Nghiên cứu xác định các dạng thiếc trong nước tiểu bằng phương pháp HPLC-ICP-MS

Luận văn trình bày nghiên cứu xác định các dạng thiếc hữu cơ Dimethyltin (DMT) và Trimethyltin (TMT) trong mẫu nước tiểu bằng phương pháp HPLC-ICP-MS.

• Tác giả: Đinh Sơn Lương
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Phạm Thị Ngọc Mai
• Trường học: Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa phân tích
• Đề tài: Nghiên cứu xác định một số dạng thiếc trong mẫu nước tiểu bằng phương pháp HPLC-ICP-MS
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về phương pháp HPLC ICP MS trong phân tích thiếc

HPLC-ICP-MS là một phương pháp phân tích hiện đại kết hợp hai công nghệ tiên tiến: sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) và phổ khối cảm ứng plasma (ICP-MS). Phương pháp này cho phép xác định dạng thiếc trong các mẫu nước tiểu một cách chính xác và nhạy cảm. HPLC giúp tách riêng các dạng thiếc hữu cơ khác nhau như Dimethyltin (DMT) và Trimethyltin (TMT), trong khi ICP-MS cung cấp khả năng phát hiện và định lượng ở nồng độ cực thấp. Phương pháp này có ưu điểm vượt trội so với các kỹ thuật truyền thống, cung cấp độ đặc hiệu cao và giảm thiểu nhiễu nền.

1.1. Nguyên lý hoạt động của HPLC ICP MS

HPLC-ICP-MS hoạt động bằng cách tách các dạng thiếc hữu cơ thông qua cột sắc ký, sau đó truyền trực tiếp vào ICP-MS để phát hiện. ICP-MS sử dụng plasma cảm ứng để ion hóa các nguyên tố, tạo ra các ion dương được đo bằng bộ phân tích khối. Phương pháp này cho phép xác định từng dạng thiếc riêng biệt với độ nhạy cao.

1.2. Ưu điểm của phương pháp trong xác định thiếc

Độ nhạy cực cao là ưu điểm chính, cho phép phát hiện thiếc ở nồng độ ppb (phần tỷ tỷ). Phương pháp cung cấp độ đặc hiệu tốt, tách biệt rõ ràng giữa các dạng thiếc khác nhau, và cho kết quả định lượng chính xác trong phân tích nước tiểu của các nhóm đối tượng khác nhau.

II. Quy trình lấy mẫu và chuẩn bị nước tiểu

Lấy mẫu nước tiểu cho phân tích dạng thiếc đòi hỏi tuân thủ các quy trình chặt chẽ để đảm bảo độ chính xác. Mẫu nước tiểu phải được thu thập từ các đối tượng không tiếp xúc trực tiếp với nguồn thiếc trong môi trường. Việc bảo quản mẫu cần thực hiện ở nhiệt độ mát, tránh tiếp xúc với ánh sáng, và sử dụng các bình chứa sạch không bị ô nhiễm. Quá trình chuẩn bị mẫu bao gồm hiệu chỉnh pH, thêm chất bảo quản, và lưu trữ ở điều kiện thích hợp. Điều này đảm bảo rằng hàm lượng thiếc tổng và các dạng thiếc hữu cơ được bảo tồn cho đến khi phân tích.

2.1. Tiêu chuẩn lấy mẫu nước tiểu

Nước tiểu được lấy từ các đối tượng khỏe mạnh và những người có tiếp xúc với thiếc trong khu vực công nghiệp. Mẫu phải được thu thập trong các bình sạch, không chứa bất kỳ tạp chất nào. Lấy mẫu sáng sớm hoặc lấy mẫu 24 giờ đều có thể thực hiện tùy theo mục đích nghiên cứu.

2.2. Bảo quản và xử lý mẫu

Sau khi lấy mẫu, nước tiểu cần được bảo quản ở nhiệt độ 2-8°C ngay lập tức. Quá trình xử lý mẫu bao gồm lọc loại bỏ các hạt lơ lửng, điều chỉnh pH trong phạm vi 3-5, và bổ sung chất bảo quản phù hợp. Mẫu có thể lưu trữ dài hạn ở -20°C để giữ nguyên dạng thiếc cho đến khi thực hiện phân tích.

III. Tối ưu hóa điều kiện phân tích bằng HPLC ICP MS

Tối ưu hóa các điều kiện phân tích là bước quan trọng để đạt được hiệu suất tốt nhất trong xác định dạng thiếc. Việc lựa chọn cột sắc ký phù hợp, thành phần pha động, nhiệt độ, và tốc độ dòng đều ảnh hưởng đến kết quả phân tích. Các nhà nghiên cứu thử nghiệm nhiều loại cột (Zorbax, Shiseido) và các thành phần pha động khác nhau để tìm điều kiện tách tối ưu. Điều chỉnh nồng độ methanol, acetic acid, và natri 1-butanesulfonate trong pha động giúp cải thiện độ phân giải giữa các dạng thiếc hữu cơ như DMT và TMT, đảm bảo phân tích chính xác và lặp lại được.

3.1. Lựa chọn cột sắc ký và pha động

Các cột như Zorbax và Shiseido được thử nghiệm để tối ưu tách giữa Dimethyltin (DMT) và Trimethyltin (TMT). Pha động chứa methanol 30%, acetic acid 5%, natri 1-butanesulfonate 5 mM cho hiệu suất tách tốt. Điều chỉnh thành phần giúp cải thiện độ phân giải và thời gian phân tích.

3.2. Các tham số hoạt động của ICP MS

Cài đặt ICP-MS bao gồm chế độ đo tiêu chuẩn và chế độ DRC (Dynamic Reaction Cell) để giảm nhiễu. Lựa chọn độ dịch chuyển khối phù hợp cho từng dạng thiếc, bao gồm thiếc tổng (Sn) và các dạng hữu cơ. Tối ưu hóa công suất RF, tốc độ dòng khí, và điện áp để đạt cường độ tín hiệu cực đại.

IV. Đánh giá hiệu suất phương pháp và ứng dụng thực tế

Đánh giá hiệu suất phương pháp HPLC-ICP-MS bao gồm xác định giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) cho các dạng thiếc. Độ chính xác được kiểm tra thông qua các thử nghiệm độ lặp lại, độ tái lập, và phục hồi. Các kết quả phân tích nước tiểu từ nhóm kiểm soát và nhóm tiếp xúc với thiếc cho thấy sự khác biệt rõ ràng về hàm lượng thiếc tổng và nồng độ các dạng thiếc hữu cơ. Phương pháp được xác thực bằng cách so sánh với GC-MS/MS, cho kết quả tương quan cao. Ứng dụng của phương pháp mở rộng sang giám sát y tế, đánh giá tiếp xúc chiếc công nghiệp, và nghiên cứu độc tính thiếc.

4.1. Giới hạn phát hiện và độ chính xác

Giới hạn phát hiện (LOD) cho Trimethyltin (TMT) và Dimethyltin (DMT) ở mức ppt (phần tỷ tỷ), cho phép phát hiện nồng độ cực thấp. Giới hạn định lượng (LOQ) cao hơn LOD khoảng 3 lần. Độ lặp lại của phương pháp có RSD dưới 10%, đảm bảo tin cậy cao trong các phép đo liên tiếp.

4.2. Ứng dụng trong giám sát sức khỏe và nghiên cứu

Phương pháp được áp dụng để xác định dạng thiếc trong các mẫu nước tiểu của công nhân tiếp xúc với thiếc và nhóm kiểm soát. Kết quả cho thấy mối liên hệ giữa tiếp xúc chiếc và hàm lượng thiếc trong nước tiểu. Phương pháp cũng hỗ trợ nghiên cứu độc tính thiếc và đánh giá rủi ro cho sức khỏe lao động.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Nguyên tố Thiếc (Sn) Thiếc là một nguyên tố hóa học có ký hiệu Sn và có số hiệu nguyên tử là 50. Thiếc kim loại có màu trắng bạc, tương đối mềm và không tan trong nước. Thiếc là một nguyên tố được tìm thấy và sử dụng dụng rộng rãi trong đời sống của con người từ cổ xưa.

Thiếc là nguyên tố phổ biến thứ 48 trong vỏ trái đất, trong đó phần lớn thiếc được tìm thấy trong tự nhiên dưới dạng quặng cassiterite, SnO2 [42, 53]. Thiếc tồn tại ở cả dạng vô cơ và hữu cơ với nhiều hóa trị trong các hợp chất khác nhau. Thiếc hóa trị 0 tồn tại dưới dạng kim loại tinh khiết hoặc hợp kim với các kim loại khác. Thiếc vô cơ có hóa trị II và hóa trị IV tồn tại chủ yếu dưới dạng oxit và các muối stanmic, stannous với các phi kim như clo, sulfur,.

Thiếc hữu cơ thường có hóa trị IV gọi là organotin [19]. Thiếc có rất nhiều ứng dụng hữu ích trong đời sống cũng như trong các ngành công nghiệp. Nhờ vào độ bóng cao, khả năng chống oxi hóa và chống ăn mòn tốt, thiếc được sử dụng để phủ lên để bảo vệ các kim loại khác. Trong sản xuất đồ hộp, thiếc được dùng để bảo vệ lõi thép khỏi bị ăn mòn khi tiếp xúc với thực phẩm.

Trong sản xuất, gia công và chế biến các sản phẩm nhựa, hợp chất hữu cơ của thiếc được sử dụng như một chất ổn định nhiệt nhằm tránh sự phân hủy của nhựa khi ở nhiệt độ cao, đặc biệt đối với nhựa PVC. Trong sản xuất thủy tinh, phần lớn các loại kính được sản xuất bằng thủy tinh nóng chảy nổi trên thiếc nóng chảy để tạo ra bề mặt phẳng với diện tích lớn. Ngoài ra thiếc mạ lên thủy tinh được sử dụng để sản xuất vật liệu kính dẫn điện với nhiều ứng dụng trong cả nghiên cứu lẫn công nghiệp điện tử và năng lượng. Thiếc hữu cơ Ngày nay, hơn 800 dạng thiếc hữu cơ đã được biết đến và thiếc có số lượng dẫn xuất kim loại được sử dụng nhiều nhất hơn bất kì một nguyên tố nào khác.

Các hợp chất organotin hoặc stannanes là các hợp chất hóa học dựa trên thiếc với các 3 nhóm thế hydrocacbon. Hợp chất organotin đầu tiên là diethyl diiodide thiếc ((C2H5)2SnI2), được phát hiện bởi Edward Frankland vào năm 1849 và các dạng thiếc hữu cơ khác được phát triển nhanh chóng với thuốc thử Grignard. Các dạng thiếc hữu cơ có thể được phân loại thành 2 nhóm dựa trên việc sử dụng chúng. - Nhóm thứ nhất được sử dụng sản xuất đồ hộp, thuốc trừ sâu, diệt khuẩn, làm chất chống vón cục cho các loại sơn thường là các hợp chất triorgano thiếc: trimethyl thiếc (TMT), tributyl thiếc (TBT), triphenyl thiếc (TPhT),… Trong ngành công nghiệp đóng tàu và vận tải biển, sơn chống hà có chứa Tributhyl Thiếc - TBT chiếm 90% lượng sơn chống hà thế giới.

Hầu như tất cả các hãng sơn lớn đều dùng công nghệ sơn TBT bởi khả năng chống hà bám rất tốt, khả năng làm nhẵn bề mặt tốt và công nghệ ổn định. Tuy nhiên, ngay cả ở mức độ thấp, các hợp chất này cũng có thể gây chết các sinh vật biển, đặc biệt là hàu. Việc sử dụng nó hiện đã bị cấm ở hầu hết các quốc gia. - Nhóm thứ hai là các dạng sử dụng làm chất ổn định nhiệt trong sản xuất nhựa PVC, chất đóng rắn cho silicon và xúc tác trong sản xuất polyurethane thường là các hợp chất như: monomethyl thiếc (MMT), dimethyl thiếc (DMT), monobutyl thiếc (MBT), dibutyl thiếc (DBT), … Các dạng thiếc hữu cơ có thể nhiễm vào đường ống nước bằng PVC từ đó gây nguy hiểm cho con người hoặc thông qua làm việc trong môi trường độc hại như trường hợp một số công nhân làm việc ở nhà máy sản xuất nhựa PVC ở Hải Dương – Việt Nam.

Thiếc trong môi trường Thiếc và các hợp chất của nó ở dạng có thể được tìm thấy khắp mọi nơi, trong đất, trong không khí cũng như trong nước. Trong đó thời gian tồn tại của chúng là rất khác nhau, phụ thuộc nhiều vào mỗi dạng hợp chất thiếc cũng như môi trường mà chúng tồn tại. Trong môi trường đất, thiếc được tìm thấy trong thành phần của rất nhiều loại đất. Thiếc có thể được phát tán từ môi trường đất vào môi trường khí từ bụi do gió 4 bão, đường sá, cũng như từ các hoạt động trồng trọt.

Ngoài ra, thiếc còn có thể xâm nhập vào môi trường khí do khói bụi thoát ra từ các quá trình luyện, tinh chế quặng, đốt chất thải và đốt nhiên liệu hóa thạch (than hoặc dầu). Thiếc trong môi trường đất hoặc khí có thể bị rửa trôi vào môi trường nước nhờ mưa và tuyết. Trong môi trường nước, thiếc thường liên kết với đất và trầm tích trong nước và thường được coi là thành phần tương đối bất động. Thiếc không thể bị tự phá hủy trong môi trường.

Nó chỉ có thể thay đổi dạng và môi trường mà nó tồn tại [19]. Thiếc trong cơ thể người Thiếc có thể xâm nhập vào cơ thể con người khi họ ăn thực phẩm bị ô nhiễm hoặc uống nước bị ô nhiễm, hoặc khi họ hít phải khói hoặc bụi có thiếc. Khi con người ăn hoặc uống phải thức ăn nhiềm thiếc vô cơ, đã phần chúng sẽ đi qua đường ruột và ra khỏi cơ thể qua phân và nước tiểu. Nếu con người hít phải khí nhiễm độc thiếc vô cơ, chúng có thể bị mắt kẹt lại trong phổi của người, nhưng với lượng nhỏ thì chúng hầu như không ảnh hưởng gì đến hệ hô hấp của con người.

Trong hầu hết các trường hợp, cơ thể người có thể tự đào thải thiếc vô cơ qua phân và nước tiểu rất nhanh trong vài vài ngày đến vài tháng [19]. Trong khi thiếc vô cơ được cho là không mấy độc hại với cơ thể con người, thì thiếc hữu cơ (các hợp chất hữu cơ của thiếc) đã được chứng minh là các độc tố có hại cho sức khỏe của con người. Thiếc hữu cơ gây độc đối với hệ thần kinh trung ương và tổn thương chất trắng trong não, người bị ngộ độc thiếc qua đường hít, qua da hoặc đường ăn uống thường mê sảng, lú lẫn, kích động, rối loạn chức năng tiểu não, rung giật nhãn cầu, co giật, bệnh thần kinh cảm giác, chứng bịa chuyện và rối loạn nhãn quan. Bệnh nhân phải mất nhiều tháng, nhiều năm để hồi phục.

Đối với hệ hô hấp, nếu hít phải thiếc hữu cơ có thể gây tình trạng khó thở, ho, thở rít hoặc bệnh bụi phổi khi hít phải thiếc oxit mạn tính. Đối với hệ tiêu hóa, khi ăn hoặc uống phải muối thiếc có tính ăn mòn sẽ gây buồn nôn, nôn, đau bụng, tiêu chảy, rối loạn nhìn, kích thích niêm mạc, mất thính lực. Độc tính của Thiếc Các hợp chất vô cơ và hữu cơ của thiếc có thể được hấp thụ vào cơ thể con người ở một mức độ nào đó khi hít phải, nuốt phải, hoặc thâm nhập qua da. Trong đó các hợp chất hữu cơ của thiếc thì dễ được hấp thụ hơn các chất vô cơ và mức độ alkyl hóa càng cao thì sự hấp thụ càng tăng lên, ngược lại mạch alkyl càng dài thì độc tính lại càng thấp [13, 45].

Thiếc hấp thụ được phân bố khắp cơ thể, điển hình thiếc được tìm thấy trong thận, gan, phổi, não và mô xương với nồng độ cao hơn [13, 19, 45]. Độc tính của các hợp chất hữu cơ của thiếc là kết quả của sự tương tác của nhóm chức alkyl và aryl với màng tế bào và khả năng phản ứng nội bào của cation thiếc alkyl. Về cơ bản, các hiệu ứng có thể được phân loại theo các phản ứng phụ thuộc Ca2+ và không phụ thuộc Ca2+. Các hợp chất hữu cơ của thiếc làm rối loạn cân bằng nội môi Ca2+ bằng cách tăng nồng độ Ca2+ tự do nội bào.

Điều này gây ảnh hưởng đến các đường truyền tín hiệu, gây ra quá trình tự chết của tế bào (apoptosis) và thúc đẩy quá trình khử phân hủy và giải liên kết của các khung xương tế bào và hạt nhân protein. Ca2+ độc lập liên kết cộng hóa trị với protein dẫn đến sự ức chế các enzym liên quan đến sản xuất năng lượng, chuyển hóa thuốc và điều phối thay đổi nồng độ (gradient) xuyên màng. Tăng giải phóng tế bào thần kinh và hoặc giảm sự hấp thu tế bào thần kinh của chất dẫn truyền thần kinh và giảm biểu hiện của sự kết dính tế bào thần kinh các phân tử được tạo ra bởi thiếc trimethyl và ức chế phản ứng miễn dịch qua tế bào trung gian bởi các hợp chất thiếc butyl cũng nằm trong số các phản ứng độc hại do các hợp chất hữu cơ của thiếc gây ra [19]. Phương pháp phân tích thiếc tổng Trong thực tế, thiếc tồn tại trong các dạng mẫu với những nền mẫu và nồng độ rất khác nhau.

Vì vậy, rất nhiều phương pháp phân tích thiếc đã được nghiên cứu và phát triển đề phù hợp với các loại mẫu khác nhau cũng như điều kiện lấy mẫu và trang thiết bị khác nhau như phương pháp điện hóa, quang phổ hấp thụ phân tử [1, 10], quang phổ huỳnh quang, sắc ký ion, cực phổ, chuẩn độ, phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), sắc ký khí (GC), khối phổ (MS). Với sự phát triển của các công cụ phân tích hiện đại, việc phân tích hàm lượng thiếc tổng trong các loại mẫu khác nhau không 6 còn là thách thức quá lớn. Tuy nhiên nhiều kỹ thuật đã được phát triển để cải tiến việc chuẩn bị mẫu cũng như phương pháp phân tích để đạt được độ nhạy, độ đúng, độ chụm và giới hạn phát hiện tốt hơn. Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử Trước đây, nhiều phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử đã được áp dụng để phân tích thiếc, sử dụng các thuốc thử như dithiol, catechol violet, phenylfluorone, oxine (8-quinolinol), dithizone và quercetin [1, 10].

Tuy nhiên, các phương pháp này có độ nhạy không cao (0,1 μg thiếc trong mẫu) và không phù hợp để phân tích các hợp chất thiếc khác nhau có mặt trong mẫu. Phương pháp điện hóa Phương pháp Von-Ampe hòa tan là một phương pháp đơn giản, có độ nhạy cao để phân tích thiếc [1, 5]. Bước quan trọng trong phương pháp này là làm giàu các chất cần phân tích lên trên bề mặt điện cực. Tuy nhiên phương pháp có độ chọn lọc không cao, do sự chồng lấn của các peak tín hiệu ví dụ như tín hiệu cho thiếc và chì; được khắc phục bằng các phương pháp tách chiết trong quá trình xử lý mẫu trước khi phân tích.