Luận văn: Xác định kim loại nặng trong thực phẩm bằng phương pháp ICP-MS

Luận văn nghiên cứu phương pháp ICP-MS để xác định kim loại nặng trong thực phẩm, xây dựng quy trình tối ưu và phân tích hàm lượng trên các mẫu thực tế.

• Tác giả: Nguyễn Thị Nga
• Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Như Thanh
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hóa Phân Tích
• Đề tài: Xác Định Kim Loại Nặng Trong Thực Phẩm Bằng Phương Pháp Phổ Khối Lượng Cao Tần Cảm Ứng Plasma ICP-MS
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về phân tích kim loại nặng trong thực phẩm

Phân tích kim loại nặng trong thực phẩm đã trở thành một vấn đề cấp bách trong lĩnh vực an toàn thực phẩm hiện nay. Sự phát triển nhanh chóng của công nghiệp hóa và đô thị hóa đã dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nguồn thực phẩm. Kim loại nặng như chì, cadmium, thủy ngân, và arsenic có thể tích lũy trong chuỗi thực phẩm, gây ra những tác hại không thể phục hồi đến sức khỏe con người. Các nhà sản xuất và cơ quan kiểm định cần có những phương pháp phân tích chính xác, nhanh chóng và đáng tin cậy để kiểm soát mức độ ô nhiễm kim loại nặng trong các sản phẩm thực phẩm. Việc xác định hàm lượng các kim loại độc hại này là một nhiệm vụ quan trọng nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng và đảm bảo an toàn thực phẩm.

1.1. Định nghĩa và nguồn gốc kim loại nặng

Kim loại nặng là những nguyên tố có mật độ lớn hơn 5 g/cm³, bao gồm chì, cadmium, thủy ngân, và arsenic. Các kim loại này có thể đi vào thực phẩm thông qua nước tưới tiêu bị ô nhiễm, đất trồng trọt, và các nguồn công nghiệp. Sự tích lũy lâu dài của kim loại nặng trong cơ thể con người có thể dẫn đến các bệnh mãn tính như ung thư, suy giảm chức năng miễn dịch, và tổn thương hệ thần kinh.

1.2. Tầm quan trọng của việc kiểm định

Việc kiểm định hàm lượng kim loại nặng trong thực phẩm là bước không thể bỏ qua trong quy trình kiểm soát chất lượng. Các tiêu chuẩn quốc tế và các quy định về an toàn thực phẩm đều yêu cầu phải giám sát chặt chẽ các sản phẩm thực phẩm. Những mẫu vượt quá ngưỡng giới hạn cho phép sẽ bị cấm lưu hành trên thị trường, góp phần bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng.

II. Phương pháp ICP MS trong xác định kim loại nặng

ICP-MS (Inductively Coupled Plasma - Mass Spectrometry) là một phương pháp phổ khối lượng plasma cao tần cảm ứng, được coi là kỹ thuật tiên tiến nhất trong phân tích kim loại nặng. Phương pháp này sử dụng plasma argon ở nhiệt độ cao để ion hóa các mẫu thực phẩm, sau đó phát hiện và định lượng các ion kim loại dựa trên tỷ lệ khối lượng trên điện tích. ICP-MS có độ nhạy cực cao, có thể phát hiện các nồng độ kim loại ở mức ppb (phần tỷ), thích hợp cho việc phân tích các mẫu thực phẩm có hàm lượng kim loại rất thấp. Phương pháp này cũng cho phép phân tích đồng thời nhiều kim loại khác nhau trong một lần chạy, tiết kiệm thời gian và chi phí. Ngoài ra, ICP-MS có độ lặp lại cao, tuyến tính tốt trong khoảng nồng độ rộng, và ít chịu ảnh hưởng từ các ion khác trong mẫu.

2.1. Nguyên lý hoạt động của ICP MS

ICP-MS hoạt động dựa trên quá trình ion hóa plasma. Mẫu được đưa vào plasma argon ở nhiệt độ khoảng 6000-8000K, nơi các nguyên tử bị ion hóa. Các ion dương được tách riêng bằng các kính thấu (lens), sau đó đi vào bộ phân tích khối lượng bằng đường hầm giảm áp lực. Bộ phân tích này phân tách các ion dựa trên tỷ lệ m/z, và cuối cùng các ion được phát hiện bằng bộ dò electron nhân hoặc dò Faraday, tạo ra tín hiệu tương ứng với nồng độ kim loại.

2.2. Ưu điểm của phương pháp ICP MS

ICP-MS cung cấp nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền thống. Độ nhạy cực cao cho phép phát hiện kim loại nặng ở nồng độ rất thấp (ppb). Phương pháp này có khả năng phân tích đa nguyên tố, giảm đáng kể thời gian phân tích. Ngoài ra, ICP-MS có độ chọn lực tốt, dễ dàng loại bỏ các yếu tố gây nhiễu, và cho kết quả chính xác, đáng tin cậy.

III. Quy trình xử lý mẫu thực phẩm

Trước khi tiến hành phân tích ICP-MS, mẫu thực phẩm cần phải được xử lý một cách thích hợp để tách các kim loại nặng khỏi ma trận thực phẩm. Quy trình xử lý mẫu là bước vô cùng quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả phân tích. Các mẫu thực phẩm được làm khô, xay nhỏ, sau đó tiến hành tiêu hủy ma trận bằng các acid mạnh như axit nitric hoặc axit clohidric trong điều kiện nhiệt độ cao. Các quy trình khác nhau có thể được áp dụng tùy theo loại thực phẩm, bao gồm tiêu hủy ẩm (wet digestion), tiêu hủy khô (dry ashing), hoặc vi sóng (microwave digestion). Hiệu suất thu hồi của quy trình xử lý mẫu cần đạt từ 85-115% để đảm bảo kim loại nặng được tách xuất hoàn toàn. Sau tiêu hủy, các mẫu được loãng dung dịch với nước cất đến thể tích xác định, sau đó được lọc qua giấy lọc 0,45 μm trước khi tiến hành phân tích ICP-MS.

3.1. Phương pháp tiêu hủy mẫu

Tiêu hủy mẫu là quá trình loại bỏ ma trận thực phẩm để giải phóng kim loại nặng. Phương pháp tiêu hủy ẩm sử dụng axit nitric đặc hoặc axit clohidric ở nhiệt độ cao. Phương pháp tiêu hủy khô dùng lò đốt để loại bỏ các hợp chất hữu cơ. Phương pháp tiêu hủy bằng vi sóng là hiện đại nhất, cho phép kiểm soát nhiệt độ và áp suất chính xác, rút ngắn thời gian xử lý, giảm mất mát kim loại.

3.2. Kiểm tra chất lượng quy trình xử lý

Để đảm bảo tính chính xác của phân tích kim loại nặng, cần phải kiểm tra hiệu suất thu hồi bằng cách sử dụng các chứng chỉ tham chiếu (CRM). Độ lặp lại được đánh giá bằng cách phân tích nhiều mẫu giống nhau. Các blanks (mẫu không có kim loại) cũng được xử lý đồng thời để kiểm tra độ ô nhiễm của quy trình.

IV. Kết quả và ứng dụng thực tế

Những nghiên cứu thực hiện phân tích kim loại nặng trong thực phẩm bằng ICP-MS đã tiết lộ tình trạng ô nhiễm đáng báo động ở nhiều loại sản phẩm. Các mẫu thực phẩm từ những khu vực công nghiệp hoặc gần các nguồn ô nhiễm thường có hàm lượng kim loại nặng cao hơn mức tiêu chuẩn cho phép. Cá, hải sản, rau xanh, và ngũ cốc là những sản phẩm thường xuyên bị ô nhiễm bởi chì, cadmium, và thủy ngân. Việc ứng dụng phương pháp ICP-MS trong thực tế đã giúp các cơ quan kiểm định phát hiện sớm những sản phẩm bị ô nhiễm, kịp thời loại bỏ khỏi thị trường. Các nhà sản xuất cũng sử dụng ICP-MS để giám sát chất lượng nguyên liệu đầu vào và sản phẩm cuối cùng. Thông qua những kết quả phân tích này, các biện pháp khắc phục được đề ra, từ việc cải thiện nguồn nước tưới tiêu, sử dụng phân bón sạch, đến việc xử lý nước thải công nghiệp.

4.1. Các mẫu thực phẩm có mức ô nhiễm cao

Các nghiên cứu chỉ ra rằng cá, tôm, cua từ các vùng nước ô nhiễm có hàm lượng kim loại nặng cao nhất. Rau xanh trồng trong đất bị ô nhiễm, đặc biệt là rau mầm, cũng có nồng độ cadmium và chì vượt tiêu chuẩn. Ngũ cốc và các sản phẩm từ ngũ cốc cũng là những nguồn kim loại nặng có ý nghĩa vì con người tiêu thụ chúng thường xuyên.

4.2. Ứng dụng trong kiểm soát chất lượng và quản lý

ICP-MS được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm kiểm định chất lượng thực phẩm của các bộ ngành. Các doanh nghiệp sản xuất thực phẩm áp dụng phương pháp ICP-MS để tự kiểm tra và đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn. Kết quả phân tích ICP-MS được sử dụng làm cơ sở để xây dựng tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế về giới hạn kim loại nặng trong thực phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Xã hội càng phát triển thì nhu cầu của con ngƣời ngày càng tăng. Kinh tế tăng trƣởng dẫn tới con ngƣời yêu cầu những sản phẩm, dịch vụ tốt nhất. Trong đó nhu cầu về thực phẩm sạch, an toàn và đảm bảo sức khỏe trở thành nhu cầu thiết yếu, cấp bách và đƣợc xã hội và ngƣời dân hết sức quan tâm. Tuy nhiên ở nƣớc ta hiện nay, sự bùng nổ của dân số cùng với tốc độ đô thị hóa, công nghiệp hóa, hiện đại hóa nhanh chóng đã tạo ra một sức ép lớn tới môi trƣờng sống của ngƣời dân.

Nhu cầu về lƣợng thực phẩm ngày càng tăng trong khi đó diện tích để sản xuất ngày càng bị thu hẹp.Thêm vào đó do lợi nhuận mà nhiều nhà sản xuất đã sử dụng nhiều hóa chất, chế phẩm, phụ gia có hại cho sức khỏe con ngƣời và môi trƣờng vào thực phẩm từ khâu sản xuất, chế biến, bảo quản…Do đó vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm hiện nay đang là vấn đề nóng, đƣợc cả nhà nƣớc và ngƣời dân hết sức quan tâm. Thực phẩm quan trọng đối với con ngƣời có thể ví nhƣ không khí để thở, nƣớc để uống. Chúng là nguồn cung cấp năng lƣợng, vitamin, khoáng chất cho cơ thể. Tuy nhiên hiện nay chất lƣợng nguồn thực phẩm đang rất báo động, nhiều trƣờng hợp bị ngộ độc thức ăn, nhiều căn bệnh ở ngƣời mà nguyên nhân chủ yếu do con đƣờng ăn uống.

Thực phẩm hiện nay có thể bị ô nhiễm nhiều thứ nhƣ: thuốc trừ sâu, chất kích thích, thuốc tăng trọng, chất bảo quản….và đặc biệt là ô nhiễm kim loại nặng. Theo các chuyên gia về vệ sinh an toàn thực phẩm, thực phẩm có thể bị ô nhiễm các kim loại nặng (các kim loại có khối lƣợng nguyên tử lớn nhƣ: chì, asen, kẽm, đồng, thủy ngân, cadmi, crom.) do việc sử dụng các nguyên liệu, phụ gia để sản xuất, chế biến không tinh khiết, có hàm lƣợng kim loại nặng vƣợt mức cho phép. Khi nhiễm vào cơ thể, kim loại nặng tích tụ trong các mô. Cơ thể cũng có cơ chế đào thải, nhƣng tốc độ tích tụ lớn hơn gấp nhiều lần.

Ở ngƣời, kim loại nặng có thể tích tụ vào nội tạng nhƣ gan, thận, thần kinh, xƣơng khớp gây nhiều căn bệnh nguy hiểm đặc biệt là bệnh ung thƣ. Vì vậy việc điều tra, đánh giá chất lƣợng nguồn thực phẩm hiện nay là rất quan trọng, một trong những chỉ tiêu để đánh giá là hàm lƣợng các kim loại nặng. 1 Trong các phƣơng pháp đƣợc sử dụng hiện nay (AAS, AES, UV-VIS, ICP-MS….) thì phƣơng pháp ICP-MS là một phƣơng pháp ƣu việt vì có thể xác định đồng thời nhiều kim loại với giới hạn phát hiện thấp. Trong bản luận văn này 11 kim loại Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb, Hg, Fe đƣợc xác định trong các mẫu rau, củ, quả và mẫu thịt bằng phƣơng pháp ICP-MS.

2 CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN 1. Tổng quan chung về thực phẩm 1. Định nghĩa chung về thực phẩm [15] Thực phẩm hay còn đƣợc gọi là thức ăn là bất kỳ vật phẩm nào, bao gồm chủ yếu các chất: chất bột (cacbohydrat), chất béo (lipit), chất đạm (protein), hoặc nƣớc, mà con ngƣời có thể ăn hay uống đƣợc, với mục đích cơ bản là thu nạp các chất dinh dƣỡng nhằm nuôi dƣỡng cơ thể hay vì sở thích. Phân loại thực phẩm Có rất nhiều cách phân loại thực phẩm:  Theo nguồn gốc: thực phẩm có nguồn gốc động vật (trên cạn, dƣới nƣớc, trên không…) , thực vật ( rau, củ, quả, hạt,hoa.)  Theo cách bảo quản: thực phẩm tƣơi, đông lạnh, đóng hộp….

 Theo cách chế biến : thực phẩm chƣa qua chế biến, thực phẩm đã qua chế biến … Ngoài ra hiện nay còn xuất hiện nhiều loại thực phẩm mới do sự phát triển của xã hội :  Thực phẩm chức năng  Thực phẩm dinh dƣỡng 1. Chất lƣợng nguồn thực phẩm ở nƣớc ta hiện nay. Các yếu tố gây ô nhiễm nguồn thực phẩm  Trong quá trình sản xuất: +) Các loại cây đƣợc trồng trên các khu đất bị ô nhiễm, tƣới nguồn nƣớc không đảm bảo, sử dụng quá nhiều loại thuốc bảo vệ thực vật và thuốc kích thích tăng trƣởng; tiến hành thu hoạch khi thời gian sử dụng thuốc bảo vệ thực vật vẫn còn trong giai đoạn gây độc…. +) Các loại con ( gia súc, gia cầm, thủy hải sản….) có chất lƣợng con giống không đảm bảo, trong quá trình chăn nuôi sử dụng nguồn thức ăn không sạch, dùng quá nhiều thuốc kích thích tăng trƣởng dẫn tới chất lƣợng thực phẩm không cao và 3 còn có thể gây hại cho sức khỏe con ngƣời nếu dƣ lƣợng của chúng còn lại trong sản phẩm vƣợt quá quy định cho phép.

 Trong quá trình chế biến và bảo quản: Ngƣời ta sử dụng một số hóa chất, phụ gia trong khi chế biến, bảo quản nhằm mục đích cho sản phẩm để đƣợc lâu hơn, tránh nấm mốc, hình thức bắt mắt hơn ….tuy nhiên nếu lạm dụng quá sẽ gây nên tác hại cho ngƣời sử dụng. Vƣơng Tuấn Anh, Viện Vệ sinh dịch tễ trung ƣơng cho biết, nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát, nghiên cứu tại hai điểm khu vực ven đô TP. Hà Nội trong mùa mƣa và mùa khô. Điểm thứ nhất là phƣờng Hoàng Liệt (Quận Hoàng Mai) nơi lấy nƣớc tƣới từ sông Tô Lịch và Kim Ngƣu - 2 con sông chứa nƣớc thải lớn nhất thành phố thông qua trạm bơm và hệ thống kênh dẫn.

Điểm nghiên cứu thứ hai là Long Biên với nguồn nƣớc tƣới chủ yếu là ao chứa nƣớc mƣa và nƣớc sông Hồng hoặc nƣớc giếng hộ gia đình. Ở mỗi điểm, nhóm nghiên cứu lựa chọn ngẫu nhiên 6 hộ gia đình tham gia trồng rau với loại rau nghiên cứu chính là rau muống. Vƣơng Tuấn Anh cho biết: “Mỗi hộ gia đình chúng tôi lấy 6 mẫu. Thƣờng vào buổi sáng, hộ gia đình tại Hoàng Liệt thu hoạch rau muống và rửa rau tại kênh dẫn nƣớc tƣới để giữ cho rau ẩm.

Sau đó, rau muống đƣợc những ngƣời bán buôn mua và vận chuyển đến các chợ trong nội thành. Tại Long Biên, nông dân thu hoạch rau vào buổi chiều và rửa rau bằng nƣớc giếng tại hộ gia đình để giữ ẩm sau đó, để qua đêm cho tới sáng hôm sau mới mang ra chợ”. Các loại rau chủ yếu là rau húng, rau mùi, kinh giới, rau muống, rau rút. Tổng cộng có 96 mẫu rau đƣợc lấy tại Hoàng Liệt và 118 mẫu từ Long Biên.

Sau đó, các mẫu này đƣợc đƣa đi xét nghiệm tại Viện Vệ sinh dịch tễ trung ƣơng. Kết quả cho thấy, những mẫu rau thu thập đƣợc tại chợ đều ẩn chứa rất nhiều vi khuẩn coliform và các vi khuẩn gây ra bệnh đƣờng ruột. Đặc biệt, những vi khuẩn này có nhiều nhất trong các loại rau nhƣ rau muống, rau húng, kinh giới, rau rút [6]. 4 “Đa số các mẫu sản phẩm nhƣ mì sợi tƣơi, thực phẩm chay dƣơng tính với formol, mẫu hoa chuối, bẹ chuối, măng chua có chất tẩy trắng, phẩm mầu…”[11] Đó là kết luận của các đợt kiểm tra từ tháng 5-10/2011, tại TP HCM và các tỉnh phía Nam, đoàn kiểm tra của cục an toàn vệ sinh thực phẩm (Bộ Y tế) phát hiện khoảng 300/440 mẫu sản phẩm có chứa hóa chất độc hại.

Tại các tỉnh phía Bắc, phổ biến tình trạng tƣơng ớt đƣợc sử dụng hoá chất độc hại Rhodamine B để nhuộm màu. Đặc biệt, có 15% mẫu bún, bánh phở, bánh giò, bánh phu thê có hàn the, phẩm màu, mì ăn liền và nƣớc giải khát chứa kiềm…Đáng chú ý là sản phẩm ớt tấm Thành Lộc, loại hũ 50g (lô hàng có ngày sản xuất 3/7/2011, hạn sử dụng 3/7/2012) của Công ty Cổ phần sản xuất đầu tƣ thƣơng mại Thành Lộc, chi nhánh trên đƣờng Cộng Hòa, phƣờng 12, quận Tân Bình, TP.HCM có chứa chất rhodamin B - chất gây ung thƣ. Sản phẩm mứt kaze lá dứa (thƣờng đƣợc dùng làm bánh kem), loại hũ 1kg (lô hàng có ngày sản xuất 20/10/2011, hạn sử dụng 20/10/2012) của Công ty TNHH một thành viên sản xuất thƣơng mại dịch vụ Mộc Thủy (đƣờng TA09, tổ 10, khu phố 3, phƣờng Thới An, Q.12) có chứa chất nhuộm màu cực kỳ nguy hiểm là malachite green, chỉ dùng trong sản xuất công nghiệp. Trƣớc đó, cơ quan chức năng đã thanh tra nhiều bếp ăn tập thể, các cơ sở sản xuất mứt, giò, chả, lạp xƣởng… và phát hiện nhiều mẫu hạt dƣa, ớt bột, tƣơng ớt, gia vị lẩu… không nhãn mác, không hạn sử dụng, chủ sạp không chứng minh đƣợc nguồn gốc mặt hàng đang bày bán.

Trong đó, hạt dƣa và ớt bộc có chứa chất hóa học độc hại. Tình hình ô nhiễm kim loại nặng trong thực phẩm hiện nay [ 10, 12 ] Các nhà chuyên môn về vệ sinh an toàn thực phẩm cảnh báo rằng nhiều loại rau sinh trƣởng trong vùng đất thấp, ao hồ, kênh rạch nhƣ rau muống, rau rút, rau cần, ngó sen dễ tích tụ những kim loại nặng nhƣ đồng, chì, kẽm, thủy ngân. Các chất này có trong nƣớc thải chƣa đƣợc xử lý triệt để từ các nhà máy, xí nghiệp, cơ sở sản xuất. Đề tài nghiên cứu hàm lƣợng kim loại nặng trong bùn đáy, trong nƣớc và trong một số loại rau thủy sinh, của TS Bùi Cách Tuyến, Hiệu trƣởng ĐH Nông Lâm TP HCM, thực hiện trong 2 năm (1999-2000) tại TP HCM cho thấy, nhiều 5 mẫu rau đƣợc lấy phân tích không an toàn, rất nhiều loại bị ô nhiễm nặng.

Hàm lƣợng kẽm trong mẫu rau muống ở Bình Chánh cao gấp 30 lần mức cho phép, tại các ao rau muống ở Thạnh Xuân cao gấp 2-4 đến 12 lần. Hai mẫu rau rút ở Thạnh Xuân có hàm lƣợng chì gấp 8,4-15,3 lần mức cho phép, mẫu rau muống ở Thạnh Xuân có hàm lƣợng chì cao gấp 2,24 lần, mẫu rau muống ở Bình Chánh có hàm lƣợng chì cao gấp 3,9 lần, mẫu ngó sen ở Tân Bình có hàm lƣợng chì cao gấp 13,65 lần. Hàm lƣợng kim loại đồng tại một ruộng rau muống ở Thạnh Xuân cao gấp 2 lần mức cho phép.[12] Theo GS-TS Nguyễn Thị Kê, Trƣởng khoa Kiểm nghiệm trung tâm, Viện Vệ sinh Y tế công cộng, nguyên nhân chính dẫn đến rau bị nhiễm kim loại nặng, là do trồng gần cơ sở sản xuất, nguồn nƣớc, vi lƣợng trong phân vƣợt quá hàm lƣợng, bón phân hoá học và thời gian khai thác rau. Một số kim loại nặng với hàm lƣợng thích hợp sẽ có lợi cho cơ thể nhƣng nếu vƣợt quá mức cho phép sẽ gây ngộ độc.

Ngoài ra, một số kim loại khác xâm nhập vào cơ thể ảnh hƣởng đến thần kinh, tóc, răng, da và có thể gây ung thƣ.