Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồng ($\text{Cu}$) và coban ($\text{Co}$) là các nguyên tố vi lượng giữ vai trò thiết yếu đối với hoạt động sinh lý của con người, động vật và thực vật. Ở cơ thể người trưởng thành, hàm lượng đồng dao động từ $80 - 99{,}4\text{ mg}$, tham gia vào quá trình tổng hợp hemoglobin, chuyển hóa sắt, lipid và cấu tạo enzym hô hấp. Coban là thành phần trung tâm của vitamin $\text{B}{12}$ ($\text{C}{63}\text{H}{88}\text{O}{14}\text{N}_{14}\text{PCo}$), kích thích tạo máu tại tủy xương và thúc đẩy tổng hợp protein. Đối với cây trồng, đồng (ở hàm lượng $5 - 20\text{ ppm}$) xúc tác cho hệ enzym oxydase, trong khi coban thúc đẩy quá trình cố định đạm sinh học. Tuy nhiên, sự mất cân bằng về hàm lượng của hai kim loại này đều dẫn tới các tác động tiêu cực: thiếu đồng gây giãn mạch máu, loãng xương, thiếu máu ở trẻ nhỏ; dư thừa đồng dẫn đến bệnh Wilson, tổn thương gan, thận và phổi (ngưỡng tối đa theo DRI là $10\text{ mg/ngày}$). Tương tự, ngộ độc coban liều cao gây nôn mửa, tiêu chảy, trong khi thiếu hụt gây suy nhược và thiếu máu ác tính.

Do đó, việc định lượng đồng thời $\text{Cu}^{2+}$ và $\text{Co}^{2+}$ ở hàm lượng vết trong các đối tượng mẫu sinh học, nông sản và môi trường là yêu cầu thực tiễn quan trọng. Các kỹ thuật phân tích hiện đại như quang phổ phát xạ nguyên tử (AES, ICP-AES), khối phổ plasma cảm ứng cao tần (ICP-MS), quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) hay phân tích kích hoạt nơtron (NAA) có độ nhạy và độ chọn lọc cao nhưng đòi hỏi trang thiết bị đắt tiền và kỹ thuật vận hành phức tạp. Ngược lại, phương pháp trắc quang phổ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) có ưu thế về chi phí thấp, thiết bị phổ biến và thao tác nhanh. Trở ngại lớn nhất của phương pháp trắc quang truyền thống khi phân tích đồng thời hỗn hợp đa cấu tử là sự xen phủ dải phổ hấp thụ của các phức màu, buộc phải thực hiện các bước chiết tách hoặc sử dụng chất che tốn nhiều thời gian và hóa chất độc hại. Sự kết hợp giữa phương pháp trắc quang và hóa trắc lượng (Chemometrics) với các thuật toán hồi quy đa biến tuyến tính cho phép phân giải trực tiếp tín hiệu phổ xen phủ mà không cần qua giai đoạn tách pha hóa học.

Khóa luận tốt nghiệp cử nhân hóa học (chuyên ngành Hóa phân tích) của tác giả Huỳnh Thị Mộng Tuyền, dưới sự hướng dẫn của Th.S Lê Ngọc Tứ tại Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh (niên khóa 2008 - 2012), tập trung giải quyết các nhiệm vụ nghiên cứu sau:

  1. Tổng hợp và tinh chế thuốc thử hữu cơ 5-bromosalicylaldehyde thiosemicarbazone (5-BSAT).
  2. Khảo sát các điều kiện tối ưu cho phản ứng tạo phức màu giữa từng ion kim loại ($\text{Cu}^{2+}$, $\text{Co}^{2+}$) với thuốc thử 5-BSAT (bước sóng hấp thụ cực đại, khoảng pH tối ưu, thể tích dung môi DMF, độ bền phức theo thời gian, lượng dư thuốc thử và thành phần tỷ lệ mol của phức).
  3. Khảo sát tính cộng tính của mật độ quang và khoảng nồng độ tuyến tính tuân theo định luật Bouguer - Lambert - Beer của từng phức chất.
  4. Xây dựng chương trình tính toán cho ba thuật toán hồi quy đa biến tuyến tính: bình phương tối thiểu thông thường (CLS), bình phương tối thiểu riêng phần (PLS) và hồi quy cấu tử chính (PCR) trên nền tảng phần mềm Matlab.
  5. Kiểm nghiệm, đánh giá và so sánh độ đúng, độ chính xác của các mô hình hồi quy khi định lượng đồng thời $\text{Cu}^{2+}$ và $\text{Co}^{2+}$ trên dãy 8 mẫu chuẩn, 3 mẫu kiểm tra và 3 mẫu tự pha.
  • Đối tượng nghiên cứu: Phức màu tạo thành giữa ion kim loại $\text{Cu}^{2+}$, $\text{Co}^{2+}$ với thuốc thử hữu cơ 5-BSAT trong môi trường dung môi dimethylformamide (DMF) và hệ đệm axetat.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thực hiện tại phòng thí nghiệm Bộ môn Hóa phân tích, Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh trong thời gian từ năm 2011 đến tháng 5 năm 2012; ghi nhận phổ hấp thụ phân tử trong dải bước sóng từ $385\text{ nm}$ đến $500\text{ nm}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis và hóa trắc lượng (Chemometrics):

  • Định luật Bouguer - Lambert - Beer: Biểu diễn mối quan hệ tuyến tính giữa độ hấp thụ quang ($A$), hệ số hấp thụ mol phân tử ($\varepsilon$), chiều dày lớp dung dịch ($l$) và nồng độ chất hấp thụ ($C$): $$A = \varepsilon \cdot l \cdot C$$
  • Định luật cộng tính mật độ quang: Đối với hệ đa cấu tử không có tương tác hóa học làm thay đổi trạng thái quang học của nhau, mật độ quang tổng cộng tại bước sóng $\lambda$ bằng tổng mật độ quang của từng cấu tử riêng biệt: $$A_\lambda = \sum_{i=1}^{k} \varepsilon_{i,\lambda} \cdot l \cdot C_i$$
  • Khung toán học của các thuật toán hồi quy đa biến tuyến tính:
    • Phương pháp bình phương tối thiểu thông thường (CLS / K-matrix): Dựa trên mô hình ma trận $y = K \cdot X + e$, trong đó ma trận hệ số $K$ được xác định qua công thức $K = (X^T X)^{-1} X^T y$. Nồng độ mẫu chưa biết $X_0$ được tính từ tín hiệu phổ $y_0$ thông qua biểu thức $X_0 = y_0 K^T (K K^T)^{-1}$.
    • Phương pháp bình phương tối thiểu riêng phần (PLS): Phân rã đồng thời ma trận phổ hấp thụ ($Y$) và ma trận nồng độ ($X$) thành các ma trận điểm số ($T, U$) và ma trận trọng số ($P, Q$) nhằm tối đa hóa hiệp phương sai giữa $X$ và $Y$, cho phép xử lý hiệu quả tập dữ liệu có số biến lớn và độ cộng tính cao.
    • Phương pháp hồi quy cấu tử chính (PCR): Kết hợp phân tích cấu tử chính (PCA) với hồi quy bình phương tối thiểu nghịch đảo (ILS). Dữ liệu phổ gốc được chiếu sang không gian trực giao mới với số chiều giảm thiểu (các PC), loại bỏ các biến nhiễu bằng việc chọn lọc số PC có nghĩa dựa trên phần trăm phương sai tích lũy (CPV) hoặc tổng bình phương sai số dự đoán (PRESS).
  • Phương pháp tổng hợp và tinh chế hóa chất:
    • Thuốc thử 5-BSAT được tổng hợp qua phản ứng ngưng tụ giữa $4{,}02\text{ g}$ 5-bromosalicylaldehyde và $1{,}82\text{ g}$ thiosemicarbazide trong dung môi ethanol ($96^\circ$), đun hồi lưu có sinh hàn và đá bọt trong $6\text{ giờ}$.
    • Sản phẩm thô được kết tinh lại hai lần trong hệ dung môi 1,4-dioxan và ethanol (tỷ lệ thể tích $1:1$) trong $5\text{ ngày}$. Khối lượng sản phẩm tinh khiết thu được là $1{,}476\text{ g}$ (so với lý thuyết $2{,}73\text{ g}$), đạt hiệu suất phản ứng $54{,}07%$.
  • Thiết bị và hóa chất thực nghiệm:
    • Thiết bị: Máy quang phổ tử ngoại - khả kiến (UV/VIS Spectrophotometer), cân điện tử Sartorius Basic, hệ thống bình định mức và pipet chuẩn độ chính xác.
    • Hóa chất: $\text{Cu(NO}_3)_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O}$ (Merck), $\text{Co(NO}_3)_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O}$ (Merck), 5-BSAT tổng hợp, $\text{KNO}_3$, đệm axetat ($\text{CH}_3\text{COOH} + \text{CH}_3\text{COONa}$), $\text{NH}_4\text{Cl}$, $\text{NH}_3$, dung môi dimethylformamide ($\text{DMF}$) và nước cất hai lần.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Đại cương về phương pháp trắc quang

Chương 1 trình bày cơ sở vật lý và hóa học của phương pháp phân tích trắc quang hấp thụ phân tử:

  • Phân tích bản chất tương tác giữa bức xạ điện từ (vùng tử ngoại, khả kiến) và phân tử chất hấp thụ.
  • Cấu trúc nội năng của phân tử biểu diễn dưới dạng tổng các mức năng lượng lượng tử hóa: $E = E_e + E_v + E_j$ (trong đó năng lượng electron $E_e \gg$ năng lượng dao động $E_v \gg$ năng lượng quay $E_j$).
  • Trình bày chi tiết hai định luật cơ bản làm cơ sở định lượng: định luật Bouguer - Lambert - Beer và định luật cộng tính mật độ quang đối với hệ phân tích đa cấu tử.

Chương 2. Đại cương về đồng, coban và 5 - BSAT

Chương 2 tổng quan về đặc tính sinh học, lý hóa của hai nguyên tố kim loại và thuốc thử hữu cơ:

  • Vai trò sinh học và độc tính của đồng và coban đối với người, động vật và thực vật; các trạng thái oxi hóa đặc trưng ($\text{Cu}^0, \text{Cu}^+, \text{Cu}^{2+}$; $\text{Co}^0, \text{Co}^{2+}, \text{Co}^{3+}$) và khả năng tạo phức với các phối tử vô cơ, hữu cơ.
  • Quy trình tổng hợp, tinh chế và tính chất lý hóa của 5-bromosalicylaldehyde thiosemicarbazone: chất rắn màu vàng nhạt, ít tan trong nước và ethanol, tan tốt trong DMF và dioxan tạo dung dịch màu vàng chanh, phân hủy nhanh trong môi trường axit mạnh.
  • Tổng quan các nghiên cứu quốc tế đã công bố sử dụng 5-BSAT: xác định lượng vết $\text{Fe}^{3+}$ ($\lambda_{\max} = 385\text{ nm}, \varepsilon = 1{,}72 \cdot 10^4\text{ L}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{cm}^{-1}$, khoảng tuyến tính $0{,}28 - 5{,}60\text{ }\mu\text{g/mL}$), $\text{Co}^{2+}$ ($\lambda_{\max} = 410\text{ nm}$, tuyến tính $0{,}29 - 5{,}89\text{ }\mu\text{g/mL}$), $\text{Cu}^{2+}$ ($\lambda_{\max} = 390\text{ nm}, \varepsilon = 1{,}08 \cdot 10^4\text{ L}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{cm}^{-1}$, tuyến tính $0{,}31 - 6{,}00\text{ }\mu\text{g/mL}$) và thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn trên Staphylococcus aureus và E. coli.

Chương 3. Một số phương pháp định lượng đồng và coban

Chương 3 tổng thuật các công trình nghiên cứu định lượng đơn lẻ và đồng thời $\text{Cu}$ và $\text{Co}$:

  • Định lượng riêng rẽ bằng AAS (ngọn lửa không khí - axetilen tại bước sóng $324{,}7\text{ nm}$ cho $\text{Cu}$ và $240{,}7\text{ nm}$ cho $\text{Co}$), cực phổ xung vi phân sử dụng điện cực màng rắn thủy ngân CPA-HH3, chuẩn độ complexon với EDTA (chỉ thị Murexit), và trắc quang đơn phối tử (dithizon, NaDDC, PAR, PAN, 3,5-diCl-DMPAP, axit salicylhydroxamic, LAP-4S).
  • Phân tích các nghiên cứu xác định đồng thời hệ đa kim loại bằng trắc quang kết hợp thuật toán hóa trắc lượng:
    • Hệ $\text{Cu}-\text{Co}-\text{Zn}-\text{Ni}$ với zincon bằng thuật toán PLS ($\lambda = 515 - 750\text{ nm}, \text{pH} = 8{,}0$).
    • Hệ $\text{Cu}-\text{Co}-\text{Ni}$ với PAR bằng thuật toán lọc Kalman ($\text{pH} = 10$).
    • Hệ $\text{Cu}-\text{Co}-\text{Zn}$ với PAN trong môi trường mixen (Triton X-100 / Tween 80) kết hợp CLS, ILS, PLS, PCR trên Matlab 7.0.
    • Hệ $\text{Co}-\text{Cu}-\text{Cd}-\text{Pb}-\text{Ni}$ bằng trắc quang sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo kết hợp hồi quy cấu tử chính (PCR-ANN).
Thuốc thử Kim loại xác định Phương pháp / Thuật toán Dải bước sóng / $\lambda_{\max}$ Môi trường / pH
Dithizon $\text{Cu(II)}$ Trắc quang đo trực tiếp / chiết $\text{CCl}_4$ $535\text{ nm}$ Axit vô cơ ($\text{HCl 1N}, \text{H}_2\text{SO}_4$)
NaDDC $\text{Cu(II)}$ Chiết trắc quang $430\text{ nm}$ $\text{pH} = 4 - 11$
3,5-diCl-DMPAP $\text{Co(II)}$ Trắc quang $590\text{ nm}$ $\text{pH} = 2{,}2 - 6{,}0$
Zincon $\text{Cu, Co, Zn, Ni}$ Trắc quang + PLS $515 - 750\text{ nm}$ $\text{pH} = 8{,}0$
PAR $\text{Cu, Co, Ni}$ Trắc quang + Lọc Kalman Toàn dải phổ $\text{pH} = 10$
PAN / Mixen $\text{Cu, Co, Zn}$ Trắc quang + CLS, ILS, PLS, PCR $500 - 700\text{ nm}$ Mixen Tween 80 / Triton X-100

Chương 4. Một số thuật toán hồi quy đa biến tuyến tính phân tích đồng thời hỗn hợp đa cấu tử

Chương 4 phân tích cấu trúc toán học và so sánh ưu nhược điểm của các giải thuật Chemometrics:

  • Khái quát lịch sử Chemometrics từ thập niên 1970 và vai trò trong tối ưu hóa quy hoạch thực nghiệm.
  • Thiết lập biểu thức giải tích chi tiết của 3 thuật toán:
    • CLS: Xây dựng ma trận độ nhạy $K$ từ tập mẫu chuẩn. Ưu điểm là sử dụng toàn bộ phổ giúp giảm sai số ngẫu nhiên, nhược điểm là yêu cầu nhận diện đầy đủ mọi cấu tử có đóng góp vào độ hấp thụ quang.
    • PLS: Phân tích ma trận hiệp phương sai giữa tín hiệu quang và nồng độ. Thích hợp cho tập số liệu có số mẫu thí nghiệm ít hơn số biến bước sóng, tốc độ hội tụ nhanh hơn mạng nơ-ron và tính toán được nhiều cấu tử hơn lọc Kalman.
    • PCR: Giảm chiều dữ liệu bằng phép chiếu trực giao PCA qua các hàm SVD, NIPALS, Princomp. Loại bỏ nhiễu ngẫu nhiên bằng cách chỉ giữ lại các PC mang phương sai lớn, giải quyết triệt để hiện tượng cộng tuyến giữa các bước sóng đo.
  • Giới thiệu môi trường lập trình Matlab (MathWorks), cơ chế thông dịch tập lệnh qua hàm M-file (.m), cấu trúc biến cục bộ/toàn cục và các gói Toolbox hỗ trợ xử lý ma trận trong hóa học phân tích.

Chương 5. Hóa chất, dụng cụ và các phương pháp nghiên cứu

Chương 5 mô tả quy trình thực nghiệm và các bước chuẩn bị dung dịch:

  • Pha chế các dung dịch gốc: $\text{Cu}^{2+}\text{ }10^{-2}\text{ M}$ ($0{,}2963\text{ g Cu(NO}_3)_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O}/100\text{ mL}$), $\text{Co}^{2+}\text{ }10^{-2}\text{ M}$ ($0{,}2915\text{ g Co(NO}_3)_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O}/100\text{ mL}$), 5-BSAT $10^{-2}\text{ M}$ ($0{,}2743\text{ g 5-BSAT}/100\text{ mL DMF}$), $\text{KNO}_3\text{ 1M}$, đệm axetat $0{,}2\text{ M}$ ($\text{CH}_3\text{COOH} + \text{CH}_3\text{COONa}$). Pha loãng thành các dung dịch làm việc nồng độ $5 \cdot 10^{-4}\text{ M}$.
  • Thiết kế thí nghiệm khảo sát các thông số tạo phức:
    • Bước sóng tối ưu: ghi phổ quét trong dải $385 - 500\text{ nm}$ đối với dung dịch thuốc thử 5-BSAT $2 \cdot 10^{-5}\text{ M}$, phức $\text{Cu(II)}-5\text{-BSAT}$ $2 \cdot 10^{-5}\text{ M}$ và phức $\text{Co(II)}-5\text{-BSAT}$ $2 \cdot 10^{-5}\text{ M}$ (dung dịch so sánh là nước cất hoặc mẫu trắng thuốc thử).
    • Khảo sát pH tối ưu: thay đổi pH đệm trong khoảng từ $4{,}6$ đến $7{,}0$ ($4{,}6; 4{,}8; 5{,}0; 5{,}2; 5{,}5; 5{,}8; 6{,}0; 6{,}2; 6{,}5; 6{,}8; 7{,}0$).
    • Khảo sát lượng dung môi DMF: biến thiên thể tích DMF từ $0{,}5\text{ mL}$ đến $5{,}0\text{ mL}$ ($0{,}5; 1{,}0; 1{,}5; 2{,}0; 2{,}5; 3{,}0; 3{,}5; 4{,}0; 4{,}5; 5{,}0\text{ mL}$) trong bình định mức $25\text{ mL}$.
    • Khảo sát thời gian bền màu: đo mật độ quang sau mỗi khoảng thời gian $5\text{ phút}$.
    • Khảo sát lượng dư thuốc thử và tỷ lệ mol phối trí của phức theo phương pháp tỷ số mol (biến thiên thể tích dung dịch ion kim loại từ $0{,}2\text{ mL}$ đến $1{,}6\text{ mL}$ trên nền nồng độ thuốc thử cố định).
  • Thiết kế ma trận nồng độ: xây dựng dãy 8 mẫu chuẩn (Bảng 12, 15), 3 mẫu kiểm tra (Bảng 13, 18) và 3 mẫu tự pha (Bảng 14) chứa đồng thời $\text{Cu}^{2+}$ và $\text{Co}^{2+}$ ở các tỷ lệ nồng độ khác nhau nhằm phục vụ quá trình huấn luyện và kiểm định mô hình hồi quy.

Chương 6. Kết quả và thảo luận

Chương 6 ghi nhận toàn bộ số liệu thực nghiệm và kết quả tính toán:

  • Trình bày các đường cong phổ hấp thụ (Hình 1 - 4), đồ thị phụ thuộc mật độ quang theo pH (Hình 5), ảnh hưởng của thể tích DMF (Hình 6), động học bền màu theo thời gian (Hình 7), đồ thị xác định lượng dư thuốc thử (Hình 8) và đồ thị thành phần phức chất (Hình 9, 10).
  • Khảo sát khoảng tuyến tính tuân theo định luật Beer của từng phức chất riêng biệt (Hình 11, 12).
  • Phân tích kết quả định lượng thực nghiệm hàm lượng $\text{Cu}^{2+}$ và $\text{Co}^{2+}$ tìm thấy trong 8 mẫu chuẩn (Bảng 16, 17), 3 mẫu kiểm tra (Bảng 19, 20) và 3 mẫu tự pha (Bảng 21, 22) khi áp dụng ba thuật toán CLS, PLS và PCR.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính

  • Đã tổng hợp thành công thuốc thử hữu cơ 5-bromosalicylaldehyde thiosemicarbazone (5-BSAT) từ 5-bromosalicylaldehyde và thiosemicarbazide với hiệu suất $54{,}07%$.
  • Khảo sát và xác lập hệ điều kiện tối ưu cho phản ứng tạo phức màu giữa $\text{Cu}^{2+}$, $\text{Co}^{2+}$ với 5-BSAT:
    • Phức hình thành có dải phổ hấp thụ đặc trưng trong vùng khả kiến; mật độ quang của phức ổn định trong môi trường đệm axetat và dung môi hỗn hợp nước - DMF.
    • Xác định tỷ lệ kết hợp mol tạo phức giữa $\text{Cu}^{2+} : 5\text{-BSAT}$ là $1:1$ và giữa $\text{Co}^{2+} : 5\text{-BSAT}$ là $1:2$.
    • Phức màu của cả hai ion kim loại với thuốc thử 5-BSAT đều có khoảng nồng độ tuyến tính tuân theo định luật Bouguer - Lambert - Beer và thỏa mãn điều kiện cộng tính mật độ quang trong dung dịch hỗn hợp.
  • Xây dựng thành công các đoạn mã chương trình cho 3 thuật toán hồi quy đa biến CLS, PLS và PCR trên phần mềm Matlab:
    • Huấn luyện mô hình toán học trên ma trận phổ của 8 mẫu chuẩn chứa đồng thời $\text{Cu}^{2+}$ và $\text{Co}^{2+}$.
    • Kiểm tra và đánh giá độ tin cậy của các thuật toán trên 3 mẫu kiểm tra và 3 mẫu tự pha. Cả ba mô hình CLS, PLS, PCR đều cho kết quả định lượng đồng thời $\text{Cu}^{2+}$ và $\text{Co}^{2+}$ với độ lặp lại và độ đúng cao, sai số nằm trong giới hạn cho phép của phân tích lượng vết.

Đề xuất và kiến nghị của tác giả

  • Đề xuất ứng dụng quy trình trắc quang kết hợp các thuật toán hồi quy đa biến tuyến tính (CLS, PLS, PCR) để xác định đồng thời $\text{Cu}$ và $\text{Co}$ trong các đối tượng mẫu thực tế có nền phức tạp như phân bón vi lượng, mẫu hợp kim, mô thực vật hoặc mẫu nước môi trường.
  • Mở rộng nghiên cứu áp dụng các mô hình hồi quy đa biến trên hệ phối tử 5-BSAT cho các hệ đa cấu tử phức tạp hơn chứa từ 3 đến 4 cation kim loại nặng cùng tồn tại (như $\text{Cu}^{2+}, \text{Co}^{2+}, \text{Fe}^{3+}, \text{Ni}^{2+}, \text{Zn}^{2+}$).

Đóng góp của khóa luận

  • Thiết lập một quy trình phân tích trắc quang mới cho phép xác định đồng thời $\text{Cu}^{2+}$ và $\text{Co}^{2+}$ sử dụng thuốc thử 5-BSAT kết hợp xử lý dữ liệu bằng giải thuật Chemometrics.
  • Khắc phục hoàn toàn nhược điểm xen phủ phổ hấp thụ trong phân tích trắc quang truyền thống mà không cần sử dụng các kỹ thuật tách pha phức tạp hay chất che độc hại, giúp rút ngắn thời gian phân tích, tiết kiệm hóa chất và tận dụng hiệu quả các dòng máy quang phổ UV-Vis thông dụng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Toàn bộ quy trình phân tích và đánh giá sai số của các mô hình hồi quy (CLS, PLS, PCR) mới chỉ dừng lại ở việc thử nghiệm trên các dung dịch mẫu chuẩn, mẫu kiểm tra và mẫu giả tự pha trong phòng thí nghiệm; chưa tiến hành khảo sát trên các đối tượng mẫu thực tế có ma trận nền phức tạp.
    • Nghiên cứu chỉ tập trung vào các mô hình hồi quy tuyến tính cổ điển, chưa khảo sát các giải thuật hồi quy phi tuyến (như mạng nơ-ron nhân tạo ANN) trong trường hợp hệ vi phạm định luật Beer ở nồng độ cao hoặc có tương tác thứ cấp giữa các phức chất.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Ứng dụng quy trình đã tối ưu để định lượng hàm lượng đồng và coban trong các mẫu thực tế (lá cây, rau quả, thực phẩm chức năng, nước thải công nghiệp).
    • Khảo sát ảnh hưởng cản trở của các ion kim loại khác ($\text{Fe}^{3+}, \text{Ni}^{2+}, \text{Zn}^{2+}, \text{Mn}^{2+}, \text{Al}^{3+}$) và phát triển mô hình hồi quy đa biến phân tích đồng thời hệ từ 3 cấu tử trở lên.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng sử dụng:
    • Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu viên thuộc chuyên ngành Hóa phân tích, Hóa học môi trường và Hóa trắc lượng (Chemometrics).
    • Cán bộ kỹ thuật tại các phòng kiểm nghiệm phân tích tiêu chuẩn muốn áp dụng phương pháp trắc quang kết hợp tin học hóa để phân tích đồng thời nhiều nguyên tố vết với chi phí trang thiết bị thấp.
  • Nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu:
    • Quy trình thực nghiệm tổng hợp, kết tinh và tinh chế thuốc thử hữu cơ 5-bromosalicylaldehyde thiosemicarbazone (5-BSAT).
    • Phương pháp luận bố trí thực nghiệm khảo sát các điều kiện hóa lý tối ưu cho phản ứng tạo phức màu (pH, dung môi DMF, tỷ lệ mol, động học bền màu).
    • Cơ sở toán học, cấu trúc giải thuật và phương pháp thiết lập chương trình tính toán ma trận cho các mô hình hồi quy đa biến CLS, PLS, PCR trên môi trường Matlab.

Câu hỏi thường gặp

1. Thuốc thử 5-BSAT được tổng hợp từ các tiền chất nào và hiệu suất phản ứng đạt bao nhiêu? Thuốc thử 5-bromosalicylaldehyde thiosemicarbazone (5-BSAT) được tổng hợp từ phản ứng ngưng tụ giữa $4{,}02\text{ g}$ 5-bromosalicylaldehyde và $1{,}82\text{ g}$ thiosemicarbazide trong dung môi ethanol ($96^\circ$), đun hồi lưu trong $6\text{ giờ}$. Khối lượng sản phẩm tinh chế sau hai lần kết tinh lại bằng hỗn hợp dioxan - ethanol ($1:1$) đạt $1{,}476\text{ g}$, tương ứng với hiệu suất phản ứng là $54{,}07%$.

2. Thành phần tỷ lệ mol của các phức chất giữa $\text{Cu}^{2+}$, $\text{Co}^{2+}$ và 5-BSAT được xác định như thế nào? Theo kết quả khảo sát bằng phương pháp tỷ số mol tại các điều kiện pH và bước sóng tối ưu, tỷ lệ kết hợp giữa ion $\text{Cu}^{2+}$ và thuốc thử 5-BSAT trong phức chất là $1:1$ ($\text{Cu}:5\text{-BSAT}$), trong khi tỷ lệ kết hợp giữa ion $\text{Co}^{2+}$ và thuốc thử 5-BSAT là $1:2$ ($\text{Co}:(5\text{-BSAT})_2$).

3. Vì sao phương pháp trắc quang thông thường không thể định lượng trực tiếp hỗn hợp $\text{Cu}^{2+}$ và $\text{Co}^{2+}$, và các thuật toán hồi quy đa biến giải quyết vấn đề này ra sao? Khi cùng tồn tại trong dung dịch, phức màu của $\text{Cu}^{2+}-5\text{-BSAT}$ và $\text{Co}^{2+}-5\text{-BSAT}$ có dải phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến xen phủ mạnh lên nhau, làm cho mật độ quang đo được tại một bước sóng đơn lẻ là tổng đóng góp của cả hai cấu tử. Các thuật toán hồi quy đa biến tuyến tính (CLS, PLS, PCR) giải quyết vấn đề này bằng cách quét dữ liệu mật độ quang trên toàn dải phổ bước sóng và sử dụng các phép biến đổi ma trận để phân giải đồng thời nồng độ của từng cấu tử dựa trên định luật cộng tính mật độ quang mà không cần tách riêng từng chất.

4. Những thuật toán hồi quy đa biến nào đã được lập trình và đánh giá trong khóa luận? Tác giả đã lập trình và so sánh ba thuật toán hồi quy đa biến tuyến tính trên phần mềm Matlab:

  • Thuật toán bình phương tối thiểu thông thường (CLS / Ma trận K).
  • Thuật toán bình phương tối thiểu riêng phần (PLS).
  • Thuật toán hồi quy cấu tử chính (PCR).

5. Khóa luận đã khảo sát những điều kiện thực nghiệm tối ưu nào cho phản ứng tạo phức màu? Các điều kiện tối ưu được khảo sát thực nghiệm bao gồm: dải bước sóng hấp thụ cực đại ($\lambda_{\max}$ từ $385 - 500\text{ nm}$), khoảng pH tối ưu (khảo sát từ $\text{pH } 4{,}6$ đến $7{,}0$ trong đệm axetat), thể tích dung môi DMF cần dùng ($0{,}5 - 5{,}0\text{ mL}$), thời gian ổn định mật độ quang của phức chất, lượng dư thuốc thử cần thiết để chuyển hóa hoàn toàn ion kim loại thành phức và khoảng nồng độ tuyến tính tuân theo định luật Beer.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Huỳnh Thị Mộng Tuyền đã tổng hợp thành công thuốc thử hữu cơ 5-BSAT với hiệu suất $54{,}07%$ và xác lập đầy đủ các điều kiện hóa lý tối ưu cho phản ứng tạo phức màu với $\text{Cu}^{2+}$ và $\text{Co}^{2+}$. Đề tài đã xây dựng và ứng dụng hiệu quả ba thuật toán hồi quy đa biến tuyến tính (CLS, PLS, PCR) trên phần mềm Matlab để phân giải trực tiếp phổ hấp thụ UV-Vis xen phủ của hỗn hợp hai ion kim loại. Kết quả kiểm định trên các dãy mẫu chuẩn, mẫu kiểm tra và mẫu tự pha khẳng định độ đúng và độ tin cậy của phương pháp, mở ra hướng ứng dụng trắc quang kết hợp hóa trắc lượng trong phân tích đồng thời các kim loại vết trên các hệ mẫu thực tế.