Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Phân tích các dạng asen trong mẫu môi trường bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử kết hợp với Chemometrics

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:76

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung chính của luận văn này nghiên cứu quá trình chuyển các dạng asen trên cơ sở những nghiên cứu trước đó về xác định các dạng asen bằng kĩ thuật HVG - AAS và hồi qui đa biến để định lượng các dạng asen trong mẫu nước. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Phân tích các dạng asen trong mẫu môi trường bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử kết hợp với Chemometrics

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ PHƢƠNG THÙY PHÂN TÍCH CÁC DẠNG ASEN TRONG MẪU MÔI TRƢỜNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ KẾT HỢP VỚI CHEMOMETRICS LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc Hà Nội - 2012
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ PHƢƠNG THÙY PHÂN TÍCH CÁC DẠNG ASEN TRONG MẪU MÔI TRƢỜNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ KẾT HỢP VỚI CHEMOMETRICS Chuyªn ngµnh: Hãa ph©n tÝch M· sè: 60.44.29 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc Ng-êi h-íng dÉn khoa häc: GS. TS. Trần Tứ Hiếu Hà Nội - 2012
BẢNG KÍ HIỆU NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT Bình phƣơng tối thiểu nghịch đảo ILS (inverse least squares) Hồi qui cấu tử chính (Principal PCR component regression) Cấu tử chính (Principal component) PC Phƣơng pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử HVG - AAS sử dụng kĩ thuật hidrua hoá Dimetylasen DMA Monometylasen MMA
DANH MỤC HÌNH Hình trang Hình 1.1. Một số hình ảnh về nạn nhân nhiễm độc As 7 Hình 2.1. Sơ đồ thực nghiệm mô tả quá trình đo phổ hấp thụ nguyên tử 22 của As Hình 3.1: Sự phụ thuộc của Abs theo nồng độ As(III) 27 Hình 3.2: Đƣờng chuẩn xác định riêng rẽ As(III) 28 Hình 3.3: Sự phụ thuộc của Abs theo nồng độ As(V) 29 Hình 3.4: Đƣờng chuẩn xác định riêng rẽ As(V) vô cơ 29 Hình 3.5: Sự phụ thuộc của Abs theo nồng độ DMA 31 Hình 3.6: Đƣờng chuẩn xác định riêng rẽ DMA 31 Hình 3.7: Sự phụ thuộc của Abs theo nồng độ MMA 32 Hình 3.8: Đƣờng chuẩn xác định riêng rẽ MMA 32
DANH MỤC BẢNG Bảng Trang Bảng 1.1. Một số dạng As trong các đối tƣợng sinh học và môi trƣờng 5 Bảng 2.1: Tóm tắt các điều kiện tối ƣu xác định As(III) bằng phƣơng 22 pháp HVG-AAS Bảng 3.1: Hiệu suất khử các dạng asen trong các môi trƣờng phản ứng (%) 26 Bảng 3.2: Khoảng tuyến tính của phép xác định As(III) 27 Bảng 3.3: Khoảng tuyến tính của phép xác định As(V) vô cơ 28 Bảng 3.4: Khoảng tuyến tính của phép xác định DMA 30 Bảng 3.5: Khoảng tuyến tính của phép xác định MMA 31 Bảng 3.6: Khoảng tuyến tính và đƣờng chuẩn xác định riêng các dạng As 33 Bảng 3.7: Kết quả đo độ hấp thụ quang lặp 8 mẫu trắng ở các môi trƣờng 35 phản ứng khác nhau Bảng 3.8: Kết quả tính LOD và LOQ theo phƣơng pháp hồi qui đa biến PCR 36 Bảng 3.9: Giá trị LOD và LOQ khi phân tích đồng thời các dạng As 36 Bảng 3.10: Kết quả kiểm tra độ cộng tính tín hiệu đo khi xác định các dạng As 37 Bảng 3.11: Ma trận nồng độ 40 dung dịch chuẩn 39 Bảng 3.12: Hệ số của các PC tính theo hàm SVD 40 Bảng 3.13: Phƣơng sai của các PC 40 Bảng 3.14 : Nồng độ các dạng asen trong mẫu thực và lƣợng asen thêm vào 41 Bảng 3.15: Giá trị Abs khảo sát ảnh hƣởng của vật liệu bình chứa 42 Bảng 3.16: Ảnh hƣởng của vật liệu bình chứa đến sự chuyển dạng asen 42
Bảng 3.17: Giá trị Abs khảo sát ảnh hƣởng của pH 44 Bảng 3.18: Ảnh hƣởng của pH trong quá trình bảo quản mẫu 45 Bảng 3.19 : Giá trị Abs khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian 46 Bảng 3.20 : Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến quá trình bảo quản mẫu 47 Bảng 3.21 : Ảnh hƣởng của oxi hòa tan đến quá trình bảo quản mẫu 48 Bảng 3.22 : Ảnh hƣởng của lƣợng oxi hòa tan 48 Bảng 3.23 : Giá trị Abs khảo sát ảnh hƣởng của các ion 49 Bảng 3.24 : Ảnh hƣởng của các ion đến quá trình bảo quản mẫu 52 Bảng 3.25 : Giá trị Abs khảo sát ảnh hƣởng của Fe3+ khi có mặt EDTA 55 Bảng 3.26: Ảnh hƣởng của Fe3+ khi có mặt EDTA 56 Bảng 3.27: Ma trận nồng độ asen thêm vào mẫu 57 Bảng 3.28: Kết quả kiểm tra độ lặp lại, độ đúng của phƣơng pháp 58 Bảng 3.29: Địa chỉ lấy mẫu và đặc điểm mẫu 59 Bảng 3.30. Nồng độ thêm chuẩn các dạng As vào các mẫu trong dung 60 dịch phân tích Bảng 3.31. Nồng độ các dạng thu đƣợc sau khi tính 60 Bảng 3.32. Hiệu suất thu hồi của phƣơng pháp HVG-AAS sử dụng mô 61 hình PCR Bảng 3.33: Hàm lƣợng các dạng As trong các mẫu tính theo phƣơng 62 pháp đƣờng chuẩn (đã tính đến hệ số pha loãng)
MỤC LỤC MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................................2 1.1. SƠ LƢỢC TÌNH HÌNH Ô NHIỄM ASEN TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM..... 3 1.2. CÁC DẠNG TỒN TẠI TRONG MÔI TRƢỜNG CỦA ASEN............................ 5 1.2.1. Các dạng asen tồn tại trong môi trƣờng ................................................................. 5 1.2.2. Độc tính các dạng Asen ........................................................................................... 6 1.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DẠNG ASEN ............................................. 8 1.3.1. Các phƣơng pháp xác định Asen có sử dụng kĩ thuật hidrua hóa (HVG) ......... 9 1.3.2. Phƣơng pháp sử dụng hệ tách HPLC kết hợp với một detector ....................... 10 1.4. ỨNG DỤNG CHEMOMETRICS TRONG PHÂN TÍCH DẠNG ASEN ......... 11 1.4.1. Thuật toán hồi qui đa biến tuyến tính .................................................................. 11 1.4.2. Phân tích các dạng As bằng phƣơng pháp HVG – AAS sử dụng Chemometrics ... 17 CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM ................................................................................18 2.1. NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.............................................. 19 2.1.1. Cơ sở của phƣơng pháp ......................................................................................... 19 2.1.2. Nội dung nghiên cứu .............................................................................................. 19 2.2. HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM ......................................................... 20 2.2.1. Hóa chất ................................................................................................................... 20 2.2.2. Dụng cụ và trang thiết bị đo .................................................................................. 21 2.2.3. Các phần mềm tính toán và xử lí .......................................................................... 21 2.3. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM .................................................................................... 21 2.3.1. Các điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử của Asen ............................................ 21 2.3.2. Qui trình phân tích .................................................................................................. 23 2.3.2.1. Qui trình phân tích riêng As(III) ....................................................................... 23 2.3.2.2. Qui trình phân tích đồng thời các dạng As....................................................... 23 2.3.3. Các thuật toán hồi qui đa biến............................................................................... 23
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................25 3.1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỒI QUY ĐA BIẾN TUYẾN TÍNH PHÂN TÍCH DẠNG ASEN................................................................................................................. 26 3.1.1. Đƣờng chuẩn xác định các dạng asen riêng rẽ trong môi trƣờng HCl 6M ..... 26 3.1.2. Giới hạn phát hiện(LOD) và giới hạn định lƣợng (LOQ) khi xác định đồng thời các dạng asen. ............................................................................................................ 34 3.1.3. Kiểm tra tính cộng tính của các dạng As ............................................................. 36 3.2. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CHUYỂN DẠNG ASEN................................................................................................................. 41 3.2.1. Khảo sát ảnh hƣởng của vật liệu bình chứa đến sự chuyển dạng As ............... 41 3.2.2. Khảo sát ảnh hƣởng của pH đến sự chuyển dạng của As trong quá trình bảo quản mẫu. ........................................................................................................................... 43 3.2.3. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian bảo quản mẫu đến quá trình chuyển dạng ....................................................................................................................... 46 3.2.4. Khảo sát ảnh hƣởng của oxi hòa tan đến quá trình chuyển dạng ..................... 48 3.2.5. Khảo sát ảnh hƣởng của các ion đến quá trình bảo quản các dạng As ............ 49 3.2.6. Khảo sát ảnh hƣởng của Fe3+ khi có mặt EDTA ................................................ 54 3.3. ĐÁNH GIÁ PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ......................................................... 57 3.4. ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH MẪU THỰC TẾ ........................................................ 58 3.4.1. Lấy mẫu nƣớc ngầm và xử lí sơ bộ mẫu ............................................................. 58 3.4.2. Xác định hàm lƣợng các dạng As trong mẫu thực ............................................. 59 KẾT LUẬN ...............................................................................................................63 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................64
MỞ ĐẦU Trong đời sống hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trƣờng ngày nay đang trở thành mối quan tâm hàng đầu của nhân loại. Cùng với sự phát triển của nền công nghiệp thì số lƣợng các chất độc phân tán trong môi trƣờng ngày một nhiều hơn do các hoạt động sản xuất và tiêu thụ đa dạng của con ngƣời. Đặc biệt phải kể đến sự phân tán của các kim loại nặng vào môi trƣờng gây nên sự ô nhiễm. Một trong số những nguyên tố gây ô nhiễm mang độc tính cao nhất là asen (As) đã và đang đƣợc phân tán nhanh trong môi trƣờng theo nhiều con đƣờng [1, 8]. Asen là một nguyên tố vi lƣợng rất cần thiết cho quá trình sinh trƣởng và phát triển của động vật và thực vật. Tuy nhiên ở hàm lƣợng cao asen gây tác hại to lớn đối với hệ sinh thái. Asen cản trở quá trình quang hợp, gây hiện tƣợng rụng lá, sự thiếu sắt ... ở thực vật. Asen có thể gây ra nhiều căn bệnh nguy hiểm cho con ngƣời nhƣ: Ung thƣ, đột biến, tổn thƣơng nội tạng, các căn bệnh về hệ thần kinh, về da, phổi và bàng quang... [ 2,4]. Asen có khả năng tích lũy cao trong cơ thể sinh vật và xâm nhập vào cơ thể qua nhiều đƣờng, mặt khác, y học hiện nay vẫn chƣa có phác đồ điều trị hiệu quả cho bệnh nhân nhiễm độc As. Do đó, hàm lƣợng As trong môi trƣờng đƣợc qui định rất nghiêm ngặt. Để xác định hàm lƣợng asen, ta có thể sử dụng nhiều phƣơng pháp khác nhau nhƣ phổ phát xạ (AES), phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), phổ phát xạ plasma cảm ứng(ICP-AES), phƣơng pháp trắc quang, phƣơng pháp điện hóa…Tuy nhiên các phƣơng pháp trên hầu hết chỉ xác định đƣợc tổng hàm lƣợng asen. Đối với quá trình phân tích xác định lƣợng vết từng dạng asen mới chỉ có một số ít các công trình nghiên cứu và chủ yếu tập trung ở các nghiên cứu trên hệ kết hợp sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC) kết nối với bộ phận phát hiện nhƣ AAS, AES, AFS, MS, ...[6, 27]. Các hệ đo này cho phép tách và định lƣợng đồng thời các dạng As một cách hiệu quả trên nhiều đối tƣợng, đặc biệt là đối tƣợng sinh học. Nhƣng chi phí cho quá trình phân tích khá lớn do đòi hỏi trang thiết bị đắt tiền nên không phải phòng thí nghiệm nào cũng có thể trang bị đƣợc. Vì vậy cần tìm một phƣơng pháp có thể sử dụng các thiết bị phổ biến hơn để định dạng As mà không cần công đoạn tách. 1
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành toán học thống kê và tin học ứng dụng, Chemometrics - một nhánh của hóa học phân tích hiện đại - đã phát triển nhanh chóng và đƣợc ứng dụng ngày một rộng hơn. Một mảng quan trọng trong Chemometrics đang đƣợc nghiên cứu và sử dụng hiệu quả là kĩ thuật hồi qui đa biến – thuật toán xác định đồng thời nhiều cấu tử trong hỗn hợp mà không cần tách loại. Thuật toán này đã đƣợc ứng dụng rộng rãi để giải quyết nhiều bài toán định dạng phức tạp. Đối với vấn đề xác định các dạng As trong hỗn hợp, hiện nay chƣa có nhiều công trình nghiên cứu theo hƣớng này tuy ƣu điểm của nó là rất lớn so với các hƣớng nghiên cứu khác. Trong dung dịch asen tồn tại ở các dạng khác nhau. Trong đó, chúng ta quan tâm chủ yếu đến bốn dạng là As(III), As(V), DMA, MMA. Tùy thuộc vào thành phần nền mẫu và từng điều kiện cụ thể của quá trình bảo quản mẫu, các dạng asen có thể chuyển hóa lẫn nhau. Vì vậy một yêu cầu cấp thiết đặt ra là phải nghiên cứu quá trình bảo quản mẫu, tránh sự chuyển đổi giữa các dạng asen trong quá trình bảo quản từ đó mới xác định chính xác từng dạng asen, đánh giá đúng mức độ ô nhiễm của môi trƣờng nƣớc để có biện pháp xử lí, hạn chế sự ảnh hƣởng của nó đến sức khỏe con ngƣời. Vì vậy, chúng tôi đã lựa chọn đề tài : ‘‘ Phân tích các dạng asen trong mẫu môi trường bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử kết hợp với chemometrics’’ với mục tiêu đặt ra là nghiên cứu quá trình chuyển các dạng asen trên cơ sở những nghiên cứu trƣớc đó về xác định các dạng asen bằng kĩ thuật HVG - AAS và hồi qui đa biến để định lƣợng các dạng asen trong mẫu nƣớc. 2
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. SƠ LƢỢC TÌNH HÌNH Ô NHIỄM ASEN TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, làm cho nguy cơ ô nhiễm asen ngày càng cao. As đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp nhƣ dƣợc, sản xuất kính, chất nhuộm, chất độc ăn mòn, thuốc trừ sâu, thuốc diệt nấm, thuộc da, hoặc ngành công nghiệp sử dụng nhiên liệu hóa thạch nhƣ công nghiệp xi măng, nhiệt điện, công nghệ đốt chất thải rắn cũng là nguồn gây ô nhiễm không khí, nƣớc bởi As [10, 12]. Các ngành công nghiệp khai thác và chế biến các loại quặng, nhất là quặng sunfua, luyện kim tạo ra nguồn ô nhiễm As do việc khai đào ở các mỏ nguyên sinh đã phơi lộ các quặng sunfua, làm gia tăng quá trình phong hóa, bào mòn và tạo ra khối lƣợng lớn đất đá thải có lẫn asenopyrit ở lân cận khu mỏ. Tại các nhà máy tuyển quặng, asenopyrit đƣợc tách ra khỏi các khoáng vật có ích và phơi ra không khí. Asenopyrit bị rửa trôi, dẫn đến hậu quả là một lƣợng lớn As đƣợc đƣa vào môi trƣờng xung quanh. Những ngƣời khai thác tự do khi đãi quặng đã thêm vào axit sunphuric, xăng dầu, chất tẩy. Asenopyrit sau khi tách khỏi quặng sẽ thành chất thải và đƣợc chất đống ngoài trời và trôi vào sông suối, gây ô nhiễm tràn lan. Bên cạnh đó, các quá trình tự nhiên nhƣ địa chất, địa hóa, sinh địa hóa, ... đã làm cho As nguyên sinh có mặt trong một số thành tạo địa chất (các phân vị địa tầng, các biến đổi nhiệt dịch và quặng hóa sunphua chứa As) tiếp tục phân tán hay tập trung gây ô nhiễm môi trƣờng sống [1, 23, 28]. Rất nhiều nghiên cứu thủy địa hóa về asen đã đƣợc tiến hành nhằm giải thích một cách đầy đủ cơ chế hình thành, giải phóng của asen, cũng nhƣ để đề xuất ra các biện pháp loại trừ ô nhiễm một cách có hiệu quả và khả thi.[5] Vấn đề ô nhiễm asen đang là một vấn đề thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học, nhiều tổ chức trong và ngoài nƣớc. Sự ô nhiễm asen đặc biệt là trong nƣớc ngầm đã đƣợc phát hiện ở nhiều nơi trên thế giới nhƣ Achentina, Mêhico, Chile, Mỹ, Canada, Trung Quốc, Đài Loan, Ấn Độ, Băngladet và Việt Nam. Một 3
phần lớn ngƣời dân đã bị nhiễm độc asen mãn tính do sự có mặt của asen trong nƣớc ngầm. Ở Mêhico, Chile, Đài Loan, Ấn Độ, Băngladet hàm lƣợng Asen trong nƣớc cao từ vài trăm đến hơn 1000 μg/L. Ở một số bang phía Tây nƣớc Mỹ, ngƣời dân đang phải sử dụng asen cao hơn giới hạn tối đa cho phép 50  g/L[5] ( Tổ chức Y tế Thế giới đã đƣa ra giới hạn cho phép về hàm lƣợng asen trong nƣớc ăn là 10  g/L từ năm 1993). Ở Châu Á, những vùng nhiễm độc asen cao nhƣ Băngladet và Ấn Độ, nồng độ asen trong tóc và nƣớc tiểu đƣợc sử dụng phổ biến làm chỉ thị cho sự phơi nhiễm asen mãn tính và tạm thời (Awanar et al, 2002). Đặc biệt là ở Băngladet, qua khảo sát 8000 giếng khoan ở 60 tỉnh trên tổng số 64 tỉnh ở nƣớc này ngƣời ta thấy rằng có khoảng 51% số giếng khoan có hàm lƣợng asen lớn hơn 0,05 mg/L. Theo ƣớc tính ở dây có khoảng 50 triệu dân sử dụng nƣớc bị ô nhiễm Asen[1] Một cuộc điều tra bởi Chakraborti và cộng sự đã cho thấy trong tổng số 35.000 mẫu tóc và nƣớc tiểu thu thập từ bệnh nhân bị ảnh hƣởng trên da sống ở khu vực ô nhiễm asen nặng nề, có 90% số mẫu vƣợt quá mức bình thƣờng(Chakraborti et al, 2002,2003). Khi nghiên cứu ở một số tỉnh thuộc Băngladet hàm lƣợng asen trong nƣớc, tóc và nƣớc tiểu lần lƣợt là: 0,01-9 mg/L, 1,1-19,84 mg/Kg và 0,05-9,42 mg/L. Ở Việt Nam, theo một vài báo cáo cho thấy, hàm lƣợng asen lấy từ các giếng khoan tại vùng châu thổ sông Hồng khá cao. Nồng độ asen trung bình tìm thấy là 159  g/L[5]. Hà Nội, Hà Nam, Hƣng Yên, Nam Định, Ninh Bình, Thái Bình, Hải Dƣơng là những vùng bị ô nhiễm asen nặng nề nhất. Ở đồng bằng sông Cửu Long, các nhà khoa học cũng đã phát hiện ra các giếng khoan có hàm lƣợng asen cao ở các tỉnh Đồng Tháp và An Giang[12] Hiện nay, ở các vùng đô thị mới và nông thôn tỉ lệ ngƣời dân sử dụng nƣớc ngầm (nƣớc giếng khoan) có hàm lƣợng asen làm nƣớc ăn vẫn còn nhiều. Vì vậy cần phải theo dõi tiến hành điều tra tình trạng ô nhiễm asen và tác động của nó đến môi trƣờng và sức khỏe ngƣời dân, tìm biện pháp giảm thiểu. 4
1.2. CÁC DẠNG TỒN TẠI TRONG MÔI TRƢỜNG CỦA ASEN 1.2.1. Các dạng asen tồn tại trong môi trƣờng Asen có mặt trong cả 3 thành phần môi trƣờng: Môi trƣờng đất, môi trƣờng nƣớc và môi trƣờng không khí. Phần lớn asen tồn tại trong địa quyển ở dạng khoáng phân tán. Do các quá trình tự nhiên nhƣ phong hóa, núi lửa...hay do các hoạt động của con ngƣời nhƣ khai khoáng, luyện kim, đốt nhiên liệu hóa thạch, công nghiệp điện tử bán dẫn, khai thác nƣớc ngầm... làm một phần asen phân tán vào môi trƣờng. Sau khi phát tán vào môi trƣờng, As tồn tại ở nhiều dạng khác nhau tùy theo bản chất của nguồn phát tán, điều kiện phát tán và điều kiện của môi trƣờng tồn tại. Bảng 1.1. Một số dạng As trong các đối tượng sinh học và môi trường STT Tên gọi Công thức 1. Asin AsH3 2. Asenit AsO33- 3. Asenat AsO43- 4. Axit dimetylasenic, DMAA Me2AsO2H 5. Axit metylasonic, MMAA MeAsO3H2 6. Trimetylasin Me3As 7. Oxit trimetylasin, TMAO Me3As+-O- 8. Ion tetrametylasoni Me4As+ 9. Trimetylasoniaxetat Me3As+CH2COO- 10. Asenocholin (2- Me3As+CH2CH2OH trimetylasonietanol) 11. Dimetylasinoyletanol Me3As+(O-)CH2CH2OH 5
Các dạng chủ yếu của As trong môi trƣờng nƣớc là bốn dạng As(III), As(V), DMA và MMA, trong đó hai dạng vô cơ có độc tính cao hơn [2, 4]. 1.2.2. Độc tính các dạng Asen Asen về tính chất hóa học rất giống với nguyên tố đứng trên nó là phốtpho. Tƣơng tự nhƣ phốtpho, nó tạo thành các ôxít kết tinh, không màu, không mùi nhƣ As2O3 và As2O5 là những chất hút ẩm và dễ dàng hòa tan trong nƣớc để tạo thành các dung dịch có tính axít, axít asenic (V), tƣơng tự nhƣ axít phốtphoric, là một axít yếu. Asen tạo thành hiđrua dạng khí và không ổn định, đó là arsin (AsH3). Sự tƣơng tự lớn đến mức Asen sẽ thay thế phần nào cho phốtpho trong các phản ứng hóa sinh học và vì thế nó gây ra ngộ độc. Tuy nhiên, ở các liều thấp hơn mức gây ngộ độc thì các hợp chất Asen hòa tan lại đóng vai trò của các chất kích thích và đã từng phổ biến với các liều nhỏ nhƣ là các loại thuốc chữa bệnh cho con ngƣời vào giữa thế kỷ 18.[13] Độ độc của asen phụ thuộc vào trạng thái oxi hóa của asen, phụ thuộc vào dạng tồn tại vô cơ hay hữu cơ. As(III) độc hơn nhiều so với As(V), asen vô cơ độc hơn rất nhiều so với asen hữu cơ. Qua nhiều nghiên cứu ngƣời ta thấy rằng độ độc giảm dần theo thứ tự: Asin > asenit > asenat > monometyl asenat > dimetyl asenat. Dạng xâm nhập chính vào cơ thể là asen dạng vô cơ, đặc biệt là Asen(III) dễ hấp thụ vào cơ thể con ngƣời qua đƣờng ăn uống. Các hợp chất asenit và asenat vô cơ bền, có khả năng hòa tan trong nƣớc đều dễ dàng hấp thụ vào dạ dày và các tế bào của cơ thể. As(V) đƣợc bài tiết (chủ yếu qua nƣớc tiểu) nhanh hơn As(III) vì ái lực với nhóm thiol (-SH) kém hơn. As(III) cản trở nhóm (-SH) gắn vào các enzym và giữ lại trong các protein tế bào của cơ thể nhƣ keratin đisunfua trong tóc, móng và da. As(V) không độc bằng As(III) và không gây ức chế đối với hệ enzym. Tuy nhiên As(V) lại ngăn cản sự tổng hợp ATP[4,17]. Asen và các hợp chất của nó là tác nhân gây 19 bệnh ung thƣ, đột biến và dị thai trong tự nhiên. Đối với thực vật, asen cản trở quá trình trao đổi chất, làm giảm mạnh năng suất, đặc biệt trong môi trƣờng thiếu photpho. Đó là một tai họa môi trƣờng đối với sức khỏe con ngƣời. 6
Những biểu hiện của bệnh nhân nhiễm độc asen: Nếu nhiễm asen ở mức độ thấp sẽ bị mệt mỏi, buồn nôn, hồng cầu và bạch cầu giảm, rối loạn nhịp tim, mạch máu bị tổn thƣơng, có thể gây xảy thai (nếu là phụ nữ mang thai). Nếu nhiễm độc asen mãn tính đƣợc biểu hiện từ thay đổi sắc tố da, chứng sạm da (melanosis), dày biểu bì (kerarosis), tổn thƣơng mạch máu, rối loạn cảm giác về sự di động.... Ngƣời bị nhiễm độc asen lâu ngày sẽ xuất hiện hiện tƣợng sừng hóa da, gây sạm và mất sắc tố da hay bệnh Bowen, ... từ đó dẫn đến hoại thƣ hay ung thƣ da, viêm răng, khớp, tim mạch, ... [23, 24 ]. Độc tính cao của asen và các hợp chất của nó còn do khả năng nhiễm độc qua nhiều con đƣờng: hô hấp, tiêu hoá, tiếp xúc qua da, đặc biệt As là tác nhân gây ung thƣ trên mọi bộ phận của cơ thể [21]. Hiện tại trên thế giới chƣa có phƣơng pháp hữu hiệu chữa bệnh nhiễm độc asen, các nghiên cứu vẫn chỉ tập trung vào điều trị triệu chứng và sử dụng bổ sung thêm các thuốc tăng thải và vitamin để cơ thể tự đào thải As . Hình 1.1. Một số hình ảnh về nạn nhân nhiễm độc As [4] Đối với cây trồng, sự hấp thu asen của nhiều cây trồng không quá lớn, thậm chí ở đất trồng nhiều asen, cây trồng thƣờng không chứa lƣợng asen gây nguy hiểm * Cơ chế gây độc [17] Asen vô cơ phá hủy các mô trong hệ hô hấp, trong gan và thận, nó tác động lên các enzim tấn công vào các nhóm hoạt động -SH của enzim làm vô hiệu hoá enzim: 7
As(III) ở nồng độ cao còn làm đông tụ protein, có lẽ do As(III) tấn công vào các liên kết có nhóm sunfua. Trong môi trƣờng yếm khí As(III) có thể tạo hợp chất (CH3)3As rất độc. As(V) ở dạng AsO43- có tính chất tƣơng tự PO43- sẽ thay thế PO42- gây ức chế enzim, ngăn cản quá trình tạo ATP là chất sản sinh ra năng lƣợng sinh học. Nó can thiệp và làm rối loạn một số quá trình sinh hóa của cơ thể. Asen hữu cơ tác động lên các tế bào sinh học. Các dạng As hữu cơ có tính độc thấp hơn rất nhiều, một số hợp chất As(V) vô cơ thậm chí không độc [36]. 1.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DẠNG ASEN Để xác định hàm lƣợng asen ngƣời ta đã sử dụng rất nhiều phƣơng pháp khác nhau nhƣ : Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử ( kỹ thuật ngọn lửa và không ngọn lửa) để xác định tổng lƣợng asen có trong mẫu[9]. Phƣơng pháp cực phổ có thể xác định đƣợc asenit bằng phƣơng pháp cực phổ xung vi phân áp dụng cho khoảng nồng độ tƣơng đối rộng 0,6ppb – 60ppb. Phƣơng pháp Von – Ampe hòa tan xác định asen bằng cách điện phân kết tủa làm giàu asen lên bề mặt điện cực sau đó ghi đƣờng hòa tan[10, 16]. Phƣơng pháp trắc quang xác định tổng lƣợng asen bằng việc đo độ hấp thụ quang của sản phẩm tạo thành giữa AsH3 với bạc dietyl [3 ]. Phƣơng pháp xanh molypden xác định asen bằng cách cho ion asenat phản ứng với amonimolipdat trong môi trƣờng axit tạo thành phức dị đa axit asenomolipdic màu vàng sau đó khử về dạng phức màu xanh và đo độ hấp thụ quang[11]. 8
Các phƣơng pháp phân tích thể tích xác định asen bằng phép chuẩn độ iot hoặc bằng dung dịch bromat. Tuy nhiên tất cả những phƣơng pháp đó chỉ áp dụng xác định tổng lƣợng asen có trong mẫu. Để xác định hàm lƣợng từng dạng asen ngƣời ta phải sử dụng các phƣơng pháp với kỹ thuật cao hơn. 1.3.1. Các phƣơng pháp xác định Asen có sử dụng kĩ thuật hidrua hóa (HVG) Phƣơng pháp này dựa trên nguyên tắc khử các hợp chất As về dạng asin và metylasin sau đó định lƣợng sản phẩm sinh ra để tính ngƣợc lại hàm lƣợng các hợp chất ban đầu. Phƣơng pháp cổ điển nhất xác định As theo hƣớng này là phƣơng pháp Guizeit - sử dụng Zn và axit HCl để khử As và đo asin bằng phép đo quang với bạc dietyldithiocacbamat . Nhiều công trình sau đó sử dụng NaBH4 làm chất khử thay cho hệ Zn/HCl kết hợp với một bộ phận phát hiện khác để định lƣợng asin nhƣ AAS, GC – AAS, GC – MS, ... [22, 35,36]. Tuy nhiên quá trình xác định cần lƣu ý [32]. Thứ nhất, hiệu suất khử các dạng As thành asin và dẫn xuất asin phụ thuộc nhiều vào môi trƣờng phản ứng và nồng độ NaBH4. Mỗi dạng As có một môi trƣờng khử tối ƣu riêng, đây cũng là cơ sở chính của phƣơng pháp xác định đồng thời các dạng As trong mẫu. Thứ hai, trong quá trình khử sẽ xuất hiện sự sắp xếp lại phân tử các dạng asin, đặc biệt là khi có mặt oxi trong dung dịch. Thứ ba, có rất nhiều ion lạ ảnh hƣởng tới phép đo nhƣ các ion kim loại nặng, nitrat, ... chủ yếu theo hƣớng làm giảm tín hiệu tức là giảm độ nhạy của phƣơng pháp và cách thức các ion này ảnh hƣởng lên phép đo không nhƣ nhau. Số lƣợng công trình áp dụng kĩ thuật hidrua hoá xác định As rất lớn và đa dạng [9, 25, 34, 35] cho thấy tính ƣu việt vƣợt trội của kĩ thuật này, đặc biệt là khi kết hợp sử dụng một hệ sắc kí và bộ phận hidrua hoá với một detector nhƣ MS hay các detector quang khác. 9
1.3.2. Phƣơng pháp sử dụng hệ tách HPLC kết hợp với một detector Nhiều công trình nghiên cứu theo hƣớng này đã đạt đƣợc những thành tựu nhất định trong việc định lƣợng các dạng As cũng nhƣ phát hiện và ghi nhận thời gian lƣu của các dạng chƣa biết. Việc sử dụng các hệ xác định này cho nhiều tiện ích trong việc xác định hàm lƣợng As, đặc biệt là ƣu thế sử dụng lƣợng mẫu nhỏ nên nó phù hợp với yêu cầu xác định lƣợng vết ở nhiều đối tƣợng khác nhau. Trong phƣơng pháp sắc ký lỏng hiệu nâng cao ngƣời ta sử dụng một cột trao đổi anion Hamilton PRP X – 100 đƣợc sử dụng để tách 4 dạng asen với pha động là dung dịch đệm photphat và kết hợp với một máy hấp thụ nguyên tử hoặc phát xạ nguyên tử cao tần cảm ứng để xác định lần lƣợt các dạng asen. Các tác giả Lê lan Anh, Nguyễn Đình Thuật, Bùi Minh Lý, Phạm Đức Thịnh – Viện Khoa học và Công nghệ đã tiến hành phân tích asen trong nƣớc và trầm tích ven biển bằng kỹ thuật ghép nối sắc ký lỏng hiệu nâng cao và phổ hấp thụ nguyên tử. Các tác giả A.J. Bednar, J.R. Garbarino, M.R. Burkhardt, J.F. Ranville,T.R. Wildeman [22] đã tiến hành xác định hàm lƣợng các dạng As trong mẫu nƣớc tự nhiên với độ nhạy khá cao (
Ngoài các công trình trên, số lƣợng các nghiên cứu áp dụng các hệ kết hợp khác nhau đã công bố rất đa dạng. Nhiều nhóm tác giả đã nghiên cứu so sánh khả năng phát hiện và định lƣợng của các detector khi kết hợp với hệ tách HPLC [21, 26] và nhận thấy mỗi loại có ƣu thế xác định các nhóm hợp chất As khác nhau, tuỳ theo đối tƣợng cụ thể để lựa chọn detecter phù hợp. Tuy nhiên đối với phƣơng pháp này lại có một nhƣợc điểm rất lớn đó là chi phí cho phép xác định cao, trang thiết bị hiện đại. 1.4. ỨNG DỤNG CHEMOMETRICS TRONG PHÂN TÍCH DẠNG ASEN 1.4.1. Thuật toán hồi qui đa biến tuyến tính MATLAB đƣợc bắt nguồn từ thuật ngữ “Matrix Laboratory” – là phần mềm nổi tiếng của công ty MathWorks. Đây là một ngôn ngữ hiệu năng cao hỗ trợ đắc lực cho tính toán với ma trận số liệu và hiển thị kết quả dạng đồ thị. Matlab đƣợc điều khiển bằng tập các lệnh, tác động qua bàn phím trên cửa sổ điều khiển. Các câu lệnh đơn giản, viết sát với các mô tả kĩ thuật nên lập trình trên ngôn ngữ này thực hiện nhanh, dễ dàng.[7] Matlab không chỉ cho phép đặt vấn đề tính toán mà còn có thể xử lí dữ liệu, biểu diễn đồ họa một cách mềm dẻo, đơn giản, chính xác trong không gian 2D và 3D bằng cả những hàm sẵn có và các hàm ứng dụng do ngƣời sử dụng tạo lập. Matlab đã thực sự trở thành công cụ phổ biến đắc lực trong các môi trƣờng làm việc khác nhau, ứng dụng cho mọi lĩnh vực khác nhau trong khoa học và cuộc sống . Matlab ban đầu đƣợc phát triển nhằm phục vụ chủ yếu cho việc mô tả các nghiên cứu kĩ thuật bằng toán học với phần tử cơ bản là ma trận. Trên cơ sở ban đầu đó, các nhà lập trình đã phát triển phần mềm này để sử dụng cho nhiều ngành khoa học nhƣ cơ học, vật lí, sinh học, hoá học, mô phỏng, … đối với cả dữ liệu rời rạc hay liên tục [7]. Với ƣu thế là bộ chƣơng trình phần mềm lớn trong lĩnh vực toán số và mô phỏng, chúng tôi đã lựa chọn phần mềm Matlab để nghiên cứu triển khai những lập trình hồi qui đa biến nhằm giải quyết bài toán xác định đồng thời các dạng asen. * Các ứng dụng chính của Matlab[15,18]: 11
- Thực hiện các tính toán toán học bao gồm: ma trận và đại số tuyến tính, đa thức và nội suy, phân tích số liệu và thống kê, tìm cực trị của hàm một biến hoặc nhiều biến, tìm nghiệm của phƣơng trình, tính gần đúng tích phân, giải phƣơng trình vi phân. - Phân tích, khảo sát và hiển thị số liệu: các số liệu đƣợc nhập vào cũng nhƣ xuất ra dƣới dạng ma trận, giúp ngƣời sử dụng dễ dàng quan sát, phân tích, đánh giá đƣợc dữ liệu của mình. Đồng thời MATLAB có Toolbox Statistic với những hƣớng dẫn cụ thể, hỗ trợ cho việc phân tích, khảo sát dựa trên các dữ liệu với các hàm cơ bản có sẵn. - Đồ họa 2 chiều và 3 chiều: MATLAB cung cấp rất nhiều các hàm đồ họa, nhờ đó ta có thể nhanh chóng vẽ đƣợc đồ thị của hàm bất kỳ 1 biến hoặc 2 biến, vẽ đƣợc các kiểu mặt… Ngoài ra MATLAB còn vẽ rất tốt các đối tƣợng 3 chiều phức tạp nhƣ hình trụ, hình cầu, hình xuyến,..và cung cấp khả năng xử lý ảnh và hoạt hình. - Mô hình, mô phỏng các hệ thống kĩ thuật, vật lý trên cơ sở sơ đồ cấu trúc dạng khối, sau khi đã thiết lập các thông số cần thiết phù hợp với yêu cầu, ngƣời sử dụng chỉ việc khởi động chƣơng trình MATLAB và xử lý dữ liệu qua mô hình đã thiết lập đƣợc. - Phát triển thuật toán: ngoài các câu lệnh đƣợc viết sẵn trong thƣ viện trợ giúp Toolbox, phần mềm đƣợc thiết kế để hỗ trợ ngƣời sử dụng có thể lập trình chƣơng trình riêng của mình giống nhƣ trong các phần mềm khác: Pascal, Visual basic… - Xây dựng giao diện ngƣời dùng: với MATLAB 7 ngƣời dùng có thể dễ dàng xây dựng giao diện gồm các thực đơn, nút lệnh, hộp thoại, hộp chọn,...mà không cần phải viết mã nhƣ các phiên bản trƣớc đây. Một mảng lớn trong Chemometrics gắn liền với toán học và tin học là hồi qui đa biến – kỹ thuật đa biến đƣợc dùng rộng rãi trong phòng thí nghiệm hoá học giúp giải quyết các bài toán xác định đồng thời nhiều cấu tử cùng có mặt trong hỗn hợp mà không cần tách loại trƣớc. Về nguyên tắc, chỉ cần xây dựng dãy dung dịch chuẩn có mặt tất cả các cấu tử cần xác định với nồng độ biết trƣớc trong hỗn hợp (các biến độc lập x), đo tín hiệu phân tích của các dung dịch này dƣới dạng một hay nhiều biến phụ thuộc y và thiết lập mô hình toán học mô tả quan hệ giữa hàm y (tín hiệu đo) và các biến độc lập x (nồng độ các chất trong hỗn hợp). Dựa trên mô hình 12