Nghiên cứu xác định đồng thời hàm lượng sắt và canxi bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử kết hợp với phương pháp hồi quy đa biến tuyến tính - ứng dụng xác định hàm lượng sắt và canxi trong rau Chùm ngây tại tỉnh Phú Thọ

KHOA HỌC NÔNG - LÂM NGHIỆP<br /> <br /> <br /> Nghiên cứu xác định đồng thời hàm lượng Sắt và Canxi bằng<br /> phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử kết hợp với phương<br /> pháp hồi quy đa biến tuyến tính - ỨNG DỤNG XÁC ĐỊNH<br /> HÀM LƯỢNG SẮT VÀ CANXI TRONG RAU CHÙM NGÂY<br /> TẠI TỈNH PHÚ THỌ<br /> Phùng Thị Lan Hương, Nguyễn Thị Thu Hương,<br /> Nguyễn Ngọc Liên, Nguyễn Thị Bình Yên<br /> Khoa Khoa học Tự nhiên – Trường Đại học Hùng Vương<br /> <br /> Nhận bài ngày 24/10/2017, Phản biện xong ngày 13/12/2017, Duyệt đăng ngày 14/12/2017<br /> <br /> <br /> <br /> TÓM TẮT<br /> <br /> <br /> C ây Chùm ngây đang được trồng phổ biến ở nước ta do khả năng thích nghi tốt với<br /> thời tiết và tiềm năng hạn chế tình trạng suy dinh dưỡng. Mục tiêu của nghiên cứu<br /> là xác định đồng thời hàm lượng các kim loại trong rau Chùm ngây. Chúng tôi khảo<br /> sát và đã tìm được các điều kiện ảnh hưởng đến quy trình xác định đồng thời hàm<br /> lượng sắt và canxi trong rau Chùm ngây bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử<br /> (Uv–Vis) kết hợp với phương pháp hồi quy đa biến tuyến tính (MLR): chất chỉ thị là PAR,<br /> pH=6,9, thời gian lắc 10 phút, tỉ lệ phức 1:2, phương pháp bình phương tối thiểu từng<br /> phần (PLS) chạy trên phần mềm Matlab. Áp dụng xác định hàm lượng sắt và canxi<br /> trong ba mẫu rau tại Phú Thọ, kết quả thu được như sau: hàm lượng sắt trong khoảng:<br /> 0,5–0,8%, hàm lượng canxi trong khoảng: 1,33–1,72%.<br /> Từ khóa: rau Chùm ngây, phổ hấp thụ nguyên tử (UV-Vis), phương pháp hồi quy đa biến<br /> tuyến tính (MLR), hàm lượng sắt, hàm lượng canxi, phương pháp bình phương tối thiểu<br /> từng phần (PLS).<br /> <br /> <br /> 1. Mở đầu cao hơn rất nhiều so với các loại rau khác.<br /> Cây Chùm ngây có danh pháp khoa học Đặc biệt, rau có đầy đủ các axit amin thiết<br /> là Moringa oleifera L. thuộc họ Chùm ngây. yếu cho cơ thể mà không phải loại rau nào<br /> Chùm ngây là loài thực vật thân gỗ được cũng cung cấp đủ. Ngoài ra, rau còn chứa<br /> trồng phổ biến ở khu vực Nam Á. Hàm lượng rất nhiều vi chất dinh dưỡng và những chất<br /> các chất dinh dưỡng trong rau Chùm ngây chống oxi hóa, chất kháng ung thư mà các<br /> <br /> 68  Tạp chí Khoa học & Công nghệ số 4 (9) – 2017<br />  KHOA HỌC NÔNG - LÂM NGHIỆP<br /> <br /> loại rau khác không có được. Vì vậy, Chùm • C là nồng độ chất hấp thụ ánh sáng.<br /> ngây đang dần trở thành món ăn hàng ngày • ε là hệ số hấp thụ quang phân tử [6].<br /> trong mỗi gia đình [2,3,4]. ■■ Phương pháp thống kê đa biến<br /> Phương pháp hồi quy đa biến là một Phương pháp hồi quy đa biến là kỹ thuật<br /> mảng quan trọng trong Chemometric, hiện đa biến được dùng rộng rãi trong phòng thí<br /> nay được dùng phổ biến trong các phòng thí nghiệm hóa học, giúp giải quyết các bài toán<br /> nghiệm hóa học. Phương pháp này giúp giải xác định đồng thời nhiều cấu tử cùng có mặt<br /> quyết các bài toán xác định đồng thời nhiều trong hỗn hợp mà không cần tách loại trước<br /> cấu tử có mặt trong hỗn hợp mà không cần khi xác định. Về nguyên tắc chỉ cần xây dựng<br /> tách loại ra trước khi phân tích. Áp dụng dãy dung dịch chuẩn có mặt tất cả các cấu tử<br /> phương pháp hồi quy đa biến vào việc xác cần xác định với nồng độ biết trước trong<br /> định đồng thời hàm lượng kim loại trong hỗn hợp (các biến độc lập X), đo tín hiệu<br /> rau xanh giúp cho việc xử lý mẫu đơn giản phân tích của các dung dịch này dưới dạng<br /> hơn, tiết kiệm hơn, hiệu quả hơn [6]. một hay nhiều biến phụ thuộc (Y) và thiết<br /> lập mô hình toán học mô tả quan hệ giữa<br /> 2. Đối tượng và phương pháp hàm Y (tín hiệu đo) và các biến độc lập X<br /> nghiên cứu (nồng độ các chất trong hỗn hợp). Dựa trên<br /> 2.1. Đối tượng mô hình này có thể tìm được nồng độ của<br /> • Lá chùm ngây tươi được lấy ở 3 địa các cấu tử trong cùng dung dịch định phân<br /> điểm khác nhau tại Phú Thọ. khi có tín hiệu phân tích của dung dịch đó.<br /> • Hàm lượng sắt và canxi trong rau xanh. Phương pháp hồi quy đa biến tuyến tính<br /> • Phức đơn ligan giữa sắt(III), canxi(II) (Multiple Linear Regression–MLR) gồm rất<br /> và thuốc thử PAR. nhiều phương pháp như phương pháp bình<br /> 2.2. Phương pháp phân tích, xác định phương tối thiểu, hoặc đa dạng hơn như<br /> hàm lượng sắt và canxi trong rau xanh bình phương tối thiểu từng phần, phương<br /> ■■ Phương pháp phổ hấp thụ phân tử pháp hồi quy cấu tử chính….<br /> UV-Vis: Phương pháp hoạt động dựa trên Trong bài báo này, chúng tôi đã nghiên<br /> nguyên tắc xác định một cấu tử X nào đó, ta cứu và kết luận sử dụng phương pháp bình<br /> chuyển X thành hợp chất có khả năng hấp phương tối thiểu từng phần (Partial Least<br /> thụ ánh sáng, rồi đo sự hấp thụ ánh sáng của Square–PLS) có nhiều ưu điểm hơn, phân<br /> hợp chất và suy ra hàm lượng chất cần xác tích nhanh hơn, số liệu đầu vào đơn giản hơn<br /> định X. Cơ sở của phương pháp là định luật và kết quả chính xác hơn. PLS là phương pháp<br /> hấp phụ ánh sáng Bouguer–Lambert Beer: đa biến dùng để mô hình hóa mối quan hệ<br /> I0 giữa biến độc lập X và biến phụ thuộc Y. PLS<br /> = A lg= ε LC mô hình hóa cả 2 biến X và Y đồng thời để<br /> I<br /> Trong đó: tìm ra biến ẩn (Latent Variables–LVs) trong X<br /> • I0 , I lần lượt là cường độ của ánh sáng mà từ đó sẽ đoán được biến ẩn trong Y.<br /> đi vào và đi ra khỏi dung dịch. Mục đích của PLS là mô hình hóa X sao<br /> • L là bề dày của dung dịch ánh sáng cho có thể đoán được thông tin trong Y.<br /> đi qua. PLS sẽ tối ưu hóa giá trị đồng phương sai<br /> <br /> Tạp chí Khoa học & Công nghệ số 4 (9) – 2017  69<br /> KHOA HỌC NÔNG - LÂM NGHIỆP<br /> <br /> (covariance) giữa ma trận X và Y. Hai ma trận Ypred là ma trận nồng độ mẫu chuẩn tính<br /> X và Y được phân tích thành hai ma trận trị lại được từ ma trận BETA<br /> số (score matrices) T, U và ma trận trọng số Ysam là ma trận nồng độ mẫu thực tính<br /> (loading matrices) P và Q. Hay nói cách khác lại được từ ma trận BETA<br /> PLS làm giảm số biến và tạo ra các cấu tử Ypred=[ones(size(X,1),1) X]*BETA;<br /> không liên quan, sau đó biểu diễn phương Ytest=[ones(size(Xtest,1),1) Xtest]*BETA;<br /> trình bình phương tối thiểu với những cấu Ysam=[ones(size(Xsam,1),1) Xsam]*BETA;<br /> tử này [7]. Lưu lại M-file vừa thực hiện được PLS.m<br /> 2.3. Phần mềm Matlab Gọi hàm M-file vừa viết được trong cửa sổ<br /> Matlab là một ngôn ngữ hiệu năng cao COMMAND WINDOW<br /> hỗ trợ đắc lực cho tính toán với ma trận số >> PLS<br /> liệu và hiển thị kết quả dạng đồ thị. Matlab<br /> được điều khiển bằng tập các lệnh, tác động 3. Kết quả và thảo luận<br /> qua bàn phím trên cửa sổ điều khiển. Các 3.1. Quy trình xác định các điều kiện<br /> câu lệnh đơn giản, viết sát với các mô tả kỹ tối ưu tạo phức Fe(III), Ca(II) và PAR<br /> thuật nên lập trình trên ngôn ngữ này thực Chúng tôi đã tiến hành khảo sát ảnh<br /> hiện nhanh, dễ dàng hơn so với nhiều ngôn hưởng của bước sóng, pH, thời gian đo sau<br /> ngữ thông dụng khác như Pascal, Fortran,… khi tạo phức, thành phần phức, đến sự tạo<br /> Những hàm có sẵn trong Matlab có cấu trúc phức đơn ligan Fe(III)-PAR, Ca(II)–PAR<br /> thiết lập gần giống ngôn ngữ C+, do đó người trong nước. Kết quả thu được như sau:<br /> dùng không mất nhiều thời gian học hỏi khi<br /> đã nắm được những vấn đề cơ bản của một Bảng 1. Các điều kiện tối ưu sự tạo phức (III)-<br /> PAR, Ca(II)–PAR<br /> số ngôn ngữ lập trình thông dụng.<br /> Thời gian λMax<br /> Câu lệnh chạy PLS trong phần mềm Phức chất pH Tỉ lệ phức<br /> (phút) (nm)<br /> Matlab (Commands for PLS) Ca(II)-PAR 6,9 1:2 20 493<br /> X là tín hiệu (response). Fe(III)-PAR 6,9 1:2 20 540<br /> <br /> Y là nồng độ (variable).<br /> Tính số laten variable, chọn số component 3.2. Xây dựng đường chuẩn xác định<br /> (n > plot(1:n,cumsum(100*PctVar(2,:)),’-bo’); Chuẩn bị 10 mẫu chứa dung dịch Ca(II)-<br /> xlabel(‘Number of PLS components’); PAR, Fe(III)-PAR theo điều kiện tối ưu ở<br /> ylabel(‘Percent Variance Explained in Y’); Bảng 1 với nồng độ ion kim loại ở Bảng 2.<br /> Chạy lại với số n thích hợp Các dung dịch trên được đo phổ hấp thụ<br /> [XL,YL,XS,YS,BETA,PctVar]= lsregress(X,Y,n); phân tử UV–Vis, kết quả thu được trình bày<br /> Xtest là ma trận tín hiệu kiểm chứng trong hình 1, 2.<br /> mô hình. Từ đường chuẩn hình 1 và 2 chúng tôi kết<br /> Xsam là ma trận tín hiệu mẫu thực. luận khoảng nồng độ tuyến tính để xác định<br /> Ytest là ma trận nồng độ mẫu kiểm chứng nồng độ ion Ca(II) 0,5.10-5 – 3,5.10-5 M và ion<br /> mô hình. Fe(III) là 0,45.10-5 – 2.10-5 M.<br /> <br /> 70  Tạp chí Khoa học & Công nghệ số 4 (9) – 2017<br />  KHOA HỌC NÔNG - LÂM NGHIỆP<br /> <br /> Bảng 2. Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang của phức vào nồng độ<br /> Nồng độ ion kim loại (10-5 M) Abs Lần 1 Abs Lần 2 Abs Lần 3 Abs Trung bình Abs<br /> 0,5 AFe–PAR 0,036 0,036 0,0035 0,036<br /> ACa – PAR 0,014 0,014 0,013 0,0137<br /> 0,7 AFe–PAR 0,077 0,077 0,076 0,077<br /> ACa – PAR 0,02 0,02 0,02 0,02<br /> 1,0 AFe–PAR 0,133 0,132 0,133 0,133<br /> ACa – PAR 0,116 0,117 0,115 0,116<br /> 1,2 AFe–PAR 0,19 0,192 0,19 0,191<br /> ACa – PAR 0,242 0,360 0,362 0,321<br /> 1,5 AFe–PAR 0,237 0,237 0,236 0,237<br /> ACa – PAR 0,3 0,301 0,3 0,3<br /> 1,7 AFe–PAR 0,283 0,284 0,283 0,283<br /> ACa – PAR 0,357 0,358 0,36 0,358<br /> 2,0 AFe–PAR 0,297 0,298 0,297 0,297<br /> ACa – PAR 0,510 0,511 0,51 0,51<br /> 2,5 AFe–PAR 0,319 0,320 0,32 0,32<br /> ACa – PAR 0,708 0,707 0,708 0,708<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Đường chuẩn của phức Ca(II)–PAR Hình 2. Đường chuẩn của phức Fe(III)–PAR<br /> <br /> <br /> 3.3. Xây dựng quy trình xác định đồng Kiểm tra lại tính đúng của mô hình hồi<br /> thời sắt và canxi trong dung dịch bằng quy bằng 10 mẫu kiểm tra (Sơ đồ 2, bảng 4),<br /> phương pháp phổ hấp thụ phân tử kết các bước tiến hành giống như đối với 30<br /> hợp với thống kê đa biến mẫu chuẩn.<br /> Đường chuẩn đa biến và các bộ dữ liệu Sai số của phép đo được trình bày ở<br /> dự đoán được xây dựng trên ma trận độ xác bảng 5.<br /> định đồng thời 2 kim loại trên được xây Sai số của phép kiểm tra từ 0,4–12,0%<br /> dựng như trong Sơ đồ 1 dưới đây và bảng 3. nằm trong giới hạn cho phép (