Quy trình định lượng arsen, chì, cadmium, thủy ngân trong đất trồng dược liệu: Xây dựng và thẩm định bằng phương pháp quang phổ hấp thu nguyên tử

Ngày nhận bài: 30-08-2024 / Ngày chấp nhận đăng bài: 28-10-2024 / Ngày đăng bài: 28-10-2024

*Tác giả liên hệ: Trương Quốc Kỳ. Khoa Dược - Trường Đại học Y khoa Phạm Ngọc Thạch, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam.

E-mail: kytq@pnt.edu.vn

https://www.tapchiyhoctphcm.vn 47

ISSN : 1859-1779

Nghiên cứu Dược học

Tạp chí Y học Thành phố Hồ Chí Minh - Dược học;27(4):47-54

https://doi.org/10.32895/hcjm.p.2024.04.06

Xây dựng và thẩm định quy trình định lượng arsen, chì,

cadmium, thủy ngân trong đất trồng dược liệu bằng

phương pháp quang phổ hấp thu nguyên tử

Nguyễn Văn Hiển1, Võ Lê Khanh2, Trương Quốc Kỳ2,*

1Khoa Dược, Trường Đại học Văn Lang, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam

2Khoa Dược, Trường Đại học Y khoa Phạm Ngọc Thạch, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam

Tóm tắt

Đặt vấn đề: Việc sử dụng các sản phẩm thảo dược đã tăng lên rất nhiều trong ba thập kỷ qua. Tuy nhiên, vấn đề ô nhiễm đất bởi kim

loại nặng là một nguy cơ tiềm ẩn gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng của dược liệu.

Mục tiêu: Xây dựng quy trình định lượng arsen, chì, cadmium, thủy ngân trong đất bằng phương pháp quang phổ hấp thu nguyên tử.

Đối tượng và phương pháp nghiên cứu: Các mẫu đất được xử lý trong hệ thống phá mẫu vi sóng với acid HNO3 65%. Thể tích HNO3

65% và khối lượng mẫu là hai thông số được phần mềm Design Expert sử dụng để tối ưu hóa. Phương pháp được thẩm định dựa trên

quy định của ICH Q3D (R2) và ICH Q2(R1). Hàm lượng kim loại nặng được xác định bằng máy quang phổ hấp thụ nguyên tử.

Kết quả: Đã tối ưu hóa quy trình vô cơ hóa mẫu đất. Kết quả thẩm định quy trình phân tích cho thấy quy trình có tính đặc hiệu cao, tính

tuyến tính với hệ số tương quan hồi quy tuyến tính không nhỏ hơn 0,99, độ đúng thể hiện qua độ phục hồi nằm trong khoảng 80 – 110%

và RSD < 10% đối với độ chính xác.

Kết luận: Đề tài đã xây dựng thành công quy trình định lượng arsen, chì, cadmium, thủy ngân trong đất bằng phương pháp quang phổ

hấp thu nguyên tử.

Từ khóa: đất, kim loại nặng, thẩm định, quang phổ hấp thu nguyên tử (AAS)

Abstract

DEVELOPMENT AND VALIDATION OF AN ATOMIC ABSORPTION

SPECTROMETRY METHOD TO DETERMINE ARSENIC, LEAD, CADMIUM

AND MERCURY IN SOILS

Nguyen Van Hien, Vo Le Khanh, Truong Quoc Ky

Background: The use of herbal medicinal products has increased tremendously over the past three decades. Soil pollution by heavy

metals is a potential risk causing adverse effects on the quality of medicinal herbs.

Tạp chí Y học Thành phố Hồ Chí Minh - Dược học * Tập 27 * Số 4* 2024

48 | https://www.tapchiyhoctphcm.vn https://doi.org/10.32895/hcjm.p.2024.04.06

Objectives: Quantitative determination of heavy metal concentration in soils by flame atomic absorption spectrometry, including

arsenic, lead, cadmium, and mercury.

Methods: Soil samples were processed in a microwave digestion system with 65% HNO3 acid. For the digestion process of soil samples

to have the highest recovery, the volume of HNO3 65% and sample weight are two parameters used for optimization by Design Expert

software. The method was validated based on ICH Q3D (R2) and ICH Q2(R1) guidelines. The content of heavy metals was determined

by the atomic absorption spectrophotometer.

Results: The condition of the sample digestion was optimized. The results of the validation of the analytical procedure show that the

procedure has high specificity, linear regression not less than 0.99, the accuracy expressed in recovery is in the range of 80 - 110%,

and RSD < 10% for precision.

Conclusions: An atomic absorption spectrometry method was successfully developed for quantitative determination of heavy metal

concentration of arsenic, lead, cadmium, mercury in soils.

Keyword: atomic absorption spectrometry; heavy metal; validation; soil

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), tại các nước phát triển,

việc sử dụng thuốc từ dược liệu và các phương pháp điều trị

có liên quan đến y học cổ truyền chiếm 80% dân số trong việc

chăm sóc sức khỏe ban đầu. Dễ tiếp cận, ít tác dụng phụ và an

toàn là các lợi ích được kể đến khi sử dụng thuốc từ dược liệu

thay thế cho thuốc tân dược [1]. Tuy nhiên, vấn đề ô nhiễm

môi trường đất ngày càng gia tăng do việc xử lý không đúng

cách các chất thải từ hoạt động đô thị hóa - công nghiệp hóa

và cơ khí hóa nông nghiệp đã đặt ra nhiều lo ngại về các vấn

đề an toàn và chất lượng liên quan đến việc trồng và sử dụng

các sản phẩm thảo dược [2]. Kim loại nặng là một trong các

tác nhân gây ô nhiễm đất được quan tâm rộng rãi trong các

nghiên cứu vì đây là chất độc, có khả năng tích lũy sinh học,

tồn tại bền vững, không phân hủy và có thể gây các tác động

xấu đến hệ sinh thái [3]. Ô nhiễm đất bởi kim loại nặng là mối

nguy cơ tiềm ẩn gây ra các tác động xấu đến chất lượng dược

liệu [4]. Bên cạnh đó, hàm lượng kim loại nặng là một trong

những chỉ tiêu về kiểm tra chất lượng dược liệu theo tiêu chuẩn

Dược điển Việt Nam V. Vì vậy, việc định lượng kim loại nặng

trong đất để phát hiện các vùng đất bị ô nhiễm kim loại nặng

nhằm đưa ra các giải pháp xử lý là thực sự cần thiết. Điều này

đảm bảo chất lượng môi trường đất nuôi trồng dược liệu đối

với chỉ tiêu kim loại nặng, góp phần vào việc lựa chọn địa

điểm phù hợp để trồng dược liệu theo tiêu chuẩn Thực hành

tốt nuôi trồng, thu hái dược liệu và các nguyên tắc, tiêu chuẩn

khai thác dược liệu tự nhiên của Việt Nam (GACP), hướng

đến dược liệu xanh, sạch. Theo Cơ quan thống kê các chất độc

và bệnh Hoa Kỳ (ATSDR) và Cơ quan bảo vệ Môi sinh Hoa

Kỳ (US EPA), As, Pb, Hg và Cd là các kim loại nặng được xếp

ở vị trí đầu trong danh sách chất ưu tiên (SPL) dựa trên sự kết

hợp giữa tần suất, độc tính và khả năng phơi nhiễm [5]. Theo

quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về giới hạn cho phép của một số

chất ô nhiễm trong đất quy định thì Pb là 70 mg/kg, As là

15 mg/kg, Hg là 12 mg/kg và Cd là 1,5 mg/kg. Do đó, đề

tài tập trung chú trọng vào 4 kim loại trên. Trong nghiên

cứu này, quy trình vô cơ hóa mẫu được tối ưu bởi phần

mềm Design Expert 12.0 và quy trình định định lượng được

thẩm định theo ICH [6].

2. ĐỐI TƯỢNG - PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

2.1. Đối tượng nghiên cứu

Các kim loại nặng (cụ thể là As, Hg, Pb, Cd) và mẫu đất

xây dựng quy trình. Nghiên cứu được thực hiện tại Khoa

Dược, Trường Đại học Y khoa Phạm Ngọc Thạch.

2.2. Trang thiết bị, hóa chất, dung môi

2.2.1. Trang thiết bị

Máy phá mẫu Multiwave PRO (Anton Paar, Áo), máy

quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS PinAAcle Series với bộ

hydride FIAS 100 (Perkin Elmer, Mỹ), cân phân tích

Sartorius QUINTIX224 (Sartorius, Đức), máy lọc nước siêu

sạch WaterPro® PS (Labconco - Mỹ).

2.2.2. Hóa chất, dung môi

HNO3 đậm đặc (Merck, Mỹ), HCl đậm đặc (Merck, Mỹ),

nước siêu sạch và mẫu đất không chứa kim loại nặng.

Tạp chí Y học Thành phố Hồ Chí Minh - Dược học * Tập 27 * Số 4 * 2024

https://doi.org/10.32895/hcjm.p.2024.04.06

https://www.tapchiyhoctphcm.vn

2.3. Phương pháp lấy mẫu

Lấy theo phương pháp lấy mẫu hỗn hợp ở các vùng Hóc

Môn hoặc Củ Chi thực hiện theo TCVN 7538 – 2:2005, khối

lượng 1,0kg đất/mẫu.

2.4. Chuẩn bị mẫu

2.4.1. Dung dịch gốc

Các dung dịch cadmium, chì, arsen, thủy ngân 1000 mg/L

(Merck KGaA, Germany).

2.4.2. Chuẩn bị mẫu chuẩn

Pha các dung dịch chuẩn ở nồng độ thích hợp với dung

môi HNO3 0,2%.

2.4.3. Chuẩn bị mẫu thử

Cân 0,3 g mẫu đất sau khi đã sấy khô và phân tán cho vào

ống teflon, thêm 8,1 ml HNO3 đậm đặc. Cho hỗn hợp trên

vào máy phá mẫu vi sóng để thực hiện phá mẫu. Sau khi phá

xong, để nguội đến nhiệt độ phòng rồi pha loãng các dung

dịch thu được bằng HNO3 0,2% trong bình định mức 50 ml

rồi đem lọc thu được dung dịch trong suốt.

2.4.4. Chuẩn bị mẫu trắng

Cân 0,3 g mẫu đất không chứa kim loại nặng sau khi đã

sấy khô và phân tán cho vào ống teflon, thêm 8,1 ml HNO3

đậm đặc. Cho hỗn hợp trên vào máy phá mẫu vi sóng để thực

hiện phá mẫu. Sau khi phá xong, để nguội đến nhiệt độ

phòng rồi pha loãng các dung dịch thu được bằng HNO3

0,2% trong bình định mức 50 ml rồi đem lọc thu được dung

dịch trong suốt.

2.5. Phương pháp nghiên cứu

2.5.1. Chương trình nhiệt cho hệ thống vi sóng

Chu trình nhiệt của của điều kiện vi sóng sử dụng là

EPA 3051A của hãng Anton Paar với điều kiện như sau:

nhiệt độ ban đầu ở 70 0C tăng nhiệt độ lên 175 0C trong 5

phút 30 giây, sau đó giữ ở nhiệt độ 175 0C trong vòng 4

phút 30 giây.

2.5.2. Thiết kế và tối ưu hóa quy trình xử lý mẫu

Quy trình vô cơ hóa mẫu đất được tối ưu hóa bằng phần

mềm Design Expert version 12 (Stat-Ease) sử dụng mô hình

CCD (Central Composite Design).

Hai biến độc lập là khối lượng mẫu và thể tích HNO3 65%

được trình bày trong Bảng 1. Bốn biến phụ thuộc là độ phục

hồi của cadmium, độ phục hồi của chì, độ phục hồi của arsen,

độ phục hồi của thủy ngân.

Dựa vào các dữ liệu thực nghiệm, phần mềm Design

Expert sử dụng phương pháp phân tích phương sai

(ANOVA) của Microsoft Excel để đánh giá ảnh hưởng của

các biến độc lập lên biến phụ thuộc và đề xuất điều kiện vô

cơ hóa mẫu tối ưu.

Bảng 1. Các mức của từng biến độc lập

Biến độc lập -1 0 +1

X1: Khối lượng mẫu (g) 0,3 0,4 0,5

X2: Thể tích HNO3 (ml) 6 8 10

2.5.3. Điều kiện do quang phổ AAS của các kim

loại

Điều kiện đo quang phổ AAS được trình bày ở Bảng 2.

Trong đó hai kim loại arsen và thủy ngân được sử dụng bộ

nguyên tử hóa bên ngoài hydrid.

Bảng 2. Điều kiện phân tích kim loại nặng cadmium, chì, arsen

và thủy ngân

Nguyên tố Cadmium

(Cd)

Chì

(Pb)

Arsen

(As)

Thủy ngân

(Hg)

Kỹ thuật Ngọn lửa Ngọn lửa Lò graphit

Lò graphit

Khí Không khí -

Acetylen

Không khí -

Acetylen Argon Argon

Bước sóng

(nm) 228,8 283,31 193,70 253,65

Độ rộng

khe (nm) 0,7 0,7 0,7 0,7

Đèn HCL EDL EDL EDL

Chiều cao

ngọn lửa

(cm)

10 10 - -

2.5.4. Thẩm định quy trình

Sau khi xác định được điều kiện vô cơ hóa mẫu tối ưu từ

phần mềm, sẽ tiến hành thẩm định quy trình phân tích theo

hướng dẫn của ICH Q2(R1) bao gồm độ đặc hiệu, độ đúng,

độ chính xác, tính tuyến tính và giới hạn định lượng.

Tạp chí Y học Thành phố Hồ Chí Minh - Dược học * Tập 27 * Số 4* 2024

50 | https://www.tapchiyhoctphcm.vn https://doi.org/10.32895/hcjm.p.2024.04.06

2.5.5. Áp dụng phân tích mẫu đất trồng dược liệu

Phương pháp phân tích được áp dụng trên các mẫu đất

được thu thập ở Xã Tân Thông Hội, Huyện Củ Chi và Xã

Đông Thạnh, Huyện Hóc Môn.

Hàm lượng kim loại (μg) có trong 1 g mẫu thử được tính

theo công thức: X (μg/g) =    

  ()

Trong đó:

X: Hàm lượng Pb, Cd, As và Hg trong mẫu đất (μg/g)

C: Hàm lượng Pb, Cd, As và Hg đo được trên thiết bị

tương ứng với độ hấp thu A(μg/mL)

V: Tổng thể tích dung dịch mẫu (mL)

f: Độ pha loãng thêm của mẫu thử (nếu có)

p: Khối lượng cân của mẫu thử (g)

h: Độ ẩm của mẫu phân tích.

3. KẾT QUẢ

3.1. Khảo sát và tối ưu hóa điều kiện vô cơ hóa mẫu

3.1.1. Khảo sát điều kiện vô cơ hóa mẫu

Mô hình CCD (Central Composite Design) với 2 biến độc

lập, phần mềm đã đề xuất 13 thí nghiệm. Tiến hành các thí

nghiệm do phần mềm đề xuất sau khi đã cài đặt giới hạn trên,

giới hạn dưới cho từng biến độc lập. Kết quả của 13 thí

nghiệm được tiếp tục được phân tích phương sai.

3.1.2. Phân tích kết quả

Kết quả phân tích phương sai cho thấy trị số p-value

< 0,05 với tất cả các biến, cho thấy mô hình có ý nghĩa

về mặt thống kê. Bên cạnh đó, giá trị độ chính xác thích

hợp đo dựa vào tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu. Kết quả tỉ lệ

của 4 biến đều lớn hơn 4 và các thông số còn lại trong

giới hạn cho phép.

Ảnh hưởng của các biến độc lập lên biến phụ thuộc được

thể hiện trong Hình 1.

Dựa vào các dữ liệu thực nghiệm được trình bày ở

Bảng 3, kết hợp với điều kiện ràng buộc cho biến độc

lập và biến phụ thuộc, các thực nghiệm với các chỉ số

mong muốn khác nhau được phần mềm đề xuất. Chỉ số

mong muốn càng cao phản ánh khả năng tái lặp càng

cao khi so sánh giữa các dữ liệu được đề xuất bởi phần

mềm và dữ liệu thực nghiệm kiểm chứng. Thực nghiệm

có chỉ số mong muốn (desirability value) cao nhất

(0,7666) có khối lượng mẫu và thể tích HNO3 tương

ứng là 0,3 g và 8,0825 mL.

3.1.3. Thực nghiệm kiểm chứng

Tiến hành lặp lại 6 lần thực nghiệm tối ưu đã được đề xuất.

Dữ liệu đánh giá được thể hiện trong Bảng 4.

Bảng 3. Các thực nghiệm tối ưu được đề xuất từ phần mềm Design Expert

STT

Khối lượng

mẫu Thể tích HNO3

Độ phục hồi

(Cd)

Độ phục hồi

(Pb)

Độ phục hồi (As)

Độ phục hồi

(Hg)

Chỉ số mong muốn

1 0,3001 8,0825 100,38 94,18 86,58 100,00 0,7666

2 0,3194 9,0497 100,36 94,21 85,19 100,00 0,7471

3 0,5124 7,6041 100,52 91,70 88,99 83,24 0,6979

4 0,4999 7,5878 100,52 91,67 89,01 83,26 0,6979

5 0,4999 7,6238 100,52 91,74 88,97 83,21 0,6979

6 0,5000 7,5488 100,52 91,59 89,05 83,30 0,6978

7 0,4999 7,6963 100,51 91,90 88,87 83,04 0,6976

8 0,4999 7,7952 100,49 92,13 88,71 82,72 0,6966

Tạp chí Y học Thành phố Hồ Chí Minh - Dược học * Tập 27 * Số 4 * 2024

https://doi.org/10.32895/hcjm.p.2024.04.06

https://www.tapchiyhoctphcm.vn

Hình 1. Ảnh hưởng của khối lượng mẫu và thể tích HNO3 đến:

(A): Độ phục hồi của cadmium, (B): Độ phục hồi của chì

(C): Độ phục hồi của arsen, (D): Độ phục hồi của thủy ngân

Bảng 4. Kết quả thực nghiệm kiểm chứng

Biến phụ thuộc

Giá trị

trung bình

dự đoán

Khoảng tin cậy 95%

cho giá trị dự đoán Giá trị

trung bình

thực

nghiệm

Giới hạn

dưới

Giới hạn

trên

Độ phục hồi (Cd)

100,38 99,51 101,25 99,58

Độ phục hồi (Pb)

94,18 87,83 100,54 95,80

Độ phục hồi (As)

86,58 77,41 95,76 87,95

Độ phục hồi (Hg)

100,00 83,80 116,20 98,87

Giá trị trung bình thực nghiệm nằm trong khoảng tin cậy

của giá trị dự đoán. Do đó, mô hình được kiểm chứng.

3.1.4. Điều kiện vô cơ hóa mẫu tối ưu

Các kết quả khảo sát và tối ưu hóa thực nghiệm cho thấy

điều kiện vô cơ hóa mẫu đất tối ưu để định lượng các kim

loại nặng (Cd, Pb, As, Hg) trong đất bằng phương pháp

quang phổ hấp thu nguyên tử như sau: khối lượng mẫu 0,3 g

và thể tích HNO3 8,0825 mL.

Xây dựng và thẩm định quy trình định lượng arsen, chì, cadmium, thủy ngân trong đất trồng dược liệu bằng phương pháp quang phổ hấp thu nguyên tử

Chủ đề:

Tài liệu liên quan

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Hỗ trợ

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi