Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS

Nguyên tắc của phương pháp là dựa trên sự tạo phức mầu của các ion với thuốc thử. Nồng độ của các ion trong phức thay đổi sẽ tạo ra màu khác nhau, dẫn đến độ hấp thụ quang khác nhau. Độ hấp thụ quang được xác định theo định luật Lamber-Beer theo phương trình:

A = .l.C

Trong đó:

: Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào bản chất màu và bước sóng của ánh sáng tới.

l: Chiều dày cu vet.

C: Nồng độ chất phân tích.

Khi l và  không đổi, độ hấp thụ quang phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ. Vì vậy, khi xây dựng được đường chuẩn biểu thị mối quan hệ giữa độ hấp thụ và nồng độ C trong từng trường hợp cụ thể sẽ dễ dàng xác định được nồng độ chưa biết của một chất thông qua độ hấp thụ quang. Giới han phát hiện của phương pháp cỡ 10^-5M – 10^-6M.

Các tác giả Trần Thúc Bình, Trần Tứ Hiếu, Phạm Luận [3] đã xác định Cu, Ni, Mn, Zn bằng phương pháp UV-VIS với thuốc thử PAN trong cùng một hỗn hợp cho sai số nhỏ hơn 4% ở các bước sóng khác nhau.

Angeline M.Stoyanova [26] đã xác định Cr(VI) bằng phương pháp trắc quang xúc tác, phương pháp này chủ yếu dựa trên hiệu ứng xúc tác của Cr(VI) đến phản ứng oxi hoá axit sunfanilic (SA) bằng H₂O₂ khi có mặt của p-Aminobenzoic axit (PABA). Sau khi cho thuốc thử 15 phút, đo độ hấp thụ quang tại bước sóng 360nm. Điều kiện tối ưu của phương pháp đã được thiết lập: nồng độ SA là 4,3.10^-3M, nồng độ PABA là 1,0.10^-3M, nhiệt độ phản ứng 50⁰C, hệ đệm axit axetic- axit boric-axit orthophotphoric có pH=6,6. Giới hạn phát hiện của phương pháp là 10ng/ml. Độ lệch chuẩn tương đối từ 2,9 đến 5,8%. Phương pháp này áp dụng thành công để xác định Cr trong nước thải.

*Nguyên tắc của phương pháp: Mẫu phân tích được chuyển thành hơi của nguyên tử hay ion tự do trong môi trường kích thích bằng cách dùng nguồn năng lượng phù hợp. Thu, phân li và ghi toàn bộ phổ phát xạ của nguyên tố cần phân tích nhờ máy quang phổ. Đánh giá phổ đã ghi về mặt định tính và định lượng theo những yêu cầu đã đặt ra.

*Ưu điểm của phương pháp: Có độ nhạy rất cao (10^-5-10^-8 M) và độ chính xác cao (sai số dưới 10%). Phân tích đồng thời nhiều nguyên tố trong một mẫu mà không cần tách riêng, tiêu tốn ít mẫu, có thể kiểm tra được độ đồng nhất về thành phần của vật mẫu ở những vị trí khác nhau. Kết quả phổ thu được ghi trên phim ảnh có thể lưu trữ, khi cần thiết có thể đánh giá hay xem xét lại mà không cần phải có mẫu phân tích.

Tác giả Phạm Luận và cộng sự [10] đã ứng dụng phương pháp AES phân tích một số kim loại trong nước, đối với Na cho giới hạn phát hiện 0,05ppm, K và Li là 0,5ppm và với Pb là 0,1ppm.

Sergio Luis Costa Ferreira, Hilda Costa dos Santos….[49] đã sử dụng phương pháp ICP-AES xác định Cu, Zn trong nước sau khi cho tạo phức và hấp thu trên nhựa Amberlite XAD-2 và đã đưa ra giới hạn phát hiện của Cu (ở 324.8nm) là 2g/l; của Zn (213.8 nm) là 5g/l.

Cũng với phương pháp ICP-AES các tác giả: S.García Salgado, M.A.Quijano Nieto va M.M. Bonilla Simón [51] đã phân tích hàm lượng As trong mẫu tảo và dịch chiết của nó, nhằm mục đích tìm điều kiện tối ưu để bảo quản mẫu. Kết quả chỉ ra rằng với mẫu tảo bảo quản bằng chai nhựa polystiren ở nhiệt độ +20°C thì As và các hợp chất của nó có thể bảo quản ít nhất 12 tháng. Mặt khác với dịch chiết từ loài tảo Sargasso, As tổng và As(V) có thể bảo quản ít nhất 15 ngày nếu đựng trong chai polystiren và nhiệt độ -18°C, còn dịch chiết của loài tảo Hijiki thì có thể bảo quản trong vòng 10 ngày ở nhiệt độ +4°C trong chai polystiren.

1.5.1.4. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS

*Nguyên tắc của phương phá: Mẫu phân tích được chuyển thành hơi của nguyên tử hay ion tự do trong môi trường kích thích bằng cách dùng nguồn năng lượng phù hợp. Thu, phân li và ghi toàn bộ phổ hấp thụ của nguyên tố cần nghiên cứu nhờ máy quang phổ. Đánh giá phổ đã ghi về mặt định tính và định lượng theo những yêu cầu đặt ra.

Gần 60 nguyên tố hóa học có thể được xác định bằng phương pháp với giới hạn phát hiện thấp 10^-4 đến 10^-5 ppm . Đặc biệt nếu sử dụng kĩ thuật không ngọn lửa thì có thể hạ giới hạn phát hiện xuống 10^-7 ppm.

*Ưu điểm của phương phá: Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử có độ nhạy và độ chọn lọc cao, nên trong nhiều trường hợp không phải làm giàu nguyên tố cần xác định trước khi phân tích. Do đó tốn ít nguyên liệu mẫu, tốn ít thời gian, không cần phải dùng nhiều hóa chất tinh khiết cao khi làm giàu, nên cũng tránh được sự nhiễm bẩn khi xử lí mẫu qua các giai đoạn phức tạp. Kết quả phân tích ổn định, sai số nhỏ, có thể lưu lại đường chuẩn cho các lần sau.

*Đối tượng của phương phá: Phương pháp này thích hợp để xác định lượng vết của kim loại, đặc biệt là xác định các nguyên tố vi lượng trong các mẫu y học, sinh học, nông nghiệp, kiểm tra các hóa chất có độ tinh khiết cao.

Ykbal Kojuncu và cộng sự [53] đã sử dụng phép đo F-AAS và ET-AAS để phân tích lượng vết các kim loại Cd, Cu, Fe, Ni, Pb, Zn và Tl trong nước biển, giới hạn phát hiện của ET-AAS với Cd là 0.010g/L, Cu là 0.034g/L, Ni là 0.305g/L, Pb là 0.290g/L, và Tl là 0.032g/L. Của F-AAS với Fe là 0.890g/L và Zn là 0.994g/L .

N.Pourreza và K.Ghanemi [46] đã phân tích Hg trong nước và cá bằng phương pháp hấp thụ nguyên tử hoá hơi lạnh (CV-AAS). Đường chuẩn được xây dựng trong khoảng nồng độ từ 0,040 đến 2,40 ng.mL⁻¹ với hệ số tương quan 0,9994. Giới hạn phát hiện dựa trên tính toán là 0,02 ng.mL⁻¹. Hệ số biến thiên khi xác định Hg(II) ở nồng độ 0,4 và 2,0 ng.mL⁻¹ lần lượt là 2,6 và 1,9%. Các tác giả cũng đã kết luận phương pháp này có thể ứng dụng để phân tích hàm lượng Hg(II) trong các mẫu nước, nước thải và cá.

Abdulkhaliq. A và cộng sự [24] đã sủ dụng phép đo G-AAS xác định hàm lượng kim loại Cd, Pb, Cu và Fe trong trong sữa bò, sản phẩm từ sữa và trứng gà từ Bờ Tây, Palestine kết quả chỉ ra rằng: Nồng độ trung bình của các kim loại (g/g) trong sữa và các mẫu đã phân tích dao động giữa 0,022-0,057 với Cd, ND-0.93 với Pb, 0,62-0,85 với Cu và 3,2-12,91 với Fe. Kết quả cho thấy nồng độ cao của Pb và Cd đặc biệt là trong các mẫu sữa bột. Nồng độ thấp nhất của kim loại đã được tìm thấy trong pho mát trắng theo sau là sữa nước. Hàm lượng kim loại (mg/g) trong trứng gà là 0,021-0,049 với Cd, 0,06-0,48 với Pb, 2,29-3,26 với Cu và 15,25-33,52 với Fe. Trứng gà đã được phát hiện có chứa đáng kể Fe và Cu hơn sữa hoặc các sản phẩm sữa nhưng thường ít Pb và Cd.

Điện cực làm việc (còn gọi là điện cực chỉ thị) là điện cực phân cực có bề mặt rất nhỏ, khoảng một vài mm². Trong cực phổ cổ điển người ta dùng điện cực chỉ thị là điện cực giọt thủy ngân. Điện cực so sánh là điện cực không phân cực. Đầu tiên người ta dùng điện cực đáy thủy ngân có diện tích bề mặt tương đối lớn, sau đó thay bằng điện cực Calomen hay điện cực Ag/AgCl. Đặt vào điện cực làm việc điện thế một chiều biến thiên liên tục nhưng tương đối chậm để có thể coi là không đổi trong quá trình đo dòng I. Cực phổ hiện đại bao gồm cực phổ sóng vuông, cực phổ xung và cực phổ xung vi phân đã đạt tới độ nhạy 10^-5-5.10^-7 M.

Các tác giả Từ Văn Mạc, Trần Thị Sáu đã sử dụng phương pháp cực phổ ngược xung vi phân xoay chiều xác định vết Cu, Pb, Cd trong bia ở khu vực Hà Nội cho độ nhạy rất cao tới 1 ppb [13].

Phương pháp này có thể xác định được gần 30 kim loại trong khoảng nồng độ 10^-6 -10^-9M với độ chính xác khá cao có thể định lượng đồng thời 3-4 ion kim loại cùng có trong cùng dung dịch.

Phương pháp này được thực hiện qua hai giai đoạn:

- Điện phân làm giàu chất cần phân tích lên bề mặt điện cực tại thế không đổi, đo dưới dạng một kết tủa (kim loại, hợp chất khó tan).

- Hòa tan kết tủa đã được làm giàu và ghi đo đường hòa tan. Nồng độ của chất tương ứng với chiều cao pic hòa tan.

*Ưu điểm của phương pháp: Phương pháp có độ nhạy và độ chính xác cao, kỹ thuật phân tích và trang thiết bị không quá phức tạp, kết quả ổn định. Chính vì vậy, phạm vi ứng dụng của phương pháp này rất rộng như phân tích môi trường, xác định lượng vết kim loại trong nước biển và các loại nước thiên nhiên. Ngoài ra phương pháp này còn sử dụng để phân tích kim loại trong các mẫu lâm sàng (máu, tóc, nước tiểu,…) và trong mẫu thực phẩm (sữa, rau quả, gạo, thịt…).

Các tác giả Lê Lan Anh, Vũ Đức Lợi, Đặng Minh Ngọc, Ngô Thị Bích Hà… [1] dùng phương pháp von-ampe hoà tan trên điện cực màng Hg, giọt Hg treo đã xác định hàm lượng Pb trong tóc, trong nước tiểu của người để phục vụ cho chẩn đoán lâm sàng. Khi nồng độ Pb trong tóc  30 g/g thì được coi là có dấu hiệu tiếp xúc quá mức Pb. Kết quả phân tích như sau:

+ Với mẫu tóc của 61 người bình thường thì hàm lượng Pb trung bình là 15.15  2g/g

+ Với người tiếp xúc thường xuyên với xăng dầu (90 người) thì hàm lượng trung bình: 49.8  71.9 g/g.

+ Mẫu của những bệnh nhân nhiễm Pb thì hàm lượng trung bình của 32 mẫu là: 86.0412.7 g/g.

Mónica Cecilia Vargas Mamani và cộng sự [45] sử dụng phương pháp này để phân tích hàm lượng Pb và Cd trong mẫu dược liệu. Giới hạn phát hiện của phương pháp là 0,12 và 0,010 mg/kg với Pb và Cd. Kết quả được áp dụng để phân tích chì và cadmi trong 4 loài: Hypericum perforatum, Mikania guaco, Mikania glomerata và Peamus boldus.

Gil Ho Hwang, Won Kyu Han, Joon Shik Park và Sung Goon Kang [33] sử dụng phương pháp Von-Ampe hoà tan anốt với điện cực màng Bi để xác định lượng vết các kim loại Pb, Cd và Zn. Khoảng tuyến tính của phương pháp từ 2 đến 100μg/L. Giới hạn phát hiện của phương pháp là 1,3 μg/L với Pb; 0,7 μg/L với Cd và 12μg/L với Zn.

1.5.3. Phương pháp phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS) [11]

Thuật ngữ ICP (Inductively Coupled Plasma) dùng để chỉ ngọn lửa plasma tạo thành bằng dòng điện có tần số cao (cỡ MHz) được cung cấp bằng một máy phát Radio Frequency Power (RFP). Ngọn lửa plasma có nhiệt độ rất cao có tác dụng chuyển các nguyên tố trong mẫu cần phân tích thành dạng ion.

MS (Mass Spectrometry) là phép ghi phổ theo số khối hay chính xác hơn là theo tỷ số giữa số khối và điện tích (m/Z).

Từ khi xuất hiện plasma cảm ứng với các tính năng và ưu điểm về vận hành hơn hẳn các nguồn hồ quang và tia điện thì một công cụ mới đã dần dần được phát triển thành một tổ hợp ICP ghép với một khối phổ kế. Hai ưu điểm nổi bật của ICP-MS là có độ phân giải cao và dễ tách các nhiễu ảnh hưởng lẫn nhau do đó có thể phát hiện được hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Phương pháp phân tích này dựa trên các nguyên tắc của sự bay hơi, phân tách, ion hóa của các nguyên tố hóa học khi chúng được đưa vào môi trường plasma có nhiệt độ cao. Sau đó các ion này được phân tách ra khỏi nhau theo tỷ số khối lượng / điện tích (m/z) của chúng, bằng thiết bị phân tích khối lượng có từ tính và độ phân giải cao phát hiện, khuyếch đại tín hiệu và đếm bằng thiết bị điện tử kĩ thuật số.

Phương pháp ICP – MS ra đời vào đầu những năm 80 của thế kỉ trước và ngày càng chứng tỏ là kĩ thuật phân tích có ưu điểm vượt trội so với các kĩ thuật phân tích khác như quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), quang phổ phát xạ plasma cảm ứng (ICP-AES hay ICP-OES)…Phương pháp ICP-MS hơn hẳn các kĩ thuật phân tích kim loại nặng khác ở các điểm sau: có độ nhạy cao, độ lặp lại cao, xác định đồng thời được hàng loạt các kim loại trong thời gian phân tích ngắn.

• 
  Sự xuất hiện và bản chất của phổ ICP-MS
  

ICP-MS sư dụng nguồn năng lượng cao tần, nhiệt địên lên đến 6.000-10000⁰C cho phép hóa hơi, nguyên tử hóa và ion hóa tất cả các chất với hiệu suất cao và ổn định. Tách loại các ion nhờ hệ từ trường tứ cực.

• 
  Các quá trình xảy ra trong nguồn ICP:
  

Hóa hơi: M_nX_m(r)  M_nx_m(k)

Phân li: M_nX_m(k)  nM(k) + mX(k)

Ion hóa: M(k)⁰ + E_nhiệt  M(k)⁺

- Thu toàn bộ đám hơi ion của mẫu, lọc và phân ly chúng thành phổ nhờ hệ thống phân giải khối theo số khối của ion, phát hiện chúng bằng detector, ghi lại phổ.

- Đánh giá định tính, định lượng phổ thu được.

Như vậy thực chất phổ ICP - MS là phổ của các nguyên tử ở trạng thái khí tự do đã bị ion hóa trong nguồn năng lượng cao tần ICP theo số khối các chất.

• 
  Ưu điểm của phương pháp phân tích bằng ICP-MS
  

Hình 1.1: Ứng dụng phương pháp phân tích ICP-MS trong các lĩnh vực

- Nguồn ICP là nguồn năng lượng kích thích phổ có năng lượng cao, nó cho phép phân tích hơn 70 nguyên tố từ Li – U và có thể xác định đồng thời chúng với độ nhạy và độ chọn lọc rất cao (giới hạn phát hiện từ ppb-ppt đối với tất cả các nguyên tố).

- Khả năng phân tích bán định lượng rất tốt do không cần phải dùng mẫu chuẩn mà vẫn đạt độ chính xác cao; có thể phân tích các đồng vị và tỷ lệ của chúng.

- Tuy có độ nhạy cao nhưng nguồn ICP lại là nguồn kích thích phổ rất ổn định, nên phép đo ICP - MS có độ lặp lại cao và sai số rất nhỏ.

- Phổ ICP - MS ít vạch hơn phổ ICP - AES nên có độ chọn lọc cao, ảnh hưởng thành phần nền hầu như ít xuất hiện, nếu có thì cũng rất nhỏ, dễ loại trừ.

- Vùng tuyến tính trong phép đo ICP - MS rộng hơn hẳn các kỹ thuật phân tích khác, có thể gấp hàng trăm lần và khả năng phân tích bán định lượng rất tốt do không cần dùng mẫu chuẩn mà vẫn cho kết quả tương đối chính xác.

- Ngoài ra ICP-MS còn được sử dụng như là một detector cho LC, CE, GC...

Với nhiều ưu điểm vượt trội, kỹ thuật phân tích ICP - MS được ứng dụng rộng rãi để phân tích nhiều đối tượng khác nhau đặc biệt là trong các lĩnh vực phân tích vết và siêu vết phục vụ nghiên cứu sản xuất vật liệu bán dẫn, vật liệu hạt nhân, nghiên cứu địa chất và môi trường ... Ở Việt Nam, thiết bị ICP-MS đã được lắp đặt và sử dụng trong một số viện nghiên cứu như Viện xạ hiếm, Viện nghiên cứu địa chất-khoáng sản, Viện công nghệ môi trường, Khoa Hóa học-Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội, …

• 
  Các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo ICP-MS
  

- Đồng vị của các nguyên tố khác nhau có số khối trùng nhau. Sự kết hợp giữa các nguyên tử tạo ra một phân tử mới có số khối trùng với số khối của nguyên tố cần phân tích.

- Các nguyên tử khi ion hóa bậc 1 hoặc bậc 2 sẽ cho các số khối khác nhau trùng với số khối của nguyên tố cần phân tích.

- Ảnh hưởng của mẫu phân tích trước.

• 
  Một số công trình nghiên cứu xác định kim loại nặng bằng phương pháp
  

Các tác giả Trần Tứ Hiếu, Lê Hồng Minh, Nguyễn Viết Thức đã xác định được lượng vết của 6 kim loại nặng: Cu, Zn, As, Ag, Cd, Pb bằng phương pháp ICP-MS trong các loài trai, ốc ở Hồ Tây-Hà Nội với mẫu đông khô và mẫu tươi. Căn cứ theo cách phân loại chất lượng môi trường nước dựa trên hàm lượng các kim loại vết trong trai, ốc các tác giả kết luận nước Hồ Tây bị ô nhiễm nhẹ bởi đồng, bạc, asen, cacdimi, bị ô nhiễm ở mức bình thường bởi các nguyên tố như kẽm, chì [5].

Tác giả Nguyễn Thị Nga đã xác định 11 kim loại nặng: Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Hg, Pb trong các mẫu rau, củ, quả và mẫu thịt bằng phương pháp ICP-MS. Kết quả phân tích cho thấy Pb và Hg là 2 kim loại nhiễm ở nhiều mẫu nhất so với các kim loại khác. Cu và Zn không bị quá ở bất cứ mẫu nào. Các kim loại khác bị nhiễm ở một số mẫu [15].

Peter Heiland và Helmut D. Koster [48] ứng dụng phương pháp ICP-MS để xác định lượng vết 30 nguyên tố Cu, Pb, Zn, Cd, As, Cr, … trong mẫu nước tiểu của trẻ em và người trưởng thành.

Marcos Pérez-López và cộng sự [42] phân tích Pb, Cd, Zn và As có trong thịt một số loài chim hoang dã ở vùng Galicia (Tây Bắc Tây Ban Nha) bằng phương pháp ICP-MS. Kết quả cho thấy hàm lượng Zn trong khoảng 1,47 -2,98ppm, hàm lượng As trong khoảng 1,21 đến 6,88ppm. Hàm lượng Pb và Cd trong đó tương đối cao, có mẫu lên tới trên 18ppm Pb, và hàm lượng Cd cao nhất thu được lên tới 39ppm.

Mohamed Maanan [44], trường đại học Nates, Pháp đã sử dụng phương pháp ICP-MS để phân tích Hg và Pd trong các động vật thân mềm ở vùng biển. Kết quả cho thấy hàm lượng Pb là 9,6 mg.kg⁻¹ và hàm lượng Hg là 0,6 mg.kg⁻¹.

Simone Griesel và cộng sự [50] đã sử dụng phương pháp ICP-MS để xác định hàm lượng của 23 kim loại (Be, Al, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Rb, Sr, Mo, Pd, Cd, Sn, Pt, Pb) trong máu của hải cẩu ở vùng biển Wadden, Đức và đảo Danish. Kết quả chỉ ra rằng hàm lượng một số nguyên tố như As, Cr, Mn, Mo, Se, V trong máu hải cẩu cao hơn so với trong máu người. Một số nguyên tố như Al, Mn, Cu, và Pt khác nhau đáng kể trong máu hải cẩu ở hai vùng địa lí khác nhau. Sự khác biệt này có thể do ảnh hưởng của nguồn thức ăn.

A.T.Townsend và I.Snape [27] đã tiến hành xác định hàm lượng Pb trong các mẫu trầm tích ở cửa sông thuộc nam Australia bằng phương pháp ICP-MS. Các mẫu trầm tích ở Brown Bay hàm lượng Pb trong khoảng 18–215 mg.kg^− 1, còn ở vùng Broken Hill và Mt Isa Australian hàm lượng Pb lần lượt từ 35,5 đến 36 và từ 16,0 đến 16,1 mg.kg^-1. Còn ở khu vực Wilkes Station hàm lượng Pb được xác định trong khoảng 13–40 mg.kg^− 1.

Wenling Hu, Fei Zheng và Bin Hu [52] tách và xác định hàm lượng của As(III), As(V), Cr(III), Cr(VI) trong nước tự nhiên sử dụng kỹ thuật sol-gel và ICP-MS. Giới hạn phát hiện của phương pháp là 0,7 và 18 ng/L với As(V) và Cr(VI); 3,4 và 74 ng/L với As(III) và Cr(III). Độ lệch chuẩn là 3,1; 4,0; 2,8 và 3,9% (C= 1 ng.mL^-1) tương ứng với As(V), As(III), Cr(VI) và Cr(III). Với nước máy và nước hồ hiệu suất thu hồi đạt được từ 94 đến 105%.

Bảng dưới đây cho thấy khả năng phát hiện của ICP-MS hơn so với các kỹ thuật khác: