫu thực nghiệm mới giới hạn trên địa bàn quận Liên Chiểu (Đà Nẵng) với 3 đối tượng rau xanh thông dụng gồm rau muống, rau cải và rau xà lách. Nghiên cứu chỉ tập trung phân tích 2 nguyên tố kim loại ($Zn$ và $Pb$). Phương pháp F-AAS ngọn lửa tuy thao tác nhanh và ổn định nhưng độ nhạy giới hạn ở mức 0,1 ppm, thấp hơn kỹ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa cuvet graphit (GF-AAS có độ nhạy 0,1–1 ppb). Ngoài ra, phương pháp AAS chỉ cho biết tổng hàm lượng nguyên tố kim loại trong mẫu mà không xác định được trạng thái liên kết hay dạng tồn tại hóa học (speciation) của ion kim loại trong tế bào thực vật.
  • Hướng nghiên cứu mở rộng: Tiếp tục mở rộng khảo sát hàm lượng các kim loại nặng độc hại khác có trong danh mục của QCVN 8-2:2011/BYT (như Cadimi – $Cd$, Asen – $As$, Thủy ngân – $Hg$); mở rộng quy mô thu thập mẫu rau tại nhiều chợ đầu mối và vùng chuyên canh nông nghiệp khác trên toàn địa bàn thành phố Đà Nẵng qua các mùa vụ khác nhau để có bức tranh toàn diện về mức độ tích lũy kim loại nặng trong nông sản.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận có giá trị tham khảo học thuật trực tiếp đối với:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành: Phù hợp cho sinh viên ngành Sư phạm Hóa học, Cử nhân Hóa học, Hóa phân tích, Khoa học Môi trường và Công nghệ Thực phẩm khi tìm hiểu quy trình phân tích lượng vết kim loại trong mẫu sinh học/nông sản.
  • Phần nội dung có giá trị tham khảo cao:
    • Quy trình thiết lập thông số vận hành máy quang phổ hấp thụ nguyên tử Thermo AAS – iCE 3500 (bước sóng, tốc độ khí đốt, chiều cao đầu đốt, cường độ dòng đèn hollow cathode).
    • Phương pháp luận thực nghiệm trong việc khảo sát dải nồng độ tuyến tính, tính toán giới hạn phát hiện ($LOD$), giới hạn định lượng ($LOQ$).
    • Mô hình xử lý số liệu thực nghiệm hóa phân tích: Cách thức kiểm định sai số hệ thống thông qua kiểm định chuẩn Student ($t$-test) và đánh giá độ lặp lại qua độ lệch chuẩn tương đối ($RSD%$) với số lần đo lặp $n = 10$.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận sử dụng thiết bị quang phổ hấp thụ nguyên tử cụ thể nào và đặt tại cơ sở nào?
Nghiên cứu sử dụng hệ thống máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS – iCE 3500 do hãng Thermo (Mỹ) sản xuất. Quá trình thực nghiệm đo phổ được tiến hành tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng.

2. Các thông số vận hành ngọn lửa và vạch phổ đo AAS đối với chì và kẽm được tác giả thiết lập như thế nào?
Đối với chì ($Pb$), vạch phổ hấp thụ là $217,5$ nm, cường độ dòng đèn đặt ở $70% I_{max}$, lưu lượng khí đốt axetilen ($C_2H_2$) là 1,2 L/phút và chiều cao đèn là 7 mm. Đối với kẽm ($Zn$), vạch phổ hấp thụ là $213,9$ nm, cường độ dòng đèn đặt ở $75% I_{max}$, lưu lượng khí $C_2H_2$ là 1,2 L/phút và chiều cao đèn là 7 mm.

3. Khoảng nồng độ tuyến tính của phép đo F-AAS đối với hai kim loại được xác định trong phạm vi nào?
Kết quả khảo sát thực nghiệm ghi nhận khoảng nồng độ tuyến tính giữa độ hấp thụ quang ($Abs$) và nồng độ ion đối với kẽm ($Zn$) nằm trong khoảng từ 0,05 ppm đến 3,5 ppm; đối với chì ($Pb$) nằm trong khoảng từ 0,25 ppm đến 8,0 ppm (đồ thị khảo sát duy trì tuyến tính tới 9,0 ppm).

4. Chì ($Pb$) gây tác hại sinh học lên quá trình tổng hợp máu trong cơ thể người thông qua cơ chế nào?
Khi tích lũy vượt ngưỡng, chì ức chế enzyme quan trọng là ALA-dehidraza I (delta-aminolevulinic acid dehydratase), làm gián đoạn quá trình chuyển hóa chất trung gian tạo porphobilinogen. Hậu quả là chu trình sinh tổng hợp hemoglobin và các sắc tố hô hấp tế bào (cytochromes) bị phá hủy, dẫn tới thiếu máu, rối loạn chức năng thận và tổn thương hệ thần kinh.

5. Kết quả kiểm định chuẩn Student ($t$) đối với các phép đo lặp lại cho thấy điều gì về độ chính xác của phương pháp?
Tại cả 3 mức nồng độ khảo sát của kẽm và chì, các giá trị chuẩn Student thực nghiệm ($t$) tính toán từ 10 lần đo độc lập đều nhỏ hơn giá trị phân phối Student tra bảng ($t_{(0,05;, 9)} = 2,262$). Điều này chứng minh phương pháp phân tích không mắc phải sai số hệ thống và đạt độ lặp lại đáng tin cậy.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Hoàng Dung đã xây dựng thành công quy trình thực nghiệm xác định hàm lượng kẽm và chì trong rau xanh bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F-AAS) trên thiết bị AAS – iCE 3500. Công trình đã chuẩn hóa toàn diện các điều kiện vận hành thiết bị, dải tuyến tính phân tích, cũng như chứng minh phương pháp đạt độ chụm cao và không mắc sai số hệ thống qua kiểm định Student. Đây là tài liệu tham khảo thực nghiệm hữu ích cho công tác kiểm nghiệm vi lượng kim loại nặng trong nông sản thực phẩm theo các quy chuẩn an toàn vệ sinh hiện hành.